（市政工程专业论文）强化混凝处理有机污染物的试验研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 水中各种有机污染物中天然有机物的含量最高，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的主要i j 体物质。去除水中天然有机物，可 以在很大程度上提高饮用水水质，保障人体健康。本文以腐殖酸配制水样和微污染水库 水为试验对象，研究了舢3 + 盐或f e 3 + 盐单独混凝、朋3 + 盐或f j + 盐+ 阳离子型p a m 强化 混凝、舢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、浊度的去除效果。 腐殖酸配制水样p h = 6 4 2 0 0 0 ，u v z s 4 = o 2 8 9 - - 0 3 1 0 e r a l ，d o c = 7 3 6 0 - 7 8 8 5 m g l ， c o d m - - 4 6 8 巧0 1 m g l 。试验表明，a 1 3 + 盐或f c 3 + 盐单独混凝时，p h 值对混凝效果的影 响很大。a 1 2 ( s 0 4 ) 3 的最佳p h 值在5 左右，f e c l 3 的最佳p h 值在3 巧之间。增大混凝剂 的投加量能很有效地提高腐殖酸的去除效果。 a p + 盐或f c “盐+ p a m 强化混凝使腐殖酸去除效果有了显著提高。与单独混凝相比， 絮体形成快，尺度大且密实，沉降快。不改变原水p h 值条件下，投加3 m g l a 1 2 ( s 0 4 ) 3 + 2 m g lp a m 时，u v 2 5 4 和c o d m 去除率分别达到7 9 6 和7 1 o ，与单独投 加3 m g l a l 2 ( s 0 4 ) 3 相比，分别提高2 1 1 和1 9 1 ；投加2 m g lf e c l 3 + 2 m g lp a m 时， u v 2 5 4 和c o d m n 去除率分别达到6 6 6 和5 8 9 ，与单独投加2 m g lf e c l 3 相比，分别 提高2 3 2 和2 0 4 。阳离子型p a m 主要起吸附架桥和电性中和的作用。它还可以通 过与带负电的溶解物进行物理化学反应，生成不溶性盐，对水中溶解物起到絮凝沉淀的 作用。 a p + 盐或f e 3 + 盐+ 微砂+ p a m 的微砂强化混凝方式进一步提高了对腐殖酸的处理效 果。投加微砂后，絮体更加密实，沉降更快。不改变原水p h 值条件下，投加3 m g l a 1 2 ( s 0 4 h + o 2 9 l 微砂+ 2 m g l p a m 时，u v 2 5 4 和c o d m 。去除率分别达到8 6 o 和7 7 3 。 2 m g lf e c l 3 + 0 3 9 l 微砂+ 2 m g lp a m 时，u v 2 5 4 和c o d u 去除率分别达到7 4 3 和 6 8 7 。投加微砂后，a 1 3 + 盐或f e “盐和腐殖酸的絮凝体被吸附到带负电的微砂颗粒上， 之后投加的p a m 靠静电吸引作用及其他特性吸附作用与微砂颗粒发生絮凝作用，絮体 通过沉淀得以去除。 当水库水水质p h = 7 1 6 0 3 9 ，浊度= 1 7 1 2 2 9 n t u ，u v 2 5 4 = 0 0 5 4 - - 0 0 6 1 c m ， c o d m 。= 4 4 2 4 5 5 m g l 时，“盐或f e “盐单独混凝，投加6 0 m g la 1 2 ( 8 0 4 ) 3 ，浊度、 山东建筑大学硕士学位论文 u v 2 5 4 和c o d m 。去除率分别为7 2 1 、3 5 0 和3 0 1 ：投加6 0 m g l f c c l 3 ，浊度、u v 2 5 4 和c o d m n 去除率分别为6 4 5 、3 5 3 和3 1 2 。 a i “盐或f e “盐+ p a m 强化混凝处理原水试验表明，投加6 0 h 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 和c o d m 。去除率分别达到7 0 3 、4 1 o 和3 9 7 ；6 0 m g l f e e l 3 + 0 3 m g l p a m 时，浊度、u v 2 5 4 和c o d m n 去除率分别达到7 3 3 、4 2 2 和3 8 5 。 a p + 盐或f e “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 3 9 l 微砂+ o 6 m g lp a m 时，浊度、u v 2 5 4 和c o d m 。的去除率分别达到 8 0 6 、4 7 5 和4 5 2 ；6 0 m g lf e c l 3 + o 3 9 l 微砂+ p a m 0 3 m g l 时，浊度、u v 2 5 4 和 c o d m 。的去除率分别达到7 3 4 、4 8 1 和4 3 6 。 