強化混凝在給水處理工程中的應用

水的混凝處理是常規給水處理系統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物，但去除有機物的效率不高且波動(dòng)范圍較大，這主要與水中有機物的種類(lèi)、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，當混凝劑用量低時(shí)，獲得較好混凝效果所發(fā)生的作用機理主要是電性中和、吸附架橋；而當混凝劑用量高時(shí)，獲得較好混凝效果所發(fā)生的作用機理主要是吸附架橋、網(wǎng)捕沉淀。
      天然水體中的有機物(通常主要為腐殖酸類(lèi)有機物，其分子結構上常含有較多的-COOH和-OH基團)，按其在水中存在的形態(tài)可分為懸浮態(tài)(包括單獨存在的有機顆粒和吸附在水中微粒表面的有機質(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、溶解度較小的有機物組分，天然水中的有機物有相當一部分被微小固體顆粒所吸附?；炷?、澄清是常規給水處理系統中第一個(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電荷(有機物在水中有離解趨向)，因此在混凝處理過(guò)程中，它們的去除機理應該是相似的，即通過(guò)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80%～90%)。而水中分子質(zhì)量較小、溶解度較大的有機物(主要是腐殖酸類(lèi)中的富里酸等)，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(guò)改善混凝處理條件，即在低pH、高混凝劑用量的強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 )影響有機物離解度和改變水中有機物存在形態(tài)，有機物質(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(zhù)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)有機物的去除率，進(jìn)而提高水中有機物總的去除率。所以，理論上通過(guò)改善混凝條件(強化混凝)是提高給水處理工程中有機物去除率的可行且有效的途徑?！?/span>
　　強化混凝處理工藝試驗研究較多的是美國，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(lèi)有機物主要通過(guò)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A(yíng)lCl3。Gil Grozes等人對Sacramenta等河水進(jìn)行的強化混凝試驗發(fā)現，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，強化混凝可增加65%的NOM去除率。過(guò)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，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(lèi)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)生對有機質(zhì)具有較好吸附作用的水解產(chǎn)物，也說(shuō)明了水中NOM的混凝去除機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(lái)。F.Julien等人的研究也表明，鐵鹽對NOM的去除效果優(yōu)于鋁鹽，有機物上有一個(gè)或沒(méi)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，且有機物最大去除率并不發(fā)生在ζ電位為0時(shí)。Joseph G.等人對腐殖酸類(lèi)物質(zhì)較多的原水進(jìn)行混凝試驗時(shí)，發(fā)現混凝劑量與TOC去除率關(guān)系曲線(xiàn)上出現突變點(diǎn)，而相對腐殖酸類(lèi)物質(zhì)較少的原水，混凝劑量與TOC去除率關(guān)系曲線(xiàn)比較平緩，這說(shuō)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)主要的有機物去除工藝特征(見(jiàn)表1)，認為強化混凝是去除天然水中有機物較經(jīng)濟、實(shí)用的一種工藝。Eric M.Vrijenhoek等人研究發(fā)現，去除THMS先質(zhì)的最佳pH值為5.5，去除機理可能是：在混凝劑用量低時(shí)，形成金屬—有機物的復合物；而在混凝劑用量較高時(shí)，有機物吸附到金屬氫氧化物上而被去除，腐殖酸類(lèi)成分多的原水，NOM去除率較高。試驗還表明，在低pH條件下能維持原有的濁度去除效果。