强化混凝控制有机物和残余铝的试验研究*

卓文珊，张丽娟，刘祖发，蔡斯龙，苏翠明，戴博闻，姚 远，刘 宇

(中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 510275)

随着工业污染和水土流失加剧，水源水中有机物含量逐渐提高，成分也越来越复杂，水源水体被污染的程度更加严重,使饮用水安全问题一直处于非常突出的位置。在饮用水预氯化和消毒时，氯与水中天然有机物(NOM)，如腐殖酸(HA)等发生反应，产生三卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAA5)等消毒副产物(DBPs)[1]，这些化合物多是致癌物和诱变剂[2-3]。新的饮用水标准对THMs和 HAA5的标准都有所提高，在这种背景之下，如何在投加消毒剂之前去除NOM以降低出厂水的DBPs浓度成为研究的重点课题。

强化混凝是美国环境保护局(USEPA)推荐去除NOM的最佳方法[4-5]。这种方法是通过增加混凝剂的投药量或调整pH值，来提高常规水处理中NOM的去除效果，最大限度去除消毒副产物的前驱物质(DBPFP)，保证消毒副产物符合饮用水标准。强化混凝能够利用已有构筑物和设备，最大限度地发挥现有工艺处理效果，去除原水中绝大部分浊度物质和大部分有机物，是适合我国国情的处理微污染水源水最经济、最实效的手段。

强化混凝技术通常通过增大铝盐混凝剂投药量来去除NOM，水中的残余铝含量有增高的风险。铝是慢性蓄积性低毒金属，过量的溶解铝对人体健康有严重危害。有调查结果表明：以铝的质量浓度不超过0.2 mg/L为标准，所调查的全国40座城市中有32.5％的城市饮用水铝浓度超标[6]。同时，我国的铝浓度控制指标还远低于美国和欧共体通行的0.05 mg/L铝含量，因此，用强化混凝去除腐殖酸的同时满足残余铝含量较低是我们研究的主要目的。

1 材料与方法

自然水体所含的天然有机物种类繁多，有机物含量随季节和水体环境而变化。腐殖酸类物质是其主要成分之一，它是一类高分子非均一的复杂的芳香族多羟基羧基物质。为了保持实验的稳定和一致性，实验采用有机物种类丰富的农业级腐殖酸来配置水样，也就是模拟自然水样进行强化混凝效果研究。

1.1 实验水样

将干燥的腐殖酸碾磨成微细粉末，称取定量腐殖酸粉末，加入NaOH溶液不断搅拌使之溶解，并调节pH值至12后过滤备用，实验时取一定量的溶液用滤后自来水稀释，配成TOC浓度为10 mg/L的水样。

1.2 实验方法

以Al2(SO4)3作为混凝剂，用一定的搅拌程序对水样进行混凝，沉淀后取上清液测浊度，滤后测残余铝，UV-254，TOC。

1.3 分析方法

采用铬天青分光光度法测定残余铝，用分光光度法测定UV-254，用总有机碳仪测定TOC，pH用pH-3C型酸度计测定，浊度用浊度仪测定。

1.4 实验仪器

岛津TOC-vcph总有机碳仪、752型紫外分光光度计、六联程控混凝搅拌仪、雷磁pH-3c 酸度计、哈希2100N浊度仪。

2 结果与讨论

强化混凝去除有机物的效果受很多因素的影响，主要包括有机物种类的组成和含量、混凝剂的种类和投加量、搅拌强度、pH值、水源水中的金属离子种类等。UV-254被普遍认为是多环芳香类的腐殖酸所特有的表征[7]，其在一般混凝条件下去除率很低，主要在于其具有良好的亲水性而不易被混凝剂的水解产物金属氢氧化物所吸附。在高混凝剂用量的强化混凝条件下，形成大量金属氢氧化物可以改善混凝剂水解产物的形态且使其正电荷密度上升。同时pH值条件改变会影响有机物离解度和改变水中有机物存在形态，有机物质子化程度提高，降低其溶解度及亲水性，成为较易被吸附的形态，被吸附到金属氢氧化物颗粒上共沉淀，进而提高有机物的去除率。金鹏康等[8]通过图像法观察了腐殖酸絮凝体形态，研究了混凝过程中不同化学条件下絮凝体分形维数的变化规律。在pH=5附近，吸附电中和是腐殖酸混凝的主要机理，而在pH=7附近，网扫絮凝起主要作用。

