（市政工程专业论文）微砂强化混凝处理微污染水库水试验研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 微污染水中各种有机污染物中天然有机物的含量最高，被公认为是加氯消毒过程中 生成消毒副产物的主要前体物质。由于水体的富营养化，在一定时期内会滋生藻类，造成 水质的恶化。因此去除水中天然有机物和藻类，可以在很大程度上提高饮用水水质，保 障人体的健康。本文以鹊山水库微污染水为试验对象，研究了砧3 + 盐或f e 3 + 盐单独混凝、 削3 + 盐或f e 3 + 盐+ 阳离子型p a m 强化混凝、砧3 + 盐或f e 3 + 盐+ 微砂+ p a m 的微砂强化混凝 三种方式对有机物及藻类的去除效果。 实验室烧杯试验中，当水库水水质p h = 7 8 8 2 ，浊度= 4 2 5 2 n t u ， u v 2 5 4 = 0 1 2 0 18 e m ，c o d m = - 4 2 - 4 4 m g l ，d o c = 4 2 4 6m g l ，藻类数量( 7 8 ) 1 0 6 个几 时，a 1 3 + 盐或f e 3 + 盐单独混凝，投加6 0 m g la 1 2 ( s 0 4 ) 3 ，浊度、u v 2 孙c o d m n 、d o c 和藻类的去除率分别为7 2 8 、4 2 2 、3 6 9 、3 8 4 和5 3 2 ；投加6 0 m g lf e c l 3 时， 浊度、u v 2 补c o d m n 、d o c 和藻类的去除率分别为6 8 2 、4 5 2 、4 0 1 、4 2 3 和 6 2 o 。 砧3 + 盐或f e 3 + 盐+ p a m 强化混凝处理原水与单独混凝相比，絮体形成快，尺度大且 密实，沉降快。试验表明，投加6 0 m g l a l 2 ( s 0 4 ) 3 + 0 6 m g l p a m 时，浊度、u v 2 5 4 、c o d m n 、 d o c 和藻类的去除率分别达到7 4 2 、5 4 7 、4 7 1 、4 7 3 和7 6 2 ；6 0 m g l f e c l 3 + o 6 m g lp a m 时，浊度、u v 2 5 4 、c o d m = 、d o c 和藻类的去除率分别达到7 2 8 、 5 9 4 、5 2 - 3 、5 3 2 和7 5 3 。 a 1 3 + 盐或f e 3 + 盐+ 微砂+ p a m 的微砂强化混凝处理原水试验表明，投加6 0 m g l a 1 2 ( s 0 4 ) 3 + 0 8 9 l 微砂+ 0 6 m g lp a m 时，u v 2 5 4 、c o d m n 、d o c 和藻类的去除率分别达 到6 3 4 、5 6 2 、5 6 8 和9 2 6 ；6 0 m g lf e c l 3 + 0 8 9 l 微砂+ p a m 0 6 m g l 时，u v 2 5 4 、 c o d m n 、d o c 和藻类的去除率分别达到6 7 6 、5 8 8 、6 0 o 和9 3 7 。 连续性试验中，以f e 3 + 盐作为混凝剂，单独投加f e c l 3 , 当投加量为4 0 m g l 时，浊度、 u v 2 5 4 、c o d m n 和藻类的去除率分别为6 2 1 、2 9 3 、2 4 8 和5 6 8 。投加4 0 m g 三氯 化铁+ 0 4 m g , l p a m 时，浊度、u v 2 补c o d m 和藻类的去除率分别为7 0 1 、4 0 1 、3 7 2 和7 3 5 。投加4 0 m g lf e c l 3 + l g l 微砂+ o 4 m g lp a m 时，浊度、u v 2 5 4 、c o d m 和藻类 的去除率分别为7 1 2 、5 4 3 、5 3 6 和9 3 7 。 研究表明，微砂强化混凝技术表现出较高的水中有机污染物和藻类的去除率，具有 i l 山东建筑大学硕士学位论文 高效、经济、操作方便等优势，该技术为处理微污染水库水的工艺选择提供了参考。 关键词：强化混凝，腐殖酸，有机物，藻，a 1 2 ( s 0 4 ) 3 ，f e c l 3 ，p a m ，微砂 i i i 山东建筑大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o nm i c r o s a n de h a n c e dc o a g u l a t i o n f o rt r e a t m e n to fm i c r o - p o l l u t e dr e s e r v o i rw a t e r x uh a i l o n g ( m u n i c i p a l e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yt a nf e n g x u na n dw ud a o j i a b s t r a c t n a t u r a lo r g a n i cm a t t e r ( n o m ) i st h em o s ti