（市政工程专业论文）气动絮凝应用于污水强化一级处理的试验及理论研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 与二级生物处理相比，强化一级处理城镇污水可以以较低的成本消减大量的污染物 质，特别适用于发展速度相对较快、污染问题比较突出的发展中国家使用。近年来，强 化一级处理技术成为国内外水处理界的一个研究热点，并随着新型、高效、廉价絮凝剂 的不断出现，在全世界范围得到了广泛的重视和应用。 将气动絮凝应用于混凝法强化城镇污水的一级处理不仅可以显著去除污水中的胶体 和悬浮物质，还可以有效提高水中的溶解氧含量，是一种具有自身特点和优势的絮凝方 式。近几年，国内外对该絮凝方式的研究较少，其控制参数差别较大，并由于对其动力 学机理研究较少，对其絮凝动力学控制参数还没有统一的认识，这为气动絮凝在实际工 程中的应用和推广带来不便。本课题是针对这些存在的问题，进行气动絮凝强化城镇污 水一级处理试验研究，通过试验室小试优化气动絮凝反应参数，并在此基础上对气动絮 凝的动力学机理做了一定的分析和讨论，以形成适合于城镇污水水质的气动絮凝公式和 相关控制参数，为提高其应用效能打下基础。 经试验研究结果表明，采用气动絮凝方式处理城镇污水的最佳投药量为 p f a c l 5 0 m g l ，p a m 0 5 m g l ：最佳投药顺序是先无机后有机：最佳反应充气量为0 5 m 3 ( 空气) m 3 ( 污水) ；在一定的充气强度范围( 3 1 4 x 1 0 3 c c c c m i n 7 4 1 x 1 0 3 c c c c m i n ) 内， 能达到较佳处理效果的充气强度应大于5 8 i x l 0 3 c c ( c c m i n ) ，充气时间应小于9 m i n 等关 键参数；并在优化参数的基础上，对不同水质污水( 校区污水和城镇污水) 的处理效果进 行了对比，结果显示气动絮凝更适合处理污染物质含量较低的城镇污水；通过测定气动 絮凝方式对氮、磷的去除效果，认为该工艺除磷效果较好，对氮去除效果不佳；同时气 动絮凝对提高污水的溶解氧含量效果非常明显，能使强化一级处理出水水质中溶解氧含 量保持在较高的水平上，是该方式优于机械絮凝和水力絮凝的一大特点。 同时，本课题对气动絮凝进行了一定深度的机理分析，认为气动絮凝作为一种特殊 的絮凝搅拌方式，其絮凝过程存在固液气三相的相互作用，其絮体的形成与破坏与三 相相互作用力密切相关，并对污染物的去处效果产生直接影响。同时，考虑到气泡在絮 山东建筑大学硕士学位论文 凝搅拌过程中的双重作用，认为以充气强度作为气动絮凝过程控制参数较为合理，并在 分析讨论s k 公式的基础上，提出气动絮凝的充气强度与污染物去除率之间的线性关系， 形成了一个初步的改进公式： i n ( 1 _ r ) = 一k ( q ) i 一蜀 式中：r 污染物的百分去除率； 口充气强度，单位c c ( c c m i n ) ； k 斜率，与水质有直接关系，在本课题中经试验测定为7 9 ； 墨截距，与水质和沉淀时间有关，在沉淀3 0 m i n 、6 0 m i n 、9 0 r a i n 时的对应值 分别为0 1 6 、0 1 2 、0 0 8 ： 该公式为对今后气动絮凝参数的确定及控制指标的衡量起到了一定的指导意义，为气动 絮凝理论的深入研究开阔了思路。 本课题对气动絮凝应用于污水强化一级处理进行了试验和理论研究，对气动絮凝动 力学机理的进一步讨论分析，丰富了气动絮凝动力学基础理论，同时优化了气动絮凝相 关工艺参数，为气动絮凝在污水强化一级处理中的应用做出了一定的科学贡献。 关键词：气动絮凝强化一级处理城镇污水试验研究动力学理论 1 1 山东建筑大学硕士学位论文 e x p e r i m e n ta n dt h e o r yr e s e a r c ho nt h ep n e u m a t i cf l o c c u l a t i o n a p p l i e di ne n h a n c i n gp r i m a r yt r e a t m e n tf o rw a s t e w a t e r l i nz h e n g ( m u n i c i p a le n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db yw a n glo n g a b s t r a c t e n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n t ，c o m p a r e dw i t h b i o l o g i c a lt r e a t m e n t ，i se x c e l l e n ti n r e d u c i n gm o r ep o l l u t a n t sw i t hl o w e rc o s t t h i sf e a t u r em a k e si tb ee s p e c i a l l ys u i t a b l ef o r d e v e l o p i n gc o u n t r i e sw h i c hh a v ef a