二次凝聚法去除原水toc的特性研究.docx

二次凝聚法去除原水 TOC 的特性研究 #TRS_AUTOADD_1229998481500 MARGIN-TOP: 0px; FONT- SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体#TRS_AUTOADD_1229998481500 P MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体 #TRS_AUTOADD_1229998481500 TD MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体#TRS_AUTOADD_1229998481500 DIV MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN- BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体 #TRS_AUTOADD_1229998481500 LI MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体/*-JSON-“:“line- height“:“1.5“,“font-family“:“宋体“,“font- size“:“12pt“,“margin-top“:“0“,“margin- bottom“:“0“,“p“:“line-height“:“1.5“,“font- family“:“宋体“,“font-size“:“12pt“,“margin- top“:“0“,“margin-bottom“:“0“,“td“:“line- height“:“1.5“,“font-family“:“宋体“,“font- size“:“12pt“,“margin-top“:“0“,“margin- bottom“:“0“,“div“:“line-height“:“1.5“,“font- family“:“宋体“,“font-size“:“12pt“,“margin- top“:“0“,“margin-bottom“:“0“,“li“:“line- height“:“1.5“,“font-family“:“宋体“,“font- size“:“12pt“,“margin-top“:“0“,“margin- bottom“:“0“-*/ 关于常规凝聚对有机物的去除，一般认为原水有机物 浓度的升高引起凝聚剂投加量明显增加12，研究较 多的为强化混凝法34。一些研究结果表明，优化混 凝条件可将 TOC去除率提高到 60%以上4。进一步的研 究认为混凝时的 pH影响最大，当 pH7.0 时有机物去除主 要是金属氢氧化物吸附的结果；而当 pH7.0 时则需足够 有效地使凝聚剂与原水迅速接触，发生电性中和反应 56。本文据此，试验研究了二次凝聚工艺对原水总 有机碳(TOC)的去除效率。 1 试验 1.1 试验装置 试验装置采用六联烧杯搅拌试验装置。二次凝聚的工 艺过程为：原水第 1次加药凝聚 第 2次加药凝聚絮 凝沉淀。 1.2 试验原水 试验原水取自江苏省某市郊区河流，试验原水水质参 数数值如下： 浊度(NTU) 12446 TOC(mg/L) 9.314.4 碱度(以 CaCO3计 mg/L) 92126 pH 6.788.06 溶解氧(mg/L) 2.83.1 1.3 试验过程 试验分两部分。 (1)二次加药凝聚试验；同时作为对比，做常规凝聚试 验。比较常规凝聚与二次凝聚效果。 (2)试验研究二次凝聚沉淀出水比常规凝聚沉淀出水水 质优的原因。试验采用 3种不同水样，除原水外，另配制 2种浊度与原水相同的水样：原水；稀释水(50%原水 +50%配制水)； 配制水。其中，配制水为蒸馏水+粘土搅 拌的悬浊液。分别进行 3种水样的常规凝聚试验和二次凝 聚试验。 