一般来说，将受到天然有机物、氨氮、微量难降解有机物的污染，但经过处理后可再次利用的水源水统称为微污染水^〔1〕，此类水源部分指标超出《地面水环境质量标准》（GB 3838—2002）中Ⅲ类水体规定的范围，而且污染物成分复杂、难以生物降解、危害较大，对微污染水进行综合治理已成为水处理领域备受关注的问题。

絮凝作为常规的水处理工艺，能有效去除悬浮物、胶体、有机物等污染物，具有成本低廉、操作简单、适应污染物负荷变化大的优势^〔2〕。微污染水中污染物含量较低，絮凝水解产物所能捕获的微粒较少，使得形成的絮体小而松散，沉降速度较慢，因此微污染水对絮凝反应条件的要求较为苛刻，也一直是水处理技术领域的难点。聚合氯化铝（PAC）是一种无机高分子絮凝剂，价格低廉、制备工艺成熟，在水处理领域受到了广泛应用^〔3〕。聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）是一种阳离子型有机助凝剂，分子质量大、水溶性好、安全无毒，是近年来有机絮凝剂的研究热点^〔4〕。将PAC与PDMDAAC制备成PAC- PDMDAAC无机-有机复合絮凝剂，可发挥各组分的协同增效作用，弥补单一絮凝剂的缺点，从而提高污水的絮凝效果。

本研究针对微污染水的水质特征，以某水厂的水库水为研究对象，探讨PAC与PDMDAAC质量比、PAC-PDMDAAC投加量、pH、搅拌条件对微污染水絮凝的影响作用机理，通过在线监测絮体的生长情况及分形维数调控絮体特性，获得最佳絮凝效果的运行条件，以期为水厂处理过程中降低絮体破碎程度、提高固液分离及后续处理效果提供参考依据。

仪器：ZR4-6型混凝试验搅拌机，上海标卓科学仪器有限公司；PDA2000型絮凝度测定仪，英国Rank Brothers公司；ME2002E型电子天平，瑞士Mettler Toledo公司；PHSJ-4A型pH计，上海精密科学仪器有限公司；2000型浊度仪，美国Hach公司；Multi N/C 3100型总有机碳/总氮分析仪，德国Analytik Jena公司；ECLIPSE 80i型显微操作系统，日本Nikon公司。

试剂：PAC，工业级，盐基度为88.3%，重庆蓝洁自来水材料有限公司；PDMDAAC，黏度为1 000~ 3 000 mPa·s，山东鲁岳化工有限公司。

实验用水为某水库水，水质指标：pH为7.03~ 7.41，温度为20~30 ℃，DOC为8.06~14.23 mg/L，DO为4.8~7.4 mg/L。

将PAC按一定比例溶解于蒸馏水，在搅拌下缓慢倒入PDMDAAC，搅拌均匀使PAC与PDMDAAC按照不同比例互溶，制备出不同质量比的PAC-PDMDAAC复合絮凝剂。

在烧杯中取1 L水样，在200 r/min快速搅拌2 min，40 r/min慢速搅拌15 min的条件下进行絮凝实验，采用PDA2000絮凝度测定仪监测絮体的入射光与透射光强度，通过测定FI指数（光强度震荡值的均方根与平均透射光强度的比值）^〔5〕来反映不同pH条件下絮体的生长过程及絮凝特征^〔6〕。

搅拌结束后，静置30 min，然后迅速采集絮体样本，在显微镜下进行拍照，并利用显微成像系统进行分形维数的分析计算；静置后，在烧杯液面3 cm以下收集上清液，用2000型浊度仪测定浊度；将上清液经0.45 μm滤膜过滤后，用Multi N/C 3100型总有机碳/总氮分析仪测定DOC。

絮体的分形维数（D₂）与絮体的投影面积A和长轴长度L的关系见式（1）^〔7〕：

(1)

