3.2.1　化学调理技术

3.2.1.1　化学调理基础研究

（1）化学调理定义和主要作用方式

化学调理方法也称加药调理法，是指通过向污泥中添加适量的化学药剂，使其在污泥胶质微粒表面起化学反应，中和污泥胶质微粒的电荷或改变胶体的立体结构，促使污泥微粒凝聚成大的颗粒絮体而发生沉淀，从而达到改善污泥脱水性能的目的。化学调理技术是传统的污泥调理技术，经济实用、简单方便，可以增加污泥胶体颗粒体积，大幅地降低其比表面积，改变污泥表面与内部的水分分布状况，减少水分的吸附，同时使水从污泥颗粒中分离出来，最终使污泥的脱水性能得到有效地提高。

一般认为，污泥化学调理影响污泥脱水性能的作用方式主要包括压缩双电层、吸附架桥和网捕3个方面。

1）压缩双电层作用　双电层即扩散层和吸附层的合称。由于污泥胶体颗粒本身带负电荷，离子间存在静电斥力，因此可以使污泥长时间的保持较为稳定的胶体分散状态。当双电层被压缩时，污泥胶体颗粒间的静电斥力就会减小，污泥胶体的稳定状态被打破，从而导致胶体颗粒的聚集，并形成絮团。

当向污泥中加入大量的阳离子电解质时，阳离子就会涌入扩散层甚至吸附层，增加其中的阳离子浓度，使扩散层或吸附层变薄，从而削弱胶核表面的负电性，并降低胶粒间静电斥力。当大量阳离子涌入吸附层而导致扩散层完全消失时，胶体颗粒间的静电斥力就会消失，此时胶粒间最容易发生互相碰撞并产生较大的絮凝体。一般来说，絮凝剂所带的电荷量越多，达到同样絮凝效果时所消耗的絮凝剂的量就会越少。但是，絮凝剂的添加量不能过大，当添加量过大时，胶体颗粒表面的电荷就会发生逆转，从而导致胶体颗粒间静电斥力的恢复，并使已脱稳胶体又重新处于稳定的胶体分散状态，脱水性能恶化，如铝盐和铁盐以及一部分有机高分子絮凝剂均会导致这种情况的发生。

2）吸附架桥作用　吸附架桥是指当高分子絮凝剂浓度较低时，其分子链上的—COO—、—CONH₂、—NH—等活性基团可以产生氢键、范德华力、配位键等而与污泥颗粒发生作用，使吸附在污泥颗粒表面上的高分子长链还能同时被吸附在另一颗粒的表面，从而实现“架桥”。通过这种架桥方式可以将两个或更多的污泥胶体颗粒吸附在一起，使颗粒逐渐增大，或在同电性的污泥胶体之间通过异电性的高分子将其连接起来，形成质量和体积较大的胶团，从而导致污泥絮凝。一般认为，高分子絮凝剂在污泥胶体表面的覆盖率为33.3%～50%时即为絮凝剂的最佳投加量，而当覆盖率增加至90%时，已脱稳的胶体会发生再悬浮或产生胶体保护作用。絮凝剂的最佳浓度与其分子量的大小无关，而主要取决于其所含官能团的数量与极性，因此最佳的絮凝效果发生于胶体颗粒电位为零的附近，但凝聚速度会随着分子量的增加而变快。

3）网捕作用　当以铝盐或铁盐为絮凝剂投加到污泥溶液中时，此类阳离子型高分子絮凝剂会发生水解，形成溶解的单聚、二聚和多聚的羟基配合物离子水合物，进而产生水合金属氢氧化物沉淀。由于这类氧化物表现为巨大的网状表面结构，并且带一定正电荷量，具有一定静电黏附能力。因此在胶体粒子生成水合金属氢氧化物沉淀的过程中，此类沉淀会对带负电荷的胶粒产生吸附、集卷和网捕作用，从而进一步促进了絮凝状沉淀的形成。

（2）影响化学调节絮凝效果的因素^［3］

影响化学调节絮凝效果的因素主要有以下几方面。

1）絮凝剂　絮凝剂种类不同，其性能也不同，其化学调节絮凝效果也各不相同。其中，无机絮凝剂所形成的絮体密度较大，达到同样絮凝效果所需要的药剂量较少，适合于对活性污泥进行调理，但是会增加污泥脱水设备的容量和泥饼的产生量；而有机高分子絮凝剂具有投加量少、不会增加泥饼量的优点，而且由此类药剂絮凝而成的絮体质量大、强度高、不易破碎，但有机高分子絮凝剂价格昂贵，有些单体具有较强的毒性，会对其广泛应用造成一定的局限性。

无论是无机絮凝剂还是有机絮凝剂均存在最佳投加量，小于或大于最佳投加量絮凝效果都不好。此外，当需要投加多种絮凝剂时不同的投加顺序对絮凝效果也有影响。

2）有机物和无机物的比例　污泥中所含有机物和无机物的比例对于化学调节絮凝效果存在较大影响，随着有机物含量的增加，高分子絮凝剂的投加量通常也会按比例增加。

3）温度　对无机絮凝剂来说，温度的波动对其絮凝效果影响较大。当温度适度的增高时，有利于强化无机絮凝剂的絮凝作用。而温度对有机絮凝剂的絮凝效果影响较小。

4）pH值　悬浮液的pH值影响絮凝效果的主要原因在于其对无机絮凝剂和阳离子型高分子絮凝剂的水解动力学和水解组分形态产生显著影响。在不同的pH值条件下，污泥最终产生的水解、络合产物亦不相同。当pH值处于较低水平时，以产生低电荷高聚合度的无机高分子电解质为主。

3.2.1.2　化学调理剂介绍

目前，化学调理剂主要分絮凝剂、助凝剂两大类。

其中，助凝剂是指本身不起絮凝作用，而其作用仅在于调节污泥的pH值，改变污泥的颗粒结构，破坏胶体的稳定性，提高絮凝剂的絮凝效果，增强絮体强度，较适合于生污泥的调理与稳定化。同时，由于其可以使污泥的pH值提高到11.1以上，从而还能显著降低由沙门菌、绦虫卵、孢囊线虫和许多其他病原物所造成的潜在危害。目前，常用的助凝剂主要包括石灰、水泥窑灰、污泥焚烧灰、电厂粉尘、硅藻土、酸性白土、珠光体等惰性物质，进入20世纪90年代以来，欧美等国开始采用添加助凝剂的方法对污泥进行调理，省去脱水风干、干燥等环节，具有重要的开发价值和应用前景。但是，相对于絮凝剂来说，助凝剂作为污泥的化学调理剂的应用并不普遍。

絮凝剂在污泥化学调理中的应用更加广泛，是污泥调理的主流化学药剂。絮凝剂分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两大类，以下将分别针对这两类絮凝剂进行介绍。

（1）无机絮凝剂

无机絮凝剂由无机组分组成，有时又被称为无机混凝剂，具有价格低廉、使用简单等优点，但同时也存在消耗量大、絮凝效果低、腐蚀性强的缺点。其对污泥的调理机理在于絮凝剂溶解于污泥后，增加了污泥颗粒的碰撞概率，使污泥在一定条件下发生水解、附聚、成核、架桥絮凝等一系列反应，形成可沉降的或可过滤的絮凝物。

无机絮凝剂的分类方式多种多样，按阴离子的种类，无机絮凝剂可分为盐酸盐系和硫酸盐系；按分子量的大小，可分为普通无机盐和高分子系两大类；按金属盐的类别，可分为铝盐系及铁盐系两类。以下将遵循铝盐系及铁盐系的分类方式进行介绍。

