徐亞東

（江蘇省水資源服務(wù)中心 南京 210029）

凹凸棒土是一種含水富鎂硅酸鹽粘土礦物，具有獨(dú)特的層鏈狀結(jié)構(gòu)、十分細(xì)小的棒狀、纖維狀晶體形態(tài)和較大的比表面積，吸附性能良好。國內(nèi)外將凹凸棒土作為天然廉價(jià)吸附劑在各種污、廢水處理的應(yīng)用中進(jìn)行了許多有益的探索，但用于微污染水源水處理的研究還鮮有報(bào)道。本文以蘇北地區(qū)某水廠原水為對象，采用強(qiáng)化混凝靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)方法，將常規(guī)的投加混凝劑的混凝環(huán)節(jié)改變?yōu)楦男园纪拱敉僚c混凝劑復(fù)合使用，考察改性凹凸棒土參與強(qiáng)化混凝處理微污染水源水中濁度、高錳酸鹽指數(shù)、UV254和氨氮的效果，并探討改性凹凸棒土強(qiáng)化混凝的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品

水樣為蘇北某縣鎮(zhèn)級水廠水源水，常年的濁度范圍為20～30NTU，UV254為0.115～0.122mg/L，高錳酸鹽指數(shù)范圍為6～9mg/L，氨氮范圍為1.0～2.2mg/L，水溫15℃～25℃。

凹凸棒土取自江蘇省盱眙縣古桑鄉(xiāng)境內(nèi)，經(jīng)450℃高溫改性，160目粉末，灰白色，pH值為8～9，純度為90%。

1.2 儀器

六聯(lián)電動攪拌器(JJ-4，國華電器）；SHIMADZU島津紫外分光光度計(jì)Uv1201(波長范圍:190～850 nm）；TS2-400A臺式智能散射光濁度儀（測量范圍:0～400 NTU）；FA2104型單盤電子天平（稱量范圍為0～210g，實(shí)際標(biāo)尺分度值為0.1mg）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將一系列的1000ml試驗(yàn)水樣加入攪拌燒杯中，根據(jù)不同順序，分別投加適量的高溫改性凹凸棒土，并適時(shí)投加混凝劑，快速（300r/min）攪拌 1min，再慢速(80r/min)攪拌 3～5min，靜沉15min后，取上清液測定出水的濁度、高錳酸鹽指數(shù)、UV254(經(jīng)0.45um膜過濾)和氨氮等參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 投加順序?qū)Ω男园纪拱敉翉?qiáng)化混凝效果的影響

在本次實(shí)驗(yàn)中，選擇如下的四種投加順序：①先投加改性凹凸棒土，3min后投加混凝劑；②先投加改性凹凸棒土，1min后投加混凝劑；③同時(shí)投加；④先投加混凝劑，混合反應(yīng)3min后，投加改性凹凸棒土。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，投加的先后順序和時(shí)間間隔對強(qiáng)化混凝的效果有著直接影響，順序2和3對各項(xiàng)污染指標(biāo)的去除效果較好?？赡苁且?yàn)檫@兩種情況下，能夠保證凹凸棒土與水體能較好地混合和一定的吸附時(shí)間，利于其發(fā)揮吸附作用；而且此時(shí)混凝劑尚未完成對水中膠體的脫穩(wěn)、凝聚，難以網(wǎng)捕、包裹與其自身尺度相當(dāng)?shù)陌纪拱敉练勰╊w粒，凹凸棒土受到的“包裹”作用最小?；炷齽┘尤?0～60s左右，在劇烈攪拌中與水體的混合、水解迅速完成，膠體脫穩(wěn)并形成微絮凝體，經(jīng)過數(shù)分鐘的反應(yīng)后形成比較大的絮體，這時(shí)通過混凝去除的有機(jī)物基本已經(jīng)結(jié)合進(jìn)入絮體中，此后的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，絮體進(jìn)一步結(jié)合成更大的礬花，改性凹凸棒土逐漸附著到絮體中，通過沉淀被去除。

投加順序1對氨氮去除效果較好，但對濁度和高錳酸鹽指數(shù)去除率不高。這是因?yàn)樵诨炷齽┩都又斑^早投加凹凸棒土，與混凝劑產(chǎn)生了競爭吸附，影響了混凝劑去除水中膠體和大分子有機(jī)污染物作用的發(fā)揮。投加順序4對各項(xiàng)指標(biāo)的去除率都較低，因?yàn)榇藭r(shí)已有大量微絮體長成，迅速將投入的分散狀態(tài)凹凸棒土顆粒網(wǎng)捕、包裹起來，凹凸棒土的吸附作用受到制約。

2.2 改性凹凸棒土與混凝劑投加量及配比對微污染水源水強(qiáng)化混凝的影響

改性凹凸棒土與聚合氯化鋁的投加量及配比直接影響強(qiáng)化混凝的去除效果和處理費(fèi)用。兩者合適的投加量及配比關(guān)系，不僅能確保較高的去除效率，同時(shí)還能有效節(jié)約資源、降低處理費(fèi)用。試驗(yàn)中聚合氯化鋁的投加量分別為15、20、25mg/L，改性凹凸棒土的加量依次為 10、15、20、25、30mg/L。對濁度、高錳酸鹽指數(shù)、UV254和氨氮去除效果如圖2所示。

