水體顆粒物與飲用水質處理
在自然界的天然水體和水處理流程中的工藝水體內(nèi), 都含有形形色色的顆粒物。作為研究對象，顆粒物并無統(tǒng)一的嚴格定義。一般說來, 它是指比溶解的低分子更大的各種多分子或高分子的實體，不同學科根據(jù)其研究目的賦予不同的含義內(nèi)容。在現(xiàn)代環(huán)境水質科學范疇內(nèi)，顆粒物的概念相當廣泛,并不僅限于原來以0.45微米(μm)濾膜截留以上的懸浮物范圍。它把礦物微粒，無機和有機的膠體、高分子，有生命的細菌、藻類等都歸類為廣義顆粒物，實際上包括了粒度大于1納米(nm)的所有微粒實體，其上限可達數(shù)十到上百微米。這種考慮是從對環(huán)境水質的影響作用出發(fā)的。顆粒物群體具有十分廣闊的微界面(micro-interface)。它們本身既可成為污染物，而更重要的是與微污染物相互作用成為其載體，在很大程度上決定著微污染物在環(huán)境中的遷移轉化和循環(huán)歸宿。
廣義顆粒物包括了多種多樣的物質，它們都是生活飲用水中與人體健康密切有關的內(nèi)容。構成濁度的微細膠體聚集體，構成色度的天然腐殖質和各種有機有毒物也都在廣義顆粒物范圍之內(nèi)，溶解性有機低分子和無機絡離子與顆粒物也有密切的相互作用。因此，水體顆粒物包含著飲用水標準的主要指標和水質處理的核心對象。
水體顆粒物與諢濁度
水中多種多樣的顆粒物常常不是單獨存在，而是相互結合成為聚集體。它們可以歸納為某種結構模型，便于統(tǒng)一研究和討論。顆粒物的聚集體以無機顆粒物為骨架，它們是各種礦物微粒和粘土礦物，在天然水體中以高分子腐殖質及鐵、鋁、硅的水合氧化物為架橋物質而結合到一起。它們在土壤中成為團粒。在污染水體中，界面上吸附了各種微污染物和藻類、細菌等。飲用水的渾濁度指標就是反映這類顆粒物聚集體的數(shù)量和形貌，水處理工藝中則進一步與投加的無機和有機絮凝劑結合而成為絮團，并且吸附水中各種污染物，成為隨后流程中分離去除的主要對象。
飲用水質最原始而直觀的清潔標準是渾濁度，只是一種感官體現(xiàn)，F(xiàn)代水質標準中的渾濁度則具有更復雜的內(nèi)涵和定標方法。目前水處理技術中對濁度的要求是以NTU為指標。它是以標準操作制備的化學物質溶液的光學效應定標。渾濁度反映的實際是廣義顆粒物聚集體的綜合內(nèi)容，其中包含著界面吸附的各種微污染有毒有害物，因而與人體健康有直接關系。渾濁度的標準要求日益嚴格，生活飲用水過去控制在10度，后來降低到5度，目前又降低到1度以下，甚至達到0.3以至0.1度。這種發(fā)展趨勢說明科學對水質的理解逐步深入，相應對水質處理技術的要求也隨之提高，近年來發(fā)展的高效絮凝、深床過濾、納膜過濾等技術都是圍繞著渾濁度的嚴格要求形成的。
有機有毒化學品與高級化學氧化
近代世界有機化學品的生產(chǎn)量逐年成直線上升，達到每年數(shù)億噸之多，據(jù)統(tǒng)計，日常應用的就有70000多種，在工業(yè)化國家進入環(huán)境的化學品量相當于每年每平方米300克，其中相當部分對生態(tài)和人類具有毒性，對人體健康造成很大威脅。各類有機有毒化學品是當前國際上最關注的污染物，國外目前已注意到除致癌物外甚至包括神經(jīng)毒素、發(fā)育和生殖障害物等化學品，近來歐洲的二惡因事件就是突出的例子。水質標準相應也日益嚴格，檢測和處理都要求高新技術。化學品的環(huán)境問題，我國雖然尚未完全提到主要日程上來，但已達到相當污染水平。特別是對生活飲用水，理應成為關注的焦點。
在當前制定的環(huán)境優(yōu)先污染物中都是以有機有毒化學品為主要項目，例如：
美國制定的環(huán)境優(yōu)先污染物129種中有機有毒化學品就占114種，中國制定的68種中有機有毒化學品占58 種。其中主要包括單環(huán)多環(huán)芳烴、鹵代烴、苯及聯(lián)苯、硝基、酚類和各類農(nóng)藥、殺蟲劑等。我國提出2000年飲用水質規(guī)劃中有機有毒化學品的檢測指標已提出約30項。
有機有毒化學品大多屬于難降解的持久性化合物，其凈化處理技術用生物氧化技術往往難以奏效。目前的發(fā)展趨勢是應用高級化學氧化法(Advanced Chemical Oxidation Process)加以降解。這是利用現(xiàn)代的物理、化學催化氧化技術，強化有機物的降解過程，達到凈化除毒的效果。其作用機理實質是充分利用產(chǎn)生大量羥基自由基的氧化過程。目前，提出的各種組合技術例如：
