加强混凝对有机物的去除

上海市政工程设计研究院 上海金山石化水厂
   邹伟国   李春森

　　一  概述

　　在混凝过程中，在去除水中浊度的同时，对水中的有机物有一定的去除效果。常规的混凝过程主要偏重于对浊度的去除，随着人们对水质的要求提高，希望水中有机物尽可能最大的去除。美国近年来提高“强化地面水处理”及“消毒和消毒副产物”规定，就是要求加强混凝，在常规处理的基础上，改变混凝的条件，以达到对有机物最大去除的目的。水中有机物主要有水中天然的有机物（包括腐殖物质等）及合成有机物（化工排放）、消毒副产物等。有机物的存在能引起管网中微生物生长，从而使水的腐蚀性增加；导致水中色度增加；同时导致水处理过程中产生消毒产物。随着人们生活水平的提高及检测手段的增加；同时导致水处理过程中产生消毒产物。随着人们生活水平的提高及检测手段的增加，对水质的要求越来越高，从而对水厂的处理要求也越来越高。美国环境保护协会（EPA）在1979年规定水中的THMs（trihalomethances）最高为0.01μg/l，最近D/DBP规定水厂出水中的THMs最高为0.08μg/l，HAA5（haloacetlc acids）为0.06μg/l。为了达到这个目的，可通过去除水中的DBP前致物质或改变消毒剂同样存在一些问题，如臭氧价格高，也易生成一些副产物；二氧化氨需现场制备，且价格较高等。因此要使水厂出水中的消毒副产物满足要求，必须在氯消毒前去除水中的能生成DBP的前致物质。
　　对水中有机物的去除，通常所用的方法有：活性炭吸附法，膜法等。活性炭吸附法及膜法价格较高，在短期内较难实施；最近国外研究表明：适当的混凝条件下，用铝盐或铁盐对水中的浊度去除的同时，能对水中DBP前致物质有较好的去除效果。常规的混凝主要去除分子量大于3000的有机物，但加强混凝对分子量为500--3000的有机物也有去除作用，对分子量小于500的分子去除没有影响。

　　二  混凝去除有机物原理

　　混凝对有机物去除的主要原理为有机物胶体颗粒的脱稳和中和、沉淀、吸附共同沉降等。其中胶体脱稳与去除浊度原理相同，主要通过压缩双电层、电中和、架桥及网捕的形式，此种方式能去除呈胶体状的有机物，但不能去除溶解性有机物（溶解性有机物是指能通过0.45μm的有机炭化合物）；沉淀是腐殖酸及富里酸等有机物与铝或铁离子生成的盐类、因溶解度小而沉淀；吸附共同沉降是在水处理过程中生成金属氢氧化物，氢氧化物具有很大的比表面积，溶解性有机物能吸附在其表面上而共同沉降，从而达到去除的目的。

　　三  混凝去除有机物的影响因素

　　影响混凝去除有机物效果的因素有：水的PH、水中有机物种类、混凝剂的种类和水中的碱度等。
　　1、PH值
　　众多文献一致认为，PH5-6为混凝剂对有机物的最佳去除范围，PH较低或较高，有机物去除效果较差。这是因为有机金属盐沉降需要较多的金属离子，而PH降低有利于使混凝剂水解成较高价位的金属离子，但PH低于5.0时，氢离子与金属离子和有机配体结合形成竞争，从而导致有机物去除效果较差。
　　在PH长高时，水中金属离子生成金属氢氧盐而沉降，在沉降过程中能吸附有机物而共同沉降。特别当PH到达11时，水中的镁生成氢氧化镁而沉降，氢氧化镁和氢氧化铝或铁一样具有很大的比表面积、无定形状及表面带正电行，能吸附水中的有机物而沉降。很多调查表明氢氧化镁的沉降能大大加强胶体颗粒及溶解性物质的去除。
　　2、有机物的种类
　　有机物的去除效果与有机物的性质、种类有关，通常对于高分子量的有机物质有较好的去除效果，当水中有机物大部分不是腐殖物质时，去除效果较差。一般，水中含有较高比例的腐殖物质时，则UV₂₅₄相对较高，因此实验证明UV₂₅₄可以作为有机物可去除程度的一个指示。
　　3、混凝剂种类
　　所有混凝剂在去除浊度的同时，对有机物都有一定程度的去除，然而二种具有相同去浊度能力的混凝剂，对去除有机物的效果可能相差较大。如在去除低分子有机物时，金属混凝剂比阴离子高分子混凝剂有更好的去除效果。铝盐及铁盐是较为常用的混凝剂，有实验表明两者在去除有机物方面相差不明显，也有实验表明三氯化铁去除有机物比铝盐略好；碱式氯化铝对低浓度有机物的去除效果，特别是在PH＞7.0或PH＜5.5的情况比铝盐好。研究者发现利用高聚合物对腐殖酸有机物及色度有较好的去除，但对于不同的原水水质，结果不尽相同。因此对于不同水质，需要进行具体实验，方能确定最佳的混凝剂及用量。
　　4、碱度的影响
　　碱度对经济去除有机物是一个重要的参数。在混凝剂的种类及投加数量一定的情况下，当不用酸或碱调节时，水中的碱度控制着PH值的大小。而用酸或碱时，则碱度控制着酸或碱的用量。当采用金属混凝剂如果不预先调节PH值，则达到最佳PH值以去除有机物的方法只有通过控制混凝剂的投加量。通常情况下，混凝剂的用量比单纯去除浊度时所用混凝剂用量要大。假如水中的碱度太小，则最佳去除有机物的PH，在混凝剂投量较小的情况下即可以达到。这时由于混凝剂用量太小，与有机物结合沉降的金属离子较少，去除效果不好。当碱度较高时，如混凝剂的用量不足，从而使水中的PH值难以降低至去除有机物的最佳PH值，所以必须通过增大混凝剂的投加量来出乱子工低PH值。但会增加混凝剂的费用，污泥产量及增加滤后调节PH值的化学剂用量。因此水厂可用酸或碱来调节水的PH值，以达到混凝剂对有机物的最大去除。
　　5、助凝剂
　　加注助凝剂主要是促进混凝过程，如调节PH值、促使矾花增大或增稠等。主要的助凝剂有酸、碱及高分子聚合物等，除酸、、碱通过调节PH能去除有机物外，其余助凝剂对去除有机物无显著作用。一般，去除有机物时，助凝剂加入顺序为：加酸时，一般加在金属混凝剂的前面，经促使混凝剂产生水解形成高价正电荷，同时降低PH值至最佳去除有机物的PH值；加碱时，一般加在金属混凝剂的后面。

