可溶性细胞外聚合物物质与微塑料：暴露-反应机制及循环再利用以实现清除

《Chemosphere》：Soluble extracellular polymeric substances and microplastics: Exposure-response and circular reuse for removal

本研究通过jar test对比传统完全混合反应器与静态混合器在球磨絮凝中的应用效果，发现静态混合器能更有效悬浮高密度球体（如SG5.5的33μm球体），形成均匀絮体，沉降速率达97mh?1，且未球化颗粒占比仅1.3%。传统反应器因G值低（<500s?1）和搅拌不均，导致球体嵌入率不足1%，絮体沉降速率77mh?1，需过量球体。研究揭示了搅拌设备对球体悬浮和絮体性能的关键影响。

　　近年来，由于气候变化导致的降雨模式异常变化，地表水资源的质量面临严峻挑战。极端天气事件如洪水和干旱不仅影响水资源的可用性，还增加了微污染物、胶体及悬浮杂质的浓度，从而对水处理系统的效率构成威胁。与此同时，城市化进程加快，人口密度不断上升，导致传统混凝系统所需的建设空间日益紧张。这种土地资源的限制使得现有水处理设施难以满足日益增长的净水需求，尤其是在需要高效处理高浊度水源的情况下。因此，开发新型高效的水处理技术成为当前研究的重点。

在这一背景下，球状混凝（Ballasted Flocculation, BF）作为一种创新的水处理方法，正逐渐受到关注。BF技术通过引入密度较高的球状物质，促进悬浮颗粒的快速凝聚，形成结构紧密的絮体，从而提高澄清效率。这种技术的优势在于其能够实现较高的处理速率，同时减少对土地的需求，使得其在高密度城市环境中具有更高的应用潜力。然而，传统的完全混合反应器（Complete Mix Reactor）在处理高密度球状物质时存在一定的局限性，如G值（速度梯度）较低，导致球状物质无法充分悬浮，从而影响絮体的形成和澄清效果。

本研究旨在评估完全混合反应器和现代瞬时混合设备（如静态混合器）在球状混凝过程中的性能。通过使用水壶实验（Jar Test）模拟完全混合反应器，并结合实验室规模的静态混合器进行对比分析，研究探讨了不同球状物质的特性及其在不同混合设备中的表现。研究采用两种不同密度的球状物质，一种是密度为2.9的常规球状物质（相当于传统完全混合反应器中广泛使用的微砂），另一种是密度为5.5的高密度球状物质。通过调整球状物质的使用浓度和混合时间，研究评估了这些物质在不同混合设备中的悬浮性能、絮体形成情况以及最终的澄清效果。

研究结果表明，静态混合器在球状混凝过程中表现出更优的性能。它能够生成结构更加均匀且密度分布更集中的絮体，从而提高澄清效率。静态混合器的均匀混合特性使得球状物质能够被充分地嵌入到絮体中，减少了未被利用的球状物质的沉淀，进而提升了整体的处理效果。相比之下，传统的完全混合反应器由于G值较低和搅拌不均匀，导致球状物质无法充分悬浮，从而降低了絮体的形成效率和澄清能力。这不仅增加了球状物质的使用量，还提高了能耗和空间需求，使得其在处理高浊度水源时显得不够经济高效。

此外，研究还发现，不同混合设备在球状混凝过程中的表现差异主要体现在混合动力学上。传统的完全混合反应器由于其搅拌方式的限制，无法在短时间内实现高密度球状物质的充分悬浮，从而影响了絮体的均匀性和沉降性能。而静态混合器则能够通过其设计特点实现均匀的混合，确保球状物质在絮体中的充分嵌入。这种混合方式不仅提高了澄清效率，还减少了球状物质的使用量，使得整个处理过程更加节能高效。

研究还探讨了初始pH值对球状混凝效果的影响。通过在pH值为6、7和8的条件下进行实验，研究发现pH值为8时，混凝剂的加入和混合过程能够有效促进絮体的形成，并在沉降后的120秒和900秒内实现较高的澄清率。这一现象表明，合适的pH值能够优化混凝过程，提高球状物质的利用率，从而提升整体的处理效果。然而，当pH值过低或过高时，混凝剂的性能会受到影响，导致絮体的形成效率下降。

本研究还对球状物质在絮体中的嵌入率和未嵌入絮体的比例进行了定量评估。研究发现，静态混合器在球状混凝过程中能够实现更高的球状物质嵌入率，同时减少未嵌入絮体的比例。这种特性使得静态混合器在处理高浊度水源时表现出更高的澄清效率和更低的能耗。相比之下，传统完全混合反应器由于其搅拌方式的限制，导致球状物质的嵌入率较低，未嵌入絮体的比例较高，从而影响了整体的处理效果。

研究的另一个重要发现是，球状物质的密度对沉降性能具有显著影响。高密度球状物质（如密度为5.5的球状物质）在静态混合器中表现出更高的沉降性能和浊度去除率，尽管其嵌入率相对较低。这表明，球状物质的密度是影响沉降过程的关键因素，而不同的沉降机制则可能导致絮体的差异性沉降，从而影响整体的澄清效率。因此，在设计球状混凝系统时，需要综合考虑球状物质的密度、使用浓度以及混合方式，以实现最佳的处理效果。

此外，研究还对不同混合设备在相同操作条件下的性能进行了系统比较。通过实验数据的分析，研究发现静态混合器在球状混凝过程中能够实现更均匀的混合，从而提高絮体的形成效率和澄清性能。而传统完全混合反应器由于其搅拌方式的局限性，导致混合不均匀，影响了球状物质的悬浮和嵌入，从而降低了整体的处理效果。因此，研究建议在未来的水处理系统设计中，应优先考虑采用静态混合器等现代混合设备，以提高处理效率并减少能耗和空间需求。

本研究的成果对于优化球状混凝系统的运行参数具有重要意义。通过调整球状物质的使用浓度、混合时间和初始pH值，可以有效提升处理效率，同时减少对资源的浪费。此外，研究还揭示了球状混凝技术在处理高浊度水源时的潜力，为未来城市水处理系统的建设提供了新的思路和技术支持。研究还强调了在实际应用中，需要根据具体水质条件和处理需求，选择合适的混合设备和球状物质，以实现最佳的处理效果。

综上所述，本研究通过实验分析，揭示了不同混合设备在球状混凝过程中的性能差异，并提出了优化球状混凝系统运行参数的建议。研究结果表明，静态混合器在球状混凝过程中表现出更高的处理效率和更低的能耗，这为未来水处理技术的发展提供了重要的参考价值。同时，研究还强调了在实际应用中，需要综合考虑多种因素，以实现最佳的处理效果和资源利用效率。