強化混凝技術研究及應用進展

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論文作者：劉云洲 張明旭2 孫從軍2摘要： 通過綜合大量 文獻 ，概述了強化混凝概念、機理和 影響 因素；介紹了強化混凝技術在國內外的 應用 ； 總結 了強化混凝技術和混凝劑的 研究 進展情況；提出了強化混凝技術和混凝劑在研究和應用方面有待解決的 問題 ，以供今后研究 參考 。      關鍵詞： 強化混凝 混凝 混凝劑 絮凝 絮凝劑 強化混凝是在常規(guī)混凝的基礎上，基于新型混凝劑的開發(fā)而 發(fā)展 起來的一種水處理工藝，能有效去除污染水體中的懸浮顆粒、膠體雜質、總磷和藻類等污染物質 [1] 。關于強化混凝，有強化混凝、化學強化一級處理和強化絮凝等多種提法，本文統(tǒng)稱之為強化混凝。強化混凝技術的概念還沒有形成權威的解釋，筆者認為，強化混凝技術是對常規(guī)混凝中藥劑、混合、凝聚和絮凝任一環(huán)節(jié)或多環(huán)節(jié)的強化和優(yōu)化，從而進一步提高對水中污染物，包括低分子溶解性污染物的凈化效果。強化混凝作用機理與常規(guī)混凝并無太大差別，主要包括壓縮雙電層作用、吸附電中和作用、吸附－架橋作用、沉析物網捕作用和特殊混凝作用等 [2] 。向污染水體投入混凝劑后，一方面通過壓縮雙電層和吸附電中和作用，膠體擴散層被壓縮，ξ電位降低，膠體脫穩(wěn)；另一方面通過吸附－架橋和沉析物網捕等作用使脫穩(wěn)后的膠體相互聚結成大的絮體并沉淀，最終固液分離。新型高分子混凝劑的使用使以上作用得到強化，它不僅具有以絮凝體吸附水中非溶性大分子有機污染物的物理吸附作用；又能對水中溶解性低分子有機物產生很強的化學吸附和強氧化等多種凈化效果，從而可以提高污染物的去除率。但是，要取得良好的混凝效果還和許多因素有關，其中包括混凝劑品種、混凝劑投加量、水質、水力條件、水溫、堿度和pH等。只有優(yōu)化這些反應條件，使混凝劑在最佳條件下起作用，才能達到強化混凝提高常規(guī)混凝效果的目的。1     強化混凝技術在國內外的應用 1.1 在生活污水處理中的應用英國 [3] 早在1870年就開始應用混凝技術，但很快被生物處理所取代，到了20世紀80年代，隨著新 型高效混凝劑的不斷問世，同時為了進一步提高污水中有機物和磷的去除率，強化混凝技術開始應用于實際工程。美國對于強化混凝技術在給水處理中的研究和應用較多 [4] ，但是在城市污水處理中也有報道 [5] 。美國落杉磯市的Hyperion污水處理廠采用一種陰離子高聚物（0.15 mg/L），與10 mg/L的FeCl 3 復配處理城市污水，連續(xù)運行6 a，SS和BOD 5 的一級處理去除率穩(wěn)定在83%和51%左右，同時對磷和重金屬的去除效果也很好，而其基建費和運行費卻只有二級處理廠的30%左右。南加利福尼亞4大污水處理廠通過對傳統(tǒng)一級處理的工藝進行改進，投加FeCl 3 混凝劑和部分助凝劑，處理效果大幅度提高。改進后的一級處理工藝，SS去除率達到了85%，BOD 5 的去除率增加到50%以上。Mete等 [6] 認為，從 經濟 和技術上來講，強化混凝法是一項簡單而有效的水處理技術，能有效去除水中溶解性有機物、膠體雜質等。此外，以色列 [7] 、埃及 [8] 、日本 [9] 和挪威等國 [10] 對強化混凝的研究和應用均有較多成功的實例。近年來，隨著環(huán)境保護力度的加強，強化混凝技術在我國也得到一定的發(fā)展。Harleman等 [11] 在香港最大的一座CEPT污水處理廠建造之前，曾做了強化混凝工藝和常規(guī)一級處理工藝的比較試驗。試驗表明，10 mg/L的FeCl 3 和0.15 mg/L的聚合物能使SS的去除率從71%提高到91%，BOD 5 的去除率從42%提高到80%，且可節(jié)省30% 沉淀池 體積。臺灣 的Chen Chiuyang研究了城市污水排海前的強化混凝處理，投加硫酸鋁和PAC各30 mg/L，沉淀1 h，SS和BOD 5 的去除率分別為70%和60%，比強化處理前提高了25和35個百分點。