王宇鋒 吳寶峰

摘要：研究表明，腐殖酸類部分雖只占溶解態(tài)有機(jī)物的一半左右，但其對氯仿的貢獻(xiàn)卻在一半以上。在不同溶解態(tài)有機(jī)物中，腐殖酸類化合物對氯化后生成的氯化烴的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于其總有機(jī)碳含量分?jǐn)?shù)。因此，腐殖酸類物質(zhì)是最重要的三鹵甲烷先質(zhì)，以腐殖酸為研究對象具有代表性和典型性。

關(guān)鍵詞強(qiáng)化混凝；腐殖酸；硫酸鋁；共聚絡(luò)合

KeyWords：enhanced coagulation; Humic acids; alum sulfatc; co-precipitation

一、去除污染物概述

水源中的有機(jī)污染物可分為兩類：天然有機(jī)物（NOM）和人工合成有機(jī)物(SOC)。天然有機(jī)物分為腐殖質(zhì)和非腐殖質(zhì)。非腐殖質(zhì)易被水中的微生物分解，其殘留是相當(dāng)?shù)偷?。而腐殖質(zhì)是一類酸性的、多分散的、偶然性聚合的高分子有機(jī)物，來源于土壤腐殖質(zhì)、水生植物和低等浮游生物的分解，也是某些地下水和地表水的主要成色物質(zhì)（黃褐色或淡黃褐色），約占水中溶解性有機(jī)碳（DOC）的40%—60%。腐殖質(zhì)按其在堿和酸中的溶解度可分為三種：腐殖酸（溶于稀堿溶液，易在酸中沉淀析出）、富里酸（溶于酸堿）、腐植素（難溶于酸堿）。其中，腐殖酸在天然水中的含量較低，但它是水體中天然有機(jī)物的代表性物質(zhì)，也是當(dāng)今水處理的重點(diǎn)去除對象。研究表明，腐殖酸類部分雖只占溶解態(tài)有機(jī)物的一半左右，但其對氯仿的貢獻(xiàn)卻在一半以上。在不同溶解態(tài)有機(jī)物中，腐殖酸類化合物對氯化后生成的氯化烴的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于其總有機(jī)碳含量分?jǐn)?shù)。因此，腐殖酸類物質(zhì)是最重要的三鹵甲烷先質(zhì)，以腐殖酸為研究對象具有代表性和典型性。

去除水中天然有機(jī)物的理論研究和技術(shù)開發(fā)是目前國內(nèi)外水污染控制領(lǐng)域的重要研究課題，也是控制消毒副產(chǎn)物的一個重要途徑。強(qiáng)化混凝是美國環(huán)境保護(hù)署推薦采用的作為去除天然有機(jī)物，控制12種消毒副產(chǎn)物的最佳方法(BAT)。在強(qiáng)化混凝的研究中，不同金屬鹽與腐殖酸的混凝及共聚絡(luò)合特性研究是針對水中NOM的混凝問題開展的基礎(chǔ)性研究課題。目前采用鐵鹽和鋁鹽去除水中腐殖酸是水處理最基本、最重要的方法。本試驗(yàn)研究選取鋁鹽為代表金屬鹽，通過鋁鹽對腐殖酸的投加試驗(yàn)，來確定去除腐殖酸的最佳pH值和投藥量，由此確定強(qiáng)化混凝原水最經(jīng)濟(jì)的工藝，并探討腐殖酸與鋁鹽的共聚絡(luò)合特性。

二、強(qiáng)化混凝

常規(guī)給水處理工藝對有機(jī)物去除起主要作用的是混凝工藝，影響混凝效果的因素很多：包括混凝劑的種類、投加量、原水水質(zhì)、混凝pH值、堿度、混凝攪拌程度以及混凝劑與助凝劑的投加順序等。強(qiáng)化混凝就是通過采取一定措施，確定混凝的最佳條件，發(fā)揮混凝的最佳效果，盡可能地去除在混凝階段能夠去除的成分，特別是溶解性有機(jī)成分。

