前言

近年，北方地区水资源与水环境危机已成为影响与制约北方经济社会发展的重要瓶颈，北方不同季节原水水质变化大，严寒与寒冷地区持续半年之久的低温期为处理工艺及构筑物的设计带来难题，成为水处理工程中亟待解决的关键问题，特别是《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）的颁布，对饮用水处理工艺及其安全性提出了更高、更严的要求，应对水源污染、保障饮用水安全、控制饮用水健康风险已成为我国水环境研究领域所面临的重大科技问题。本书研究的低温高色高氨氮水源水在北方严寒与寒冷地区很具代表性，其高效净化技术、工程示范与推广对保障饮用水水质安全具有重要意义。

北方严寒与寒冷地区饮用水净化多采用强化混凝技术，主要通过混凝剂的优化筛选、剂量与混凝反应过程及反应条件的控制强化来实现。根据2011年国家住房与城乡建设部统计资料表明，我国城市供水总量基本稳定在500亿t/a，若按每吨水净水剂需求（5～30）×10^-6g计算，年需求量至少25万t；我国废污水排放总量已经达620亿t/a，以50%的废污水处理比例计算，其中30%采用混凝沉淀工艺，以每吨水200×10^-6g的水处理剂用量计，年需要水处理剂186万t；而目前我国铝盐年产量大约为30万t，铁盐及其他水处理剂的年产量为20万t，尚存在136万t缺口，因此市场前景非常广阔。素有“千土之王”、“万用之土”之称的凹凸棒土是一种含水富镁硅酸盐黏土矿物，具有独特的层链状结构与较大的比表面积，是天然食品助剂级的纳米材料；近年来，国内外通过高温焙烧、酸活化处理、有机覆盖处理、钠铝盐处理等方法对凹凸棒土进行改性以提高其絮凝或吸附性能，并对改性凹凸棒土在各种污（废）水处理中的应用进行了大量探索，但在饮用水特别是低温高色高氨氮水源水处理的研究还鲜有报道；受技术等因素限制，我国凹凸棒土虽资源丰富，但一直未得到有效利用，绝大多数凹凸棒土低价出售至西欧国家，经济效益极低，如能将其开发成为一种天然、无毒无害、环保型材料，经过简单、低能耗的操作，用来制备新型高效水处理絮凝剂或吸附剂，将在安全饮用水与环境保护中发挥重要作用，并能取得巨大的经济效益。北方严寒与寒冷地区现有饮用水处理单元仍存在净化工艺与原水水质不配套、低温低浊水处理效率低、高风险污染物未有效去除、处理过程中有毒有害副产物产生、难以满足四季水质处理要求等一系列问题，如开展针对性的关键技术研究与集成，将为北方水厂升级改造、优化调试、产业化推广提供指导。

基于上述研究背景，本书以北方严寒与寒冷地区低温高色高氨氮水源水为研究对象，以制备改性凹凸棒土絮凝剂（吸附剂）为核心，以建立“载体絮凝—高效沉淀—预涂膜过滤”集成化系统、设计高浓度凹凸棒土—MBR组合工艺为重点，以优化运行控制为目标，探求低温脱色脱氨氮效果与机制，以期拓展凹凸棒土的研究领域，为凹凸棒土低温水质净化技术提供理论依据，为寒地饮用水安全提供技术保障与可行方案，该研究成果的推广应用具有重要的学术价值。

全书共分为六章。第一章介绍了严寒及寒冷地区低温高色高氨氮水处理技术以及凹凸棒土净水技术的研究进展、存在问题以及研究趋势；第二章基于改性凹凸棒土的微观结构特征，运用界面配位—吸附—混凝理论，研究探讨适于低温脱色脱氨氮的凹凸棒土改性方式、优化条件与作用机理；第三章通过吸附等温线—动力学—热力学等理论，研究壳聚糖改性凹凸棒土（CPA）、提纯凹凸棒土（PA）低温脱色吸附性能，单质与共存溶液条件下碱改性凹凸棒土（4A分子筛）对色度、氨氮的吸附性能；第四章采用响应面分析法中心组合设计确定“回流污泥—CPA—”强化混凝的最优工艺条件，明确污泥回流、CPA投加后的低温脱色水处理效能与混凝机理；基于上述静态试验基础研究与理论分析，第五章研究基于改性凹凸棒土的“载体絮凝—高效沉淀—预涂膜过滤”组合工艺，明确各组合单元优化运行控制方式；第六章研究高浓度凹凸棒土—MBR组合工艺低温脱色脱氨氮的处理效果、污泥混合液性能以及膜污染规律。第一章、第三章由马立新撰写；第二章、第四章、第五章、第六章由孙楠撰写。

本书得以完成，首先要感谢导师同济大学（哈尔滨工业大学兼职）于水利教授多年来的教诲与鞭策；同时要感谢东北农业大学付强教授、张颖教授、哈尔滨工业大学时文歆教授的鼓励与悉心指导，感谢哈尔滨工业大学李慧敏老师在仪器使用、实验安排、实验条件准备上给予的无私帮助；感谢衣雪松、段英随等实验室同仁的点拨！在本书的编写过程中，参阅、借鉴和引用了许多关于凹凸棒土改性、低温水质净化技术的论文、专著、教材和其他相关资料，从中得到了很大的教益与启发，在此向各位学者谨致以诚挚的谢意。

本书的出版得到了国家“十二五”科技支撑计划项目（No.2013BAJ12B01，No.2013BAJ12B02）、黑龙江省教育厅科研基金（No.12531034）、黑龙江省博士后科学基金（LBH—Z13025）、东北农业大学科研启动青年基金（No.2011QN211）的联合资助。

本书是作者近五年相关研究工作的总结，是对严寒与寒冷地区凹凸棒土饮用水净化技术研究的一次大胆尝试，加之作者水平有限，书中难免存在疏漏与片面之处，恳请同行专家批评指正。

作者

2014年4月于哈尔滨