王東海 [12] 、任潔等 [13] 采用無機絮凝劑處理低濃度生活污水，當PAC投加量為30～50 mg/L時，COD Cr 去除率達70%以上，達標排放。強化混凝處理生活污水在國內外均有很多成功的實例，北歐大型湖泊周邊城鎮(zhèn)和南歐地中海沿岸城鎮(zhèn)經常采用強化混凝技術作為生活污水處理技術，可以說強化混凝是僅次于生化處理的生活污水處理主流技術。在強化混凝技術研究和應用方面，國內外均注重于現(xiàn)有常規(guī)混凝劑及絮凝劑的組合或復配，以求達到低成本和高去除率的統(tǒng)一。相對于常規(guī)生化處理工藝，強化混凝技術可以節(jié)省工程投資，減少水處理成本費用和節(jié)約用地面積，特別是該技術對導致水體富營養(yǎng)化元素之一的總磷的去除率能達到90%以上，是很多常規(guī)生物處理技術不可比擬的。因此，強化混凝技術是解決我國城鎮(zhèn)由于資金不足導致污水處理率低的出路之一。上海市在建的兩個超大型污水處理廠：竹園污水處理廠（一期）與白龍港污水處理廠（設計日處理能力分別為170萬m 3 與130萬m 3 ）也采用以強化混凝為主的處理工藝流程。隨著強化混凝技術在我國的普及，2003年頒布的國家城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準(GB 189118－2002)中對該工藝技術的排放標準進行了規(guī)定。1.2 在 工業(yè) 廢水處理中的應用強化混凝技術廣泛應用于工業(yè)廢水的（預）處理，特別是在化工廢水、染整廢水和造紙廢水的預處理中更為普遍。阮湘元等 [14] 用PAC、PAM預處理富含有機染料的染整廢水，聯(lián)合氧化絮凝床，出水可達工業(yè)污水排放標準；朱虹等 [15] 研究表明，新型絮凝劑聚磷硫酸鐵是一種更為有效的染整廢水處理絮凝劑。另外，強化混凝在染整廢水的脫色處理中應用較多，這方面，李春華等 [16] 做過比較詳細的綜述。此外，強化混凝在造紙廢水處理中的應用較多，李福仁 [17] 用PAC與PAM復配預處理，聯(lián)合 氣浮 工藝處理高濃度CTMP制漿造紙廢水，處理效率高，出水水質穩(wěn)定，可直接排入城市污水處理廠集中處理；張學洪等 [18] 比較了多種混凝劑對造紙廢水的處理，發(fā)現(xiàn)PAC最為合適，不必調節(jié)pH，出水達國家污水排放標準。強化混凝在其他工業(yè)廢水處理中的應用國內常有報道。姚文娟等 [19] 研究表明，PAC、殼聚糖、膨潤土和PAM等絮凝劑對酒精槽的離心廢液有較好的絮凝效果，SS去除率為86.57%～89.62%，COD Cr 去除率為58.2%～59.2％；相波等 [20] 用Na 2 S、FeCl 3 、PAM復配對銅酞菁廢水預處理，聯(lián)合缺氧-好氧生物接觸氧化工藝，取得良好的效果，各項指標均達國家一級排放標準。吳敦虎等 [21] 研究表明，用聚合氯化硫酸鋁和聚合氯化硫酸鋁鐵混凝劑處理COD為1000～4000 mg/L的制藥廢水，去除率達80%。與生活污水的強化混凝技術相比，工業(yè)廢水的強化混凝技術研究更注重于針對不同種類廢水或污染物，開發(fā)處理效果更佳的新型混凝劑或含有新型混凝劑的復配混凝劑，以及強化混凝與其他工藝的聯(lián)合使用，而對經濟方面的要求相對較寬松。這是由于一些工業(yè)廢水含有有毒有害物質不能直接進行生物處理的原因。因此，研究更多更有效的新型混凝劑將推動強化混凝技術在工業(yè)廢水處理中的應用，也是治理工業(yè)廢水污染的有效 方法 之一。1.3 在污染地表水處理中的試驗近幾年，強化混凝在污染地表水處理中的應用漸漸受到關注。中科院王曙光等 [22] 采用聚合氯化鐵（PFC）為混凝劑，對深圳市的龍崗河、觀蘭河、燕川河、大茅河水體進行了強化混凝處理的試驗研究。結果表明，當PFC投加量為50 mg/L時，觀蘭河（原水COD Cr =48.0 mg/L）的COD Cr 去除率達70%以上，濁度去除率達91%，TP的去除率達到95%，TN的去除率達41%；大茅河（原水COD Cr =84.0mg/L）的COD Cr 去除率達到50%以上，濁度去除率達78%，TP的去除率達96.5%，TN的去除率達41.6%，對重金屬也有一定的去除效果。