目前,我国经济社会发展正处于加速上升阶段,而水环境状况却未得到有效改善,地表水源仍然存在不同程度污染,饮用水水源水质超标事件时有发生。为实现优质生活饮用水供给,保障饮用水安全,多种新型水处理技术应运而生。其中,二次微絮凝强化过滤技术具有水源适应性强、降浊效果好、致病微生物去除率高、药剂投加量少、运行成本低等优点,不仅适用于常规工艺水处理厂的强化,还可进一步提高以臭氧-活性炭工艺为主的深度水处理厂出水水质。在二次微絮凝强化过滤工艺中,助滤剂的选择对强化过滤效果至关重要,传统的铝盐和聚丙烯酰胺类助滤剂会存在二次污染的风险。壳聚糖(CTS)作为天然高分子水处理药剂因来源广泛、人体无害、分子链上含有丰富的氨基和羟基活性基团,受到了广泛的关注。同时,由于壳聚糖存在阳离子性弱、水溶性差、有机物处理效果不佳等缺点,在饮用水处理方面的使用受到了限制。本研究以壳聚糖为基础材料,将无机金属离子引入壳聚糖分子链中,丰富了壳聚糖分子链中阳离子基团,制备了三种新型无机金属盐-壳聚糖复配助滤剂,并以地表水处理厂沉淀池出水为试验原水,进行了三种复配助滤剂二次微絮凝强化过滤研究。通过对比四种水处理常用壳聚糖及其衍生物强化过滤效果,优选出适合作助滤剂的壳聚糖,采用响应曲面设计中BBD模型优化了壳聚糖二次微絮凝运行参数,并探讨了壳聚糖二次微絮凝强化过滤机理。研究结果表明:盐酸质子化壳聚糖(HCTS)具有较好的强化过滤效果。HCTS投加量为0.60 mg/L,微絮凝时间2 min,微絮凝强度(速度梯度G值)为110 s-1时,二次微絮凝强化过滤性能最好。HCTS形成微絮体与滤料表面接触,主要受重力沉淀作用和阻截作用影响,且絮体粒径与过滤周期存在较好的线性负相关性。黏附机理主要靠降低水中胶体Zeta电位绝对值,增强胶体颗粒与滤料表面的界面化学作用,以及高分子吸附架桥的凝聚作用。以优选得到壳聚糖为基础,分别与新型水处理药剂硫酸钛及传统水处理药剂硫酸铝、氯化铁复配制备了三种助滤剂硫酸铝-壳聚糖复配助滤剂(AS-CTS)、氯化铁-壳聚糖复配助滤剂(FC-CTS)、硫酸钛-壳聚糖复配助滤剂(TS-CTS)。通过紫外可见光谱、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、扫面电镜等方法,分析了三种复配助滤剂外貌形态、微观结构和官能团的变化。红外光谱分析表明,AS-CTS助滤剂中生成了 O-Al、N-A1等基团键;FC-CTS中存在-Fe-O-Fe-键和聚合态Fe-OH-Fe;钛离子水解产物与壳聚糖的氨基、羟基发生了反应。这些无机金属盐与壳聚糖的结合,丰富了壳聚糖分子链上的阳离子和官能团,可提高胶体颗粒和滤料表面的Zeta电位,增强胶体颗粒与滤料表面的接触和粘附能力。X射线衍射分析表明,仍有部分AS晶体镶嵌在AS-CTS中;FC-CTS助滤剂形成了新的物质相结构,以非晶体形式存在;TS-CTS助滤剂形成了新的无定形态晶体结构。紫外可见光谱分析结果表明无机金属盐与壳聚糖发生了一定反应。以上结果均表明,壳聚糖分子中引入了无机金属盐的羟基水解产物。采用响应曲面设计中CCD模型确定了 AS-CTS、FC-CTS、TS-CTS三种助滤剂最适复配比和投加量。明确了最佳复配条件下,三种复配助滤剂的强化过滤性能,通过考察胶体稳定性、絮体粒径、分形维数的变化,探究了其主要强化过滤机理。