關(guān)于常規(guī)凝聚對(duì)有機(jī)物的去除，一般認(rèn)為原水有機(jī)物濃度的升高引起凝聚劑投加量明顯增加〔1～2〕，研究較多的為強(qiáng)化混凝法〔3～4〕。一些研究結(jié)果表明，優(yōu)化混凝條件可將TOC去除率提高到60%以上〔4〕。進(jìn)一步的研究認(rèn)為混凝時(shí)的pH影響最大，當(dāng)pH≥7.0時(shí)有機(jī)物去除主要是金屬氫氧化物吸附的結(jié)果；而當(dāng)pH＜7.0時(shí)則需足夠有效地使凝聚劑與原水迅速接觸，發(fā)生電性中和反應(yīng)〔5～6〕。本文據(jù)此，試驗(yàn)研究了二次凝聚工藝對(duì)原水總有機(jī)碳(TOC)的去除效率。

1　試驗(yàn)

1.1　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用六聯(lián)燒杯攪拌試驗(yàn)裝置。二次凝聚的工藝過(guò)程為：原水→第1次加藥凝聚→ 第2次加藥凝聚→絮凝→沉淀。

1.2　試驗(yàn)原水

試驗(yàn)原水取自江蘇省某市郊區(qū)河流，試驗(yàn)原水水質(zhì)參數(shù)數(shù)值如下：

濁度(NTU) 12～446

TOC(mg/L) 9.3～14.4

堿度(以CaCO3計(jì)mg/L) 92～126

pH 6.78～8.06

溶解氧(mg/L) 2.8～3.1

1.3　試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)分兩部分。

(1)二次加藥凝聚試驗(yàn)；同時(shí)作為對(duì)比，做常規(guī)凝聚試驗(yàn)。比較常規(guī)凝聚與二次凝聚效果。

(2)試驗(yàn)研究二次凝聚沉淀出水比常規(guī)凝聚沉淀出水水質(zhì)優(yōu)的原因。試驗(yàn)采用3種不同水樣，除原水外，另配制2種濁度與原水相同的水樣：①原水；②稀釋水(50%原水+50%配制水)； ③配制水。其中，配制水為蒸餾水+粘土攪拌的懸濁液。分別進(jìn)行3種水樣的常規(guī)凝聚試驗(yàn)和二次凝聚試驗(yàn)。

凝聚劑采用硫酸鋁(化學(xué)純)，分子式為Al2(SO4)3·18H2O。試驗(yàn)采用6種凝聚劑投加量，分別為40 mg/L，50mg/L，60 mg/L，70 mg/L，80 mg/L，90 mg/L。二次凝聚采用與常規(guī)凝聚等量的投加量，每次投加量分別為其1/2。

二次加藥凝聚時(shí)間共為60 s，每次30 s，絮凝與沉淀時(shí)間和為20 min，采樣測(cè)定沉淀出水 TOC和濁度；常規(guī)加藥凝聚時(shí)間為30 s，絮凝與沉淀時(shí)間和為20 min，采樣測(cè)定沉淀出水TOC 和濁度。

1.4　水質(zhì)分析

水質(zhì)測(cè)定項(xiàng)目有：原水TOC、濁度、堿度、pH、溶解氧，混凝沉淀出水TOC、濁度。

2　結(jié)果與討論

2.1　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1.1　TOC去除與加藥量的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1，原水TOC為11.4 mg/L，濁度為139NTU。結(jié)果顯示用二次凝聚比常規(guī)凝聚的沉淀出水TOC有明顯改善。常規(guī)凝聚當(dāng)凝聚劑投加量為50 mg/L時(shí)取得最佳TOC去除效果，當(dāng)投加量繼續(xù)增加時(shí)TOC的去除效果反而下降。而二次凝聚的最佳TOC效果出現(xiàn)于 80 mg/L。兩種試驗(yàn)方式都有最佳效果點(diǎn)的存在，但絕對(duì)去除效果有明顯差別。試驗(yàn)表明原水有機(jī)物的去除率不僅與凝聚劑的投加量密切相關(guān)，也與凝聚方式密切相關(guān)。