s t e rd e v e l o p m e n ta n dh e a v i e rc o n t a m i n a t i o n s i nr e c e n t y e a r s ，e n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n th a sb e e nav e r y h o tr e s e a r c hs p o ti nt h ew a s t e w a t e r t r e a t m e n tf i e l d si na n da b r o a dt h ec o u n t r y a n da l o n gw i t hm o r ea n dm o r en e w , h i g i i l y e f f e c t i v ea n di n e x p e n s i v ef l o c c u l a n t s a p p e a r a n c e ，i tw i l lr e c e i v ew o r l d w i d ev a l u ea n d a p p l i a n c e 。 p n e u m a t i cf l o c c u l a t i o ni sas p e c i a lk i n d o ff l o c c u l a t i o np r o c e s sw h i c hh a si t so w n c h a r a c t e r sa n da d v a n t a g e si nm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t i tc a nn o to n l yb ea b l et o e n h a n c et h er e m o v a lr a t eo ft h ec o l l o i d sa n dt h es u s p e n d e ds u b s t a n c e sb u ta l s oi n c r e a s et h e d i s s o l v e do x y g e ni nw a s t e w a t e r i nr e c e n ty e a r s ，t h e r e r ef e wo ft h er e s e a r c hp a y i n ga t t e n t i o n o ni t ，s ot h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sw h i c ha r ee x i s t e da r ed i f f e r e n tal o t s i n c et h et h e o r e t i c a l r e s e a r c hh a sn o tb e e nc o m p l e t e d ，t h e r e r en ou n i f o r mc o n t r o lp a r a m e t e r so fp n e u m m i c f l o c c u l a t i o n ，w h i c hm a k e sm a n yd i s a d v a n t a g e si nu s i n ga n dr e s e a r c h i n gi t t h e r e f o r e ，t h ea i m o fm yr e s e a r c hi sf r s tt oc h e c kt h ev i a b i l i t yo fp n e u m a t i cf l o c c u l a t i o n , t oo p t i m i z et h e o p t i m u md o s a g eo ft h ep n e u m a t i cf l o c c u l a t i o na n dt h eo p t i m u ma i rl o a d i n g ，t ov e r i f yt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep n e u m a t i cf l o c c u l a t i o n ，a n dt h e nt oe v a l u a t et h ee f f i c i e n c yo ft h e p o l l u t a n t sr e m o v a lr a t ea n dt h em o d i f i e dm a t h e m a t i cm o d e l a c c o r d i n gt om yr e s e a r c h ，b o t h t h et h e o r e t i c a lm o d a la n dt h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sc a nb eb a s i c a l l yu s e di np r a c t i c