處理后水質達到或接近地面水水質標準。孫從軍等 [23] 以多種混凝劑，對數(shù)條嚴重污染的蘇州河支流水體進行強化混凝實驗室研究。結果表明，硅藻土較為有效，在最佳投藥量為200 mg/L的條件下，COD Cr 去除率為43%～59%，P去除率為92%～100%，但NH 3 -N幾乎沒有去除。 Cheng Wenpo等 [24] 用Al 2 (SO 4 ) 3 、PAC、FeCl 3 和 PFS等混凝劑處理水庫水。結果表明，PFS比 FeCl 3 有更好的溶解性有機物（DOC）去除率和更少的鐵殘留；Al 2 (SO 4 ) 3 對濁度、色度和細菌的去除效果最好，但是對DOC的去除效果不夠理想；當PFS和 Al 2 (SO 4 ) 3 聯(lián)合使用時，處理效果最佳，DOC、濁度、色度都能得到很好的去除。污染地表水是介于污水和清潔地表水之間的那部分水，特別是小型封閉水體，包括污染的城市景觀水體。這部分水體的治理，是強化混凝技術應用的新領域，國內已開始研究。由于其污染物濃度較小，相對去除率較低，但是磷的去除相當可觀，能有效防治水體的富營養(yǎng)化，具有廣闊的應用前景。通?？梢圆扇〗ㄔ鞓嬛锘蛑苯油度龅姆绞絹韺崿F(xiàn)污染水體的強化混凝處理。上海佛欣河道公司應用投撒混凝劑來壓制藻類的泛濫取得較好的效果。但是，某些混凝劑的安全性令人擔憂，特別是一些新型高效混凝劑和生物混凝劑的應用，在考慮到其處理效果和處理成本的同時，更應考慮其安全性。2   強化混凝技術 研究 新進展 2.1 混凝劑研究新進展2.1.1 無機高分子混凝劑無機高分子混凝劑（Inorganic Polymer Flocculant，IPF）以其投藥量少、無毒或低毒、價廉和處理效果好等優(yōu)點，越來越受到人們的重視，逐漸成為給水、 工業(yè) 廢水和城市污水處理的主流混凝劑 [25] ，被稱為第二代混凝劑。 目前  應用 比較多的還是聚鋁、聚鐵兩大系列，如PAC、PAFC等，但是新型的聚硅、聚磷和聚硫也不斷面世，并顯現(xiàn)出不凡的混凝效果，如聚硅酸鋁、聚磷酸鐵等。因此，無機高分子混凝劑呈現(xiàn)多品種、多組份和多功能的 發(fā)展 趨勢，但品種繁多，產品質量不夠穩(wěn)定。在今后的研究應用中，應優(yōu)化混凝劑的制備工藝，改進產品的性能和穩(wěn)定性，同時根據(jù)特定的水質成分開發(fā)相應的混凝劑品種和配方，并結合高效混合反應器和智能化投藥監(jiān)控技術，進一步提高混凝效果。2.1.2 有機高分子絮凝劑有機高分子混凝劑主要是通過其鏈狀分子的吸附-架橋而起作用，它的應用能有效提高絮體顆粒尺寸，絮體顆粒直徑要比單一投加PAC形成的顆粒直徑大3～5倍 [26] ，所以在強化混凝中得到廣泛應用。有機高分子絮凝劑可分為天然和合成兩大類。合成有機高分子絮凝劑由于分子量大，分子鏈官能團多的結構特點，在市場上占絕對優(yōu)勢，其中以聚丙烯酰胺系列最為廣泛，由于其殘留單體具有毒性，限制了其在某些水處理領域的發(fā)展。天然有機高分子絮凝劑由于原料來源廣泛，價格低廉，無毒，易于生物降解等特點顯示了良好的應用前景，但由于其電荷密度小，分子量較低，且易發(fā)生生物反應而失去絮凝活性，使其用量遠小于有機合成高分子絮凝劑。經過改性的天然高分子絮凝劑能克服以上缺點，特別受到關注。其中，淀粉改性絮凝劑的研究開發(fā)尤為引人注目 [27] 。因此，研究和開發(fā)高效、安全、可生物降解的有機高分子絮凝劑是今后的發(fā)展方向。2.1.3 其他混凝劑除無機高分子混凝劑和有機高分子絮凝劑兩種主流混凝劑外，微生物絮凝劑（Microbial Flocculants MBF）近年來受到研究者極大關注 [28] 。它是利用生物技術，從微生物體或其分泌物中提取、純化而獲得的一種安全、高效，且能 自然 降解的新型水處理絮凝劑 [29] 。