龔云峰，吳春華，丁桓如
（上海電力學(xué)院水處理研究室，上海 200090）

　　摘要：強(qiáng)化混凝技術(shù)目前在給水領(lǐng)域主要應(yīng)用于控制飲用水中消毒副產(chǎn)物的含量，以求達(dá)到更高的飲用水水質(zhì)要求。依據(jù)國內(nèi)外進(jìn)行過的試驗(yàn)研究及應(yīng)用，綜述了強(qiáng)化混凝技術(shù)的研究進(jìn)展及結(jié)果，在此基礎(chǔ)上探討了強(qiáng)化混凝在給水處理工程特別是電站凈水系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。
　　關(guān)鍵詞：給水處理； 強(qiáng)化混凝； 水質(zhì)
　　中圖分類號：TU991.22
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
　　文章編號：1000-4602(2000)12-0029-03

　　目前嚴(yán)重影響凈水水質(zhì)進(jìn)一步提高的問題之一是水中有機(jī)物的控制與去除。數(shù)十年來，國內(nèi)外水處理工作者在有機(jī)物去除問題上已做過大量研究，探索過多種去除有機(jī)物的材料和方法。近年來美國環(huán)境保護(hù)局(USEPA)［1～3］為達(dá)到飲用水消毒/消毒副產(chǎn)物(D/DBP)第一階段的控制目標(biāo)——飲用水中總?cè)u甲烷(THMs)≤0.08mg/L，鹵乙酸(HAAs)≤0.06mg/L，推薦采用的工藝有：強(qiáng)化混凝(enhanced coagulation)、粒狀活性炭吸附(GAC adsorption)和膜過濾(membrane filtration)，而且將強(qiáng)化混凝列為控制天然有機(jī)物(NOM)的最佳方法^［2］。

　　1 強(qiáng)化混凝工藝的理論基礎(chǔ)

　　水的混凝處理是常規(guī)給水處理系統(tǒng)中最常用的一種工藝，通常其主要作用是去除水中懸浮顆粒和膠體微粒，同時(shí)也可以去除水中一部分有機(jī)物，但去除有機(jī)物的效率不高且波動(dòng)范圍較大，這主要與水中有機(jī)物的種類、形態(tài)有關(guān)。目前給水處理工藝中常用的混凝劑是Al₂(SO₄)3、FeCl₃、PFS(聚合硫酸鐵)、PAC(聚合鋁)，由于水的pH值直接影響到混凝劑的水解形態(tài)和水中微粒的表面特性，進(jìn)而影響到混凝效果，因此對大多數(shù)原水而言，最佳混凝效果并不發(fā)生在微粒ζ電位為0時(shí)。事實(shí)上，當(dāng)混凝劑用量低時(shí)，獲得較好混凝效果所發(fā)生的作用機(jī)理主要是電性中和、吸附架橋；而當(dāng)混凝劑用量高時(shí)，獲得較好混凝效果所發(fā)生的作用機(jī)理主要是吸附架橋、網(wǎng)捕沉淀^［4］。
　　天然水體中的有機(jī)物(通常主要為腐殖酸類有機(jī)物，其分子結(jié)構(gòu)上常含有較多的-COOH和-OH基團(tuán))，按其在水中存在的形態(tài)可分為懸浮態(tài)(包括單獨(dú)存在的有機(jī)顆粒和吸附在水中微粒表面的有機(jī)質(zhì))、膠態(tài)和溶解態(tài)三種，懸浮態(tài)、膠態(tài)部分通常是些分子質(zhì)量較大、溶解度較小的有機(jī)物組分，天然水中的有機(jī)物有相當(dāng)一部分被微小固體顆粒所吸附^［5］。混凝、澄清是常規(guī)給水處理系統(tǒng)中第一個(gè)處理單元，而天然水體中懸浮態(tài)、膠態(tài)部分有機(jī)物的性質(zhì)與水體中存在的微粒很相似，如通常條件下帶有負(fù)電荷(有機(jī)物在水中有離解趨向)，因此在混凝處理過程中，它們的去除機(jī)理應(yīng)該是相似的，即通過電性中和、吸附架橋、網(wǎng)捕沉淀得以去除，而且去除率較高(可達(dá)80%～90%)。而水中分子質(zhì)量較小、溶解度較大的有機(jī)物(主要是腐殖酸類中的富里酸等)^［6］，在一般混凝條件下去除率很低，主要原因是由于其具有良好的親水性而不易被混凝劑的水解產(chǎn)物——金屬氫氧化物所吸附。但是，如果通過改善混凝處理?xiàng)l件，即在低pH、高混凝劑用量的強(qiáng)化混凝條件下^［7］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)，吸著到大量存在的金屬氫氧化物顆粒上共沉淀，這樣可提高水中溶解態(tài)有機(jī)物的去除率，進(jìn)而提高水中有機(jī)物總的去除率。所以，理論上通過改善混凝條件(強(qiáng)化混凝)是提高給水處理工程中有機(jī)物去除率的可行且有效的途徑。