   　　四  加强混凝对TOC的去除

　　在1998年12月16日，USEPA公布了The Stagel Disinfect/Disinfect By-Prod-ucts(D/DBP)Rule，规定在常规的水处理中，必须休用加强混凝的方法以去除水中的TOC，但在满足以下几种情况之一时除外。1.原水中年平均TOC＜2.0mg/L，2.处理出水中年平均TOC＜2.0mg/L；3.原水平均TOC＜4.0mg/L、碱度＞60mg/L，且出水中年平均THMs=0.04mg/L、HAA₅=0.03mg/L；4.原水中或处理后出水中年平均SUVA（Special Ultraviolet Absorbance)(UV₂₅₄）≤2.0L/mg.m。另外对于加强软化处理方法，有以下情况除外：1.软化使出水中的年平均碱度小于60mg/L；2.软化去除少于10mg/L，镁硬度。
　　D/DBP第一步要求，对水中DBP前致物质有较好的去除，必须使原水与过滤出水的TOC有一定的去除率，具体去除率根据D/DBP的要求见表1。

　　五 加强混凝对消毒副产物的影响效果

　　应用加强混凝主要有两个目的，一个达到D/DBP中要求的有机物去除，另一个是以氯作为基本消毒时，去除水中的消毒副产物。TWG（Technical Working Group)及有关专家认为90%水厂在合理混凝剂投加量的情况下，可以达到第一步的TOC去除要求。该法规对水厂出水中的THMs和HAA₅最大分别不超过80μg/l和60μg/l，达到要求的最有效的方法是采用加强混凝、加强软化或活性炭吸附方法。对于消毒副产物的去除，应用加强混凝不可能对所有单个的THMs和HAA5有降低效果。但大量的实验表明：采用加强混凝的方法能有效去除DBP前致物质，因此能有效减少THMs和HAA5的生成。虽然采用用其它消毒剂也能有效减少THM量，但采用其它消毒剂有可能生成其它有害物质，且氯是应用较广泛的消毒剂。有实验表明认为90%水厂在采用氯消毒的情况下，可通过加强混凝方法，使出水中THMs和HAA5，达到90%的保证率要求。另外，有资料表明：采用加强混凝方法，后续采用活性炭时，能改善后续的活性炭的吸附效果，同时大大延长炭床寿命。其主要原因是加强混凝使进入活性炭中的TOC浓度降低，从而减少活性炭的负荷，同时加强混凝能降低水的PH值，从而使活改革一炭吸附有机物性能改善。因此，EPA要求所有采用沉淀、过滤的地面水厂除水质满足要求外，均需采用加强混凝或加强软化的方法。主要原因是：（1）大量的DBPs前致物质能够在短时间内和采用较低费用的方法而得到去除；（2）减少DBPs前致物质，导致THMs及HAA5减少，从而不需要采用其它方法，如改变消毒剂等；（3）加强混凝和加强软化能有效地减少消毒剂的用量。

　　六  结语

　　加强混凝是在常规处理的基础上，改变混凝的条件以达到有机物最大去除的目的。混凝对有机物的去除机理有胶体颗粒有机物的脱稳和中和、沉淀、吸附、共同沉降等。影响混凝去除有机物效果的因素有：水中有机物种类、水的PH、混凝剂的种类和水中的碱度等。应用加强混凝主要有两个目的，一个达到要求的有机物去除，另一个是去除水中的消毒副产物。各水厂应根据自己具体情况，以最经济、有效的处理方法达到有机物的去除。