MBF可以克服無機高分子和合成有機高分子絮凝劑本身固有的安全與環(huán)境污染方面的缺陷，易于生物降解，無二次污染。目前，已應用于紙漿廢水、染料廢水處理及污泥脫水、發(fā)酵菌體去除等領域，取得了良好的絮凝效果 [30] 。但是，目前國內的研究多限于對其在實際應用中的研究，而對其作用機理等基礎性研究較少，有待進一步加強。余榮升等 [31] 指出，由于生物技術的飛速發(fā)展，人們對微生物細胞基因的認識和控制也越來越自如，即可根據(jù)不同的廢水水質研制出具有針對性的高效MBF，這樣不僅可大大降低絮凝劑的投加量，還可以降低處理成本。另外，近年來礦物類混凝劑也有一定的發(fā)展，粉煤灰、硅藻土、沸石粉和膨潤土等礦物質制成的混凝劑也開始應用于水處理中。據(jù)報道，黃彩海 [32] 、于衍真等 [33] 制備的粉煤灰混凝劑，混凝效果優(yōu)于傳統(tǒng)的單一鋁、鐵混凝劑，可用于各種工業(yè)廢水的處理。2.1.4 混凝劑的改性和復配混凝劑的改性和復配能優(yōu)化混凝劑性能，提高混凝效果。江霜英等 [34] 對上海污水二期工程污水強化混凝處理的試驗研究表明，聚合雙酸鋁鐵同有機高分子絮凝劑復配 經濟 有效。Petzold  [35] 、李爾 等 [36] 也做過類似的研究，表明兩種或兩種以上混凝劑處理廢水，處理效果優(yōu)于單一混凝劑的使用，有機和無機混凝劑相配合更為有效，具有廣闊的工程應用前景。2.2 強化混凝機理研究新進展2.2.1 表面絡合原理及其定量 計算 模式在強化混凝中的應用70年代初期Stumn等首先提出對水合氧化物的分散體系中金屬離子的專屬吸附采用配位化學的處理 方法 ，認為顆粒物界面上與H + 、OH - 和金屬離子的結合屬于絡合化學反應，此時的吸附量可以用與溶液中絡合平衡類似的方法，按質量作用定律加于討論。Schindler等對這一概念加于進一步的闡述，因而后來被稱為Stumn-Schindle絡合模式，近年被廣泛應用于固液界面上反應機制的研究。由于表面絡合模型的計算相當繁雜，主要應用計算機模塊來進行多組分多相的復雜計算，目前主要的計算機程序有REDE-QL，MINEQL，MICROQL，SUREQL，HYDRAQL，F(xiàn)ITEQL等。它們可用來計算各種化學平衡和表面絡合反應中的平衡常數(shù)和組分濃度。例如MICROQL可以計算飽和Al(OH) 3 溶液中鋁的形態(tài)分布及其表面平衡常數(shù)。王向天等 [37] 應用Stumn-Schindle絡合模式，計算了高嶺土、二氧化硅的表面絡合常數(shù)，得到了與實驗數(shù)據(jù)相吻合的計算結果。2.2.2 分形 理論 在強化混凝中的應用分形理論用于對混凝的研究也是一種有效的新手段。絮體結構和性能在混凝研究中一直有十分重要的地位，其大小、強度、密度與穿透性等特點對于污泥處置和出水水質至關重要，其形成往往具有分形特征。通過分形結構 分析 ，用一非整數(shù)維數(shù)來描述非規(guī)則體中的無規(guī)則程度，為這些看起來復雜不規(guī)則形態(tài)提供一種數(shù)學框架，從而得以定量的描述，而分形結構分析中最重要的特征參數(shù)是分形維數(shù)（分維）。一般認為，對應于分形體的不規(guī)則和復雜性或空間填充程度，分維不同則反映了聚集體結構所具有的開放程度，在混凝研究中應用分維可以對不同條件下形成的絮體結構進行更為準確的描述。關于分形理論和研究方法及其在強化混凝中的應用，王東升等 [38，39] 作過比較詳細的論述。2.2.3 混凝作用機理研究逐漸向半定量仍至定量化發(fā)展表面絡合理論和分形理論的引入推動了混凝研究的半定量和定量化進程，發(fā)展了多種計算模式和軟件，但多限于應用在傳統(tǒng)混凝劑，對新型高分子混凝劑混凝過程的計算尚存在困難，有待進一步的研究。王東升等 [40] 以典型IPF-顆粒物-水溶液體系的相互作用為例，對Dentel的吸附沉積-電中和模式（Precipitation Charge Neutralization Model，PCNM）作了適當改進，能夠較好地預測聚合鋁的混凝特征，實驗結果與模式預測值基本吻合。