复合无机高分子絮凝剂的协同增效作用机理与优化控制

Characteristics of coagulants and source water have significant impacts on the coagulation performances. The research focuses on the development of the novel Al-based coagulants and enhances the coagulation performances, especially on the complex multi-interface mechanism among the particles, organic matter and coagulants during the water treatment process. The project is proposed to identify the effects of organic fraction weight of the composite coagulants, charge properties, characteristics of inorganic ions and nano particles on the coagulation performances in different systems (with different particle size and morphology). The Micro-interfacial process for particles, organinc matter and coagulants is investigated to better understand the removal mechanism for particles and organic matter. The results of the project are important to understand the synergistic mechanism for composite coagulants, and can reveal the effects of coagulation ocnditions, such as synthetic methods on the removal efficiency for particles or organic matter. Therefore, the results herein will be very useful to understand the fundamentals in the coagulation process, which is also important to accelerate its application in China.

在絮凝过程中主要有两方面因素具有重要的影响，一方面是絮凝剂，另一方面是水源水的性质。本项目针对复合无机高分子絮凝剂的协同增效作用机理、颗粒物粒度效应及颗粒物形态对絮凝过程的影响，以复合无机高分子絮凝剂的絮凝过程为研究对象，采用宏观实验与原位表征相结合的方法，在使用多种手段对复合絮凝剂特性进行表征的基础上，考察复合絮凝剂中的有机成分与无机成分的比例、荷电性质、无机离子或纳米颗粒的影响机制，分析复合无机高分子絮凝剂的协同增效作用机理，探讨颗粒物-絮凝剂-有机物的界面作用机制。项目的研究成果对于了解复合无机高分子絮凝剂的协同增效作用机制，优化絮凝过程具有显著的重要性，可以为阐明颗粒物及有机物去除的分子机制，揭示絮凝剂种类及制备方法等对颗粒物和有机物去除效率的影响提供理论基础，最终对颗粒物-有机物-絮凝剂之间的反应过程进行协同优化。

本研究针对不同水样进行混凝实验，实验结果表明:在纯颗粒物体系中，混凝剂中加入的Ca2+对于混凝过程无明显影响。在腐殖酸体系中，混凝剂中的Ca2+可明显降低腐殖酸分子的负电荷，降低沉后水余铝浓度以及增大絮体粒径。以三种不同形态藻细胞为研究对象，在分离胞外有机物的情况下，考察混凝过程中絮体的特性以及不同条件下形成的絮体对膜通量的影响。Al13与Al30的混凝作用以静电簇作用为主导，AS主要是以压缩双电层及电中和作用为主导。对于铜绿微囊藻与小球藻体系，当Al13与Al30做混凝剂时，在投加量较低的情况下，吸附在颗粒表面凹陷处的混凝剂“失活”，其他部位由于仍呈现一定的负电荷而造成絮体形成不明显。针对中国南方某市水厂水源水进行了一系列的混凝实验，实验结果表明：相比于水厂目前使用的聚合氯化铝，Al13在水体浊度的去除方面有显著优势。HCA作为一种阳离子有机絮凝剂，在被引入无机混凝剂之后可以显著增强复合药剂的电中和能力。针对两种高岭土体系进行了不同混凝条件下的混凝实验研究，结果表明：使用AlCl3做混凝剂时，微米级高岭土体系絮体粒径随着颗粒物浓度的增加呈现先增加后减小的趋势。在颗粒物浓度为10 mg/L时，纳米体系强度因子和恢复因子均小于微米体系。继续增加颗粒物浓度(20 mg/L或40 mg/L)，纳米颗粒本身的团聚作用和吸附混凝剂之后的纳米颗粒所起的架桥作用使得在200 rpm破碎强度下强度因子和恢复因子升高。本研究对南方某市四个水厂的混凝过程进行了调研。实验结果表明：四个水厂的水源水呈现不同的水质特征。四个水厂各混凝段浊度随着混凝反应的进行呈现逐渐下降的趋势，且各个水厂沉淀池出水浊度均大于1.0 NTU，滤池承受着较大的过滤压力。虽然经过滤池过滤后出水浊度明显降低，但是C水厂滤后水仍然大于1.0 NTU。A水厂出水中腐殖酸含量较水源水有明显的下降，其他水厂出水中腐殖酸的含量并没有明显的变化。A水厂滤池出水的DOC浓度明显下降 (55.44%)，其余水厂DOC浓度下降并不明显 (6.679%, 19.63%, 3.68%)。