水处理剂聚丙烯酰国家标准的应用

战　 峰　 裘本昌

　　水处理剂 聚丙烯酰胺絮凝剂（PAM）又称三号絮凝剂，是由丙烯酰胺单体聚合而成的有机高分子聚合物，无色无味、无臭、易溶于水，没有腐蚀性。聚丙烯酰胺在常温下比较稳定，高温、冰冻时易降解，并降低絮凝效果，故其贮存与配制投加时，温度应控制在2℃～55℃时，絮凝效果为佳，否则会降低使用效果。
　　聚丙烯酰胺分子结构式中，丙烯酰胺单体分子量为71.08，n值为2～9×10⁴，故聚丙烯酰胺分子量一般为1.5～6×10⁶。
　　聚丙烯酰胺产品按其纯度来分，有粉剂和胶体两种，粉剂产品为白色或微黄色颗粒或粉末，固含量一般在90%以上，胶体产品为无色或微黄色透胶体，固含量为8%～9%。
　　聚丙烯酰胺产品按其离子型来分，有阳离子型、阴离子型和非离子型3种。阳离子型一般都含有微量毒性，不适宜在给排水工程中使用，所以我们接触到的水处理剂聚丙烯酰胺均属阴离子型或非离子型。
　　聚丙烯酰胺的絮凝机理是：聚丙烯酰胺具有极性酰胺基团，酰胺基团易于借氢键作用在泥沙颗粒表面吸附。另外，聚丙烯酰胺絮凝剂有很长的分子链，其长度有100 A°，但链的宽度只有1A°，很大数量级的长链在水中具有巨大的吸附表面积，其絮凝作用好，还可利用长链在絮凝颗粒之间架桥，形成大颗粒絮凝体，加速沉降。
　　水处理剂聚丙烯酰胺的絮凝机理有别于三氯化铁、硫酸铝、碱式氯化铝等混凝剂的ξ电位凝聚概念，所以，聚丙烯酰胺不能称混凝剂，因其机量主要以吸附架桥为主，只能称絮凝剂。
　　聚丙烯酰胺在NaOH等碱类作用下，极易起水解反应，使部分聚丙烯酰胺生成聚丙烯酸钠，丙烯酸钠分子在水中不稳定，被离解成RCOO-Na⁺。因此，聚丙烯酰胺水解体是聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠的共聚物，由于RCOO-（羟基）的作用，使聚丙烯酰胺水解体成为阴离子型高分子絮凝剂，而非水解的聚丙烯酰胺絮凝剂为非离子型高分子絮凝剂。从上述水解方程式看出，聚丙烯酰胺部分水解体产品具有一定的胺味，从这点就可以简便区别聚丙烯酰胺产品是否水解。
　　聚丙烯酰胺部分水解后，使其性能从非离子型转变为阴离子型，在RCCO-（羟基）基团的离子静电斥力作用下，使聚丙烯酰胺主链上呈卷曲状的分子链展开拉长，增加其吸附面积，提高架桥能力，所以部分水解体的聚丙烯酰胺的絮凝效果要优于非离子型聚丙烯酰胺。
　　处理高浊度水的聚丙烯酰胺，一般都应采用部分水解体产品，最佳水解度（水解度是指聚丙烯酰胺分子中，酰胺基团转化为羟基的百分数）的聚丙烯酰胺沉降速度是非水解体的2～9倍。但聚丙烯酰胺絮凝剂中水解度过高或过低的产品，其絮凝效果都不理想，因为水解度过低，吸附架桥能力不强，水解度过高则加强了产品的阴离子性能，增大了与泥土颗粒的排斥能力。经过大量试验证实，聚丙烯酰胺絮凝剂最佳水解度应为25%～35%。

