第二节 严寒与寒冷地区高色水源水处理技术研究进展

美国环保局（USEPA）将强化混凝、沉淀视为降低水中天然有机物（NOM）或消毒副产物（D/DBPs）前体物浓度的最佳方法。针对低温低浊高色水，许多学者对强化混凝沉淀进行了深入的研究，突出体现在：深入认识水体有机物特性；研究有机物去除规律，建立去除模式，总结去除机制；综合利用有机物去除手段；研究开发新型混凝剂及助凝剂；开发新型高效混合絮凝反应器或设施。

一、低温混凝剂应用研究

目前混凝剂主要包括：无机混凝剂、有机高分子混凝剂、微生物混凝剂以及复合混凝剂，国内外学者主要从混凝剂的溶液化学与形态分布、絮凝机理、新产品开发、实际应用等方面对其进行研究，但针对低温条件下混凝剂的研究仍为数不多，现将研究进展情况表述如下。

（一）无机混凝剂

1928年，自Mattson发现铝盐、铁盐水解产物的除浊脱色功效后，硫酸铝（AS）、氯化铝（AC）、硫酸铁（FS）、氯化铁（FC）被广泛应用于水处理中［3］，但铝盐易产生残余铝，铁盐对金属的腐蚀性较强，且铁盐中的Fe²⁺与水中有机物（如腐殖酸）反应生成水溶性污染物，常使出水带有浅黄色。

1960年以来，无机高分子混凝剂聚合氯化铝（PAC）、聚合氯化铁（PFC）、聚合硫酸铁（PFS）、聚合硫酸铝（PAS）被陆续研发合成，它们不但比传统混凝剂的性能更优异，而且比有机高分子混凝剂的价格更低廉，尤其在低温高色水处理中发挥了重要的作用。目前，PAC已占我国混凝剂实际用量的80%以上，Zouboulis［4］（2008）、王慧娟［5］（2011）、李新貌［6］（2011）、梅丹［7］⁷⁴（2011）、陶润先［8］（2011）等研究人员先后对PAC与AS等低分子混凝剂进行优选，并分别在低温低浊的新疆乌鲁木齐石墩子山水厂水源水、高锰酸钾预氧化和粉末活性炭预吸附处理后的微污染长江水、武汉长江水、滦河水中应用，结果表明PAC对低温低浊高色水具有较好的混凝效果，其投加量小，絮凝体形成速度快且颗粒大而重，反应沉淀时间短，对原水水温及pH的适用范围广（5～9），且残余铝含量低［9］。Wang等［10］（2011）就PFC对腐殖酸的去除效果进行研究，低温时PFC的水解与沉降速度减慢，但其多核羟基络合物中间体的水解程度也相应降低，持续时间长，因此低温状态下PFC比FC更有效果，但由于PFC仍处于研究中，工业化应用前景尚待评价。PFS［11，12］与PAS在低温低浊高色特殊环境条件下使用时，存在一定程度的水解反应的不稳定性。

近年来，国内外专家加大了对复合型无机高分子混凝剂研究开发的力度，该混凝剂絮凝效果较好，受温度影响小，且原料来源广泛、价格低廉、安全无毒，其在低温低浊水中的应用已成为国内外无机高分子混凝剂研究领域的热点之一。

（1）聚硅酸类复合型：聚硅酸（活化硅酸）是聚合度较大的阴离子聚合物，对水中负电性胶体仅起架桥作用，在低温低浊水的处理过程中，常作为铝盐或铁盐混凝剂的助凝剂［7］，但聚硅酸产品性质不稳定，需现用现配，极大地限制了聚硅酸的应用范围与使用方便性。聚硅酸类复合型混凝剂即是在聚硅酸的基础上适当引入铝离子或铁离子而形成的带有一定正电荷的阳离子型聚合物，在对胶体的混凝过程中发挥电中和、吸附架桥及网捕三种功能，具有良好的絮凝效果。张东等［13］（2007）用聚硅硫酸铝（PASiS）混凝剂处理黄浦江冬季低温低浊水，该混凝剂投加量低，仅为硫酸铝用量的1/2，而浊度去除率却提高了50%。Fu等［14］（2009）研究制备了聚硅酸铁（PSF）混凝剂，在松花江低温低浊水处理应用中发现PSF仅需投加9mg/L，出水浊度即已降至0.5 NTU以下，且其对溶液pH值的适应范围大，能快速形成粗大矾花，沉降速度显著提高。Cheng等［15］应用聚硅铝铁复合药剂对低温低浊水进行处理，聚硅铝铁保留了铁铝各自均聚的优点，具有较优的混凝性能，有一定的发展前途。目前对聚硅酸金属盐混凝剂的研究多偏重于实际应用，在铝（铁）与硅间的相互作用、形态特征、絮凝作用机理以及制备工艺等方面的研究仍未成体系，从而局限了此类混凝剂的发展。

