強(qiáng)化混凝技術(shù)研究與發(fā)展方向

季 丹 陳 乾 彭小軍 胡鋒平

(華東交通大學(xué)，江西 南昌 330013)

隨著環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重以及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的漸趨嚴(yán)格，常規(guī)混凝技術(shù)已經(jīng)越來越不能滿足人們對水質(zhì)安全的要求，而強(qiáng)化混凝與優(yōu)化混凝成為提高常規(guī)飲用水處理工藝效率的重要途徑。與常規(guī)混凝相比，強(qiáng)化混凝技術(shù)能更加有效地去除原水中的NOM[1，2]。研究與實(shí)踐揭示，強(qiáng)化混凝技術(shù)在城市污水及工業(yè)廢水處理中的研究與實(shí)踐中的確取得了許多滿意效果[3-7]。因此很有必要對其發(fā)展概況以及重點(diǎn)研究方向加以分析探討，并進(jìn)一步促進(jìn)完善我國的水處理工藝技術(shù)，為我國強(qiáng)化混凝技術(shù)的研究與應(yīng)用提供有益的借鑒。

1 強(qiáng)化混凝研究進(jìn)展

近年來，我國針對強(qiáng)化混凝的研究力度空前加大，許多學(xué)者對強(qiáng)化混凝進(jìn)行了更深入的研究，突出體現(xiàn)在：對水體中有機(jī)物的特性進(jìn)行深入認(rèn)識(shí)；對有機(jī)物去除規(guī)律進(jìn)行了大量研究，試圖建立有機(jī)物去除模式，總結(jié)出一些強(qiáng)化混凝去除水體有機(jī)物的機(jī)制；對有機(jī)物去除手段的綜合利用等。研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)化混凝過程中混凝劑的投加量是提高有機(jī)物去除率的重要影響因素，另外水體有機(jī)物、顆粒物性質(zhì)和分布情況、溫度、pH、水力條件等也有一定的影響[8-12]。

1.1 強(qiáng)化混凝的概念與定義

“混凝”是混合、凝聚和絮凝的總括，具有廣義與狹義的雙重性?；炷^程是水中膠體粒子以及微小懸浮物的聚集，使水中膠體粒子以及微小懸浮物聚集成大顆粒，以利于沉降分離過程。強(qiáng)化混凝(enhanced coaguIation簡稱EC)最早是在美國水工協(xié)會(huì)(American water works association，AWWA)會(huì)刊1965年的一篇論文中有所論述。而美國水工協(xié)會(huì)在20世紀(jì)90年代提出的強(qiáng)化混凝是指水處理常規(guī)混凝處理過程中，在保證濁度去除效果的前提下，通過提高混凝劑的投加量來實(shí)現(xiàn)提高有機(jī)物(即DBP前驅(qū)物)去除率的工藝過程。這一強(qiáng)化混凝主要是指在常規(guī)處理工藝流程中在混凝處理時(shí)投加過量的混凝劑、新型混凝劑或助凝劑或者是其他的藥劑并控制一定的pH值，通過加強(qiáng)混凝與絮凝作用，從而提高常規(guī)處理中天然有機(jī)物(NOM)的去除效果，最大限度地去除消毒副產(chǎn)物的前體物(DBP)，保證飲用水消毒副產(chǎn)物符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的方法。

為了減少DBP的生成，盡量降低水體中NOM的含量是關(guān)鍵。大量研究表明，可以將TOC作為DBP前驅(qū)物的主要替代指標(biāo)。為了達(dá)到TOC去除目標(biāo)，制水企業(yè)可以采取多種方法，而并非必須采取強(qiáng)化混凝技術(shù)。比如，有些水體或原水水質(zhì)經(jīng)過常規(guī)處理或常規(guī)混凝即可達(dá)到上述要求；或者有些水體中TOC指標(biāo)經(jīng)過活性炭吸附處理能夠達(dá)到規(guī)定的要求，則沒必要進(jìn)行強(qiáng)化混凝。相比較那些復(fù)雜且昂貴的設(shè)備改造、工藝改進(jìn)方案，強(qiáng)化混凝被認(rèn)為是去除DBP前驅(qū)物的最為可行的技術(shù)(Best Available Technology，BAT)，因而也成為強(qiáng)化常規(guī)工藝的重要內(nèi)容[13]。