2.1 水力条件对强化混凝效果的影响

1-6号水样按表1的搅拌程序进行混凝，投药量为0.10 mmol/L，调节水样pH为7.8(模拟南方天然水体PH值)，对0号水样投药但不进行混凝。结果见图1，混凝沉淀后的各项水质指标包括浊度、UV-254和TOC与0号水样比较均有了很大的改善。水样的浊度降低77.8％～87.4％，TOC去除率达86.9％～89.9％，具有较好的处理效果。1-6号水样间进行横向比较可以发现浊度、TOC和UV-254差别并不大，说明只要经过一定时间的快速混合阶段和慢速的反应阶段，都可以取得不错的混凝效果。5号水样无论是浊度还是TOC去除率都是最高，即对应的搅拌程序是去除有机物效果最佳的水力条件。

图1 不同水力条件下浊度、TOC、UV254的变化

表1 水力搅拌程序

从图2可以看出，混凝沉淀后水样中的残余铝均大幅降低，除了1号水样的残余铝为0.15比较高外，其它的均从原来的0.22降低到0.1左右，其中5、6号水样的残余铝较低。

综上分析， 5号水样的浊度、TOC具有最为显著的降低，同时残余铝含量也较少，因此确定该水样的搅拌程序为最适宜搅拌条件。

图2 不同水力条件下残余铝的变化

图3 不同投药量浊度、TOC、UV254的变化

2.2 混凝剂投加量对强化混凝效果的影响

调节水样pH为7.8，比较投加不同剂量的Al2(SO4)3对混凝效果的影响。结果如图3所示，可以看出， UV254与TOC的变化规律比较一致，Al2(SO4)3投加量在小于0.1 mmol/L时，两者均随混凝剂量的增加而显著降低，但当Al2(SO4)3投加量大于0.05 mmol/L后，下降的速度明显变缓，投加量大于0.20 mmol/L时，基本上就变化很小了。由于去除机理主要是吸附电中和，过量的投加混凝剂对于混凝效果作用不大。浊度在投加量为0.20 mmol/L时最低，而后随着投加量的增加又略有升高。可能是Al2(SO4)3投加量过大时，胶体表面的zeta点位发生逆转，造成胶体粒子间产生较大的静电斥力，未能充分混凝凝聚，导致水体浊度有所增加。

从图4可以看出，0.05 mmol/L投药量下，水样残余铝甚至大于零投药量的水样，可能是Al2(SO4)3投药量过小，没有有效沉淀，导致残余铝含量高于空白水样。投药量大于0.05 mmol/L后，残余铝浓度随Al2(SO4)3投加量的增加而降低，在 0.3 mmol/L时，残余铝量甚至只有0.07 mg/L，之后残余铝的含量又略有提高。这是因为在混凝沉淀过程中，随着Al2(SO4)3投加量的增加，混凝剂的有效利用率降低，有机物胶体粒子及其他悬浮颗粒的混凝效果变差，混凝剂本身所带的铝未被充分利用，Al就会以离子状态存在于溶液中，导致残留铝浓度增加[9]。

在选择混凝剂最佳投加量时，应该综合考虑，不能纯粹地为了降低有机物而无限制地提高混凝剂投加量，而应该兼顾残余铝带来的影响。根据这个原则，当混凝剂投加量为0.3 mmol/L，有机物去除效果较好且残余铝的含量处于较低状态，可作为强化混凝的最佳投药量。

