浅谈高悬浮物废水处理研究中存在的不足

王晓辉， 湛含辉

(中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州221008)

水资源是人类生存和发展的基础，然而目前水资源的缺乏已成为全球性的问题.我国是一个干旱缺水严重的国家，人均占有量仅有2 200 m3，约为世界人均占有量的1/4［1］，是13个人均水资源最缺乏的国家之一.因此，合理开发利用水资源、对易处理的废水进行二次回用已成为我国社会、经济发展的重要问题.

含高悬浮物的废水是指废水中污染物以悬浮物为主、不含或含少量其他污染物的水体，例如煤泥水、矿井水等. 该类废水经适当混凝处理即可二次回用，且其来源广、水量大、污染物相对较单一.因此，对该类水体进行资源化利用是缓解水资源供需矛盾，改善生态环境的有效途径，具有良好的社会、环境和经济效益. 然而，由于高悬浮物废水自身的水质特点及其他一些原因，对该部分废水的处理效果仍不尽如人意，或多或少存在一些问题.

1 高悬浮物废水处理的特点及工艺中存在的问题

1.1 高悬浮物废水处理的特点

高悬浮物废水的主要特点是:①悬浮物含量高，且浓度变化范围较大(10 ～80 g/L);②悬浮物粒径大小不等，等浓度下细颗粒较粗颗粒更难处理;③相对而言，高浓度下颗粒表面电荷斥力的影响不太显著，颗粒物主要通过有机高分子絮凝剂作用形成絮团达到去除的目的.

1.2 高浓度废水存在悬浮物浓度与药剂用量比例不等的矛盾

处理高悬浮物废水多采用混凝沉降技术. 混凝过程是指在混凝剂和水力条件的作用下，通过改变胶体、颗粒物的分散状态，形成更易于后期分离的絮体，经沉淀、气浮以及过滤去除颗粒物和其他污染物的过程. 由定义知，混凝是从加药开始直至最终形成絮凝体的过程，包括凝聚和絮凝两个过程.湛含辉［2］在总结国内外研究工作的基础上，从亚微观角度提出了混凝的物理模型，将混凝过程定义为混合、凝聚和絮凝3个连续作用的阶段，如图1.

该模型从理论上强调了混凝剪切中颗粒碰撞的有效性，并指出在一定剪切力下，只有胶体颗粒与分散的药剂充分接触，才有可能充分地形成微絮体，进而高效地形成大絮体. 该模型的提出，使混凝过程显得更为清晰.

实际工程中，处理低悬浮物废水所需有机高分子絮凝剂较少，按以上理论所述，低浓度下的每个悬浮物颗粒均能与有机高分子絮凝剂接触，实现药剂与颗粒的逐一吸附，进而形成絮粒、絮团，达到去除的目的.那么，对于高悬浮物废水而言，若要使药剂与每一个颗粒都发生作用，即药剂量与悬浮物浓度按正比关系增长，那么，有机药剂的用量是十分惊人的.但多数试验及实践经验证明，随废水中悬浮物浓度的增加，有机药剂的实际用量却增加并不多，同时还能取得较好的絮凝效果，也就是说，在取得较好絮凝效果的前提下，有机药剂用量并不随悬浮物浓度按比例增加. 另一方面，试验结果表明，在投加相应加药量(药剂增加量很少)的前提下，随悬浮物浓度的增加，出水浊度呈现先减小后增加的趋势;在30 ～40 g/L 内存在出水浊度最低点.

综上所述，高浓度范围下的絮凝沉降机理不同于低浓度时吸附架桥作用机理.为探索高浓度范围下悬浮物的絮凝沉降机理，必须熟知整个混凝理论，从其整个发展过程中找出切入点，进行下一步研究.