強(qiáng)化混凝定義:通過增加混凝劑的投藥量或調(diào)整pH值，來提高常規(guī)處理對NOM的去除效果，最大限度的去除消毒副產(chǎn)物的前體物(OBPFP)，而不只是滿足降低濁度要求，保證飲用水消毒副產(chǎn)物符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的方法。

實(shí)際上，強(qiáng)化混凝概念是對傳統(tǒng)混凝概念的深入，它是指以去除濁度、有機(jī)污染物以及由有機(jī)污染物引起的色度、嗅味、藻類、氯仿前質(zhì)、致突變物質(zhì)為主要目標(biāo)的，在傳統(tǒng)混凝工藝基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)、優(yōu)化和新增以去除有機(jī)污染物為主的混凝。通過強(qiáng)化混凝一方面可以提高混凝工藝對NOM 的去除效果，另一方面還可以改變水的理化性質(zhì)來改善后續(xù)工藝的處理效果。影響強(qiáng)化混凝的因素有:混凝劑的類型及投量,pH值，堿度，原水中有機(jī)物濃度等。

三、鋁鹽處理腐殖酸的試驗(yàn)研究

強(qiáng)化混凝技術(shù)首先要根據(jù)水質(zhì)情況篩選優(yōu)化確定混凝劑的種類和投量。一般，鋁鹽和鐵鹽的混凝效果要優(yōu)于人工合成的混凝劑，原因是這兩種混凝劑可以按下述的混凝機(jī)理與NOM作用，而人工合成的有機(jī)陽離子聚合混凝劑只能通過電性中和與NOM反應(yīng)，將其去除。盡管各種混凝劑的混凝效果不同，但對于確定的水質(zhì)，在原水pH值一定的條件下都會存在一個最佳投量。本實(shí)驗(yàn)選用硫酸鋁作為混凝劑，進(jìn)行對腐殖酸的投加試驗(yàn)。

1、確定最佳pH值的試驗(yàn)

選擇0.25，0.5，0.75ml作為硫酸鋁的投加量（以鋁離子計(jì)），改變水樣的pH值（pH=4，4.5，5，5.5，6，6.5，7，8，9），進(jìn)行腐殖酸混凝燒杯試驗(yàn)?；炷畼芋w積為200ml，設(shè)定混凝程序如下：快速混合200r/min，持續(xù)時間1min；慢速絮凝20r/min，持續(xù)時間5min；沉淀靜置10min。取樣測定TOC、UV254，考察pH值對混凝效果的影響，確定腐殖酸與硫酸鋁混凝的最佳pH值范圍。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，pH值對腐殖酸的混凝效果影響很大。在低投藥量下,TOC和UV254的最高去除率都在pH值為4.5～5.5之間,在中性條件時，即在pH=7.0附近，TOC和UV254也有較好的去除率。當(dāng)pH值大于7.5以后,混凝效果開始變的較差?？梢钥闯觯琾H值在4.5～7.5的條件下都有不錯的混凝效果,pH值大于8后幾乎沒有混凝效果.

西安建筑科技大學(xué)的王曉昌教授及其學(xué)生用硫酸鋁對有機(jī)物進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)，得出pH=5.0左右為混凝去除有機(jī)物的最佳pH值，此時DOC去除效果可達(dá)80%。

此外，也有研究表明，在pH=5.0和7.0條件下，腐殖酸均會出現(xiàn)較高的去除情況，而且，大多數(shù)天然水體的酸度在中性范圍以內(nèi)。

對上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合考慮：在酸性條件下，三種不同投藥量下的腐殖酸的去除效果均在pH=5.0左右達(dá)到最好;而在中性條件下, 三種不同投藥量下的腐殖酸的去除效果均在pH=7.0左右效果最好.因此,我們確定腐殖酸與硫酸鋁混凝的最佳pH值為5.0和7.0。

2、pH=5.0和pH=7.0的混凝實(shí)驗(yàn)

對用提取腐殖酸配制的原水進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)，觀察在不同投藥量時TOC、和UV254的去除情況。實(shí)驗(yàn)過程