凝聚剂采用硫酸铝(化学纯)，分子式为Al2(SO4) 318H2O。试验采用 6种凝聚剂投加量，分别为 40 mg/L，50mg/L，60 mg/L，70 mg/L，80 mg/L，90 mg/L。 二次凝聚采用与常规凝聚等量的投加量，每次投加量分别 为其 1/2。 二次加药凝聚时间共为 60 s，每次 30 s，絮凝与沉淀 时间和为 20 min，采样测定沉淀出水 TOC和浊度；常规加 药凝聚时间为 30 s，絮凝与沉淀时间和为 20 min，采样测 定沉淀出水 TOC 和浊度。 1.4 水质分析 水质测定项目有：原水 TOC、浊度、碱度、pH、溶解氧， 混凝沉淀出水 TOC、浊度。 2 结果与讨论 2.1 试验数据分析 2.1.1 TOC 去除与加药量的关系 试验结果见图 1，原水 TOC为 11.4 mg/L，浊度为 139NTU。结果显示用二次凝聚比常规凝聚的沉淀出水 TOC 有明显改善。常规凝聚当凝聚剂投加量为 50 mg/L时取得 最佳 TOC去除效果，当投加量继续增加时 TOC的去除效果 反而下降。而二次凝聚的最佳 TOC效果出现于 80 mg/L。 两种试验方式都有最佳效果点的存在，但绝对去除效果有 明显差别。试验表明原水有机物的去除率不仅与凝聚剂的 投加量密切相关，也与凝聚方式密切相关。 2.1.2 浊度去除与加药量的关系 试验结果见图 2，原水 TOC为 11.4 mg/L，浊度为 139NTU。对于浊度，常规凝聚当凝聚剂投加量为 50 mg/L 时取得最佳凝聚效果，沉淀出水浊度为 4.2 NTU。相应地， 二次凝聚沉淀出水为 3.5 NTU。而二次凝聚最佳凝聚效果的 投加量为 80 mg/L，此时出水浊度为 2.1 NTU 。相应的常 规凝聚沉淀出水浊度为 10.2 NTU。 由上述试验结果可以发现，原水 TOC的去除与浊度的 去除有非常好的相关性，这是一个值得关注的现象，本文 将在阐述 TOC去除机理时解释这个现象。尽管加药量不同， 但在绝对意义上二次凝聚能取得更好的效果。这是因为常 规凝聚在微观上存在部分凝聚剂过量，胶体颗粒再次稳定 的缘故。从试验结果可以看出，二次凝聚对浊度的去除效 果明显高于常规凝聚。比较试验结果有两个特征：二次 凝聚沉淀出水的浊度曲线基本上处于常规凝聚下方； 二 次凝聚最佳加药量范围明显宽于常规凝聚。 2.1.3 凝聚方式对 TOC去除效果的影响 第二部分试验的目的在于确定二次凝聚法去除有机物 效果的改善是否由于二次凝聚方式有利于去除原水有机物， 以及常规凝聚效果差的原因是否由于原水有机物引起。试 验结果见图 3，图 4。试验的原水浊度与另 2种水样浊度同 为 127 NTU，而 TOC分别为 11.2mg/L，5.6 mg/L，0mg/L。 从试验结果看，由于 3种水样的有机物(TOC)含量不同，经 混凝试验后其沉淀出水 TOC也明显不同。常规凝聚工艺的 原水有机物去除率较低，而二次凝聚法确有比常规凝聚法 优越的去除原水有机物(TOC)的功能。 2.2 二次凝聚机理分析 通常原水中的胶体杂质为无机类如粘土，有机类如腐 殖质、细菌、病毒、藻类等。原水有机物(NOM)在水中存在 的形式有 3种，即颗粒的、胶体的和溶解的。颗粒有机物 包括有机残渣和微生物，与水中的其它浊度物质一样能通 过混凝、沉淀而被容易地去除。关于胶体有机物质的粒径 范围目前尚无统一标准。一般认为溶解性有机物粒径小于 0.45 m。胶体有机物与溶解性有机物的区别是，胶体有 机物能通过电性中和脱稳凝聚，而溶解有机物则不能。大 部分溶解性有机高分子物质通常被认为是一些水生腐殖质 (AHSs)。在原水中一般颗粒性的有机物很少，以溶解性有 机物为主3。 在常规凝聚法中可用沉淀和共沉淀原理解释原水有机 物去除过程。它们的本质区别在于沉淀作用时水中溶解性 有机颗粒已转化为结晶颗粒，而共沉淀作用时水中有机物 呈溶解状态。 原水经过加药快速混合后，部分溶解性有机物被吸附 到凝聚剂水解产物表面，成为颗粒性有机物。这个特征对 于解释二次凝聚的作用机理是重要的。 