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去除率，具有高效、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，a 1 2 ( s 0 4 ) 3 ，f c c l 3 ，p a m ，微砂 i l 些壅堡墨奎兰塑主兰笪笙室 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho no r g a n i cp o l l u t a n t s b ye n h a n c e dc o a g u l a t i o n z h a n gl i ( m u n i c i p a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ys u nt i e h e n g , w ud a 卿 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 s o u r c ew a t e r n o mi st h em a i nc o m p o n e n tt op r o d u c ec h r o m a t i c i t yc o l o r i ti s r e g a r d e da s d i s i n f e c t i o nb y - p r o d u c t sf o r m a t i o np o t e n t i a l r e m o v i n go r g a n i cm a t t e r sc a ni m p r o v et h e q u a l i t yo fd 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 sw e r ec a r r i e do u t t ot r e a th u m i ca c i da n dm i c r o p o l l u t e dr e s e r v o i rw a t e r t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fo r g a n i c m a t t e r sa n dt u r b i d i t yb ya d d i n ga 1 3 + o rf e 3 + 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 g a 1 3 + o ri c e “c o a g u l a n t 、m i c r o s a n da n dp a mw e r es t u d i e d h u m i c a c i d ：p h = 6 4 2 彳0 0 ，u v 2 5 4 = 0 2 8 9 4 3 3 1 0 e r a - 1 ，d o c - - - 7 3 6 0 - 7 8 8 5 m g l , c o d m n = 4 6 8 5 0 1 m g lt h er e s u l t ss h o wt h a t , p hh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to i lt h e c o a g u l a t i o ne f f i c i e n c yw h e no n l ya d da 1 3 + o rf c 3 + c o a g u l a n t t h eo p t i m a lp ht oa 1 2 ( s o 也i s5 a r o u n d ，t h eo p t i m a lp ht or e c l 3i s3 5 t h er e m o v a lr a t e so fh u m i ca c i di n c r e a s ea s c o a g u l a n td o s a g ei n c r e a s e s e n h a n c e dc o a g u l a t i o nb ya p + o ri c e 3 + c o a g u l a n ta n dp a ma d v a n c e st h er e m o v a lo f h u m i ca c i d a d d i n go fp 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 t q u i c k l y w h e na d d3 m g la 2 ( s 0 4 ) 3a n d2 m g lp a m ，r e m o v a lr a t e so fu v 2 5 4a n dc o d m na r e 7 9 6 a n d7 1 0 r e s p e c t i v e l y t h e yr i s e2 1 1 a n d1 9 1 r e s p e c t i v e l yt h a no n l ya d d i n g 3 m g la 1 2 ( s 0 4 ) 3 w h e na d d2 m g lf e e l 3a n d2 m g lp a m ，r e m o v a lr a t e so f j v 2 5 4a n d c o d m