曲久輝 湯鴻霄 欒兆坤 李大鵬
(中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水化學(xué)國家重點實驗室)

　　近年來，發(fā)達(dá)國家對飲用水的濁度指標(biāo)提出了日益嚴(yán)格的要求，并把強化水處理的絮凝過程和技術(shù)作為重要與緊迫的研究課題。我國城市給水廠因絮凝技術(shù)不良，使去除水中微污染有毒物和藻類、低溫低濁水處理等成為普遍難題。
　　實現(xiàn)高效絮凝必須對三個方面的技術(shù)進(jìn)行研究發(fā)展和技術(shù)集成：①研究開發(fā)新型高效絮凝劑；②研制適合新型高效絮凝劑作用特征的高效率混合反應(yīng)器；③發(fā)展與高效絮凝劑和混合反應(yīng)器適配的智能化投藥監(jiān)控技術(shù)。
　　我國“八五”期間的大量研究、開發(fā)與部分生產(chǎn)實踐，已為高效絮凝集成化系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用建立了重要基礎(chǔ)。其中聚合氯化鋁的生產(chǎn)技術(shù)基本成熟，并已經(jīng)作為一種常規(guī)性絮凝劑在我國形成了相當(dāng)?shù)纳a(chǎn)和應(yīng)用規(guī)模。目前高效絮凝劑已由聚合氯化鋁發(fā)展到聚合氯化鐵、鋁硅復(fù)合絮凝劑、鐵硅復(fù)合絮凝劑、鋁鐵共聚型絮凝劑、高鐵氧化型絮凝劑、有機與無機復(fù)合絮凝劑以及天然高分子絮凝劑等。針對無機高分子絮凝劑作用特性而發(fā)展的高效混合反應(yīng)器，在基礎(chǔ)理論、設(shè)備結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)方面也取得了重要突破，以流動電流和透光率脈動為檢測手段的絮凝劑投藥自動控制技術(shù)獲得成功，使我國在投藥控制技術(shù)與設(shè)備的生產(chǎn)制作方面步入先進(jìn)國家行列，并為高效聚合絮凝劑投加控制技術(shù)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供了基本思路。

1 主要研究內(nèi)容

　　高效絮凝技術(shù)集成系統(tǒng)基本構(gòu)造如圖1所示。

1.1 新型高效絮凝劑研究
1.1.1 穩(wěn)定化聚合氯化鐵
　　聚合氯化鐵絮凝效率高、無毒副作用，特別適合低溫低濁、含藻及細(xì)微懸浮物的地表水處理。聚合氯化鐵制備的技術(shù)難點是穩(wěn)定性問題，目前國際上還尚未見到制備出穩(wěn)定化聚合氯化鐵的研究報導(dǎo)和生產(chǎn)應(yīng)用實例?！捌呶濉逼陂g，我們在中試規(guī)模上制備出聚合氯化鐵產(chǎn)品，并進(jìn)行了生產(chǎn)性水處理試驗，證明它對處理含藻污染地表水和低溫低濁水具有明顯效果。“八五”期間，又成功地解決了穩(wěn)定化問題，制備出可以穩(wěn)定2年以上的聚合氯化鐵實驗室樣品?！熬盼濉惫リP(guān)將進(jìn)一步研究高濃度聚合氯化鐵的穩(wěn)定化配方，開發(fā)出穩(wěn)定濃度在3 mol以上的工業(yè)化產(chǎn)品。穩(wěn)定化聚合氯化鐵制備的基本流程如圖2所示。