1 高悬浮物絮凝机理的研究进展

人们对混凝理论的研究具有悠久的历史. 结合混凝理论的发展过程可以看出，研究学者对混凝机理的研究多是针对药剂进行机理探索，有关悬浮物浓度变化对混凝机理影响的研究却较少;针对高悬浮物混凝机理的研究目前认为是包裹机理，该理论尚处于定性研究阶段，仍需进一步定量分析.

纵观近代混凝理论的发展过程，20世纪60年代以前，有关混凝理论主要以物理理论为基础，Derjaguin、Landau、Verwey 和Overbeek 根据经典胶体化学理论的Gouy-Chapman 双电层模型建立了DLVO理论，又称凝聚物理理论［3-5］.20世纪60年代以后，研究混凝的微观物理化学作用机理并强调微观物理化学过程的理论得到迅速发展. 许多学者相继提出吸附-电中和理论和吸附架桥理论，着重强调了凝聚过程中的化学作用.其代表是Stumn 及其合作者，他们先后发表的一系列文章［6-7］，着重强调了铝、铁盐凝聚剂水解形态在胶体颗粒脱稳过程中的化学作用.1964年，LaMer 等人［8-9］则针对有机高分子絮凝剂的凝聚絮凝状况，提出了有机高分子絮凝剂的絮凝架桥理论，并阐述了吸附架桥的胶体颗粒及高聚物空间位阻稳定理论.1965年，汤鸿霄［10-11］在研究分析上述凝聚絮凝理论的基础上，提出铝盐水解产物一定程度的脱稳是产生粘结架桥絮凝的必要前提.其后很多学者对混凝机理也进行了大量研究.纵观以上混凝理论的研究过程，研究学者多是以药剂为研究对象进行絮凝机理研究，无人提及浓度对机理的影响变化;有关高浓度范围下的混凝机理研究则更是少之又少.

湛含辉［12］以高浓度范围内的煤泥水为研究对象，对其絮凝沉降机理进行了深入研究. 他认为，高浓度范围下，煤泥水的沉降机理主要是包裹作用机理，即药剂对部分颗粒作用先形成包裹层，而后同一级包裹层再相互碰撞吸附而包裹低一级的絮体，同时其孔隙又被其他小颗粒所填充. 依此类推，最终形成的大絮体通过网捕作用去除剩余颗粒，达到净化的目的，如图2 所示. 该混凝机理的提出，使高浓度范围下悬浮物高效絮凝沉降的研究大大向前推进了一步.

1966年，Sutherland［13］从絮凝体成长过程角度进行了类似研究.尽管该研究是在使用无机药剂的条件下对低悬浮物提出的，但对高浓度下悬浮物的絮凝机理研究具有一定的促进作用. 该模型认为，絮凝体的成长过程是由初始颗粒结成小的集团，小的集团在结成大的集团的分步成长过程. 如图3 为理想化的分步成长絮凝体模型.

图2 高悬浮物范围下包裹机理的物理模型Fig.2 Physical model of package mechanism in high suspended solids range

图3 分步成长絮凝体模型Fig.3 Stepwise growth model of flocs

然而，对于高悬浮物范围下的絮凝机理目前也只是进行了定性描述. 因此，借助分形理论及显微技术，利用絮凝动力学对高悬浮物范围下废水的絮凝机理进行定量研究具有重要的实际意义.

3 高悬浮物絮凝动力学的研究现状

研究高浓度废水中悬浮物的絮凝机理，就必须研究其动力学过程. 从其动力学研究现状来看，所推导的模型能较好描述絮凝过程，但特别针对高悬浮物范围的絮凝模型却很少有人研究. 因此，只有提出高悬浮物范围下的絮凝动力学模型，才能定量分析包裹机理，也才能进一步应用于实践进行现场指导工作.

