鋁鹽處理腐殖酸的試驗研究

王宇鋒 吳寶峰

摘要：研究表明，腐殖酸類部分雖只占溶解態(tài)有機物的一半左右，但其對氯仿的貢獻卻在一半以上。在不同溶解態(tài)有機物中，腐殖酸類化合物對氯化后生成的氯化烴的貢獻率遠高于其總有機碳含量分數(shù)。因此，腐殖酸類物質是最重要的三鹵甲烷先質，以腐殖酸為研究對象具有代表性和典型性。

關鍵詞強化混凝；腐殖酸；硫酸鋁；共聚絡合

KeyWords：enhanced coagulation; Humic acids; alum sulfatc; co-precipitation

一、去除污染物概述

水源中的有機污染物可分為兩類：天然有機物（NOM）和人工合成有機物(SOC)。天然有機物分為腐殖質和非腐殖質。非腐殖質易被水中的微生物分解，其殘留是相當?shù)偷?。而腐殖質是一類酸性的、多分散的、偶然性聚合的高分子有機物，來源于土壤腐殖質、水生植物和低等浮游生物的分解，也是某些地下水和地表水的主要成色物質（黃褐色或淡黃褐色），約占水中溶解性有機碳（DOC）的40%—60%。腐殖質按其在堿和酸中的溶解度可分為三種：腐殖酸（溶于稀堿溶液，易在酸中沉淀析出）、富里酸（溶于酸堿）、腐植素（難溶于酸堿）。其中，腐殖酸在天然水中的含量較低，但它是水體中天然有機物的代表性物質，也是當今水處理的重點去除對象。研究表明，腐殖酸類部分雖只占溶解態(tài)有機物的一半左右，但其對氯仿的貢獻卻在一半以上。在不同溶解態(tài)有機物中，腐殖酸類化合物對氯化后生成的氯化烴的貢獻率遠高于其總有機碳含量分數(shù)。因此，腐殖酸類物質是最重要的三鹵甲烷先質，以腐殖酸為研究對象具有代表性和典型性。

去除水中天然有機物的理論研究和技術開發(fā)是目前國內外水污染控制領域的重要研究課題，也是控制消毒副產(chǎn)物的一個重要途徑。強化混凝是美國環(huán)境保護署推薦采用的作為去除天然有機物，控制12種消毒副產(chǎn)物的最佳方法(BAT)。在強化混凝的研究中，不同金屬鹽與腐殖酸的混凝及共聚絡合特性研究是針對水中NOM的混凝問題開展的基礎性研究課題。目前采用鐵鹽和鋁鹽去除水中腐殖酸是水處理最基本、最重要的方法。本試驗研究選取鋁鹽為代表金屬鹽，通過鋁鹽對腐殖酸的投加試驗，來確定去除腐殖酸的最佳pH值和投藥量，由此確定強化混凝原水最經(jīng)濟的工藝，并探討腐殖酸與鋁鹽的共聚絡合特性。

二、強化混凝

常規(guī)給水處理工藝對有機物去除起主要作用的是混凝工藝，影響混凝效果的因素很多：包括混凝劑的種類、投加量、原水水質、混凝pH值、堿度、混凝攪拌程度以及混凝劑與助凝劑的投加順序等。強化混凝就是通過采取一定措施，確定混凝的最佳條件，發(fā)揮混凝的最佳效果，盡可能地去除在混凝階段能夠去除的成分，特別是溶解性有機成分。

強化混凝定義:通過增加混凝劑的投藥量或調整pH值，來提高常規(guī)處理對NOM的去除效果，最大限度的去除消毒副產(chǎn)物的前體物(OBPFP)，而不只是滿足降低濁度要求，保證飲用水消毒副產(chǎn)物符合飲用水標準的方法。

實際上，強化混凝概念是對傳統(tǒng)混凝概念的深入，它是指以去除濁度、有機污染物以及由有機污染物引起的色度、嗅味、藻類、氯仿前質、致突變物質為主要目標的，在傳統(tǒng)混凝工藝基礎上經(jīng)過改進、優(yōu)化和新增以去除有機污染物為主的混凝。通過強化混凝一方面可以提高混凝工藝對NOM 的去除效果，另一方面還可以改變水的理化性質來改善后續(xù)工藝的處理效果。影響強化混凝的因素有:混凝劑的類型及投量,pH值，堿度，原水中有機物濃度等。

三、鋁鹽處理腐殖酸的試驗研究

強化混凝技術首先要根據(jù)水質情況篩選優(yōu)化確定混凝劑的種類和投量。一般，鋁鹽和鐵鹽的混凝效果要優(yōu)于人工合成的混凝劑，原因是這兩種混凝劑可以按下述的混凝機理與NOM作用，而人工合成的有機陽離子聚合混凝劑只能通過電性中和與NOM反應，將其去除。盡管各種混凝劑的混凝效果不同，但對于確定的水質，在原水pH值一定的條件下都會存在一個最佳投量。本實驗選用硫酸鋁作為混凝劑，進行對腐殖酸的投加試驗。

1、確定最佳pH值的試驗

選擇0.25，0.5，0.75ml作為硫酸鋁的投加量（以鋁離子計），改變水樣的pH值（pH=4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，8，9），進行腐殖酸混凝燒杯試驗?；炷畼芋w積為200ml，設定混凝程序如下：快速混合200r/min，持續(xù)時間1min；慢速絮凝20r/min，持續(xù)時間5min；沉淀靜置10min。取樣測定TOC、UV254，考察pH值對混凝效果的影響，確定腐殖酸與硫酸鋁混凝的最佳pH值范圍。

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，pH值對腐殖酸的混凝效果影響很大。在低投藥量下,TOC和UV254的最高去除率都在pH值為4.5～5.5之間,在中性條件時，即在pH=7.0附近，TOC和UV254也有較好的去除率。當pH值大于7.5以后,混凝效果開始變的較差?？梢钥闯?，pH值在4.5～7.5的條件下都有不錯的混凝效果,pH值大于8后幾乎沒有混凝效果.

