《Clean Technologies》：Toward Sustainable Water Treatment: Hydraulic Retention Time Effects on Natural and Chemical Coagulants in Continuous-Flow Helically Coiled Tube Flocculators
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获得安全饮用水仍然是一个全球性挑战，特别是在分散式和低资源环境中，传统处理技术可能在经济上或操作上不可行。将低能耗水力絮凝系统与可生物降解的天然混凝剂相结合，是实现可持续水处理的一种有前景的策略。本研究调查了水力停留时间（HRT）对硫酸铝、辣木（Moringa
获得安全饮用水仍然是一个全球性挑战，特别是在分散式和低资源环境中，传统处理技术可能在经济上或操作上不可行。将低能耗水力絮凝系统与可生物降解的天然混凝剂相结合，是实现可持续水处理的一种有前景的策略。本研究调查了水力停留时间（HRT）对硫酸铝、辣木（Moringa oleifera）和芦荟（Aloe vera）在连续流螺旋盘管絮凝器（HCTFs）中澄清性能的影响。通过改变反应器长度同时保持恒定的流速0.5 L/min，获得了四个HRT（1.71–6.84 min）。处理了初始浊度约为100 NTU的合成水，并通过残余浊度和浊度去除率评估了澄清性能。双因素方差分析（Two-way ANOVA）揭示了HRT和混凝剂类型的显著影响，以及这些因素之间的显著交互作用（p < 0.001），表明HRT的影响取决于主导混凝机理。硫酸铝在所有HRT下均保持了一致的高浊度去除率（96.3%–98.1%）。相比之下，辣木在最长HRT下达到了最高的澄清效率（99.5%）和0.49 NTU的最终浊度，而芦荟表现出最大的水力敏感性，随着HRT的增加，浊度去除率从78.9%提高到96.1%。结果表明，HRT应根据混凝剂的主导混凝机理来选择，而不是作为固定的设计参数。这种基于机理的方法为设计和优化连续流絮凝器提供了合理依据，并支持开发紧凑、高效、可持续的分散式水处理系统。
全球范围内，安全饮用水的获取在分散式和低资源环境中面临挑战，传统水处理技术因能耗高、依赖化学药剂和基础设施投资大而难以推广。低能耗水力絮凝系统与可生物降解天然混凝剂的结合被视为可持续水处理的潜在方案，但天然混凝剂在连续流水力条件下的行为，特别是水力停留时间（HRT）对不同混凝机理的影响，尚缺乏系统研究。为填补这一空白，研究人员在《Clean Technologies》期刊发表的论文中，以硫酸铝、辣木（Moringa oleifera）和芦荟（Aloe vera）为代表性混凝剂，在连续流螺旋盘管絮凝器（HCTF）中试验了HRT（1.71–6.84 min）对澄清性能的影响。结果表明，HRT的影响取决于主导混凝机理而非混凝剂来源，并据此提出基于机理的水力设计策略，为实现紧凑、高效、可持续的分散式水处理系统提供了理论依据。
研究人员采用的关键技术方法包括：构建连续流重力驱动澄清系统，使用螺旋盘管絮凝器（HCTF），通过固定流速0.5 L/min并改变反应器长度（12、24、36、48 m）实现四个HRT水平（1.71、3.42、5.13、6.84 min）；以合成水（初始浊度约100 NTU）为处理对象，采用优化后的混凝剂剂量（硫酸铝、辣木种子提取物、芦荟凝胶提取物）连续注入；以残余浊度和浊度去除率评价澄清性能，并使用双因素方差分析（Two-way ANOVA）和Tukey多重比较检验进行统计分析。
**3.1 HRT和混凝剂类型的总体影响**
通过双因素方差分析发现，HRT（F=58.024, p<0.001）和混凝剂类型（F=117.741, p<0.001）均显著影响浊度去除率，且两者交互作用显著（F=22.367, p<0.001），说明HRT效应依赖于主导混凝机理。Tukey检验显示三种混凝剂对HRT的敏感性不同。
