给水处理工程中的强化混凝技术

Posted 2023-01-13 有机物

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0 引言
饮用水常规处理工艺的主要去除对象是水源水中的悬浮物、胶体杂质和细菌.其净化技术是人们在与污染作斗争的过程中出现的，并不断地得到发展、提高和完善.随着工业的迅速发展，水体污染也日益严重，水中有害物质逐年增多；同时随着水质分析技术逐渐改进，水源水和饮用水中能够测得的微量污染物质的种类也不断增加.人们生活水平的不断提高对水质方面的要求也越来越高，为满足人们的生活需求及与国际接轨，2001年6月7日国家卫生部制订了《生活饮用水卫生规范》，新规范将水质指标由原来的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-85)中的35项参数增加到96项，首次对饮用水中的有机物含量提出了标准.同时，面对水源水质的变化(除了原有的泥沙、胶体物质和病原微生物外，还有有机污染物、高氨氮、消毒副产物、水质生物稳定性等)，常规饮用水处理工艺(只能去除水中有机物20%-30%，且由于溶解性有机物存在，不利于破坏胶体的稳定性而使常规工艺对原水浊度去除效果也明显下降，仅为50-60%)已显得力不从心.试验表明，对于分子量10000～100000的有机物通过混凝沉淀可去除80%以上，对于分子量3000～10000的有机物，混凝沉淀也可去除50%左右，据天津水司的试验，把滦河水处理到浊度小于0.5NTU，用气相色谱仪测得的有机物峰的总面积可减少80%.因此，在现有常规处理技术与工艺的基础上，发展新的水处理技术与工艺势在必行.从20世纪70年代开始，经过几十年的努力，国内外水处理工作者已经研究开发出许多水处理的新技术新工艺，并且已有大量的工程应用取得了较好的净化效果.
1 强化混凝内涵及其发展
常规净水工艺的改造有以下几种方法：增加深度处理构筑物，如活性炭吸附技术；增加预处理构筑物，如生物预处理(接触氧化池或生物滤池)；不增加常规工艺前、后的净化构筑物，在现有工艺上改造，如强化混凝、强化过滤、优化消毒.各方法的基本特性如下表示：强化混凝(enhancedcoagulation简称EC)是指在常规处理工艺流程中在混凝处理时投加过量的混凝剂、新型混凝剂或助凝剂或者是其他的药剂并控制一定的pH值，通过加强混凝与絮凝作用，从而提高常规处理中天然有机物(NOM)的去除效果，最大限度地去除消毒副产物的前体物(DBPFP)，保证饮用水消毒副产物符合饮用水标准的方法.与增加深度处理及生物预处理相比，强化常规水处理具有投资省、不需建造新的构造物、不占土地以及经常运行费用低等优点，更适合对原有系统的改造.
2 EC机理及其常用方法
强化混凝主要是通过改善混凝条件使有机物去除范围和去除率进一步扩大和提高，其作用机理阐述如下：胶体稳定性的增加是由于大分子天然有机物在无机胶体颗粒表面形成有机保护层，造成空间位阻或双电层排斥作用.混凝的主要作用是去除水中悬浮颗粒和胶体微粒.一般认为混凝过程是混凝剂水解产物对水中胶体进行电中和、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，再通过沉淀与过滤进行分离去除.而水中分子质量较小、溶解度较大的有机物(主要是腐殖酸类中的富里酸等)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，有机物不但增加了胶体表面电荷，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、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，进而降低其溶解度及亲水性，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自然有机物(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.对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.例如北京第九水厂的生产实践表明，在相同加药量下，机械搅拌澄清池对有机物和消毒副产物前体物的去除效果要优于反应池-沉淀池工艺，其原因就是在机械搅拌澄清池中大量保持的矾花可以充分发挥其吸附作用，而反应-沉淀工艺中矾花形成后即被沉淀去除，其吸附潜力尚未完全发挥.
强化混凝作为一种经济有效的去除有机物的技术，其常用的工艺流程如下示：
其常用的方法主要有下面几种：
1)加大混凝剂投加量，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，消除由于有机物对无机胶体的影响，从而使无机胶体脱稳.不同的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(UV254值较大)和憎水性有机物有较好效果.
2)投加有机或无机絮凝剂，采用具有絮凝作用的新型混凝药剂(如聚硅酸盐铁盐等)，增加吸附、架桥作用，使有机物易被絮体粘附而下沉.
3)调正pH值：水的pH值对有机物去除影响明显.当原水pH较高时，可通过加酸来降低pH，一般有机物较多时，pH为5-6的条件有利于形成腐殖酸、富里酸的聚合物.加酸一般加在混凝剂投加前，以促使混凝剂水解形成高价正电荷.