　　水处理剂 聚丙烯酰胺国标的应用

　　水处理剂 聚丙烯酰胺，是中华人民共和国国家标准，编号GB 17514—1998，国家质量技术监督局1998-10-19批准，1999-04-01实施。
　　聚丙烯酰胺絮凝剂，是处理高浊度水的最佳絮凝剂之一，在我国从60年代开始试用以来，已有30余年的历史。经我国许多科研设计单位和高等院校、使用单位以及生产厂家的共同努力，使聚丙烯酰胺絮凝剂在黄河水系和长江上游的高浊度水处理中，取得了大量的研究成果和使用经验，为我国的给水净化工艺的发展聚丙烯酰胺国标的制定提供了光辉的前途和科学的数据。
　　聚丙烯酰胺水解体絮凝剂优异的使用效果和经济效益
　　关于这方面的研究成果和使用经验，已有大量的论文进行详述，本文仅根据国标叙述的需要，作简单的论述，以结论性意见表达。
　　聚丙烯酰胺水解体絮凝剂，是处理高浊度水最有效的高分子絮凝剂，可单独使用，也可与普通混凝剂配合使用，在处理含沙量为10～150 kg/m³高浊度水时效果显著，既可保证出水水质，又可减少混凝聚剂用量和一级沉淀池的容积。一般可节约30%～60%的混凝药剂费，产水量还可增加2～4倍，节约大量的基建投资。除此之外，其最大的经济效益是提高了给水工程处理泥沙量的上限值，比前一般水厂处理含砂量最高值为40～60 kg/m³，超过此值就要减产或停产，出水水质也难以达标，给工业生产安全运行和城市人民生活水平带来很大的影响，造成大量的经济损失。使用聚丙烯酰胺絮凝剂后，含沙量最高值可达100～150 kg/m³。以兰州市城市供水为例，在未使用聚丙烯酰胺水解体絮凝剂前，超过60kg/m³就要减产，甚至于停产，仅一次造成的损失就达数百万人民币。另外，由于增加了产水量，基建投资可节约人民币数千万元。其他城市的情况也相似。
　　聚丙烯酰胺允许的最大投加量
　　使用聚丙烯酰胺絮凝剂虽然有优异的效果和经济价值，但由于该产品的单体丙烯酰胺，在控制量以外对人体健康有一定影响，这就严格的限制了产品的使用价值。为解决上述问题的关键，尤其是绝对的保证人民的身体健康，我们查阅了大量的国外资料，在国内进行了10余年的毒理试验，经过大量的试验数据证明，聚丙烯酰胺絮凝剂本身是无害的，即聚合的聚丙烯酰胺是安全的，只是产品中的丙烯酰胺单体的含量和聚合不完全的短链含量对人体健康有一定的影响，从上述10余年的试验资料证明，聚丙烯酰胺絮凝剂的产品，必须严格控制单体含量，才是解决上述问题关键。所以，这次国标制定中，规定必须严格控制单体的含量（包括少量和短链聚丙烯酰胺），并统一单体丙烯酰胺的测定方法，为安全使用聚丙烯酰胺絮凝剂提供可靠的保证。，本国标中对使用在饮用水和污水处理中的单体含量的控制有所区别。优等品完全是国际标准规定的数值，也是我国标准向国际标准接轨的统一标准。一等品是逐步向国际标准接轨的过渡期产品。合格品是在保证安全前提下，考虑到我国的国情，要求必须达到的最低数值。
　　为了保证人民身体健康，今后在给水工程中使用聚丙烯酰胺絮凝剂，必须购买符合国标中单体含量规定指标的产品，否则严禁使用。单体含量的控制标准是国标的核心。单体含量减少后，实际上就是提高了聚丙烯酰胺絮凝剂的投加量，因为聚丙烯酰胺絮凝剂的不安全性主要是单体丙烯酰胺所致，这项国标的制定保证了以往设计手册和规范中规定指标的安全性，其数值而且还可有所提高。
　　聚丙烯酰胺絮凝剂产品溶解时间
　　聚丙烯酰胺絮凝剂在使用中，遇到的最大难题是产品的溶解时间，由于产品溶解度的不佳，直接影响到使用效果，而且还容易堵塞投加设备。因此，国标第二项规定的指标，就是溶解时间。一般水解体产品容易溶解，溶解时间为60～120min，非离子型产品为90～240min。另外，溶解时间随产品的分子量高低也有所不同，所以在水处理中聚丙酰胺絮凝剂产品分子量控制在200～500万之间为佳。
　　固含量
　　聚丙烯酰胺絮凝剂产品中的固含量，是指完全聚合的聚丙烯酰胺的含量，这是对产品效果直接影响的指标，如达不到规定的指标，就是不合格的产品。其测定方法是保证产品质量的主要手段，对此国标已有详述，需注意验收。
　　固含量和单体含量之间的差值是对人体无害的产品制造过程中添加的碱类等，其他主要成份是水。
　　水解体产品
　　在高浊度水处理中使用的聚丙烯酰胺絮凝剂产品主要是水解体产品，其理由本文上面已论述，最佳水解度为30%左右，是聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠的共聚物。
　　检测规则
　　聚丙烯酰胺絮凝剂国标规定的全部指标为出厂的检验项目，必须由生产厂的质量监督检验部门逐批检验，以保证出厂产品符合国标的要求，使用单位必须按国标规定验收产品。如果有某一项指标不符合国标规定，整批产品不能验收。由于聚丙烯酰胺絮凝剂是水处理剂，产品验收必须认真负责，以保证人民身体健康为前提，如有差错，必须承担相应的责任。
　　其他
　　本产品是水处理剂，国标对产品标志、包装、运输、贮存等，都有严格规定。希生产厂家严格按标准办，使用单位严格把关，确保产品安全可靠。对违反本条规定时，一般都严禁验收并使用。