m p o r t a n tc o n t e n ti no r g a n i cp o l l u t a n t si n m i c r o - p o l l u t e d r e s e r v o i rw a t e r i ti s r e g a r d e d a sd i s i n f e c t i o n b y - p r o d u c t s f o r m a t i o n p o t e n t i a l f o rt h ee u t r o p h i c a t i o no f w a t e r b o d i e si tw i l lb eag r e a tb r e e d i n ga l a g ei na p e r i o da n dr e s u l ti nd e t e r i o r a t i o no fw a t e rq u a l i t y r e m o v i n gn a t u r a lo r g a n i cm a t t e r sa n da l a g e c a ni m p r o v et h eq u a l i t yo f d r i n k i n gw a t e rg r e a t l ya n dh e n c es a f e g u a r dh u m a nh e a l t h j a rt e s t s w e r ec a r r i e do u tt ot r e a tm i c r o - p o l l u t e dw a t e ro fq u e s h a nr e s e r v o i r t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f o r g a n i cm a t t e r sa n da l a g eb ya d d i n ga 1 3 + o rf e ”c o a g u l a n t ，a d d i n ga 1 3 + o rf e 3 + c o a g u l a n ta n d p a m a d d i n ga 1 3 + o rf e ”c o a g u l a n t 、m i c r o s a n da n dp a m w e r es t u d i e d m i c r o - p o l l u t e dr e s e r v o i rw a t e r ：p h = 7 6 7 8 ，t u i b i d i t y = 4 2 5 2 n t u ，u v 2 5 4 = 0 1 2 - 4 ) 1 8 c m ，c o d m n = 4 2 - - 4 4 m g l ，d o c = 4 2 4 6 m g l ，t h ea m o u n to fa l a g ei s ( 7 8 ) 1 0 6 个l w h e na d d6 0 m e t lh 1 2 ( s 0 4 ) 3 ，r e m o v a lr a t e so ft u r b i d i t y 、u v 2 5 4 、c o d m n 、d o ca n da l g a ea f e 7 2 8 、4 2 2 、3 6 9 、3 8 4 a n d5 3 2 r e s p e c t i v e l y w h e na d d6 0 m g lf e c l 3 r e m o v a lr a t e s o f 4t u r b i d i t y 、u v 2 补c o d m n 、d o ca n da l g a ea r e 6 8 2 、4 5 2 、4 0 1 、4 2 3 a n d6 2 0 e n h a n c e dc o a g u l a t i o nb ya 1 3 + o rf e 3 + c o a g u l a n ta n dp a mm a k e sf l o e sa p p e a rq u i c k l y , l o o kb i g g e ra n dt i g h t e r , s e d i m e n tq u i c k l yc o m p a r e dt oa d d i n ga 1 3 + o rf e 3 + c o a g u l a n to n l y t e s t s s h o wt h a tw h e na d d6 0 m g l a 1 2 ( 5 0 4 ) 3a n d0 6 m g lp a m ，r e m o v a lr a t e so ft u r b i d i t y 、u v 2 5 4 、 c o d m n 、d o ca n da l g a ea l e7 4 2 、5 4 7 、4 7 1 、4 7 3 a n d7 6 2 w h e na d d6 0 m g l f e c l 3a n do 3 m g lp a m ，r e m o v a lr a t e