（中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410007）

近年來，我國城市化進(jìn)程不斷加快，工業(yè)發(fā)展迅速，污水排放量逐漸增加，很多河段都受到不同程度的污染。國務(wù)院頒布實(shí)施的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（“水十條”）明確，2030年實(shí)現(xiàn)全國城市建成區(qū)黑臭水體總體得以消除的目標(biāo)。河流黑臭不僅使城市形象受損、人們的健康受到威脅、水生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，還會(huì)影響城市環(huán)境的美觀性，消除河流黑臭現(xiàn)象是我國環(huán)保領(lǐng)域的關(guān)鍵任務(wù)之一[1-2]。

目前，絮凝劑水處理技術(shù)在污水處理領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用[3-5]。市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今市場上的絮凝劑產(chǎn)品種類繁多，但綜合功效良莠不齊。本文綜合市場調(diào)研的結(jié)果，優(yōu)選出新型復(fù)合硅酸鋁和傳統(tǒng)無機(jī)聚合氯化鋁（PAC）這兩種主流絮凝劑進(jìn)行場地試驗(yàn)研究。新型復(fù)合硅酸鋁絮凝劑主要以高純度自然活性元素與硅酸鋁復(fù)合形成新型材料，具有絮凝、離子交換、催化、吸附等功能，對(duì)有害有機(jī)物、富營養(yǎng)化元素、重金屬等水體污染都能夠起到治理作用。此外，部分新型復(fù)合硅酸鋁絮凝劑還添加了一定量的稀土元素，能激活酶活性，通過一系列的化學(xué)過程、物理過程和生物過程進(jìn)行綜合治理。PAC是一種新興無機(jī)高分子凈水材料，由于氫氧根離子的架橋作用和多價(jià)陰離子的聚合作用，生產(chǎn)出的聚合氯化鋁是相對(duì)分子質(zhì)量較大、電荷較高的一種水溶性無機(jī)高分子聚合物，對(duì)水中膠體和顆粒物具有高度電中和及橋聯(lián)作用，并可強(qiáng)力去除有毒物質(zhì)和重金屬離子[6]。同時(shí)，聚合氯化鋁具有適應(yīng)水域?qū)?、水解速度快、吸附能力?qiáng)、出水濁度低和脫水性能好等優(yōu)點(diǎn)。聚丙烯酰胺（PAM）是一種線性的水溶性聚合物，含大量官能團(tuán)，通過將其應(yīng)用于水體修復(fù)中，可發(fā)揮強(qiáng)烈的吸附作用，在微粒與微粒之間形成架橋，進(jìn)而促進(jìn)水中細(xì)微顆粒的凝聚，達(dá)到絮凝的作用[7]。PAM常作為助凝劑使用。

本文主要通過對(duì)比試驗(yàn)，研究新型復(fù)合硅酸鋁和PAC兩種絮凝劑在常溫常壓下對(duì)消除黑臭、提升水質(zhì)的治理效果。同時(shí)，分析新型復(fù)合硅酸鋁和PAC兩種絮凝劑的適用條件，總結(jié)它們的施工綜合成本，以期對(duì)相關(guān)工程提供技術(shù)支撐并為工程成本概算提供有力的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)現(xiàn)場概況

試驗(yàn)時(shí)間為2017年9月至2018年1月，地點(diǎn)為廣州，9月平均氣溫為30℃。試驗(yàn)池水深約為1.5 m，底泥深約為0.5～1.0 m，水域面積約為2 000 m2。前池水體化學(xué)需氧量（COD）為44.8 mg/L，氨氮（NH3-N）為34.9 mg/L，屬重度黑臭，無大型水生動(dòng)植物生存，水生生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)嚴(yán)重失衡。

1.2 材料與儀器

試驗(yàn)所用新型復(fù)合硅酸鋁絮凝劑（新型絮凝劑）、底泥改良劑均采購自四川瑞澤科技有限公司。聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）采購自廣州邦森化工科技有限公司。

采用便攜式濁度儀（2100Q，哈希公司）測量水體濁度；使用手持式野外水質(zhì)測量儀（ProPlus，維賽儀器（北京）有限公司）測定水體pH、溶解氧等；使用調(diào)制熒光儀（PHYTO-PAM，上海澤泉科技股份有限公司）對(duì)藻類進(jìn)行類別鑒定并檢測葉綠素-a含量；使用黑白盤法測定水體透明度。樣品的NH3-N、總氮（TN）、總磷（TP）、COD檢測委托給第三方檢測機(jī)構(gòu)，分別采用氨氮分析儀（LH-N11，杭州陸恒生物科技有限公司）、紫外可見分光光度計(jì)（Alpha1900、上海譜元儀器有限公司）、微波消解儀（WX-6000，上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司）進(jìn)行測定。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 新型復(fù)合硅酸鋁絮凝劑試驗(yàn)

