微污染水源强化混凝水处理技术研究进展
史如萃
(天津市市政工程设计研究院，天津300051)
摘要：对微污染水源的强化混凝水处理技术进行系统的介绍。详细阐述强化混凝的主要影响因素，如混凝剂种类及投加量、pH值、温度、碱度和原水水质等，同时介绍了几种常用的强化混凝方法，并对该技术在微污染水源水处理中的应用予以展望和提出建议。
关键词：微污染；强化混凝；粉末活性炭(PAC)；高锰酸钾复合药剂(PPC)
水源地饮用水污染对给水工程造成了各种损失，给传统净水工艺提出了挑战。微污染水源指的是水体的物理、化学或微生物指标已不能达到《地表水环境质量标准》中作为生活饮用水源水的水质要求，但通过特殊工艺处理后尚可使用的原水。水源水质的恶化，一方面势必额外地投加大量的混凝剂，使制水成本大大增加；另一方面水中藻类过避繁殖，使给水产生一定的色度和臭味，水源水的污染加剧了水资源的危机。此外，由于水源中污染物质的存在，对人类的健康有很大的影响，而靠国内目前普遍使用的常规净化工艺又很难去除掉，尤其是有机物，结果致使城市居民不得不长期饮用这种不安全的水，因而选择一种适合的微污染水源水处理技术方案引起人们的高度重视。
1 强化混凝内涵
强化混凝是给水常规处理中非常关键的环节，通过强化混凝，可去除原水中绝大部分的浊度、色度，提高常规混凝法处理中天然有机物(NOM)去除效果，最大限度地去除消毒副产物前驱物(DBPFP)等有机物。它是为提高常规混凝效果，通过增加混凝剂的投加量、改变混凝剂的匹配或调整pH值，保证浊度去除率的同时提高水中有机物去除率所采取的措施。广义上说，可通过改善混凝条件提高出水水质。一般认为，混凝过程是混凝剂水解产物对水中胶体进行压缩双电层和吸附电中和使其脱稳，从而形成细小的颗粒，继而絮凝为大而密实的矾花，并通过吸附架桥或网捕作用使脱稳的胶体生成粒度较大的絮凝体，再通过沉淀和过滤进行分离去除。而水中分子质量较小、溶解度较大的有机物在一般混凝条件下去除率很低，主要原因是由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，有机物不fEl增加r胶体表面电荷，而且造成空间位阻效应。但是，如果通过改善混凝处理条件，即在低pH值、高混凝剂用量的强化混凝条件下形成大量金属氢氧化物，改善混凝剂水解产物的形态且使其正电荷密度上升，同时低pH值条件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，电荷密度降低，进而降低起溶解度及亲水性，成为较易被吸附的形态。
Randtke认为强化混凝去除有机物的机理主要包括胶体状天然有机物(NOM)的电中和作用，腐殖酸和富里酸聚合体的沉淀作用，以及吸附于金属氢氧化物表面上的共沉淀作用。水中溶解性的有机物而言，依靠后一种作用即吸附于混凝剂的金属沉淀物上而去除。美国环保局认为，强化混凝是达到饮用水消毒／消毒副产物(D／DBP)条件第一实施阶段，控制饮用水中NOM的最佳方法之一，并通过了消毒剂／消毒副产物(D／DBP)法规，要求“给水进行强化絮凝处理”。
2强化混凝影响因素
天然有机物的混凝主要依靠压缩双电层、电性中和、吸附架桥以及混凝剂沉淀物的网捕卷扫等。强化混凝去除天然有机物，其去除率的大小受混凝剂的种类和性质、混凝剂的投加量、pH值、碱度以及原水水质等因素的影响。
2．1 混凝剂种类的影响
对于不同的水质，混凝剂的选择有所不同，但是总体上来说无机(铁盐及铝盐)混凝剂对TOC去除效果比有机絮凝剂好，这是因为有机阳离子高分子絮凝剂在天然水混凝过程中，只能产生电中和作用并参与腐殖酸和富里酸的沉淀，不能吸附有机物；而铝盐和铁盐不但可以起电中和作用使胶粒脱稳形成腐殖酸和富里酸的铝、铁聚合物以利于沉淀去除，而且还能在形成的金属氢氧化物的表面提供强烈的吸附作用，同时还有网捕作用。高分子絮凝剂有很好的助凝效果，目前广泛应用的是聚丙烯酰胺类絮凝剂。近年来，由于生物技术的迅猛发展，微生物絮凝剂以其无毒、可生物降解、无二次污染等独特的性质，越来越受到人们的广泛关注，在给水处理工艺中展示了良好的应用前景。