e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h ，t h e r e r e4i n d i c a t o r sh a v eb e e nd e c i d e d t h e y r e i i i 山东建筑大学硕士学位论文 t h eo p t i m i z e dd o s a g eo fp f a ca n dp a mw h i c hi sd e t e c t e d 弱1 5 0 m g la n d0 5 m g l , t h e o p t i m i z e dd o s i n go r d e ri si n o r g a n i cf i r s t ，t h eo p t i m i z e da i rf l o wr a t ei s 0 5m 3 ( a i 0 m 3 ( w a t e r ) , t h eo p t i m i z e da e r a t i o ni n t e n s i t y ( b e t w e e n3 1 4 x l o c c c c m i n 7 4 1 x l o c c c c m i n ) i sa l w a y s h i g h e rt h a n5 8 1 x 1 0 3 c c c c m i na n dt h eo p t i m i z e dr e a c t i o nt i m ei sl o w e rt h a n9 m i n b a s e do n t h e s eo p t i m i z e dp a r a m e t e r s ，t h eo t h e rk i n do fw a s t e w a t e rh a db e e nu s e dt oc o m p a r et h e r e m o v a le f f e c to ft h ep o l l u t a n t s i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tp n e u m a t i cf l o c c u l a t i o ni sm o r es u i t a b l e i nd e a l i n gw i t hm u n i c i p a lw a s t e w a t e r a n dt h ee f f e c to ft h er e m o v a lr a t eo ft pi sh i g h e rw h e n i t sc o m p a r e dw i t ht h er e m o v a lr a t eo ft n f i n a l l y , t h ee f f e c to ft h ei n c r e a s ei nt h ea m o u n to f d oi sr e m a r k a b l ew h i c hi sa i lo b v i o u s l yc h a r a c t e rc o m p a r e dw i t hm e c h a n i c a la n dh y d r a u l i c f l o c c u l a t i o n m e a n w h i l e ，f u r t h e ra n a l y s e sh a db e e nm a d et oi m p r o v et h ek i n e t i c st h e o r y a sas p e c i a l k i n do ff l o c c u l a t i o na n da g i t a t i o np r o c e s s ，t h r e e p h a s ei n t e r - r e a c t i o no fg a s l i q u i ds o l i d c e r t a i n l ye x i s t s t h ef o r ma n db r e a ko ft h ef l o e sa r ec l o s e l yr e l a t e dt oi t a n di ti sc e r t a i nt o h a v ed i r e c ta f f e c to nr e m o v a lr a t eo ft h ep o l l u t a n t s a n dt h e n ，a c c o u n tf o rt h ed u a lr o l eo ft h e b u b b l e sc r e a t e di nf l o c c u l a t i o np r o c e s s ，i ti sa c c e p t e dt h a ta e r a t i o ni n t e n s i t yi sas u i t a b l e c o n t r o lp a r a m e t e ri np n e u m a t i cf l o c c u l a t i o n a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h