（2）复合铝铁：主要指聚合氯化铝铁、聚合硫酸铝铁，是自1980年开发研制的最具代表性的阳离子复合絮凝剂。它是一种以铝盐为主，铁盐为辅新型无机高分子混凝剂，Lan等［16］（2009）、Zhu等［17，18］（2011，2012）指出复合铝铁兼有一般铝盐、铁盐的水解、吸附特性以及其本身的独特的表面络合、表面水解及表面沉降的过程，有特异的机理模型和定量计算模式。复合铝铁可由铝盐、铁盐混合溶液加碱制备，或以工业废渣如粉煤灰、铝矾土、硫铁矿烧渣等为原料制备，后者成本低廉，以废治废，具有较高的经济与环境效益。李风亭等［19］（2004）复合氯醇聚氨制备了一种低温低浊水专用的新型多元聚合氯化铝铁。

（二）合成有机高分子混凝剂

有机高分子混凝剂出现于20世纪50年代，包含合成高分子与天然高分子两大类。由于合成有机高分子混凝剂市场售价较高，且作为主混凝剂时难以通过形成聚电解质络合物去除腐殖质类天然有机物，国内外学者将其与无机混凝剂复合进行强化混凝，其中聚丙烯酰胺（PAM）应用最多，包括阳离子型、阴离子型、非离子型三种。夏远景等［20］（2008）应用PFS+阴离子型PAM、薛晓蓓等［21］（2010）应用PAC+阳离子型PAM、徐静等［22］（2010）应用PAC+PAM改性活化硅酸、王慧娟等［23］（2011）应用PAC+PAM（或活化硅酸）处理低温低浊高色度水发现PAM助凝效果明显，与单投无机混凝剂相比，具有用量少、污泥量少、不易受水中共存盐类与pH的影响、絮凝颗粒大、沉降速度快、污泥易于脱水等一系列的优点，还可降低30%～50%的混凝剂投加量，但其最大的缺陷是残余单体丙烯酰胺具有毒性，故使其应用受到较大程度制约。聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDM）是美国公共卫生署批准用于饮用水净化的人工合成的阳离子混凝剂，凭借其水溶性好、正电荷密度高、高效无毒、易于与无机盐类化合物复合互溶等优点，成为当前阳离子型有机高分子混凝剂的研究热点。张跃军等［24］（2010）采用不同质量分数的PDM分别与聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铁（PFS）、硫酸铝（AS）复合强化混凝处理宁波市冬季低温低浊北渡水；李潇潇等［25］（2011）采用特征黏度系列化的PDM与PFS制得系列稳定型复合混凝剂用于冬季低温长江水强化混凝脱浊处理，均取得了较好的效果。近年一些学者还制备了PFC—PDM［26］、PFS—PAA［27］、PFAC—PDM［28］复合混凝剂，可在低投量下对浊度与有机物保持高去除率，生成更多的铁盐混凝剂有效形态Fe_b，在地表水处理过程中比传统混凝剂具有优势。无机—有机复合混凝剂的研制与开发给水工业、水污染治理与节水净化带来巨大改变；无机—有机高分子混凝剂的形态分布、荷电情况与水解形态等特性研究是开发高效复合型高分子混凝剂的重要理论基础，也是核心问题的关键所在。

（三）天然有机高分子混凝剂

天然有机高分子混凝剂的分子量较低、电荷密度较小、易生物降解、絮凝效果差，其使用远少于合成有机高分子混凝剂，但是，经改性后的天然有机高分子混凝剂具有选择性大、无毒、低廉等显著特点，按其来源不同可分为淀粉衍生物、纤维素衍生物、甲壳素衍生物、植物胶改性产物等，易于制成性能优良的絮凝剂，但在低温水中的应用尚未见到报道。