2．2混凝剂投加量的影响
徐勇鹏等通过一些对比实验，探讨混凝剂量对有机物去除的影响。分别对不同原水浊度下不同有机物含量的水样进行实验的结果表明，随着混凝剂投加量的增加，浊度、CODMn、uV254的去除率也随之相应地提高。当浊度的去除率达最大值80％时，随着混凝剂投加量的继续增加，CODMn、uV254的去除率仍有提高，这是因为混凝剂水解形成的缩聚产物如[AIn(H2O)m(OH)3n]的巨大的超吸附作用发生共沉淀的效果。随着投药量的继续增加，已被中和的带负电的胶体离子可能重新因吸附作用而带正电，并重新获得稳定，混凝效果减弱，从而表现为CODMn、uV254的去除率提高变得缓慢。
适量增加混凝剂的投加量能有效提高浊度、有机物的去除，并且去除有机物的投药量高于除浊的投药量。当然也不能一味地增加混凝剂的投药量，过高量会引起胶体重新稳定，并且易产生大量的污泥，造成二次污染。合适的投量应该根据水源水质特点和处理后水质要求来确定。
2．3 pH值对混凝的影响
水温恒定时，pH值是影响混凝的最重要因素之一，每种混凝剂因其自身特性通常具有自己最佳的pH值范围。浊度和有机物最佳去除的pH值范围并不吻合。随着pH值由小变大，通常在pH值在5．0～6．0之间时，有机物的去除效果最好，这是因为铝盐、铁盐在此条件下水解产物带较高正电荷，而富里酸和腐殖酸等溶解性有机物带过量负电荷，因此在此pH值内电性中和作用比较明显。
pH值对混凝效果的影响主要是因为它影响混凝剂水解速度、产物的存在形态与性能。以铝盐为例，铝盐水解过程中所生成的A1(OH)3胶体物质是典型的两性化合物，当它离解时，既能生成带正电的阳离子，也能生成带负电的阴离子，混凝中负电性土壤胶体的脱稳凝聚需要大量正电荷混凝剂，当pH>8．5时，Al(OH)3离解生成铝酸盐，使AI(OH)3胶体带负电；当pH<5时，铝在水中的存在状态主要是AI3+、A1(OH)2+，而Al(OH)3数量很低。铁盐水解产物溶解度极低，pH值对铁盐混凝剂的影响
较小，只有在pH<3时铁盐的水解才受到抑制，或在碱性很强的情况下，才有可能重新溶解。
大量研究表明，较低的pH<3值更加有利于混凝去除水中天然有机物，原因可能是腐殖酸的最大吸附发生在pH值较低时，这时它的‘电位接近于零，更容易粘附到絮体颗粒上而得到去除。随着pH值的升高，吸附率逐渐降低。
2．4温度对混凝的影响
低温对常规混凝具有负面的影响作用。有研究显示，低温并不影响TOC的去除，但是对分子量小于1000的低分子量有机物和色度起负面影响。温度的影响是复杂的，低温可能造成水的粘度上升，阻碍混凝剂的扩散和絮体沉降，而且可以影响水解动力学平衡，影响金属氢氧化物的形成。另外，温度影响水的离子积常数，降低离子积常数，从而降低水中氢氧根离子的浓度。
同时，低温可能造成形成的絮体密实度降低，絮体较小，导致分离效果差。
2．5碱度及原水水质对混凝的影响
给水中的大量总有机碳(TOC)通常源于水源中腐殖质，一般只有小于10％的部分是合成有机化合物。这些有机物的含量与加氯后形成的氯化有机物之间呈正相相关关系，即TOC含量高时，三卤甲烷总生成量也相应增多。因此，可用TOC去除率来衡量DBP前驱物质的去除效率。
研究表明，若原水的TOC越高、碱度越低，所要求的TOC的去除率就越高，需要投加的混凝剂量就相对较大，反之则要求TOC去除率较低，混凝剂投加量相对较小。
3强化混凝的主要措施
3．1 增加混凝剂投加量
通过增加混凝剂投量，使有机物的水化壳压缩，水解的阳离子与有机物阴离子电中和，消除有机物对无机胶体的影响，从而使无机胶体脱稳。不同水质对混凝剂用量的要求不同，混凝剂对水中大分子有机物(uV擞值较大)和憎水性有机物有较好效果。