na l e6 6 6 a n d5 8 9 r e s p e c t i v e l y t h e yr i s e2 3 2 a n d2 0 4 r e s p e c t i v e l yt h a no n l y a d d i n g 2 m g lf e e l 3 t h ea c t i o n so fc a t i o n i cp a ma r ea b s o r p t i o n b r i d g ea n de l e c t r i c n e u t r a l i z a t i o n i na d d i t i o n ，p a mc a nr e a c tw i t hd i s s o l v e dm a t t e r sa n dp r o d u c ei n s o l u b l es a l t t h e yc a nb er e m o v e db ys e d i m e n t a t i o n m i c r o s a n de n h a n c e dc o a g u l a t i o ni n c r e a s e st h er e m o v a le f f i c i e n c yo fh u m i ca c i d 1 1 1 山东建筑大学硕士学位论文 a d d i n go fm i c r o s a n dm a k e sf l o e st i g h t e ra n ds e d i m e n tq u i c k l yt h a ne v e r w h e na d d3 m g l a 1 2 ( s 0 4 ) 3a n d0 2 9 lm i c r o s a n da n d2 m g lp a m ，r e m o v a lr a t e so fu v 2 5 4a n dc o d m a r e 8 6 0 a n d7 7 3 r e s p e c t i v e l y w h e na d d2 m g lf e c l 3a n d0 3 9 lm i c r o - s a n da n d2 m g l p a m ，r e m o v a lr a t e so fu v 2 5 4a n dc o d m na r e7 4 3 a n d6 8 7 r e s p e c t i v e l y f l o e sm a d eo f a 1 3 + o rf e “c o a g u l a n ta n dh u m i ca c i da r ea b s o r b e db ym i c r o s a n dw h i c hi se l e c t r o n e g a t i v e t h e np a mc o a g u l a t e sw i t hm i c r o - s a n d b ye l e c t r o s t a t i c a t t r a c t i o na n do t h e rs p e c i f i c a b s o r p t i o n f l o e sc a nb er e m o v e db ys e d i m e n t a t i o n m i c r o p o l l u t e d r e s e r v o i r w a t e r ：p h = 7 1 6 0 3 9 ，t u i b i d i t y = 1 7 l 2 2 9 n t u ， u v l s 4 = 0 0 5 4 - 0 0 6 1 c m ，c o d m n = 4 4 2 - 4 5 5 m g lw h e na d d6 0 m g la 1 2 ( s 0 4 b ，r e m o v a l r a t e so ft u r b i d i t y 、u v 2 5 4a n dc o d m na r e7 2 1 、3 5 0 a n d3 0 1 r e s p e c t i v e l y w h e na d d 6 0 m g lf e c l 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 4a n dc o d m na r e6 4 5 、3 5 3 a n d3 1 2 r e s p e c t i v e l y t e s t so fe n h a n c e dc o a g u l a t i o nb ya 1 3 + o rf e “c o a g u l a n ta n dp a ms h o wt h a t w h e na d d 6 0 m g la 1 2 ( s 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 s 4a n dc o d m na r e 7 0 3 、4 1 o a n d3 9 7 r e s p e c t i v e l y ；w h e na d d6 0 m e c lf e c l 3a n do 3 m g lp a m r e m o v a l r