so ft u r b i d i t y 、u v 2 5 4 、c o d m n 、d o ca n da l g a ea r e 7 2 8 、5 9 4 、5 2 3 、5 3 2 a n d7 5 3 r e s p e c t i v e l y t e s t so fm i c r o s a n de n h a n c e dc o a g u l a t i o ns h o wt h a t ，w h e na d d6 0 m g la 1 2 ( s 0 4 ) 3a n d 0 8 9 lm i c r o s a n da n d0 6 m g lp a m ，r e m o v a lr a t e so fu 5 4 、c o d m n 、d o ca n da l g a ea r e 6 3 4 、5 6 2 、5 6 8 a n d9 2 6 w h e na d d6 0 m e t ef e c l 3a n d0 8 9 lm i c r o s a n da n d0 6 9 l i v 山东建筑大学硕士学位论文 p a m ，r e m o v a lr a t e so fu v 2 , 5 4 、c o d m n 、d o ca n da l g a ea r e6 7 6 、5 8 8 、6 0 o a n d 9 3 7 i np i l o tt e s t , w h e na d d4 0 m g lf e c l 3r e m o v a lr a t e so ft u r b i d i t y 、u v 2 5 4 、c o d m na n d a l g a ea r c6 2 1 、2 9 3 、2 4 8 a n d5 6 8 w h e na d d4 0 m g lf e c l 3a n d0 4 m g lp a m ， r e m o v a lr a t e so ft u r b i d i t y 、u v 2 5 4 、c o d m na n da l g a ea r e7 0 1 、4 0 1 、3 7 2 a n d 7 3 5 w h e na d d4 0 m g lf e c l 3a n d1 0 9 lm i c r o - s a n da n d0 4 9 lp a m ，r e m o v a lr a t e so f t u r b i d i t y 、u 5 4 、c o d m na n da l g a ea r e7 1 2 、5 4 3 、5 3 6 a n d9 3 7 t h er e s u l t ss h o wt h a te n h a n c e dc o a g u l a t i o ne x h i b i t sg o o de f f i c i e n c yo f r e m o v i n go r g a n i c p o l l u t a n t s i na d d t i o r t , t h i st e c h n o l o g yi se f f e c t i v e ，e c o n o m i c a la n dc o n v e n i e n tt oo p e r a t e i t c a na c ta sar e f e r e n c ef o rr e s e r v o i rw a t e rt r e a t m e n t k e yw o r d s ：e n h a n c e dc o a g u l a t i o r t , h u m i ca c i d ，o r g a n i cm a t t e r s ，a l g a e ，a 1 2 ( s 0 4 ) 3 ， f e c l 3 ，p a m ，m i c r o s a n d v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名：缝氢整日期2 堂：! i ：兰圣 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阋和借阋。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师 签 名： 箍踅缝日期兰尘! ：! ：兰墨 山东建筑大学硕士学位论文 第l 章绪论 近年来，随着我国工业的发展和农用化学品滥用的增加，饮用水水源受到了严 重污染，并呈发展趋势【1 3 】。我国七大水系、三大湖泊、水库和部分地区地下水及 近岸海域都受到了不同程度的污染，据环保部门检测，我国9 0 以上的城市水域受 到严重污染，约有5 0 的重点城市水源不符合饮用水水源标准，全国地表水近6 0 以上的水质降为类以下水质，已完全失去作为饮用水水源的功能，有9 7 的大中 城市地下水也受到不同程度的污染。 由于水中有机物的存在，其对胶体的保护作用和稳定性的提高，使水处理增加 了一定的难度，同时水中有毒有机物难以降解，经常规氯消毒后所产生的有机卤化 物，其中有许多已被确认为是直接致癌物或诱发物，对人体健康有极大的潜在危害 4 1 。