3．2调整pH值
当原水pH值较高时，可通过加酸来降低pH值。pH值为5．0～6．0之间时，有利于形成腐殖酸、富里酸的聚合物，有机物的去除效果较好。一般在混凝剂投加前加酸，以促使混凝剂水解形成高价正电荷。
3．3投加高锰酸钾复合药剂(PPC)
高锰酸钾复合药剂(PPC)是以高锰酸钾为主剂的一种复合型药剂，因此水中含有有机物等污染成分时，PPC可发挥其较强的氧化作用，将一部分有机物氧化破坏，从而降低后续处理的有机负荷。
不同季节、不同污染水体的实验室研究和生产性试验研究证明了PPC在以下几方面具有非常好的处理效果旧4J：
(1)去除浊度、藻类、臭味方面；
(2)去除水中的微量有机污染物和致突变活性物质；
(3)适应不同污染水体和不同温度(尤其是低温低浊水方面)；
(4)取代预氯化助凝等方面。投加PPC的同时，还可以降低
混凝剂用量，从而减少了污泥产量。
张锦对某富营养化严重的湖泊水进行的试验研究表明，PPC预处理对含藻水具有较高的强化净水作用。它能明显降低出水中的藻，对藻类引起的臭味及有机污染物更具有显著的强化去除效果，强化效果远远高于高锰酸钾，更好于单纯混凝。
刘伟等对有机物含量较高的水库水进行高铁酸钾预氧化强化混凝试验研究表明，少量的高铁酸钾(0．5一1．0 mg／L)预氧化即可显著提高混凝效果，出水浊度明显下降。水中色度、uv254和氯仿生成量等有机物综合指标均随着高铁酸钾投超的增加呈明显下降趋势。与此同时，水中铁、锰浓度也显著降低。
3．4投加粉末活性炭(PAC)
PAC不但可以去除水中的臭味，还可以去除水中的色度、酚类等有机物，同时有助凝作用。有研究表明。投加粉末活性炭，可以节省1／3的混凝剂。但是，PAC应用于微污染水源水处理需注意投加点的选择、考虑PAC自凝聚作用等问题。正确的投加点可解决混凝去除有机污染物与PAC吸附去除有机污染物的竞争问题，PAC最优投加点应使这种竞争降至最低程度，还应保证足够的炭水接触时间，应根据具体情况通过试验决定。此外，由于颗粒的分散程度取决于自凝聚和水力搅拌强度，并将直接影响吸附效果。PAC直接投入水中后，因自凝聚作用而形成较大团块，而采用强制分散技术，PAC颗粒分散程度叮大大提高。PAC应用于微污染水源水处理的特点：
(1)使用灵活，可以根据水体的污染状况确定粉末活性炭的投量，对季节性污染水体，可仅在污染严重时投加PAC；
(2)具有巨大活性比表面积，PAC的吸附速度快；
(3)可以提高矾花的沉淀性能。
4建议及展望
强化混凝是适合我国国情的微污染水源水处理技术的一个主要技术选择方案和重要发展方向。
(1)强化混凝通过对药剂的匹配改善和混凝工艺的优化，增大絮体对水中超微颗粒的碰撞、吸附和脱除作用，降低出水浊度，提高对有机物的去除率。这是一种不需大资金投入便可解决水源水微污染问题的处理技术，为保护人类饮水安全，解决水质性缺水问题，促进社会进步发挥作用。
(2)强化混凝可以提高水中天然有机物的去除效率，但同时也带来一些问题：混凝剂的投加量增加，污泥产量增加；原有混凝剂的储存和投加装置的规模可能不能满足新的要求；在强化混凝条件下町能达不到最优浊度去除效果；强化混凝会因为化学药剂消耗量的增加和最终pH值的调节等问题导致水处理成本的增加。
(3)研制生产专用的絮凝剂并兼顾发展系列化的品种。对不同的水温、不同的pH值、不同的悬浮物和溶解物种类，应使用最适合的絮凝剂，这就要求有不同的絮凝剂，并应定向合成专门的絮凝剂，使产销更对路。原料易得、生产工艺更简单、操作使用更方便、成本更低的絮凝剂，才有市场竞争力。
(4)推广强化混凝技术，加强处理工艺和工程的研究。絮凝剂的使用方法、用量与效果存在密切的关系，微量的絮凝剂与大虽的水体相混合并非易事。因此，我们必须根据具体情况，采用新技术，在处理工艺上下功夫，力求取得最佳的絮凝效果。