1、取腐殖酸溶液各400ml，分別放入9個500ml的燒杯中，編號1-9，每個燒杯加入不同量的Al2(SO4)3溶液。1號0.1，2號0.25，3號0.5，4號0.75，5號1，6號1.25，7號1.5，8號1.75，9號2 (單位：ml)。調(diào)pH值=5±0.05和pH值=7±0.05

2、燒杯攪拌試驗(yàn)，現(xiàn)象：1號杯無礬花，其余杯有礬花，并依次變大。

3、0.45μm膜過濾后，測CODMn。

4、0.45μm濾膜過濾后，測TOC和UV254。

四、試驗(yàn)結(jié)論

(一)試驗(yàn)結(jié)果

(l) 在pH=5.0和7.0條件下強(qiáng)化混凝對TOC的去除效果都能大于50%,可以達(dá)到一個相對來說較為理想的效果.綜合考慮，pH=5.0時，最佳投藥量為0.75ml，因?yàn)樗?.75ml經(jīng)濟(jì)。而在pH=7.0時，最佳投藥量為1.75ml。

(2) pH=5.0和7.0 時，在低投藥量下，混凝去除有機(jī)物的機(jī)理主要以吸附-電中和為主.加大藥量，在混凝劑投藥量又不是很高時，由于顆粒間的電荷作用，形成的絮體沉降性較差，繼續(xù)加大混凝劑量后，網(wǎng)捕作用成為主要機(jī)理，TOC去除率又得以恢復(fù)。

(3) TOC、CODMn以及UV254在pH=7.0時達(dá)到最高去除率的投藥量是pH=5.0的2倍多。這是因?yàn)樵趐H=7.0條件下，硫酸鋁的水解產(chǎn)物主要是Al(OH)3，混凝機(jī)理以網(wǎng)捕作用為主，無機(jī)顆粒和有機(jī)物的去除都要靠Al(OH)3的卷掃作用，這就必須加入大量混凝劑，形成足夠的Al(OH)3才能達(dá)到較高的去除率。

(4)從試驗(yàn)現(xiàn)象來看, pH=5.0和7.0 時,燒杯內(nèi)的礬花沉淀明顯,水樣清澈透明,去除效果相當(dāng)好?？梢?，在此條件下，對色度和濁度的去除效果很好。

(5) 從數(shù)據(jù)可以看出,pH=5.0和pH=7.0時相似,TOC與UV254的變化趨勢相似。CODMn的變化也與TOC與UV254類似,都呈現(xiàn)出:不變→降低→回升→降低的趨勢.不過總體來看,pH=7.0時硫酸鋁對有機(jī)物去除率明顯比在pH?=5.0低,在弱酸性條件下對有機(jī)物的去除效果較好。

(二)硫酸鋁與腐殖酸的共聚絡(luò)合特性

（1）對腐殖酸溶液混凝的理論研究證實(shí)了有機(jī)物質(zhì)的去除在不同的pH值和投加量時，可以通過電性中和形成沉淀和氫氧化物絮體吸附共沉淀兩種機(jī)理進(jìn)行。

（2）在pH=5.0的弱酸性條件下，水中殘余鋁離子濃度幾乎與總投量保持線性關(guān)系，說明與腐殖酸發(fā)生反應(yīng)的鋁離子濃度一直與總投量保持一定比例。說明弱酸性條件下硫酸鋁與腐殖酸發(fā)生占絕對優(yōu)勢的共聚絡(luò)合反應(yīng)，因此硫酸鋁與腐殖酸的結(jié)合能力強(qiáng)。

（3）在中性條件下（pH=7.0），鋁離子與水中氫氧根離子之間的水解反應(yīng)和鋁離子與腐殖酸之間的共聚絡(luò)合反應(yīng)同時發(fā)生，但由于pH值升高至7.0而增加的OH-使鋁離子的水解反應(yīng)占明顯優(yōu)勢，因此該條件下鋁鹽與腐殖酸的結(jié)合主要依靠氫氧化鋁沉淀物對腐殖酸分子的吸附和網(wǎng)掃作用。