ee x i s t e dp r o b l e m so f s ke q u a t i o n t h e r e r es o m ec o n c l u s i o n sh a v ec o m eu p t h el i n e a r i t yr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p o l l u t a n t sr e m o v a lr a t ea n dt h ea e r a t i o ni n t e n s i t yh a sb e e na f f i r m e d ，w h i c hf o r m sap r i m a r y e q u a t i o n ： l n o - - r ) ；一k t ( q ) ：一k 。 r p e r c e n t a g er e m o v a lr a t eo ft h ep o l l u t a n t s ； q a c r a t i o ni n t e n s i t y ，c c ( c c m i n ) ： k s l o p e ，c l o s e l yt ot h ew a s t e w a t e rq u a l i t ya n d i nt h i sr e s e a r c hi s7 9 ； k l i n t e r c e p t ，c l o s e l yt ot h ew a s t e w a t e rq u a l i t ya n ds e d i m e n t a t i o nt i m e ，w h e nt h e s e d i m e n t a t i o nt i m ei s3 0 m i n 、6 0 m i n 、9 0 m i n ，k li sr e s p e c t i v e l ya s o 1 6 、 一o 1 2 、- 0 0 8 ： l v 山东建筑大学硕士学位论文 t h i se q u a t i o nc a np l a yas i g n i f i c a n tr o l ea n di m p o r t a n tg u i d a n c ei n m e a s u r i n gt h e p a r a m e t e r so ft h ep n e u m a t i cf l o c c u l a t i o n ，a n dm a k ea no p e ne y et ot h ef u r t h e rr e s e a r c h t h i ss u b j e c th a sb e e nd e e p l yr e s e a r c h e do nt h ep n e u m m i cf l o c c u l a t i o ni ne x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a la s p e c t s f u r t h e rr e s e a r c hh a sb e e nd o n et ot h ek i n e t i cm e c h a n i s m ，w h i c hc a n e n r i c ht h eb a s i ct h e o r yo ft h ep n e u m a t i cf l o c c u l m i o n a tt h es a m et i m e ，r e l i e dp a r a m e t e r s h a v e b e e no p t i m i z e d a l lo ft h e s eh a v em a d ec e r t a i nc o n t r i b u t i o n st ot h e p n e u m a t i c f l o c c u l a t i o n sa p p l i c a t i o ni ne n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n tf o rw a s t e w a t e r k e yw o r d s ：p n e u m a t i cf l o c c u l a t i o n ，e n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n t ，m u n i c i p a l w a s t c w a t c r , e x p e r i m e n tr e s e a r c h ，k i n e t i c st h e o r y 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。除丈中已经注明引用的内容外，论文中不合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。