強化混凝

   混凝現(xiàn)象是自然界與人工強化水處理體系中普遍存在的現(xiàn)象之一．在天然水體中，混凝過程是水質(zhì)轉(zhuǎn)化十分顯著的影響因素，對水體顆粒物及有害／有毒物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化與歸宿起著十分重要的作用(Tang et a1．，1999a)．作為水與廢水處理的重要方法之一，混凝技術(shù)得以廣泛地應(yīng)用于各種水處理工藝流程之中，決定著后續(xù)流程的運行工況，以及*終出水質(zhì)量與成本費用．因而成為環(huán)境工程的重要科技研究開發(fā)領(lǐng)域，在我國水處理高新技術(shù)的發(fā)展中占有重要地位(Tang，1999b)．與此同時，隨著人類生存環(huán)境的惡化，水資源問題成為我國21世紀(jì)國民經(jīng)濟發(fā)展中僅次于人口的**大困擾難題(Wang，1999)．在水資源問題互為因果、辯證相關(guān)的水量與水質(zhì)兩方面中，由于水環(huán)境污染的加劇水質(zhì)問題尤顯突出和嚴(yán)峻．混凝技術(shù)作為其中得到廣泛應(yīng)用的重要水處理方法，在凈化提高水質(zhì)從而增加有效水量中起著關(guān)鍵作用，成為解決整個水資源問題中的十分重要的環(huán)節(jié)之一．
  隨著環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重以及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格化，常規(guī)混凝技術(shù)顯然已經(jīng)不能滿足人們對水質(zhì)**的要求．尤其由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展，而環(huán)保力度普遍不足，水**問題在近年來陡顯突出．保護水源，發(fā)展、完善水**保障技術(shù)顯得十分迫切．而強化混凝與優(yōu)化混凝在現(xiàn)有的水處理工藝設(shè)施基礎(chǔ)上進行改進與提高的同時，兼顧前后續(xù)工藝流程的運行工況使水與廢水達到深度處理的效果．因此很有必要對其發(fā)展概況以及重點研究方向加以分析探討．并進一步促進完善我國的水處理工藝技術(shù)，推動我國水工業(yè)的發(fā)展．
1 強化混凝／優(yōu)化混凝的提出(Proposal ofenhancedc0agu1ati0n／0ptimized coagulation)
1．1 混凝研究概況
混凝過程的研究貫穿于膠體與界面科學(xué)、水質(zhì)科學(xué)的歷史發(fā)展進程之中．對于膠體穩(wěn)定與解穩(wěn)的研究構(gòu)成膠體科學(xué)領(lǐng)域的一個重要內(nèi)容，連同膠體自身性質(zhì)的研究一起成為膠體科學(xué)發(fā)展的兩大支柱．到了20世紀(jì)60年代，相繼發(fā)表的“混凝化學(xué)觀”與“混凝計量學(xué)”成為混凝研究發(fā)展過程中的里程碑(Stumm eta1．，1962；Stumm et a1．，1986)，與此同時一些學(xué)者也發(fā)表了重要論文(Tang，1965；Hahn et a1．，1968；Ives，1978；Dobias，1994)，例如我國學(xué)者提出的混凝膠體化學(xué)觀及絮凝形態(tài)學(xué)．而流體力學(xué)觀、物理觀及溶液化學(xué)作用的研究進一步深化了對混凝作用機理的認(rèn)識．由Ives集合眾多學(xué)者編輯的“絮凝的科學(xué)基礎(chǔ)”的發(fā)表(Ives，1978)，奠定了混凝研究作為一門獨立研究學(xué)科的基礎(chǔ)．把混凝技術(shù)的理論深度與應(yīng)用廣度推向了新的階段．
另外國內(nèi)外發(fā)表了大量的文獻與專著，其代表性的有“論水的混凝”、“凝聚與絮凝”等等(Babinrof，1979；Ma et a1．，1988；Chang et a1．，1991；Fan，1992；Yao，1992)．而以混凝研究為專題的討論會得到不斷的舉行，并在世界范圍建立了學(xué)術(shù)網(wǎng)絡(luò)，使混凝研究成為環(huán)境科學(xué)與技術(shù)中十分活躍的研究領(lǐng)域(Particle separation specialist groups，2005；Particle separation specialist groups，2003；Particleseparation specialist groups，2000)．隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，水質(zhì)問題越來越引起人們的關(guān)注．對于水體顆粒物的形態(tài)和功能的研究成為近代環(huán)境水化學(xué)的主導(dǎo)內(nèi)容，其研究的日漸深入成為環(huán)境水化學(xué)向水質(zhì)學(xué)過渡的一個重要推動因素．在水體中，顆粒物與各種污染物發(fā)生多種溶液的或界面的反應(yīng)，連同其自身的相互作用，很大程度地轉(zhuǎn)化甚至決定著水質(zhì)．研究水體顆粒物的穩(wěn)定與失穩(wěn)聚集過程的作用機理與定量規(guī)律也因此成為近年來水化學(xué)中*活躍的研究領(lǐng)域．