1）传统铝盐系絮凝剂　铝盐产生絮凝作用的机理在于，其溶于水后在一定条件下会发生水解、聚合及沉淀等一系列化学反应。因铝盐的水解程度不同，反应中一般可产生四种水解产物：未水解铝离子Al³⁺、单核羟基化合物［Al（OH）］²⁺、多羟基化合物如［Al₂（OH）₂］⁴⁺和［Al₁₃O₄（OH）₂₇］⁴⁺，反应过程式为：

Al³⁺+3HCAl（OH）₃↓+3CO₂↑

此外，还会出现作为最终产物的无定形氢氧化物沉淀Al（OH）₃，反应式如下^［1］：

xAl³⁺Al_x（OHAl_xO_z（OH…Al（OH）₃

但在碱性条件下，将会产生带负电荷的单核羟基离子化合物［Al（OH）₄］^-，这会导致污泥脱水性能的恶化。

目前，传统的铝盐系絮凝剂包括氯化铝（AlCl₃）、硫酸铝［Al₂（SO₄）₃·18H₂O］及明矾［Al₂（SO₄）₃·K₂SO₄·2H₂O］等。

① 硫酸铝。硫酸铝是一种重要的无机絮凝剂，其含有不同数量的结晶水，分子式为Al₂（SO₄）₃·nH₂O，其中n=6、10、14、16、18和27，工业上常用的是十八水硫酸铝，即Al₂（SO₄）₃·18H₂O。Al₂（SO₄）₃·18H₂O外观为白色片状、粒状或块状，是无毒且有光泽的结晶，相对密度为1.61，不易风化而失去结晶水，比较稳定，加热会失水，当加热至770℃开始分解为氧化铝、三氧化硫、二氧化硫和水蒸气。

硫酸铝溶于酸和碱，不溶于乙醇。硫酸铝在纯硫酸中不能溶解（只是共存），而在硫酸溶液中与硫酸共同溶解于水，所以硫酸铝在硫酸中的溶解度就是硫酸铝在水中的溶解度。硫酸铝极易溶于水。室温时，其在水中的溶解度约为50%，在沸水中的溶解度提高至90%以上。硫酸铝的水溶液呈酸性，pH值在2.5以下。硫酸铝水解后生成氢氧化铝絮凝沉淀。硫酸铝的絮凝反应式如下：

Al₂（SO₄）₃+3Ca（HCO₃）₂2Al（OH）₃↓+3CaSO₄+6CO₂↑

当水温低时硫酸铝水解困难，形成的絮体较松散。硫酸铝絮凝效果较好，不会给处理后的水质带来不良影响。而且硫酸铝使用便利，可干式或湿式投加。湿式投加时一般采用10%～20%的浓度。硫酸铝使用时水的有效pH值范围较窄，约在5.5～8之间，其有效pH值随原水的硬度而异。对于软水，pH值在5.7～6.6；中等硬度水的pH值为6.6～7.2；硬度较高的水pH值则为7.2～7.8，在控制硫酸铝剂量时应考虑上述特性。硫酸铝在我国使用最为普遍，大都使用块状或粒状硫酸铝。根据其中不溶于水的物质的含量，可分为精制和粗制两种。粗品为灰白色细晶结构多孔状物。硫酸铝水溶液长时间沸腾可生成碱式硫酸铝。工业用的碱式硫酸铝为灰白色，因含低铁盐而带淡绿色，又因低价铁盐被氧化而使表面发黄。

② 氯化铝。氯化铝化学式AlCl₃，呈无色透明晶体或白色而微带浅黄色的结晶性粉末，有强腐蚀性。密度为2.44g/cm³，在2.5atm的条件下熔点为190℃，沸点为182.7℃，在常压下于177.8℃升华而不熔融。氯化铝的蒸气或溶于非极性溶剂中或处于熔融状态时，都以共价的二聚分子Al₂Cl₆形式存在。氯化铝可溶于许多有机溶剂，例如乙醚、氯仿、硝基苯、二硫化碳和四氯化碳等。当氯化铝溶于水、乙醇和乙醚的同时放出大量的热，甚至会发生爆炸。氯化铝极易吸湿，在空气中极易吸收水分并部分水解放出氯化氢而形成酸雾。氯化铝易溶于水并强烈水解，水溶液呈酸性。

氯化铝作为絮凝剂具有以下优点：a.净化后的水质优于硫酸铝絮凝剂，净水成本与之相比低15%～30%；b.絮凝体形成快、沉降速度快，比硫酸铝等传统产品处理能力大；c.消耗水中碱度低于各种无机絮凝剂，因而可不投或少投碱剂；d.原水pH值在5.0～9.0的范围内均可凝聚；e.腐蚀性小，操作条件好；f.溶解性优于硫酸铝；g.处理水中盐分增加少，有利于离子交换处理和高纯制水。

③ 明矾。明矾学名为十二水合硫酸铝钾，又称白矾、钾矾、钾铝矾或钾明矾。明矾溶于水，不溶于乙醇，密度为1.757g/cm³，熔点为92.5℃，其在64.5℃时即可失去9个分子结晶水，在200℃时失去12个分子结晶水。明矾是含有结晶水的硫酸钾和硫酸铝的复盐，呈无色立方晶体，外表常呈八面体，或与立方体、菱形十二面体形成聚形，有时以{111}面附于容器壁上而形似六方板状，属于α型明矾类复盐，有玻璃光泽。明矾可用于制备铝盐、发酵粉、涂料、鞣料、澄清剂、媒染剂、纸、防水剂等。

明矾是一种较好的净水剂，民间以往经常采用明矾净水的方法，它的原理是硫酸铝钾是由两种不同的金属离子和一种酸根离子组成的化合物，它在水中能电离产生两种金属阳离子和硫酸根离子，反应如下：

KAl（SO₄）₂K⁺+Al³⁺+2S

而Al³⁺很容易水解，Al³⁺与水电离产生的OH̄结合生成了氢氧化铝，氢氧化铝胶体粒子带有正电荷，与带负电的泥沙胶粒相遇，彼此电荷被中和。失去了电荷的胶粒，很快就会聚结在一起，粒子越结越大，生成胶状的氢氧化铝Al（OH）₃。

Al³⁺+3H₂OAl（OH）₃+3H⁺（可逆）

氢氧化铝胶体的吸附能力很强，可以吸附溶液里悬浮的杂质，并形成沉淀，使之干净澄清。

2）传统铁盐系絮凝剂　铁盐在一定条件下也能发生水解、聚合、成核以及沉淀等一系列化学反应，形成铁的不同水解产物。Fe²⁺的水解产物均为单核组分，Fe²⁺的水解产物为多核的报道尚未出现。当pH值位于7～14之间时，其可以逐步转化生成［Fe（OH）］⁺、Fe（OH）₂（溶解态）、［Fe（OH）₃］^-以及［Fe（OH）₄］^2-。而Fe³⁺的水解能力较Fe²⁺大得多，只要pH值大于1，Fe³⁺便会生成单核羟基配合离子。酸性条件下，可以形成［Fe（OH）］²⁺、［Fe（OH）₂］⁺两种单核配合物及［Fe₂（OH）₂］⁴⁺、［Fe₃（OH）₄］⁵⁺等两种多核组分。如果pH值继续增大时，其水解产物将会形成无定形的Fe（OH）₃而沉淀。Fe²⁺和Fe³⁺可以相互转化，但尽管如此，由于Fe²⁺和Fe³⁺在较宽的pH值范围内均可以保持稳定，因此铁离子不同价态间的转化并不会增加铁离子水解组分的复杂程度^［1］。

