水厂高效絮凝技术集成系统研究方向

曲久辉 汤鸿霄 栾兆坤 李大鹏
(中国科学院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室)

　　近年来，发达国家对饮用水的浊度指标提出了日益严格的要求，并把强化水处理的絮凝过程和技术作为重要与紧迫的研究课题。我国城市给水厂因絮凝技术不良，使去除水中微污染有毒物和藻类、低温低浊水处理等成为普遍难题。
　　实现高效絮凝必须对三个方面的技术进行研究发展和技术集成：①研究开发新型高效絮凝剂；②研制适合新型高效絮凝剂作用特征的高效率混合反应器；③发展与高效絮凝剂和混合反应器适配的智能化投药监控技术。
　　我国“八五”期间的大量研究、开发与部分生产实践，已为高效絮凝集成化系统的开发与应用建立了重要基础。其中聚合氯化铝的生产技术基本成熟，并已经作为一种常规性絮凝剂在我国形成了相当的生产和应用规模。目前高效絮凝剂已由聚合氯化铝发展到聚合氯化铁、铝硅复合絮凝剂、铁硅复合絮凝剂、铝铁共聚型絮凝剂、高铁氧化型絮凝剂、有机与无机复合絮凝剂以及天然高分子絮凝剂等。针对无机高分子絮凝剂作用特性而发展的高效混合反应器，在基础理论、设备结构和关键技术方面也取得了重要突破，以流动电流和透光率脉动为检测手段的絮凝剂投药自动控制技术获得成功，使我国在投药控制技术与设备的生产制作方面步入先进国家行列，并为高效聚合絮凝剂投加控制技术的进一步研究和应用提供了基本思路。

1 主要研究内容

　　高效絮凝技术集成系统基本构造如图1所示。

1.1 新型高效絮凝剂研究
1.1.1 稳定化聚合氯化铁
　　聚合氯化铁絮凝效率高、无毒副作用，特别适合低温低浊、含藻及细微悬浮物的地表水处理。聚合氯化铁制备的技术难点是稳定性问题，目前国际上还尚未见到制备出稳定化聚合氯化铁的研究报导和生产应用实例。“七五”期间，我们在中试规模上制备出聚合氯化铁产品，并进行了生产性水处理试验，证明它对处理含藻污染地表水和低温低浊水具有明显效果。“八五”期间，又成功地解决了稳定化问题，制备出可以稳定2年以上的聚合氯化铁实验室样品。“九五”攻关将进一步研究高浓度聚合氯化铁的稳定化配方，开发出稳定浓度在3 mol以上的工业化产品。稳定化聚合氯化铁制备的基本流程如图2所示。

1.1.2 聚合铁硅絮凝剂
　　聚合铁硅是在聚合铁基础上发展的一种新型复合无机高分子絮凝剂，它具有聚合铁和活化硅酸的共性，特别表现出高电中和作用、强吸附架桥功能。这种絮凝剂尚处于初级研究阶段，现已合成出低浓度的实验室产品，并对其化学结构和絮凝模式进行了研究。今后将进一步研究其作用特性和化学构成，开发出稳定化的聚合铁硅絮凝剂配方。
1.1.3 多功能高铁絮凝剂
　　高铁酸盐是铁的+6价化合物，具有氧化、絮凝、杀菌和吸附等多功能水处理效果，是一种很有发展前途的新型水处理药剂。影响高铁在水处理中推广应用的原因主要有两点：第一，产品制备复杂、成本颇高。目前的制备方法以化学法为主，均以获得高纯度的高铁固体产品为目的，导致过高的产品成本，因而没有形成生产规模。第二，高铁的液体产品极不稳定，在一般条件下即分解失效，不能作为一种商品存放和使用，更无法在水处理中应用。根据高铁酸盐的化学结构和性质，应采取电化学和特殊化学过程制备稳定性较高的高铁复合产品，开发出稳定高铁絮凝剂制备的设备系统，获取具有优势高铁酸盐与絮凝剂复合的现场与在线投加产品，具有强化的絮凝、氧化吸附除污染与消毒杀菌的作用功能。
1.1.4 聚合铝硅絮凝剂
　　聚合铝硅是将铝与硅在一定条件下共聚所得到的一种复合型絮凝剂，具有铝和硅的共同作用特性，特别是在高电中和作用和强吸附架桥方面表现突出。它的制备难点是铝与硅的真正共聚以及聚合以后的稳定性。通过研究，将确定高浓度聚合铝硅的稳定化配方及生产工艺技术，开发出的铝硅絮凝剂产品具有除浊、除色、除藻等综合作用功能，形成一定规模的生产能力并在给水厂应用。
1.2 高效能絮凝集成化设备系统研究
1.2.1 高效率混合反应器
　　目前我国给水厂采用的絮凝处理工艺设施多是根据传统絮凝剂的净水特点设计，技术设备落后，不能充分发挥新型高效絮凝剂的作用特性。实践证明，新型无机高分子絮凝剂聚合氯化铝、铁的凝聚反应十分迅速，因此在投加时要求强力快速混合及适合于其絮凝机理的反应系统。研究结果还表明，无机高分子聚合絮凝剂的混合和反应时间达到传统絮凝剂一半时，即可获得更好的效果。同时，这类絮凝剂因具有更好的电中和脱稳和吸附架桥能力，更适合于接触凝聚作用。因此，今后的研究应以接触凝聚概念作为絮凝反应器的设计依据，研究开发适合无机高分子絮凝剂作用特性的接触凝聚反应器，包括拦截反应沉淀系统、微涡旋反应系统、深床接触凝聚过滤系统等。在这些系统中，强化反应过程的接触凝聚作用和微涡旋状态，明显减少反应时间，大大提高沉淀或过滤效率，使反应、沉淀和过滤工艺有机结合，实现絮凝机理的工艺化。
1.2.2 絮凝剂投加的在线监测及控制系统
　　由于新型无机高分子絮凝剂的特殊作用机理，需要对现有的投药在线监测与自动控制方法进行改进，才能更好地对絮凝剂投加进行有效控制，因此，应研究适合无机高分子絮凝剂及几种新型絮凝剂作用机理的投药控制方法与工艺技术。
1.2.3 高效絮凝技术一体化
　　将高效絮凝剂、适合高效絮凝剂作用特征的高效率混合反应器和最经济的投药自动控制系统进行一体化集成是最佳技术成果。根据各单项技术设备的定型化特征，建立一体化系统的最佳组装形式与运行的最优机制，研制出结构合理、流程可靠、性能先进、经济适用的絮凝集成一体化技术系统。

2 技术水平与应用前景

　　各种新型高效絮凝剂的开发均属国际前沿性课题，高效率絮凝混合器和高经济投药自动化技术的研究水平也与世界前沿接近，其设计构思和最终目标是在世界上首次提出并抓住水处理絮凝过程的本质特征，代表了当今絮凝技术发展的方向。攻关成果将突破传统絮凝的概念，实现絮凝过程的高效化。
　　在未来5年内，我国絮凝剂总需求量估计可达约500×10⁴t，优质絮凝剂在国内外将有良好的前景。高效絮凝集成化系统将以优质高效、节能降耗、集成化与自动化的优势，在新建水厂和老水厂的改造中发挥作用。

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　　“九五”国家科技攻关课题(96-909-03-02)

　　作者通讯处：100085 北京中国科学院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室
　　(收稿日期 1998-09-14)