粉煤灰-铝土矿改性制备铝铁复合混凝剂的除磷性能及混凝机理研究

化学混凝法是城市污水处理深度除磷的有效方法,目前常用混凝剂主要存在成本高、除磷效率低且用量大等缺点.本研究采用常压酸浸法,以低成本的铝土矿和粉煤灰为主要原料制备无机复合混凝剂,并对其进行除磷应用及机理研究,结果表明:1自制混凝剂对生活污水中TP去除率达99.58%,出水TP含量为0.012 mg·L-1,优于GB18918—2002一级A标准.2 X-射线衍射和红外光谱结果显示,混凝剂中的Fe—OH、Al—OH、H—OH等基团能与水中的磷酸根作用生成沉淀达到除磷目的,该沉淀在沉降过程中还能吸附不易沉淀的含磷悬浮物,发挥网捕卷扫作用.3采用Ferron逐时络合比色法分析铝铁形态结果显示,混凝剂含有64.14%低聚态铝铁,能中和水中胶体的表面电荷致使胶体脱稳;11.27%中聚态铝铁可吸附在胶体表面,降低其表面电荷,同时以较高的分子量发挥吸附架桥作用;24.59%高聚态铝铁在沉淀过程中可包夹部分胶体粒子,以较大表面积发挥卷扫作用.4分形维数研究结果显示,絮体分形维数在1.2~2.8之间,分形特征较好,能有效发挥絮体的吸附架桥作用.5 Zeta电位分析结果显示,混凝剂本身带正电荷,能与水中带负电荷的胶体物质发生中和,从而压缩双电子层,使胶体粒子脱稳而从水中去除.混凝剂除磷过程是压缩双电层、电中和、吸附架桥和网捕卷扫多种机制共同作用的动态变化过程.     

低温条件下絮体破碎再絮凝去除水中颗粒的研究

为了了解低温条件下絮体的形成/破碎/再絮凝过程在适当条件下对絮凝去除水中颗粒物的强化效果,采用PDA2000透光率脉动检测仪对絮凝破碎再絮凝过程进行了在线监测.研究结果表明,当电中和机理占主导作用时(混凝剂投加量小于0.1 mmol·L-1),絮体破碎后能重新絮凝,絮体大小能恢复到破碎之前;而当网捕卷扫机理占主导作用时(混凝剂投加量大于0.2 mmol·L-1),絮体的恢复情况不如电中和条件,再絮凝能力降低.投加适量的腐殖酸会增加絮体破碎前后的分形维数,但过量的腐殖酸则会降低破碎前后絮体的分形维数.絮体破碎再絮凝后其分形维数比破碎前高.腐殖酸的投加量并不会明显影响絮凝和破碎后再絮凝的FI指数.电中和絮体破碎前初始絮凝时间越长破碎后沉后水浊度越低,破碎后其浊度会比破碎前显著减小.较低投量的铝盐就能使得沉后水浊度降到很低,因此可以降低混凝剂投量而达到更好的水处理效果.     

聚合氯化铝镁钛的制备及结构表征

为提高铝基复合混凝剂的混凝效果,以AlCl₃、MgCl₂、TiCl₄为原料,通过共聚反应制备出无机复合高分子混凝剂PCAMT（聚合氯化铝镁钛）,并探究其混凝机理.采用Ferron（高铁试剂）逐时络合比色法、红外光谱、X-射线衍射谱图、扫描电镜与能谱分析（SEM-EDS）、Zeta电位对产物的Al形态、结构形貌、组成及混凝机理进行分析.结果表明:①采用单因素试验法获得最佳合成条件,即反应温度为60 ℃,Mg/Al（摩尔比,下同）为0.5,Ti/Al（摩尔比,下同）为0.5,OH/（Al+Mg+Ti）（摩尔比,下同）为0.6.②形态分析表明,反应温度、Mg/Al、Ti/Al,OH/（Al+Mg+Ti）对Al的形态分布均存在影响.随着反应温度的升高,n（Ala）（Ala在Al的水解聚合形态中所占摩尔分数,下同）先减后增,n（Alb）（Alb在Al的水解聚合形态中所占摩尔分数,下同）先增后减,n（Alc）（Alc在Al的水解聚合形态中所占摩尔分数,下同）逐渐减小;随着Mg/Al的增大,n（Ala）先减后增,n（Alb）、n（Alc）为先增后减的趋势;随着Ti/Al的增大,n（Ala）逐渐增加,n（Alb）逐渐减少,n（Alc）先增后减;随着OH/（Al+Mg+Ti）的增大,n（Ala）逐渐减少,n（Alb）、n（Alc）逐渐增加.③通过红外光谱、X-射线衍射,确定了PCAMT的结构组成,表明PCAMT是一种—OH桥联的铝镁钛复杂无定型聚合物,含有Al—OH—Mg与Ti—O—Ti新基团以及形成了Mg_1.5Ti_1.25O₄、Mg_1.2Ti_1.8O₅、Al₃Ti₅O₂等共聚物.④扫描电镜与能谱结果表明,PCAMT呈紧凑的空间立体网状形貌结构,利于发挥吸附架桥、网捕卷扫作用.⑤由PCAMT投加量对Zeta电位的影响分析可知,低投药量的混凝过程中起主导作用的是电中和作用,高投药量PCAMT处理原水的混凝机制以吸附架桥和网捕卷扫作用为主.研究显示,AlCl₃、MgCl₂和TiCl₄通过共聚反应,可生成具有更高聚合度的无定型共聚物PCAMT,利于电中和、吸附架桥和网捕卷扫,具有较好的混凝效果.      