從圖2-a可以看出，對于低濁度的微污染水源水，改性凹凸棒土與聚合氯化鋁強(qiáng)化混凝處理效率很高，出水濁底保持在0.4～0.7NTU的合格范圍內(nèi)。當(dāng)聚鋁投加量為20mg/L，改性凹凸棒土投加量為20～25mg/L時(shí)，對濁度去除率最高可達(dá)97.02%。聚鋁與凹凸棒土的適宜投加比例為1∶1～1.25。

投加改性凹凸棒土對去除有機(jī)物有明顯的強(qiáng)化作用。由圖2-b、2-c可見，當(dāng)聚合氯化鋁投加量為20mg/L，改性凹凸棒土投加量為25mg/L時(shí)，高錳酸鹽指數(shù)去除率為47.63%，UV254去除率為32.46%，分別比單獨(dú)投加聚鋁提高了17%和12%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，投加改性凹凸棒土后對高錳酸鹽指數(shù)去除率的提高量較UV254更為顯著。這是因?yàn)椋篣V254組成為分子量大于3000的大分子有機(jī)物，易被混凝劑水解產(chǎn)生的氫氧化鋁絮體捕獲去除，受凹凸棒土投加量的影響較?。桓咤i酸鹽指數(shù)中小分子有物較高，這些小分子有機(jī)物難以被絮凝和沉淀，投加凹凸棒土后被碰撞和吸附的幾率大增，去除效果明顯增強(qiáng)。

改性凹凸棒土對氨氮吸附較好。由圖2-d可見，當(dāng)聚鋁投加量為25mg/L、改性凹凸棒土30mg/L時(shí)，氨氮去除率達(dá)31.0%。而常規(guī)混凝的氨氮去除率僅為1.40%。這表明投加凹凸棒土對混凝過程中氨氮去除起了決定性的作用。

3 改性凹凸棒土參與微污染水源水強(qiáng)化混凝的作用機(jī)理分析

按照改性凹凸棒土參與微污染水源水強(qiáng)化混凝的過程，可以分為混合階段（或凝聚階段）、絮凝階段、沉降階段。在這三個階段，凹凸棒土分別發(fā)揮了吸附作用、助凝作用、助沉作用。

在混合階段（或凝聚階段），改性凹凸棒土發(fā)揮了三個方面的作用：①凹凸棒土粉末在劇烈的攪拌作用下快速均勻地與水混合，增加了水中懸浮顆粒的濃度，加大了顆粒間的有效碰撞幾率，從而破壞膠體微粒的動力穩(wěn)定性，使膠體顆粒碰撞結(jié)合。②凹凸棒土依靠較大的比表面積及吸附性能，自身能夠吸附水中的部分污染物，并使水中膠體等以其為中心凝聚成密度較大的礬花。③凹凸棒土通常帶有表面負(fù)電荷，在混合階段后期受混凝劑水解聚合物的壓縮雙電層作用影響，ζ電位降低進(jìn)而脫穩(wěn)，相互間進(jìn)一步凝聚形成更大的顆粒體。

在絮凝階段，由于聚合氯化鋁等無機(jī)高分子混凝劑本身不能使絮體致密，形成的絮體體積大、密度小、含水率高，而加入凹凸棒土作為成核物質(zhì)，使水中膠體迅速凝聚，形成了較為密實(shí)的絮體。

在沉淀階段，處于懸浮狀態(tài)的絮凝體主要依靠本身的重力作用而下沉，由于凹凸棒土加入后絮體密實(shí)性強(qiáng)，形成的礬花質(zhì)量也比較大，沉降性能顯著改善。

4 結(jié)論

（1）投加順序和時(shí)間間隔對改性凹凸棒土強(qiáng)化混凝效果有著直接影響。當(dāng)先于聚合氯化鋁1min投加或同時(shí)投加時(shí)，能夠保證凹凸棒土與水體能較好地混合和一定的吸附時(shí)間，而且受絮凝體“包裹”作用最小，對各項(xiàng)污染指標(biāo)的去除效果較好。

（2）當(dāng)聚合氯化鋁投加量為20mg/L、改性凹凸棒土投加量為25mg/L時(shí)，對濁度、高錳酸鹽指數(shù)、UV254和氨氮的去除率分別為97.02%、47.63%、32.46%和31.0%，分別比單獨(dú)投加聚合鋁提高了6%、17%、12%和29%以上；兩者的適宜投加量配比為1∶1～1.25。

（3）改性凹凸棒土參與微污染水源水強(qiáng)化混凝的過程可分為混合階段（或凝聚階段）、絮凝階段、沉降階段，在三個階段分別發(fā)揮了吸附作用、助凝作用和助沉作用