对本文的研究做出重要贡献的个人扣集体，均已在丈中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学住论文作者签名： 碑日期犁 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： 日期递 ：么 啪犁 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 我国污水处理现状 第1 章绪论 随着工业化进程的加快，我国水环境污染正在加重，七大河流流域中一半以上都属 于污染较重的v 类和超v 类水质。城镇污水处理是水环境污染控制的一个重要内容。发 达国家的城市二级污水处理厂相当普及，处理率可达9 0 或更高。由于经济的原因，发 展中国家的城镇污水处理率较低，由此引起的城镇水环境污染也较为严重。到2 0 0 5 年底， 我国已建成的污水处理厂有7 9 1 座1 1 i ，按其污水日处理能力来算，平均污水处理率在5 2 左右，但由于运行费用较高，配套管网建设不健全等原因，实际处理率远达不到这一数 值，再加上很多地区和城镇缺少污水处理设施的建设，大量污水不加处理直接排放，进 一步恶化了水源水质，使我国的水污染问题日渐突出。水污染问题的加剧不仅限制了经 济活动的发展，还直接导致人居环境质量的下降和与水有关的各种项目的开发，已成为 制约我国社会、经济发展的重要因素。 1 1 1 我国城镇污水处理现状 随着城市化进程的加快和水污染问题日益受到重视，污水处理厂建设日益增多，仅 2 0 0 0 年到2 0 0 5 年间新建成的污水处理厂的日处理能力就达到建国后5 0 年建设总量的两 倍。为使我国水环境质量得到根本改善，从整体上控制城镇污水污染，国家规划到2 0 1 0 年全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不低于5 0 ，设市城市的污水处理率不低于 6 0 ，重点城市的污水处理率不低于7 0 i 甜。但目前我国城镇污水处理还处于较低的水平， 大量污水未经处理直接外排，严重影响我们周围的水体环境，造成了水污染问题的进一 步加剧，提高城镇污水处理率已成为当务之急。 然而，多年来我国的污水处理行业困难重重、任重道远，其中存在多方面的原因： 其一是我国已建成的污水处理厂中大多采用二级生化处理工艺，普遍采用活性污泥法、 氧化沟、s b r 等，与发达国家采用的技术及工艺水平相当，能耗大，运行费用高，与我 山东建筑大学硕士学位论文 国经济实力和发展水平很不相称，以致部分二级处理厂处于停运转或半运转状态，收不 到很好的环境效益和社会效益。其二是污水管网的建设没有得到相应的重视，以致配套 设施跟不上，所以污水的实际处理率不高，已建成的污水处理厂中有4 0 以上的污水处 理能力被闲置，使国家大量的投资得不到有效的回报。另外，截至2 0 0 5 年6 月在我国 6 6 1 座设市城市中，还有2 9 7 座城市没有建成污水处理厂，其中地级以上城市6 3 座；5 0 万人口以上城市8 座；位于重点流域、区域，“十五”规划范围内的城市5 4 座。这些城 市的污水不加处理就任意排放，不仅加快了城镇水环境污染的速度，而且影响涉及范围 广泛，严重制约了社会、经济的可持续发展。 为了应对不断出现的水污染问题，使污水得到及时有效的处理，需要针对不同的水 质污染情况采取适当的处理工艺，以缓解我国资金不足与水污染恶化之间的矛盾，实现 经济和环境的可持续发展战略。对于很多地区和城镇而言，当前首要解决的不完全是治 理深度的问题，而是治理与否的问题，而解决此问题的当务之急是提出投资较低而对污 染物去除率较高的新型工艺p 一。 1 1 2 我国城镇污水的可处理性评价 城镇污水是通过下水管道收集到的各种生活污水、工业废水和城市融雪、降雨水的 混合水，因此各城镇之间的污水水质存在一定差异，主要决定于工业废水所占比例的影 响，也受到城镇规模、居民生活习惯、气候条件及下水道系统形式等因素的影响。 我国的城镇污水多为低浓度污水，特别是降雨量较大的地区和季节，污水处理厂的 初沉池前污水s s 、c o d c r 等指标都接近一级或二级排放标准。且相关文献资料显示【5 】， 城镇污水中很大一部分污染物是以非溶解态存在，污水中的悬浮物质和胶体能占总物质 的6 0 以上。因此在生化处理i i 对该部分不溶性物质采用强化一级处理技术来强化固液 分离可以有效的降低污水厂的运行成本，如果运行管理良好，还可能使污水直接达标排 放。另外，强化一级处理技术还可以改善进入二级处理阶段的水质成分分布，减小生物 处理过程的有机负荷，加快生物处理过程中大分子吸附、降解的速度，缩小二级处理构 筑物的占地面积及增大二级处理量，可谓一举多得。 2 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 污水强化一级处理技术的应用与发展 强化一级处理是在普通一级处理的基础上，采取强化处理措施来达到消减污染负荷 的目的。它能够以较少的投资，较大程度地提高污染物的去除率，以达到降低处理单位 污染物质费用的目的，非常适合于水环境状况不佳且经济欠发达地区使用，是一种高效 而低投入的新型技术，有着较高的实用价值和良好的应用前景。 1 2 1 强化一级处理技术的发展现状 目前研究较多的强化一级处理工艺有：水解强化一级处理工艺、预曝气强化一级处 理工艺、生物絮凝吸附强化一级处理工艺、化学强化一级处理工艺( c e p d 等【6 1 。 