參考四川瑞澤科技有限公司給出的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)際情況，本研究的新型絮凝劑試驗(yàn)主要分為三個(gè)步驟：2017年10月12日，將生態(tài)改底劑45 kg（15 kg/1 000 m3）一次性均勻投放于河道治理試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，以降低底泥中污染物質(zhì)，使底泥中可能被再解析的污染物質(zhì)大幅度減少，為整體治理提供有利條件；在生態(tài)改底劑（改底劑）投放1 d后，將復(fù)合硅酸鋁Ⅰ型450 kg（150 kg/1 000 m3）與水按1∶100的比例混合成稀濃度的混懸液，一次性均勻噴施于河道治理試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，以提高水體透明度；在復(fù)合硅酸鋁Ⅰ型（Ⅰ型絮凝劑）投放5 d后（2017年10月18日），將復(fù)合硅酸鋁活性治污劑Ⅱ型（Ⅱ型絮凝劑）225 kg（75 kg/1 000 m3）與水按1∶100的比例混合成稀濃度的混懸液，一次性均勻噴施于河道治理試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，達(dá)到強(qiáng)制治污、提升水質(zhì)的目的。

1.3.2 PAC絮凝劑試驗(yàn)

往500 mL燒杯中加入試驗(yàn)區(qū)域的水各500 mL（濁度62 NTU），分別往燒杯中加入定量的PAC（40～30 000 mg/L），用玻璃杯攪拌1 min，隨后靜置約1 h，觀察水體濁度變化，從而選擇合適的PAC用量；根據(jù)PAC試驗(yàn)結(jié)果配制合適的PAC濃度，分別加入一定量預(yù)先溶解好的各類PAM（用量為PAC的1/50），靜置1 h后取水測濁度。所有試驗(yàn)重復(fù)三次，取其平均值。

2017年12月26日，開展PAC絮凝劑場地試驗(yàn)，此時(shí)試驗(yàn)區(qū)的水量約為3 000 m3，水體濁度為30 NTU左右。根據(jù)上述PAC定量試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)域水質(zhì)的變化情況，最終優(yōu)選PAC用量為100 mg/L，PAC用量定為300 kg。由于池內(nèi)含有泥沙，可以起到類似PAM的作用，PAM不再另加。300 kg PAC被分批溶解到施工小船內(nèi)，在攪拌的同時(shí)均勻?yàn)⒌皆囼?yàn)區(qū)受污染的水體中。

2 結(jié)果與討論

2.1 PAC&PAM定量優(yōu)選試驗(yàn)

由圖1（a）和表1可知，試驗(yàn)區(qū)水體的濁度為62 NTU，PAC用量較大（1 000～30 000 mg/L）時(shí)，濁度反而升高，水體更加渾濁，此時(shí)溶液的pH值變小，pH值的改變將會(huì)影響下一步的試驗(yàn)；當(dāng)PAC濃度為200 mg/L或400 mg/L時(shí)，水體的濁度明顯降低并且相差甚微，分別為2.78 NTU和2.66 NTU，然而200 mg/L的用量更少，成本更低，此時(shí)水體pH值基本沒有發(fā)生改變。因此，當(dāng)前水質(zhì)條件下，可選擇200 mg/L作為PAC的優(yōu)化用量。

由圖1（b）和表1可知，加入陰離子型的PAM、陽離子型的PAM、陰離子與陽離子混合型的PAM后的水體濁度分別變?yōu)?.08 NTU、2.78 NTU和3.65 NTU，由此可見，經(jīng)陰離子PAM處理后的水體濁度最低、處理效果最好。與此同時(shí)，在相同PAC用量下，陰離子型PAM溶解速度與沉降速度均更快，絮凝效果更好，相對(duì)而言，陰離子型PAM的價(jià)格也更便宜。因此，針對(duì)本試驗(yàn)的污染水體或者類似的黑臭水體，選用陰離子型PAM處理內(nèi)循環(huán)的污染水體較為合適。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水體含氣量較多、溶氧較高的情況下，絮凝體會(huì)上浮，不易下沉，此時(shí)不適合施用絮凝劑；加入PAC和PAM后稍微攪拌即可，不可劇烈攪拌，否則會(huì)破壞絮體，降低絮凝劑的沉降效果。

圖1 PAC和PAM定量優(yōu)選試驗(yàn)水體外觀

表1 PAC和PAM定量優(yōu)選試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 新型復(fù)合硅酸鋁絮凝劑對(duì)試驗(yàn)區(qū)藻類的影響