淀粉类、纤维素类絮凝剂曾在20世纪70～80年代迅猛发展，但因稳定性能较差，其研究渐受冷落。甲壳素/壳聚糖类絮凝剂（壳聚糖是甲壳素脱乙酰化超过50%的产物，其结构如图1-1所示）因具有多功能性、生物兼容性以及稳定性而成为21世纪绿色高科技新材料并被广泛研究。壳聚糖是直链型高分子多糖化合物，含有氨基与羟基，可发生水解、羟甲基化、磺化、氧化、络合、缩合等反应，具有阳离子型聚电解质性质，可直接作为絮凝剂与螯合吸附剂，在微污染饮用水净化方面应用广泛［29］。

图1-1 完全脱乙酰化壳聚糖的结构式

1.壳聚糖作为絮凝剂

20世纪90年代国外将壳聚糖与无机絮凝剂或矿物复配，以提高饮用水中NOM与无机悬浮物的处理效果。Deans等［30］（1995）将壳聚糖与聚硅酸、聚铝硅酸、氯化铁复合使用，使出水浊度从42NTU下降至4～8NTU，COD从206mg/L下降至84～88mg/L；Zeng等［31］（2008）用壳聚糖、聚合氯化铝（PAC）与硅酸盐复配制成复合絮凝剂处理饮用水，与单投PAC相比，Al³⁺、SS、COD的去除率分别提高了61.2%～85.5%、50%、1.8%～23.7%，出水残留铝浓度降低，同时药剂成本降低了7%～34%；Fabris等［32］（2010）试验发现，使用壳聚糖可有效降低无机混凝剂的投加量与消毒剂（如Cl₂）的用量；Zemmouri等［33］（2012）采用壳聚糖助凝Fe₂（SO₄）₃处理Keddara水库低浊水，试验表明仅需0.2mg/L的壳聚糖即可获得97%的浊度去除率，有机物降至最低（UV₂₅₄=0.02），残余铝也有所减少；其原理是由于的引入以及强烈的电中和作用使壳聚糖分子链更卷曲，致使絮体变大且密实，故沉降速率快（<10min），效果均优于Fe₂（SO₄）₃、壳聚糖的单独投加，且低投量的壳聚糖对出水有机物贡献可忽略不计。

壳聚糖高分子絮凝剂本身的性质（如官能团、分子质量、投药量等）与外界条件（如水温、pH值、盐度、污染物种类等）将影响絮凝效果的发挥，国外学者为解释这些现象相继进行了壳聚糖絮凝剂的机理研究。Guibal课题组［34］（2006）研究发现壳聚糖是去除NOM （主要指腐殖酸）的首选絮凝剂，可以同时发挥电中和 （氨基质子化形成使负电胶体脱稳形成絮体沉淀所致）与吸附架桥 （相对分子质量大的壳聚糖架桥作用强，絮凝效果好）的双重作用，且其架桥能力与分子量均比无机絮凝剂高很多，不存在对进一步水解反应的不稳定性问题[35]。壳聚糖分子量变化对腐殖酸絮凝效果几乎没有影响，这可能由于腐殖酸复杂结构限制了分子量变化所致。随着壳聚糖分子量减小，其对膨润土悬浮物絮凝效果降低，而对高岭土则无明显变化；Davikaran与Sivasankara[36]（2004）进一步发现了水体中痕量腐殖酸的存在还有助于高岭土的去除，且在pH值为7.0～7.5时去除效果最佳。低pH值条件下，壳聚糖与高岭土表面腐殖酸质子化程度大，表面同带正电产生斥力；高pH值条件下，壳聚糖溶解性降低，此时高岭土表面腐殖酸溶解至水中；pH值过低或过高均不能使壳聚糖发挥其絮凝性能。近五年壳聚糖作为絮凝剂相继又被应用在去除水源中的砷[37]、硒[38]、氟[39]、铀[40]、藻类物质[41]，抑制水中微生物繁殖生长，杀菌[42]等方面。

