淺談高懸浮物廢水處理研究中存在的不足

王曉輝， 湛含輝

(中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州221008)

水資源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，然而目前水資源的缺乏已成為全球性的問題.我國是一個干旱缺水嚴重的國家，人均占有量僅有2 200 m3，約為世界人均占有量的1/4［1］，是13個人均水資源最缺乏的國家之一.因此，合理開發(fā)利用水資源、對易處理的廢水進行二次回用已成為我國社會、經(jīng)濟發(fā)展的重要問題.

含高懸浮物的廢水是指廢水中污染物以懸浮物為主、不含或含少量其他污染物的水體，例如煤泥水、礦井水等. 該類廢水經(jīng)適當混凝處理即可二次回用，且其來源廣、水量大、污染物相對較單一.因此，對該類水體進行資源化利用是緩解水資源供需矛盾，改善生態(tài)環(huán)境的有效途徑，具有良好的社會、環(huán)境和經(jīng)濟效益. 然而，由于高懸浮物廢水自身的水質(zhì)特點及其他一些原因，對該部分廢水的處理效果仍不盡如人意，或多或少存在一些問題.

1 高懸浮物廢水處理的特點及工藝中存在的問題

1.1 高懸浮物廢水處理的特點

高懸浮物廢水的主要特點是:①懸浮物含量高，且濃度變化范圍較大(10 ～80 g/L);②懸浮物粒徑大小不等，等濃度下細顆粒較粗顆粒更難處理;③相對而言，高濃度下顆粒表面電荷斥力的影響不太顯著，顆粒物主要通過有機高分子絮凝劑作用形成絮團達到去除的目的.

1.2 高濃度廢水存在懸浮物濃度與藥劑用量比例不等的矛盾

處理高懸浮物廢水多采用混凝沉降技術(shù). 混凝過程是指在混凝劑和水力條件的作用下，通過改變膠體、顆粒物的分散狀態(tài)，形成更易于后期分離的絮體，經(jīng)沉淀、氣浮以及過濾去除顆粒物和其他污染物的過程. 由定義知，混凝是從加藥開始直至最終形成絮凝體的過程，包括凝聚和絮凝兩個過程.湛含輝［2］在總結(jié)國內(nèi)外研究工作的基礎(chǔ)上，從亞微觀角度提出了混凝的物理模型，將混凝過程定義為混合、凝聚和絮凝3個連續(xù)作用的階段，如圖1.

該模型從理論上強調(diào)了混凝剪切中顆粒碰撞的有效性，并指出在一定剪切力下，只有膠體顆粒與分散的藥劑充分接觸，才有可能充分地形成微絮體，進而高效地形成大絮體. 該模型的提出，使混凝過程顯得更為清晰.

實際工程中，處理低懸浮物廢水所需有機高分子絮凝劑較少，按以上理論所述，低濃度下的每個懸浮物顆粒均能與有機高分子絮凝劑接觸，實現(xiàn)藥劑與顆粒的逐一吸附，進而形成絮粒、絮團，達到去除的目的.那么，對于高懸浮物廢水而言，若要使藥劑與每一個顆粒都發(fā)生作用，即藥劑量與懸浮物濃度按正比關(guān)系增長，那么，有機藥劑的用量是十分驚人的.但多數(shù)試驗及實踐經(jīng)驗證明，隨廢水中懸浮物濃度的增加，有機藥劑的實際用量卻增加并不多，同時還能取得較好的絮凝效果，也就是說，在取得較好絮凝效果的前提下，有機藥劑用量并不隨懸浮物濃度按比例增加. 另一方面，試驗結(jié)果表明，在投加相應(yīng)加藥量(藥劑增加量很少)的前提下，隨懸浮物濃度的增加，出水濁度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢;在30 ～40 g/L 內(nèi)存在出水濁度最低點.

綜上所述，高濃度范圍下的絮凝沉降機理不同于低濃度時吸附架橋作用機理.為探索高濃度范圍下懸浮物的絮凝沉降機理，必須熟知整個混凝理論，從其整個發(fā)展過程中找出切入點，進行下一步研究.

1 高懸浮物絮凝機理的研究進展

人們對混凝理論的研究具有悠久的歷史. 結(jié)合混凝理論的發(fā)展過程可以看出，研究學(xué)者對混凝機理的研究多是針對藥劑進行機理探索，有關(guān)懸浮物濃度變化對混凝機理影響的研究卻較少;針對高懸浮物混凝機理的研究目前認為是包裹機理，該理論尚處于定性研究階段，仍需進一步定量分析.