1.2 強(qiáng)化混凝機(jī)理

強(qiáng)化混凝主要是通過改善混凝條件使有機(jī)物去除范圍和去除率進(jìn)一步擴(kuò)大和提高，對于大多數(shù)金屬鹽混凝劑去除有機(jī)物的機(jī)理主要是：通過改善混凝處理?xiàng)l件，在低pH、高混凝劑用量的強(qiáng)化混凝條件下形成大量金屬氫氧化物，改善混凝劑水解產(chǎn)物的形態(tài)且使其正電荷密度上升，同時(shí)低pH條件會(huì)影響有機(jī)物離解度和改變水中有機(jī)物存在形態(tài)。有機(jī)物質(zhì)子化程度提高，電荷密度降低，進(jìn)而降低其溶解度及親水性，成為較易被吸附的形態(tài)。Randtke認(rèn)為強(qiáng)化混凝去除有機(jī)物的機(jī)理主要包括膠體狀自然有機(jī)物(NOM)的電中和作用，腐殖酸和富里酸聚合體的沉淀作用，以及吸附于金屬氫氧化物表面上的共沉淀作用.對水中溶解性的有機(jī)物而言，依靠后一種作用即吸附于混凝劑的金屬沉淀物上而去除。

2 強(qiáng)化混凝研究發(fā)展方向

關(guān)于強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展，主要研究混凝劑和反應(yīng)過程的強(qiáng)化。

2.1 混凝劑研究與進(jìn)展

混凝劑是混凝技術(shù)應(yīng)用中關(guān)鍵之所在?；炷齽┲饕煞譃闊o機(jī)與有機(jī)兩大類，另外無機(jī)、有機(jī)之間的混合型、復(fù)合型混凝劑當(dāng)前也有一定的發(fā)展。對于不同的水質(zhì)，混凝劑的選擇有所不同，但是總體上來說無機(jī)(鐵鹽及鋁鹽)混凝劑對TOC去除效果比有機(jī)絮凝劑好，這是因?yàn)橛袡C(jī)陽離子高分子絮凝劑在天然水混凝過程中，只能產(chǎn)生電中和作用并參與腐殖酸和富里酸的沉淀，不能吸附有機(jī)物；而鋁鹽和鐵鹽不但可以起電中和作用使膠粒脫穩(wěn)形成腐殖酸和富里酸的鋁、鐵聚合物以利于沉淀去除，而且還能在形成的金屬氫氧化物的表面提供強(qiáng)烈的吸附作用，同時(shí)還有網(wǎng)捕作用。楊開明[14]等通過實(shí)驗(yàn)，對比了PAC、堿式AlCl3、明礬、Fe2(SO4)3及聚合鐵等五種混凝劑強(qiáng)化混凝處理效果。高分子絮凝劑有很好的助凝效果，目前廣泛應(yīng)用的是無機(jī)高分子絮凝劑(Inorganic Polymer Flocculants，IPF)。近年來，由于生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，微生物絮凝劑以其無毒、可生物降解、無二次污染等獨(dú)特的性質(zhì)，越來越受到人們的廣泛關(guān)注，在給水處理工藝中展示了良好的應(yīng)用前景。

最佳投藥量可以由到達(dá)某有機(jī)物及濁度等指標(biāo)目標(biāo)的最低投藥量確定，或是當(dāng)投藥量繼續(xù)增加對出水水質(zhì)提高影響不是很顯著時(shí)的投藥量。通過試驗(yàn)檢測絮體等效粒徑、數(shù)量、沉速等特性，選取最佳投藥量的目標(biāo)值。在原水水質(zhì)變差的條件下，通過增大藥劑投量，增加顆粒物參與吸附架橋與卷掃等作用的機(jī)會(huì)。利于對膠體聚集穩(wěn)定性的破壞，可提高混凝效果。通過增大藥劑投量強(qiáng)化混凝.可使水中NOM的去除率>60%[1]，且對于總有機(jī)碳(TOC)>5mg/L的水，強(qiáng)化混凝的處理效果與臭氧、活性炭吸附等高級(jí)處理技術(shù)相當(dāng)，而且無機(jī)混凝劑的效果好于有機(jī)的[6-7，15]。黃曉東等[16]以微污染水庫水為原水，對增加聚合氯化鋁(PAC)投量的強(qiáng)化混凝與常規(guī)混凝的處理效果進(jìn)行了對比。試驗(yàn)結(jié)果顯示，增加PAC投量使TOC去除率提高24%。高錳酸鉀指數(shù)去除率提高10.5%：藻類去除率也由常規(guī)混凝的67.2%上升至85.9%，提高了18.7%。強(qiáng)化混凝是一種不需額外增加高額投資又能在現(xiàn)有處理構(gòu)筑物基礎(chǔ)上控制消毒副產(chǎn)物(DBPs)形成的有效方法[17]。

適量增加混凝劑的投加量能有效提高濁度、有機(jī)物的去除，并且去除有機(jī)物的投藥量高于除濁的投藥量。當(dāng)然也不能一味地增加混凝劑的投藥量，過高量會(huì)引起膠體重新穩(wěn)定，并且易產(chǎn)生大量的污泥，造成二次污染。合適的投量應(yīng)該根據(jù)水源水質(zhì)特點(diǎn)和處理后水質(zhì)要求來確定。自動(dòng)控制混凝劑投加量是強(qiáng)化混凝熱點(diǎn)研究方向之一。