近年来，我国对壳聚糖的研究也日益增多，现综述如下。

（1）高岭土悬浮液的处理：一些学者对壳聚糖进行改性，确定最优制备条件，以高岭土悬浊液为处理体系，探讨了壳聚糖复配与壳聚糖衍生物的絮凝性能；董怡华［43］（2006）在丙烯酰胺与二甲基二烯丙基氯化铵质量比为2：1时，将其与壳聚糖发生接枝共聚反应，合成了壳聚糖阳离子型改性高分子絮凝剂（PCAD）；胡勇有等［44］（2008）采用壳聚糖CTS、丙烯酰胺与丙烯酸乙酯季铵盐三元接枝共聚制备阳离子絮凝剂（CAS）；田国鹏等［45］（2008）利用无机嵌入有机的方式改性壳聚糖制成壳聚糖—铁絮凝剂；张文轩等［46］（2010）制备了壳聚糖接枝聚丙烯酰胺共聚物；王锦涛等［47］（2010）以硝酸铈铵作为引发剂、丙烯酰胺为单体，用微波辐射法合成了壳聚糖—丙烯酰胺接枝共聚物；王香爱［48］（2011）以3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵（CTA）对壳聚糖（CTS）进行季铵化改性，制备了壳聚糖季铵盐（CTA—CTS），用其与聚合氯化铝（PAC）复配。

（2）微污染水源水的处理：鉴于壳聚糖高生产成本，结合我国给水水质的实际状况，采用壳聚糖复配无机絮凝剂将成为未来的发展趋势。巴金华等［49］（2009）采用Fe₂（SO₄）₃与壳聚糖复配；蒋明等［50］（2007）采用Al₂（SO₄）₃、FeCl₃、聚合铝铁与壳聚糖复配，其中聚合铝铁—壳聚糖组合效果最佳，出水浊度、UV₂₅₄、COD_Mn的去除率分别为97%、55%、44%，出水残留铝浓度小于检出限；王丽坤等［51］（2009）、张秀芝等［52］（2010）分析了壳聚糖助凝对FeCl₃絮体形态与强度的影响，试验表明壳聚糖与无机聚电解质复合可改善絮体质量，比低分子量的无机盐复合更能提高浊度与有机物的去除效果；夏德强等［53］（2011） 采用复合絮凝剂聚合氯化铝—凹凸棒土（APAC）与壳聚糖（CTS）复配；刘秉涛等［54］（2008）应用壳聚糖助凝聚合氯化铝（PAC），该试验验证了汤鸿宵等［55］的研究成果：PAC与阳离子型有机高分子复合即可促进絮凝，而与阴离子型复合时药剂量需达到某定值时才能产生效果。近年国内对藻类等的处理以及适合饮用水处理的壳聚糖改性絮凝剂的研发也初露头角。

2.壳聚糖作为吸附剂

壳聚糖类吸附剂对水中腐殖酸有较好的去除效果，如表1-1所示，主要由于壳聚糖表面氨基与腐殖酸活性基团之间作用形成复合物所致。

综上可知，壳聚糖因其独特的天然环保性、吸附有机污染物COD及色素的特效性以及作为配位体螯合金属粒子的络合性，使其在水处理领域得到越来越广泛的研究与应用，但将其用于低温低浊高色水源水中目前在国内尚属空白，已成为当前壳聚糖在水处理应用中亟待解决的重要课题。

（四）生物絮凝剂

生物絮凝剂是一种绿色絮凝剂，由于其安全有效的絮凝效果和易于降解等优点受到广泛关注。马放等［61］（2003）率先提出了复合型生物絮凝剂（CBF）的概念，即由活性污泥与土壤筛选分理出的放射根瘤菌（Rhizobium radiobacter）与球形芽孢杆菌（Bacillus sphaeicus）混合发酵后制得的微生物絮凝剂，其主要成分为多聚糖（90.6%）与蛋白质（9.3%）［62］。孟路等［63］（2009）、Bo等［64］（2011）采用CBF复配PAFC、AS分别处理低温低浊大庆某水源水、高岭土—腐殖酸混合配制水，结果表明先投加阳离子絮凝剂后复配CBF，使絮体的大小、强度得以提高，有效去除有机物与浊度。Li等［65］（2012）利用地衣芽孢杆菌X14合成了一种新型的微生物絮凝剂ZS-7，纯化后应用于低温饮用水处理中，较PAC、PAM更易发生电中和与吸附架桥作用，絮凝效果显著。