    近幾十年來，混凝技術(shù)領(lǐng)域研究在各方面均取得了較大的成果，呈現(xiàn)出十分活躍的發(fā)展趨勢，并面臨著突破性進展的前沿．其主要研究內(nèi)容可以粗略地歸納為3個方面，即混凝化學(xué)(原水水質(zhì)化學(xué)、混凝劑化學(xué)、混凝過程化學(xué))、混凝物理(混凝動力學(xué)與形態(tài)學(xué))與混凝工藝學(xué)(包括混凝反應(yīng)器與混凝過程監(jiān)控技術(shù))．混凝化學(xué)研究所取得的成果使人們得以從分子水平探討混凝過程及混凝劑自身化學(xué)形態(tài)(包括溶液化學(xué)、顆粒與表面形態(tài))的分布與轉(zhuǎn)化規(guī)律，推動了混凝劑的分子設(shè)計、科學(xué)選擇及混凝工藝方案的優(yōu)化設(shè)計．而混凝物理的研究使人們對不同碰撞聚集作用機制下如布朗運動、流體剪切、差速沉降等顆粒物之間的動力學(xué)反應(yīng)過程有了更為深刻的認(rèn)識，提供了混凝反應(yīng)器及*優(yōu)與強化混凝工藝設(shè)計基礎(chǔ)．由于各種監(jiān)測技術(shù)的發(fā)明與應(yīng)用，使得混凝過程得到有效的監(jiān)控并趨向自動化發(fā)展．在此基礎(chǔ)上，對投藥監(jiān)控的研究提出了若干定量計算模式并應(yīng)用于工程實踐，推動著混凝理論研究的發(fā)展．然而，雖然對于混凝過程中的各種影響因素漸漸得到明確，綜合性的實驗研究仍然十分缺乏，制約著人們對混凝過程本質(zhì)性的認(rèn)識．對于一既定體系(一定的水源及處理設(shè)施與選定的混凝劑)以定量計算來描述整體工藝流程，仍然是該領(lǐng)域研究人員所為之努力追求與奮斗的目標(biāo)．隨著水環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格化，以及對水處理工藝自動化與降低成本費用的迫切要求，深入研究混凝過程本質(zhì)，定量描述其絮體的形成、結(jié)構(gòu)、行為與性能以及諸影響作用關(guān)系，對混凝工藝過程的調(diào)控與實施，具有重要的理論價值與廣泛的應(yīng)用前景，成為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)與水工業(yè)的前沿?zé)狳c問題．
1．2 強化混凝與優(yōu)化混凝的概念與定義
有關(guān)凝聚、絮凝的概念已有較多的論述，鑒于混凝現(xiàn)象的復(fù)雜性乃至混雜性，一直對其缺乏科學(xué)的定義(Wang，1999)．一方面，沿襲著傳統(tǒng)的觀點如凝聚(Coagulation)與絮凝(Flocculation)的概念，以及在水處理界中所用以分指整個處理過程中的兩個較為明顯的步驟，雖然也常常不加區(qū)分以同義詞看待或以混凝概之；另一方面，針對一些特殊的過程或為了強調(diào)某些具體特征，出現(xiàn)了一些新概念且得到不斷地修正．這從某種角度上反映了混凝理論的進展與存在的不足，因此在這里作下述的限定：混凝(Coagulation／Coagulation—flocculation)是指對混和、凝聚、絮凝的總括，具有廣義與狹義的雙重性．廣義而言，混凝泛指自然界與人工強化條件下所有分散體系(水與非水或混合體系)中顆粒物失穩(wěn)聚集生長分離的過程．而狹義上指水分散體系中顆粒物在各種物理化學(xué)流體作用下所導(dǎo)致的聚集生長過程，這也是本文將著重討論的范疇．引發(fā)混凝過程的化學(xué)藥劑概稱為混凝劑，涵蓋了所有無機型、有機型、混合型、復(fù)合型、天然型乃至助凝劑在內(nèi)的或低分子凝聚劑或高分子絮凝劑．目前，有關(guān)納米顆粒物的形成與聚集過程的研究進一步豐富了混凝的內(nèi)涵，必將增進對混凝機理的深入認(rèn)識．而強化混凝的概念由來已久，早在美國AWWA會刊(1965)的一篇論文中有所論述．而美國水工協(xié)會在20世紀(jì)90年代提出的強化混凝是指水處理常規(guī)混凝處理過程中，在保證濁度去除效果的前提下，通過提高混凝劑的投加量來實現(xiàn)提高有機物(相應(yīng)的也即**副產(chǎn)物／DisinfectionBy-products／DBP前驅(qū)物)去除率的工藝過程(Edzwald eta1．，1999)．這一強化混凝的概念也即基于混凝劑投加量的提高或反應(yīng)pH條件控制的混凝過程．優(yōu)化混凝則是在強化混凝的基礎(chǔ)上提出來的，是具有多重目標(biāo)的混凝過程(Edzwald eta1．，1998)，包括*大化去除顆粒物和濁度；*大化去除TOC和DBP前驅(qū)物；減小殘余混凝劑的含量；減少污泥產(chǎn)量；*小化生產(chǎn)成本．
  從工藝研究的角度而言，強化混凝側(cè)重于在現(xiàn)有水處理工藝設(shè)施上的改進與提高也即強化，可以并需要通過對混凝劑的篩選優(yōu)化、混凝劑劑量與混凝反應(yīng)過程以及反應(yīng)pH條件的控制強化來實現(xiàn)．而結(jié)合前處理如預(yù)氯化、預(yù)氧化等，以及后續(xù)處理過程如強化過濾、深度處理等系統(tǒng)性的結(jié)合，則屬于優(yōu)化混凝的范疇．優(yōu)化混凝是一個總體綜合、系統(tǒng)化的過程．然而從水處理的實際過程來看，兩者并不能截然區(qū)分．往往是“強化中的優(yōu)化，優(yōu)化中的強化”．強化混凝需要通過混凝劑、混凝反應(yīng)條件與反應(yīng)過程的控制強化來實現(xiàn)的同時，必須兼顧前、后續(xù)流程的運行工況(而非簡單的雖然是其中*重要的——基于混凝劑投加量的提高或反應(yīng)pH條件控制)，才能達到真正強化也即優(yōu)化的目的．
1．3 **劑／**副產(chǎn)物法規(guī)和應(yīng)用
