强化混凝技术现状及展望

    康　健　洪　军

    摘要：我国对于饮用水的标准日益提高，常规混凝技术已不能满足饮用水安全标准，需对现有技术做一定的改进。强化混凝技术能够在现有混凝设备的基础上提高处理水出水水质，有效地缓解新标准下的供水压力。本文详细介绍了强化混凝技术的分类以及影响强化混凝技术的因素，并对其发展方向提出一些建议。

    关键词：强化混凝；饮用水；分类；影响因素

    1 引言

    随着水环境污染的加剧和水质标准的提高，常规混凝技术显然已经不能很好满足人们对水质安全的要求，尤其由于工农业生产的高速发展，而环保力度普遍不足，水安全问题在近些年来日渐突出，如何保护水源，发展、完善水安全保障技术变得十分迫切，而强化混凝能够在现有的水处理工艺设施基础上进行改进与提高的同时，兼顾前后续工艺流程的运行工况使废水达到深度处理的效果，因此研究这一技术可有效地缓解供水压力，并进一步促进完善我国的水处理工艺技术，推动我国水工业的发展[1][2]。强化混凝的概念由来已久。早在1965年美国AWWA会刊的一篇论文中对此就已有所论述[3]。强化混凝是指在混凝处理中投加过量的混凝剂、新型混凝剂或助凝剂、或者是其他的药剂，通过加强混凝与絮凝作用，使常规处理工艺尽可能多地去除水中的有机物和消毒副产物的前体（主要指腐殖酸、富里酸等有机物）。混凝强化主要通过对混凝剂的筛选优化、混凝剂剂量与混凝反应过程以及反应pH条件的控制来实现[4]。

    2 强化混凝技术分类

    混凝剂的筛选优化

    投入水中后能够产生絮状物，经过凝结、聚集，使水得到净化的药剂称为混凝剂。1960年代以前为第一代混凝剂，如硫酸铝、氯化铁；1960年代初开发出无机高分子混凝剂（IPF），其后又研制出有机高分子混凝剂；1980年代以后除开发出复合高分子混凝剂以外，还研制出多种有机高分子混凝剂和生物混凝剂。

    无机混凝剂具有无毒（或低毒）、价廉、原料易得等多方面的优点，在混凝技术中占据极其重要的地位，一直得到广泛的应用。主要分为铁类（主要包括硫酸亚铁、氯化铁、聚合硫酸铁、聚合三氯化铁等）和铝类（主要包括硫酸铝、硫酸铝铵、聚合氯化铝、聚合硫酸铝和聚磷氯化铝）。然而，由于混凝工艺中处理对象的复杂性与多变性、混凝过程中各种物理化学乃至生物过程的混杂性，对无机混凝剂的研究、生产及应用带来极大的困难。与此同时，受基础研究缺乏的制约，使无机混凝剂向更高阶段的发展面临着较大的影响。在环境污染、水源污染日趋严重，水质标准不断提高的今天，对水处理混凝剂的研究与开发提出了更高的要求。近年来, 随着环境污染治理力度加大, 为适合各类水质净化处理需求, 人们加大了对复合型絮凝剂方面的研究力度。我国也先后研制开发了聚合铝铁、铝硅、硅铝、硅铁以及聚合铝/铁与活性致浊物质和有机高分子絮凝剂等系列复合絮凝剂。并在聚合铝/铁的生产基础上, 通过复配工艺, 生产聚合铝硅和聚合铝铁等多品种复合型无机高分子絮凝劑[5]。

    随着混凝剂作用机理的深入研究，尤其是混凝剂投加后的形态转化规律得到逐步明确，对于既定水系和水质条件（包括如预氧化、预加酸碱等前处理过程所引起的水质变化），如何明确不同形态、粒度大小、荷电特性所相对应的混凝作用机制，进行混凝剂剂的优化与选择显得十分重要。根据水体颗粒物，有机污染物等不同的水质目标，优化筛选高效混凝剂，确立最佳工艺去除目标。

