（中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410007）

近年來，我國城市化進程不斷加快，工業(yè)發(fā)展迅速，污水排放量逐漸增加，很多河段都受到不同程度的污染。國務院頒布實施的《水污染防治行動計劃》（“水十條”）明確，2030年實現全國城市建成區(qū)黑臭水體總體得以消除的目標。河流黑臭不僅使城市形象受損、人們的健康受到威脅、水生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，還會影響城市環(huán)境的美觀性，消除河流黑臭現象是我國環(huán)保領域的關鍵任務之一[1-2]。

目前，絮凝劑水處理技術在污水處理領域已得到廣泛的應用[3-5]。市場調研發(fā)現，現今市場上的絮凝劑產品種類繁多，但綜合功效良莠不齊。本文綜合市場調研的結果，優(yōu)選出新型復合硅酸鋁和傳統(tǒng)無機聚合氯化鋁（PAC）這兩種主流絮凝劑進行場地試驗研究。新型復合硅酸鋁絮凝劑主要以高純度自然活性元素與硅酸鋁復合形成新型材料，具有絮凝、離子交換、催化、吸附等功能，對有害有機物、富營養(yǎng)化元素、重金屬等水體污染都能夠起到治理作用。此外，部分新型復合硅酸鋁絮凝劑還添加了一定量的稀土元素，能激活酶活性，通過一系列的化學過程、物理過程和生物過程進行綜合治理。PAC是一種新興無機高分子凈水材料，由于氫氧根離子的架橋作用和多價陰離子的聚合作用，生產出的聚合氯化鋁是相對分子質量較大、電荷較高的一種水溶性無機高分子聚合物，對水中膠體和顆粒物具有高度電中和及橋聯(lián)作用，并可強力去除有毒物質和重金屬離子[6]。同時，聚合氯化鋁具有適應水域寬、水解速度快、吸附能力強、出水濁度低和脫水性能好等優(yōu)點。聚丙烯酰胺（PAM）是一種線性的水溶性聚合物，含大量官能團，通過將其應用于水體修復中，可發(fā)揮強烈的吸附作用，在微粒與微粒之間形成架橋，進而促進水中細微顆粒的凝聚，達到絮凝的作用[7]。PAM常作為助凝劑使用。

本文主要通過對比試驗，研究新型復合硅酸鋁和PAC兩種絮凝劑在常溫常壓下對消除黑臭、提升水質的治理效果。同時，分析新型復合硅酸鋁和PAC兩種絮凝劑的適用條件，總結它們的施工綜合成本，以期對相關工程提供技術支撐并為工程成本概算提供有力的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗現場概況

試驗時間為2017年9月至2018年1月，地點為廣州，9月平均氣溫為30℃。試驗池水深約為1.5 m，底泥深約為0.5～1.0 m，水域面積約為2 000 m2。前池水體化學需氧量（COD）為44.8 mg/L，氨氮（NH3-N）為34.9 mg/L，屬重度黑臭，無大型水生動植物生存，水生生態(tài)系統(tǒng)已經嚴重失衡。

1.2 材料與儀器

試驗所用新型復合硅酸鋁絮凝劑（新型絮凝劑）、底泥改良劑均采購自四川瑞澤科技有限公司。聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）采購自廣州邦森化工科技有限公司。

采用便攜式濁度儀（2100Q，哈希公司）測量水體濁度；使用手持式野外水質測量儀（ProPlus，維賽儀器（北京）有限公司）測定水體pH、溶解氧等；使用調制熒光儀（PHYTO-PAM，上海澤泉科技股份有限公司）對藻類進行類別鑒定并檢測葉綠素-a含量；使用黑白盤法測定水體透明度。樣品的NH3-N、總氮（TN）、總磷（TP）、COD檢測委托給第三方檢測機構，分別采用氨氮分析儀（LH-N11，杭州陸恒生物科技有限公司）、紫外可見分光光度計（Alpha1900、上海譜元儀器有限公司）、微波消解儀（WX-6000，上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司）進行測定。