三种常见混凝机理为主导条件下絮体特性研究

以模拟低浊微污染水为原水,硫酸铝[Al2(SO4)3]为混凝剂,考察了3种常见混凝机理(电性中和、吸附架桥和网捕卷扫)为主导条件下絮体的成长过程、二维边界分形维数(Dpf)和比表面积及其与混凝效果的相关性.结果表明:吸附架桥为主导机理下絮体最大增长速率S(0.951)最快,达到稳定后絮凝指数FI最大(3.7%),二维边界分形维数Dpf最大(1.587),絮体呈块状且絮体间出现孔状间隙,比表面积介于网捕卷扫和电性中和之间[网捕卷扫(83.646m2/g)吸附架桥(98.808m2/g)电性中和(116.046m2/g)];FI值、S及Dpf变化与浊度去除率相关性较好,其相关系数分别达0.979、0.982和0.963,同时比表面积大的絮体吸附容量大,有机物的去除率高.     

三种常见混凝机理为主导条件下絮体特性研究

以模拟低浊微污染水为原水,硫酸铝[Al2 (SO4)3]为混凝剂,考察了3种常见混凝机理(电性中和、吸附架桥和网捕卷扫)为主导条件下絮体的成长过程、二维边界分形维数(Dpf)和比表面积及其与混凝效果的相关性.结果表明:吸附架桥为主导机理下絮体最大增长速率S (0.951)最快,达到稳定后絮凝指数FI最大(3.7%),二维边界分形维数Dpf最大(1.587),絮体呈块状且絮体间出现孔状间隙,比表面积介于网捕卷扫和电性中和之间[网捕卷扫(83.646m2/g)>吸附架桥(98.808m2/g)>电性中和(116.046m2/g)];FI值、S及Dpf变化与浊度去除率相关性较好,其相关系数分别达0.979、0.982和0.963,同时比表面积大的絮体吸附容量大,有机物的去除率高.     

腐殖酸絮凝体的形态学特征和混凝化学条件

以腐殖酸为混凝去除对象 ,通过图像法观察腐殖酸絮凝体的形态 ,研究了在混凝过程中以及不同化学条件下絮凝体分形维数的变化规律 .实验结果表明 ,在弱酸性 (pH =5 .0 )条件下形成的絮凝体比在中性 (pH =7.0 )条件下形成的絮凝体分形维数高 ,具有较密实的构造 .在该条件下 ,随搅拌历时的延长 ,絮凝体的分形维数有下降的趋势 .当铝盐投药量很高时 ,形成的絮凝体分形维数也降低 ,说明网扫絮凝为主要混凝机理时 ,絮凝体构造比较松散     

纳微米塑料的聚合铝铁强化混凝去除及铝残余特征

微纳塑料作为一种典型新污染物,广泛存在于水环境中,具有较强的生物毒性效应.混凝作为胶体和悬浮颗粒物去除的关键技术,主流铝铁絮凝剂对于微纳米塑料的去除效率相对较低,症结是对相关机制仍不明晰.为此,本研究通过预水解制备多种聚合铝铁絮凝剂,研究铁含量和预水解过程对微纳塑料去除效果的影响,解析微纳塑料絮体形成机制和混凝机理.结果表明,絮凝剂铁含量的增加对微米塑料的去除有促进作用,但对纳米塑料的去除有抑制作用.铝铁物质的量的比为9∶4的聚合絮凝剂对微纳塑料均具有较高的去除效率.微米塑料的去除以网捕卷扫为主,而纳米塑料的去除以电中和为主.预水解过程可以增强双金属絮凝剂对纳米塑料的吸附电中和能力,同时有效抑制铝残留.本研究从絮凝剂优化角度解析了微纳塑料的混凝去除机制,可为强化混凝高效去除微纳塑料同时控制铝残留提供参考.     