a t e so ft u r b i d i t y 、u v 2 5 4a n dc o d m na r e7 3 3 、4 2 2 a n d3 8 5 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 侣0 4 ba n d 0 3 9 lm i c r o - s a n da n do 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 4a n dc o d m ba r e 8 0 6 、4 7 5 a n d4 5 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 3a n d0 3 9 lm i c r o s a n da n d 0 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 s 4a n dc o d m b a r e7 3 4 、4 8 1 a n d4 3 6 r e s p e c t i v e l y 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 fr e m o v i n g o r g a n i cp o l l u t a n t s i na d d t i o n ，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 o o p e r a t e i tc a r la 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 n ，h u m i ca c i d ，o r g a n i cm a t t e r s ，a 1 2 ( s 0 4 ) 3 ，f e c l 3 ， p a m ，m i c r o s a n d 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。除丈中已经注明引用的内容外，论文中不舍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：幽 日期趁审6 1 2 兰 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，允许论文被查阅和借阅。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： 弛日期2 1 丑友2 兰 华嘲半 o 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着工农业生产的迅猛发展和城市人口的增长，我国的水污染问题越来越严重。 2 0 0 4 年全国废水排放总量为5 2 4 5 亿吨，其中工业废水排放量为2 4 3 1 亿吨，生活污水 排放量为2 8 1 4 亿吨【1 1 。大量的污废水排入水中，致使地表水体甚至一部分地下水遭到 严重污染。 世界性水污染造成的水资源短缺和“水质型”缺水已成为各国关注的问题。水源水 的污染对水质的影响造成了各种损失，对传统净水工艺提出了挑战【2 1 0 1 1 微污染水源水中的有机物 1 1 1 微污染水源水的水质特点 微污染水源水【3 , 4 1 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1 5 1 ：( 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，还会严重干扰人类和动物的生殖功能。 1 1 2 微污染水源水中有机污染物的分类 微污染水源水中的有机污染物大致可分为3 类【6 】： ( 1 ) 天然有机物( n o m ) ，包括腐殖质、生物渗出物和其它由植物组织或动物粪 便溶解于水的有机物： 山东建筑大学硕士学位论文 ( 2 ) 合成有机物( s o c s ) ，包括农药、挥发性有机物( v o c s ) 和其它由工业废 水带来的各种有机物质； ( 3 ) 在水处理过程或煮沸过程中形成或添加的化学副产物和添加剂，例如三氯甲烷 等突变物( t h m s ) 。 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( h a a s ) 等 的主要前体物质。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。本文主要以研究去除水体中的n o m 为主。水中的n o m 一 般以悬浮态、胶体和溶解态三种形式存在。悬浮态和胶体部分通常是分子量较大、溶解 度较小的部分。悬浮态有机物主要是一些有机残渣和微生物，通过一般的混凝沉淀工艺 很容易去除；胶体有机物可以通过电性中和而脱稳聚沉。两溶解性有机物分子量较小、 溶解度较大，粒径多小于0 4 5 t i n ，属于最难去除的部分。这主要是由于其具有良好的 亲水性而不易被混凝剂的水解产物所吸附。 1 1 3 腐殖质的特点及其对水质的影响 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。