均相反應：O3/UV，H2O2/UV，超聲/UV，電子束，O3/H2O2，H2O2/Fe2+
多相反應：半導體催化劑(TiO2)，電化學氧化，天然礦物催化劑
輻射催化：電光、日光、射線、微波
近年來，國外及我國對有機有毒物的催化氧化特別是多相界面催化氧化有大量研究成果，已經(jīng)逐步進入實用階段。對有機有毒物在光催化降解過程的途徑、中間形態(tài)、化學結構的降解規(guī)律(QSAR)、催化氧化動力學等均有深入研究。 同時，對TiO2界面催化劑的改性和固化，礦物還原溶解中對有機物的光催化降解等都是研究熱點。
我國天然水體的污染狀況仍很嚴重，水源保護和生活飲用水處理的負擔加重。微污染的處理已成為不可缺少的環(huán)節(jié)，活性炭吸附的更普遍應用，化學氧化及生物氧化作為給水處理的前端流程，都已提上日程，純凈水、健康水、分質供水也應運而生。正確的科學認識及合理的技術對策已是刻不容緩的課題。
接觸絮凝和高效絮凝集成系統(tǒng)
混凝或絮凝處理是顆粒物去除中最普遍采用的技術，F(xiàn)有的混凝或絮凝工藝包括溶藥、投藥、混和、凝聚、絮凝等環(huán)節(jié)，其構筑物是各種類型的反應器，利用管道擾動、機械攪拌、水力渦流、格網(wǎng)阻流等作用完成這些環(huán)節(jié)中的物理化學及水動力學過程。實際上，在后續(xù)的各類分離過程如沉淀、澄清、過濾、氣浮等的構筑物中，同樣也繼續(xù)進行著絮凝作用。因此，強化絮凝過程應該綜合考慮整個工藝流程系統(tǒng)，建立全線良好的絮凝作用條件，才能以高效率達到高質量的出水水質。
目前的各類反應器及相應的工藝參數(shù)，多是按照傳統(tǒng)絮凝劑如硫酸鋁等的特征和性能設計的，往往不能完全適合無機高分子等聚合類絮凝劑的需求，不能充分發(fā)揮新型絮凝劑的特有效能。所以，通過實驗研究，建立更適合于無機高分子絮凝劑特征的工藝系統(tǒng)，強化絮凝過程進而提高整個水處理流程的工藝效能，應是新型藥劑普遍應用后水處理工藝相應的發(fā)展方向。
混凝劑的最佳投藥量隨水質和各反應器工藝條件而變化，投藥量不足或過量都會使絮凝過程本身和整個流程的效果不良，并且造成經(jīng)濟上的浪費使制水成本提高。由于水處理廠運行費用中的藥劑費僅次于電費，因而選擇適合現(xiàn)有工藝的最佳投藥量并且建立可以隨水質水量變化而自動調整的投藥系統(tǒng)，可以收到高效和經(jīng)濟兩方面的功效。目前，自動控制投藥系統(tǒng)的軟件資料源可以來自在線監(jiān)測、經(jīng)驗積累、模式計算等方面。其中以現(xiàn)場監(jiān)測比較直接而相對成熟，傳感控制部件則以流動電流儀和絮凝體監(jiān)測儀比較多用。
基于上述思考，從充分發(fā)揮無機高分子絮凝劑的優(yōu)異特征出發(fā)，作者在1995年提出一個新的系統(tǒng)模型即高效絮凝集成系統(tǒng)，簡稱F-R-D系統(tǒng)。它包括高效能的絮凝劑(Flocculants)即各種無機高分子絮凝劑，高效率的反應器(Reactors)即與聚合絮凝劑匹配的各種優(yōu)異反應器，高經(jīng)濟的投藥系統(tǒng)(Dosing)即與聚合絮凝劑匹配的軟件硬件自控系統(tǒng)。其中每一部分都可以是各種類型的實體，根據(jù)不同的水質和處理工藝需求選擇，相互組合為有機的體系，成為某種高效絮凝集成水處理工藝系統(tǒng)。這一系統(tǒng)所依據(jù)的理論基礎應是無機高分子絮凝劑的作用機理和各種不同邊界條件下的動態(tài)絮凝原理。
在北京市第九水廠進行了F-R-D系統(tǒng)的中試規(guī)模的現(xiàn)場實驗。全系統(tǒng)包括三個類型的子系統(tǒng)，它們是接觸沉淀池、氣浮分離池和深床過濾池，各自連接自動控制投藥系統(tǒng)，進行不同絮凝劑的比較。經(jīng)過兩年的各種流程的連續(xù)實驗，表明三種形式都有優(yōu)良的性能。可以把2～100 NTU的原水降低到0.3NTU，滿足對低溫低濁水凈化達到高質量出水的要求。最近，作為國家九五科技攻關項目已經(jīng)驗收通過，評為優(yōu)秀成果。在生活飲用給水系統(tǒng)中進一步推廣實施，將會發(fā)揮更大作用。
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