优化结果为AS-CTS 助滤剂mAS/mCTS 为 4:1、CTS 投加量为 0.2 mg/L;FC-CTS 助滤剂mFC/mCTS为 9:2、CTS 投加量为 0.2 mg/L;TS-CTS 助滤剂 mTS/mCTS 为 2:1、CTS 投加量为 0.3 mg/L。最佳复配条件下,三种助滤剂强化过滤性能指数AS-CTS>TS-CTS>FC-CTS,形成微絮体粒径 FC-CTS>AS-CTS>TS-CTS,分形维数 AS-CTS>FC-CTS>TS-CTS;以 Zeta 电位为指标的界面化学作用影响AS-CTS>FC-CTS>TS-CTS。AS-CTS和FC-CTS助滤剂形成微絮体,主要在重力沉淀作用和阻截作用下与滤料表面接触;TS-CTS强化过滤迁移机理以重力沉淀作用和水动力作用为主。AS-CTS强化过滤粘附机理以AS、CTS水解阳离子的界面化学作用和CTS高分子吸附架桥作用为主;FC-CTS则以Fe(OH)3、Fe(OH)2+、Fe3(OH)45+等铁离子水解产物的吸附凝聚作用和CTS架桥作用为主;TS-CTS强化过滤主要依靠多核羟基偏氧钛吸附凝聚作用和高分子架桥作用。通过超滤膜法、树脂分离、三维荧光光谱等手段,从分子水平上,对砂滤进出水中有机物分子量、亲疏水性分布情况和荧光物质进行定量定性分析,考察三种复配助滤剂微絮凝强化过滤去除水中有机物和消毒副产物前体物质效能。研究结果表明:AS-CTS强化过滤主要去除水中大分子量的HOA(疏水酸性有机物)、HIN(亲水中性有机物);FC-CTS强化过滤主要去除水中分子量<3 KDa组分中的HOA、HOB(疏水碱性有机物)和HIC(亲水极性有机物);TS-CTS强化过滤主要去除>30 KDa和<3 KDa分子量组分中的HOA和HIC(亲水带电性有机物)。此外,FC-CTS强化过滤对三卤甲烷前体物质去除效果较好,去除率为53.92%。将TS-CTS助滤剂强化过滤技术应用于处理高藻水时期沉淀池出水,采用流式细胞仪对过滤前后水中微生物细胞状态和去除效果进行检测分析。针对单独使用TS-CTS助滤剂强化过滤去除藻类欠佳的情况,采用高铁酸钾预氧化与TS-CTS助滤剂强化过滤组合工艺处理高藻水。研究结果表明:TS-CTS助滤剂强化过滤过程中对微生物细胞无破坏,且可有效去除水中细菌等含有核酸类微生物,微生物去除效果优于藻类。组合工艺处理高藻水研究结果表明:组合工艺对藻类和藻源嗅味物质2-MIB去除效果较好,叶绿素a去除率达91.6%,较未预氧化提高了 18.1%。当砂滤进水中2-MIB浓度为45 ng/L时,出水浓度为5 ng/L,低于饮用水标准限值10 ng/L。此外,组合工艺还可有效去除藻源有机物,其中,被去除EOM以溶解性微生物代谢产物和色氨酸类蛋白为主,IOM主要为腐殖酸和富里酸类有机物。组合工艺强化过滤主要靠高铁酸钾的强氧化性作用,和高铁酸钾还原新生铁水解产物Fe(H20)63+的吸附电中和作用,增强滤料对藻源污染物的截留能力。综上所述,无机金属盐和质子化壳聚糖复配助滤剂材料,对实际水体具有较理想的强化过滤效果,与高铁预氧化组合工艺可用于处理高藻水。同时,助滤剂微絮凝形成絮体形态和稳定性,可预测滤池运行状态和过滤性能。该研究结果可为过滤工艺的改进和新水厂的建造提供一定的技术支持,具有广阔的应用前景。