1.1.2 聚合鐵硅絮凝劑
　　聚合鐵硅是在聚合鐵基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型復(fù)合無機高分子絮凝劑，它具有聚合鐵和活化硅酸的共性，特別表現(xiàn)出高電中和作用、強吸附架橋功能。這種絮凝劑尚處于初級研究階段，現(xiàn)已合成出低濃度的實驗室產(chǎn)品，并對其化學(xué)結(jié)構(gòu)和絮凝模式進(jìn)行了研究。今后將進(jìn)一步研究其作用特性和化學(xué)構(gòu)成，開發(fā)出穩(wěn)定化的聚合鐵硅絮凝劑配方。
1.1.3 多功能高鐵絮凝劑
　　高鐵酸鹽是鐵的+6價化合物，具有氧化、絮凝、殺菌和吸附等多功能水處理效果，是一種很有發(fā)展前途的新型水處理藥劑。影響高鐵在水處理中推廣應(yīng)用的原因主要有兩點：第一，產(chǎn)品制備復(fù)雜、成本頗高。目前的制備方法以化學(xué)法為主，均以獲得高純度的高鐵固體產(chǎn)品為目的，導(dǎo)致過高的產(chǎn)品成本，因而沒有形成生產(chǎn)規(guī)模。第二，高鐵的液體產(chǎn)品極不穩(wěn)定，在一般條件下即分解失效，不能作為一種商品存放和使用，更無法在水處理中應(yīng)用。根據(jù)高鐵酸鹽的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，應(yīng)采取電化學(xué)和特殊化學(xué)過程制備穩(wěn)定性較高的高鐵復(fù)合產(chǎn)品，開發(fā)出穩(wěn)定高鐵絮凝劑制備的設(shè)備系統(tǒng)，獲取具有優(yōu)勢高鐵酸鹽與絮凝劑復(fù)合的現(xiàn)場與在線投加產(chǎn)品，具有強化的絮凝、氧化吸附除污染與消毒殺菌的作用功能。
1.1.4 聚合鋁硅絮凝劑
　　聚合鋁硅是將鋁與硅在一定條件下共聚所得到的一種復(fù)合型絮凝劑，具有鋁和硅的共同作用特性，特別是在高電中和作用和強吸附架橋方面表現(xiàn)突出。它的制備難點是鋁與硅的真正共聚以及聚合以后的穩(wěn)定性。通過研究，將確定高濃度聚合鋁硅的穩(wěn)定化配方及生產(chǎn)工藝技術(shù)，開發(fā)出的鋁硅絮凝劑產(chǎn)品具有除濁、除色、除藻等綜合作用功能，形成一定規(guī)模的生產(chǎn)能力并在給水廠應(yīng)用。
1.2 高效能絮凝集成化設(shè)備系統(tǒng)研究
1.2.1 高效率混合反應(yīng)器
　　目前我國給水廠采用的絮凝處理工藝設(shè)施多是根據(jù)傳統(tǒng)絮凝劑的凈水特點設(shè)計，技術(shù)設(shè)備落后，不能充分發(fā)揮新型高效絮凝劑的作用特性。實踐證明，新型無機高分子絮凝劑聚合氯化鋁、鐵的凝聚反應(yīng)十分迅速，因此在投加時要求強力快速混合及適合于其絮凝機理的反應(yīng)系統(tǒng)。研究結(jié)果還表明，無機高分子聚合絮凝劑的混合和反應(yīng)時間達(dá)到傳統(tǒng)絮凝劑一半時，即可獲得更好的效果。同時，這類絮凝劑因具有更好的電中和脫穩(wěn)和吸附架橋能力，更適合于接觸凝聚作用。因此，今后的研究應(yīng)以接觸凝聚概念作為絮凝反應(yīng)器的設(shè)計依據(jù)，研究開發(fā)適合無機高分子絮凝劑作用特性的接觸凝聚反應(yīng)器，包括攔截反應(yīng)沉淀系統(tǒng)、微渦旋反應(yīng)系統(tǒng)、深床接觸凝聚過濾系統(tǒng)等。在這些系統(tǒng)中，強化反應(yīng)過程的接觸凝聚作用和微渦旋狀態(tài)，明顯減少反應(yīng)時間，大大提高沉淀或過濾效率，使反應(yīng)、沉淀和過濾工藝有機結(jié)合，實現(xiàn)絮凝機理的工藝化。
1.2.2 絮凝劑投加的在線監(jiān)測及控制系統(tǒng)
　　由于新型無機高分子絮凝劑的特殊作用機理，需要對現(xiàn)有的投藥在線監(jiān)測與自動控制方法進(jìn)行改進(jìn)，才能更好地對絮凝劑投加進(jìn)行有效控制，因此，應(yīng)研究適合無機高分子絮凝劑及幾種新型絮凝劑作用機理的投藥控制方法與工藝技術(shù)。
1.2.3 高效絮凝技術(shù)一體化
　　將高效絮凝劑、適合高效絮凝劑作用特征的高效率混合反應(yīng)器和最經(jīng)濟的投藥自動控制系統(tǒng)進(jìn)行一體化集成是最佳技術(shù)成果。根據(jù)各單項技術(shù)設(shè)備的定型化特征，建立一體化系統(tǒng)的最佳組裝形式與運行的最優(yōu)機制，研制出結(jié)構(gòu)合理、流程可靠、性能先進(jìn)、經(jīng)濟適用的絮凝集成一體化技術(shù)系統(tǒng)。

2 技術(shù)水平與應(yīng)用前景

　　各種新型高效絮凝劑的開發(fā)均屬國際前沿性課題，高效率絮凝混合器和高經(jīng)濟投藥自動化技術(shù)的研究水平也與世界前沿接近，其設(shè)計構(gòu)思和最終目標(biāo)是在世界上首次提出并抓住水處理絮凝過程的本質(zhì)特征，代表了當(dāng)今絮凝技術(shù)發(fā)展的方向。攻關(guān)成果將突破傳統(tǒng)絮凝的概念，實現(xiàn)絮凝過程的高效化。
　　在未來5年內(nèi)，我國絮凝劑總需求量估計可達(dá)約500×10⁴t，優(yōu)質(zhì)絮凝劑在國內(nèi)外將有良好的前景。高效絮凝集成化系統(tǒng)將以優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能降耗、集成化與自動化的優(yōu)勢，在新建水廠和老水廠的改造中發(fā)揮作用。

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　　“九五”國家科技攻關(guān)課題(96-909-03-02)

　　作者通訊處：100085 北京中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水化學(xué)國家重點實驗室
　　(收稿日期 1998-09-14)