粘土矿物强化混凝处理微污染水源水研究现状与进展*

刘　盼，李若雯，吴俊峰，郭一飞，付红梅

(1 郑州大学化学与分子工程学院，河南　郑州　450001；2 河南城建学院市政与环境工程学院，河南　平顶山　467036；3 宝丰县环境保护局，河南　平顶山　467400；4 国网河南省电力公司平顶山供电公司，河南　平顶山　467001)



粘土矿物强化混凝处理微污染水源水研究现状与进展*

刘盼1,2，李若雯3，吴俊峰2，郭一飞2，付红梅4

(1 郑州大学化学与分子工程学院，河南郑州450001；2 河南城建学院市政与环境工程学院，河南平顶山467036；3 宝丰县环境保护局，河南平顶山467400；4 国网河南省电力公司平顶山供电公司，河南平顶山467001)

近年来，藻华的爆发以及重金属污染使水源水污染日益加重，严重威胁到饮用水安全，常规水处理技术已无法满足人们对饮用水的水质要求，亟待寻求一种安全、高效、经济的处理微污染水源水的技术和方法。本文针对粘土矿物价格低廉、资源丰富、有优良吸附性能等优点，综述了将不同粘土矿物进行改性、复合并与混凝剂联用处理微污染水的应用效果并进行对比，揭示了该技术存在的不足以及未来的发展方向，为今后处理微污染水新技术提供理论支持和技术参考。

粘土矿物；强化混凝；微污染水源水

微污染水源水是指受到工农业和生活污水污染，其中部分指标超过《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类水体规定标准的饮用水源水。近年来，随着“十二五”规划的进一步实施，我国水环境现状得到一定程度的改善，2012年全国环保重点城市集中式饮用水水源地达标水量218.9亿吨，达标率为95.3%。但在大部分经济落后的中小型城市，饮用水均受到不同程度的污染，面对水源水水质恶化，常规处理技术已不能满足处理要求，如采用预氧化技术，氧化剂投加量不易把握，投加量过少易形成有毒有害副产物，投加量过大会产生更多的THMs；增加深度处理工艺，例如膜法深度处理工艺，对进水水质要求高，需要定期清洗，存在着维护费用和运转费用高的问题，针对传统工艺的不足，处理微污染水源水新技术涌现出来。

强化混凝技术是指通过一系列强化措施改善絮凝条件，从而提高混凝效果的方法。通常采用多投混凝剂、助凝剂或者有氧化和混凝综合作用的新型水处理药剂等方法来提高混凝效果。粘土矿物作为一种新型吸附剂，具有贮量丰富、吸附效果好、效率高、成本低等优点，逐步受到研究者的亲睐。运用粘土矿物强化混凝处理微污染水，能强化原水中藻类、重金属以及溶解性有机物的去除。目前对粘土矿物表面进行改性、复合并与混凝剂联用处理微污染水新技术逐渐成为研究热点。本文综述了现有研究利用粘土矿物与混凝剂联用处理微污染水的效果，指出了在利用粘土矿物处理微污染水源水方面存在的问题。

1　粘土矿物强化混凝机理

近年来，饮用水安全问题是重大的民生问题，我国水环境污染日益严重，许多饮用水水源也受到了不同程度的污染，并呈现逐步发展的趋势。粘土矿物层间具有大量水合阳离子，与高聚物或单体的相互作用较小，亲水的环境不利于有机物进入层间，为了进一步提高粘土矿物的强化混凝效果，需要先对其进行改性处理，粘土矿物在混凝阶段起到吸附、助凝、助沉的作用。

粘土矿物参与强化混凝过程可分为三个阶段，混合、絮凝以及沉降阶段。在混合阶段作用最明显，体现在三个方面：①粘土矿物粉末在搅拌作用下快速均匀地与水混合，增大了水中悬浮颗粒浓度，颗粒间有效碰撞几率随之增加，破坏了胶体颗粒的动力稳定性，使胶体颗粒经碰撞后结合，通常进水浊度较低时，强化混凝效果会更加明显。②粘土矿物经改性后，比表面积增大，吸附性能增强，能吸附水中部分污染物，若粘土矿物采用复合改性方式，如加少量活性炭复合改性，粘土矿物便具有了活性炭的相关性能，去除有机物能力较强，因此对CODMn、氨氮有很好的去除效果。水中交替在快速搅拌作用下，以粘土颗粒为中心凝聚为密度较大的矾花。③混合阶段后期，混凝剂产生带正电荷的水解聚合物，而粘土矿物表面通常带负电，粘土矿物表面ζ电位降低进而脱稳，相互之间凝聚成更大颗粒。在絮凝阶段，高分子混凝剂以粘土矿物为成核物质，使水中胶体迅速凝聚，结合成较大密实絮体，絮体吸附水中污染物使水质净化。在沉降阶段，絮体靠重力下沉，随着粘土矿物不断进入絮体，形成矾花质量逐渐增大，沉降性能增强沉降速度加快。