水源水的污染不仅给人类的健康带来了较大的危害，而且对传统净水工艺和水 质造成很大的影响。随着人民生活质量的不断提高，检测分析手段的进步，人们对 饮用水水质的要求将更加严格，相应供水水质标准也要不断提高。因此，对于微污 染原水的净化处理己成为一项非常重要和迫切的新课题。 1 1 微污染水源水 1 1 1 微污染水源水的水质特点 微污染水源水【5 ，6 】是指受到有机物污染，部分项目的指标超过卫生标准的水 体。这类水中所含的污染物种类较多、性质较复杂，但浓度比较低。微污染水源 水具有以下几个水质特点【7 】：( 1 ) 微污染水源水的水质主要受排入的工业废水和 生活污水的影响，在江河水源上表现为氨氮、总磷、色度、有机物等含量超标。 在湖泊水库水源上，表现为水库和湖泊水体的富营养化，并在一定时期藻类滋生， 造成水质恶化，腐烂时腥臭逼人。( 2 ) 水中溶解性有机物大量增加，特别是自来水 出厂水、管网水经常于春末夏初、夏秋之交出现明显异味，氯耗季节性猛增。水 中有机物多带负电，增大了混凝剂和消毒剂投量，同时使管壁腐蚀和管网寿命降 低。( 3 ) 2 0 0 2 年国家卫生部颁布的生活饮用水卫生规范，提出了更高的水质 山东建筑大学硕士学位论文 标准。而目前已发现的一些有害微生物较难去除，如贾第氏鞭毛虫、隐孢子虫、 军团细菌、病毒等。( 4 ) 内分泌干扰物质( 又称环境荷尔蒙) 的去除效率不高， 这些化学品不仅具有“三致”作用，还会严重干扰入类和动物的生殖功能。 1 1 2 微污染水源水的污染物 1 胶体：主要是指水中存在的细菌、藻类、无机颗粒物( 如粘土、氧化铝) 、大 分子有机化合物( 如蛋白质、碳氢化合物) 等悬浮微粒 5 】尺寸在l n m 1 u m 之间。 其中如果藻类过度生长繁殖，水体透明度下降，溶解氧降低，造成水库水质恶化，从 而使水体的生态功能受到损害和破坏严重的甚至发生“水华”，给水资源利用带来 巨大损失。水源水富营养化的危害主要表现为： ( 1 ) 影响水厂的正常运行。在常规水处理工艺中，藻类不易在沉淀池中去 除，影响后续滤池的正常运行，表现为运行周期缩短，反冲频繁且不易冲洗干净。 ( 2 ) 影响水质。水源水富营养化影响水中的溶解氧。藻类大量繁殖，水源 表层水中藻类密集，眼光难于透入湖泊深层，使其中藻类的光合作用明显受抑制， 溶解氧的来源减少。藻类死亡，腐烂分解，使水体出现厌氧状态，触发或加速底 泥中积累的营养物质释放，造成水体中营养物质的增加，形成富营养水体的恶性 循环。 ， ( 3 ) 对管网和管网水质的影响。穿透滤池进入管网的藻类可成为微生物繁 殖的基质，促进菌类生长，甚至在管网中生长较大的有机体如线虫等，严重时会 堵塞水表、水龙头。 2 有机物 微污染水库水中的有机物大致可以分为两类：【8 】 ( 1 ) 天然有机物( n o m ) 是指动植物在自然循环过程中经腐烂分解所产 生的物质，包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的动物组织及动物的废弃物等，也 称为耗氧有机物或传统有机物。 ( 2 ) 人工合成有机物( s o c ) 大多为有毒有机污染物，其中包括三致有机 污染物。 天然有机物在各种有机污染物中的含量最高，是引起水体色度的主要物质， 而且被公认为是加氯消毒过程中生成消毒副产物如三卤甲烷( t h m s ) 和卤乙酸 2 山东建筑大学硕士学位论文 ( h a a s ) 等的主要前体物质。水体中的天然有机物通常由两部分组成，一类是 腐殖质，另一类是非腐殖质。腐殖质是土壤的有机组分，是由动植物残体通过化 学和生物降解以及微生物的合成作用而形成的。腐殖质来自于动植物残骸腐烂过 程的中间产物和微生物的合成过程。腐殖质是一类亲水的、酸性的多分散物质， 其分子量在几百到数万之间。其组成可根据溶解性的不同分为三类，如腐殖酸、 富里酸及黑腐物水中存在的有机物以腐殖质为主，占天然有机物的5 0 8 0 ， 而且大部分( 8 5 - - 9 5 ) 溶解有机高分子物质通常被认为是腐殖质。腐殖质通 常具有以下性质【9 】： ( 1 ) 具有与金属离子结合的能力。腐殖酸和富里酸构成弱酸性聚合电解质， 可通过离子交换、络合( 螯和) 、表面吸附等作用吸引金属离子。络合金属离子、 腐殖酸盐及有关化合物会使水带有颜色，若存在f e 3 + 、r e 2 + 则会增加颜色的深度。 ( 2 ) 较强的吸附能力。腐殖质具有类海绵状结构，这种结构使之具有较大 的表面积和较高的表面能。当水中毒性有机物被吸附或络合后，其毒性可能被隐 蔽或削弱。但当外界条件改变( 如温度、p h 值、搅拌等) 而导致结构破裂后， 吸附或络合在其中的毒性有机物将被释放，从而影响水处理工艺的效果。 ( 3 ) 胶体化学行为。许多腐殖质类物质在天然水体中以胶体形式存在。腐 殖酸盐能生成负电胶体。这些胶体时常是高度分散的，能透过孔径为0 4 5 m n 的 滤膜，容易被c a 2 + 、m 9 2 + 等凝聚。 ( 4 ) 难降解，但会氧化水解。腐殖质本身是微生物分解后形成的稳定化合 物，故一般的生化处理难以去除水中的腐殖质。