式中：A——絮体面积，μm²；

L——长轴长度，μm；

α——比例常数。

通过测定不同的A与L，按照式（1）作图，所得斜率即为分形维数。

PAC-PDMDAAC投加量为20 mg/L时，不同PAC与PDMDAAC质量比对水库水浊度、DOC的去除效果见图1。

由图1可知，PAC与PDMDAAC质量比分别为20:1、10:1、5:1时，PAC-PDMDAAC对浊度、DOC去除率均随着PDMDAAC所占比例的增加呈现升高的趋势，浊度、DOC最大去除率分别为92.1%、55.2%，这是因为带正电荷的PDMDAAC增强了PAC-PDMDAAC的电中和能力，通过压缩带负电污染物的扩散层，将污染物吸附在表面生成微絮体，同时絮体之间再经吸附架桥作用产生凝聚，形成尺寸更大的絮体，从而达到絮凝效果；当PAC与PDMDAAC质量比为2:1时，PDMDAAC含量偏高，PAC-PDMDAAC的黏度增大，高分子链间的交联程度变大，因此克服分子作用力达到扩散水解的难度也越大，导致PAC-PDMDAAC水解得不够彻底，影响了絮凝效果，此外过剩的PDMDAAC还会使脱稳的絮体周围带上相反的电荷而重新稳定，因此浊度、DOC去除率有所下降，由此可见，PAC与PDMDAAC质量比为5:1时的絮凝效果最佳。

Zeta电位是表征体系稳定性的关键指标，为了考察PAC-PDMDAAC的电中和能力，对比了PAC与PAC-PDMDAAC（质量比5:1）在不同投加量下体系中Zeta电位的变化情况，结果见图2。

由图2可知，向体系中投加絮凝剂时，引入的异电荷会通过电中和作用使Zeta电位更趋近于0。当投加量为10 mg/L时，PAC与PAC-PDMDAAC所在体系的颗粒表面所带电荷较多，Zeta电位分别为-19.0、-15.2，较高的Zeta电位使颗粒间的排斥力增大，体系的稳定性增强，因此难以发生凝聚；随着投加量的增加，由于电中和作用颗粒表面带电荷变少，较低的Zeta电位使颗粒间的排斥力减小而使体系脱稳；在等电点时，颗粒间的排斥力最小，最易发生絮凝反应。在相同投加量下，投加PAC-PDMDAAC比PAC的Zeta电位上升得更快，当投加量为30 mg/L时，PAC-PDMDAAC已接近等电点，而PAC尚未达到等电点，说明PDMDAAC增强了PAC的电中和能力。

PAC与PDMDAAC质量比为5:1时，不同PAC-PDMDAAC投加量对水库水浊度、DOC的去除效果见图3。

由图3可知，浊度、DOC的去除率随投加量的增加呈现先升高再降低的趋势；当PAC-PDMDAAC投加量由10 mg/L增加至30 mg/L时，浊度去除率由82.1%增长至94.6%，DOC去除率由41.2%增长至59.7%；PDMDAAC的高分子链结构可将PAC吸附于表面，增强了对污染物的电中和与吸附架桥能力，促进了絮体的生长；当PAC-PDMDAAC投加量较少时，长链上的吸附位点有限，无法有效吸附更多的污染颗粒，随着PAC-PDMDAAC投加量的增加，吸附位点逐渐增多，因此絮凝效率逐渐升高；随着投加量的继续增加，浊度与DOC去除率均有所减小，这是因为过量的PAC-PDMDAAC会覆盖在吸附饱和的胶体颗粒表面，使已脱稳的胶体颗粒再次达到稳定状态，导致絮凝效果降低。由此可见，PAC-PDMDAAC投加量为30 mg/L时的絮凝效果最佳。

絮凝剂的水解产物是决定絮凝效果的关键因素之一，而pH对絮凝剂的水解反应具有重要的影响。200 r/min快速搅拌2 min、40 r/min慢速搅拌15 min条件下，考察不同pH对FI指数的影响，结果见图4。