　　2 強(qiáng)化混凝試驗(yàn)研究的進(jìn)展

　　強(qiáng)化混凝處理工藝試驗(yàn)研究較多的是美國，而且主要是在飲用水處理行業(yè)，其主要目標(biāo)是提高飲用水中D/DBP先質(zhì)的去除率。Thomas R. Hundt等人的研究表明，水中富里酸(FA)類有機(jī)物主要通過電性中和沉淀、吸附共沉淀得以去除，且主要與鋁鹽的水解形態(tài)有關(guān)；低pH條件，聚合氯化鋁對FA的去除效果優(yōu)于AlCl3。Gil Grozes等人^［1］對Sacramenta等河水進(jìn)行的強(qiáng)化混凝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝的pH控制是獲得NOM最大去除率的決定因素，在pH≈6的條件下，強(qiáng)化混凝可增加65%的NOM去除率。過量加入相近劑量的混凝劑，鐵鹽對NOM的去除效果明顯優(yōu)于鋁鹽，其解釋是：①鐵鹽的酸化能力比鋁鹽強(qiáng)，所以其混凝時(shí)pH值比鋁鹽低，較低的pH條件會(huì)增加腐殖酸類物質(zhì)的質(zhì)子化程度，增加混凝劑水解產(chǎn)物上的正電荷密度，減少混凝劑需求量，有利于有機(jī)物吸附到金屬氫氧化物上；②盡管鋁鹽水解產(chǎn)物的比表面積［200～400m²/gAl(OH)3］大于鐵鹽水解產(chǎn)物的比表面積［160～230m²/gFe(OH)₃］，但相近劑量的鐵鹽水解產(chǎn)生Fe(OH)₃的量是鋁鹽水解產(chǎn)生Al(OH)₃量的2.8倍。另外還發(fā)現(xiàn)了高分子聚合物作混凝劑對溶解態(tài)NOM的去除效果較差，這是由于它們不能產(chǎn)生對有機(jī)質(zhì)具有較好吸附作用的水解產(chǎn)物，也說明了水中NOM的混凝去除機(jī)理主要是被吸附在混凝劑水解產(chǎn)物(金屬氫氧化物)上而從水中分離出來。F.Julien等人^［8］的研究也表明，鐵鹽對NOM的去除效果優(yōu)于鋁鹽，有機(jī)物上有一個(gè)或沒有功能基時(shí)，不能同時(shí)被典型的混凝—絮凝和吸附在金屬氫氧化物絮體上而去除，而含有至少兩個(gè)相鄰功能基(-COOH和-OH)的化合物可同時(shí)由混凝—絮凝和吸附去除，有機(jī)物的去除取決于其上的功能基-COOH和-OH的多少及分子質(zhì)量，且有機(jī)物最大去除率并不發(fā)生在ζ電位為0時(shí)。Joseph G.等人^［3］對腐殖酸類物質(zhì)較多的原水進(jìn)行混凝試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)混凝劑量與TOC去除率關(guān)系曲線上出現(xiàn)突變點(diǎn)，而相對腐殖酸類物質(zhì)較少的原水，混凝劑量與TOC去除率關(guān)系曲線比較平緩，這說明水中NOM的去除主要依靠沉淀和共沉淀。Joseph G.等人還比較了幾個(gè)主要的有機(jī)物去除工藝特征(見表1)，認(rèn)為強(qiáng)化混凝是去除天然水中有機(jī)物較經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的一種工藝。Eric M.Vrijenhoek等人^［9］研究發(fā)現(xiàn)，去除THMS先質(zhì)的最佳pH值為5.5，去除機(jī)理可能是：在混凝劑用量低時(shí)，形成金屬—有機(jī)物的復(fù)合物；而在混凝劑用量較高時(shí)，有機(jī)物吸附到金屬氫氧化物上而被去除，腐殖酸類成分多的原水，NOM去除率較高。試驗(yàn)還表明，在低pH條件下能維持原有的濁度去除效果。

表1 主要的有機(jī)物去除工藝比較 處理工藝 NOM去除效果 工藝復(fù)雜性 工藝成本 強(qiáng)化混凝 較好 低或中 低 GAC吸附 好 中或高 中 納濾 極好 中 中或高