天然有機物(NOM)在水體中廣泛存在．不僅于天然水體，而且在水處理終端的出水中也無法徹底去除．由于有機物的存在不僅造成色、嗅、味等方面嚴(yán)重影響水質(zhì)，促進或復(fù)雜化水體中污染物的遷移．而且在水處理工藝中增大藥劑的消耗，更重要的是在氯化**過程中生成的**副產(chǎn)物(DBP)如THMs、HAAs等會對人體健康造成不利的影響，這已在近年來的研究中得到證實，并且逐步明確和強化．
隨著人們對水體中的有機物和DBP重視程度的不斷提高，1986年美國**飲用水法案(SafeDrinking WaterAct(SDWA))要求美國環(huán)保局(EPA)制定相關(guān)污染物的*高污染物濃度水平(MCL)和**劑／**副產(chǎn)物法規(guī)(Disinfectants／Disinfection By-products Rule)(USEPA，1 999)．1992— 1993年后，美國EPA提出3項法規(guī)：**階段**副產(chǎn)物法規(guī)(the Stage 1DBPR)、過渡階段強化地表水處理法規(guī)(the InterimEnhanced Surface WaterTreatment Rule，IESWTR)以及信息收集法規(guī)(theInformationCollection Rule，ICR)(USEPA，1999)．根據(jù)信息收集法規(guī)收集的有關(guān)**副產(chǎn)物、前驅(qū)物等數(shù)據(jù)以及處理系統(tǒng)的研究、健康效應(yīng)研究及其他相關(guān)調(diào)查研究將被用于制定和發(fā)展**階段**副產(chǎn)物法規(guī)(the Stage 2 DBPR)和長期強化地表水處理法規(guī)(the Long Term 2 Enhanced SurfaceWaterTreatment Rule，LT2ESWTR)．
1996年頒布了**副產(chǎn)物規(guī)則(**階段)，制定了相關(guān)污染物的*高污染物濃度水平(MCL)和**劑／**副產(chǎn)物規(guī)則．要求到1998年6月前，美國的水處理廠必須在相應(yīng)條件下達到相應(yīng)的TOC去除率(Edzwald eta1．，1998；Edzwald et a1．，1999；USEPA，1999)．表1～表3中列出美國環(huán)保局所制訂的相關(guān)污染物、**副產(chǎn)物*高水平目標(biāo)，以及**副產(chǎn)物前驅(qū)物處理的基本要求，規(guī)則包括Step 1(**階段)和Step2(**階段)兩種情況．如果有些水體在處理后無法達到強化混凝**步的要求，則必須執(zhí)行強化混凝**步的程序．不另外加酸調(diào)節(jié)pH值，以10 mg?L 為單位(以鋁計)增加混凝劑的投量，測定TOC的去除率．如果在增加10 mg?L 所帶來的TOC的去除率增量小于0．3 mg?L 或者pH值已經(jīng)達到表3中所示的pH值時，被認(rèn)為已經(jīng)達到遞減收斂點，并以此時的TOC去除率作為應(yīng)該達到的*低要求．
為了去除DBP，應(yīng)盡量降低水體中天然有機物尤其是DBP前驅(qū)物．通過研究，將TOC的去除作為去除DBP前驅(qū)物的主要替代指標(biāo)．為了達到上述目標(biāo)，制水企業(yè)可以采取多種方法，而并非必須采取強化混凝．如有些水體或原水水質(zhì)經(jīng)過常規(guī)處理或常規(guī)混凝已經(jīng)達到上述要求，或者有些水體中的TOC指標(biāo)經(jīng)過活性炭吸附處理已經(jīng)達到規(guī)定的要求，則沒有必要進行強化混凝．通過對混凝過程的研究發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)臏囟群?span lang="EN-US">pH值條件下，在一定范圍內(nèi)，隨著混凝劑投量的增加，有機物的去除率隨之提高，而出水濁度并不至變差．這在一定條件下，不僅技術(shù)上可行而且經(jīng)濟上也是可行的，相較那些復(fù)雜而且昂貴的設(shè)備改造、工藝改進方案，強化混凝被認(rèn)為是處理DBP前驅(qū)物的*可行技術(shù)(BAT，Best Available Technology)，因此被提到常規(guī)工藝的改進中來(USEPA，1999)
2 研究進展(Research advances)
2．1水體顆粒物、溶解性有機物分析與表征在天然水體與人工強化水處理體系中，存在著形形**、紛繁復(fù)雜的顆粒物．它們或分散懸浮，或聚集沉降成為水底沉積物，并在一定條件下可以重新懸浮、遷移轉(zhuǎn)化．水體顆粒物作為現(xiàn)代水質(zhì)科學(xué)的重要研究對象，具有十分廣泛的概念范疇，包含有十分豐富的含義內(nèi)容．諸如包括高分子物質(zhì)、膠體、懸浮顆粒以及有生命的**、藻類、原生動物等有機、無機乃至生物物質(zhì)，或天然形成、或人為污染并伴隨著復(fù)雜的水質(zhì)轉(zhuǎn)化過程．因此，水體顆粒物作為一類廣義顆粒物，實際上包括了粒度大于1nm的所有微粒實體，其上限可以達到數(shù)十至上百nm．這種考慮是從對環(huán)境水質(zhì)的影響作用出發(fā)的．顆粒物群體具有十分廣闊的微界面．其自身既可成為污染物，而更重要的是與微污染物相互作用成為其載體，在很大程度上決定著微污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化與循環(huán)歸宿．顆粒物群體與水溶液構(gòu)成了微界面體系，進行著各種生物物理化學(xué)反應(yīng)及遷移轉(zhuǎn)化過程．而水處理技術(shù)中許多單元操作都是利用這些微界面過程加以人工強化進行水質(zhì)凈化．