非腐 殖质包括可以辨认化学特性的化合物，有碳水化合物、蛋白质、肽类、氨基酸、脂肪和 色素等许多低分子有机物。一般来说这类物质易被微生物所降解，其残留是相当低的。 而腐殖质是一类酸性的、多分散的、偶然性聚合的、构造和化学特性较为复杂的天然有 机物。 水中存在的有机物以腐殖质为主，占天然有机物的5 0 一8 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。腐殖质按其在碱和酸中的溶 解度可分为三种：腐殖酸、富罩酸和腐殖素。腐殖质通常具有以下性质n ( 1 ) 具有与金属离子结合的能力。腐殖酸和富罩酸构成弱酸性聚合电解质，可通过 离子交换、络合( 螫和) 、表面吸附等作用吸引会属离子。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 十、f 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 山东建筑大学硕士学位论文 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 , u r 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。而腐殖酸和富基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。 1 2 微污染水源水处理研究现状 从2 0 世纪6 0 年代开始，美国、西欧，日本等国广泛地开展了饮用水除污染新技术 的试验研究。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：强化传统处理工艺、 预处理工艺和深度处理工艺。 1 2 1 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1 2 1 。由于该方法无需投入 大量资金，在美国被水处理工作者普遍认为是实现d d b p s 条例第一阶段目标一饮用水 中总三卤甲烷( t h m s ) _ t o 0 8 m g l ，卤乙酸( h a a s ) 卯0 6 m g l 一的最佳途型引。美国 环保局现已将强化混凝作为去除水中溶解性有机物的最佳处理技术( b a ：r ) 。 ( 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， 3 山东建筑大学硕士学位论文 达到以强化沉淀工艺处理微污染水的目的【5 l 。 ( 3 ) 强化过滤 强化过滤技术【9 i 即是在不预加氯的情况下，在滤料表面上培养繁殖微生物，利用微 生物的生理活动去除水中的有机物。强化过滤就是让滤料既能去浊，又能降解有机物、 氨氮、亚硝酸盐氮【1 0 】。常见方澍5 1 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，用以处理微污染水源水。该工艺是解决微污染水 源水质的一条新途径。强化过滤技术运行管理方面存在较大的困难。例如要控制反冲洗 强度，既能冲去污泥，又能保持一定的生物膜；要控制滤池的微环境有利于微生物的生 长【1 l l 。 1 2 2 预处理工艺 预处理通常指在常规处理工艺自 采用适当物理、化学或生物的处理方法将水中的污 染物进行初级去除的过程。预处理可伎常规处理更好地发挥作用。 ( 1 ) 化学氧化预处理 化学氧化预处理【1 2 1 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【1 3 1 、高锰酸钾【1 4 1 、过氧 化氢【1 5 l 、二氧化氯【1 6 1 等。化学氧化在给水处理中的主要作用包括：有效降低水中的有 机物含量，尤其是d o c ；提高水中有机物的可生化降解性，有利于后续处理；去除影 响给水处理中的藻类：改善混凝效果，降低混凝剂的用量：去除水中三卤甲烷i ；i 体物l ”。 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 8 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 1 9 1 、生物滤 池f m , 2 “、生物流化床【捌、生物转甜矧等。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肇，出水水质明显改善【1 8 】。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 4 山东建筑大学硕士学位论文 吸附预处理技术指利用物质的吸附性能或交换作用来去除水中污染物的方法。目前 用于水处理的吸附剂有粉末活性炭【州、沸石【矧、硅藻土1 2 6 1 、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1 2 7 1 。 1 2 3 深度处理工艺 深度处理工艺通常是指在常规处理之后用于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。 ( 1 ) 臭氧氧化 臭氧作为一种强氧化剂，不仅可用于预处理中，而且在深度处理中有更长的应用历 史。