2.2 反應(yīng)過程強(qiáng)化的研究與進(jìn)展

2.2.1 水質(zhì)特征與變化規(guī)律的研究

對于我國不同水體中水體顆粒物、有機(jī)物的分布與轉(zhuǎn)化規(guī)律需要開展深入系統(tǒng)的研究，明確有機(jī)物的去除與轉(zhuǎn)化特征，探索其強(qiáng)化去除工藝條件，探求不同有機(jī)物的消毒副產(chǎn)物的形成特征與控制條件。建立相應(yīng)的有機(jī)物的強(qiáng)化去除模式。水中有機(jī)物特征和分布質(zhì)直接決定與混凝劑之間的相互作用機(jī)理。董秉直[18]等研究了水中有機(jī)物的含量及種類對混凝結(jié)果產(chǎn)生的影響，指出混凝與有機(jī)物分子量、典型及其溶解性有關(guān)。

傳統(tǒng)的工藝著重于粘土顆粒物、天然腐殖酸等濁度、色度特征，而隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和技術(shù)研究的深入，對于水質(zhì)的影響逐漸得到重視.不斷變化的水質(zhì)，以及水體中存在的和人工合成的納米污染物成為水處理研究中的重要對象。在建立水源水質(zhì)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，根據(jù)水質(zhì)變化的主體特征如有機(jī)物(TOC)，低溫低濁、高溫高藻，微污染特征，堿度高低，溶解性物質(zhì)等不同的水質(zhì)條件與變化特征來決定后續(xù)工藝的選擇。同時(shí)表現(xiàn)在不同處理目標(biāo)的確立與工藝協(xié)同優(yōu)化選擇。

2.2.2 反應(yīng)器的影響

混凝過程是集眾多復(fù)雜物理化學(xué)乃至生物反應(yīng)于一體的綜合過程，在既定條件下，包括諸如水溶液化學(xué)、水力學(xué)、不斷形成與轉(zhuǎn)化的絮體之間或碰撞或黏附或剪切等物理作用及其微界面物理化學(xué)過程等?；炷夹g(shù)的高效性取決于高效混凝劑、與之相匹配的高效反應(yīng)器、高效經(jīng)濟(jì)的自動(dòng)投藥技術(shù)與原水水質(zhì)化學(xué)等多方面的因素。不同混凝劑表現(xiàn)出不同的混凝特性如與有機(jī)物的反應(yīng)特性以及水力條件的要求等，從而要求與之形態(tài)分布與反應(yīng)特征相適應(yīng)的高效反應(yīng)器。對反應(yīng)器的組成結(jié)構(gòu)、水力條件、反應(yīng)過程控制進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，以達(dá)到反應(yīng)過程的最優(yōu)化控制，與特定目標(biāo)污染物去除的進(jìn)一步強(qiáng)化.

混凝研究的根本出發(fā)點(diǎn)在于水體顆粒物的微界面接觸絮凝過程與作用機(jī)理的深入研究.傳統(tǒng)的絮凝理論是雙向碰撞結(jié)成粗大絮團(tuán)加以分離，這種作用機(jī)理不能充分發(fā)揮納米絮凝劑和微界面的相互作用優(yōu)勢.現(xiàn)代水處理工藝中有各種技術(shù)單元涉及納米污染物與微界面的吸附絮凝作用，是利用微界面促進(jìn)污染物的絮凝與聚集，共同的作用機(jī)理是界面接觸絮凝。界面接觸絮凝理論有助于開發(fā)更高效的操作單元，縮短工藝流程，節(jié)省藥劑及費(fèi)用，特別是可以為難處理的納米污染物提供新的分離技術(shù)原理。

2.2.3 pH和溫度的影響

pH值的大小對混凝劑的水解形態(tài)分布、水中污染物形態(tài)分布等都有影響，在一定程度上決定著混凝劑效果的發(fā)揮。pH較低，混凝劑水解較慢，混凝劑有效作用時(shí)間長、效力強(qiáng)，有機(jī)物的電性被部分中和使其親水性降低，導(dǎo)致更多的有機(jī)物被混凝劑電中和沉降去除，因此較低的pH環(huán)境有利于有機(jī)物通過混凝被去除。對于鋁混凝劑而言，最適于有機(jī)物去除的pH值在5.5～6.5之間。盡管一般而言，較低的pH值有利于有機(jī)物的去除，但是在實(shí)際操作中，混凝劑的類型、投加量、pH值都必須同時(shí)考慮。