2.1.2　濁度去除與加藥量的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2，原水TOC為11.4 mg/L，濁度為139NTU。對(duì)于濁度，常規(guī)凝聚當(dāng)凝聚劑投加量為50 mg/L時(shí)取得最佳凝聚效果，沉淀出水濁度為4.2 NTU。相應(yīng)地，二次凝聚沉淀出水為3.5 NTU。而二次凝聚最佳凝聚效果的投加量為80 mg/L，此時(shí)出水濁度為2.1 NTU 。相應(yīng)的常規(guī)凝聚沉淀出水濁度為10.2 NTU。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，原水TOC的去除與濁度的去除有非常好的相關(guān)性，這是一個(gè)值得關(guān)注的現(xiàn)象，本文將在闡述TOC去除機(jī)理時(shí)解釋這個(gè)現(xiàn)象。盡管加藥量不同，但在絕對(duì)意義上二次凝聚能取得更好的效果。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)凝聚在微觀上存在部分凝聚劑過(guò)量，膠體顆粒再次穩(wěn)定的緣故。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，二次凝聚對(duì)濁度的去除效果明顯高于常規(guī)凝聚。比較試驗(yàn)結(jié)果有兩個(gè)特征：①二次凝聚沉淀出水的濁度曲線基本上處于常規(guī)凝聚下方；② 二次凝聚最佳加藥量范圍明顯寬于常規(guī)凝聚。

2.1.3　凝聚方式對(duì)TOC去除效果的影響

第二部分試驗(yàn)的目的在于確定二次凝聚法去除有機(jī)物效果的改善是否由于二次凝聚方式有利于去除原水有機(jī)物，以及常規(guī)凝聚效果差的原因是否由于原水有機(jī)物引起。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 3，圖4。試驗(yàn)的原水濁度與另2種水樣濁度同為127 NTU，而TOC分別為11.2mg/L，5.6 mg/L，0mg/L。從試驗(yàn)結(jié)果看，由于3種水樣的有機(jī)物(TOC)含量不同，經(jīng)混凝試驗(yàn)后其沉淀出水TOC也明顯不同。常規(guī)凝聚工藝的原水有機(jī)物去除率較低，而二次凝聚法確有比常規(guī)凝聚法優(yōu)越的去除原水有機(jī)物(TOC)的功能。

2.2　二次凝聚機(jī)理分析

通常原水中的膠體雜質(zhì)為無(wú)機(jī)類如粘土，有機(jī)類如腐殖質(zhì)、細(xì)菌、病毒、藻類等。原水有機(jī)物(NOM)在水中存在的形式有3種，即顆粒的、膠體的和溶解的。顆粒有機(jī)物包括有機(jī)殘?jiān)臀⑸铮c水中的其它濁度物質(zhì)一樣能通過(guò)混凝、沉淀而被容易地去除。關(guān)于膠體有機(jī)物質(zhì)的粒徑范圍目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。一般認(rèn)為溶解性有機(jī)物粒徑小于0.45 μm。膠體有機(jī)物與溶解性有機(jī)物的區(qū)別是，膠體有機(jī)物能通過(guò)電性中和脫穩(wěn)凝聚，而溶解有機(jī)物則不能。大部分溶解性有機(jī)高分子物質(zhì)通常被認(rèn)為是一些水生腐殖質(zhì)(AHSs)。在原水中一般顆粒性的有機(jī)物很少，以溶解性有機(jī)物為主〔3〕。

在常規(guī)凝聚法中可用沉淀和共沉淀原理解釋原水有機(jī)物去除過(guò)程。它們的本質(zhì)區(qū)別在于沉淀作用時(shí)水中溶解性有機(jī)顆粒已轉(zhuǎn)化為結(jié)晶顆粒，而共沉淀作用時(shí)水中有機(jī)物呈溶解狀態(tài)。

原水經(jīng)過(guò)加藥快速混合后，部分溶解性有機(jī)物被吸附到凝聚劑水解產(chǎn)物表面，成為顆粒性有機(jī)物。這個(gè)特征對(duì)于解釋二次凝聚的作用機(jī)理是重要的。