4)投加氧化剂，使有机物氧化(高锰酸钾氧化、粉状炭吸附).水体中的有机成分是增强水中胶体浊质稳定性的主要因素，我国的姚重华等人的研究结果表明，如果黏土悬浮液中的腐殖酸的浓度增至3mb/l(以TOC计)，硫酸铝的投量将增至5.8倍，如果腐殖酸的浓度增至7mb/l则硫酸铝的投量需增加到原来的10.2倍才能达到同样的混凝效果.利用常规的混凝剂再辅助以助凝剂处理这种有机污染严重的水质，不能取得良好的处理效果.因此需要高锰酸钾等强氧化剂来氧化水中的有机成分，以促进混凝剂的混凝效果，达到净化有机污染的水质的目的.
5)完善混合、絮凝等设施，从水力条件(控制G和GT)上加以改进，使混凝剂能充分发挥作用.比如增加混合与絮凝反应的时间、选用澄清工艺等使药剂充分发挥作用.
6)铝盐混凝剂改为铁盐混凝剂(铁盐比铝盐更易于形成与腐殖酸和富里酸的聚合物)；也可以起到强化混凝的效果.
3 强化混凝技术在给水处理工程中的应用
强化混凝技术目前在给水领域主要用于控制饮用水中消毒副产物的含量，以求达到更高的饮用水水质要求.
对微污染水源(突出反映在氨氮及有机物(COD、TOC、BOD)等的超标上)进行强化混凝处理，这方面的研究已很多，成功的工程实例也不少.实验室试验和模拟生产试验都表明，强化混凝法能有效地去除原水中的NOM，有效提高微污染水的出水水质.此外，强化混凝技术在其它方面也得到不断应用.据报道，强化混凝较常规混凝对去除藻类有较好效果.采用高锰酸钾复合药剂PPC可以有效地提高水中藻类的去除率.与高锰酸钾、氯气除藻作用相比较，相同投量的PPC的沉淀后除藻率比预氯化提高14%，滤后除藻率提高3.9%；Packham和Black等人的研究表明EC也能有效处理高色度水；各种新型复合药剂(如PASS絮凝剂、高分子CGA絮凝剂等)的开发也使强化混凝的应用得到进一步发展：如采用高锰酸钾复合药剂〔CP：NaoCl=3：1.2或3.5：1.7〕和粉末活性炭的组合工艺，对降解有机物，提高去浊、去嗅、去色能力效果明显，具有很好的强化混凝、减少预氯投量的效果；用磁力离子交换树脂强化混凝(magneticionexchangeresin(MIEX))即便在低TOC浓度、低UV和高碱度情况下对去除THM和HAA前质非常有效，去除率达到60%以上，甚至90%.高铁盐即可作预氧化剂又可作混凝剂，有双重身份，而其它氧化剂无这双重功能，因此，高铁盐(如K2FeO4)特别是在有机物浓度高时更有效且投加量少.
通过长时期的研究，认为低温低浊水处理的关键是选择合适的混凝剂和助凝剂，以强化絮凝过程.近几年，强化混凝方法在低温低浊水处理中的成功应用的工程实例也有不少报道.提高饮用水水质，除选择好水源并加强保护外，首先应考虑强化或优化常规水处理工艺，使其技术设备、技术参数处于最佳状态，因为结合当前我国经济实力，要求普遍增加深度处理是不现实的，所以还是应该在常规处理上多想点办法.而强化混凝是在常规混凝处理基础上发展起来的去除水中有机物特别是富含腐殖酸类有机物的一种处理工艺，相对其他处理工艺，其成本较低且在原有处理设备上稍作改造就可实施.国内外的试验研究均表明混凝处理的pH值控制在5-6左右，并且适当提高混凝剂用量，对大多数源水中的有机物具有较好的去除效果.强化混凝增加了水处理系统中相关设备的防腐需求、pH调节等费用，但对有机物含量不高的源水可省去GAC吸附设备的投资及运行费用，而对有机物含量较高的源水，通过强化混凝处理也可进一步提高GAC吸附设备的运行效率，最根本的是要在较低的成本和充分利用现有工艺的条件下，实现给水质量的明显提高.因此，对源水进行强化混凝试验以确定去除水中有机物的最佳pH范围及混凝剂用量，进一步研究强化混凝与其他工艺(如GAC吸附处理)的配合使用，同时进行新型高效的混凝剂及助凝剂的研究，这在我国水源水普遍受到微污染的情况下很有现实意义，并相信混凝强化技术在给水处理工程中也有较大的应用推广价值.
最大的杂质和浊度去除；最大的TOC和DBP前质的去除；最小的剩余混凝剂(即发应完全全部发挥作用，最加投量)；最小的污泥量；最小的运行成本及最小污染对环境的影响.这是强化混凝效果的全面衡量指标，也是给水处理科技人员的努力方向.各种反应器的开发、最优水力条件的控制及各种组合工艺的配套都是为了达到这个目的.