近幾十年來，對于顆粒物和界面過程進行了較為廣泛的研究．在水體顆粒物的分析檢測技術(shù)、界面反應(yīng)特征、水質(zhì)轉(zhuǎn)化過程以及水處理工藝中應(yīng)用或去除顆粒物的高新技術(shù)等方面均有著較大的進展．尤其是表面絡(luò)合理論的興起及廣泛應(yīng)用后，顆粒物及其界面過程的理論研究逐步向深化發(fā)展，并且著重于動力學(xué)規(guī)律的探索．先后發(fā)表了多本專集與論著，具有代表性的如《Aquatic Surface Chemistry(水體界面化學(xué))》、《Aquatic ChemicalKinetics(水體化學(xué)動力學(xué))》、《Environmental Particles(環(huán)境顆粒物)》等(Tang et a1．，1999a；Tang，1999b；Stumm，1987；Stumm，1990)，突出體現(xiàn)了該領(lǐng)域的進展與發(fā)展水平．隨著研究的不斷深入，一個困擾的問題顯得越來越突出，也即對顆粒物的微界面形態(tài)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識已成為該領(lǐng)域的前沿?zé)狳c與核心所在．從簡單的雙電層結(jié)構(gòu)，發(fā)展為恒定容量模式、擴散層模式、三電層模式、四層模式乃至多點位模式并加以多種修飾改進如非滲透固體或疏松可滲透等；從表面的簡單吸附絡(luò)合，延長擴展至多核絡(luò)合物、簇、晶核、聚合物、沉淀物并引入表面覆蓋、架橋等作用；從*初的純金屬氧化物體系研究擴展到其它礦物體系以及應(yīng)用于天然土壤和沉積物；而現(xiàn)代光譜技術(shù)諸如粉末x射線衍射、紅外／拉曼光譜、固態(tài)核磁共振、各類x射線吸收光譜等，作為強有力的工具更提供了多角度、多方面的綜合判據(jù)．然而由于水體顆粒物組成的混雜性以及微界面過程的復(fù)雜性，對此仍然缺乏明確而深入的認(rèn)識．
2．2 影響因素與作用機理研究
針對強化混凝的研究力度**加大，同時也備受各方關(guān)注．對水體中有機物的特性和去除規(guī)律也進行了大量的、充分的研究工作，總結(jié)出一些規(guī)律(Kimberly et a1．，2000；Kirsten et a1．，2000；Stuartet a1． 1995； Randtke，1988； Huck et a1．， 1991；Edwards，1997)．通過研究發(fā)現(xiàn)，強化混凝過程中混凝劑的投加量是提高有機物去除率的重要影響因素，另外溫度、pH值等對此也有一定影響(Edzwaldeta1．，1998；Edzwald et a1．，1999；USEPA，1999)．而且人們正在試圖建立強化}昆凝過程中有機物的去除模式(Edwards，1997)．
強化混凝去除水體有機物的機理研究(Edzwaldeta1．，1998；Edzwald et a1．，1999)認(rèn)為，對于大多數(shù)金屬鹽混凝劑去除有機物的機理主要有兩點：1)在低pH值時，帶負電性的有機物通過電中和作用同正電性的混凝劑水解產(chǎn)物形成不溶性化合物而沉降；2)在高pH值時，投加高劑量混凝劑時，金屬水解產(chǎn)物對NOM的吸附．然而對于復(fù)雜反應(yīng)形成的產(chǎn)物從不同粒度的角度進行分離分級研究的工作仍然不多，尤其是混凝劑投加后一定條件下形成的膠體顆粒物往往會造成后續(xù)處理過程的問題如濾床的穿透與水頭損失的增加等．混凝劑類型的影響作用：關(guān)于混凝劑類型對強化混凝影響的報道比較混亂，有些報道認(rèn)為鐵鹽混凝劑的TOC去除效果好于鋁鹽(Edzwald eta1．，1999)，有些則相反；但是總體而言無機混凝劑的效果要好于有機合成混凝劑．造成不同效果的主要可能原因之一在于水溫的影響作用，以及有機物的特殊化學(xué)組成與分布特征．另外，對于混凝劑形態(tài)組成的影響作用從物理、化學(xué)特征加以分析研究的工作仍然需要加強．
混凝劑投加量的影響作用：強化混凝的*初想法就是投加較單獨降濁度時更多的混凝劑以達到降低TOC的目的．但是有些報道指出，如果調(diào)整到*優(yōu)pH值，強化混凝的混凝劑投加量可以接近常規(guī)混凝的投加量．pH值對強化混凝的影響作用：一些研究認(rèn)為對于混凝過程中有機物的去除而言，混凝中pH值比混凝劑的投加量影響更大，是有機物去除的決定性因素．對于鋁混凝劑而言，*適于有機物去除的pH值在5．5—6．5之間．盡管一般而言，較低的pH值有利于有機物的去除，但是在實際操作中，混凝劑的類型、投加量、pH值都必須同時考慮．
  溫度對強化混凝的影響作用：低溫對于常規(guī)混凝具有負面的影響作用．有研究顯示，低溫并不影響TOC的去除，但是對于分子量小于1000的低分子量有機物和色度起負面影響．溫度的影響是復(fù)雜的，低溫可能造成水的粘度上升，阻礙混凝劑的擴散和絮體沉降；而且可以影響水解動力學(xué)平衡，影響金屬氫氧化物的形成；另外影響水的離子積常數(shù)，降低離子積常數(shù)，從而降低水中氫氧根的濃度．
  同時，低溫可能造成形成的絮體密實度較低、絮體較小，導(dǎo)致分離效果差．需要指出的是，對于TOC去除過程的研究通常采用濾膜過濾加以表征，從而一定程度上掩蓋了不同條件下形成絮體的顆粒粒度分布以及絮體結(jié)構(gòu)、沉降性能之間的差異．水體中有機物含量和組成的影響作用：對強化混凝存在一定的影響，可能加大混凝劑投量影響沉淀效果等(Edzwald et a1．，1999)．隨著強化混凝的推廣，強化混凝的副效應(yīng)也逐步顯現(xiàn)出來如腐蝕、殘余鋁、沉降性能變差、排泥量增大等問題．