目前，传统铁盐系絮凝剂主要有氯化铁（FeCl₃）、氯化亚铁（FeCl₂）、硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O）、硫酸铁［Fe₂（SO₄）₃］等。

① 硫酸亚铁。硫酸亚铁易溶于水，在水温20℃时溶解度为21%。溶解度为10%的水溶液对石蕊呈酸性（pH值约为3.7），但不溶于乙醇。硫酸亚铁的结晶水合物分子式为FeSO₄·7H₂O，是半透明的绿色结晶体，又称绿矾、青矾、皂矾。加热至70～73℃时会失去3分子水，至80～123℃时失去6分子水，至156℃以上转变成碱式硫酸铁。

硫酸亚铁离解出的Fe²⁺只能生成简单的单核络合物，因此，不如三价铁盐那样有良好的絮凝效果。残留于水中的Fe²⁺会使处理后的水带色，当水中色度较高时，Fe²⁺与水中有色物质反应，从而生成颜色更深的不易沉淀的物质（但可用三价铁盐除色）。而且，硫酸亚铁具有还原性，在潮湿空气中易氧化成难溶于水的棕黄色碱式硫酸铁。因此，使用硫酸亚铁时应将Fe²⁺先氧化为Fe³⁺，然后再起絮凝作用。当水的pH值在8.0以上时，加入的亚铁盐的Fe²⁺易被水中溶解氧氧化，失电子成为Fe³⁺。当水中没有足够溶解氧时，则可加氯或漂白粉予以氧化。

② 氯化亚铁。在污水处理领域，氯化亚铁可以作为还原剂和媒染剂，简化污水处理工艺，缩短污水处理周期，降低污水处理成本，对污水中各类重金属离子的去除率接近100%，对各类污水如电镀、皮革、造纸废水有明显的处理效果。由于其具有突出的脱色能力，因而尤其适用于染料、染料中间体、印染、造纸污水的处理，能产生良好的环境效益和经济效益。

以氯化亚铁处理印染废水为例，其处理流程是首先在印染废水中添加极性介质以改变电离度，然后用FeCl₂处理，再调节pH值，进行凝聚沉淀，实现固液分离。经过以上一系列处理后，废水的COD去除率≥50%，色度去除率约为70%～90%，并节省废水处理成本30%左右。

③ 氯化铁。氯化铁是一种常用的絮凝剂，形成的矾花密度大，沉淀性能好，适宜的pH值范围也较宽，缺点是溶液具有强腐蚀性，处理后的水的色度比用铝盐高。其结晶水合物是黑褐色的结晶体，分子式为FeCl₃·6H₂O，有强烈吸水性，极易溶于水，其溶解度随温度上升而增加，处理低温水或低浊水效果比铝盐好。我国供应的氯化铁有液体无水物、结晶水合物。由于液体、晶体物或受潮的无水物腐蚀性极大，因此调制和加药设备必须考虑用耐腐蚀器材。氯化铁加入水后与天然水中的碱度起反应，形成氢氧化铁胶体，水处理中配制的氯化铁溶液浓度宜高，可达46%。其主要的反应式如下：

FeCl₃+3NH₄HCO₃Fe（OH）₃↓+3CO₂↑+3NH₄Cl

2FeCl₃+3Ca（HCO₃）₂2Fe（OH）₃↓+3CaCl₂+6CO₂↑

以上反应式只是一个粗略的表示方法，实际上要复杂得多，当被处理水的碱度低或其投加量较大时，在水中应先加适量的石灰。

④ 硫酸铁　硫酸铁常被用作水处理行业的混凝剂和污泥的处理剂。化学式为Fe₂（SO₄）₃，为灰白色粉末或正交棱形结晶流动浅黄色粉末。对光敏感，应密封于阴凉干燥处避光贮存。硫酸铁易吸湿，在水中溶解缓慢，但在水中有微量硫酸亚铁时溶解较快，微溶于乙醇，几乎不溶于丙酮和乙酸乙酯。密度为3.097g/cm³，含9分子结晶水的，175℃失去7分子结晶水，加热至480℃分解。

与其他无机絮凝剂相比，硫酸铁絮凝剂的优越性主要有以下几方面：絮凝矾花密实、沉降速度快，成本低廉，处理费用可节省20%～50%；适用水体的pH值范围宽（为4～11，最佳pH值范围为6～9），pH值与总碱度变化幅度小，对处理设备腐蚀性也较小；硫酸铁絮凝剂中无铝、氯及重金属离子等有害物质，亦不存在铁离子的水相转移，对微污染、含藻类、低温低浊原水净化处理成效显著，对高浊度原水净化效果尤佳。

硫酸铁絮凝剂的使用方法及投加量因原水性质不同而有所差异，视矾花形成情况来获得可以达到最理想处理效果的最佳使用条件和最佳投药量。在同等条件下固体硫酸铁与固体聚合氯化铝的用量大体相当，为固体硫酸铝用量的1/4～1/3。若使用液体硫酸铁时，水厂可配成2%～5%的硫酸铁溶液进行投加，工业废水处理配成5%～10%的硫酸铁溶液投加。使用时，将上述配制好的药液泵入计量槽，通过计量投加药液与原水混凝。当配药使用自来水时，稍有沉淀物属正常现象。一般情况下当日配制当日使用。

根据混凝过程中水力条件和形成矾花的状况，可以将整个混凝过程分成3个阶段。

a.凝聚阶段。凝聚阶段是药液与原水快速混凝并在极短时间内形成微细矾花的过程。该阶段的水流为湍流。在烧杯实验中，宜以250～300r/min的速度快速搅拌10～30s，一般不宜超过2min。

b.絮凝阶段。该阶段要求满足适当的湍流程度和足够的停留时间（一般为10～15min），后期有大量矾花聚集下沉，原水表面形成清晰层。在烧杯实验中，先以150r/min左右的速度搅拌6min，再以60r/min左右的速度搅拌4min至呈悬浮态。

c.沉降阶段。粒径和密度较小的矾花则一边缓缓下降，一边继续相互碰撞并结大，至后期余浊基本不变。其烧杯实验的操作流程是，先以20～30r/min的速度慢慢搅拌5min，再静沉10min。

目前，硫酸铁絮凝剂已较广泛地应用于环保、工业废水处理，对高色度，高COD、BOD的原水处理效果明显，若辅以助剂则效果更佳。

3）无机高分子絮凝剂　20世纪60年代后期，在基于传统的铝盐、铁盐絮凝剂的基础上，一些新型的无机高分子絮凝剂也不断被开发出来。

无机高分子絮凝剂分子量大，拥有多核络离子结构，不仅具有低分子絮凝剂的特征，而且电中和能力好、吸附架桥作用明显。与传统絮凝剂相比，无机高分子絮凝剂能成倍地提高效能，产品质量稳定。无机高分子絮凝剂能够提供大量的络合离子，且能够强烈吸附胶体微粒，通过吸附、架桥、交联作用而使胶体凝聚。胶体凝聚的同时还将发生物理化学变化，胶体微粒及悬浮物表面的电荷得以中和，从而降低了ζ电位，使胶体微粒由原来的相斥变为相吸，进而胶团的稳定性被破坏，使胶体微粒之间更易发生相互碰撞而形成絮状絮凝沉淀。絮凝沉淀的表面积可达200～1000m²/g，吸附能力极强，可进一步促进胶体的凝聚沉淀。由于此类无机高分子絮凝剂经济高效，所以得到了越来越广泛的应用，并有逐步成为主流药剂的趋势，目前其产量已占絮凝剂总产量的30%～60%，并已在日本、西欧、俄罗斯及中国等国家和地区达到了工业化、规模化和自动化的生产水平。