最初臭氧被用来作为消毒剂，去除水中的色度或嗅味。现在主要去除水中有机污染 物，将一些大分子有机物分解成较小中间产物。但是臭氧的氧化很难达到矿化的程度， 并且氧化成的小分子在后续过程中易形成一些有毒有害的副产物。 ( 2 ) 活性炭吸附 活性炭具有巨大的比表面积和发达的空隙，多孔结构能有效的吸附水中的小分子有 机物，脱色除臭，同时对一些有机物有较好的吸附，且吸附具有选择性。能够较好的去 除常规处理方法不能去除的一些杀虫剂，对降低水中致突变物活性有比较明显的作用。 但对一些有机氯化物、氯化致突变物质i i 体物去除效果较差，而且活性炭价格昂贵，随 着使用时日j 的延长，吸附效果会发生变化，同时要不断地进行再生或更换。 ( 3 ) 臭氧活性炭 臭氧活性炭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。该 工艺可以使活性炭的吸附作用发挥得更好。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【2 町。 当然臭氧活性炭联用技术也有其局限性1 1 8 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 山东建筑大学硕士学位论文 理，氯化后出水水质可能仍具有致突变性。 ( 4 ) 生物活性炭 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 炭的生物氧化作用闭。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f 1 8 1 。 ( 5 ) 膜过滤 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。在膜处理技术中， 微滤( m f ) 2 9 1 、超滤( u f ) 1 3 0 l 、纳滤( n f ) 3 1 1 、反渗透( r 0 ) 3 2 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。近年来，膜法在美国很受重视，特别是其对消 毒副产物的良好控制性，被e p a 推荐为最佳工艺之一。但膜处理技术要求对原水进行 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舰模推广应用， 仅少量用于特种行业的水处理中。 膜污染、膜通量和水中污染物的去除效率始终处于矛盾之中。目前膜研究的又一重 点是膜的污染问题。膜污染因素【3 3 l 主要有：水中氢氧化物、碳酸盐等的沉淀污染； 腐殖酸等天然有机物在膜表面的吸附污染；微生物在膜界面上形成的污染。膜污染常 通过反冲洗、化学清洗以及膜运行方式调整等手段来解决。相信随着清沈方式的改进， 膜价格的降低，在不久的将来，膜处理技术一定会在水处理领域得到更为广泛的应用。 ( 6 ) 光催化氧化 光催化氧化技术足以n 型半导体为催化剂的一种光催化氧化，对水中优先控制有机 6 山东建筑大学硕士学位论文 污染物( 三氯甲烷、四氯化碳、六氯苯、六六六等) 有很强的氧化能力。起光催化作用 的n 型半导体有啊0 2 、w 0 3 、f e 2 0 3 、t i 0 3 等p 4 j 。 r i 0 2 因光化学稳定性和催化活性都很 好，反应i j 后性质不变而被普遍采用。一般认为在合适的反应条件下，有机物经光催化 氧化的最终产物是c 0 2 和h 2 0 等无机物1 3 5 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i 踟。 1 3 强化混凝技术去除有机物 1 3 1 强化混凝作用机理 1 3 1 1 混凝作用机理 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。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。 ( 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p 6 , 3 7 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，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，高价态币离子通过静 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电位降低。当电位降至0 时，排斥势能 消失，称为“等电点”。压缩双电层机理可以很好地解释胶体颗粒在加入一定量的高价 反离子电解质后脱稳产生凝聚的现象，但却不能解释加入过量高价反离子电解质引起胶 体颗粒电性改变符号而重新稳定的现象，也解释不了与胶体颗粒带相同电荷的聚合物或 高分子有机物也有好的凝集效果的现象。为此，又提出了其它几种理论。 7 山东建筑大学硕士学位论文 吸附一电中和 吸附电中和是指胶体颗粒表面吸附异号离子、异号胶体颗粒或带异号电荷的高分 子，从而中和了胶体颗粒本身所带部分电荷，减少了胶体颗粒间的静电斥力，使胶体颗 粒更易于聚沉。由此可知，胶体颗粒与异号离子的作用，首先是吸附，然后才是电性中 和。