   近年來，對強化混凝進行了更深入的研究突出體現(xiàn)在對水體有機物的深入認(rèn)識；有機物去除模式的研究；對有機物去除手段的綜合利用等．對于有機物的去除模式已經(jīng)有一些初步的結(jié)果，但是并不成熟，正在發(fā)展完善之中．有機物去除不僅僅利用強化混凝作為手段，已經(jīng)有化學(xué)氧化、生物處理、過濾、吸附等眾多方法．各種方法各有所長，目前集中在如何有效地、合理地配合使用這些手段．
     隨著對水體中有機物的特征以及對混凝過程研究的進一步深入，強調(diào)提出了強化混凝的整體效果優(yōu)化；并且強化混凝的手段已經(jīng)不再僅僅是控制pH值、提高投藥量，而是有許多種可行性的選擇．優(yōu)化混凝是在強化混凝的基礎(chǔ)上提出的具有多重目標(biāo)的混凝過程．
3 研究發(fā)展方向(Dovelopment directions)
3．1 混凝劑及其形態(tài)組成的重要性
   近幾十年來，有關(guān)混凝劑化學(xué)、混凝過程化學(xué)的研究在各方面均取得了較大的進展，使人們得以從分子水平探討混凝過程及混凝劑自身化學(xué)形態(tài)(包括溶液化學(xué)、顆粒與表面形態(tài))的分布與轉(zhuǎn)化規(guī)律，突出表現(xiàn)在混凝作用機理與IPF的研究生產(chǎn)與應(yīng)用之中．對于傳統(tǒng)無機鹽混凝劑的作用機理自20世紀(jì)60年代的激烈爭論后逐漸趨向物理觀與化學(xué)觀的統(tǒng)一，認(rèn)為其通過水解形態(tài)的吸附電中和、網(wǎng)捕架橋作用使水體顆粒物聚集成長為粗大密實的絮體，在后續(xù)流程中得以去除，并建立了若干定量計算模式．同時對于IPF的作用機理也取得了一定的進展，與傳統(tǒng)藥劑的行為特征和效能之間的區(qū)別逐步得到明確(Wang，2002；Benschoten，1990)．然而，有關(guān)無機高分子絮凝劑(IPF)作用機理的認(rèn)識很大程度上仍停留在假設(shè)推測基礎(chǔ)上，缺乏實證性的理論研究，尤其是混凝劑投加后的形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律．同時現(xiàn)有IPF為各種形態(tài)并存的混合體系，其作用機理顯然為各種形態(tài)協(xié)同作用的結(jié)果．如何明確不同形態(tài)、粒度大小、荷電特性所相對應(yīng)的混凝作用機制，仍有待于深入的實驗研究來闡明．
  投藥量的影響作用，需要在明確常規(guī)藥劑、納米絮凝劑(AI₁₃，的含量在70％以上)以及工業(yè)聚合鋁的不同作用特征基礎(chǔ)上，補充不同有機高分子絮凝劑的作用．進行有機高分子絮凝劑的選擇，型號／種類／分子量／荷電特征的影響作用研究．進一步在恒定投藥量下，考察不同有機高分子絮凝劑及其投藥量的影響作用．同時結(jié)合不同投藥量下，考察不同pH的影響作用，明確混凝劑的形態(tài)生成與轉(zhuǎn)化特征及其在不同混凝過程中所發(fā)揮的不同作用機制．
 隨著混凝劑作用機理的深入研究，尤其是混凝劑投加后的形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律得到逐步明確，對于既定水系和水質(zhì)條件(包括如預(yù)氧化、預(yù)加酸堿等前處理過程所引起的水質(zhì)變化)，如何明確不同形態(tài)、粒度大小、荷電特性所相對應(yīng)的混凝作用機制，進行混凝劑的優(yōu)化與選擇顯得十分重要．根據(jù)水體顆粒物、有機污染物等不同的水質(zhì)目標(biāo)，優(yōu)化篩選高效混凝劑，確立*佳工藝去除目標(biāo)．
3．2 反應(yīng)器與反應(yīng)條件的重要性
   混凝過程是集眾多復(fù)雜物理化學(xué)乃至生物反應(yīng)于一體的綜合過程，在既定條件下，包括諸如水溶液化學(xué)、水力學(xué)、不斷形成與轉(zhuǎn)化的絮體之間或碰撞或黏附或剪切等物理作用及其微界面物理化學(xué)過程等．混凝技術(shù)的高效性取決于高效混凝劑、與之相匹配的高效反應(yīng)器、高效經(jīng)濟的自動投藥技術(shù)與原水水質(zhì)化學(xué)等多方面的因素．不同混凝劑表現(xiàn)出不同的混凝特性如與有機物的反應(yīng)特性以及水力條件的要求等，從而要求與之形態(tài)分布與反應(yīng)特征相適應(yīng)的高效反應(yīng)器．對反應(yīng)器的組成結(jié)構(gòu)、水力條件、反應(yīng)過程控制進行相應(yīng)的優(yōu)化，以達到反應(yīng)過程的*優(yōu)化控制，與特定目標(biāo)污染物去除的進一步強化．
  混凝研究的根本出發(fā)點在于水體顆粒物的微界面接觸絮凝過程與作用機理的深入研究．傳統(tǒng)的絮凝理論是雙向碰撞結(jié)成粗大絮團加以分離，這種作用機理不能充分發(fā)揮納米絮凝劑和微界面的相互作用優(yōu)勢．現(xiàn)代水處理工藝中有各種技術(shù)單元涉及納米污染物與微界面的吸附絮凝作用，例如攔截沉淀，微絮凝深床過濾，絮凝溶氣氣浮，超濾膜污染極化，生物活性污泥，新納米材料吸附催化等等．它們的共同規(guī)律是利用微界面促進污染物的絮凝與聚集，共同的作用機理是界面接觸絮凝，目前尚缺乏深入研究．界面接觸絮凝理論則是經(jīng)電中和脫穩(wěn)，單向趨近微界面，以勢能峰**極小值理論為基礎(chǔ)建立量化計算模式．這種理論將有助于開發(fā)更高效的操作單元，縮短工藝流程，節(jié)省藥劑及費用，特別是可以為難處理的納米污染物提供新的分離技術(shù)原理．因此，混凝體系中的微界面反應(yīng)過程、形態(tài)變化和作用機理已成為環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究的核心內(nèi)容之一，推動著這一領(lǐng)域向更深入層次發(fā)展．