　　丁桓如等人^［10］用聚合硫酸鐵和聚合氯化鋁對黃浦江水進(jìn)行的混凝試驗(yàn)表明，在最佳pH條件下(聚合硫酸鐵為5.6，聚合氯化鋁為5.5)，聚合硫酸鐵和聚合氯化鋁混凝劑對水中總的、溶解態(tài)的和紫外吸收部分的有機(jī)物去除率分別達(dá)到70%、52%、55%和70%、52%、33%，去除該水體中有機(jī)物的最佳pH范圍在5.5～6.5。鐵鹽的pH適用范圍比鋁鹽大，在低pH混凝條件下，水體中有機(jī)物的去除率明顯提高，而且聚合硫酸鐵優(yōu)于聚合氯化鋁。黃廷林^［11］用Al₂(SO₄)₃作混凝劑對腐殖酸水樣和興慶湖水樣進(jìn)行的強(qiáng)化混凝試驗(yàn)表明，混合攪拌強(qiáng)度對TOC去除效果有影響，在較低的混合攪拌強(qiáng)度下，通過延長絮凝反應(yīng)時(shí)間可獲得稍好的TOC去除效果。但是，混合強(qiáng)度對TOC去除效果的影響遠(yuǎn)沒有pH和混凝劑用量的影響大，去除TOC的最佳pH值均在5.5左右，TOC去除率分別可達(dá)80%和70%以上，且濁度變化不影響DBP先質(zhì)去除。
　　國內(nèi)外的試驗(yàn)研究得到了幾個(gè)較一致的結(jié)論：①水中有機(jī)物主要依靠吸附共沉淀得以去除；②去除水中有機(jī)物的最佳pH值在5.5～6.5，加大混凝劑用量是有利的；③NOM在混凝條件下去除的主要影響因素是pH值和混凝劑；④強(qiáng)化混凝對腐殖酸類有機(jī)物的去除特別有效。

　　3 強(qiáng)化混凝在給水處理工程中的應(yīng)用

　　化混凝是在常規(guī)混凝處理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的去除水中有機(jī)物特別是富含腐殖酸類有機(jī)物的一種處理工藝，相對其他處理工藝，其成本較低且在原有處理設(shè)備上稍作改造就可實(shí)施。國內(nèi)外的試驗(yàn)研究均表明混凝處理的pH值控制在6左右，并且適當(dāng)提高混凝劑用量，對大多數(shù)源水中的有機(jī)物具有較好的去除效果，關(guān)鍵是pH的調(diào)節(jié)問題。pH調(diào)節(jié)可通過加酸、用酸化能力強(qiáng)的混凝劑(如FeCl₃)或用離子交換除鹽系統(tǒng)中的陽床酸性出水調(diào)節(jié)，這樣的工藝條件在工業(yè)給水工程中實(shí)施是可行的，特別是在電站給水處理中。因?yàn)橐话愕碾娬窘o水處理系統(tǒng)中都有離子交換除鹽系統(tǒng)輔助的酸堿系統(tǒng)，所以混凝的pH調(diào)節(jié)更易實(shí)現(xiàn)，而對含有反滲透(RO)預(yù)除鹽裝置的系統(tǒng)，為降低RO膜的水解率和防止結(jié)垢，其進(jìn)水pH值一般均要調(diào)節(jié)到酸性范圍內(nèi)，這對實(shí)施強(qiáng)化混凝而言，實(shí)質(zhì)上是將pH調(diào)節(jié)點(diǎn)前移了。強(qiáng)化混凝主要增加了水處理系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備的防腐需求、pH調(diào)節(jié)等費(fèi)用，但對有機(jī)物含量不高的源水可省去GAC吸附設(shè)備的投資及運(yùn)行費(fèi)用，而對有機(jī)物含量較高的源水，通過強(qiáng)化混凝處理也可進(jìn)一步提高GAC吸附設(shè)備的運(yùn)行效率(降低進(jìn)水pH值，對GAC吸附去除水中NOM更有效^［12］)，最根本的是要在較低的成本和充分利用現(xiàn)有工藝的條件下，實(shí)現(xiàn)給水質(zhì)量的明顯提高。因此，對源水進(jìn)行強(qiáng)化混凝試驗(yàn)以確定去除水中有機(jī)物的最佳pH范圍及混凝劑用量，進(jìn)一步研究強(qiáng)化混凝與其他工藝(如GAC吸附處理)的配合使用，這在我國水源水普遍受到微污染的情況下很有現(xiàn)實(shí)意義，并相信混凝強(qiáng)化技術(shù)在給水處理工程中也有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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收稿日期：2000-06-28