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饮用水处理中的混凝：颗粒、有机物和混凝剂

摘要

本文综述了饮用水处理中的混凝现象，并强调了原水化学、天然有机物的浓度和类型，以及混凝剂的化学性质的重要性。由于静电电荷的相互作用、亲水作用或是吸附大分子的空间相互作用，矿物和有机颗粒在水中一般是稳定的。相比最初在供水中的使用物，天然有机物可以控制混凝剂的用量和选择。天然有机物由一种包含各种有机化合物的混合物组成，包括疏水性（腐殖酸和富里酸）和亲水性组分。疏水性酸的负电荷和化学结构会影响混凝剂，特别是金属基混凝剂的化学反应。铝混凝剂去除天然有机物的过程包括水解、络合、沉淀和吸附。特定的紫外吸光度可以用来估计水中的自然有机物在疏水酸中的高或低，并估计混凝剂对溶解有机碳的清除率。对含有藻类的给水进行臭氧预氧化可能导致微絮凝或根据藻类类型、浓度和细胞外有机物分子量和臭氧剂量损害混凝过程。

关键词 混凝；饮用水；铝混凝剂；天然有机物；颗粒稳定性；藻类；臭氧

1介绍

天然有机物的浓度和性质：1）可以控制投药量及混凝剂的选择；2）可以影响水处理厂对过程的选择；即混凝过程以及下游的固液分离过程；3）对健康有影响，因为天然有机物是一种前体的消毒副产物，如三卤，卤乙酸等。本文的目的是对当前饮用水处理混凝进行一个概述。重点在于原水特性和化学性质，特别是天然有机物与胶体颗粒在水中的重要性，以及混凝剂的化学性质。本文展示了一些估算混凝剂剂量和估算紫外线吸收、溶解有机碳和总三卤甲烷生成潜能作为衡量天然有机物去除率的指南。这些观点大多来自于过去20年作者对混凝的研究。

传统上，凝结过程是以最初存在于供水中的胶体的不稳定来描述的。这些胶体可能包括有机颗粒和无机微粒。在过去15年中，天然有机物，特别是溶解的有机碳的作用，对凝结剂的需求，以及从水供应中去除这种物质的必要性，变得越来越重要。图1表明，混凝剂不仅可以用来破坏胶体颗粒，而且可以去除天然有机物。该论文的主题是所使用的化学物质被称为混凝剂，但沉淀反应发生了，因此溶解的天然有机物的去除是由产生颗粒的相变引起的。从天然水中去除天然有机物可以通过直接沉淀天然有机物或通过在沉淀的氢氧化物上吸附天然有机物来实现。

2 颗粒物

水供应中的颗粒可能是矿物质（粘土、铝和铁氧化物和氢氧化物、石棉、硅石等）或有机物（病毒、细菌、原生动物包囊、藻类）。这些悬浮液主要存在于胶体悬浮液中，使颗粒具有缓慢的粒子聚集或絮凝速率，并且是稳定的。粒子稳定性的原因可能是1）由于电气双层的静电排斥作用，2）由于束缚水表面亲水性的影响，3）由于吸附大分子的空间位阻效应（lyklema，1985）。verwey-overbeek-derjaguin-landau理论描述的粒子稳定性的电双层疏水胶体的相互作用是众所周知的，并且广泛应用于对清洁矿物表面的负电荷贡献的简单计算，并将其与黄腐酸溶解的天然有机物的电荷进行比较。

首先，考虑到粘土矿物的阳离子交换容量为0.1～1mu;eq/mg粘土，对水中黄腐酸的羧基和酚的羟基的总费用大约是10到15的keq/mg 溶解有机碳（Thurman, 1985; Van Benschoten andEdzwald, 1990b）。使用0.5 weq/mg粘土的阳离子交换容量的同时10 mg / L含有5meq/L的负电荷的粘土悬浮液需要用混凝剂中和。假设中性pH条件下一个负电荷需要10 geq/mg 溶解有机碳的黄腐酸。例如，含有3mg/L溶解有机碳的供应水中含有水生黄腐酸必须用混凝剂、泥土中和6次的30 weg/L负电荷。

其次，水源可能含有粘土和水生腐殖酸的混合物。水生腐殖物质能吸附粘土并控制其颗粒稳定性（Ali et al.,1984）。根据不同的离子强度和钙浓度，稳定性可能由空间位阻效应或EDL效应决定。o#39;melia（1989, 1990）已经描述了吸附水生腐殖生物大分子通过空间位阻效应使粒子稳定的这方面的作用。水生腐殖酸的吸附量和吸附的大分子的构型（平层或伸入溶液）取决于溶液的化学性质和粘土和腐殖质的含量。在粘土表面的负电荷的腐殖质吸附一般较小（即吸收的一小部分），然而，它也可以影响粒子电荷，如图2中的电泳迁移率数据所示。数据显示，粘土悬浮液中加入黄腐酸，粘土颗粒的负电荷大幅度增加。