而腐殖酸和富里酸在水中水解产 生各种氨基酸和大量的游离氨，可导致水体发臭。 ( 5 ) 本身无致突性，但氯化消毒后能形成致突变物。腐殖质的氯化产物大 多为醛、酸、酮、腈、烷烃、芳烃等有机物。其中许多物质是致突变物，如最常 见的三氯甲烷。因此，腐殖质被认为是饮用水氯化消毒后致突变物生成的主要前 趋物质之一。因此在微污染水净化过程中，n o m 的去除对于提高饮用水水质、 保障用水安全有重要的意义。 本文主要以去除n o m 为主进行试验研究同时对藻类的去除率进行试验研 究。 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 微污染水源水研究处理现状 7 0 年代以来，各种微污染水源水净化的预处理和深度处理方法在许多国家 得到推广和应用。微污染水源水中有机物的去除方法主要包括：预处理工艺、深 度处理工艺、强化传统处理工艺。 1 2 1 预处理工艺 预处理技术采用物理、化学和生物的方法对水中的污染物进行初级去除，使 常规处理能更好的发挥作用，减轻常规处理和深度处理的负担，改善和提高饮用 水水质。常用的预处理技术有化学氧化法、生物预处理技术和吸附预处理技术。 ( 1 ) 化学氧化预处理 化学氧化预处理【1 0 】是一种传统处理方法，是指向微污染水源水中投加化学氧化 剂，以氧化分解水中的有机物。常用的化学氧化剂有：氯气、臭氧f l l 】、高锰酸钾 【1 2 1 、过氧化氢【1 3 】、二氧化氯 1 4 1 等。氧化剂的氧化能力能够破坏水中污染物的结 构，转化或分解污染物，降低有机物的含量，提高有机物的可生化降解性，改善 混凝效果，降低混凝剂的用量。去除水中三卤甲烷前体物【1 5 1 。但由于化学氧化 预处理技术在氯化后的出水致突变性或多或少地增加，且运行费用高，所以人们 开始关注安全且经济的生物氧化预处理技术【1 6 1 。 ( 2 ) 生物氧化预处理 生物预处理是指借助于微生物群体的新陈代谢活动，去除水中污染物的技术。目 前，国内外已进行研究并投入运行的生物氧化预处理方法主要包括生物接触氧化 【1 7 1 、生物滤池【1 8 , 1 9 、生物流化床2 0 】、生物转盘 2 l 】等。与物化处理工艺相比，生 物预处理技术可以去除传统工艺不能去除的污染物；改善混凝沉淀性能，减少混 凝剂用量，同时能使后续工艺简单易行；减少了水处理中氯的消耗量，出水水质 明显改善【1 5 】。然而，生物预处理技术占地面积大，不利于旧厂的改造，同时也 增加了基建费用。 ( 3 ) 吸附预处理 吸附预处理是利用吸附剂的吸附性去除微污染水源水中的污染物。吸附剂投加在 常规净水工艺之前，与微污染水源水混合后吸附污染物，通过沉淀去除，从而达 到脱除污染物质的目的。目前用于水处理的吸附剂有粉末活性炭【捌、沸石【2 3 1 、 4 山东建筑大学硕士学位论文 硅藻土【2 4 】、二氧化硅、活性氧化铝、及离子交换树脂等。但是粉末活性炭参与 混凝沉淀过程后，残留于污泥中，目前尚无很好的回收再生方法，致使运行费用高， 难以推广应用。粘土类吸附剂虽然货源充足、价格便宜，具有很好的吸附性能，但 大量粘土投入混凝剂中增加了沉淀池的排泥量，给生产运行带来了一定困难【2 5 】。 1 2 2 深度处理工艺 深度处理工艺通常是指在常规处理之后采用适当的方法将常规处理工艺不 能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，以提高和保证饮用水质的 处理工艺。应用较广泛的有生物活性炭深度处理技术、膜分离处理技术、臭氧活 性炭联用深度处理技术、光催化氧化技术等。 ( 1 ) 生物活性炭深度处理技术 生物活性炭是利用生长在活性炭上的微生物的生物氧化作用，从而达到去除 污染物的目的。与单独的活性炭吸附相比，它可以完成生物硝化作用，将氨氮转 化为硝酸盐，从而减少后氯化的投氯量，降低三卤甲烷的生成量；延长了活性炭 的再生周期，减少运行费用；可以提高水中溶解性有机物的去除率，保证出水水 质。 目前生物活性炭被认为是饮用水处理中去除有机物的有效方法。通常，采用 生物活性炭技术时应避免预氯化处理，否则微生物就不能在活性炭上生长，因而 失去生物活性炭的生物氧化作用【2 4 1 。活性炭昂贵的价格防碍了它的推广应用。 另外，生长有细菌的细小活性炭颗粒在水力冲刷作用下脱落，由于生物膜上微生 物的长期固定培养，它们对各种不利的环境有较强的适应性，从而对消毒有更大 的抗性，氯化消毒往往难以杀死这些微生物，使出水水质不能完全达标【1 5 】 ( 2 ) 膜过滤深度处理技术 膜过滤是新兴的高分离、浓缩、提纯、净化技术，是用高分子薄膜作介质， 以附加能量为推动力，对双组分或多组分溶液进行表面过滤分离的物理方法。膜 过滤中微滤( m f ) 2 6 1 、超滤( u f ) 2 7 3 、纳滤( n f ) 【2 8 1 、反渗透( r o ) 2 9 1 都能 有效地去除水中的臭味、色度、消毒副产物前体及其他有机物和微生物，去除污 染物范围广，且不需要投加药剂，设备紧凑、容易自动控制。膜过滤法近年来被 美国环保局( e p a ) 推荐为水处理的最佳工艺之一【1 5 】。