设 Al2(SO4)318H2O溶于水后立即可离解出Al(H2O) 63+的水合形态。在一定条件下，Al(H2O)63+经过水 解、聚合或配位反应可形成多种形态的配合物或聚合物以 及 Al(OH)3。因试验中原水 pH=7.5，故水解产物以 Al(OH)3 为主。假定 Al3+水解为 Al(OH)3胶体，在非理想混合条件 下，带正电荷的铝盐水解溶胶并不立即与疏水性的有机类 物质反应。在常规凝聚工艺中，无机物的负电基团-COO-和 有机物的负电基团-COO-都同时与 Al(OH)3发生反应，但有 研究认为，有机物与Al(OH)3 结合的速度较无机物快 5。如此就造成了有机物分子吸附到光滑的氢氧化铝表 面，由于有机物的负电基团-COO-数较大，所以在发生电中 和作用后又产生空间稳定作用。此时即发生了氢氧化铝的 再稳现象。由于凝聚剂的投加是充分的，所以与此同时无 机物颗粒与 Al3+水解物的电中和依然发生。但由于再稳的 氢氧化铝胶体的存在，有效地阻止了已脱稳的无机物颗粒 的进一步凝聚，导致大量小而稳定的、难以沉淀的微絮体 存在。这些现象的发生，在相当程度上降低了吸附架桥、 网捕机理的有效性。国外亦有在混凝出水中观察到再稳胶 体中含有原水有机物的文献报道7。 在此基础上分析，第一次凝聚生成的再稳有机物胶体 必然在第二次凝聚时将再度脱稳，此时因吸附有机物的絮 凝颗粒已处于电中性且无多余有机物负电基团存在，故微 小颗粒能凝聚到一定尺寸，同时无机性的微絮体在无再稳 的有机胶体干扰下发生更有效的吸附架桥及网捕作用。由 此可见，在常规凝聚工艺中原水有机物的存在对颗粒无机 物的凝聚产生拮抗作用。而通过二次凝聚既能降低凝聚沉 淀出水浊度。又能提高对原水有机物的去除率。这说明了 第二次凝聚的必要性，也显示了二次凝聚工艺的合理性。 同时也说明了第三次凝聚已无必要。 进一步解释试验结果，可分析出原水有机物从溶解性 转变为颗粒性的过程，但这种转变不是传统意义上的。事 实上，原水有机物在二次凝聚步骤里依然分为溶解性的和 颗粒性的有机物。原水里颗粒性的有机物含量是可以忽略 不计的，但在快速混合后颗粒性有机物含量立即变得重要 起来，因为部分溶解性的有机物吸附在氢氧化铝颗粒表面， 使得颗粒性的有机物分数变大。第二次凝聚不增加颗粒性 的有机物分数，但在这里由于吸附架桥和网捕作用能将颗 粒性的有机物几乎去除。显然，为取得较高的有机物去除 率，必须在第一次凝聚里投加足够量的凝聚剂为有机物提 供足够的金属氢氧化物表面。 3 结论 1)二次凝聚工艺比常规混凝工艺具有明显优势。当采 用二次凝聚工艺时，TOC 去除率可提高 30%以上，试验沉淀 出水浊度可降低 2.0 NTU。 (2)在二次凝聚工艺中原水有机物的去除是分两步完成 的。原水有机物的存在对无机物颗粒的凝聚起拮抗作用。 (3)对受轻度有机物污染的原水，二次凝聚工艺能显著 地改善水处理能力。 参考文献 1 Croue J P. Removal of dissolved hydrophobic hydrophilic organic substancesduring coagulation of surface waters.Water Sci Tech,1993,27(11):143152 2 EdwardsM. Predicting DOC removal during enhanced coagulation.AWWA,1997, 89(5),7889 3 曹春秋.强化混凝法去除饮用水天然有机物质评介. 给水排水，1998，24(6)：6570 4 黄廷林,王锦，石宏志，等.强化絮凝去除水中 DBP 先质研究(I).西安建筑科技大学学报，1998，30(4)： 328352 5 Licsko I. Realistic coagulation mechanisms in the use of aluminum andiron(III) salts.Water Sci Tech,1997,36(4):