这类无机高分子絮凝剂主要是聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铝（PAS）、聚合氯化铁（PFC）以及聚合硫酸铁（PFS）等铝盐和铁盐的聚合物，主要由以下几种。

① 阳离子型无机高分子絮凝剂。阳离子型无机高分子絮凝剂主要包括聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铝（PAS）、聚合硫酸铁（PFS）、聚合氯化铁（PFC）、聚合硫酸氯化铁铝（PAFCS）、聚合氯化硫酸铁（PFCS）和聚磷氯化铁（PPFC）等。

a.聚合氯化铝（PAC）。又名聚氯化铝，简称聚铝。聚合氯化铝是一种多羟基、多核络合体的阳离子型无机高分子絮凝剂，其化学分子式应表示为［Al₂（OH）_nCl_6-n］_m（式中，1≤n≤5，m≤10）。这个化学式实际指m个Al₂（OH）_nCl_6-n（称羟基氯化铝）单体的聚合物。聚合氯化铝是由氢氧化铝粉与高纯盐酸经喷雾干燥加工而成的一种白色或乳白色奶粉状精细粉末，裸露在空气中极易融化，易溶于水。聚合氯化铝固体有较强的架桥吸附性，在水解过程中伴随电化学、凝聚、吸附和沉淀等物理化学变化，最终生成［Al₂（OH）₃（OH）₃］，从而达到净化目的，与碱式聚合氯化铝、喷雾干燥聚合氯化铝同属于相关类净水药剂。

聚合氯化铝可直接加入被处理的水中，也可用水稀释后加入水中。聚合氯化铝作为絮凝剂处理水时，有下列优点：与普通聚铝相比，聚合氯化铝中Al₂O₃含量高，碱化度低，仅有50%，不溶于水的物质含量少，约为0.3%；而普通聚铝的碱化度为90%左右，不溶于水的物质含量在2%以上；聚合氯化铝作为水处理剂对各种水质适应性强，对污染严重或低浊度、高浊度、高色度的原水都可达到好的絮凝效果，对于高浊度水絮凝沉淀效果尤为显著；对原水温度的适应性强，优于硫酸铝等无机絮凝剂，水温低时，仍可保持稳定的絮凝效果，最低析出温度为-18℃，因此在我国北方地区更适用；操作条件好，能改善投药工序的操作条件和劳动强度；矾花形成快；聚合氯化铝溶解性好，活性高，吸附能力强，在水体中凝聚形成的矾花大而重，沉淀性能好，因此比其他无机絮凝剂净化能力大2～3倍，从而药剂的投加量小，进而降低处理成本。与硫酸铝等无机絮凝剂相比，实现相同的净水效果时，成本与之相比低15%～30%；受水体pH值的影响小，因此适宜的pH值范围较宽，pH值在5.0～9.0内均可凝聚，当过量投加时也不会像硫酸铝那样造成水浑浊的反效果，最佳适用pH值为6.5～7.6；处理水中盐分较少，有利于离子交换处理和高纯水的制备；其碱化度比其他铝盐、铁盐为高，因此药液对设备的腐蚀性小，且处理后水的pH值和碱度下降较小。

聚合氯化铝的絮凝机理与硫酸铝相同，包括开始的铝离子，最后的氢氧化铝胶体和其中间产物（各种形态的水解聚合物）的作用。对于水中负电荷不高的黏土胶体，最好利用正电荷较低而聚合度大的水解产物，而对于形成颜色的有机物，则以正电荷较高的水解产物发挥作用为宜。聚合氯化铝可根据原水水质的特点来控制制造过程中的反应条件，从而制取所需要的最适宜的聚合物，当投入水中，水解后即可直接提供高价聚合离子，达到较好的絮凝效果。聚合氯化铝中OH^-与Al³⁺的比值对絮凝效果有很大的影响，一般可用碱化度B表示：例如n=4时，一般要求碱化度B为40%～60%。

聚合氯化铝可应用于生活用水、工业用水的净化，城市污水、工业废水和污泥的处理以及某些渣质中有用物质的回收等，尤其是对某些处理难度大的工业污水效果十分显著。20世纪60年代，日本在其制造与应用方面做了大量工作，有逐步取代硫酸铝的趋势。我国也对聚合氯化铝提高了重视，并在1973年的全国新型絮凝剂技术经验交流会上提出了聚合氯化铝的产品质量要求，包括含氧化铝10%以上，碱化度在50%～80%内，不溶物含量需在1%以下等。

b.聚合硫酸铝（PAS）。其是复合型高分子聚合物，分子结构庞大，吸附能力强，投入原水后形成的絮凝体大，沉淀速度快，活性高，过滤性好，且聚合硫酸铝碱化度为25%～45%，pH值为3～3.5，净水效果优于所有传统的无机絮凝剂。

聚合硫酸铝对各种原水的适应性强，无论原水浊度高低、废水污染物浓度大小，其净化效果显著。pH值对絮凝效果的影响较小，在4.0～11.0的范围内均可絮凝。用量少，操作方便，对设备、管道腐蚀性小，净化成本低。

c.聚合硫酸铁（PFS）。分子式为［Fe₂（OH）_n（SO₄）_3-n/2］_m，呈淡黄色无定形粉状固体，极易溶于水，质量分数为10%的水溶液为红棕色透明溶液，具有吸湿性，是一种新型、优质、高效铁盐类无机高分子絮凝剂。根据国家标准《水处理剂　聚合硫酸铁》（GB 14591—2006）的相关规定，聚合硫酸铁产品按用途可以分为用于饮用水的Ⅰ类以及用于工业用水、废水和污水的Ⅱ类，可用于饮用水、工业用水、各种工业废水、城市污水、污泥脱水等的净化处理。

其性能指标应符合国家标准《水处理剂　聚合硫酸铁》（GB 14591—2006）的相关规定，见表3-2。

与其他无机絮凝剂相比，聚合硫酸铁具有的特点主要有：絮凝性能优良，矾花密实，沉降速度快；由于不含铝、氯元素及重金属离子等有害物质，亦无铁离子的水相转移，故使用安全可靠，对环境无毒无害，不会造成二次污染；不仅可以显著去除水中COD、BOD，还具有较强的除浊、脱色、脱油、脱水、除菌、除重金属、除臭、除藻能力，净水效果好，出水水质佳，对微污染、含藻类、低温低浊原水净化效果显著，尤其是对高浊度原水的净化效果更佳；适于采用聚合硫酸铁的水体pH值范围较宽（一般为4～11，最佳pH值为6～9），故适用范围广，并且净化前后的原水pH值与总碱度变化幅度小，不会造成过于严重的设备腐蚀；投药量少，成本较低，处理费用一般可节省20%～50%。

聚合硫酸铁使用方法与硫酸铁相似。

根据混凝过程中水力条件和形成矾花的状况，可以将整个混凝过程分成凝聚、絮凝、沉降3个阶段。

在凝聚阶段，药液注入絮凝池与原水快速絮凝，在极短时间内形成微细矾花，此时水体变得更加浑浊。该阶段要求水流能产生激烈的湍流。烧杯实验中宜快速（250～300r/min）搅拌10～30s，一般不超过2min。