2017年10月18日上午投加完Ⅱ型絮凝劑后，當(dāng)天下午試驗(yàn)區(qū)水體明顯泛綠，這一現(xiàn)象一直持續(xù)到10月21日。采集試驗(yàn)區(qū)內(nèi)和試驗(yàn)區(qū)外水樣，經(jīng)浮游植物分類熒光儀PHYTO-PAM檢測，發(fā)現(xiàn)水體中的藻類主要是綠藻，其葉綠素-a含量變化如圖2所示，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)水體中葉綠素-a含量由10月19日的2.48 μg/L迅速升高至10月20日的5.84 μg/L，與此同時(shí)，試驗(yàn)區(qū)外水體中的葉綠素-a含量（背景值）僅由1.28 μg/L增加到1.42 μg/L。試驗(yàn)區(qū)外水體中的葉綠素-a含量明顯低于試驗(yàn)區(qū)內(nèi)水體中的葉綠素-a含量。結(jié)果表明，試驗(yàn)區(qū)水體內(nèi)投加Ⅱ型絮凝劑，可能促進(jìn)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)水體中綠藻的快速增長，使得水體表觀呈現(xiàn)綠色。10月22日，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)水體中藻類開始大量死亡，死亡藻體將有機(jī)氮磷釋放到水體中，使得試驗(yàn)區(qū)水體水質(zhì)開始變差，表觀變黑。

圖2 水體綠藻葉綠素-a濃度變化

2.3 絮凝劑對(duì)試驗(yàn)區(qū)水體濁度和透明度的影響

2017年10月14-16日，試驗(yàn)所在地區(qū)連續(xù)三天下著中雨-暴雨，嚴(yán)重影響了絮凝劑的使用效果，使得試驗(yàn)區(qū)濁度增加透明度降低；10月18日投加Ⅱ型絮凝劑后，濁度顯著降低、透明度增加，絮凝出現(xiàn)初步效果；然而，隨著水中藻類的爆發(fā)以及死亡，試驗(yàn)區(qū)濁度處于較高的水平，如圖3（a）所示。由圖3（b）可知，2017年12月26日投加新型絮凝劑后水體的透明度顯著增加，濁度降低，透明度從投加前的36 cm提高到投加后的45 cm，濁度從投加前的30 NTU下降到投加后的21 NTU。由于間歇性曝氣的影響，隨后兩天絮體被曝氣機(jī)打碎翻起并未沉入池底，使得透明度小幅降低，濁度升高。12月29日后，絮體全部沉入池底，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)水體透明度大幅提升，從試驗(yàn)前的36 cm最高提高到70 cm，濁度則顯著下降，從試驗(yàn)前的30 NTU最低降到4.42 NTU，從而改善了水體的光照條件，為藻類的繁殖等創(chuàng)造了良好的條件，有效促進(jìn)水體中好養(yǎng)微生物的生長與繁殖。因此，傳統(tǒng)PAC絮凝劑能更好地提高水體透明度，降低水體濁度。

圖3 投加新型絮凝劑和PAC后試驗(yàn)區(qū)水體透明度和濁度變化

2.4 絮凝劑對(duì)試驗(yàn)區(qū)水體TN和NH3-N的去除作用

投加絮凝劑后，試驗(yàn)區(qū)水體中NH3-N和TN變化趨勢如圖4所示。由圖4（a）可以看出，試驗(yàn)區(qū)水體中的NH3-N和TN在2017年10月12日和13日分別投加改底劑和Ⅰ型絮凝劑后呈現(xiàn)明顯降低趨勢，10月18日Ⅱ型絮凝劑投加后，二者持續(xù)降低，TN和NH3-N分別從10月12日的25.9 mg/L、19.8 mg/L下降到19日的14.5 mg/L、14 mg/L，TN和NH3-N最高降幅分別達(dá)到44.0%和29.3%。TN的降低同水體中硝化與反硝化的交替作用相關(guān)。白天水體中藻類較強(qiáng)的光合作用釋放大量O2，使水體處于好氧狀態(tài)，夜間藻類較強(qiáng)的呼吸作用消耗O2，使水體處于缺氧狀態(tài)；好氧環(huán)境下的硝化作用使得NH3-N轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，厭氧環(huán)境的反硝化作用將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2逸出水體，好氧-缺氧環(huán)境在水體中的交替使硝化與反硝化交互作用，降低了水體中的TN。NH3-N的降低可能有以下三點(diǎn)原因：其一，復(fù)合硅酸鋁水處理劑具有較強(qiáng)的陽離子交換能力，能吸附NH3-N（NH4+）并沉積于水底；其二，復(fù)合硅酸鋁水處理劑中所含的鑭、鈰元素能與污染水體中NH4+和PO43-生成難溶復(fù)鹽 REE（NH4）3（PO4）2·6H2O，水處理劑與復(fù)鹽發(fā)生化學(xué)吸附并形成穩(wěn)定的沉淀固定于水底，從而降低水體中NH3-N；其三，水體透明度改善后，藻類及微生物快速生長繁殖，消耗了水體中的氮元素，將氮素轉(zhuǎn)化為自身生物量。10月22日后NH3-N和TN含量有所升高可能與22日綠藻的大量死亡有關(guān)，大量死亡的綠藻將含有的有機(jī)氮重新釋放到水體中，NH3-N和TN含量升高。