2.3 其他方面研究新進展2.3.1 混凝過程的在線控制由于流動電流原理及其檢測技術在混凝中的應用，實現(xiàn)了混凝過程的在線控制，保證了混凝劑的最佳投藥量。另有報道，利用水中顆粒物對光的散射作用能很好地實現(xiàn)混凝過程的在線監(jiān)測。金鵬康等 [41] 根據(jù)這一原理研制的光散射顆粒分析儀（Photometric Dispersion Analyzer，PDA）對腐殖質混凝過程進行在線監(jiān)測，并對得到的FI(Flocculation Index)曲線的特征參數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)FI曲線及其特征參數(shù)受混凝劑投藥量的 影響 很大，其變化情況與膠體穩(wěn)定情況（ξ電位）及混凝效果（TOC去除率）具有良好的相關性，說明這種在線監(jiān)測技術對混凝過程的在線監(jiān)測是有效的。2.3.2 強化混凝設備的開發(fā)混凝設備中混合器最為關鍵，其主要作用是讓藥劑與水盡快混合。常用的混合設備有水泵混合、管道混合、壓力式孔板混合、機械攪拌混合、渦流式混合及射流混合等，其中射流混合是混合技術的新發(fā)展，具有混合速度快，功率損失小、絮凝效率高等優(yōu)點 [42] 。具體過程為用注入管將絮凝劑注入接近反應池的進口處，注入管的側面周邊有幾個小孔，混凝劑經小孔以很大的速度進入。在垂直于原水管的中軸處水流的紊動強度最大，混凝劑射流由此進入最易與原水完全混合。3   結 語 強化混凝技術近年來得到了迅速的發(fā)展，在研究和應用中都取得了較大的進步。由于一些新理論新方法的引入，使對強化混凝的研究得以深入，特別是一些基礎性的機理研究越來越受到重視，但由于強化混凝是一個相當復雜的過程，其中的許多 問題 有待于進一步的深入研究，特別是以下幾方面應得到加強：（1）繼續(xù)研制高效混凝劑和混凝設備，提高其混凝效果，降低其生產成本；（2）加強強化混凝的機理研究，尋找研究強化混凝的有效方法，如研究無機高分子絮凝劑中最佳形態(tài)的鑒定和定量分析方法等，最大限度地提高其中最佳形態(tài)的含量及其穩(wěn)定性；（3）加強強化混凝動力學的研究，將化學反應動力學與混合的流體動力學結合起來全面描述絮凝劑投入水中后的形態(tài)變化及污染物的脫穩(wěn)模型，以便對強化混凝進行預測和控制，最終服務于工程實踐。參考  文獻  1 戴之荷.受污染水處理技術在我國的 應用 .給水排水，2002，28（1）：8～122 徐祖信.河流污染治理技術與實踐.北京： 中國 水利水電出版社，2003．405～4133 侯世全，楊德偉，宋曉明．生活污水強化一級處理工藝的 研究 進展．鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，2002， 29（5）：221～2224 鄧忠良，朱 云，肖 錦．強化混凝用于微污染水源水處理． 工業(yè) 水處理，2002，22（8）：4～65 李福勤，華玉芝，孟文芳，等．煤礦生活污水強化一級處理的可行性研究．煤礦環(huán)境保護，2000，14（1）：63～666 Mete，Azra.Flocculation as a treatment method for printing ink wastewater.Water Environment Research，2000，72（6）：680～6877 姜應和，張發(fā)根．混凝法在城市污水強化處理中的應用．中國給水排水，2002，18(3)：30～328 尤作亮，蔣展鵬，祝萬鵬，等.城市污水強化一級處理的研究進展.中國給水排水，1998，14(5)：28～309 橋本獎.新活性污泥法.李至時譯.北京:學術書刊出版社，1990 10 欒兆坤，湯鴻霄.  經濟 有效的城市與納污河污水強化絮凝工藝技術系統(tǒng).  科技 縱橫，2001，(增刊):34～3611 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