二、低温强化混凝技术研究

近几十年，我国围绕低温低浊高色水开展了诸多研究，常用的典型技术主要包括泥渣回流技术、气浮技术、微絮凝接触过滤技术、微涡旋混凝低脉动沉淀技术、活性砂絮凝技术、高梯度磁力分离技术、高密度沉淀池技术等。

（一）泥渣回流技术

在低温季节处理低浊水时，提高混凝反应速率途径之一是人为地提高原水中的固相物质浓度，可向水中不断地投加机械杂质，如黏土等，或采用连续回流泥渣的方法。周华等［66］（2010）利用沉淀池或滤池冲洗下来的泥渣回流至长江低温低浊原水中，研究表明该技术可减少5%～40%的混凝剂用量，有效降低出水浊度。徐勇鹏等［67］（2011）考察了直接回用沉淀池排泥水及滤池反冲洗水对低温低浊水的强化混凝效果与作用机理，该技术增加了原水浊度且充分发挥了泥渣的活性与捕获作用。

（二）气浮技术

气浮技术（DAF）是向待处理水中通入空气，并以大量的、高度分散的微气泡形式在水中成为载体，与杂质絮粒相互黏附并上浮至水面，通过收集泡沫或浮渣使杂质分离，从而净化水质。20世纪90年代，Johnson等［68］（1995）研究表明气浮处理低温低浊原水的效果较为理想，我国东北地区水厂也有成功运用DAF工艺的多个实例［69］。为了提高冬季低温水源水处理效果，DAF工艺常与预氧化［70］、生物接触氧化［71］等工艺结合。浮沉池是在沉淀池基础上加以改进，将气浮与沉淀有机结合在同一构筑物内的新池型，典型的有法国Degremont公司研发的Sediflotazur（沉淀浮清池）、Sediflotor（沉淀浮选池）等，国内针对北方水源季节性变化的特点进行了侧向流斜板浮沉池的设计，并将其应用在东北五个水厂，在低温条件下呈现出水浊度较高、侧向流斜板浮沉池内部气浮与沉淀常出现“跑矾花”现象、构造设计参数无法满足气浮与沉淀的双重要求、排泥效果差、斜板装置高浊时排渣周期缩短等弊端，针对上述问题，孙志民［72］（2004）、苏定江［73］（2011）等设计了一系列新型侧向流斜板浮沉池，张克峰［74］（2011）、梁恒［75］（2011）等发明了一种斜管浮沉池净水系统，效果显著。浮滤池具有气浮与过滤协同净水的作用，国内浮滤池在低温低浊水中应用的实例也很多，如密云水库采用活性炭深床浮滤池以直接过滤方式运行处理、潍坊白浪河水厂采用气浮翻板滤池、鸡西市第三水厂采用气浮双阀滤池，出水浊度均不大于0.5NTU。目前浮沉池（浮滤池）的不足之处表现为占地面积和设备较常规工艺大幅增加，且工程造价较高。

（三）微絮凝直接过滤技术

微絮凝直接过滤法将加药混合后的原水直接导入滤池，使絮凝与过滤同步进行。1960年，微絮凝-深床直接过滤技术在国外得到了迅速发展，该工艺基于混凝—过滤过程的微观化学理论，加大了滤床深度，采用强力水气反冲洗，利用滤料介质作为附加颗粒，使颗粒碰撞效率、滤池截污能力显著增强；在同样出水控制指标下，利用该技术处理低温低浊水可显著节约絮凝剂，提高天然有机大分子物质的去除，延长过滤的水质周期，逐渐成为低温低浊水处理的首选技术，并且开始向大规模集成化发展，在美国、澳大利亚、苏联等国家均得到了广泛应用。我国市政工程东北设计院的卜恩云［76］于1983年首次采用微絮凝接触技术对东北地区某老水厂进行低温低浊水处理的生产性试验，针对该水质特点，1987年研制出一种新型的B—X型微絮凝接触反应装置［77］，无须设置药水混合搅拌装置即可进行有效的絮凝反应，但反应器出水中的絮体（矾花）颗粒较小。随后，李桂平［78］深入探讨了微絮凝—深床直接过滤机理，陈超等大量研究者以山东各地表水源净水厂［79］、西宁市［80］、大庆市中引水厂［81］、微污染黄河泥沙配置原水［82］、西安市曲江水厂［83］¹⁰¹⁴、北京市某水厂［84］、新疆额尔齐斯河［85］为研究对象，通过改变原水温度、床深、滤料介质（无烟煤/石英砂/活性炭［86］/生物活性炭［87］）与粒径、絮凝剂类型（特别是阳离子絮凝剂CP的投加［83］^1015-1019）及其投加量、微絮凝时间、滤速、混合强度、反冲洗方式，结合水头损失、浊度与颗粒数、色度、总有机碳（TOC）、化学需氧量（COD）、UV₂₅₄、耗氧量、嗅、残余铝等试验数据对低温低浊水体强化过滤工艺条件优化及净化去除效果进行了大量的研究。研究表明直接过滤法在使用方面仍存有一定局限性，受截污量的制约，其对高浊或高色水质的处理效果不显著，易导致滤床熟化缓慢、停留时间缩短等缺点。因此，絮凝及其化学条件需严格控制，通过采取大量中试试验，精确控制絮凝过程，科学选择药剂并合理控制投加量，在实际生产过程中需进行连续监测，逐步优化其自动控制系统。

