强化混凝技术讨论

强化混凝
混凝是水处理工艺过程中的一个基本单元，传统意义上，在混凝阶段主要去除的污染物是颗粒物，主要的评价指标是浊度。混凝是混凝剂、水体颗粒物和其他污染物及水体基质在一定的水力条件下快速反应的过程，其中包括混凝剂水解、聚合，与污染物电中和、粘结架桥形成絮体，污染物的包裹、吸附、沉降等过程，对几乎所有的污染物都有一定的去除作用。正因为如此，混凝成为传统工艺和现代工艺中几乎是不可替代的一个环节，在全面降低水体污染物水平、控制水污染、实现水质净化、再生等方面发挥着重要的作用。
近年来，随着饮用水污染的加剧，有机污染物的去除已成为当前国内外饮用水处理中突出的问题。天然水体中有机物((NOM)广泛存在，不仅造成色、嗅、味、管网生物繁殖、促进或复杂化水体中污染物的迁移等问题;而且在水处理工艺中还将增大药剂的消耗。更重要的是这些有机物的毒性及在氯消毒过程中与氯形成三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)及氯代烃类等致癌物或致突变物。有效去除水体中的有机物是饮用水安全的基础。去除水中有机物的研究已成为近年混凝处理的重要研究课题。实现有机污染物的去除代表着一个新的水处理时代的到来。对有机物污染的关注标志着人类对水质的判断己经从单纯的感观指标(色、形、味、嗅等)和急性、水源传染病防治的阶段上升到对水的本质属性的恢复、水功能的高层次恢复、长期潜在性危害的预防和控制的层面上来。
强化混凝的概念由来己久。早在1965年美国水工协会(AWWA)的一篇论文中对此就己有所论述。美国水工协会在20世纪90年代提出的强化混凝是指在水处理常规混凝处理过程中，在保证浊度去除效果的前提下，通过提高混凝剂的投加量来实现提高消毒副产物前驱物的去除率的工艺过程。这一强化混凝的概念也即基于混凝剂投加量的提高或反应pH条件控制的混凝过程。强化棍凝的提高混凝剂投量的措施会导致混凝剂消耗量上升，沉淀池污泥含量升高; pH值降低导致絮体形成受到一定影响，絮体分离效果变差，沉后水浊度升高，影响后续工艺的工作质量，且水的腐蚀性增强，残余铝含量升高;增大运行成本。为解决强化混凝的负面影响，优化混凝的概念被提出来。强化混凝与常规混凝相比增加了去除有机物的目标;同时为了去除有机物采取的一系列措施又可能导致上述负面影响的产生。这种实际要求就催生了优化混凝概念和操作方式的产生。优化混凝和强化混凝的水质目标体系 基本相同，都是在保证浊度去除率的前提下，有效去除有机物。优化混凝更多地考虑了经济可行性以及实际操作的优化。优化混凝在达到有效地降低有机物的基础上提出了使出水颗粒物去除最优化、运行成本最优化、污泥产量最优化、病原微生物去除最优化等指标，更具可行性。可以认为，一般的强化混凝不可能仅仅考虑较单纯的指标，应该也是多目标、多层面的综合考虑，因此强化混凝在实施中必定是优化混凝，或者近优化混凝。
自从人们发现癌症的发病率与水体中有机卤化物的含量有关后，人们对水体中含有机物和DBPs重视程度不断提高，1986年美国安全饮用水法案(Safe Drinking WateAct (SDWA))要求美国环保局(EPA)制定相关污染物的最高污染物浓度水平(MCL和消毒剂/消毒副产物法规(Disinfectants/Disinfection By-products Rule )。1992 ～1993年后，美国EPA提出三项法规:第一阶段消毒副产物法规(the StageDBPR )，过渡阶段强化地表水处理法规(the Interim Enhanced Surface WaterTreatment Rule, IESWTR)，以及信息收集法规(the Information Collection Rule,ICR)。根据信息收集法规收集的有关消毒副产物、前驱物等数据以及处理系统的研究、健康效应研究及其他相关调查研究将被用于制定和发展第二阶段消毒副产物泄规(the Stage 2 DBPR)和长期强化地表水处理法规(the Long Term 2 EnhancecSurface Water Treatment Rule, LT2ESWTR)。
1996年USEPA颁布了消毒副产物规则(第一阶段)，制定了相关污染物的最高污染物浓度水平(MCL)和消毒剂/消毒副产物规则。并推荐强化混凝为控制消毒副产物的最佳可行性技术(BAT, Best Available Technology)。并把TOC作为DBPs前驱物的主要替代指标。要求到1998年6月前，美国的水处理厂必须在相应条件下达到相应的强化混凝TOC去除率。
表2-1, 2-2和2-3中列出美国环保局所制订的相关污染物、消毒副产物最高水平目标，以及消毒副产物前驱物处理的基本要求，规则包括Step 1和Step 2两种情况。
如果有些水体在处理后无法达到强化混凝第一步的要求，则必须执行强化混凝第二步的程序。以10mg/L Al2 (S04) 3•14H20为单位增加混凝剂的投量，测定TOC的去除率。如果在增加10 mg/LA12 (S04) 3•14H20所带来的TOC的去除率增量小于0. 3mg/L或者pH值已经达到表2-3中所示的pH值时，被认为已经达到递减收敛点，并以此时的TOC去除率作为应该达到的最低要求。

