改性凹凸棒土對常規(guī)凈水工藝的強化效應(yīng)與機理研究

徐亞東

（江蘇省水資源服務(wù)中心 南京 210029）

凹凸棒土是一種含水富鎂硅酸鹽粘土礦物，具有獨特的層鏈狀結(jié)構(gòu)、十分細小的棒狀、纖維狀晶體形態(tài)和較大的比表面積，吸附性能良好。國內(nèi)外將凹凸棒土作為天然廉價吸附劑在各種污、廢水處理的應(yīng)用中進行了許多有益的探索，但用于微污染水源水處理的研究還鮮有報道。本文以蘇北地區(qū)某水廠原水為對象，采用強化混凝靜態(tài)模擬實驗方法，將常規(guī)的投加混凝劑的混凝環(huán)節(jié)改變?yōu)楦男园纪拱敉僚c混凝劑復(fù)合使用，考察改性凹凸棒土參與強化混凝處理微污染水源水中濁度、高錳酸鹽指數(shù)、UV254和氨氮的效果，并探討改性凹凸棒土強化混凝的作用機理。

1 實驗部分

1.1 樣品

水樣為蘇北某縣鎮(zhèn)級水廠水源水，常年的濁度范圍為20～30NTU，UV254為0.115～0.122mg/L，高錳酸鹽指數(shù)范圍為6～9mg/L，氨氮范圍為1.0～2.2mg/L，水溫15℃～25℃。

凹凸棒土取自江蘇省盱眙縣古桑鄉(xiāng)境內(nèi)，經(jīng)450℃高溫改性，160目粉末，灰白色，pH值為8～9，純度為90%。

1.2 儀器

六聯(lián)電動攪拌器(JJ-4，國華電器）；SHIMADZU島津紫外分光光度計Uv1201(波長范圍:190～850 nm）；TS2-400A臺式智能散射光濁度儀（測量范圍:0～400 NTU）；FA2104型單盤電子天平（稱量范圍為0～210g，實際標尺分度值為0.1mg）。

1.3 實驗方法

將一系列的1000ml試驗水樣加入攪拌燒杯中，根據(jù)不同順序，分別投加適量的高溫改性凹凸棒土，并適時投加混凝劑，快速（300r/min）攪拌 1min，再慢速(80r/min)攪拌 3～5min，靜沉15min后，取上清液測定出水的濁度、高錳酸鹽指數(shù)、UV254(經(jīng)0.45um膜過濾)和氨氮等參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 投加順序?qū)Ω男园纪拱敉翉娀炷Ч挠绊?/h3>

在本次實驗中，選擇如下的四種投加順序：①先投加改性凹凸棒土，3min后投加混凝劑；②先投加改性凹凸棒土，1min后投加混凝劑；③同時投加；④先投加混凝劑，混合反應(yīng)3min后，投加改性凹凸棒土。實驗結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，投加的先后順序和時間間隔對強化混凝的效果有著直接影響，順序2和3對各項污染指標的去除效果較好?？赡苁且驗檫@兩種情況下，能夠保證凹凸棒土與水體能較好地混合和一定的吸附時間，利于其發(fā)揮吸附作用；而且此時混凝劑尚未完成對水中膠體的脫穩(wěn)、凝聚，難以網(wǎng)捕、包裹與其自身尺度相當?shù)陌纪拱敉练勰╊w粒，凹凸棒土受到的“包裹”作用最小。混凝劑加入30～60s左右，在劇烈攪拌中與水體的混合、水解迅速完成，膠體脫穩(wěn)并形成微絮凝體，經(jīng)過數(shù)分鐘的反應(yīng)后形成比較大的絮體，這時通過混凝去除的有機物基本已經(jīng)結(jié)合進入絮體中，此后的反應(yīng)時間內(nèi)，絮體進一步結(jié)合成更大的礬花，改性凹凸棒土逐漸附著到絮體中，通過沉淀被去除。

投加順序1對氨氮去除效果較好，但對濁度和高錳酸鹽指數(shù)去除率不高。這是因為在混凝劑投加之前過早投加凹凸棒土，與混凝劑產(chǎn)生了競爭吸附，影響了混凝劑去除水中膠體和大分子有機污染物作用的發(fā)揮。投加順序4對各項指標的去除率都較低，因為此時已有大量微絮體長成，迅速將投入的分散狀態(tài)凹凸棒土顆粒網(wǎng)捕、包裹起來，凹凸棒土的吸附作用受到制約。