（四）微涡旋混凝技术

微涡流混凝工艺的核心是涡流反应器［88］，其外形为空心球体，反应基本原理为微涡流凝聚—立体接触絮凝，该技术揭示了多相物系传质碰撞的动力学致因，在低温低浊水处理中显示出较强的适应性。刘汝鹏等［89］运用水力旋流与微涡旋理论设计开发了旋流扰流组合涡混合反应器，应用该反应器在大庆水库水厂（冬季低温低浊，春秋低温髙浊）进行了半年中试试验；庞焕岩［90］在穿孔旋流反应器的基础上，加入扰流装置研制开发新型旋流扰流反应器；赫俊国［91］（1999）、黄林平［92］（2006）等研制开发了由管式微涡混合器—小孔眼格网反应池—小间距斜板沉淀池组合而成的微涡旋混凝低脉动沉淀技术。白芸等［93］（2007）利用该技术处理0～5℃，10NTU以下的第二松花江水，处理后沉淀池出水浊度为2.86 NTU，滤池出水浊度为0.98 NTU，高效可行。微涡流混凝工艺适于新建水厂与老水厂传统工艺的改造，其对池型及前后工艺衔接均无特殊要求；对老水厂改造过程简单易行，仅需拆除反应池内原有设施，适当分隔并安装支架，置涡流反应器于池内便可使用；童祯恭等［94］（2008）采用涡流反应器对十堰某水厂（低浊）机械澄清池进行改造；王福进［95］（2008）应用基本涡旋理论的珊条；崔志刚［96］、黄继华［97］（2009）等采用微涡流絮凝/斜管沉淀技术对安吉供水公司（低温低浊）机械搅拌澄清池进行改造；郭娟等［98］（2010）采用微涡流反应器对东海水厂（低浊）孔室反应池进行改造；刘华等［99］（2010）应用微涡流絮凝/立式斜管沉淀/曝气生物过滤/气水反洗过滤技术于湖南华容县自来水厂（低温低浊）建设；上述改造具有投资省、占地少，处理效率高、水质好，工期短、见效快，制水成本低等特点；对低温低浊水、汛期高浊水以及特殊原水均有良好的处理效果。微涡流混凝工艺仍需通过更多的工程实践来证明其优越性，在设计理论系列化、标准化方面也有待进一步完善。

（五）载体絮凝技术

自20世纪90年代以来，新一代混凝沉淀工艺——载体絮凝得到发展与应用，USEPA对载体絮凝进行定义并做出解释，即运用持续循环的介质颗粒以及各种化学药剂强化絮体吸附，进而提高水中悬浮物的沉降性能。该技术原理为：首先向水体投加混凝剂，使水中悬浮物及胶体颗粒脱稳，随后投加高分子助凝剂以及高密度载体颗粒，脱稳后的杂质将以载体颗粒为絮核，凭借高分子链架桥吸附与微砂颗粒沉积网捕的双重作用，迅速生成粗大致密的矾花，可有效缩短沉降时间，最大限度地增强澄清池处理能力，实现对高冲击负荷的有效应对。与传统混凝沉淀工艺相比，载体絮凝工艺澄清速度可提高3倍，所需时间仅为3min，具有占地面积小、工程造价低、耐冲击负荷等优点。目前载体一般有磁性颗粒、污泥或泥砂，对应的装置及在给水处理方面应用表述如下。