水解强化一级处理工艺是将初沉池改造成一个厌氧发酵池，利用水解产酸菌将污水 中的不易溶解的大颗粒有机物水解成溶解性的小分子有机物，从而大大提高污水的可生 化性。它能比常规一级处理对污水b o d 5 、s s 的去除率提高1 0 和3 0 左右，但由于出 水中溶解性营养物质较多且水质处于厌氧环境，因此该工艺很难使水质达标排放，且当 后续处理采用好氧工艺时能耗过大。 预曝气强化一级处理工艺是在沉淀池前设预曝气段，通过预曝气改善悬浮物质的沉 淀性能，促使悬浮物相互碰撞产生絮凝。有资料显示预曝气工艺对污水的强化沉淀效果 并不明显，一般只能提高5 左右，出水水质同样很难达到二级排放的标准。 生物絮凝吸附强化一级处理工艺是利用活性污泥的絮凝吸附作用来提高沉淀池对污 水中非溶解性有机物的去除率。其去除机理既有物理吸附、化学吸附和生物吸附作用， 又有吸附架桥、沉淀网捕等絮凝作用，同时还进行着一定量的生物降解，强化效果较为 明显，是目前研究较多的强化一级处理工艺之一。其缺点是构筑物和设备较多，不适宜 普通污水厂的改造，仅适用于新建的污水厂。 化学强化一级处理工艺( c e p t ) 是利用了给水处理中混凝沉淀原理，通过投加混凝药 剂使悬浮物质脱稳，聚集成较大的颗粒，从而提高沉淀效率。化学强化一级处理工艺对 污水的强化沉淀效果明显，处理水质可接近或达到二级排放标准。特别是近年来，随着 3 山东建筑大学硕士学位论文 化工工业的迅速发展，新型、高效、廉价的絮凝剂不断出现，化学强化工艺在世界范围 内得到了普遍的重视，很有发展前途和应用前景。 1 2 2c e p t 技术理论基础及工艺构成 c e p t 工艺的原理与给水中的混凝沉淀原理相同，通过投加絮凝剂，使微小的悬浮 固体、胶体颗粒脱稳、聚集形成较大的颗粒，从而提高沉淀效率。其作用机理有压缩双 电层、吸附电中和、吸附架桥、网捕卷扫四种。在整个工艺中，四种杌理相互影响，共 同发挥作用。 1 ) 压缩双电层理论 根据d 【o 理论，当两个胶体颗粒相互接近至双电层发生重合时，两胶粒之间相互 产生静电斥力。同时，由于还存在范德华引力，两胶粒能否凝聚，取决于这两个力的共 同作用结果。当向水中投加与胶粒电荷相反的电解质时，扩散层厚度降低，电位相应 降低因而相互之间的斥力降低，二者的合力可以由原先斥力为主转变成以引力为主，水 中的胶体颗粒就得到迅速凝聚，即絮凝剂的投加促进了上述这一过程的进行。 2 ) 吸附电中和 也有人认为，当向水中投加絮凝剂时，其水解产生大量带正电的胶体粒子，能与水 中的原有胶体粒子相互吸引，产生电中和，使水中原有胶体物质失去稳定性而凝聚。但 该理论无法解释在投加大量絮凝剂时胶体再稳现象。 3 ) 吸附架桥 主要是指高分子物质与胶粒的吸附、桥连作用。由于高分子物质具有线性结构，含 有某些化学基团和长键分子，能在胶粒表面产生特殊反应而产生强力的吸附，可以使污 泥颗粒、胶体颗粒之间产生“架桥”作用，破坏了胶体系统的稳定性从而形成具有网状 结构的较大的絮凝体。但当高分子物质投量过多时，将产生胶体保护作用，过少则产生 的架桥作用不明显。因此，高分子絮凝荆的投加存在最佳投药量。 4 ) 网捕卷扫 在絮凝过程中产生了大量的絮凝污泥，这些污泥沉淀的过程中可以通过网捕、卷扫 4 山东建筑大学硕士学位论文 等机碱作用截留大量细小絮粒，加强絮凝沉淀对污染物质的去除效果。 化学强化一级处理工艺非常简单( 见图1 1 ) ，由混合池和絮凝反应池组成。城镇污 水经过格栅后进入混合池，向混合池中投加无机混凝剂，在一定的搅拌方式下使污水中 的悬浮和胶体态物质与混凝剂作用发生脱稳、聚集。在污水进入絮凝反应池之前加入有 机高分子絮凝剂，通过压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥和网捕卷扫等交叉作用产生 絮凝污泥，进而沉淀去除，以达到强化混凝去除效率的目的。 进水 絮 凝 剂噍 图1 1 化学强化一级处理( c e p r i ) 工艺流程图 1 2 3c e p t 技术的影响因素 1 ) 温度的影响： 水的温度是絮凝反应、絮体成长、沉降分离等过程的重要控制因素。但水温过高或 过低都会对絮凝作用产生不利影响。温度过低，水的黏度增大，从而增加水对絮凝体的 剪切作用，使絮体变得细小，不易分离；水温过高，化学反应速度加快，形成的絮凝体 细小并使其水和作用增加，导致污泥含水量高，体积大，难以处理。因此，应用中应根 据所用絮凝剂和处理废水的实际情况选择合适的温度。 2 ) p h 的影响： 水的p h 值对絮凝作用也有很大的影响。p h 值对胶体颗粒表面的电荷( 电位) 、絮 凝剂的性质和作用以及絮凝作用本身都有很大的影响。一般情况下，阳离子型絮凝剂适 合于在酸性和中性的p h 环境中使用。阴离子型絮凝剂适合于在中性和碱性的环境中使 用。非离子型的絮凝剂则适合于从强酸性到碱性的环境中使用。另外，水体的p h 值也 5 山东建筑大学硕士学位论文 直接影响到絮凝剂的用量。 3 ) 絮凝剂的性质和结构的影响： 对于高分子絮凝剂，聚合度越大，则其电中和能力和吸附架桥功能越强；线性结构 的絮凝剂，其絮凝作用要比环状或支链结构的絮凝剂的絮凝效果好。 