2　常见粘土矿物型混凝剂复配剂

2.1凹凸棒土

凹凸棒土又称坡缕石或坡缕缟石，结构属2:1型粘土矿物，是一种具链层状结构的含水富镁硅酸盐粘土矿物，作为一种天然的纳米材料，常作高分子材料的补强剂，由于其表面积大，表面活性高，易团聚，表面羟基多为极性，与非极性高分子材料亲和性弱，故常作为惰性填料使用。凹凸棒具有较大比表面积，因而具有良好的吸附性能。吸附作用包括物理吸附和化学吸附，其中化学吸附是凹凸棒土吸附作用的主要形式，目前研究较多的是将凹凸棒土进行改性，以增大比表面积。常用改性方法主要有活化处理、有机质复合改性、无机材料复合改性、金属离子负载改性等。改性机理是利用晶层间金属离子的可交换性,以有机阳离子交换金属离子,有机阳离子吸附在粘土层片上,有机部分嵌在层间,从而使层间距增大[1],间接增大其比表面积，使层间由亲水转变为疏水,有助于降低粘土表面能,从而使得粘土晶层易于均匀分散于聚合物中。主要是作为吸附剂、粘结剂、助剂、添加剂、催化剂载体等水处理药剂应用于水处理、建材、轻工、纺织、地质勘探等行业。李宗硕[2]等用改性凹凸棒土复配PAC去除水源水中突发性重金属铜污染，对金属铜和浊度的去除率分别为76.14%和96.56%。

2.2膨润土

膨润土是以蒙脱石为主要成分的粘土矿物，由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成2:1型晶体结构，晶胞带负电，具有吸附阳离子能力。此外，膨润土矿物晶粒细小，具有较大的比表面积；同时由于层间作用力较弱，在溶剂作用下，可发生层间剥离、膨胀，分离成更薄的单晶片，这又使膨润土具有更大的比表面积，所以膨润土具有较强的吸附能力，可有效去除水中的有机和无机污染物[3]。近年来，研究较多的是将膨润土进行活化、有机改性、无机改性、有机无机复合改性，应用于含重金属废水、有机废水、含磷废水中。李媛媛等[4]以钙基膨润土为基本材料制备巯基化改性膨润土，其对镉的吸附率高于其他材料30%以上。邝应林等[5]总结了不同改性膨润土对有机物的吸附性能，其中有机改性和复合改性膨润土吸附能力较强，对水中有机污染物的去除率最高分别可达99.6%及99%。聂锦旭等[6]研究了无机-有机复合改性膨润土，对磷去除率达97.55%。

2.3高岭土

高岭土主要由晶体结构呈微小片状、管状、迭片状等形状的高岭石族矿物组成[7]，属于1:1型层状二八面体的硅酸盐矿物，高岭土原矿主要用于造纸、陶瓷和耐火材料等，改性高岭土广泛应用于废水中重金属、氮磷等污染物的去除。高永利等[8]采用煅烧、酸浸的方法对高岭土进行改性，对Cr浓度为100 mg/L的废水中铬的去除率达91.4%。翟由涛等[9]采用盐酸和煅烧2种方法对苏州高岭土进行了改性，经酸改性和煅烧改性的高岭土对磷的去除率分别达81.8%和99.5%，效果显著。王小波等[10]利用恒温振荡实验，研究了酸、碱、盐改性高岭土对水体中氮、磷去除效果的影响。

2.4硅藻土

硅藻土是由硅藻死亡以后，其残骸在海洋或湖泊中沉积而成，硅藻土是一种具有多孔性、密度小、比表面积大、吸附性好、耐酸、耐碱、绝缘的非金属矿，其主要成分是SiO2·nH2O，也含有少量的Al、Fe等[11]。硅藻土和其他粘土矿物一样，广泛应用于废水处理领域。朱健[12]等采用静态吸附试验探讨了液/固体系中硅藻土对Pb2+和Cd2+的吸附效果和吸附机制，对Pb2+、Cd2+最大吸附量分别为10.428 mg/g和7.916 mg/g，对铅的吸附优于镉，这是因为铅具有较低的水合自由能，更易与硅藻土活性基团发生吸附作用。许小洁等[13]研究了硅藻土与PAC强化混凝对原水中藻类、溶解性有机物以及重金属离子的去除效果，投加0.1 g/L硅藻土，叶绿素a去除率由82.5%提高到95.9%。

3　粘土矿物强化混凝处理微污染水源水的应用研究

王琳[14]对膨润土进行改性，并与PAC、壳聚糖进行吸附-混凝试验，吸附-混凝联用对氨氮、CODMn、浊度的去除率分别达到56.74%、65.38%、97.42%。徐亚东等[15]探讨了改性凹凸棒土与混凝剂PAC连用去除微污染水源水，对浊度、CODMn、UV254和氨氮的去除率分别可达到97.02%、47.63%、32.46%和31%，且絮体密实，沉降性好。许小洁[16]探讨了硅藻土与PAC强化混凝处理水华优势藻铜绿微囊藻的可行性，表明硅藻土有很好的助凝效果可以节约50%左右的PAC投加量，叶绿素a去除率由82.5%提高到95.9%，丁洁仪等[17]研究了高岭土联合PAC混凝沉降工艺对浊度、总磷和氨氮去除率可达96%、81.97%和57.38%。