1.磁性颗粒为载体

磁分离处理装置应用的是载体絮凝磁分离技术，即在磁种加载和外加磁场的作用下，达到高效絮凝和吸附分离的目的。澳大利亚国立研究组织（CSIRO）1970年研发的Sirofloc工艺系磁种絮凝技术应用于给水处理的经典范例，1980年以来，全球已有近十家给水处理厂采用该工艺。高梯度磁分离（High Gradient Magnetic Separation，HGMS）技术起源于20世纪70年代的国外，是内部填充磁性介质的金属容器，通常填充不锈钢钢毛，由于钢毛导磁率极高，当容器外加磁场，就会在钢毛附近产生磁力变化，形成磁场梯度。该技术与磁分离装置相比，磁性粒子受更强大的磁力作用，具有分离微米级颗粒的能力，受到了广大科技工作者的密切关注。国内原哈尔滨建筑大学宋金璞［100］1978年首次将该技术应用到饮用水处理，结果表明高梯度磁分离取代了砂滤与氯化消毒，避免了二次污染问题，出水浊度、大肠杆菌、色度、耗氧量等指标均有明显的效果，一次净化后，重金属、酚可达到饮用水水质标准，溶解磷含量显著降低；倪鸿等［101］（2011）采用超磁分离净化系统处理低温低浊及高浊高藻黄河水，该系统能方便增加粉末活性炭投加装置，并很好去除粒小质轻的粉末活性炭，不给后续工艺造成负担。目前磁絮凝作为一种新行的水处理技术，尚存在一些问题需完善：①磁反应器的磁系结构不够合理，磁场强度难以提高，选择性差，往往存在不同程度的漏磁现象；②磁反应器普遍存在造价高，运行能耗高等问题；③与磁絮凝实际应用相比，磁絮凝的理论研究还有待完善；④目前磁絮凝仅在部分地区给水处理中得到应用，离大规模应用还有一定差距。

2.污泥或细砂为载体

近年来，国际上对基于载体絮凝技术的新型高效沉淀池的研究与应用十分关注，其中，Densadeg®高密度沉淀池（法国德利满公司）、Multiflo®斜管沉淀池（法国Velioa集团OTV公司）、Actiflo®沉淀池（法国Velioa集团OTV公司，结合细砂“积极”絮凝与斜管沉淀工艺）是最典型的采用高效沉淀技术的沉淀池形式，因设施占地少、运行高效稳定，其在世界范围的水处理厂新、改、扩工程中已得到逐步运用。Desjardins等［102］（2002）研究了Actiflo®沉淀池中载体絮凝的影响因素，为其应用提供了理论依据；自1992年至今，全球使用Actiflo®工艺的大型水厂已达400多家，处理规模为7000～700000m³/d；法国Velioa集团针对原水中存在大量NOM的问题，在Actiflo®工艺中投加粉末活性炭，又设计了Actiflo® Carb工艺，通过英国IVER水厂、法国Gatineaux水厂、美国Parker水厂试验表明该工艺能够去除水中50%～60%的NOM，是一种优于臭氧活性炭滤池的饮用水深度处理工艺。但传统载体絮凝设备中存在一系列缺点：如专利产品设备、材料价格较贵、投资高，Densadeg®高密度沉淀池、Multiflo®斜管沉淀池配水不均匀，Actiflo®沉淀池排泥量大难处置，水体输送管道、泵等设备多且易磨损等。近10年一些学者针对上述问题对载体絮凝技术进行了深入研究：①新型装置的研发。美国的Philip［103］（2001）设计了一种立方体结构的载体絮凝装置，依据混凝沉降机理改变反应边界条件，使反应区、污泥区、澄清区连通，其间无须设置水体输送管道、泵等设施，有效避免了砂粒对泵及管道的磨损，成本与运行空间显著降低。法国的Binot［104］（2004）根据进水水质及水量调整运行模式，开发了适于处理四季流量与浓度变化较大的一体式载体絮凝污水装置，枯水期载体细砂在熟化池底沉积，此时系统即为普通沉淀模式；一旦水量突增乃至超出运行负荷后，细砂便在水的流速与搅拌速度增加的作用下从池底漂浮，发挥载体絮凝作用；该装置与常规混凝设施相比，虽需安装更多的控制与监测单元，使固定投资比例增加，但在运行中可有效减少药剂消耗，极大地降低了运行费用。Sauvignet［105］（2011）在Actiflo®工艺基础上又增加了一个泥砂分离器，减少了细砂的流失。②自动控制系统的研发。Sauvignet等［106］（2012）研发了具备载体量精确、在线连续回流功能的一体式载体絮凝装置，弥补了半连续回流的不稳定性。③与其他工艺联合应用研究。学者将载体絮凝分别与电凝聚反应器［107］、活性污泥［108，109］、预吸附［110］、生物处理［111］等工艺联合应用，可以达到协同作用的效果，例如载体絮凝结合纳滤工艺在巴黎梅里奥塞水厂得到了有效应用，每天将14×10⁴m³的优质饮用水供给80万居民。