在絮凝阶段前一阶段微细矾花不断地成长变粗。该阶段要求适当的湍流程度和足够的停留时间（10～15min），至后期可观察到大量矾花聚集缓缓下沉，形成表面清晰层。 进行烧杯实验时，先以150r/min左右的速度搅拌约6min，再以60r/min左右的速度搅拌约4min至呈悬浮态。

而沉降阶段是在沉降池中进行的絮凝物沉降过程。该阶段要求水流缓慢，为提高效率一般采用斜管（板式）沉淀池，并且最好采用气浮法对絮凝物进行分离，大量的粗大矾花被斜管（板）壁阻挡而沉积于池底，上层水为澄清水，剩下的粒径小、密度小的矾花一边缓缓下降，一边继续相互碰撞结大，至后期余浊基本不变。其烧杯实验的操作流程是，先以20～30r/min的速度慢慢搅拌5min，然后静沉10min。

d.聚合氯化铁（PFC）。又称碱式氯化铁，固态产品为棕褐色、红褐色粉末，极易溶于水，而液态产品为褐色或黑褐色透明液体。

聚合氯化铁的水解速度快，水合作用弱，形成的矾花密实，不但沉降速度快，受水温变化影响小，还可以满足在流动过程中产生剪切力的要求，能有效去除原水中的铝离子以及铝盐混凝后水中残余的游离态铝离子。聚合氯化铁的适用范围广，可用于生活饮用水、工业用水、生活用水净化，而且在生活污水方面以及石化、印染、造纸、制革、冶金、电力、洗煤、食品等工业废水上也得到了广泛应用，一般用于污水处理、油水分离以及油田回注水的净化等。特别是对有浊度的原水、工业废水的处理优于其他絮凝剂，对水中各种有害元素都有较高的去除率，COD去除率达60%～95%，且具有用药量少、处理效果好的特点，比其他絮凝剂节约10%～20%费用。

e.聚合硫酸氯化铁铝。铝盐和铁盐的共聚物不同于两种盐的混合物，它是一种更有效地综合了铝盐和铁盐的优点，增强了去浊效果的絮凝剂。而且生产原料廉价，生产工艺简单，有利于开发利用。其中，聚合硫酸氯化铁铝（PAFCS）有效铁铝含量（Al₂O₃+Fe₂O₃）大于22%，产品吸湿性强。在饮用水及污水处理中，有着比明矾更好的效果；在含油废水及印染废水中PAFCS比PAC的效果更优，且脱色能力也优；絮凝物密度大、絮凝速度快、易过滤、出水率高；其原料均来源于工业废渣，成本较低，适合工业水处理。

② 阴离子型无机高分子絮凝剂。阴离子型无机高分子絮凝剂主要指聚硅酸（PSAA）絮凝剂，是一种新型的无机高分子絮凝剂。此种絮凝剂虽然稳定性差，但具有较高的分子量和较长的分子链，在结构上类似有机高分子絮凝剂，具有较强的吸附、架桥和卷扫作用，絮凝效果良好，对油田稠油采出水的处理具有更强的除油能力。同时，聚硅酸絮凝剂具有原料来源广泛、制备方法简便、生产成本低廉、使用无毒无害等优点，引起了水处理界的极大关注，成为国内外无机絮凝剂研究的一个热点，具有极大的开发价值及广泛的应用前景。

③ 复合型无机高分子絮凝剂　复合型无机高分子絮凝剂是以聚硅酸与无机铁铝盐絮凝剂为原料进行复合，从而制备出的一系列性能稳定的新型无机高分子絮凝剂。聚硅酸与无机铁铝盐絮凝剂之间具有协同增效作用，因此此类絮凝剂既能发挥聚硅酸的优势，又能弥补铝铁絮凝剂自身的不足，改善了絮凝效果。此外，无机絮凝剂中引入阴离子如硫酸根离子、磷酸根离子也能起到增聚作用，提高絮凝效果。

复合型无机高分子絮凝剂主要包括聚硅铝絮凝剂、聚硅铁絮凝剂、聚硅铁铝絮凝剂、聚合铝铁絮凝剂等。

人们发现高度聚合的硅酸与金属离子一起可产生良好的絮凝效果，将金属离子引到聚硅酸中，得到的聚硅酸硫酸铁（PFSS）絮凝剂其平均分子量高达2×10⁵，有可能在水处理中取代部分有机合成高分子絮凝剂。

聚硅酸铁（PSF）絮凝剂它不仅能很好地处理低温低浊水，而且比硫酸铁的絮凝效果有明显的优越性，如用量少，投料范围宽，矾花形成时间短且形态粗大易于沉降，可缩短水样在处理系统中的停留时间等，因而提高了系统的处理能力，对处理水的pH值基本无影响。

总体而言，与有机絮凝剂相比，无机絮凝剂形成的矾花大小和强度均较小，适用于板框脱水方式的前处理。近几年，带式脱水和离心脱水逐渐成为主流脱水工艺，而这两种工艺均对矾花大小和矾花强度有要求，致使有机絮凝剂开始取代无机絮凝剂应用于污泥脱水过程。而且，与采用有机絮凝剂相比，无机絮凝剂用量更大。脱水后，污泥中无机组分的含量增加会提高后续处理的成本。无机絮凝剂一般都有适宜使用的pH值范围和离子强度范围。在无机化学药剂使用过程中，常需要添加一定量的苛性物质如石灰等，以便调节污泥的pH值、硬度，并在污泥脱水过程中形成能承受高压的骨架结构，为污泥的机械处理提供脱水通道。更重要的是，Al³⁺对环境污染和人体健康的危害受到越来越多的关注。因此，以上因素共同限制了无机絮凝剂的使用。

（2）有机絮凝剂

由于无机絮凝剂在应用过程中存在多种限制因素，促使有机絮凝剂自1960年开始投入使用以来就获得了迅速发展，逐渐取代无机絮凝剂应用于污泥脱水和浓缩过程，目前已逐步占领了污泥絮凝剂90%以上的市场份额。有机絮凝剂指能产生絮凝作用的天然的或人工合成的有机分子物质。其中，天然有机絮凝剂为蛋白质或多糖类化合物，如淀粉、蛋白质、动物胶、藻朊酸钠、羧甲基纤维素钠等；合成有机絮凝剂有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚乙烯吡啶盐、聚乙烯亚胺等。有机絮凝剂都是水溶性线性高分子物质，其链状分子可以产生黏结架桥作用，分子上的荷电基团对胶团的扩散层起电中和压缩的作用。有机絮凝剂在水中大部分可电离，为高分子电解质。根据其可离解的基团特性，有机絮凝剂可分为阴离子型、阳离子型、非离子型及两性型等。

与无机絮凝剂相比，达到同样效果，有机絮凝剂添加量较少，不会改变泥饼和滤液的pH值；使用有机絮凝剂不会增加污泥泥饼的无机物含量而降低其燃烧热值，因而有利于采取污泥焚烧的最终处置方式；同时，可以迅速形成高强度的大矾花，在脱水过程中可以得到更高的固体回收率，并产生高固体含量的泥饼。