對于混凝工藝過程需要進一步探討攔截絮凝、氣浮、攪拌方式等的不同影響作用，對于不同水質(zhì)狀況的適應(yīng)性與*優(yōu)工藝條件(如攪拌強度與反應(yīng)時間等)．明確絮體的形成機制、控制方式與強化工藝，以達到對于原始水體顆粒物以及混凝過程形成的顆粒物的*優(yōu)去除，相應(yīng)的達到對有機物的優(yōu)化去除．
基于混凝過程中水質(zhì)參數(shù)的變化，絮體結(jié)構(gòu)的形成與物化特性而相繼開發(fā)了多種形式的自動監(jiān)控與投藥控制技術(shù)如傳統(tǒng)的混凝燒杯試驗以明確水質(zhì)一藥劑計量關(guān)系，基于顆粒物荷電特性的流動電流檢測器、膠體滴定法與Zeta電位測定，基于絮體形成和結(jié)構(gòu)特性的單因子投藥控制和CCD技術(shù)的應(yīng)用以及多類顆粒計數(shù)儀等．對于這些技術(shù)的選擇使用和優(yōu)化，可以進一步強化水處理過程的控制，達到工藝操作的*優(yōu)化．
3．3 原水水體顆粒物與有機物的影響作用
   對于我國不同水體中水體顆粒物、有機物的分布與轉(zhuǎn)化規(guī)律需要開展深入系統(tǒng)的研究，重點對深圳、廣州、北京、天津、上海的水源及水處理過程進行對比研究，建立完整系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，揭示水源水質(zhì)的特征與相應(yīng)的變化規(guī)律．進一步針對模擬體系，如腐殖酸，富里酸，溶解性有機物，蛋白質(zhì)，多糖類，以及降解有機物如草酸，典型工農(nóng)業(yè)污染物等的強化或優(yōu)化混凝過程加以研究．明確有機物的去除與轉(zhuǎn)化特征，探索其強化去除工藝條件，探求不同有機物的**副產(chǎn)物的形成特征與控制條件．建立相應(yīng)的有機物的強化去除模式．
   傳統(tǒng)的工藝著重于粘土顆粒物、天然腐殖酸等濁度、色度特征，而隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和技術(shù)研究的深入，對于水質(zhì)的影響逐漸得到重視．不斷變化的水質(zhì)，以及水體中存在的和人工合成的納米污染物成為水處理研究中的重要對象．在建立水源水質(zhì)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，根據(jù)水質(zhì)變化的主體特征如有機物(TOC)，低溫低濁、高溫高藻，微污染特征，堿度高低，溶解性物質(zhì)等不同的水質(zhì)條件與變化特征來決定后續(xù)工藝的選擇．同時表現(xiàn)在不同處理目標(biāo)的確立與工藝協(xié)同優(yōu)化選擇．
3．4 優(yōu)化混凝集成技術(shù)
   對于一既定的水質(zhì)體系，在水質(zhì)特征與變化規(guī)律研究基礎(chǔ)上，如何進行混凝過程的優(yōu)化以及各單元技術(shù)之間系統(tǒng)性的優(yōu)化集成，形成優(yōu)化混凝集成技術(shù)系統(tǒng)，成為現(xiàn)代混凝技術(shù)研究中的前沿?zé)狳c問題．
  優(yōu)化混凝集成技術(shù)的基本點是在原水水質(zhì)變化特征基礎(chǔ)上，進行混凝劑的優(yōu)化選擇、混凝過程與反應(yīng)器的高效適配以及自動監(jiān)控技術(shù)的*優(yōu)系統(tǒng)集成，也即FRD系統(tǒng)．其基本原理在于高效的混凝劑需要與之相適應(yīng)的高效反應(yīng)器，同時匹配以反應(yīng)過程的自動監(jiān)控與投藥控制的自動化，達到*大化地去除污染物和優(yōu)化*終水處理處理成本．但是，僅僅明確了不同有機物的去除特征，并不能保障工藝出水的**性．同時開展**副產(chǎn)物形成勢研究以及生物毒性的評估來優(yōu)化微污染原水有機物的水處理過程顯得十分必要．為了確保飲用水的**性，在掌握飲用水中此類物質(zhì)的暴露水平和毒性的基礎(chǔ)上，開展工藝過程去除機制與轉(zhuǎn)化特征的研究以及相應(yīng)毒性的變化顯得十分迫切．以化學(xué)分析和生態(tài)毒性為指標(biāo)，重點評價原水以及混凝工藝和優(yōu)化工藝處理的生態(tài)**性，完善優(yōu)化混凝工藝處理的毒性評價方法和指標(biāo)體系，明確優(yōu)化混凝集成工藝的有機物去除與控制特征．
3．5 強化／優(yōu)化混凝的總體目標(biāo)
  通過對典型水源以及結(jié)合不同水司對強化混凝的研究，吸取國外相關(guān)研究的經(jīng)驗教訓(xùn)，提出我國強化混凝與優(yōu)化混凝的國家目標(biāo)與切實可行的方案．因此，提出具體優(yōu)化混凝(或強化混凝)4個階段措施：進行常規(guī)指標(biāo)與特殊指標(biāo)的綜合研究，揭示水源水質(zhì)的特征與相應(yīng)的變化規(guī)律，建立系統(tǒng)完整的數(shù)據(jù)庫；應(yīng)用不同形態(tài)組成的昆凝劑同時配合助凝劑的使用，探索強化混凝效果與可行的工藝條件；在進一步分析水質(zhì)特點和水質(zhì)規(guī)律的基礎(chǔ)上，深入研究混凝機理，探尋有效的強化手段和方法，結(jié)合研究結(jié)果合理設(shè)計處理工藝和強化處理系統(tǒng)，引入先進的工藝監(jiān)控技術(shù)，提高顆粒物與污染物的處理水平以及*終出水的水質(zhì)**可靠性；通過系統(tǒng)分析，總結(jié)提煉國家目標(biāo)與優(yōu)化(強化)混凝的標(biāo)準(zhǔn)方法．