但膜处理技术要求对原水 山东建筑大学硕士学位论文 进行严格的各种预处理和常规处理及定期的化学清洗，所以膜滤的基建投资和运 转费用高。同时r o 和n f 的浓缩液与常规水处理产生的废水不同，其处理也是 必需考虑的一个棘手问题。又由于该工艺产水量小、成本高等原因，目前还难以 在我国大规模推广应用，仅少量用于特种行业的水处理中。 ( 3 ) 臭氧活性炭联用深度处理技术 采取先臭氧氧化后活性炭吸附，在活性炭吸附中又继续氧化的方法，可以使活性 炭充分发挥吸附作用。在炭层中投加臭氧，一方面可使水中大分子转化为小分子， 改变其分子结构形态，提供了有机物进入较小孔隙的可能性；另一方面使大孔内 与炭表面的有机物得到氧化分解，使活性炭可以充分吸附未被氧化的有机物，从 而达到水质深度净化的目的【3 0 】。臭氧活性炭联用技术也有其局限性【1 5 1 ，例如臭 氧在破坏一些有机物结构的同时也可能产生一些有毒有害的中间产物。研究结果 表明，水源经臭氧一活性炭吸附深度处理，氯化后出水水质可能仍具有致突变性。 ( 4 ) 光催化氧化技术 光催化氧化是以t i 0 2 为代表的n 型半导体为催化剂的一种光催化氧化，氧 化能力极强，能氧化去除水中常见的有机污染物，最终产物是c 0 2 和h 2 0 等无 机物 3 0 1 。该方法具有强氧化性、对作用对象的无选择性与最终可使有机物完全 矿化的优点。但是t i 0 2 粉末颗粒细微，不便回收，同传统工艺相比，光催化氧 化处理费用高，设备复杂。光催化氧化投入实际应用所面临的主要问题是确定长 期运行过程中催化剂中毒情况及寻求理想的再生方法；解决催化剂的分离回收或 固定化问题：反应器的设计及提高光能利用率等【1 5 1 。 1 2 3 强化传统处理工艺 ( 1 ) 强化混凝 强化混凝的定义是向水源水中投加过量的混凝剂并控制一定的p h 值，从而 提高常规处理中天然有机物( n o m ) 的去除效果，最大限度地去除消毒副产物 的前体物( d b p f p ) ，保证饮用水消毒副产物符合饮用水质标准的方法【4 】。随着 给水技术的不断发展和人们对饮用水水质要求的不断提高，各种新型高效的常规 工艺净化技术不断涌现，不同程度上优化和强化了常规处理的功能，提高了常规 工艺的净化效果美国环境保护局将强化混凝列为控制天然有机物( n o m ) 的最 6 山东建筑大学硕士学位论文 佳方案。 ( 2 ) 强化沉淀 在传统的沉淀分离水处理工艺的基础上采用新的强化沉淀技术针对改善沉 淀水流流态，减小沉降距离，大幅度提高沉淀效率。当水进入沉淀区后，通过自 上而下浓缩絮凝泥渣的过程，实现对原水有机物连续性网捕、卷扫、吸附、共沉 等系列的综合净化，达到以强化沉淀工艺处理微污染水的目的。 ( 3 ) 强化过滤 强化过滤是在不预加氯的情况下，在滤料表面培养繁殖微生物，利用生物作 用去除水中的有机物。常用的方法是采用活性滤池，它是在不增加任何设施的情 况下在普通滤池石英砂表面培养附着生物膜，用于处理微污染水源水。该工艺是 处理微污染水质的一种新途径。凝聚和絮凝是指通过某种方法( 如投加化学药 剂) 使水中胶体粒子和微小悬浮物聚集的过程，统称为混凝。其中凝聚主要指胶 体脱稳并生成微小聚集体的过程。絮凝主要指脱稳的胶体或微小悬浮物聚结成大 的絮凝体的过程。 此外还有一些新型的组合处理工艺如臭氧、沸石、活性炭的组合工艺可充分 利用沸石的交换能力及生物活性炭去除稳定量的氨氮的能力。微絮凝直接过滤工 艺可以省去常规混凝一沉淀过滤投氯消毒工艺中的混凝和沉淀工艺。以普通石英 砂滤料替代活性炭滤料，大大降低了微污染水的处理成本。 1 3 强化混凝技术去除有机物 1 3 1 强化混凝去除有机物机理 凝聚和絮凝是指通过某种方法( 如投加化学药剂) 使水中胶体粒子和微小悬 浮物聚集的过程，统称为混凝。 ( 1 ) 胶体的凝聚机理 如前所述，胶体的凝聚主要是指胶体脱稳并生成微小聚集体的过程。目前， 比较公认的聚集机理有四个方面：压缩双电层、吸附一电中和、吸附一架桥作用、 网捕一卷扫作用【3 1 ，3 2 1 。 压缩双电层作用 根据d l v o 理论，如果能使胶体颗粒的双电层变薄，排斥能降到相当小时， 7 山东建筑大学硕士学位论文 两胶体颗粒接近时，就可以由排斥力为主变成吸引力为主，胶体颗粒问就会聚集。 水中胶体颗粒通常带有负电荷，当加入含有高价态正电荷离子的电解质时，高价 态正离子通过静电引力进入到胶体颗粒表面，置换出原来的低价正离子。这样双 电层仍然保持电中性，但双电层厚度变薄了，胶体颗粒滑动面上的 6 0 t 3 2 】，且对于总有机碳 ( t o c ) 5 m g l 的水，强化混凝的处理效果与臭氧、活性炭吸附等高级处理技 术相当，而且无机混凝剂的效果好于有机的【3 3 1 。黄晓东等人以微污染水库水 为原水，对增加聚合氯化铝( p a c ) 投量的强化混凝与常规混凝的处理效果进行了 对比。试验结果显示，增加p a c 投量使t o c 去除率提高2 4 ，高锰酸钾指数去 9 山东建筑大学硕士学位论文 除率提高1 0 5 ；藻类去除率也由常规混凝的6 7 2 上升至8 5 9 ，提高了1 8 7 。 ( 2 ) 确定最佳p h 值 p h 值是影响混凝的最重要因素之一【3 5 1 。