再次，一个简单的例子说明了天然有机物在控制混凝剂用量方面的重要性。烧杯试验是用两种截然不同的供应水进行的，分别来自密苏里河畔的圣路易斯和南卡罗来纳的默特尔比奇沿岸航道。密苏里河是非常浑浊（670NTU），硬度适中（150mg/L CaCO3），有较低的溶解有机碳（3mg/L）和水生腐殖质。近岸内航道的浊度（30NTU）和硬度（＜50mg/L CaCO3）较低，但高在溶解有机碳（20mg/L）和水生腐殖酸。图3数据清楚地表明，近岸内航道（150-175mg/L）的合适浊度的明矾剂量和溶解有机碳的去除率（UVC 254 nm，替代溶解有机碳）比比密苏里河（25-50mg/L）高好几倍。这是一个戏剧性的例子，说明是溶解有机碳而不是浊度控制混凝。

图1.颗粒的混凝与去除与天然有机物的去除

图2.溶解有机碳对粒子电荷的影响（污泥仅20mg/L；污泥/低溶解有机碳分别为20mg/L和2mg/L 溶解有机碳；污泥/高溶解有机碳 分别为20mg/L和10mg/L 溶解有机碳）

图3.在恒定PH为7时与明矾进行混凝

3 天然有机物

有机碳在天然水中可分为两种组分：颗粒态（POC）和溶解态（DOC）。通常，溶解部分在操作上定义为能通过0.45mu;m的孔隙过滤器。颗粒有机碳池可能包括细菌、藻类、浮游动物和有机碎屑，但通常与溶解有机碳相比只是总有机碳的一小部分，一般小于10%除了有高度富营养供应。

随后，对藻类中颗粒有机碳进行了讨论。然而，接下来的重点是腐殖酸是分子量高的负氮溶解天然有机物，以及它的本质和特性。其中有些参数可以是大分子，具有胶体性质。

4 本质和属性

天然有机物含有疏水性和亲水性的有机化合物。过去腐殖酸和黄腐酸（水生腐殖酸）的引起天然颜色的强疏水酸组分引起了人们的注意（Thurman, 1985）。据估计，平均的基础上在河流中溶解有机碳的45%左右是由疏水性水生腐殖酸组成。这部分水生腐殖酸和高自然色的高端水域的水可能有很大的不同，如沼泽，沼泽水域，或供排水系统的水。

表1是一个汇编天然有机物的疏水性和亲水性与各部分相关联的一般化学组分及化合物的表格。一般来说，混凝剂在去除疏水性材料上比亲水性更有效，而且在高分子量化合物上比低分子量化合物更有效。额外的洞察形态与他们的特征是表2中给出的。伪造池塘供应含有的天然有机物包含由59%疏水和33%亲水物质组成的45%溶解有机碳水生腐殖质。水生腐殖酸、弱疏水性和亲水性的中性氨基酸，构成了71%的总溶解有机碳。这些分数也含有AMW gt; 1000 的30%溶解有机碳，支配贡献了至少60%的负电荷。这种供应具有初级生产力，因此亲水性中性部分（多糖）可能来自一些典型的水库和湖泊，但比在小溪和河流中发现的高。

表1.天然有机物组分和化学组分

（基于：leenheer et al.，1982；leenheer和Noyes，1984；andreckhow et al.，1992）

5 特定紫外吸收概念

结构上芳香的或有共轭双键的有机化合物吸收紫外线。254 nm紫外吸光度常被用于有效的替代测量溶解有机碳，尤其是含水生腐殖质水域（Edzwald et al, 1985）。特定紫外吸光度被定义为以每单位溶解有机碳浓度为单位的吸光度，可以作为水资源的一种有指导意义的测量方法。如表2中的数据，疏水性氨基酸（尤其是腐殖酸和富里酸）有很高的特定紫外吸光度的价值。亲水性中性基也有适度的高特定紫外吸光度值（亲水基只占3%，忽略不计）。对于伪造池塘，Reckhow等人（1992）发现70至80%的溶解有机碳被水生腐殖酸（高特定紫外吸光度值）去除，只有10%的溶解有机碳被疏水中性基（低紫外吸光度）去除，和30到50% 溶解有机碳被其他组分清除。这些关于特定紫外吸光度的溶解有机碳的去除证明了下列内容。

表2.伪造池的天然有机物的特征

Edzwald和Van Benschoten（1990）利用特定紫外吸光度数据对几种水生腐殖质、水生腐殖质和几种水源进行了研究。 他们的数据从几个混凝剂的实验室规模，中试规模和全面的植物研究中得到的溶解有机碳和THM前体清除的实验得出。他们提出了以下准则。

* SUVA值为4至5.水的溶解有机碳主要由水生性腐殖质组成。与具有较低SUVA值的水相比，溶解有机碳具有疏水性，芳香性和高分子量。溶解有机碳控制凝固剂剂量，但由于其性质，通过凝结预计溶解有机碳的去除率相对较高。

* SUVA值小于3 3. 溶解有机碳主要由非腐殖质材料构成，与具有较高SUVA值的水相比，有机物质相对亲水，芳香性较低且分子量较低。对于这些类型的水域，溶解有机碳对凝聚剂剂量的影响很小（如果有的话），溶解有机碳的去除率相对较低。

6 混凝剂

表3列出了许多可用于水处理的铝基，铁基和阳离子有机聚电解质。 讨论的重点是铝基凝固剂。 明矾是使用最广泛的水处理混凝剂。 在过去的十年里，人们对我们的产品非常感兴趣，以及一些预先水解过的铝矾土化学品以聚氯化铝的形式出售。 形成的铝物质的化学性质取决于溶液强度（总铝浓度，AlT），配体数量或碱度，混合条件和存在的阴离子。可以用低（约1）至高（约

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