設(shè)Al2(SO4)3·18H2O溶于水后立即可離解出〔Al(H2O)6〕3+的水合形態(tài)。在一定條件下，〔Al(H2O)6〕3+經(jīng)過(guò)水解、聚合或配位反應(yīng)可形成多種形態(tài)的配合物或聚合物以及Al(OH)3。因試驗(yàn)中原水pH=7.5，故水解產(chǎn)物以Al(OH)3為主。假定Al3+水解為Al(OH)3膠體，在非理想混合條件下，帶正電荷的鋁鹽水解溶膠并不立即與疏水性的有機(jī)類物質(zhì)反應(yīng)。在常規(guī)凝聚工藝中，無(wú)機(jī)物的負(fù)電基團(tuán)-COO-和有機(jī)物的負(fù)電基團(tuán)-COO-都同時(shí)與Al(OH)3發(fā)生反應(yīng)，但有研究認(rèn)為，有機(jī)物與Al(OH)3結(jié)合的速度較無(wú)機(jī)物快〔5〕。如此就造成了有機(jī)物分子吸附到光滑的氫氧化鋁表面，由于有機(jī)物的負(fù)電基團(tuán)-COO-數(shù)較大，所以在發(fā)生電中和作用后又產(chǎn)生空間穩(wěn)定作用。此時(shí)即發(fā)生了氫氧化鋁的再穩(wěn)現(xiàn)象。由于凝聚劑的投加是充分的，所以與此同時(shí)無(wú)機(jī)物顆粒與Al3+水解物的電中和依然發(fā)生。但由于再穩(wěn)的氫氧化鋁膠體的存在，有效地阻止了已脫穩(wěn)的無(wú)機(jī)物顆粒的進(jìn)一步凝聚，導(dǎo)致大量小而穩(wěn)定的、難以沉淀的微絮體存在。這些現(xiàn)象的發(fā)生，在相當(dāng)程度上降低了吸附架橋、網(wǎng)捕機(jī)理的有效性。國(guó)外亦有在混凝出水中觀察到再穩(wěn)膠體中含有原水有機(jī)物的文獻(xiàn)報(bào)道〔7〕。

在此基礎(chǔ)上分析，第一次凝聚生成的再穩(wěn)有機(jī)物膠體必然在第二次凝聚時(shí)將再度脫穩(wěn)，此時(shí)因吸附有機(jī)物的絮凝顆粒已處于電中性且無(wú)多余有機(jī)物負(fù)電基團(tuán)存在，故微小顆粒能凝聚到一定尺寸，同時(shí)無(wú)機(jī)性的微絮體在無(wú)再穩(wěn)的有機(jī)膠體干擾下發(fā)生更有效的吸附架橋及網(wǎng)捕作用。由此可見(jiàn)，在常規(guī)凝聚工藝中原水有機(jī)物的存在對(duì)顆粒無(wú)機(jī)物的凝聚產(chǎn)生拮抗作用。而通過(guò)二次凝聚既能降低凝聚沉淀出水濁度。又能提高對(duì)原水有機(jī)物的去除率。這說(shuō)明了第二次凝聚的必要性，也顯示了二次凝聚工藝的合理性。同時(shí)也說(shuō)明了第三次凝聚已無(wú)必要。

進(jìn)一步解釋試驗(yàn)結(jié)果，可分析出原水有機(jī)物從溶解性轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒性的過(guò)程，但這種轉(zhuǎn)變不是傳統(tǒng)意義上的。事實(shí)上，原水有機(jī)物在二次凝聚步驟里依然分為溶解性的和顆粒性的有機(jī)物。原水里顆粒性的有機(jī)物含量是可以忽略不計(jì)的，但在快速混合后顆粒性有機(jī)物含量立即變得重要起來(lái)，因?yàn)椴糠秩芙庑缘挠袡C(jī)物吸附在氫氧化鋁顆粒表面，使得顆粒性的有機(jī)物分?jǐn)?shù)變大。第二次凝聚不增加顆粒性的有機(jī)物分?jǐn)?shù)，但在這里由于吸附架橋和網(wǎng)捕作用能將顆粒性的有機(jī)物幾乎去除。顯然，為取得較高的有機(jī)物去除率，必須在第一次凝聚里投加足夠量的凝聚劑為有機(jī)物提供足夠的金屬氫氧化物表面。

3　結(jié)論

1)二次凝聚工藝比常規(guī)混凝工藝具有明顯優(yōu)勢(shì)。當(dāng)采用二次凝聚工藝時(shí)，TOC去除率可提高30%以上，試驗(yàn)沉淀出水濁度可降低2.0 NTU。

(2)在二次凝聚工藝中原水有機(jī)物的去除是分兩步完成的。原水有機(jī)物的存在對(duì)無(wú)機(jī)物顆粒的凝聚起拮抗作用。

(3)對(duì)受輕度有機(jī)物污染的原水，二次凝聚工藝能顯著地改善水處理能力。

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