2017年12月24日至2018年1月2日，試驗(yàn)區(qū)所在地區(qū)氣溫保持在19～23℃，均為多云或晴天。由圖4（b）可以看出，試驗(yàn)區(qū)水體中的TN和NH3-N在2017年12月26日投加PAC后明顯下降，分別下降到12月31日的19.9 mg/L、16.2 mg/L，相應(yīng)的去除率分別達(dá)到40.6%、43.8%。這可能是由于天氣狀況適宜，投加PAC后絮凝效果明顯，水體透明度大大增加，有效促進(jìn)了水體中藻類的光合作用，使得白天好氧微生物快速生長繁殖，硝化作用強(qiáng)烈，晚間水體處于缺氧環(huán)境，反硝化作用比較強(qiáng)，如此交替作用使得水體中的NH3-N和TN含量快速降低。由此可見，PAC與新型絮凝劑對(duì)NH3-N和TN均有較好的去除能力，天氣狀況對(duì)絮凝劑的使用效果影響很大。

2.5 絮凝劑對(duì)試驗(yàn)區(qū)水體TP的去除作用

圖5為投加絮凝劑后試驗(yàn)區(qū)水體中TP的變化情況。由圖5（a）可以看出，在投加新型絮凝劑后，TP含量持續(xù)降低，從10月12日的1.74 mg/L下降到19日的0.264 mg/L，最高降幅高達(dá)到84.8%。TP的降低可能同兩個(gè)因素相關(guān)：其一，絮凝劑中的鑭、鈰元素同水體中NH4+和PO43-生成難溶復(fù)鹽REE（NH4）3（PO4）2·6H2O，復(fù)鹽化學(xué)吸附到絮凝劑上并形成穩(wěn)定的沉淀固定于水底；其二，綠藻的大量繁殖消耗了水體中的磷元素。10月22日，綠藻的大量死亡致使微生物體內(nèi)的磷元素釋放到水體中，因此水體TP含量開始上升。2017年12月26日，投加PAC后，試驗(yàn)區(qū)水體中TP的含量呈明顯下降趨勢，一直下降到2018年1月2日的1.1 mg/L，TP的去除率達(dá)到58.0%，這主要是由PAC的混凝沉淀作用造成的。相比而言，新型絮凝劑對(duì)試驗(yàn)區(qū)TP的去除效果更佳，可以使水質(zhì)短暫達(dá)到地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 投加新型絮凝劑和PAC后試驗(yàn)區(qū)水體TN和NH3-N變化

圖5 投加新型絮凝劑和PAC后試驗(yàn)區(qū)水體TP的變化

2.6 絮凝劑對(duì)試驗(yàn)區(qū)水體COD的去除作用

圖6為絮凝劑投加前后試驗(yàn)區(qū)水體化學(xué)需氧量（COD）隨時(shí)間的變化情況。從圖6（a）可以看出，試驗(yàn)區(qū)水體中的COD含量在投加改底劑和Ⅰ型絮凝劑后有所增加，主要是因?yàn)楦牡讋┯行Т偈沟啄嘀械奈镔|(zhì)分解轉(zhuǎn)化，所降解的有機(jī)質(zhì)釋放到水體中，使得水體COD含量增加；10月18日投加Ⅱ型絮凝劑之后，隨后直至10月24日COD含量均表現(xiàn)為快速升高，這主要是水體中綠藻的大量繁殖導(dǎo)致的，圖2中相應(yīng)時(shí)間內(nèi)葉綠素-a的快速增加印證了這點(diǎn)。促使藻類迅速增長的主要原因可能有：其一，Ⅱ型絮凝劑投加后，水體透明度得到進(jìn)一步改善，光照充足，藻類的光合作用加強(qiáng)，水體也未受擾動(dòng)，生物量開始積累；其二，新型絮凝劑中含有稀土元素鑭和鈰，能激活綠藻酶活性，促進(jìn)綠藻的繁殖與生長；其三，水體富營養(yǎng)化，氮磷含量豐富。