**3.2 HRT对不同混凝机理的影响**
- **3.2.1 硫酸铝（Aluminum Sulfate）**
由于硫酸铝主要通过快速水解、电荷中和及扫掠絮凝发挥作用，其澄清效率在所有HRT下均保持稳定（96.3%–98.1%），各反应器长度间无显著差异（p>0.05），表明最短HRT（1.71 min）已足以完成主导反应，延长HRT无额外收益。
- **3.2.2 辣木（Moringa oleifera）**
辣木的混凝活性主要来自水溶性阳离子蛋白，通过吸附和电荷中和（可能伴随桥接）促进颗粒脱稳。其澄清效率随HRT增加而显著提高，12 m与24 m以及12 m与48 m之间存在显著差异（p=0.015和p<0.001），但中间长度间无显著差异。最长HRT（6.84 min）时达到最高效率99.5%，残余浊度0.49 NTU，表明初始絮体形成后，进一步延长HRT的改善效果趋于平缓。
- **3.2.3 芦荟（Aloe vera）**
芦荟的混凝作用主要来自多糖、黏液等大分子化合物的吸附、聚合物桥接和生物絮凝，对接触时间依赖性强。所有HRT比较均存在显著差异（p≤0.039），浊度去除率从78.9%（12 m）持续升至96.1%（48 m），未出现平台，表明絮凝过程在试验范围内尚未完成，HRT延长持续提升性能。
讨论部分指出，硫酸铝的快速动力学使其对HRT不敏感，辣木的蛋白介导机制需要中等接触时间，而芦荟的聚合物桥接和生物絮凝机制需要更长的水力停留时间以充分发展絮体。研究还强调，合成水条件虽可控，但未来需用天然水验证，并应评估污泥特性与絮体性质（如粒径分布、分形维数）。
研究结论部分翻译如下：
本研究实验证明，HRT对澄清性能的影响主要取决于主导混凝机理，而非混凝剂是天然还是化学的。通过系统评估三种具有不同混凝途径的混凝剂在相同水力条件下的连续流HCTF，本研究提供了关于混凝动力学与水力设计关系的新机理见解。实验结果显示三种混凝剂具有不同的水力敏感性，反映了其不同的主导混凝机理。硫酸铝在整个HRT范围内保持了一致的高澄清效率，表明其快速水解和电荷中和机制即使在最短HRT下也能有效完成。辣木表现出中等响应，随着HRT增加澄清效率提高，之后接近平台。相比之下，芦荟对HRT的依赖性最强，在整个研究范围内浊度去除率持续提高，表明吸附、聚合物介导的相互作用和生物絮凝需要更长的停留时间以实现有效的絮体发育。综合来看，这些结果表明，连续流絮凝系统的水力设计应根据所选混凝剂的主导混凝机理进行定制。不应为所有应用采用最长的HRT，而应根据主导混凝机理优化反应器设计。这种方法可以最大化澄清效率，同时避免不必要的过大反应器体积、过多的材料消耗和增加的建造成本。辣木和芦荟所达到的性能表明，当水力条件适当适应其主导混凝机理时，天然混凝剂具有可持续连续流澄清的潜力。未来研究还应调查污泥特性和定量絮体性质，包括粒径分布和分形维数，以提供对混凝机理的更全面理解，并支持连续流澄清系统的进一步优化。本研究提供了几个重要优势。通过直接比较紧凑的连续流HCTF中天然和化学混凝剂在受控操作条件下的性能，提供了关于不同混凝机理如何响应水力停留时间的可靠实验证据。研究结果也为分散式水处理系统的水力设计和优化提供了实用指导。然而，应承认一些局限性。实验是在受控实验室条件下使用合成水进行的，未评估污泥特性和絮体性质，也未进行技术经济评估。这些方面应在未来研究中加以解决，以进一步支持可持续连续流澄清技术的实施。总体而言，本研究推进了对连续流HCTF中混凝化学与水力设计之间相互作用的理解。通过证明HRT应根据主导混凝机理选择，所提出的框架超越了经验性反应器尺寸选择，为设计紧凑、高效、可持续的澄清系统提供了更合理的基础。综上所述，结果表明HRT应被视为一个与混凝动力学内在联系的设计变量，而非固定操作参数。最终，研究结果支持连续流絮凝器的基于机理的水力设计策略，其中根据主导混凝途径选择HRT，而非对不同类别混凝剂采用通用设计标准。这种方法有望提高澄清效率，同时有助于开发更紧凑、更可持续和资源效率更高的水处理系统。