高錳酸鉀

一、高錳酸鉀的主要性質(zhì)：

    固態(tài)的高錳酸鉀是紫色粒狀或針狀晶體，有藍色金屬光澤，無臭味，不易溶解。

    高錳酸鉀的水溶液為紫色，有甜澀味，容易因光照分解，二氧化錳和其它雜質(zhì)條件的催化作用而分解，產(chǎn)生粽色的二氧化錳沉淀。

    高錳酸鉀在酸性條件下是強氧化劑，能氧化水中的大部分有機質(zhì)，在中性和堿性條件下能分解成二氧化錳并放出活性氧。

    高錳酸鉀固體大量儲存時有燃燒的危險，溶液和干態(tài)物質(zhì)在與有機物或易氧化物質(zhì)接觸時可能分解爆炸。

 二、高錳酸鉀的應(yīng)用特點：

據(jù)Banerjea實驗，在普通情況下2mg/L，深度24h接觸間時可獲得滿意的**，相當(dāng)于CT值2880min.mg/L。但高錳酸鉀的**能力要遜色于臭氧和氯，接觸時間需要很長。

高錳酸鉀用于水的**特點：

優(yōu)點：（1）高錳酸鉀可以用來氧化吸附由氧和引起臭味的有機物，可以與許多水中的雜質(zhì)如二價鐵、錳、硫、氰、酚等反應(yīng)，由于有機物被氧化，因此會減少處理水中THM，氯酚和其它氧化**副產(chǎn)物的產(chǎn)生，使水的致突變活性大大降低。

（2）采用高錳酸鉀**的水不會產(chǎn)生嗅、味和有毒的**副產(chǎn)物。

（3）、能夠殺滅很多門類的藻類和微生物，甚至部分原生物和蠕蟲。

（4）、投加和檢測比較方便。

（5）、反應(yīng)產(chǎn)物為水合的二氧化錳，它有一定的吸附和助凝作用。

（6）、高錳酸鉀可以和活性炭聯(lián)用，兩者都有去除氯代物前驅(qū)物質(zhì)的作用。聯(lián)用時對水中有機物的去除效率遠高于其各自單獨使用的效率，但使用時應(yīng)注意，由于活性炭會還原高錳酸鉀，所以兩者不宜同時使用。