西安建筑科技大學的王曉昌教授及其學生用硫酸鋁對有機物進行混凝實驗，得出pH=5.0左右為混凝去除有機物的最佳pH值，此時DOC去除效果可達80%。

此外，也有研究表明，在pH=5.0和7.0條件下，腐殖酸均會出現(xiàn)較高的去除情況，而且，大多數(shù)天然水體的酸度在中性范圍以內。

對上述實驗進行綜合考慮：在酸性條件下，三種不同投藥量下的腐殖酸的去除效果均在pH=5.0左右達到最好;而在中性條件下, 三種不同投藥量下的腐殖酸的去除效果均在pH=7.0左右效果最好.因此,我們確定腐殖酸與硫酸鋁混凝的最佳pH值為5.0和7.0。

2、pH=5.0和pH=7.0的混凝實驗

對用提取腐殖酸配制的原水進行混凝實驗，觀察在不同投藥量時TOC、和UV254的去除情況。實驗過程

1、取腐殖酸溶液各400ml，分別放入9個500ml的燒杯中，編號1-9，每個燒杯加入不同量的Al2(SO4)3溶液。1號0.1，2號0.25，3號0.5，4號0.75，5號1，6號1.25，7號1.5，8號1.75，9號2 (單位：ml)。調pH值=5±0.05和pH值=7±0.05

2、燒杯攪拌試驗，現(xiàn)象：1號杯無礬花，其余杯有礬花，并依次變大。

3、0.45μm膜過濾后，測CODMn。

4、0.45μm濾膜過濾后，測TOC和UV254。

四、試驗結論

(一)試驗結果

(l) 在pH=5.0和7.0條件下強化混凝對TOC的去除效果都能大于50%,可以達到一個相對來說較為理想的效果.綜合考慮，pH=5.0時，最佳投藥量為0.75ml，因為它比1.75ml經(jīng)濟。而在pH=7.0時，最佳投藥量為1.75ml。

(2) pH=5.0和7.0 時，在低投藥量下，混凝去除有機物的機理主要以吸附-電中和為主.加大藥量，在混凝劑投藥量又不是很高時，由于顆粒間的電荷作用，形成的絮體沉降性較差，繼續(xù)加大混凝劑量后，網(wǎng)捕作用成為主要機理，TOC去除率又得以恢復。

(3) TOC、CODMn以及UV254在pH=7.0時達到最高去除率的投藥量是pH=5.0的2倍多。這是因為在pH=7.0條件下，硫酸鋁的水解產(chǎn)物主要是Al(OH)3，混凝機理以網(wǎng)捕作用為主，無機顆粒和有機物的去除都要靠Al(OH)3的卷掃作用，這就必須加入大量混凝劑，形成足夠的Al(OH)3才能達到較高的去除率。

(4)從試驗現(xiàn)象來看, pH=5.0和7.0 時,燒杯內的礬花沉淀明顯,水樣清澈透明,去除效果相當好。可見，在此條件下，對色度和濁度的去除效果很好。

(5) 從數(shù)據(jù)可以看出,pH=5.0和pH=7.0時相似,TOC與UV254的變化趨勢相似。CODMn的變化也與TOC與UV254類似,都呈現(xiàn)出:不變→降低→回升→降低的趨勢.不過總體來看,pH=7.0時硫酸鋁對有機物去除率明顯比在pH?=5.0低,在弱酸性條件下對有機物的去除效果較好。

(二)硫酸鋁與腐殖酸的共聚絡合特性

（1）對腐殖酸溶液混凝的理論研究證實了有機物質的去除在不同的pH值和投加量時，可以通過電性中和形成沉淀和氫氧化物絮體吸附共沉淀兩種機理進行。

（2）在pH=5.0的弱酸性條件下，水中殘余鋁離子濃度幾乎與總投量保持線性關系，說明與腐殖酸發(fā)生反應的鋁離子濃度一直與總投量保持一定比例。說明弱酸性條件下硫酸鋁與腐殖酸發(fā)生占絕對優(yōu)勢的共聚絡合反應，因此硫酸鋁與腐殖酸的結合能力強。

（3）在中性條件下（pH=7.0），鋁離子與水中氫氧根離子之間的水解反應和鋁離子與腐殖酸之間的共聚絡合反應同時發(fā)生，但由于pH值升高至7.0而增加的OH-使鋁離子的水解反應占明顯優(yōu)勢，因此該條件下鋁鹽與腐殖酸的結合主要依靠氫氧化鋁沉淀物對腐殖酸分子的吸附和網(wǎng)掃作用。