对于具体原水，不同目标污染物的 最优混凝处理效果的p h 值存在差异，因为p h 值决定混凝剂的水解产物及原水 物质的存在状态，进而影响混凝效果【3 6 1 。如通常p h 值较低时，水中的腐殖质为 带负电荷的腐殖酸胶体，容易被去除；p h 值较高时，腐殖质则转化为腐殖酸盐， 憎水性减弱而亲水性增强，因而去除率较低。对美国1 6 处水源的最优p h 值的 测定显示：对试验的混凝剂，去除t o c 的最有效的混凝p h 值是5 5 巧5 0 7 j 。 ( 3 ) 添加助凝剂 多种混凝剂的联合使用，有益于破坏胶体的稳定性，提高混凝效能。杨开明 【3 8 1 等人在研究混凝剂最佳投量时发现，单独使用无机铝盐和铁盐作混凝剂，易 发生胶体再稳现象。如果在原水中先投加无机混凝剂，再投加少量p a m 作助凝 剂，就不会出现胶体再稳现象。不但可以提高混凝沉淀效果，也使混凝剂用量减 少了2 0 - - , 6 0 。赵艳【3 9 】以聚合氯化铝为混凝剂，果胶为助凝剂，对高岭土溶液 进行混凝试验研究。试验表明，果胶的助凝效果显著，能增大絮体，加快沉降。 近年来，许多学者亦研究了氧化剂对混凝过程的助凝作用。苑宝玲等【加】在 处理含藻量多、以颤藻为主的源水时，发现单纯p a c 混凝除藻效果不理想，投 加少量高铁酸盐进行预氧化，再投加p a c 混凝，可使水中藻类的去除率提高 1 0 之0 ，去除率高达9 7 8 5 。 ( 4 ) 添加絮体改良助剂 有学者直接从动力学稳定性破坏的角度进行研究，在混凝反应中加入絮体改 良助剂，像微细砂粒、磁性物质等。路光杰【4 1 】等人认为，在混凝反应中，脱稳 微粒凝聚结合成大颗粒絮凝体是一种结晶沉淀过程，且絮体核心的形成是絮凝反 应的关键控制步骤。他们试图在水处理的絮凝一凝聚阶段，投加微细砂粒，利用 异相成核的方法来强化絮凝过程。研究结果显示，细微砂粒的投加增加了混凝反 应的晶核数量，使絮凝体颗粒迅速成长，同时絮凝体的密实度也由于砂粒的引入 而得到了提高。砂粒的粒径范围以4 0 - , 1 2 5 1 a m 为宜，其中4 0 - - 7 4 1 m a 的出水效果 最好；砂粒强化混凝的出水浊度低于传统混凝法，而且混凝时间较常规方法缩短 近7 0 ，提高了设备的处理能力。此外，由于微细砂粒的投加，还克服了投加助 l o 山东建筑大学硕士学位论文 凝剂带来的毒性、滤料板结等缺点。 1 4 微砂强化混凝 微砂强化混凝也就是在絮凝凝聚阶段投加微砂来强化絮凝过程。其主要特 点是：投加微细砂粒作为絮体的内核，人为地增加絮凝反应的核心，促进对悬浮 物的网捕，使絮凝体迅速成长；同时微砂的投加还可以增大絮凝体的密度，加快 絮凝体的沉降。与传统工艺相比，微砂强化混凝法加快了絮凝体的沉降速度，缩 短了絮凝反应时间，从而缩小了絮凝池的体积。 1 4 1 微砂强化混凝机理 在絮凝反应中，脱稳微粒间的凝聚结合成大颗粒絮凝体是一种结晶沉淀过 程。絮凝核心的形成是絮凝反应关键控制步骤，絮凝核心可由溶液中粒子自发形 成( 均相成核) 或外界投加微粒晶体( 异相成核) 。微砂强化混凝就是利用异相 成核的原理，向水中投加一种微细砂粒，人为增加絮凝反应中的核心，诱导絮凝 体沉淀的形成，进而大大加快絮凝反应速度。而且由于微砂粒具有巨大的表面积， 在适度的紊动条件下，脱稳胶体粒子频繁地与微细砂粒碰撞并吸附于砂粒表面形 成微小絮凝体。 微砂作为强化混凝的加入体同样对藻类的去除有着明显的优势。 d m a n d e r s o n 【4 2 】在自然杂志上发表的一篇文章中指出，“天然矿物混凝法是 最有希望解决水藻污染的方法之一”。其基本原理是通过矿物质和混凝剂凝聚藻 类，在沉淀过程中使藻类与水体分离，不使大量藻类进入滤池，解决滤池堵塞问 题。由于在水处理中使用的是无毒的天然矿物质，不会使水体造成二次污染。 1 4 2 微砂强化混凝工艺应用 a c t i f l o t 4 3 1 是由法国v e l i o a 集团o t v 公司在2 0 世纪9 0 年代初开发的一种 高效澄清工艺。此工艺结合了细砂“积极”絮凝和斜管沉淀工艺，利用细砂作为絮 体形成的絮核，在高分子聚合物的作用下，将絮粒或悬浮固体黏附在细砂上，可 以有效地去除浊度、色度、t o c 、藻类、隐孢子虫、铁和锰等。微砂絮凝和斜板 ( 管) 沉淀均以被o t v 公司广泛应用，这两种技术原理的相互结合大大加快了 山东建筑大学硕士学位论文 沉淀速度和减少了絮凝的时间。a c t i f l o 技术已被运用了数十年并被证明其工 艺是行之有效和可靠的，包括应用在以下这些通常被认为难于处理的特殊情况下 【4 3 】：河水由于洪水而会导致突发的浊度和悬浮物浓度的升高，这种情况会在 传统的沉淀工艺和污泥层工艺中引发问题；低温而导致的絮凝困难；原水中 有高色度和低浊度而引发的轻微絮化；藻类生长旺盛的原水。 在我国北京自来水集团采用法国o t v 先进的a c t i f l o 高效沉淀池工艺对 九厂二期a 处理浅沉淀池进行改造，处理能力由原来的2 5 万吨天到3 4 万吨 天，有稳定且良好的处理效果。 1 5 本研究的目的、意义和内容 水厂传统水处理工艺流程为常规的混凝一沉淀一过滤一消毒净化工艺。