聚合氯化铝中纳米Al13形态的混凝效应

采用聚丙烯酰胺凝胶柱层析法分离纯化聚合氯化铝(PAC)中的Al13形态,用透光率脉动检测技术并结合絮凝效能和Zeta电位测定结果,对纳米Al13形态以及PAC、AlCl3絮凝过程中絮集物形成和增长的变化差异作了对比性研究.结果表明,混凝剂的不同铝形态分布在混凝过程中起着十分重要的作用.Al13形态是在絮凝过程中起电中和作用的主要形态,可以大大增加颗粒间的有效碰撞率,其凝聚速度和所形成絮集物颗粒大小在实验条件下呈现最大值.而对于PAC,其Alc含量较高,可起到吸附架桥和网捕卷扫作用,所以在低投加量表现出较快的絮体增长速率.     

聚合氯化铝中Alb形态去除腐殖酸的效果及机制研究

Alb形态[Al12AlO4(OH)247+]是聚合氯化铝(polyaluminiurn chloride,PAC)水解-聚合作用中形成的一种粒度小、所带正电荷多、聚集程度高及分子量大的多核羟基配合物.本试验采用乙醇.丙酮混合沉淀法分离PAC溶液中各种铝形态,提纯出Alb形态(Alb絮凝剂).研究投加量、pH及无机离子对Alb絮凝剂处理腐殖酸模拟水样絮凝效果的影响,并利用光散射颗粒分析仪(PDA2000)测定Alb絮凝剂对腐殖酸絮凝过程中絮体的形成与增长过程的动态变化,结合絮体的Zeta电位,对Alb絮凝剂的絮凝机制进行了初步探讨.结果表明,当投加量为4.3～6.3 ms/L、pH值为3.0～6.0时,Alb絮凝剂处理腐殖酸模拟水样达到最佳絮凝效果;NH4+、SiO32-、H2PO4-的存在明显抑制其絮凝性能.絮凝动力学过程和絮体Zeta电位表明,Alb絮凝剂在水处理中主要是通过电中和作用和吸附网捕卷扫作用共同起絮凝作用的.     

混凝剂投加量及污泥回流量对絮体破碎再絮凝的影响

以聚合硫酸铁为混凝剂,利用智能光散射分析仪(IPDA)对絮凝过程进行连续在线监测。考察不同混凝剂投加量、污泥回流量对絮体形成及破碎再絮凝的影响。结果表明:电性中和起主导作用时(聚合硫酸铁投加量为0.08 mg/L),形成絮体强度较大,破碎后恢复能力较强,而网捕卷扫占据主导作用(聚合硫酸铁投加量为>0.2 mg/L)形成的絮体比较松散,恢复因子低至49%,再次形成的絮体FI值较低;污泥回流时,絮凝过程絮体生长速度加快,稳定期絮体FI值大幅提高;回流污泥量越大,絮体的强度因子越大,恢复因子越低,浊度去除率与絮体破碎后恢复能力相关性较大。     

水中天然有机物混凝过程的光学在线监测及控制

以腐殖酸为去除对象，用光散射颗粒分析仪（PDA）对水中天然有机物的混凝过程进行在线监测，结果表明PDA输出信号（FI曲线）的特征值与絮凝体粒径和有机物去除率之间具有相关性，在弱酸性（pH=5.0)T和中性（pH=7.0)条件下，通过合理控制混凝剂投量，腐殖酸的TOC去除率可达50％，UV254去除率可达80％－90％，但pH=7.0时的投量为pH=5.0的5倍以上，在pH＝5．0的条件下，吸附电和中是有机物混凝的主要机理，但在混凝剂投量非常高的情况下，卷扫絮凝也起重要作用。在pH=7.0条件下，卷扫絮凝则是有机物混凝的主要机理。     

絮凝剂PTSS的分子结构研究

以聚硅酸和硫酸钛为原料制得絮凝剂聚硅硫酸钛(PISS),用电子显微镜观察其形貌,发现絮凝剂FISS呈现不同于聚硅酸球形颗粒状的分枝长链状结构,初步推测钛与聚硅酸发生了化学成键作用;通过红外光谱与X-射线衍射研究絮凝剂PTSS结构,证实钛与聚硅酸中的硅通过氧基成键.将该絮凝剂用于处理pH为8的模拟江水,在投加量(以钛离子计)为10 mg/L时,A254的去除率为70.9%,浊度去除率为99.3%,絮凝效果良好.测定不同pH下的Zeta电位,观察所形成絮体的形貌、测定絮体粒度分布以及观测红外光谱图均发现,絮凝剂PISS特殊的长链结构通过络合成键将模拟江水中的腐殖酸官能团带入絮体中,同时也通过吸附、网捕等作用将其余胶体颗粒去除.     