由图4可知，在快速搅拌阶段，PAC-PDMDAAC复合絮凝剂迅速扩散并水解，微污染水中的污染物开始脱稳，FI指数逐渐增长；有研究表明，絮体粒径越大，FI指数越大，絮凝效果越显著^〔8〕。随着慢速搅拌时间逐渐增加，微絮体发生凝聚与破碎，最终达到平衡状态，曲线的FI指数趋于平稳。在酸性范围内，PAC-PDMDAAC水解产物的正电荷密度较大，对带负电荷污染物的电中和能力较强，同时PAC的水解产物以高聚体铝与固态Al（OH）₃的形态存在，可通过吸附架桥与络合反应对污染物产生絮凝作用，因此平衡时的FI指数较大；随着pH的逐渐增大，PAC水解产物中多核络合物的电荷密度减少，因此对污染物的电中和能力也有所减弱，从而导致絮凝效果降低，曲线平衡时的FI指数仅在0.7左右。综上所述，当pH为5时，絮凝效果最佳。

有研究表明，快速搅拌对于絮凝过程控制有着重要的作用，影响着絮凝剂的水解效率、生成絮体的尺寸及密实程度^〔9〕，因此在上述最佳反应条件下，控制快速搅拌后用40 r/min慢速搅拌15 min，考察不同快搅强度和快搅时间对FI指数影响的变化规律，结果见图5。

由图5可知，曲线平衡后的FI指数随着快搅强度的增大呈现逐渐变小的趋势，絮体的形成与流体的剪切速率密切相关，强度过大的快速搅拌会造成絮体破碎，从而影响絮凝效果；FI平衡值代表絮体的尺寸，当搅拌强度为300 r/min时，FI曲线的平衡值最小，说明剪切力过大不利于絮体的凝聚生长；当快搅时间为1 min时，不同搅拌强度下FI曲线的平衡值差异不明显，说明在1 min内的搅拌强度对絮体的形成影响不大；当快搅时间增加至2 min及3 min时，在搅拌时间的第3~4 min，FI曲线呈现下降的趋势，这是由于絮体发生了破碎；随着搅拌时间的延长，FI曲线再次上升并逐渐达到平衡状态，这是由于破碎的絮体发生了再凝聚现象。由此可见，适宜的快速搅拌条件才能在保证絮凝剂完全水解的同时，提高絮体的抗破碎能力，有利于后续的固液分离。

分形维数作为反映絮体所占空间的填充量度，是描述絮体密实的重要特征参数，研究认为，分形维数越大，絮体结构越密实，孔隙率越小^〔10〕。为了进一步探讨快速搅拌对絮体密实程度的影响作用，测定了快搅时间分别为1、2、3 min，快搅强度分别为100、200、300 r/min条件下絮体的分形维数，结果表明，絮体的分形维数在1.681 9~1.977 6范围内，说明具有明显的分形特征^〔5〕；随着快搅时间的延长，絮体的分形维数呈现逐渐减小的趋势，这是因为搅拌时间越长，絮体间的孔隙越多，因此絮体结构更加疏松。当快搅时间为1 min时，快搅强度分别为100、200、300 r/min下的分形维数分别为1.755 8、1.968 7、1.977 6，分形维数随着快搅强度的增加而增大，剪切力过小容易使絮凝剂的扩散、水解不够充分，生成的絮体结构较为松散；当快搅时间增加至2 min及3 min时，分形维数随着快搅强度的增加而减小，这是由于微絮体之间主要通过吸附架桥结合成尺寸更大的絮体，过大的剪切力不仅减少了絮体之间的碰撞几率，使破碎絮体再凝聚的能力下降，同时还会破坏微絮体之间的结合键，使得絮体结构更加疏松。

（1）PAC与PDMDAAC质量比、PAC-PDMDAAC投加量与pH对微污染水的絮凝效果起着重要的影响作用，当PAC与PDMDAAC质量比为5:1、PAC-PDMDAAC投加量为30 mg/L时，浊度去除率、DOC去除率分别为94.6%、59.7%；当pH为5.0时，PAC- PDMDAAC对带负电荷污染物的电中和能力最强，同时PAC的水解产物可通过吸附架桥与络合反应对污染物产生絮凝作用，因此曲线平衡时的FI指数最大，絮凝效果最佳。

（2）曲线平衡后的FI指数随着快搅强度的增大而变小，分形维数随着快搅时间的增加而减小，快搅强度过大或搅拌时间过长，均不利于絮体的凝聚生长；当搅拌时间为1 min时，分形维数随着快搅强度的增加而增大；当搅拌时间增加至2 min及3 min时，分形维数随着快搅强度的增加而减小。