4 ) 絮凝剂投加量的影响： 大量实验研究表明，各种絮凝剂都有在相应条件下的最佳投加量，用量不足时，絮 凝作用不彻底；过量则会导致“再稳”现象。絮凝剂的投加量，受水体中各种因素的影 响，不同的水体有不同的值，而必须在使用前，通过试验来确定。 ， 5 ) 水力条件的影响： 为了加快絮凝剂在水体中的扩散和增加颗粒的碰撞速率，选择合适的水力条件非常 重要。对水体进行搅拌的方式有三种：机械搅拌、水力搅拌、气动搅拌。在给水常规处 理和化学强化一级处理中，较常使用的是机械搅拌和水力搅拌，这两种搅拌方式的强度 可以通过烧杯试验来进行测定。气动搅拌常用于生物处理中，但本课题将对此搅拌方式 应用于化学强化处理中的可行性进行试验研究和理论分析。 6 ) 原水成分的影响： 化学强化一级处理工艺只去除原水中的不溶性悬浮颗粒和胶体，因此原水中非溶解 性物质与溶解性物质的比值决定了该工艺强化处理污水效果的优劣。在城镇污水中，由 于污水来源比较稳定，且非溶解性物质大约在6 5 1 5 1 ，因此比较适合采用化学强化处理 工艺。 1 2 4c e p t 技术在国内外的应用 化学强化一级处理固液分离效果好，其基建费用和年运转费用只有生物处理的一半 左右，能耗约为生物处理的1 3 1 4 1 引，因此该工艺在国内外城市、生活污水和各种工 业废水处理中得到了广泛的应用。世界银行的两位科学家在2 0 0 4 年5 月的一份报告中指 出，化学强化一级处理( c e p d 工艺足目前适用于发展中国家污水处理的最有效方法用。 化学强化一级处理工艺首次应用足在加拿大的几个污水处理厂，1 9 世纪8 0 年代早 6 山东建筑大学硕士学位论文 期，这些污水处理厂为了减轻北美五大湖水体的富营养化趋势【科，采用了加药混凝的方 法。1 9 8 5 年，美加州改造了四座因超负荷运行而出水不达标的二级污水厂，采用c e p t 工艺后，去除率明显提高l g l 。此后，墨西哥1 1 0 1 、巴西【1 1 1 等国家都采用c e p t 工艺处理水 体富营养化问题，挪威、瑞典、芬兰1 1 2 1 3 l 等国采用c e l t 工艺解决寒冷地区生物处理不 能正常运行的问题，均得到了很好的运行效果。 在我国，该技术已有不少成功应用于低浓度城市污水1 1 4 j 、纳污河道以及富营养化河 水【1 5 , 1 6 1 的例子。1 9 9 7 年，中国香港建成了世界上最大的化学强化一级处理污水厂昂 船洲污水处理厂【r 丌，日处理规模达1 1 5 万m 3 d ，处理效果良好。另外，c e p t 工艺还可 ， 与其它物理化学工艺相配合，处理造纸废水、含油废水、制革废水等各种工业污水和难 降解废水。现在国内外研究和应用c e p t 工艺的国家很多，如：美国、加拿大、法国、 j 挪威、瑞典、芬兰、墨西哥、巴西、中国等【1 8 ，1 9 1 ，受到了世界的普遍关注。 1 3 气动絮凝课题的提出 目前，对c e p t 工艺的研究多集中在对絮凝剂的开发和利用以及对c e p t 污泥的处 理与处置上。很少有研究者对c e p t 工艺中的絮凝搅拌方式做进一步研究。然而，高效 的絮凝方式也是化学强化一级处理工艺中一个十分重要的环节，它不仅对加快絮凝剂在 水体中的扩散和增加颗粒的碰撞速率产生影响，还直接影响絮体沉淀分离的效果和处理 水的水质状况。 搅拌效率与所选的搅拌方式有直接关系，国内外较常采用的是机械絮凝和水力絮凝， 这两种絮凝方式的动力学机理研究已相对成熟，技术也比较稳定，值得注意的是机械絮 凝所需搅拌设备运行维护较为复杂，水力絮凝所需构筑物占地庞大，且一旦建成，不易 根据水质水量的变化予以调节。因此有研究者提出了另一种絮凝方式气动絮凝。目前 尚在研究阶段，还未有实际应用实例，但具有较大的研究前景。 气动絮凝是将压缩空气通过一个微孔扩散装置进入处理水中，通过气泡在上升过程 中产生的摩擦力和由密度差所形成的水流动力作为絮凝搅拌动力，促使颗粒之问产生碰 撞进而絮凝的过程。 7 山东建筑大学硕士学位论文 1 3 1 课题的研究意义 早在上个世纪8 0 年代，a i h i a r y f 冽就进行过气动絮凝研究：1 9 9 5 年，k a z i l 2 1 】建立了 一个气动絮凝反应模型，对这一絮凝方式在污水处理中的效果进行了试验性研究并结合 絮凝动力学相关理论成果初步总结建立了气动絮凝动力学模型1 2 2 2 3 1 。此后，国内也有少 数研究者对这一絮凝方式进行试验探讨，如姜应和【2 4 1 和张海丰【2 5 1 等。其研究成果均肯定 了这种絮凝方式的促絮凝作用和良好的搅拌效果。但目前，其理论研究仍停留在较简单 的水平上，国内外的应用报道也比较少，更没有把这一絮凝方式独立应用于生产。 由于对气动絮凝的理论研究不足，在应用中，人们对控制絮凝效果的各项因素的认 识各有不同，得到的优化参数差别较大。而且因为控制水力搅拌和机械搅拌混凝效果的 动力学研究发展已较为成熟，人们对通过烧杯搅拌试验确定的g 值和g t 值作为混凝动 力学控制指标已广泛接受，所以在研究气动絮凝过程中存在沿用烧杯搅拌试验确定的控 制指标指导气动絮凝过程的情况。但由于气动絮凝的搅拌动力与水力、机械搅拌动力有 所不同，在应用气动絮凝强化污水的一级处理时，机械搅拌下的烧杯试验结果往往与该 工艺的实际工程应用相差较大，势必对进一步的研究和生产性应用产生不利的影响。