无机絮凝剂类型和结构较为单一，而有机絮凝剂则较复杂，可以分为许多具有不同化学组成、有效官能团的不同类型。其中，有机高分子絮凝剂因其较强的亲水性能和对污泥胶体粒子表现出来的较强的黏合力，使它既可以溶于水相，又能被吸附到污泥胶体颗粒表面。非离子型、阴离子型和阳离子型高分子絮凝剂在水溶液中基本能保持各自的化学性质，但当溶液中的pH值改变时，其离子性能可能也会随之发生变化。例如，非离子型聚丙烯酰胺中的酰氨基在碱性溶液中会发生水解反应，生成阴离子型的聚丙烯酰胺。另外，除分子重复单元的化学组成外，整体几何构型也会对其絮凝性能产生很大的影响。其中，决定分子构型的主要因素是带电单元在分子中的位置和电荷量大小，同时带电单元之间存在的斥力作用也有利于有机高分子絮凝剂分子的线性展开。目前常用有机高分子絮凝剂种类如表3-3所列。

有机絮凝剂在污泥脱水中的应用越来越普遍，但影响其性能及应用的因素却很多，如絮凝剂用量，当用量过少时，不足以使污泥形成絮团，脱水效果不好；用量过大时会起分散作用，絮体不结实，也不利于污泥脱水。此外，pH值、分子量、阴阳离子度以及絮凝剂混合搅拌机转速等也会影响有机絮凝剂的脱水效果，对各个因素及其对脱水效果的影响进行深入研究将是今后有机絮凝调理的主要课题。

常用于污泥脱水处理的有机絮凝剂主要有天然高分子改性型絮凝剂和合成型有机絮凝剂两大类。

1）天然高分子改性型絮凝剂　天然高分子改性型絮凝剂主要是指以天然高分子链为主链，运用各种聚合方法接枝上丙烯酰胺类物质，并引入阳离子基团等从而实现改性处理的絮凝剂，主要包括藻朊酸钠、羧甲基纤维素等纤维素衍生物、羧甲基淀粉等水溶性淀粉衍生物、改性植物胶CGA等植物胶衍生物、壳聚糖衍生物以及蛋白质的衍生物等。天然高分子改性型絮凝剂一般属于无毒性产品，适于用作饮用水源水和食品行业等强化固液分离助剂。

其中最有发展潜力的是水溶性淀粉衍生物、纤维素接枝共聚物和多聚糖改性絮凝剂。这类絮凝剂不但有利于原材料的充分利用，工艺简单，反应条件温和，适应能力强，絮凝性能好，价格低廉，而且一般属于无毒性产品，还可实现二次降解，从而避免了对环境的二次污染，适于作为饮用水处理和食品行业等强化固液分离助剂。

目前，国外在这方面的研究较多，如Cai等以高锰酸钾为引发剂，用淀粉或微晶态纤维素作为主链，与丙烯酰胺接枝共聚，进行共聚物水解后与烷基氨基甲醇反应，最终成功制得一种絮凝性能良好的絮凝剂。

2）合成型有机絮凝剂　随着污泥脱水絮凝剂合成技术的发展，合成型絮凝剂的品种也越来越繁多，是目前市政污水处理厂污泥处理主要使用的有机絮凝剂。合成型絮凝剂的分类方法很多，按其合成方法，可分为溶液聚合、乳液聚合、反相乳液聚合和分散聚合等；按可离解基团电离出的电荷类型，可分为非离子型、阴离子型、阳离子型和两性型；按产品规格，可分为粉末状、粒状、球状和薄片状。其中，以电荷类型为原则的分类方法较为常用，其技术指标对比情况如表3-4所列。

由于阳离子型絮凝剂可中和污泥颗粒携带的负电荷从而使其絮凝沉淀，因此阳离子型絮凝剂的脱水效果更好，成为主流的污泥处理絮凝剂，而阴离子型、非离子型絮凝剂脱水性能较差，故实际应用也相应较少。随着人们对不同种类的阳离子型絮凝剂脱水性能的深入研究。处理污泥所用的阳离子型絮凝剂也逐渐由单一的阳离子均聚物转向几种阳离子单体的共聚物或它们的复合物，如采用阳离子纤维素衍生物和含季氨基的阳离子型絮凝剂共同处理污泥。采用共聚物或复合型絮凝剂可以有效地提高脱水效率，其原因可能是不同结构的阳离子基团，吸引负电荷的能力不同，因此，合成型阳离子型絮凝剂以其多重的阳离子基团有效地吸附带电量不同的各类污泥粒子，从而改善了絮凝、脱水的效果，此外，絮凝剂成本也得以降低。

在合成的高分子絮凝剂产品中，聚丙烯酰胺（PAM）及其衍生物占绝大部分。此外，聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯吡啶等均有一定的市场应用份额。

① 聚丙烯酰胺

Ⅰ.聚丙烯酰胺的性质及应用。聚丙烯酰胺（PAM）为水溶性高分子聚合物，不溶于大多数有机溶剂，可以降低液体之间的摩擦阻力。颗粒状聚丙烯酰胺的目数为20～80目，即其粒径大小在0.2～0.85mm之间，而粉状聚丙烯酰胺的粒径更小，可控制在100目左右，目数越大，就越容易溶解。

PAM具有絮凝性、黏合性、降阻性、增稠性等特性。絮凝性指PAM能使被絮凝物通过电中和、架桥吸附作用，产生絮凝效果。黏合性指PAM能通过机械、物理和化学作用，起黏合作用。降阻性指其能有效地降低流体的摩擦阻力，例如水中加入微量PAM就能达到50%～80%的降阻效果。增稠性指PAM在中性和酸性条件下均具有增稠作用，PAM呈半网状结构时，增稠将更明显。而当pH值在10以上时，PAM则较易水解。

相应的，PAM的水净化原理也主要包括絮凝作用、吸附架桥、表面吸附和增强作用这几方面的作用。由于PAM具有良好的絮凝性，因此国内外在PAM方面的研究进展和应用很快，PAM已成为目前市场上产量最大、应用最广泛的产品，约占整个高分子絮凝剂产量的80%。在我国，PAM年产量相当巨大，将近万吨。污泥含固量高时，PAM的用量也较大，一般为污泥量的百万分之一至百万分之二。PAM一般都需配制成0.1%～0.5%的稀释溶液备用，在使用之前还需要近一步稀释成0.01%～0.05%的溶液，可以更有助于絮凝剂在悬浮体系中的分散，降低用量，而且絮凝效果更好。

PAM可以应用于各种污水处理（针对生活污水处理使用聚丙烯酰胺一般分为两个过程：一是高分子电解质与粒子表面的电荷中和；二是高分子电解质的长链与粒子架桥形成絮团）。絮凝的主要目的是通过加入PAM使污泥中细小的悬浮颗粒和胶体微粒聚结成较粗大的絮团。随着絮团的增大，沉降速度逐渐增加。从而可以更好地通过压滤机压泥，进而达到环保处理的要求，干泥外运进行焚烧处理。PAM为分子量几百万至几千万的高分子水溶性有机聚合物，可在颗粒间形成更大的絮体及由此产生巨大的表面吸附作用。在污泥脱水处理工艺中，应根据污泥的具体性质选用相应型号的PAM对污泥进行絮凝。