缺點：（1）、接觸時間長。（特別適合長距離輸送的預(yù)氧化）

（2）、投加過量會引起出廠水色度升高。長期過量投加，反應(yīng)產(chǎn)物水含二氧化錳易使濾料板結(jié)。

（3）、高錳酸鉀價格較貴。

（4）、高錳酸鉀與絮凝劑同時投入水中，兩者之間發(fā)生反應(yīng)，反而降低除異臭、異味和色度以及混凝的效果。

三、高錳酸鉀除藻：

利用高錳酸鉀除藻也有較好的效果，對堿性水的除藻效果優(yōu)于中性或酸性水。一般高錳酸鉀投加量為1–3mg/L、接觸時間不少于2h以上。如果預(yù)氧化過程中高錳酸鉀投量過，可能會穿透濾池而進入配水管網(wǎng)，出現(xiàn)“黑水”現(xiàn)象，而且出水的含錳量增加，有可能不符合生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。過剩的高錳酸鉀可在沉淀池中去除，只要淡紅色已在池內(nèi)消失，高錳酸鉀就不會進入濾池。

有時也可投加粉末活性碳去除過剩的高錳酸鉀，其投加點應(yīng)在高錳酸鉀氧化反應(yīng)完成以后，以免相互作用而降低除藻效果，但是粉末活性碳也可能穿透濾池而進入配水管網(wǎng)，宜在濾速上加以控制。

采用高錳酸鹽復(fù)合藥劑或高錳酸鉀作為預(yù)氧化劑，所取得的除藻效果優(yōu)于單純混凝效果，它可以顯著降低水中的UV₂₅₄值，也就是破壞水中的有機物結(jié)構(gòu)，同時它還能消除由藻細胞分泌的部分臭味物質(zhì)，對藻**MC，高錳酸鹽的去除率可以達到60%。馬軍等認(rèn)為它所形成的新生態(tài)水合二氧化錳對含藻水的混凝具有明顯的促進作用，新水合二氧化錳能夠吸附水中藻類，從而增加藻在水中的沉淀速度，形成相對較密實的絮體。預(yù)氯化常用于水處理工藝中，以殺死藻類，是單一的氧化作用，而高錳酸鹽預(yù)氧化能是氧化和新生態(tài)水合二氧化錳吸附的協(xié)同作用。

高錳酸鉀對水中浮游生物有顯著影響，一高錳酸鉀可使微生物失去運動活性；二是在高錳酸鉀作用下，微生物細胞可分泌出生化聚合物。（高錳酸鉀強化混凝除濁機理可以歸納如下：高錳酸鉀通過氧化作用破壞膠體表面的有機涂層，使其負電性降低，水化作用減弱，增加了混凝劑對膠體的中和作用，并且還可引發(fā)潛在的微絮凝；高錳酸鉀氧化生成的新生態(tài)水合二氧化錳在天然水中的等電點pH值2～3，在天然水中發(fā)生脫質(zhì)子反應(yīng)，表面帶負電荷，不能對水中帶負電的膠體起電中和脫穩(wěn)作用，但能形成較大分子聚合物，具有較長的分子斂；新生態(tài)二氧化錳具有表面配位性；新生態(tài)二氧化錳具有巨大的比表面積，很強的吸附作用；新生態(tài)二氧化錳能在水中迅速形成較大分子聚合物，通過表面配位或其他化學(xué)作用以及吸附作用與水中帶電負電的膠體顆粒表面結(jié)合，并在膠體顆粒之間起架橋作用，使水中膠體顆粒相互結(jié)合在一起，從而顯著強化了鐵（鋁）鹽的混凝作用，*終生成大的絮體或發(fā)生共沉淀，達到強化混凝的目的。

四、高錳酸鉀的投加量的確定。

高錳酸鉀的消耗量是確定高錳酸鉀投加量的一個主要指標(biāo)，可通過燒杯攪拌實驗確定。高錳酸鉀消耗量與原水水質(zhì)、溫度、反應(yīng)時間等有關(guān)。其測定方法為：在一定的溫度下，向1L原水中投入不同量的高錳酸鉀，劇烈攪拌一定時間（此時間由實際水處理工藝上高錳酸鉀投加點到反應(yīng)池出口的水力停留時間確定。）后觀察水的顏色，當(dāng)水中高錳酸鉀的特征淺粉紅色剛消失時，此時的高錳酸鉀投加量既為該種地表水的*高高錳酸鉀消耗量，實際應(yīng)用中可參照此作為高錳酸鉀的*高投加量。一般生產(chǎn)運行中的高錳酸鉀投加量低于此投加量。（高錳酸鉀的使用濃度0.5～1%，每次配置溶液在攪拌條件下溶解時間1～2小時，每次配置溶液可使用1～2d。通常投加量0.2～2mg/L。）

高錳酸鉀的使用濃度1%～3%，每次配制溶液在攪拌條件下溶解時間5～8h，每次配制溶液可使用1～2d。

  固體高錳酸鉀被認(rèn)為有毒物質(zhì)，美國研究人員進行的毒理實驗表明，高錳酸鉀對鼠的LD₅₀為700～1830mg/L。類推到人類，一個體重80kg的人空腹吞食5%高錳酸鉀溶液2.3L可致死。美國國家環(huán)保局建議的高錳酸鉀**濃度為200mg/L，超過此值可能損傷人體組織。

  飲用水生產(chǎn)過程中，高錳酸鉀的使用濃度若在**范圍內(nèi)，則不會帶來毒副作用，但應(yīng)該盡可能保證適量投加，避免殘余高錳酸鉀進入管網(wǎng)，產(chǎn)生二次污染。特殊情況下，可通過活性炭吸附過量高錳酸鉀。高錳酸鉀粉末和溶液對操作人員具有一定的危險性，要注意采取必要的保護措施。