铝盐混凝剂具有原料易得、价格低廉且性能良好等特点,目前已被广泛应用至混凝超滤(CUF)联用工艺中,以提高有机物的去除效率和改善超滤膜的过滤性能。将铝盐混凝剂投入水体后,经水解聚合反应生成一系列的铝羟基配合物,包括单体铝形态(Ala)、铝的中聚体形态(Alb)、铝的高聚体及凝胶态产物(Alc),而在CUF联用工艺中不同形态铝盐混凝剂作用机制及构效关系的对比研究尚不系统。本文基于铝盐混凝剂的不同形态,通过优化合成参数分别得到以Ala、Alb和Alc为主要形态的铝盐混凝剂,并对其处理不同水质类型水样时的混凝作用机制进行了深入研究。同时,结合絮体特性的差异,研究了超滤膜污染机制,探讨了三种铝盐形态混凝剂生成的絮体沉积在膜表面形成的滤饼层对超滤膜污染的影响,明确了适用于CUF联用工艺的最佳铝盐形态。另外,将壳聚糖(CS)与三种铝盐形态混凝剂复配,分别研究了混凝和超滤工艺的作用机制,明确了铝盐混凝剂与有机助凝剂复配的应用前景。本文的主要研究内容和结果如下所述:(1)不同形态铝盐混凝剂合成方法的研究:本文选用六水氯化铝为原料溶解得到以Ala为主要形态的铝盐混凝剂,并采用微量滴碱法控制碱化度(B)、滴碱时间、搅拌时间、温度等条件,合成提纯得到分别以Alb和Alc为主要形态的铝盐混凝剂。研究表明,高碱化度条件(B=2.4)均有利于Alb和Alc形态的生成,而高反应温度和长反应时间更有利于Alc形态的生成。将合成提纯所得的目标产品进行表征,结果显示Alb形态多呈分支状结构且聚合度较低,而Alc形态多呈棒状结构且聚合度较高。此外,由于Alc结构中含有部分水解聚合反应得到的溶胶态物质A1(OH)3,导致其表面所带的电荷密度较小。(2)不同形态铝盐混凝剂作用机制的研究:选用腐殖酸(HA)模拟水和黄河实际水为给水代表、分散黄染料水样为废水代表,结果表明随着水质类型和混凝条件的变化,三种铝盐形态混凝剂的作用机制存在明显差异。在原水pH条件下,Ala、Alb和Alc处理HA模拟水样时分别以吸附电中和、吸附架桥和网捕卷扫为主要机理;处理实际水样时分别以水解沉淀、吸附架桥和电中和、网捕卷扫和吸附电中和作用为主要去除污染物的方式;处理染料废水时Ala主要以水解沉淀和吸附电中和作用为主,而Alb和Alc多通过网捕卷扫和吸附架桥作用与染料分子结合。pH对铝盐的水解聚合反应影响较大,由于pH=4的条件限制了铝盐的水解反应,而在pH=9时的水解产物导致静电排斥和网捕卷扫作用凸显,因此pH=4和pH=9的条件分别限制了Ala和Alc形态去除污染物的能力,降低了有机物的去除效率和染料的脱色效能。(3)不同形态铝盐混凝剂对膜污染机制的影响:结合混凝动态过程中所生成的絮体特性研究,通过滤饼层污染和膜孔堵塞两方面分析了超滤膜污染机制。在原水pH条件下,三种铝盐形态混凝剂处理HA模拟水样时,Ala形成的絮体表现出较大的粒径且结构疏松,导致累积在膜表面的滤饼层疏松多孔,有利于改善膜污染;处理实际水样时,Alb在投加量为6 mg L-1时生成的絮体粒径增长尤为明显,且破碎后的絮体具有较好的恢复能力,减小了小分子物质进入膜孔,导致此条件下的总膜阻力最小。随着投加量的增加,膜污染机制逐渐由膜孔堵塞向滤饼层污染转化。此外,当pH=4时,形成的絮体粒径较小且生长至平衡阶段时较慢,容易通过浓差极化造成膜污染;随着pH不断增大至偏中性环境,絮体粒径较大且结构疏松,由于多孔的滤饼层容易通过物理方式清除,进而此条件下主要以膜孔堵塞污染为主;而在pH=9的条件下,絮体多以网捕卷扫作用形成,导致粒径较小且密实,使滤饼层成了膜污染的主要原因。(4)滤饼层对超滤膜污染的研究:三种铝盐形态混凝剂主要与HA中的羟基和羧基发生反应,其生成的絮体直接影响滤饼层的结构,进而影响超滤膜污染的轻重程度。在CUF联用工艺中,通过区域荧光强度与总荧光强度的比值可知,采用聚醚砜膜超滤时主要去除的物质类型为:微生物代谢产物、多肽、氨基酸和蛋白质类物质。对于拥有疏松滤饼层的体系三而言,膜通量下降趋势较平缓且总膜阻力较小。结果表明,多孔疏松的滤饼层结构可以减小进入膜孔中的有机物含量,有效缓解了超滤膜污染。(5)不同形态铝盐混凝剂与CS复配混凝研究:分别以HA模拟水样和染料水样为给水和废水代表,结果表明在改变水质类型和混凝条件的情况下,CS作为助凝剂投加后,有机物的去除效率及染料的脱色效率得到了一定程度的提升,且Ala/Alb形态更宜在复配时使用。然而在混凝过程中,CS仅起到了一定的辅助混凝作用,污染物的去除效率主要还是受不同形态铝盐混凝剂作用机制的影响。在处理HA模拟水样时,由于氨基的质子化使CS投加后多以吸附电中和作用为主;而在处理染料废水时,由于染料分子中含有大量的极性基团,CS投加后多以长链的吸附架桥作用为主。此外,CS投加后絮体的粒径有了明显的增长,且絮体结构更为疏松,有利于减轻超滤膜污染。当CS与铝盐形态混凝剂复配时,由于酸性条件可使CS中的氨基质子化更充分,因而此条件下更有利于絮体粒径的增长及膜污染问题的改善。