徐亚东

（江苏省水资源服务中心 南京 210029）

凹凸棒土是一种含水富镁硅酸盐粘土矿物，具有独特的层链状结构、十分细小的棒状、纤维状晶体形态和较大的比表面积，吸附性能良好。国内外将凹凸棒土作为天然廉价吸附剂在各种污、废水处理的应用中进行了许多有益的探索，但用于微污染水源水处理的研究还鲜有报道。本文以苏北地区某水厂原水为对象，采用强化混凝静态模拟实验方法，将常规的投加混凝剂的混凝环节改变为改性凹凸棒土与混凝剂复合使用，考察改性凹凸棒土参与强化混凝处理微污染水源水中浊度、高锰酸盐指数、UV254和氨氮的效果，并探讨改性凹凸棒土强化混凝的作用机理。

1 实验部分

1.1 样品

水样为苏北某县镇级水厂水源水，常年的浊度范围为20～30NTU，UV254为0.115～0.122mg/L，高锰酸盐指数范围为6～9mg/L，氨氮范围为1.0～2.2mg/L，水温15℃～25℃。

凹凸棒土取自江苏省盱眙县古桑乡境内，经450℃高温改性，160目粉末，灰白色，pH值为8～9，纯度为90%。

1.2 仪器

六联电动搅拌器(JJ-4，国华电器）；SHIMADZU岛津紫外分光光度计Uv1201(波长范围:190～850 nm）；TS2-400A台式智能散射光浊度仪（测量范围:0～400 NTU）；FA2104型单盘电子天平（称量范围为0～210g，实际标尺分度值为0.1mg）。

1.3 实验方法

将一系列的1000ml试验水样加入搅拌烧杯中，根据不同顺序，分别投加适量的高温改性凹凸棒土，并适时投加混凝剂，快速（300r/min）搅拌 1min，再慢速(80r/min)搅拌 3～5min，静沉15min后，取上清液测定出水的浊度、高锰酸盐指数、UV254(经0.45um膜过滤)和氨氮等参数。

2 结果与讨论

2.1 投加顺序对改性凹凸棒土强化混凝效果的影响

在本次实验中，选择如下的四种投加顺序：①先投加改性凹凸棒土，3min后投加混凝剂；②先投加改性凹凸棒土，1min后投加混凝剂；③同时投加；④先投加混凝剂，混合反应3min后，投加改性凹凸棒土。实验结果如图1所示。

从图1可以看出，投加的先后顺序和时间间隔对强化混凝的效果有着直接影响，顺序2和3对各项污染指标的去除效果较好。可能是因为这两种情况下，能够保证凹凸棒土与水体能较好地混合和一定的吸附时间，利于其发挥吸附作用；而且此时混凝剂尚未完成对水中胶体的脱稳、凝聚，难以网捕、包裹与其自身尺度相当的凹凸棒土粉末颗粒，凹凸棒土受到的“包裹”作用最小。混凝剂加入30～60s左右，在剧烈搅拌中与水体的混合、水解迅速完成，胶体脱稳并形成微絮凝体，经过数分钟的反应后形成比较大的絮体，这时通过混凝去除的有机物基本已经结合进入絮体中，此后的反应时间内，絮体进一步结合成更大的矾花，改性凹凸棒土逐渐附着到絮体中，通过沉淀被去除。

投加顺序1对氨氮去除效果较好，但对浊度和高锰酸盐指数去除率不高。这是因为在混凝剂投加之前过早投加凹凸棒土，与混凝剂产生了竞争吸附，影响了混凝剂去除水中胶体和大分子有机污染物作用的发挥。投加顺序4对各项指标的去除率都较低，因为此时已有大量微絮体长成，迅速将投入的分散状态凹凸棒土颗粒网捕、包裹起来，凹凸棒土的吸附作用受到制约。

2.2 改性凹凸棒土与混凝剂投加量及配比对微污染水源水强化混凝的影响

改性凹凸棒土与聚合氯化铝的投加量及配比直接影响强化混凝的去除效果和处理费用。两者合适的投加量及配比关系，不仅能确保较高的去除效率，同时还能有效节约资源、降低处理费用。试验中聚合氯化铝的投加量分别为15、20、25mg/L，改性凹凸棒土的加量依次为 10、15、20、25、30mg/L。对浊度、高锰酸盐指数、UV254和氨氮去除效果如图2所示。