4　结　语

粘土矿物和混凝剂联用处理微污染水源水，对原水中藻类、浊度具有良好的去除效果，去除率可稳定达到95%以上，而对原水中重金属、有机物、氨氮的去除效果并不理想，因此探讨一种可同步高效去除原水中氨氮、有机物、重金属的技术和方法将对饮用水处理具有很重要的意义，也将是今后发展的主要趋势。目前研究较多的用于和混凝剂联用的粘土矿物种类仅局限于膨润土、高岭土、硅藻土、凹凸棒土，我国粘土矿物种类繁多，尝试将粘土矿物用于微污染水源水处理具有较强的现实意义。

[1]兰黄鲜.粘土改性的研究进展[J].中国粉体工业,2011(01):11-14.

[2]李宗硕，孔利锋，张琳.改性凹凸棒土复配PAC去除水源水中突发性重金属铜污染研究[J].新疆环境保护,2013,35(1):30-34.

[3]晏得珍,何玉凤，王艳，等.膨润土的改性及在废水处理中的应用研究进展[J].水处理技术,2009,35(5):25-30.

[4]李媛媛,刘文华,陈福强，等.巯基化改性膨润土对重金属的吸附性能[J].环境工程学报,2013,7(08):3013-3018.

[5]邝应林,何少华,李昕，等.改性膨润土对水中有机物的吸附[J].水资源与水工程学报,2011,22(01):134-137.

[6]聂锦旭,唐文广,刘汨，等.有机-无机复合膨润土的制备及其对磷吸附特性研究[J].环境工程学报,2011,5(07):1572-1575.

[7]尤振根.国内外高岭土资源和市场现状及展望[J].非金属矿,2005,28(S1):1-8.

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[9]翟由涛,杭小帅，干方群.改性高岭土对废水中磷的吸附性能及机理研究[J].土壤,2012,44(01):55-61.

[10]王小波,王艳,卢树昌，等.改性高岭土对水体中氮磷去除效果的研究[J].农业环境科学学报，2010,29(9):1784-1788.

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[12]朱健,王平,雷明婧,等.液/固体系中硅藻土对Pb2+和Cd2+的吸附机制[J].环境工程学报,2012,6(11):4123-4128.

[13]许小洁,吴纯德,董琪,等.联合硅藻土与PAC强化混凝处理含藻微污染原水[J].环境工程学报,2011,5(09):1980-1983.

[14]王琳.改性膨润土吸附混凝联用处理微污染水源水的试验研究[D].阜新辽宁工程技术大学,2011.

[15]徐亚东,郑晓英.改性凹凸棒土强化混凝处理低浊微污染水源水研究[J].中国给水排水,2010,26(09):54-57.

[16]许小洁.联合硅藻土与聚合氯化铝-PAC-强化混凝处理含藻微污染原水的研究[D].广州:华南理工大学,2011.

[17]丁洁仪,葛利云,邓欢欢,等.高岭土对淡水藻类的聚合氯化铝强化混凝去除技术研究[J].环境科学与管理,2013,38(09):76-80.

Research Status and Progress on Clay Minerals Strengthen Coagulation to Treat Micro-polluted Source Water*

LIU Pan1,2，LI Ruo-wen3，WU Jun-feng2，GUO Yi-fei2，FU Hong-mei4

(1 College of Chemistry and Molecular Engineering Zhengzhou University,Henan Zhengzhou 4500011; 2 College of Municipal and Environmental Engineering Henan University of Urban Construction,Henan Pingdingshan 467036; 3 Baofeng Country Bureau of Environmental Protection,Henan Pingdingshan 467400; 4 State Grid Electric Power Company Pingdingshan in Henan Power Company,Henan Pingdingshan 467001,China)

In recent years,the pollution source water causing by the outbreak of algal blooms and heavy metal is increasing,seriously threaten the safety of drinking water,conventional water treatment has been unable to meet people’s requirements for drinking water quality,so we should urgently seek a safe,efficient and economical technologies and methods to treat slightly polluted raw water.Due to clay mineral having cheap,abundant and great adsorption properties,the different clay minerals modified,compounded and associated with coagulant to treat slightly polluted water and compare were summarized.It revealed this technology existed inadequate and future direction,provided theoretical support and technical reference for the future treatment of slightly polluted water technology.

clay minerals; enhanced coagulation; micro-polluted source water

河南省教育厅科学技术研究重点项目(14B610012)；河南城建学院青年骨干教师资助项目。

刘盼(1989-)，女，在读硕士研究生，研究方向：水污染控制及资源化利用。

郭一飞(1964-)，男，教授。

X522

A

1001-9677(2016)011-0007-03