使用过程中应注意以下几个方面。

a.应保持适宜的絮团大小。絮团太小会影响排水的速度，絮团太大会使絮团约束较多水而降低泥饼含固量。经过选择聚丙烯酰胺的分子量能够调整絮团的大小。

b.絮团应具有足够的强度。应保证絮团在剪切作用下稳定而不破碎。絮团强度的提高可以通过增加聚丙烯酰胺分子量或者选择适宜的分子构造。

c.选择具有适宜离子度的聚丙烯酰胺。针对脱水的污泥，经过小试，选择不同离子度的絮凝剂。既能够获得最佳絮凝剂效果，又可减少加药量，节约成本。

d.良好的溶解度。溶解良好才能充分发挥聚丙烯酰胺的絮凝作用。

Ⅱ.聚丙烯酰胺的类型。聚丙烯酰胺主要是由人工合成的，种类繁多。按照分子量的大小，可分为超高分子量聚丙烯酰胺、高分子量聚丙烯酰胺、中分子量聚丙烯酰胺和低分子量聚丙烯酰胺四类。按离子特性的差异进行分类，聚丙烯酰胺又可分为阴离子型聚丙烯酰胺、阳离子型聚丙烯酰胺、非离子型聚丙烯酰胺和两性型聚丙烯酰胺四类。一般而言，阳离子型聚丙烯酰胺常用于有机污泥或强碱性污泥的净化处理，而对于无机污泥则通常会采用阴离子型聚丙烯酰胺絮凝剂进行处理，处理强酸性污泥时也不宜采用阴离子型聚丙烯酰胺。

a.阳离子型聚丙烯酰胺。阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）分子量一般为800万～1200万，分子式见图3-1。

CPAM外观呈现白色粉粒状，对水溶液介质中的各种悬浮微粒都有极强的絮凝沉降效能，广泛用于增稠、粘接、增黏、絮凝、稳定胶体、减阻、阻垢、凝胶、成膜等方面，是目前应用最广、效能最高的高分子絮凝剂，用于处理电厂用水、工业用水、工业废水及市政污水的絮凝澄清净化处理。由于CPAM具有高聚合物电解质的特性，适用于净化处理那些带有负电荷的胶体溶液以及富含有机物的污水和污泥。

CPAM的一般制备流程为：首先采用氧化还原反应体系、偶氮化合物和辅助引发剂组成的复合引发体系，以丙烯酰胺（AM）与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（或DMC、DMAAC）为原料，通过水溶液自由基共聚合，合成CPAM。在反应器内加入一定量的丙烯酰胺、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、尿素和去离子水，搅拌均匀后，用2mol/L的H₂SO₄调节pH值至要求值，通入N₂鼓泡30min，加入一定量的（NH₄） ₂S₂O₈、CH₃NaO₃S·2H₂O和偶氮类化合物引发聚合反应，当反应液黏稠时停止通N₂，继续反应2h后得到白色透明胶体，将胶体于60℃下干燥至恒重，粉碎，即得阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂。

b.阴离子型聚丙烯酰胺。阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）外观为白色粉粒，分子量在600万～2500万范围内，其化学分子式如图3-2所示。

APAM与CPAM类似，同样属于水溶性的高分子聚合物，不溶于有机溶剂，但水溶解性很好，能以任意比例溶解于水。该类絮凝剂的适用pH值为7～14，在中性及碱性介质中具有高聚合物电解质的特性，对盐类电解质敏感，易与高价金属离子交联成不溶性凝胶体。由于其分子链中含有一定数量的极性基团，故能吸附悬浮液中的固体粒子，其通过粒子间架桥或电荷中和使悬浮液中粒子凝聚成质量和体积均较大的絮凝物，从而促进了粒子的沉降，加快了溶液的澄清。而且，APAM性能稳定，具有黏度高、韧性强、易燃无（少）烟、燃烧无异味、无毒等特点，对环境无污染，可满足绿色环保方面对产品的要求。

APAM以其显著的优越性在多个行业得到了大规模应用，目前主要用于工业废水的絮凝沉淀及脱水处理，在市政污水处理、高浊度水净化、河水泥浆沉降、饮用水澄清和净化处理方面亦得到了普遍应用，并达到了非常显著的絮凝和处理效果。一般投加量是无机絮凝剂的1/50，但效果是无机絮凝剂的几倍。

c.非离子型聚丙烯酰胺。非离子型聚丙烯酰胺（NPAM）分子量一般为800万～1500万，是具有高分子量的低离子度的线性高聚物。它具有絮凝、分散、增稠、粘接、成膜、凝胶、稳定胶体的作用。NPAM适用于悬浮颗粒较粗、浓度高、带阳离子电荷、水的pH为中性或碱性的污水。当悬浮性污水显酸性时，采用NPAM起吸附架桥作用，使悬浮的粒子产生絮凝沉淀，达到净化污水的目的。尤其是和无机絮凝剂配合使用，在水处理中效果最佳。

NPAM已在自来水净化领域得到了实际应用，并实现了很好的处理效果，在钢铁厂废水、冶金废水、洗煤废水等工业废水的处理方面也得到了广泛运用，同时该类絮凝剂对钻井泥浆、废泥浆有显著的净化处理效果。

d.两性型离子聚丙烯酰胺。两性型高分子絮凝剂是由乙烯酰胺和乙烯基阳离子单体、丙烯酰胺单体水解共聚而成，是高分子链节上同时含有正、负两种电性电荷基团的两性离子不规则水溶性聚合物。适用于处理带有不同电荷的污染物，该类絮凝剂具有pH值适应范围宽、抗盐性好、絮凝沉降脱水能力强等优点。

Ⅲ.聚丙烯酰胺合成技术。虽然完全聚合的聚丙烯酰胺没有毒性，但其聚合单体丙烯酰胺却具有强烈的神经毒性，并且还是强致癌物，所以其生产使用过程中单体的残留问题给环境造成的二次污染以及对人类健康造成的威胁仍应引起人们的重视。一般来说，聚丙烯酰胺合成途径有以下3条^［1］。

a.丙烯酰胺单体生产技术。丙烯酰胺单体生产时以丙烯腈为原料，在催化剂作用下水合生成丙烯酰胺单体的粗产品，经闪蒸、精制后得精丙烯酰胺单体，反应后滤去催化剂，回收未反应的丙烯腈。此单体即为聚丙烯酰胺的生产原料。以其为原料，利用各种聚合方式得到不同分子量及不同形态的聚丙烯酰胺，通过Mannich反应进行胺甲基化反应，再通过季铵化反应得到阳离子型聚丙烯酰胺。该法工艺流程简单，丙烯酰胺的选择性和收率可达98%以上。这种得到聚丙烯酰胺的合成途径的缺点是Mannich反应中引入了甲醛等容易残留在聚合物中的杂质物质，降低了聚合物的纯度和质量，而且不易对反应得到的聚合物的阳离子度进行把握和控制。该法工艺流程为：

丙烯腈+（水催化剂/水）→水合→丙烯酰胺粗品→闪蒸→精制→精丙烯酰胺

b.聚丙烯酰胺聚合技术。聚丙烯酰胺聚合生产技术是以丙烯酰胺水溶液为原料，在引发剂的作用下，进行聚合反应，在反应完成后生成的聚丙烯酰胺胶块经切割、造粒、干燥、粉碎，最终制得聚丙烯酰胺产品。目前我国聚丙烯酰胺聚合用的引发剂有无机引发剂、有机引发剂和无机-有机混合体系3种类型。关键工艺是聚合反应，在其后的处理过程中要注意机械降温、热降解和交联，从而保证聚丙烯酰胺的分子量和水溶解性。该法工艺流程为：