1.3 試驗方法

1.3.1 新型復合硅酸鋁絮凝劑試驗

參考四川瑞澤科技有限公司給出的產品技術參數，結合試驗現場實際情況，本研究的新型絮凝劑試驗主要分為三個步驟：2017年10月12日，將生態(tài)改底劑45 kg（15 kg/1 000 m3）一次性均勻投放于河道治理試驗區(qū)域內，以降低底泥中污染物質，使底泥中可能被再解析的污染物質大幅度減少，為整體治理提供有利條件；在生態(tài)改底劑（改底劑）投放1 d后，將復合硅酸鋁Ⅰ型450 kg（150 kg/1 000 m3）與水按1∶100的比例混合成稀濃度的混懸液，一次性均勻噴施于河道治理試驗區(qū)域內，以提高水體透明度；在復合硅酸鋁Ⅰ型（Ⅰ型絮凝劑）投放5 d后（2017年10月18日），將復合硅酸鋁活性治污劑Ⅱ型（Ⅱ型絮凝劑）225 kg（75 kg/1 000 m3）與水按1∶100的比例混合成稀濃度的混懸液，一次性均勻噴施于河道治理試驗區(qū)域內，達到強制治污、提升水質的目的。

1.3.2 PAC絮凝劑試驗

往500 mL燒杯中加入試驗區(qū)域的水各500 mL（濁度62 NTU），分別往燒杯中加入定量的PAC（40～30 000 mg/L），用玻璃杯攪拌1 min，隨后靜置約1 h，觀察水體濁度變化，從而選擇合適的PAC用量；根據PAC試驗結果配制合適的PAC濃度，分別加入一定量預先溶解好的各類PAM（用量為PAC的1/50），靜置1 h后取水測濁度。所有試驗重復三次，取其平均值。

2017年12月26日，開展PAC絮凝劑場地試驗，此時試驗區(qū)的水量約為3 000 m3，水體濁度為30 NTU左右。根據上述PAC定量試驗結果，結合試驗區(qū)域水質的變化情況，最終優(yōu)選PAC用量為100 mg/L，PAC用量定為300 kg。由于池內含有泥沙，可以起到類似PAM的作用，PAM不再另加。300 kg PAC被分批溶解到施工小船內，在攪拌的同時均勻灑到試驗區(qū)受污染的水體中。

2 結果與討論

2.1 PAC&PAM定量優(yōu)選試驗

由圖1（a）和表1可知，試驗區(qū)水體的濁度為62 NTU，PAC用量較大（1 000～30 000 mg/L）時，濁度反而升高，水體更加渾濁，此時溶液的pH值變小，pH值的改變將會影響下一步的試驗；當PAC濃度為200 mg/L或400 mg/L時，水體的濁度明顯降低并且相差甚微，分別為2.78 NTU和2.66 NTU，然而200 mg/L的用量更少，成本更低，此時水體pH值基本沒有發(fā)生改變。因此，當前水質條件下，可選擇200 mg/L作為PAC的優(yōu)化用量。

由圖1（b）和表1可知，加入陰離子型的PAM、陽離子型的PAM、陰離子與陽離子混合型的PAM后的水體濁度分別變?yōu)?.08 NTU、2.78 NTU和3.65 NTU，由此可見，經陰離子PAM處理后的水體濁度最低、處理效果最好。與此同時，在相同PAC用量下，陰離子型PAM溶解速度與沉降速度均更快，絮凝效果更好，相對而言，陰離子型PAM的價格也更便宜。因此，針對本試驗的污染水體或者類似的黑臭水體，選用陰離子型PAM處理內循環(huán)的污染水體較為合適。

試驗發(fā)現，在水體含氣量較多、溶氧較高的情況下，絮凝體會上浮，不易下沉，此時不適合施用絮凝劑；加入PAC和PAM后稍微攪拌即可，不可劇烈攪拌，否則會破壞絮體，降低絮凝劑的沉降效果。