污水再生处理絮凝工艺去除病原性原虫的机制分析

通过考察在不同的絮凝剂种类、投加量、pH和温度等操作条件下隐孢子虫和贾第鞭毛虫(以下简称"两虫")的去除特性,探讨了污水深度处理絮凝工艺去除病原性原虫的作用机制.研究发现,污水经絮凝处理后,水样中胶体的平均ζ电位与2种荧光微球(两虫替代物)去除率和剩余浊度的线性相关度不高(R:0.49、0.48、0.65);而2种荧光微球之间的去除率线性相关性较高(R=0.99),并且与水样剩余浊度的变化趋势呈一定的指数相关关系(R=0.92、0.95).因此,在本研究的各种絮凝工况下.卷扫网捕是去除病原性原虫和浊度的重要作用机制.在相同操作条件下,贾第鞭毛虫的去除率大于隐孢子虫.     

高岭土铝活化法制备改性粘土及其除藻机制

以焙烧高岭土为原料,通过酸-碱组合活化、原料复配、控温熟化等连续处理步骤活化高岭土中的铝制备改性粘土(MC)。采用正交试验设计对该方法进行优化,考察了制备条件对获得改性粘土除藻效果的影响规律,探讨了不同制备条件下获得改性粘土除藻效率差异的机制。结果表明,酸-碱组合活化pH值对改性粘土的除藻效率具有显著影响(P<0.05),控制碱中和后的pH£3.6获得改性粘土的除藻效率可达90%以上。通过分析改性粘土的理化特征及絮凝除藻时的絮凝体特征发现,在最佳制备条件下,高岭土矿晶中铝大量被活化,合成改性粘土的片层致密且卷曲、微表面粗糙,分散到海水中时活化单体铝(Al_a)、多羟基铝(Al_b)含量更高,粘土表面电性由负转为正,絮凝卷扫藻细胞的作用增强,因而合成改性粘土具有更高消除赤潮生物的能力。     

二硫代氨基甲酸盐的絮凝作用机理及除油性能

用2种端氨基聚醚化合物Jeffamine-T403和Jeffamine-D230作原料分别合成了二硫代氨基甲酸盐型絮凝剂DTC-1和DTC-2,利用红外光谱分析,确认了产物分子的结构.以高岭土悬浊液为处理对象,通过考察DTC分子结构、投药量和Fe2+络离子浓度对絮凝的影响及Zeta电位的变化,讨论了DTC的作用规律和机理.结果表明,与DTC-2相比,DTC-1与Fe2+络合可形成网状超分子结构,故产生的絮体具有较好的网捕作用.金属离子为Fe3+时,絮凝性能较差.DTC-1除油能力强,在 Fe2+的配合下, 20mg/L的投加量可使油浓度从 93.9,404.3, 878.6mg/L分别降至1.1,3.2,6.4mg/L.     

聚合氯化铝中Alb形态去除腐殖酸的效果及机制研究

Al_b形态［Al₁₂AlO₄(OH)₂₄⁷⁺］是聚合氯化铝（polyaluminium chloride, PAC）水解-聚合作用中形成的一种粒度小、所带正电荷多、聚集程度高及分子量大的多核羟基配合物.本试验采用乙醇-丙酮混合沉淀法分离PAC溶液中各种铝形态,提纯出Al_b形态（Al_b絮凝剂）.研究投加量、pH及无机离子对Al_b絮凝剂处理腐殖酸模拟水样絮凝效果的影响,并利用光散射颗粒分析仪（PDA2000）测定Al_b絮凝剂对腐殖酸絮凝过程中絮体的形成与增长过程的动态变化,结合絮体的Zeta电位,对Al_b絮凝剂的絮凝机制进行了初步探讨.结果表明,当投加量为4.3～6.3 mg/L、pH值为3.0～6.0时,Al_b絮凝剂处理腐殖酸模拟水样达到最佳絮凝效果;NH⁺₄、SiO^2-₃、H₂PO^-₄的存在明显抑制其絮凝性能.絮凝动力学过程和絮体Zeta电位表明,Al_b絮凝剂在水处理中主要是通过电中和作用和吸附网捕卷扫作用共同起絮凝作用的.     