    混凝剂剂量与混凝反应过程

    混凝过程是一集众多复杂物理化学乃至生物反应于一体的综合过程，在既定条件下，包括诸如水溶液化学、水力学、不断形成与转化的絮体之间或碰撞或黏附或剪切等物理作用及其微界面物理化学过程等[6]。混凝技术的高效性取决于高效混凝剂、与之相匹配的高效反应器、高效经济的自动投药技术与原水水质化学性质等多方面的因素。对于一个既定的水质体系，在水质特征与变化规律研究基础上，如何进行混凝过程的优化以及各单元技术之间系统性的优化集成，形成优化混凝集成技术系统，成为现代混凝技术研究的前沿热点问题。优化混凝集成技术的基本点是在原水水质变化特征基础上，进行混凝剂的优化选择、混凝过程与反应器的高效适配以及自动监控技术的最优系统集成，也既FRD系统。其基本原理在于高效的混凝剂需要与之相适应的高效反应器，同时匹配以反应过程的自动监控与投药控制的自动化，达到最大化地去除污染物和优化最终水处理成本。

    3 强化混凝的影响因素

    混凝剂类型的影响作用

    关于混凝剂类型对强化混凝影响的报道差别较大，有些报道认为铁盐混凝剂的TOC去除效果好于铝盐，有些则相反；但是总体而言，无机混凝剂的效果要好于有机合成混凝剂。造成不同效果的主要可能原因之一在于水温的影响作用，以及有机物的特殊化学组成与分布特征。另外，对于混凝剂形态组成的影响作用从物理、化学特征加以分析研究的工作仍然需要加强。

    混凝剂投加量的影响作用

    强化混凝的最初想法就是较单独除浊时投加更多的混凝剂以达到降低TOC的目的。但是有些报道指出，如果调整到最优pH值，强化混凝的混凝剂投加量可以接近常规混凝的投加量。

    pH值对强化混凝的影响作用

    一些研究认为对于混凝过程中有机物的去除而言，混凝过程中pH值比混凝剂的投加量影响更大，是有机物去除的决定性因素。对于铝混凝剂而言，最适于有机物去除的pH值在5.5~6.5之间。一般而言，尽管较低的pH值有利于有机物的去除，但是在实际操作中，混凝剂的类型、投加量、pH值都必须同时考虑。

    温度对强化混凝的影响作用

    低温对于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，但是对于分子量小于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提高，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的浓度。同时，低温可能造成形成的絮体密实度较低、絮体较小，导致分离效果差。需要指出的是，对于TOC去除过程的研究通常采用滤膜过滤加以表征，从而一定程度上掩盖了不同条件下形成絮体的颗粒粒度分布以及絮体结构、沉降性能之间的差异。

    4 展望

    通过对典型水源以及结合不同水司对强化混凝的研究，吸取国外相关研究的经验教训，提出我国强化混凝与优化混凝的国家目标与切实可行的方案。因此，提出优化混凝（或强化混凝）的四个阶段措施：

    水质特征与变化规律的研究：进行常规指标与特殊指标的综合研究，揭示水源水质的特征与相应的变化规律，建立系统完整的数据库。

    药剂的筛选优化：应用不同形态组成的混凝剂同时配合助凝剂的使用，探索强化混凝效果与可行的工艺条件。

    混凝工艺的优化：在进一步分析水质特点和水质规律的基础上，深入研究混凝机理，探寻有效的强化手段和方法，结合研究结果合理设计处理工艺和强化处理系统，优化混凝工艺的操作条件，引入先进的工艺监控技术，提高颗粒物与污染物的处理水平以及最终出水的水质安全性。

    通过系统分析，总结提炼国家目标与优化（强化）混凝的标准方法。

    参考文献

    [1]常青等，1992.混凝原理（第二版）[M].兰州：兰州铁道学院出版社.

    [2]范瑾初，1992.混凝技术（第一版）[M].北京：中国环境科学出版社.

    [3]马青山等，1998.混凝化学与混凝剂（第三版）[M].北京，中国环境科学出版社.

    [4]郝二成，左利峰.浅谈水处理中混凝工艺发展.山东煤炭科技.2008，4：97-99.

    [5]董芳.絮凝机理及絮凝剂发展概况.科技信息.2008，28：43-44.

    [6]岳峥，马东兵.水处理混凝剂研究发展.中国资源综合利用.2008，126（9）：33-35.