可以推知，胶体颗粒表面电荷不但可能被降为零，还可能带上相反的电荷，即胶体 颗粒反号，发生再稳现象。 吸附一架桥 吸附架桥作用是指分散体系中的胶体颗粒通过吸附有机或无机高分子物质架桥连 接，凝聚为大的聚集体而脱稳聚沉。此时胶体颗粒之间并不直接接触，高分子物质在两 个胶体颗粒之间像一座桥一样把它们连接起来。值得注意的是，当高分子物质投量过多 时，胶体颗粒表面被高分子所覆盖，两个胶体颗粒接近时，受到胶粒与胶粒之间因高分 子压缩变形产生的反弹力和带电高分子之间的静电排斥力，使胶体颗粒不能凝集。 网捕一卷扫作用 网捕一卷扫作用是指投加到水中的铝盐、铁盐等混凝剂水解后形成较大量的具有三 维立体结构的水合金属氧化物沉淀，当这些水合金属氧化物体积收缩沉降时，会像多孔 的网一样，将水中胶体颗粒和悬浮浊质颗粒捕获卷扫下来。网捕卷扫作用主要是一种机 械作用，其混凝除浊效率不高，水中胶体颗粒杂质的多少决定所需混凝剂的量的多少。 水中胶体颗粒杂质少时，所需混凝剂多；水中胶体颗粒杂质多时，所需混凝剂反而较少。 混凝沉淀过程实际上是上述几种作用机理综合作用的结果，或是在特定水质条件下 某一种机理为主。此外，混凝机理不仅取决于所使用混凝剂的物化特性，而且与所处理 的水质特性，如浊度、碱度、p h 值以及水中不同无机或有机杂质有关。 ( 2 ) 絮凝机理 i i 面提到，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。要使两 个完全脱稳的胶体颗粒聚集成大的絮凝体，需要给胶体颗粒创造相互碰撞的机会。使脱 稳的胶体颗粒碰撞的动力有两个方面，一是颗粒在水中的热运动即布朗运动，二是颗粒 受外力( 水力或机械力) 推动产生的运动。这两种运动对应着胶体颗粒的两种絮凝机理。 由布朗运动引起的胶体颗粒碰撞聚集称为“异向絮凝”，由外力推动引起的胶体颗粒碰 撞聚集成为“同向絮凝”。 1 3 1 2 铝盐、铁盐的水解机理 ( 1 ) 铝盐的水解机理 8 山东建筑大学硕士学位论文 铝( i i i ) 离子在水溶液中不是以裸露的a l “形式存在，而是以6 个配位水分子的配 离子状态即a i ( h 2 0 ) 6 3 + 的形式存在，称为水合铝离子。当p h 值 7 时，它就成为铝的主要形态。到p h 值8 时，氢氧化铝又重新溶解而成为带负 电的配位阴离子。在p h 值 8 5 时，这些阴离子成为铝( ) 的主要形态。 实际上，3 + 的水解反应过程及其生成物要复杂得多。当p h 值 4 时，羟基铝离子 增多。因为这些离子中的羟基配位能力没有达到饱和，即还有剩余孤对电子，所以可与 其它离子发生架桥结合，称为羟基桥联。如果发生进一步的羟基桥联，还可以生成更高 级的多核羟基配合物。与此同时，生成的多核聚合物还会继续水解。所以水解与缩聚交 错进行，最终产生聚合度极大的中性氢氧化铝。当其数量超过其溶解度时，即析出氢氧 化铝沉淀物【3 卅。 铝水解缩聚反应及其生成物的组成取决于多种环境因素，其中最主要的是溶液p h 和o h a i 比值。根据a i f e r r o n 逐时络合比色法的测定结果，铝的水解聚合形态可大致 分为三类：即。，单体形态；a l b ，二维片状聚合形态；a i c ，三维溶胶形态。在o h a i 2 0 ) 溶液中，铝的水解优势形态以聚 合形态为主【4 2 】。因此，在特定铝浓度及o i l a 比时，三类形态具有相对不同比例的分 布关系。 ( 2 ) 铁盐的水解机理 铁盐水解与铝盐相似。铁盐溶于水后，f c 3 + 可发生强烈水解，并在水解的同时发生 各种聚合反应，生成具有较长线性结构的多核羟基络合物，如：f e 2 ( 0 h ) 2 “、f e 3 ( o h ) 4 5 + 、 f e 5 ( o h ) 9 “、f e 5 ( o h ) s 7 + 、f e 5 ( o h ) 7 s + 、f e 6 ( 0 h ) 1 2 6 + 等【4 3 1 。与铝盐不同的是，铁盐的沉淀 区域和p h 适用范围远较铝盐要广，水解产物也较少。相对铝盐，铁盐具有更强的水解、 聚合及沉淀的能力，并具有在低温下絮凝效果良好的优点1 4 4 1 。 1 3 1 3 强化混凝去除有机物的机理 9 山东建筑大学硕士学位论文 r a n d t k e 认为强化混凝去除有机物的机理主要有以下三个方面： ( 1 ) 带正电的金属离子与带负电的有机物胶体发生电中和而脱稳凝聚 ( 2 ) 金属离子与溶解性有机物分子形成不溶性复合物而沉淀； ( 3 ) 吸附于金属氢氧化物表面上的共沉作用【3 】。 1 3 。2 影响强化混凝效果的主要因素 强化混凝去除天然有机物，其去除率的大小受混凝剂的种类和性质、混凝剂的投加 量、p h 值、碱度以及原水水质等因素的影响。 ( 1 ) 混凝剂的种类 对强化混凝而言，无机混凝剂要比合成有机物混凝剂效果好 4 5 1 。通常认为合成有机 物混凝剂在天然水的混凝过程中，由于无法提供有机物的吸附位，只能产生电中和作用 参与腐植酸的沉淀，所以混凝效果很不理想。相比之下，无机混凝剂( 如铝盐、铁盐等) 既具有电性中和、形成难溶络合物，其氢氧化物又能提供表面使有机物发生吸附等优势， 所以使n o m 去除效率较高。 ( 2 ) 混凝剂投加量 混凝剂投加量的控制是絮凝的关键，它不仅决