氧化剂与新型絮凝剂协同去除酸性大红的研究

选取浓度为25mg/L的酸性大红-GR溶液为模拟染料废水,采用氧化-絮凝耦合工艺,探索了氧化剂种类、絮凝剂种类、废水pH值、氧化剂和絮凝剂投加量对氧化-絮凝耦合处理酸性大红染料的影响,确定最佳处理条件为:酸性大红溶液初始pH值不变,高锰酸钾和PTSS的投加量分别为为20mg/L和10mg/L(以钛离子计),脱色率和COD去除率均最大,分别为96.3%、56.5%。通过FTIR光谱扫描、絮体的显微形貌观察、酸性大红和新型絮凝剂聚硅硫酸钛(PTSS)的表面电动电位随pH值的变化的测定,分析了氧化-絮凝耦合法的反应历程:高锰酸钾破坏酸性大红的发色基团后,自身被还原成新生态二氧化锰胶体;二氧化锰胶体吸附酸性大红及其氧化产物,并被无机高分子絮凝剂PTSS通过电中和及架桥网捕等作用卷裹成絮体。     

聚合氯化铁对浊度和腐殖酸的絮凝特性研究

采用聚合氯化铁(PFC)絮凝剂在不同pH条件下处理高岭土悬浮液和腐殖酸溶液, 测试了絮凝过程中的Zeta电位、浊度和腐殖酸的去除率变化.结果表明:pH=4时, PFC投加量最小, 剩余浊度最大,投加范围最窄;pH=7时次之;pH=10时由于Fe(Ⅲ)离子的正电荷减弱, 电中和能力不强, 而且同时产生Fe(OH)₃(s)的吸附作用使得剩余浊度最低, 投加范围最宽, 但投加量很大;在酸性条件下腐殖酸与Fe(Ⅲ)离子最容易发生络合反应;腐殖酸的存在并没有影响PFC的絮凝效果.     

Ca2+在饮用水铜绿微囊藻控制中的应用

为改善饮用水藻类的混凝去除效果,以铜绿微囊藻为研究对象,考察了单独投加Ca²⁺、Ca²⁺与PAC联用、Ca²⁺与CO₃^2-原位结晶三种方法的除藻效果,并对Ca²⁺和结晶产物CaCO₃的除藻机制进行探讨.结果表明,单独采用Ca²⁺时,Ca²⁺在低浓度下对藻细胞具有吸附电中和作用,高浓度时同时还有架桥作用,但两者均无法实现对铜绿微囊藻的去除.Ca²⁺与PAC联用,Ca²⁺可以通过吸附电中和显著提高PAC的除藻效果,最大去除率可达98.0%,同时Ca²⁺与溶解性藻源有机物（dAOM）的络合可将残余铝降低50%以上.含藻水中原位CaCO₃结晶对铜绿微囊藻的去除率最高可达83.5%,其产物为带正电荷、粒径2~4 μm左右的球型球霰石.球霰石对藻细胞的去除机制包括球霰石与藻细胞的互絮凝,以及球霰石团聚物对藻细胞的卷扫絮凝,同时球霰石还可以作为加重剂促进藻晶产物沉降分离.自来水厂采用CaCO₃原位结晶与PAC联用除藻,可望降低PAC投加量和残余铝风险,并解决CaCO₃原位结晶导致的浊度和pH偏高问题.研究成果为饮用水除藻提供了新思路.     

聚合硫酸铁(PFS)混凝腐殖酸(HA)的过程中典型操作因素的影响研究

针对聚合硫酸铁（PFS）混凝-沉淀去除腐殖酸（HA）水样的过程,通过测定典型操作因素（PFS投加量、原水pH和搅拌方式）下微絮体的zeta电位、上清液的浊度、UV254、pH值及电导率和絮体沉降体积变化,探讨了这些因素对该过程的影响.结果表明：在原水pH=6.00时,PFS混凝HA的主要机制为电中和作用,搅拌方式对PFS的最佳投加范围没有明显的影响,但单一搅拌方式下HA的去除效果更好;在原水pH=8.00时,吸附络合-卷扫絮凝成为主要的混凝机制,复合搅拌方式下PFS的最佳投加量范围大于单一搅拌方式,且前者的HA去除效果更好.整体而言,几种混凝条件下PFS最佳投药量对应的微絮体zeta电位均在-12.00mV左右;原水pH=6.00时PFS混凝-沉淀去除HA的效果比原水pH=8.00时的好,且前者形成的PFS-HA沉淀絮体体积较小,但单一搅拌方式下絮体结构的重组过程并不是影响絮体体积的主要因素.复合搅拌方式中开始阶段的高强度搅拌有助于PFS组分在HA水样中的分散而有利于其电中和作用的发挥,但对PFS的水解过程影响不大.