圖1 PAC和PAM定量優(yōu)選試驗水體外觀

表1 PAC和PAM定量優(yōu)選試驗數據

2.2 新型復合硅酸鋁絮凝劑對試驗區(qū)藻類的影響

2017年10月18日上午投加完Ⅱ型絮凝劑后，當天下午試驗區(qū)水體明顯泛綠，這一現象一直持續(xù)到10月21日。采集試驗區(qū)內和試驗區(qū)外水樣，經浮游植物分類熒光儀PHYTO-PAM檢測，發(fā)現水體中的藻類主要是綠藻，其葉綠素-a含量變化如圖2所示，試驗區(qū)內水體中葉綠素-a含量由10月19日的2.48 μg/L迅速升高至10月20日的5.84 μg/L，與此同時，試驗區(qū)外水體中的葉綠素-a含量（背景值）僅由1.28 μg/L增加到1.42 μg/L。試驗區(qū)外水體中的葉綠素-a含量明顯低于試驗區(qū)內水體中的葉綠素-a含量。結果表明，試驗區(qū)水體內投加Ⅱ型絮凝劑，可能促進試驗區(qū)內水體中綠藻的快速增長，使得水體表觀呈現綠色。10月22日，試驗區(qū)內水體中藻類開始大量死亡，死亡藻體將有機氮磷釋放到水體中，使得試驗區(qū)水體水質開始變差，表觀變黑。

圖2 水體綠藻葉綠素-a濃度變化

2.3 絮凝劑對試驗區(qū)水體濁度和透明度的影響

2017年10月14-16日，試驗所在地區(qū)連續(xù)三天下著中雨-暴雨，嚴重影響了絮凝劑的使用效果，使得試驗區(qū)濁度增加透明度降低；10月18日投加Ⅱ型絮凝劑后，濁度顯著降低、透明度增加，絮凝出現初步效果；然而，隨著水中藻類的爆發(fā)以及死亡，試驗區(qū)濁度處于較高的水平，如圖3（a）所示。由圖3（b）可知，2017年12月26日投加新型絮凝劑后水體的透明度顯著增加，濁度降低，透明度從投加前的36 cm提高到投加后的45 cm，濁度從投加前的30 NTU下降到投加后的21 NTU。由于間歇性曝氣的影響，隨后兩天絮體被曝氣機打碎翻起并未沉入池底，使得透明度小幅降低，濁度升高。12月29日后，絮體全部沉入池底，試驗區(qū)內水體透明度大幅提升，從試驗前的36 cm最高提高到70 cm，濁度則顯著下降，從試驗前的30 NTU最低降到4.42 NTU，從而改善了水體的光照條件，為藻類的繁殖等創(chuàng)造了良好的條件，有效促進水體中好養(yǎng)微生物的生長與繁殖。因此，傳統(tǒng)PAC絮凝劑能更好地提高水體透明度，降低水體濁度。

圖3 投加新型絮凝劑和PAC后試驗區(qū)水體透明度和濁度變化

2.4 絮凝劑對試驗區(qū)水體TN和NH3-N的去除作用

投加絮凝劑后，試驗區(qū)水體中NH3-N和TN變化趨勢如圖4所示。由圖4（a）可以看出，試驗區(qū)水體中的NH3-N和TN在2017年10月12日和13日分別投加改底劑和Ⅰ型絮凝劑后呈現明顯降低趨勢，10月18日Ⅱ型絮凝劑投加后，二者持續(xù)降低，TN和NH3-N分別從10月12日的25.9 mg/L、19.8 mg/L下降到19日的14.5 mg/L、14 mg/L，TN和NH3-N最高降幅分別達到44.0%和29.3%。TN的降低同水體中硝化與反硝化的交替作用相關。白天水體中藻類較強的光合作用釋放大量O2，使水體處于好氧狀態(tài)，夜間藻類較強的呼吸作用消耗O2，使水體處于缺氧狀態(tài)；好氧環(huán)境下的硝化作用使得NH3-N轉化為硝態(tài)氮，厭氧環(huán)境的反硝化作用將硝態(tài)氮轉化為N2逸出水體，好氧-缺氧環(huán)境在水體中的交替使硝化與反硝化交互作用，降低了水體中的TN。NH3-N的降低可能有以下三點原因：其一，復合硅酸鋁水處理劑具有較強的陽離子交換能力，能吸附NH3-N（NH4+）并沉積于水底；其二，復合硅酸鋁水處理劑中所含的鑭、鈰元素能與污染水體中NH4+和PO43-生成難溶復鹽 REE（NH4）3（PO4）2·6H2O，水處理劑與復鹽發(fā)生化學吸附并形成穩(wěn)定的沉淀固定于水底，從而降低水體中NH3-N；其三，水體透明度改善后，藻類及微生物快速生長繁殖，消耗了水體中的氮元素，將氮素轉化為自身生物量。10月22日后NH3-N和TN含量有所升高可能與22日綠藻的大量死亡有關，大量死亡的綠藻將含有的有機氮重新釋放到水體中，NH3-N和TN含量升高。