縱觀近代混凝理論的發(fā)展過程，20世紀60年代以前，有關(guān)混凝理論主要以物理理論為基礎(chǔ)，Derjaguin、Landau、Verwey 和Overbeek 根據(jù)經(jīng)典膠體化學(xué)理論的Gouy-Chapman 雙電層模型建立了DLVO理論，又稱凝聚物理理論［3-5］.20世紀60年代以后，研究混凝的微觀物理化學(xué)作用機理并強調(diào)微觀物理化學(xué)過程的理論得到迅速發(fā)展. 許多學(xué)者相繼提出吸附-電中和理論和吸附架橋理論，著重強調(diào)了凝聚過程中的化學(xué)作用.其代表是Stumn 及其合作者，他們先后發(fā)表的一系列文章［6-7］，著重強調(diào)了鋁、鐵鹽凝聚劑水解形態(tài)在膠體顆粒脫穩(wěn)過程中的化學(xué)作用.1964年，LaMer 等人［8-9］則針對有機高分子絮凝劑的凝聚絮凝狀況，提出了有機高分子絮凝劑的絮凝架橋理論，并闡述了吸附架橋的膠體顆粒及高聚物空間位阻穩(wěn)定理論.1965年，湯鴻霄［10-11］在研究分析上述凝聚絮凝理論的基礎(chǔ)上，提出鋁鹽水解產(chǎn)物一定程度的脫穩(wěn)是產(chǎn)生粘結(jié)架橋絮凝的必要前提.其后很多學(xué)者對混凝機理也進行了大量研究.縱觀以上混凝理論的研究過程，研究學(xué)者多是以藥劑為研究對象進行絮凝機理研究，無人提及濃度對機理的影響變化;有關(guān)高濃度范圍下的混凝機理研究則更是少之又少.

湛含輝［12］以高濃度范圍內(nèi)的煤泥水為研究對象，對其絮凝沉降機理進行了深入研究. 他認為，高濃度范圍下，煤泥水的沉降機理主要是包裹作用機理，即藥劑對部分顆粒作用先形成包裹層，而后同一級包裹層再相互碰撞吸附而包裹低一級的絮體，同時其孔隙又被其他小顆粒所填充. 依此類推，最終形成的大絮體通過網(wǎng)捕作用去除剩余顆粒，達到凈化的目的，如圖2 所示. 該混凝機理的提出，使高濃度范圍下懸浮物高效絮凝沉降的研究大大向前推進了一步.

1966年，Sutherland［13］從絮凝體成長過程角度進行了類似研究.盡管該研究是在使用無機藥劑的條件下對低懸浮物提出的，但對高濃度下懸浮物的絮凝機理研究具有一定的促進作用. 該模型認為，絮凝體的成長過程是由初始顆粒結(jié)成小的集團，小的集團在結(jié)成大的集團的分步成長過程. 如圖3 為理想化的分步成長絮凝體模型.

圖2 高懸浮物范圍下包裹機理的物理模型Fig.2 Physical model of package mechanism in high suspended solids range

圖3 分步成長絮凝體模型Fig.3 Stepwise growth model of flocs

然而，對于高懸浮物范圍下的絮凝機理目前也只是進行了定性描述. 因此，借助分形理論及顯微技術(shù)，利用絮凝動力學(xué)對高懸浮物范圍下廢水的絮凝機理進行定量研究具有重要的實際意義.

3 高懸浮物絮凝動力學(xué)的研究現(xiàn)狀

研究高濃度廢水中懸浮物的絮凝機理，就必須研究其動力學(xué)過程. 從其動力學(xué)研究現(xiàn)狀來看，所推導(dǎo)的模型能較好描述絮凝過程，但特別針對高懸浮物范圍的絮凝模型卻很少有人研究. 因此，只有提出高懸浮物范圍下的絮凝動力學(xué)模型，才能定量分析包裹機理，也才能進一步應(yīng)用于實踐進行現(xiàn)場指導(dǎo)工作.