丙烯酰胺+水（引发剂/聚合）→聚丙烯酰胺胶块→造粒→干燥→粉碎→聚丙烯酰胺产品

聚丙烯酰胺生产技术除了单元操作外，在工艺配方上还有较明显的差别，比如目前生产超高分子量聚丙烯酰胺的生产工艺，同样是低温引发，就有前加碱共水解工艺和后加碱后水解工艺之分，两种方法各有利弊，前加碱共水解工艺过程简单，但存在水解传热易产生交联和分子量损失大的问题，后加碱后水解虽然工艺过程增加了，但水解均匀不易产生交联，对产品分子量损失也不大。

c.接枝共聚生产技术。接枝共聚是指大分子链上通过化学键结合适当的支链或功能性侧基，从而将两种性质不同的聚合物接枝在一起，形成性能特殊的接枝物的反应。所形成的产物称作接枝共聚物，性能取决于主链和支链的组成、结构、长度以及支链数，例如如果接枝物支链长，则其性质类似共混物，若支链短而多，接枝物的性质则类似无规共聚物。

其反应过程为：首先要形成活性接枝点，各种聚合的引发剂或催化剂都能为接枝共聚提供活性种，而后产生接枝点。当活性点处于链的末端时，聚合后将形成嵌段共聚物；而当活性点处于链段中间时，聚合后方能形成接枝共聚物。目前，聚合物的接枝改性技术已成为扩大聚合物应用领域，改善高分子材料性能的一种简便易行、科学高效的方法。

② 聚乙烯亚胺。聚乙烯亚胺又称聚氮杂环丙烷，分子式为（CH₂CHNH）_n，呈无色或淡黄色黏稠状液体，有吸湿性，溶于水和乙醇，不溶于苯，是一种水溶性高分子聚合物。

聚乙烯亚胺目前较多的用于造纸工业，这主要是由于聚乙烯亚胺有较高的反应活性，能与纤维素中的羟基反应并交联聚合，使纸张产生湿强度，并具有干增强作用，因此可用作未施胶的吸收性纸（如滤纸、吸墨水纸、卫生纸等）的湿强度剂，但其损纸较难处理，而且任何酸、碱和硫酸铝的存在，均将影响其湿强度和留着率。聚乙烯亚胺能加快纸浆滤水，使白水中细小纤维易于絮凝，对酸性染料有较强的结合力，可用作酸性染料染纸时的固色剂。利用聚乙烯亚胺处理玻璃纸，可以使纸减少润湿变形。此外，聚乙烯亚胺还可用于纤维改性、印染助剂、离子交换树脂及凝聚与沉降（金属的捕集、废水处理）等。

在一定条件下，聚乙烯亚胺固体材料可以大量吸收潮湿空气中的二氧化碳，不但可以永久地将二氧化碳封存在聚乙烯亚胺固体材料中，也可以将其分离出来用于其他领域。分离过程简单方便，因此聚乙烯亚胺能够重复使用，且始终保持超高吸收效能。

3.2.1.3　化学药剂联用

几种常用化学絮凝剂的适用范围、使用量、处理效果各有不同，单独使用一种絮凝剂容易出现投加量过大导致脱水效果急剧下降，而对絮凝剂进行合理的联用则可避免这种情况的发生。几种常用化学絮凝剂的应用状况如表3-5所列。

由于药剂的联用比单一药剂调理所取得的效果要好，因此近年来逐渐引起了国内外研究人员的关注，并开展了大量的研究。

日本专利JP58-51988和JP56-16599分别用一种无机絮凝剂（聚合硫酸铁）加入一种高分子有机絮凝剂，以及无机絮凝剂中加入两性型高分子絮凝剂的方法来对污泥进行絮凝脱水处理。此外，日本的另一项专利JP11-156400开发了一种新的污泥脱水剂，主要成分为一种两性高聚物，是由一种阳离子单体、阴离子单体、一种水溶性非离子单体和一种溶解度不超过1g的疏水性丙烯酸衍生物共聚反应制备而成的。

美国专利US200502300319发明了一种新型水溶性共聚物，它是由一种水溶性单体与一种端基带有乙烯类不饱和基的聚环氧烷低聚物共聚而成，该聚合物具有极佳的絮凝特性，对各种类型的污泥均有良好的脱水性能，解决了在单体聚合过程中产生的凝胶现象。

LEE等研究人员对阳离子型有机絮凝剂和非离子型有机絮凝剂联合调理污泥的效果进行了研究。在试验中，先加入阳离子型聚合物，使其吸附在污泥表面并形成初级絮体，然后加入非离子型聚合物，通过水的亲和力和范德华力吸附在之前的初级絮体上，形成更大的絮体。形成的混合聚合物的吸附层更加密集、更加扩展，各类聚合物之间的接触产生了更强的“架桥”作用，从而强化了絮体强度，加强了絮凝作用，改善了脱水效果。

国内的研究人员也分别对利用药剂联用法处理污泥进行了相关研究。章继龙等研究人员利用粉煤灰改善精对苯二甲酸（PTA）对化工废水剩余污泥的性质进行了研究，结果表明，絮凝剂PAM、粉煤灰与干污泥的最佳投放量（质量比）为1∶125∶300，且污泥的絮凝沉降性能和在带式压滤脱水机上的助滤效果得到了有效提高。污泥30min沉降比由原来的98%下降到40%，浓缩后的污泥质量浓度由原来的5g/L提高到25g/L，上清液COD_Cr的质量浓度由原来的1500～2000mg/L降至200mg/L左右，泥饼含水率不大于85%，产泥量由原来的30～50kg/h增加到1000kg/h。

宋宪强等采用三种常见化学药剂复合配制了新型絮凝剂——FO絮凝剂，并通过污泥沉降性能和过滤性能试验，确定了其中三种药剂的最佳投配比例为1∶2∶0.05，而且当固体药剂质量占干污泥质量的比例为9.15%时，可使污泥的比阻值由2.03×10⁹s²/g下降到0.29×10⁹s²/g，脱水性能得到了很大的提高。由随后的中试结果，在投加最佳配比的FO絮凝剂时，污泥经压滤脱水后的泥饼含水率可降低到73.21%，固体回收率接近95%，而湿泥的药剂处理费用仅为1.95元/t。

综上所述，尽管化学调理工艺已经引起了国内污泥处理处置领域的重视，研究人员亦开展了一系列化学调理剂的改进和开发工作，但是一些问题仍然存在，有待深入探索，主要集中在以下几方面。

① 目前，国内在调理工艺对污泥脱水性能方面的研究较多，并且取得了相当多的研究成果，但在调理工艺对改善污泥的再利用性能方面则研究较少，应大力开展此类研究，以提高脱水污泥的再利用性能，促进其大规模的资源化利用，并拓宽其应用领域。

② 相当数量的有机高分子调理剂的生产原料的单体有毒，会对生态环境造成污染，给人类健康带来威胁。然而，国内在调理剂、脱水污泥、污泥脱水滤液等因素对生态环境和人类健康造成影响的重视不够。今后，应加强对调理剂安全性的研究工作，降低其在生产和使用过程中的危害性，削弱其对最终污泥产品的负面影响。

③ 一些高分子絮凝剂对污泥的调理效果好，但是价格昂贵，经济适用性差。而目前较为常用的低成本调理剂，由于要达到较高的调理效果，在使用过程中往往需要较大的投加量，可能会对脱水污泥的后续处理处置和资源化利用造成影响，并且可能带来潜在的环境危害。

④ 目前，国内在化学调理剂联用以提高污泥脱水性能方面的基础性研究较多，但是对化学调理剂联用时的组合和配比等与生产实践联系紧密的问题却相对研究不多，难以为实际生产提供理论指导和技术支撑，致使在实际的生产使用过程中，调理剂联用一般采用经验性的组合和配比数值，进而影响了调理效果。