从图2-a可以看出，对于低浊度的微污染水源水，改性凹凸棒土与聚合氯化铝强化混凝处理效率很高，出水浊底保持在0.4～0.7NTU的合格范围内。当聚铝投加量为20mg/L，改性凹凸棒土投加量为20～25mg/L时，对浊度去除率最高可达97.02%。聚铝与凹凸棒土的适宜投加比例为1∶1～1.25。

投加改性凹凸棒土对去除有机物有明显的强化作用。由图2-b、2-c可见，当聚合氯化铝投加量为20mg/L，改性凹凸棒土投加量为25mg/L时，高锰酸盐指数去除率为47.63%，UV254去除率为32.46%，分别比单独投加聚铝提高了17%和12%以上。实验结果还表明，投加改性凹凸棒土后对高锰酸盐指数去除率的提高量较UV254更为显著。这是因为：UV254组成为分子量大于3000的大分子有机物，易被混凝剂水解产生的氢氧化铝絮体捕获去除，受凹凸棒土投加量的影响较小；高锰酸盐指数中小分子有物较高，这些小分子有机物难以被絮凝和沉淀，投加凹凸棒土后被碰撞和吸附的几率大增，去除效果明显增强。

改性凹凸棒土对氨氮吸附较好。由图2-d可见，当聚铝投加量为25mg/L、改性凹凸棒土30mg/L时，氨氮去除率达31.0%。而常规混凝的氨氮去除率仅为1.40%。这表明投加凹凸棒土对混凝过程中氨氮去除起了决定性的作用。

3 改性凹凸棒土参与微污染水源水强化混凝的作用机理分析

按照改性凹凸棒土参与微污染水源水强化混凝的过程，可以分为混合阶段（或凝聚阶段）、絮凝阶段、沉降阶段。在这三个阶段，凹凸棒土分别发挥了吸附作用、助凝作用、助沉作用。

在混合阶段（或凝聚阶段），改性凹凸棒土发挥了三个方面的作用：①凹凸棒土粉末在剧烈的搅拌作用下快速均匀地与水混合，增加了水中悬浮颗粒的浓度，加大了颗粒间的有效碰撞几率，从而破坏胶体微粒的动力稳定性，使胶体颗粒碰撞结合。②凹凸棒土依靠较大的比表面积及吸附性能，自身能够吸附水中的部分污染物，并使水中胶体等以其为中心凝聚成密度较大的矾花。③凹凸棒土通常带有表面负电荷，在混合阶段后期受混凝剂水解聚合物的压缩双电层作用影响，ζ电位降低进而脱稳，相互间进一步凝聚形成更大的颗粒体。

在絮凝阶段，由于聚合氯化铝等无机高分子混凝剂本身不能使絮体致密，形成的絮体体积大、密度小、含水率高，而加入凹凸棒土作为成核物质，使水中胶体迅速凝聚，形成了较为密实的絮体。

在沉淀阶段，处于悬浮状态的絮凝体主要依靠本身的重力作用而下沉，由于凹凸棒土加入后絮体密实性强，形成的矾花质量也比较大，沉降性能显著改善。

4 结论

（1）投加顺序和时间间隔对改性凹凸棒土强化混凝效果有着直接影响。当先于聚合氯化铝1min投加或同时投加时，能够保证凹凸棒土与水体能较好地混合和一定的吸附时间，而且受絮凝体“包裹”作用最小，对各项污染指标的去除效果较好。

（2）当聚合氯化铝投加量为20mg/L、改性凹凸棒土投加量为25mg/L时，对浊度、高锰酸盐指数、UV254和氨氮的去除率分别为97.02%、47.63%、32.46%和31.0%，分别比单独投加聚合铝提高了6%、17%、12%和29%以上；两者的适宜投加量配比为1∶1～1.25。

（3）改性凹凸棒土参与微污染水源水强化混凝的过程可分为混合阶段（或凝聚阶段）、絮凝阶段、沉降阶段，在三个阶段分别发挥了吸附作用、助凝作用和助沉作用