2.3 pH值对混凝效果的影响

实验初期探索pH值变化的影响时，发现当pH值低于6.0时，残余铝含量严重超标，故后续实验将pH范围调整为6.5～9.0。调节原水样的pH为7.8，不进行混凝搅拌，其它水样的pH值调节为6.5、7.0、7.5、8.0、8.5和9.0。

由图5可知，混凝水样的各项指标与原水样差异显著，表现出明显的降低效果。UV254在各水样间的差异非常小，说明PH变化对它所对应的腐殖酸类物质的影响几乎不存在。图6是混凝后水样的pH值，虽然混凝前pH在6.5～9.0均匀分布，但混凝后pH值差异并不大。除了pH 为8.0的水样混凝后为6.08外，其余5个水样pH均在6.9-7.0之间。这也许就是UV254所对应的物质含量变化不大的原因。混凝水样之间的浊度值的差异很小，TOC的变化与UV254出现不吻合的现象， pH7.0和8.0水样的TOC去除效果比较好，在7.5时TOC明显大于其他水样。由于TOC能反映的物质比UV254更宽泛，所以pH7.5可能是UV254所代表的除了特定腐殖酸物质以外的其他有机物质最活跃的酸碱度。

图4 残余铝含量随混凝剂投加量增加的变化情况

图5 不同pH值条件下浊度、TOC、UV254的变化

图6 水样强化混凝后pH值变化

图7 不同pH值条件下强化混凝水样残余铝变化

图7显示在弱酸性和中性时，残余铝去除效果较差。随着pH值的增大残余铝显著降低，在pH为8.0～8.5时达到最低点，之后又缓慢回升。这个结果与王志红等[10]的结论一致，即残余铝先是随pH值的增加而减少，当pH值增加到一定值后，残余铝反而随pH值的增加而增加，存在一个最优pH值使残余铝最低。

综合考虑浊度、UV254、TOC、残余铝的去除效果，选择pH8.0的水样为强化混凝效果最优水样。

3 结 论

1)强化混凝技术能有效去除给水中的有机物，并且控制残余铝含量在国家标准(0.2 mg/L)范围内。在这个过程中，搅拌条件、混凝剂投加量和pH值对强化混凝效果有显著的影响。TOC随Al2(SO4)3投加量的增加而显著降低，投加量大于0.2 mmol/L后，去除率基本保持稳定。在pH值为8.0时残余铝含量达到最低。本研究是在确定的原水水质和已有的饮用水水质标准的情况下,采用合适的混凝剂、最适的混凝剂投量和混凝条件对模拟水进行处理,使出水达到饮用水水质标准。整个混凝过程主要通过污染物的去除率来表示。今后必须对污染物在混凝过程中的混凝行为及其去除过程进行深入研究以推动混凝机理更有效的向前发展。

2)实验研究表明，在20 ℃时，调节pH值为8.0，Al2(SO4)3的投加量为0.3 mmol/L(以铝离子浓度计算)，以50 r/min 的转速预搅拌30秒、以250 r/min快搅 1 min 后，以 40 r/min 的转速慢搅 16 min并静置沉降 30 min 的搅拌条件下，可控制给水中剩余腐植酸的TOC在1.4 mg/L左右，并且使残余铝含量在0.05 mg/L以下，达到较大的有机物去除和较少的铝残留。但水源水的复杂性决定了的强化混凝过程的复杂性。如何确保强化混凝去除天然有机物的处理效果，是一个系统的工程。需要考虑有机物的种类、浓度、水质变化及其它污染物的影响,混凝剂、投加量以及投加顺序，饮用水水质标准，混凝条件，如 pH 值、水温、混合反应条件等等，这些都需要以后进行更多的试验探索。

参考文献：

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[10]王志红,崔福义.水厂残余铝的影响因素试验研究[J].水处理技术,2004，30(2)：110-112