在PAC（聚合氯化铝）辅助的絮凝过程中，依赖于凝结剂的协同效应：对提高饮用水应急处理中油去除效率的机制解析

《Separation and Purification Technology》：Coagulant-dependent synergy in ballasted flocculation with PAC: Mechanistic insights into enhanced oil removal for drinking water emergency treatment

本研究开发了一种基于FeCl3-PAC协同作用的应急石油污染处理技术，通过多尺度分析揭示其机制，在连续流试验中表现出优于PACl-PAC系统的性能（0.004 mg/L vs 0.05 mg/L），并验证了其在实际应用中的可行性。

　　

李建飞|徐俊杰|周瑶|常静|王少波|李荣光

天津城建大学环境与市政工程学院，天津市水科学与技术重点实验室，中国天津300384

摘要

偶发性的石油泄漏对饮用水源构成了严重且直接的威胁，因此需要为饮用水处理厂（DWTPs）开发强大的应急响应技术。虽然之前已经探索过使用粉末活性炭（PAC）和混凝剂联合去除污染物，但其背后的相互作用机制仍不甚明了。本文揭示了在絮凝过程中，混凝剂对低浓度石油去除具有协同效应。批量实验表明，FeCl₃与PAC联合使用能够显著提高去除效果，将残留油浓度降至0.004毫克/升的极低水平。相比之下，PAC与聚合氯化铝（PACl）的组合在去除效果上达到了一定瓶颈（0.05毫克/升）。多尺度机制分析（SEM-EDS、XPS、BET、DFT、MD）显示了两种混凝剂之间根本不同的相互作用途径：FeCl₃水解产生的纳米颗粒能够与PAC协同作用，实现石油的包裹和吸附；而PACl则形成类似凝胶的沉积物，竞争性地吸附在PAC表面，从而抑制石油的去除。连续流试验验证了这种混凝剂-PAC协同效应的稳定性，使出水中的石油浓度始终低于0.05毫克/升的监管限值，并且去除效率比传统处理方法提高了35%。本研究提供了一种基于机制的实用应急方案，以减轻突发石油污染对供水安全的影响。

引言

提供安全可靠的饮用水是公共健康和社会稳定的基本前提[1]。然而，这一关键资源的完整性不断受到其来源（尤其是地表水）易受意外污染的影响[2]。由于运输事故或工业故障导致的石油及其产品泄漏，会迅速造成大面积的地表水污染[3]。这类事件导致的石油浓度超过了水生生态系统的自然吸收能力和饮用水处理厂（DWTPs）的运行极限[4]、[5]，从而影响水质，产生难以接受的异味[5]。因此，为DWTPs制定针对性的应急响应策略对于增强系统应对此类事件的能力至关重要。

处理突发石油污染的难点在于，传统工艺在面对低浓度石油烃时效果不佳[6]。传统的金属盐类混凝剂对高浓度乳化石油有效，但在低浓度下效率显著下降，常常导致稳定的油滴通过澄清阶段[7]。活性炭虽然是一种强效的应急吸附剂，但在沉淀后使用可能会造成颗粒穿透[8]、[9]。在紧急情况下建造临时处理设施通常不切实际。因此，迫切需要一种可以在现有基础设施中快速部署的现场强化技术。

絮凝技术为此类综合解决方案提供了有力平台[10]、[11]。该技术通过促进密集、快速沉降的絮体形成，实现了高效的分离[12]。本文提出的方法是在絮凝过程中同时使用混凝剂和粉末活性炭（PAC）。混凝剂破坏胶体和乳化石油的稳定性，而PAC则吸附低浓度石油。关键在于，在混凝阶段加入PAC，确保含油碳颗粒被纳入絮体基质中，从而保证其被有效去除，防止二次污染物的释放。

尽管之前已经探索过使用PAC和混凝剂联合去除污染物，但不同混凝剂水解产物与PAC之间的相互作用机制（无论是协同还是拮抗）仍大多未被研究[13]。这一知识空白至关重要，因为水解产物的物理化学性质（如Fe与Al）可能从根本上改变PAC对石油的吸附能力[14]。以往的研究往往将这一过程视为一个黑箱，仅关注整体去除效率，而没有剖析决定性能的分子和胶体尺度上的竞争机制。此外，需要在实际水环境条件下系统量化这种方法的稳定性及其对复杂油水混合物的处理效果。

为填补这些关键知识空白，本研究旨在：（i）开发并优化利用PAC与不同混凝剂相互作用的絮凝工艺；（ii）在模拟石油泄漏事件下系统评估其提升的去除效果；（iii）通过详细表征和计算分析阐明混凝剂与PAC之间的具体相互作用机制；（iv）验证这种基于机制的策略作为DWTPs应对偶发石油泄漏的实用应急方案的可行性。

部分内容摘录

化学品和试剂

0#柴油由中国石油天然气集团有限公司（CNPC）提供。氯化钠（NaCl，>99.5%）、硫酸钠（Na₂SO₄，>99.5%）、硫酸（H₂SO₄）和氢氧化钠（NaOH）由中国药化试剂有限公司供应。铁基混凝剂包括六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O，>99%）、硫酸铁（Fe₂(SO₄)₃·xH₂O，Fe含量21%–23%）和聚合硫酸铁（Fe含量21%），以及铝基混凝剂如三氯化铝（AlCl₃）等。

基于混凝剂的油滴去除效果

该技术基于共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）原理，通过光学切片有效消除失焦背景荧光和杂散光，实现对样品中特定微区域的高分辨率三维成像（图1a）[15]。它特别适用于精确表征水环境中的油滴形态。因此，CLSM被用来分析油滴的形态。

结论

总之，本研究明确证明了在絮凝过程中结合使用PAC和混凝剂对于应急石油泄漏响应非常有效。FeCl₃-PAC组合将残留油浓度降至0.004毫克/升，远低于0.05毫克/升的监管限值；而PAC-PACl组合在去除效果上达到约0.05毫克/升的瓶颈。168小时的连续流试验验证了该方法的稳定性，出水中的石油浓度始终低于0.05毫克/升，去除效率比传统处理方法提高了35%。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了天津水务集团有限公司（项目编号：2023KY-10）的支持。