溫度的影響是復(fù)雜的，低溫可能造成水的粘度上升，阻礙混凝劑的擴(kuò)散和絮體沉降；可以影響水解動(dòng)力學(xué)平衡，影響金屬氫氧化物的形成；另外影響水的離子積常數(shù)，降低離子積常數(shù)，從而降低水中氫氧根的濃度。同時(shí)，低溫可能造成形成的絮體密實(shí)度較低、絮體較小，導(dǎo)致分離效果差。在一定范圍內(nèi)溫度越高，有利于絮凝劑的水解、與污染物的相互作用，有機(jī)物去除率越高；且微生物生長越旺盛，水體中有機(jī)物從溶解態(tài)轉(zhuǎn)化為顆粒態(tài)，較容易混凝去除。

3 結(jié)論

強(qiáng)化去除水體顆粒物和水體有機(jī)污染物，降低、消除消毒副產(chǎn)物的危害，提高飲用水水質(zhì)和確保水質(zhì)安全，是一個(gè)系統(tǒng)性工程，需要結(jié)合預(yù)處理以及后續(xù)的工藝進(jìn)行綜合優(yōu)化考慮。強(qiáng)化混凝是其中最佳的選擇之一，在強(qiáng)化去除污染物方面具有效果顯著，而所導(dǎo)致的不良副產(chǎn)物和水體殘留少、危害性低，與其他處理工藝相比，具有與我國現(xiàn)行的處理工藝易于結(jié)合，且設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用均較低等優(yōu)點(diǎn)，成為適合我國國情的去除水中有機(jī)物的一個(gè)重要技術(shù)方案和重點(diǎn)發(fā)展方向。

[1]Crozes G，White P，Marshall M.Enhanced Coagulation：Its Effect on NOM Removal and Chemical Costs[J].J.AWWA，1995，87(1)：78-89.

[2]Cheng R C，Krasner S W，Green J F，et al.Enhanced Coagulation：A Preliminary Evaluation[J].J.AWWA，1995，87(2)：91-103.

[3]Dennett K E.Coagulation：its effect on organic matter[J].J.AWWA，1996，88(4)：129-138.

[4]張聲，郭振通，劉洋，等.高藻條件下溶氣氣浮工藝的強(qiáng)化混凝[J].凈水技術(shù).2008(5)：33-36.

[5]謝昌武，王毅力，劉囡，等.強(qiáng)化混凝技術(shù)去除腐殖酸的研究進(jìn)展[J].中國給水排水，2004，20(7)：37-39.

[6]James K E，John E T.Enhanced Coagulation：US Requirements and a Broader View[J].Water Science and Technology，1999，40(9)：63-70.

[7]Freese S D，Nozaic D J，Pryor M J，et al.Enhanced coagulation：a viable option to advance treatment technologies in the South African context[J].Water Science and Technology：Water Supply，200l，l(1)：33-41.

[8]王建偉，孫力平，賈仁勇.改良混凝反應(yīng)器強(qiáng)化混凝效果的研究[J].環(huán)境科技.2011(4)：32-34.

[9]劉海龍，王東升，王敏，等.強(qiáng)化混凝對水力條件的要求[J].中國給水排水.2006(5)：1-4.

[10]周易.試論飲用水中的強(qiáng)化混凝處理技術(shù)[J].山西建筑.2010(28)：172-173.

[11]何巖，趙由才，葉文飛，等.強(qiáng)化混凝處理填埋場滲濾液尾水的可行性研究[J].中國給水排水.2010(11)：60-63.

[12]唐德翠，鄧曉燕，朱學(xué)峰，等.水廠混凝劑投加量建模研究[J].水處理技術(shù).2010(6)：54-56.

[13]USEPA.Enhanced Coagulation and Enhanced Precipitative Softening Guidance Manual[M].EPA，1999，815-R-99-012.

[14]楊開明，張建強(qiáng)，楊小林.混凝沉淀過程中最佳混凝劑投量的研究[J].工業(yè)水處理.2005(9)：49-51.

[15]Christian V，Bell M K，Ibrahim E，et al.Impact of enhanced and optimized coagulation on removal of organic matter and its biodegrable fraction in drinking water[J].Wat.Res.2000，34(12)：3 247-3 257.

[16]黃曉東，孫偉，莊漢平，等.強(qiáng)化混凝處理微污染源水[J].中國給水排水，2002，18(12)：45-47.

[17]董秉直，等.強(qiáng)化混凝去除黃浦江水有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)研究[J].上海環(huán)境科學(xué)，2001，20(11)：519-521.

[18]董秉直，曹達(dá)文，范瑾初.強(qiáng)化混凝中不同分子質(zhì)量有機(jī)物的變化特點(diǎn)[J].工業(yè)水處理.2003(9)：41-43.