2017年12月24日至2018年1月2日，試驗區(qū)所在地區(qū)氣溫保持在19～23℃，均為多云或晴天。由圖4（b）可以看出，試驗區(qū)水體中的TN和NH3-N在2017年12月26日投加PAC后明顯下降，分別下降到12月31日的19.9 mg/L、16.2 mg/L，相應的去除率分別達到40.6%、43.8%。這可能是由于天氣狀況適宜，投加PAC后絮凝效果明顯，水體透明度大大增加，有效促進了水體中藻類的光合作用，使得白天好氧微生物快速生長繁殖，硝化作用強烈，晚間水體處于缺氧環(huán)境，反硝化作用比較強，如此交替作用使得水體中的NH3-N和TN含量快速降低。由此可見，PAC與新型絮凝劑對NH3-N和TN均有較好的去除能力，天氣狀況對絮凝劑的使用效果影響很大。

2.5 絮凝劑對試驗區(qū)水體TP的去除作用

圖5為投加絮凝劑后試驗區(qū)水體中TP的變化情況。由圖5（a）可以看出，在投加新型絮凝劑后，TP含量持續(xù)降低，從10月12日的1.74 mg/L下降到19日的0.264 mg/L，最高降幅高達到84.8%。TP的降低可能同兩個因素相關：其一，絮凝劑中的鑭、鈰元素同水體中NH4+和PO43-生成難溶復鹽REE（NH4）3（PO4）2·6H2O，復鹽化學吸附到絮凝劑上并形成穩(wěn)定的沉淀固定于水底；其二，綠藻的大量繁殖消耗了水體中的磷元素。10月22日，綠藻的大量死亡致使微生物體內的磷元素釋放到水體中，因此水體TP含量開始上升。2017年12月26日，投加PAC后，試驗區(qū)水體中TP的含量呈明顯下降趨勢，一直下降到2018年1月2日的1.1 mg/L，TP的去除率達到58.0%，這主要是由PAC的混凝沉淀作用造成的。相比而言，新型絮凝劑對試驗區(qū)TP的去除效果更佳，可以使水質短暫達到地表水IV類標準。

圖4 投加新型絮凝劑和PAC后試驗區(qū)水體TN和NH3-N變化

圖5 投加新型絮凝劑和PAC后試驗區(qū)水體TP的變化

2.6 絮凝劑對試驗區(qū)水體COD的去除作用

圖6為絮凝劑投加前后試驗區(qū)水體化學需氧量（COD）隨時間的變化情況。從圖6（a）可以看出，試驗區(qū)水體中的COD含量在投加改底劑和Ⅰ型絮凝劑后有所增加，主要是因為改底劑有效促使底泥中的物質分解轉化，所降解的有機質釋放到水體中，使得水體COD含量增加；10月18日投加Ⅱ型絮凝劑之后，隨后直至10月24日COD含量均表現為快速升高，這主要是水體中綠藻的大量繁殖導致的，圖2中相應時間內葉綠素-a的快速增加印證了這點。促使藻類迅速增長的主要原因可能有：其一，Ⅱ型絮凝劑投加后，水體透明度得到進一步改善，光照充足，藻類的光合作用加強，水體也未受擾動，生物量開始積累；其二，新型絮凝劑中含有稀土元素鑭和鈰，能激活綠藻酶活性，促進綠藻的繁殖與生長；其三，水體富營養(yǎng)化，氮磷含量豐富。