　　国标应用中的注意事项

　　聚丙烯酰胺絮凝剂在我国使用已有30余年历史，经过科研、设计、高校、使用等单位的大量工作，已取得了很多成熟的经验和行这有效的使用方法，以及防止失误和影响效果的注意事项。在本国标制定中，由于目的和任务不同，不可能在诸多方面作出论述和规定。这项国标主要是针对聚丙烯酰胺产品本身的要求，在使用方面，除了和产品有关的溶解时间作出规定外，其他都未作任何规定。为了保证聚丙烯酰胺絮凝剂正确使用提高其使用效果，防止失误，现将国标中未提及的问题，作摘要性叙述，以使国标在应用中发挥更大的作用。
　　聚丙烯酰胺溶液的搅拌速度和搅拌时间
　　聚丙烯酰胺溶液制配，一般采用机械搅拌。机械搅拌速度对溶液配制时间有较大的影响，但过大的搅拌速度，会引起聚丙酰胺溶液的降解，使部分聚丙烯酰胺长链断裂，影响沉降效果，所以必须严格控制机械搅拌速度。在1 m直径的搅拌桶内转速不得大于800 rpm，1.5～2 m直径的搅拌捅内转速不得大于600rpm。提高搅拌溶液的温度可减少溶解时间，但水温最高不超过55℃，否则也会引起降解作用，影响使用效果。
　　聚丙烯酰胺溶液配制投加必须的专用设备
　　聚丙烯酰胺溶液的配制必须采用专用设备，严格防止与其他混凝剂共同使用，或在一投配池内共同投加，否则会使两种药剂产生共聚沉淀，不但影响其效果，而且容易堵塞投加设备。
　　计量设备必须用溶液标定
　　由于聚丙烯酰胺溶液是一种减阻剂，与清水的标定值较大的差距。因此，聚丙烯酰胺溶液计量设备必须用溶液来进行标定，不得用清水标定。否则会加大聚丙烯酰胺的投加量，既提高处理成本，还会造成不必要的后果。
　　投加浓度
　　聚丙烯酰胺溶液的投加浓度越稀，效果越好，较稀的投加浓度能使溶液在水中迅速扩展、充分混合，防止产生浓度过高的胶体保护现象，影响用效果。但浓度太稀会造成庞大的投加设备。一般投加浓度以0.5%～1%为宜，配制浓度以2%为宜。
　　分批投药
　　聚丙烯酰胺絮凝剂，在处理高浊水中，分批投药比一次投药的絮凝效果为佳。如以浑液面沉速为比较值，则前者为后者的3倍多。所谓分批投药，就是将投药量分成两部分分别投加于水中，先加入一部分絮凝剂后使之与水迅速混合，相隔1～2min后，加入另一部分絮凝剂，再与水迅速混合。由于分批投药能避免过高的絮凝剂浓度与泥沙结合，造成活性基团被封闭的后果，因而可达到较佳的效果。分批投药的比例，一般先投加60%，然后再投加40%为佳。在给水工程设计时有条件情况下，应尽量采用分批投药的措施。
　　投加顺序
　　聚丙烯酰胺在作为助凝使用时，一般的投加顺序是在投加混凝剂之后。如单独作为处理高浊度水絮凝剂时，则应先投加聚丙烯酰胺絮凝剂，否则会影响使用效果。在投药间设计时应考虑到投加顺序变化的措施。