为了达到上述目标，制水企业可以采取多种方法，而并非必须采取强化混凝。比如:有些水体或原水水质经过常规处理或常规混凝己经达到上述要求;或者有些水体中的TOC指标经过活性炭吸附处理已经达到规定的要求，则没有必要进行强化混凝。最初，强化混凝是指水处理过程中，在保证浊度去除效果的前提下，通过提高混凝剂的投放量来实现提高有机物去除率的工艺过程。通过对混凝过程的研究发现，在适当的温度和pH值条件下，在一定范围内，随着混凝剂投量的增加，有机物的去除率随之提高，而出水浊度并不至变差。这在一定条件下，不仅技术上可行，而且经济上也是可行的，相较那些复杂而且昂贵的设备改造、工艺改进方案，强化混凝被认为是处理DBP前驱物的最佳可行性技术(BAT, Best Available Technology), 因此被提到常规工艺的改进中来。
在典型的强化混凝操作中，增加投药量和调整pH值是提高有机物去除效率的主要手段。强化混凝的最初做法就是投加较常规混凝时更多的混凝剂以达到降低TOC的目的。很多研究认为对于混凝过程中有机物的去除而言，混凝中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。如果调整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，也可以实现有机物有效去除。pH对混凝剂的水解形态分布、水中污染物形态分布等都有影响，在一定程度上决定着混凝效果的发挥。pH较低的水体混凝过程中，混凝剂水解过程比较缓慢混凝剂有效作用时间长、效力强，有机物的电性被部分中和使其亲水性降低，导致更多的有机物被混凝剂电中和沉降去除，因此(以铝盐作混凝剂为例)较低的pH (5.5～6.5)环境，有利于有机物通过混凝去除。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。
混凝对有机物的去除作用在很早以前都已经被发现和应用，但主要目的是用于对成色物质的去除。对高色度水，混凝可以起到大幅度去除色度物质的作用。后来，有机物对水质和净水处理过程的不良影响被广泛证实，尤其是饮用水中DBPs的产生和危害作用被揭示后，有机物的去除得到广泛的重视。通过混凝去除水体有机物的研究得以广泛开展，众多的研究报道认为混凝去除有机物的机理主要有两种:1)在低pH值时，带负电性的有机物通过电中和作用同正电性的金属盐混凝剂水解产物形成不溶性化合物而沉降;2)在高pH值时，投加高剂量混凝剂，混凝剂水解产物对NOM吸附、网捕去除。强化混凝过程影响有机物去除的因素有混凝剂剂量、pH值、混凝剂种类、温度、水力条件、水体有机物分布情况、颗粒物性质和分布情况等。
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比较混乱，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;总体而言无机混凝剂的效果要好于有机合成混凝剂。另外，不同碱化度的PAC1有各自的铝形态分布，造成混凝过程中对浊度去除效果的明显差异:应用不同碱化度的PACI混凝对有机物去除效果的研究未见报道，为此，本文利用实验室自制聚合铝进行了其强化混凝特征的研究。
温度对强化混凝的影响作用:有报道指出低温对于常规混凝具有负面的影响作用。温度对混凝的影响是复杂的，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，影响水的离子积常数，降低离子积常数就降低水中氢氧根的浓度，从而影响金属氢氧化物的形成。此外低温还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。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。
有机物对混凝效果的影响大致体现在三个方面:一方面有些有机物的存在可以促进架桥功能的发挥或者参与架桥作用导致浊度等指标达到良好的去除效果;并且这些有机物在一定程度上可以减缓混凝剂进一步水解，延长混凝剂发挥作用的有效时间。因此一些有机高分子可以助凝。一方面有些有机物可以和混凝剂通过结合、沉降或者吸附等机理通过混凝过程从水体中分离除去。这样混凝可以去除一定的有机物。O'Melia等人报道，除非有机物含量低的水体，混凝剂的投加剂量取决于原水中NOM的含量，而不是浊度。另一方面，有些有机物的存在可以消耗混凝剂中的有效形态成分或者阻碍有效混凝成分发挥作用，增加了混凝剂自发水解的障碍，制约铝聚合物及其聚集体的形成、可能加大混凝剂投量、影响沉淀效果等。为深入认识水体中有机物与絮凝剂之间的作用规律，逐步应用并发展了对水体有机物进行分子量、化学特性等物化性质的表征方法与技术。目前常用的分子量分布根据特制的不同孔径的超滤膜在一定的压力驱动下，通过超滤的方法，将水体中的有机物按照分子量的不同范围进行分离，并且通过计算、分析，推测有机物的来源和处理途径。此外，高效液相色谱也也是有机物分子量分析的一种重要手段。水体有机物化学特性通过特定的吸附树脂吸附分离。由于吸附树脂对不同极性或疏水性有机物的吸附能力的差异结合对水样进行一定的处理以达到根据水体中有机物的不同化学性质进行初步分级的目的，并通过GC-MS详细测定有机物成分，以便进一步了解有机物的特性、来源和确定有效的处理方式。
强化混凝侧重于在现有水处理工艺设施上的改进与提高，可以并需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条件的控制强化来实现。
而有机物去除不仅仅利用强化混凝作为手段，己经有化学氧化、生物处理、过滤、吸附等众多方法。各种方法各有所长，目前集中在如何有效地、合理地配合使用这些手段，则属于优化混凝的范畴。优化混凝是一个总体综合、系统化的过程。然而从水处理的实际过程来看，两者并不能截然区分。往往是“强化中的优化，优化中的强化”。