2017年12月26日，投加PAC后，試驗區(qū)水體中COD的含量呈明顯下降趨勢，從2017年12月26日的51.3 mg/L下降到12月31日的31.7 mg/L，COD的去除率為38.2%，主要原因是PAC有較好的吸附能力，具有較強的絮凝沉淀作用。因此，PAC比新型絮凝劑更有利于去除試驗區(qū)水體內的COD。

圖6 投加新型絮凝劑和PAC后試驗區(qū)水體COD的變化

2.7 絮凝劑的綜合使用成本

由表2、表3可知，新型絮凝劑與PAC兩種絮凝劑綜合使用成本有著很大差距。因為Ⅱ型絮凝劑含一定的稀土元素，每噸高達19.35萬元，其用量較大，為75 kg/1 000 m3，新型絮凝劑施工費用（包括運輸費）較高，達到4.5萬元，整個新型絮凝劑試驗總花費為10.564萬元，平均成本高達2.457萬元/1 000 m3。但是，傳統(tǒng)PAC絮凝劑成本僅為0.17萬元/t，整個PAC試驗花費僅為0.114萬元，平均成本低至0.027萬元/1 000 m3。

傳統(tǒng)絮凝劑PAC的綜合成本僅為新型絮凝劑的百分之一，差距巨大。顯然，新型絮凝劑在成本上具有較大的競爭劣勢，雖然使用前期水質得到改善，但后期由于藻類的死亡，水質又變差，不能長效維持水質，加之成本較貴，不建議工程項目使用。若需要大面積應急提高水體透明度，使用PAC即可，其具有成本低廉、貨源廣泛、施工簡單和效果顯著等優(yōu)勢。

表2 新型絮凝劑和PAC綜合成本對比（一）

表3 新型絮凝劑和PAC綜合成本對比（二）

3 結論

在水體濁度為30 NTU時，PAC用量100 mg/L較為合適；在相同PAC用量下，陰離子型PAM比陽離子型PAM絮凝效果更好，絮體的沉降速度更快，價格更便宜，更適合用在試驗區(qū)內水體中作為助凝劑。PAC投加后，水體的透明度從試驗前的36 cm提高到70 cm，濁度從試驗前的30 NTU降低到4.42 NTU，水體透明度明顯增加，濁度降低。投加PAC后，水質在2～3 d內即可得到有效改善。

新型絮凝劑投加后，試驗區(qū)水體中NH3-N、TN、TP指標顯著降低，NH3-N、TN降幅分別達到29.3%和44.0%，總磷下降明顯，降幅達84.8%，水質得到改善。此外，新型絮凝劑所含的稀土元素還能促進微生物生長，也能與水體中的N、P等物質生成難溶的復鹽，起到進一步提升水質的作用。PAC絮凝劑投加后，試驗區(qū)水體中TN、NH3-N、TP、COD分別下降40.6%、43.8%、58.0%和38.2%，表現出較強的絮凝沉淀效果。

改底劑可降解底泥中污染物質；Ⅱ型絮凝劑所含的稀土元素（鑭和鈰）能激活綠藻的酶活性，促進綠藻的繁殖與生長，從而有效降低水體N、P含量，綠藻的光合作用及呼吸作用在水體中營造出交替的好氧環(huán)境和厭氧環(huán)境，也有利于微生物的硝化作用和反硝化作用，使得TN快速降低。

使用新型絮凝劑平均成本高達2.457萬元/1 000 m3，而傳統(tǒng)PAC絮凝劑平均成本低至0.027萬元/1 000 m3，傳統(tǒng)絮凝劑PAC的綜合成本僅為新型絮凝劑的百分之一，差距巨大。若需要大面積應急提高水體透明度，推薦使用PAC，其具有成本低廉、貨源廣泛、施工簡單、見效迅速且效果顯著的優(yōu)勢。