2017年12月26日，投加PAC后，試驗(yàn)區(qū)水體中COD的含量呈明顯下降趨勢，從2017年12月26日的51.3 mg/L下降到12月31日的31.7 mg/L，COD的去除率為38.2%，主要原因是PAC有較好的吸附能力，具有較強(qiáng)的絮凝沉淀作用。因此，PAC比新型絮凝劑更有利于去除試驗(yàn)區(qū)水體內(nèi)的COD。

圖6 投加新型絮凝劑和PAC后試驗(yàn)區(qū)水體COD的變化

2.7 絮凝劑的綜合使用成本

由表2、表3可知，新型絮凝劑與PAC兩種絮凝劑綜合使用成本有著很大差距。因?yàn)棰蛐托跄齽┖欢ǖ南⊥猎?，每噸高達(dá)19.35萬元，其用量較大，為75 kg/1 000 m3，新型絮凝劑施工費(fèi)用（包括運(yùn)輸費(fèi)）較高，達(dá)到4.5萬元，整個(gè)新型絮凝劑試驗(yàn)總花費(fèi)為10.564萬元，平均成本高達(dá)2.457萬元/1 000 m3。但是，傳統(tǒng)PAC絮凝劑成本僅為0.17萬元/t，整個(gè)PAC試驗(yàn)花費(fèi)僅為0.114萬元，平均成本低至0.027萬元/1 000 m3。

傳統(tǒng)絮凝劑PAC的綜合成本僅為新型絮凝劑的百分之一，差距巨大。顯然，新型絮凝劑在成本上具有較大的競爭劣勢，雖然使用前期水質(zhì)得到改善，但后期由于藻類的死亡，水質(zhì)又變差，不能長效維持水質(zhì)，加之成本較貴，不建議工程項(xiàng)目使用。若需要大面積應(yīng)急提高水體透明度，使用PAC即可，其具有成本低廉、貨源廣泛、施工簡單和效果顯著等優(yōu)勢。

表2 新型絮凝劑和PAC綜合成本對(duì)比（一）

表3 新型絮凝劑和PAC綜合成本對(duì)比（二）

3 結(jié)論

在水體濁度為30 NTU時(shí)，PAC用量100 mg/L較為合適；在相同PAC用量下，陰離子型PAM比陽離子型PAM絮凝效果更好，絮體的沉降速度更快，價(jià)格更便宜，更適合用在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)水體中作為助凝劑。PAC投加后，水體的透明度從試驗(yàn)前的36 cm提高到70 cm，濁度從試驗(yàn)前的30 NTU降低到4.42 NTU，水體透明度明顯增加，濁度降低。投加PAC后，水質(zhì)在2～3 d內(nèi)即可得到有效改善。

新型絮凝劑投加后，試驗(yàn)區(qū)水體中NH3-N、TN、TP指標(biāo)顯著降低，NH3-N、TN降幅分別達(dá)到29.3%和44.0%，總磷下降明顯，降幅達(dá)84.8%，水質(zhì)得到改善。此外，新型絮凝劑所含的稀土元素還能促進(jìn)微生物生長，也能與水體中的N、P等物質(zhì)生成難溶的復(fù)鹽，起到進(jìn)一步提升水質(zhì)的作用。PAC絮凝劑投加后，試驗(yàn)區(qū)水體中TN、NH3-N、TP、COD分別下降40.6%、43.8%、58.0%和38.2%，表現(xiàn)出較強(qiáng)的絮凝沉淀效果。

改底劑可降解底泥中污染物質(zhì)；Ⅱ型絮凝劑所含的稀土元素（鑭和鈰）能激活綠藻的酶活性，促進(jìn)綠藻的繁殖與生長，從而有效降低水體N、P含量，綠藻的光合作用及呼吸作用在水體中營造出交替的好氧環(huán)境和厭氧環(huán)境，也有利于微生物的硝化作用和反硝化作用，使得TN快速降低。

使用新型絮凝劑平均成本高達(dá)2.457萬元/1 000 m3，而傳統(tǒng)PAC絮凝劑平均成本低至0.027萬元/1 000 m3，傳統(tǒng)絮凝劑PAC的綜合成本僅為新型絮凝劑的百分之一，差距巨大。若需要大面積應(yīng)急提高水體透明度，推薦使用PAC，其具有成本低廉、貨源廣泛、施工簡單、見效迅速且效果顯著的優(yōu)勢。