曲久輝 湯鴻霄 欒兆坤 李大鵬
(中國科學院生態環境研究中心環境水化學國家重點實驗室)

　　近年來，發達國家對飲用水的濁度指標提出了日益嚴格的要求，并把強化水處理的絮凝過程和技術作為重要與緊迫的研究課題。我國城市給水廠因絮凝技術不良，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。
　　實現高效絮凝必須對三個方面的技術進行研究發展和技術集成：①研究開發新型高效絮凝劑；②研制適合新型高效絮凝劑作用特征的高效率混合反應器；③發展與高效絮凝劑和混合反應器適配的智能化投藥監控技術。
　　我國“八五”期間的大量研究、開發與部分生產實踐，已為高效絮凝集成化系統的開發與應用建立了重要基礎。其中聚合氯化鋁的生產技術基本成熟，并已經作為一種常規性絮凝劑在我國形成了相當的生產和應用規模。目前高效絮凝劑已由聚合氯化鋁發展到聚合氯化鐵、鋁硅復合絮凝劑、鐵硅復合絮凝劑、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展的高效混合反應器，在基礎理論、設備結構和關鍵技術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獲得成功，使我國在投藥控制技術與設備的生產制作方面步入先進國家行列，并為高效聚合絮凝劑投加控制技術的進一步研究和應用提供了基本思路。

1 主要研究內容

　　高效絮凝技術集成系統基本構造如圖1所示。

1.1 新型高效絮凝劑研究
1.1.1 穩定化聚合氯化鐵
　　聚合氯化鐵絮凝效率高、無毒副作用，特別適合低溫低濁、含藻及細微懸浮物的地表水處理。聚合氯化鐵制備的技術難點是穩定性問題，目前國際上還尚未見到制備出穩定化聚合氯化鐵的研究報導和生產應用實例。“七五”期間，我們在中試規模上制備出聚合氯化鐵產品，并進行了生產性水處理試驗，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，又成功地解決了穩定化問題，制備出可以穩定2年以上的聚合氯化鐵實驗室樣品。“九五”攻關將進一步研究高濃度聚合氯化鐵的穩定化配方，開發出穩定濃度在3 mol以上的工業化產品。穩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上發展的一種新型復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，現已合成出低濃度的實驗室產品，并對其化學結構和絮凝模式進行了研究。今后將進一步研究其作用特性和化學構成，開發出穩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，是一種很有發展前途的新型水處理藥劑。影響高鐵在水處理中推廣應用的原因主要有兩點：第一，產品制備復雜、成本頗高。目前的制備方法以化學法為主，均以獲得高純度的高鐵固體產品為目的，導致過高的產品成本，因而沒有形成生產規模。第二，高鐵的液體產品極不穩定，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用。根據高鐵酸鹽的化學結構和性質，應采取電化學和特殊化學過程制備穩定性較高的高鐵復合產品，開發出穩定高鐵絮凝劑制備的設備系統，獲取具有優勢高鐵酸鹽與絮凝劑復合的現場與在線投加產品，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定性。通過研究，將確定高濃度聚合鋁硅的穩定化配方及生產工藝技術，開發出的鋁硅絮凝劑產品具有除濁、除色、除藻等綜合作用功能，形成一定規模的生產能力并在給水廠應用。
1.2 高效能絮凝集成化設備系統研究
1.2.1 高效率混合反應器
　　目前我國給水廠采用的絮凝處理工藝設施多是根據傳統絮凝劑的凈水特點設計，技術設備落后，不能充分發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系統。研究結果還表明，無機高分子聚合絮凝劑的混合和反應時間達到傳統絮凝劑一半時，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，今后的研究應以接觸凝聚概念作為絮凝反應器的設計依據，研究開發適合無機高分子絮凝劑作用特性的接觸凝聚反應器，包括攔截反應沉淀系統、微渦旋反應系統、深床接觸凝聚過濾系統等。在這些系統中，強化反應過程的接觸凝聚作用和微渦旋狀態，明顯減少反應時間，大大提高沉淀或過濾效率，使反應、沉淀和過濾工藝有機結合，實現絮凝機理的工藝化。
1.2.2 絮凝劑投加的在線監測及控制系統
　　由于新型無機高分子絮凝劑的特殊作用機理，需要對現有的投藥在線監測與自動控制方法進行改進，才能更好地對絮凝劑投加進行有效控制，因此，應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。
1.2.3 高效絮凝技術一體化
　　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器和最經濟的投藥自動控制系統進行一體化集成是最佳技術成果。根據各單項技術設備的定型化特征，建立一體化系統的最佳組裝形式與運行的最優機制，研制出結構合理、流程可靠、性能先進、經濟適用的絮凝集成一體化技術系統。

2 技術水平與應用前景

　　各種新型高效絮凝劑的開發均屬國際前沿性課題，高效率絮凝混合器和高經濟投藥自動化技術的研究水平也與世界前沿接近，其設計構思和最終目標是在世界上首次提出并抓住水處理絮凝過程的本質特征，代表了當今絮凝技術發展的方向。攻關成果將突破傳統絮凝的概念，實現絮凝過程的高效化。
　　在未來5年內，我國絮凝劑總需求量估計可達約500×10⁴t，優質絮凝劑在國內外將有良好的前景。高效絮凝集成化系統將以優質高效、節能降耗、集成化與自動化的優勢，在新建水廠和老水廠的改造中發揮作用。

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　　“九五”國家科技攻關課題(96-909-03-02)

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