载体絮凝工艺曾应用在水厂改造实例中，但受多种因素制约，目前仍难以进行有效推广，特别是在低温低浊水中的应用更是鲜见报道。刘杨［112］（2007）、方小桃［113］（2010）等针对给水处理厂中高密度沉淀池排泥系统优化运行、沉淀区流态模拟及设计优化进行研究。也有部分学者针对高密度沉淀池与粉末活性炭［114］、超滤膜［115］、高速超滤池［116］等技术联用处理低浊微污染水。上海市政工程设计研究总院自2007年起针对国内水质特点，将多种药剂投加、高浓度污泥回流、机械混合、机械絮凝、接触絮凝、高效沉淀、污泥浓缩等多项工艺有机结合并优化，自主研发了新型高密度沉淀池，该池实现了各部相互协调、高效处理的功能，总体性能达到国际先进水平，具备与国外池型竞争的能力，目前已在嘉兴石臼漾水厂扩建工程［117］、嘉兴南郊水厂一期工程［118］、胜利油田民丰水厂［119］中使用。

三、低温膜集成技术研究

近年来，膜集成技术在低温低浊饮用水处理领域得到了广泛的关注，主要包括低压膜直接过滤法［120］、混凝—超滤法［121］、超滤膜与混凝—粉末活性炭联用法［122］以及膜生物反应器［123］等膜法，分别处理低温低浊藻类水库水、低温低浊重污染有机水、低温低浊高含量溶解性有机物水、低温低浊微污染水。研究表明，后三种膜法对出水浊度与COD_Mn的去除率分别超过90%与40%；超滤膜与混凝—粉末活性炭联用去除DOC效果最佳，在50%以上；膜生物反应器对Fe与的去除率可达80%，效果最佳；此外，四种膜法均可完全去除大肠杆菌与隐孢子虫，使饮用水安全得以保障。综上所述，运用膜法处理低温低浊高色水有效可行，但由于膜污染致使膜寿命减短、制膜成本高、膜清洗动力与药剂消耗等，膜技术成本较高，使其推广应用受到制约。动态膜（Dynamic Membrane，简称DM）技术正是在这一现实基础上而发展起来的［124］，动态膜也可称为次生膜或原位膜，20世纪60年代Marcinkowsk等在多孔介质上过滤含ZrOCl₂等悬浮液的试验中，发现在介质表面形成一层多孔过滤层，即为动态膜［125］。根据成膜组件的不同，动态膜可分为平板动态膜与管式动态膜两种；按照成膜方式的不同，动态膜可分为自生动态膜（Self-forming dynamic）与预涂动态膜（Precoated dynamic membrane）。预涂动态膜是在一定压差驱动下，利用人工配好的预涂剂溶液在基膜表面形成具有分离性能的滤饼层，是膜分离技术中较特殊的一种，涂膜材料常用高岭土、硅藻土（Diatomaceous Earth，简称DE）、膨润土等矿物粉末、水合氧化锆、活性炭粉末等，粉末微滤成膜技术适用于处理大、小系统的低温低浊高色水源水。与传统膜法水处理技术相比，动态膜具有通量大、污染易控制、反冲简单等优点，这大大节约了设备运行与维护成本。近年，于水利课题组还设计研究了高浓度粉末活性炭（PAC）—MF/UF组合工艺，主要集中在去除效果、膜污染机理与控制、低温启动方式与运行参数的确定，该组合工艺能同时发挥活性炭吸附、微生物降解、膜截留三种作用，从而有效去除色度与氨氮、缓解膜污染，具有较好的应用前景与理论意义。