縱觀整個絮凝動力學(xué)研究歷程，自1917年Smoluchowski［14］根據(jù)6 點假設(shè)基于擴散理論提出離散型絮凝動力學(xué)方程，并根據(jù)上述假設(shè)率先推導(dǎo)出了異向絮凝的碰撞頻率方程，后人便不斷對其進行修正.1943年，Camp 和Stein［14］對層流條件下同向絮凝模型進行了推導(dǎo);隨著對水流流態(tài)的進一步認識，Camp 提出了紊流狀態(tài)的速度梯度G，并對其同向絮凝碰撞頻率方程進行了更正.1941年Kolmogoroff［15］根據(jù)各向同性紊流理論，提出了紊流條件下顆粒碰撞速率公式，為后續(xù)紊流絮凝研究奠定了理論基礎(chǔ). 其后，saffman 和turner［16］根據(jù)Kolmogoroff 的各向同性紊流理論，推出了紊流碰撞頻率函數(shù)，能夠較好地描述紊流下的絮凝狀況. 1962年，Levich［17］基于紊流擴散理論，導(dǎo)出紊流條件下絮凝速率公式，開拓了紊流同向絮凝研究的另一個新方向.盡管以上公式不盡相同，但只是公式前系數(shù)的不同，其余完全相同，可見它們實質(zhì)是一致的. 隨著混凝理論的深入研究，1966年，F(xiàn)riendlander 和Wang［18］在Smoluchowski 方程的基礎(chǔ)上，提出了粒子尺寸的連續(xù)分布碰撞模型，引起不少學(xué)者關(guān)注.另一方面，近幾十年，分形理論在混凝領(lǐng)域的研究、應(yīng)用也大大推進了動力學(xué)的發(fā)展，使人們更加清晰的認識了微觀絮體的動態(tài)過程.1991年，Jiang［19］研究顆粒碰撞頻率函數(shù)β 與絮凝體尺寸、分形維數(shù)D的關(guān)系，結(jié)合分形理論提出了新的顆粒碰撞頻率模型，來探討布朗運動、流體剪切與差速沉降等不同水流條件下的絮凝體特征.2000年Du 和James［20］等在Jiang 和Logan 研究的基礎(chǔ)上，提出了顆粒直線碰撞下的聚合分形球體模型，簡稱CFS 模型. 該模型的提出使碰撞頻率函數(shù)更適合于數(shù)值模擬.

綜上所述，絮凝動力學(xué)方面的研究十分豐富，所推導(dǎo)的模型也較適用懸浮物的絮凝過程，尤其是低懸浮物廢水. 而針對高懸浮物廢水，這些模型似乎有些勉強，因為高濃度范圍下，單位體積所含顆粒數(shù)大幅度增加，是低濃度下顆粒數(shù)的成千上萬倍，顆粒間的碰撞頻率很高，碰撞頻率問題可能亦非最顯著的影響因素;另一方面，高濃度范圍下有機藥劑用量較少，主要是由于包裹機理對顆粒進行了大量包裹，根據(jù)上文提到包裹機理和分步成長絮凝體模型，不難發(fā)現(xiàn)，高懸浮物范圍下影響絮凝效果的關(guān)鍵是藥劑與顆粒間的作用以及高級絮體對低級絮體(或顆粒)的包裹量，即如何實現(xiàn)高效包裹的問題.盡管包裹機理目前還處于定性研究階段，但對今后高懸浮物下動力學(xué)方程的推導(dǎo)、絮凝機理地定量研究具有重要的理論指導(dǎo)意義.

因此，只有優(yōu)化高懸浮物范圍下的各影響因素，結(jié)合相似理論及化學(xué)動力學(xué)內(nèi)容，建立高懸浮物范圍下的絮凝動力學(xué)方程，才能對定量分析包裹機理，進一步應(yīng)用于實踐指導(dǎo)實際現(xiàn)場工作.

4 結(jié)語及展望

筆者結(jié)合現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，提出了目前處理高懸浮物廢水存在的懸浮物濃度與有機藥劑用量不成比例等矛盾. 通過分析混凝理論的研究歷程，總結(jié)出高濃度范圍下的絮凝作用機理為包裹機理，但目前該機理僅處于定性描述階段;同時，經(jīng)查找大量文獻，發(fā)現(xiàn)目前為止尚無研究高懸浮物范圍下的絮凝動力學(xué)方程. 針對以上問題，筆者認為今后研究方向應(yīng)從以下幾方面考慮.

(1)借助分形理論及顯微技術(shù)，從亞微觀角度深入分析高懸浮物廢水中絮凝體的動態(tài)成長過程，了解高濃度范圍下導(dǎo)致顆粒物快速沉降的真實作用機理;

(2)優(yōu)化高懸浮物范圍內(nèi)的各顯著影響因素，并結(jié)合相似理論及化學(xué)動力學(xué)等學(xué)科，以現(xiàn)有絮凝動力學(xué)知識為基礎(chǔ)，建立高懸浮物范圍下的絮凝動力學(xué)方程，對包裹機理進行定量分析，進一步應(yīng)用于實際工藝中的絮凝過程.

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