纵观整个絮凝动力学研究历程，自1917年Smoluchowski［14］根据6 点假设基于扩散理论提出离散型絮凝动力学方程，并根据上述假设率先推导出了异向絮凝的碰撞频率方程，后人便不断对其进行修正.1943年，Camp 和Stein［14］对层流条件下同向絮凝模型进行了推导;随着对水流流态的进一步认识，Camp 提出了紊流状态的速度梯度G，并对其同向絮凝碰撞频率方程进行了更正.1941年Kolmogoroff［15］根据各向同性紊流理论，提出了紊流条件下颗粒碰撞速率公式，为后续紊流絮凝研究奠定了理论基础. 其后，saffman 和turner［16］根据Kolmogoroff 的各向同性紊流理论，推出了紊流碰撞频率函数，能够较好地描述紊流下的絮凝状况. 1962年，Levich［17］基于紊流扩散理论，导出紊流条件下絮凝速率公式，开拓了紊流同向絮凝研究的另一个新方向.尽管以上公式不尽相同，但只是公式前系数的不同，其余完全相同，可见它们实质是一致的. 随着混凝理论的深入研究，1966年，Friendlander 和Wang［18］在Smoluchowski 方程的基础上，提出了粒子尺寸的连续分布碰撞模型，引起不少学者关注.另一方面，近几十年，分形理论在混凝领域的研究、应用也大大推进了动力学的发展，使人们更加清晰的认识了微观絮体的动态过程.1991年，Jiang［19］研究颗粒碰撞频率函数β 与絮凝体尺寸、分形维数D的关系，结合分形理论提出了新的颗粒碰撞频率模型，来探讨布朗运动、流体剪切与差速沉降等不同水流条件下的絮凝体特征.2000年Du 和James［20］等在Jiang 和Logan 研究的基础上，提出了颗粒直线碰撞下的聚合分形球体模型，简称CFS 模型. 该模型的提出使碰撞频率函数更适合于数值模拟.

综上所述，絮凝动力学方面的研究十分丰富，所推导的模型也较适用悬浮物的絮凝过程，尤其是低悬浮物废水. 而针对高悬浮物废水，这些模型似乎有些勉强，因为高浓度范围下，单位体积所含颗粒数大幅度增加，是低浓度下颗粒数的成千上万倍，颗粒间的碰撞频率很高，碰撞频率问题可能亦非最显著的影响因素;另一方面，高浓度范围下有机药剂用量较少，主要是由于包裹机理对颗粒进行了大量包裹，根据上文提到包裹机理和分步成长絮凝体模型，不难发现，高悬浮物范围下影响絮凝效果的关键是药剂与颗粒间的作用以及高级絮体对低级絮体(或颗粒)的包裹量，即如何实现高效包裹的问题.尽管包裹机理目前还处于定性研究阶段，但对今后高悬浮物下动力学方程的推导、絮凝机理地定量研究具有重要的理论指导意义.

因此，只有优化高悬浮物范围下的各影响因素，结合相似理论及化学动力学内容，建立高悬浮物范围下的絮凝动力学方程，才能对定量分析包裹机理，进一步应用于实践指导实际现场工作.

4 结语及展望

笔者结合现场实践经验，提出了目前处理高悬浮物废水存在的悬浮物浓度与有机药剂用量不成比例等矛盾. 通过分析混凝理论的研究历程，总结出高浓度范围下的絮凝作用机理为包裹机理，但目前该机理仅处于定性描述阶段;同时，经查找大量文献，发现目前为止尚无研究高悬浮物范围下的絮凝动力学方程. 针对以上问题，笔者认为今后研究方向应从以下几方面考虑.

(1)借助分形理论及显微技术，从亚微观角度深入分析高悬浮物废水中絮凝体的动态成长过程，了解高浓度范围下导致颗粒物快速沉降的真实作用机理;

(2)优化高悬浮物范围内的各显著影响因素，并结合相似理论及化学动力学等学科，以现有絮凝动力学知识为基础，建立高悬浮物范围下的絮凝动力学方程，对包裹机理进行定量分析，进一步应用于实际工艺中的絮凝过程.

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