2.2 改性凹凸棒土與混凝劑投加量及配比對微污染水源水強化混凝的影響

改性凹凸棒土與聚合氯化鋁的投加量及配比直接影響強化混凝的去除效果和處理費用。兩者合適的投加量及配比關(guān)系，不僅能確保較高的去除效率，同時還能有效節(jié)約資源、降低處理費用。試驗中聚合氯化鋁的投加量分別為15、20、25mg/L，改性凹凸棒土的加量依次為 10、15、20、25、30mg/L。對濁度、高錳酸鹽指數(shù)、UV254和氨氮去除效果如圖2所示。

從圖2-a可以看出，對于低濁度的微污染水源水，改性凹凸棒土與聚合氯化鋁強化混凝處理效率很高，出水濁底保持在0.4～0.7NTU的合格范圍內(nèi)。當聚鋁投加量為20mg/L，改性凹凸棒土投加量為20～25mg/L時，對濁度去除率最高可達97.02%。聚鋁與凹凸棒土的適宜投加比例為1∶1～1.25。

投加改性凹凸棒土對去除有機物有明顯的強化作用。由圖2-b、2-c可見，當聚合氯化鋁投加量為20mg/L，改性凹凸棒土投加量為25mg/L時，高錳酸鹽指數(shù)去除率為47.63%，UV254去除率為32.46%，分別比單獨投加聚鋁提高了17%和12%以上。實驗結(jié)果還表明，投加改性凹凸棒土后對高錳酸鹽指數(shù)去除率的提高量較UV254更為顯著。這是因為：UV254組成為分子量大于3000的大分子有機物，易被混凝劑水解產(chǎn)生的氫氧化鋁絮體捕獲去除，受凹凸棒土投加量的影響較?。桓咤i酸鹽指數(shù)中小分子有物較高，這些小分子有機物難以被絮凝和沉淀，投加凹凸棒土后被碰撞和吸附的幾率大增，去除效果明顯增強。

改性凹凸棒土對氨氮吸附較好。由圖2-d可見，當聚鋁投加量為25mg/L、改性凹凸棒土30mg/L時，氨氮去除率達31.0%。而常規(guī)混凝的氨氮去除率僅為1.40%。這表明投加凹凸棒土對混凝過程中氨氮去除起了決定性的作用。

3 改性凹凸棒土參與微污染水源水強化混凝的作用機理分析

按照改性凹凸棒土參與微污染水源水強化混凝的過程，可以分為混合階段（或凝聚階段）、絮凝階段、沉降階段。在這三個階段，凹凸棒土分別發(fā)揮了吸附作用、助凝作用、助沉作用。

在混合階段（或凝聚階段），改性凹凸棒土發(fā)揮了三個方面的作用：①凹凸棒土粉末在劇烈的攪拌作用下快速均勻地與水混合，增加了水中懸浮顆粒的濃度，加大了顆粒間的有效碰撞幾率，從而破壞膠體微粒的動力穩(wěn)定性，使膠體顆粒碰撞結(jié)合。②凹凸棒土依靠較大的比表面積及吸附性能，自身能夠吸附水中的部分污染物，并使水中膠體等以其為中心凝聚成密度較大的礬花。③凹凸棒土通常帶有表面負電荷，在混合階段后期受混凝劑水解聚合物的壓縮雙電層作用影響，ζ電位降低進而脫穩(wěn)，相互間進一步凝聚形成更大的顆粒體。

在絮凝階段，由于聚合氯化鋁等無機高分子混凝劑本身不能使絮體致密，形成的絮體體積大、密度小、含水率高，而加入凹凸棒土作為成核物質(zhì)，使水中膠體迅速凝聚，形成了較為密實的絮體。

在沉淀階段，處于懸浮狀態(tài)的絮凝體主要依靠本身的重力作用而下沉，由于凹凸棒土加入后絮體密實性強，形成的礬花質(zhì)量也比較大，沉降性能顯著改善。

4 結(jié)論

（1）投加順序和時間間隔對改性凹凸棒土強化混凝效果有著直接影響。當先于聚合氯化鋁1min投加或同時投加時，能夠保證凹凸棒土與水體能較好地混合和一定的吸附時間，而且受絮凝體“包裹”作用最小，對各項污染指標的去除效果較好。

（2）當聚合氯化鋁投加量為20mg/L、改性凹凸棒土投加量為25mg/L時，對濁度、高錳酸鹽指數(shù)、UV254和氨氮的去除率分別為97.02%、47.63%、32.46%和31.0%，分別比單獨投加聚合鋁提高了6%、17%、12%和29%以上；兩者的適宜投加量配比為1∶1～1.25。

（3）改性凹凸棒土參與微污染水源水強化混凝的過程可分為混合階段（或凝聚階段）、絮凝階段、沉降階段，在三個階段分別發(fā)揮了吸附作用、助凝作用和助沉作用