水的 混凝处理是常规给水处理系统中最常用的工艺，通常其主要作用是去除水中悬浮 颗粒和胶体颗粒，同时也可以去除水中一部分有机物，但去除有机物的效率不高 且波动范围较大。强化常规净水工艺，实现水的高效、深度处理，实现高效絮凝 一直是现代水处理技术中极具价值的研究方向。在给水处理流程中，混凝效果的 好坏直接影响着后续处理过程，如沉淀、过滤及消毒的效果，从而决定着出水水 质。虽然一直以来学术界和产业界进行了大量卓有成效的研究工作来探讨混凝机 理和效果，但由于水中污染物成分的变化，尤其是近年来水源水体的富营养化现 象不断加重，致使水体中有机物种类和数量激增以及藻类大量繁殖，以往以浊度 去除效果为主要控制指标的传统水质评价体系已不能有效保证水厂出水中有机 物的去除效果，不能满足人们对水处理安全性的需要。为保证饮用水质的安全， 并基于人们对身体健康及环境可持续性发展的要求，提高饮用水水质是一大趋 势。 虽然国内外己有不少这方面的理论研究及生产运行参数，但由于水源水质的 差别，这些研究结果并不具有“广普性”，因此还需要进一步进行研究。本课题分 别对微污染水库水进行小试和中试的强化混凝试验研究，为进一步的研究及实际 生产积累一定的经验。 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 2 1 试验材料 2 1 1 原水水质 第2 章实验方案与分析方法 表2 1鹊山水库水质 t a b 1 q u a l i t yo fq u e s h a nr e s e r v o i rw a t e r 浊度 项目水温p h 值 c o d m n ( m g l 1 )d o c ( m g l - 1 ) u v 2 5 4 c r n l n t u 数值 1 2 1 44 2 5 27 8 8 24 2 4 44 2 4 60 1 2 o 1 8 项目藻类( 1 0 6 个l 1 ) 数值7 8 2 1 2 材料与仪器 硫酸铝，三氯化铁均为分析纯；聚丙烯酰胺( p a m ) ：阳离子型微砂：石英砂， 粒径3 0 0 目 d c 一5 0 6 型实验搅拌机( 上海) ，p h s - 3 b 型精密p h 计( 上海) ，o i1 0 2 0 a 型t o c 分析仪( 美国) ，尤尼柯2 1 0 0 型分光光度计( 上海) ，s z d - 2 型智能化散射光浊度仪， x s z g 显微镜，电热恒温水浴锅，抽滤器，真空泵，电子天平。 2 2 试验测定指标及方法 2 2 1d o c t o c 采用美国o 。i 公司的1 0 2 0 a 型t o c 测定仪测定。测定前水样都经过 0 4 5 i t m 微孔纤维滤膜过滤，以去除水样中的悬浮物，避免干扰。其原理为先将 水样送入高温燃烧管，在催化剂的催化作用下使水中有机物燃烧并转化成二氧化 碳，经非色散红外检测器测定含碳量，即为总碳( t c ) 。然后将水样送入常温反 山东建筑大学硕士学位论文 应管，在磷酸酸化条件下( p h 为4 左右) 将水中无机碳全部转化为二氧化碳， 其测定结果为总无机碳( t i c ) ，t c 与t i c 之差即为t o c 。 另外，一般认为悬浮颗粒都不能通过孔径为0 4 5 1 m a 的滤膜，因此，当我们 将待测水样事先用0 4 5 1 a m 滤膜过滤后再进行以上的测定，则所得不再为t o c ， 而是能够透过0 4 5 1 a m 滤膜的那一部分有机碳即d o c 。 2 2 2u v 2 5 4 水中有机物的紫外吸光度是表示水中有机物污染情况的重要替代参数。有机 化合物对紫外的吸收与分子结构有密切关系。常见紫外光谱波长范围为： 2 0 0 n m - - 4 0 0 n m 。一般地，饱和有机物在近紫外区无吸收，含共轭双键或苯环的有 机物在紫外区有明显的吸收或特征峰，多环芳烃吸收波长向紫外区长波长方向偏 移。通过紫外吸收情况可以间接了解水质的特性和水样中有机污染物的结构变化 7 3 】。国外在许多研究中用u v 2 5 4 作为评价n o m 的一个指标。u v 2 5 4 不但与水中 有机物含量t o c 或d o c 有关，而且与色度、消毒副产物( t h m s ) 的前驱物质 有较好的相关性。 采用尤尼柯2 1 0 0 型分光光度计测定。先将0 4 5 1 x m 滤膜预先用蒸馏水 浸泡数小时，以去除其中的溶解性杂质。滤膜不应吸附试验所关注的具有紫外吸 收能力的有机物，也不应透过水中必须被去除的胶体状态的干扰物( 例如硝酸盐、 亚硝酸盐等) 。将待测水样通过此滤膜进行过滤( 如果待测水样浓度过高，则需 用蒸馏水事先稀释) ，测定滤后水样的u v 2 5 4 。测定结果采用c m 1 为单位时，用 下式计算；如采用r n 。1 为单位时，则在方程两端乘以1 0 0 。公式如下： u v 2 5 4 = a b x d ( 2 1 ) 式中：u v 2 5 4 为紫外吸光度，e m ；a 为实测的紫外吸光度；b 为比色皿光 程，c m ；d 为稀释因子，即最终水样量初始水样量。 2 2 3c o d r 化学需氧量( c o d )