总 之，深入研究气动絮凝这一特殊的絮凝方式并确定其在强化污水一级处理中的各项运行 参数有重要的现实意义和应用价值。 1 3 2 气动絮凝方式研究进展 气动絮凝利用压缩空气在水中的自由释放产生的动力搅动水体，使颗粒之间产生相 互碰撞。由于这种搅拌方式是固一液一气三相相互作用的结果，且强化了气体对一级处 理的作用，因此它具有重要特性，为强化一级处理刀= 辟了一个新的技术内容。然而近年 来，对气动絮凝的研究还比较少，对其报道也多停留在小试阶段，影响恢方式絮凝效果 的各种因素( 充气量、充气时间，絮体性质等) 还没有统一的认识，也没有一个像其它絮 凝方式那样可以用来指导和评价的控制指标。s h o l j i 、k a z i 等人在对筛分粘土、高岭土、 p v c 、石松粉等颗粒造成的浊度进行气动絮凝试验研究的过程中总结得出了一个适用于 8 山东建筑大学硕士学位论文 当时试验环境条件下的气动絮凝动力学模型( s k 公式) ，该模型可以很好的模拟充气量在 一个较小范围内的气动絮凝效果，但由于试验本身的局限性，该模型没有得到进一步的 证实和推广。姜应和等人在气动絮凝模型装置中对筛分粘土配制的低浊度水进行强化混 凝，得到了去除污水中的胶体、悬浮物的良好絮凝效果。张海丰等人还比较了压缩空气 搅拌方式与机械搅拌方式对絮凝效果的不同影响。认为气动絮凝不但具有良好的搅拌效 果，在混凝时间和药剂投加量上也有明显的优势。 在处理城镇污水中，还有不少把气动絮凝应用于化学一生物联合絮凝工艺中的例子。 例如张志斌【2 6 l 在化学一生物絮凝工艺处理城镇污水的试验中利用穿孔管和微孔曝气头 输入压缩空气对混合、絮凝各阶段进行搅拌，通过调整充气量来控制反应速度，得到了 很好的絮凝效果。 由此可知，目前对气动絮凝的研究尚停留在试验室人工配置污水的水平上，还未有 利用城镇污水进行试验的相关报道，并且由于对气动絮凝的理论研究不足，人们对控制 絮凝效果的各项因素的认识各有不同，得到的优化参数差别较大，也缺少对各项优化参 数的分析和比较。对可以进行试验指导的气动絮凝动力学模型的建立还不够完善，值得 讨论和进一步修改的地方较多。 1 3 3 课题的研究内容 本课题将根据i j 人的研究成果，针对气动絮凝在理论和试验研究中的不足，进一步 探讨该絮凝方式在强化城镇污水一级处理中的理论和应用研究。具体的研究内容如下： 1 ) 气动絮凝参数优化 将研究不同水质( 城镇污水和校区污水) 情况下，气动絮凝反应方式对污水中的浊 度、c o d c r 、d o 、t p ，t n 等指标的处理效果，通过气动絮凝反应柱试验，确定气动絮 凝的最佳充气量、充气时间、药剂投加量和投加顺序等关键参数，并对其絮凝效果做出 相关评价。 2 ) 气动絮凝动力学理论分析和改进 对试验数据进行处理和分析的基础上，结合混凝动力学理论及其研究进展，对气动 9 山东建筑大学硕士学位论文 絮凝的固一液一气三相作用机理和s k 公式进行分析、修改。并尝试比较和验证s k 公 式在城镇污水中的适用程度，为该公式在城镇污水中的合理应用提供一定的理论分析思 路和方向。 1 4 本章小结 本章对我国城镇污水处理现状和适用于城镇污水水质的强化一级处理技术进行了分 析和讨论，明确了一下几点内容： 1 ) 强化一级处理技术是适用于我国经济状况并能有效去除污染物质，降低运行成本 的技术手段。 2 ) 化学强化一级处理工艺是各种强化一级处理工艺中运行管理最为方便，也更适合 对原有污水厂进行改造的工艺，它在全世界范围受到的广泛关注和应用说明了它的利用 价值。目前对该工艺的理论研究已经较为深入，对该工艺絮凝方式的研究和与其它工艺 方式的组合和改良是推动该工艺应用和发展的合理方向。 3 ) 气动絮凝作为化学强化一级处理工艺中一种特殊的搅拌絮凝方式，其作用机理和 试验研究尚存在问题和不足，有广阔的研究前景。研究该絮凝方式对我国城镇污水的强 化一级处理提供了一种新的解决思路，具有重要的现实意义和参考价值。 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 2 1 技术路线 第2 章气动絮凝课题研究方案 提高絮凝反应的效率是强化城镇污水一级处理中的一个重要环节。气动絮凝作为一 种十分特殊的絮凝强化方式，具有很大的研究潜力。目l j ，气动絮凝在国内还没有成功 应用的实例，也没有利用城镇污水进行试验室小试的前例。为了测定气动絮凝在城镇污 水中的强化处理效果，本课题首先进行一定量的小试，并从中获得一部分可以用于理论 研究和向实际应用提供参考价值的优化反应参数。 针对前人在气动絮凝理论和试验研究上取得的进展和有待解决的问题，本课题制定 了以下研究步骤： 1 ) 分析原水水质。每次试验前取水样进行分析测定，根据试验需要，有选择的测定 原水的水温、p h 值、浊度、d o 、c o d c r 、t p 、t n 等指标。 2 ) 确定最佳投药量和投药顺序试验。根据相关文献阱2 2 l ，初步设定气动絮凝的混 合时间是1 r a i n ，混合时的充气量为1 2 m 3 h ；絮凝分三个阶段，时间设定为2 m i n 、3 r a i n 、 4 r a i n ，充气量依次渐减，分别取o 1 6 m 3 h 、0 1 2 m 3 h 、0 0 8 m 3 h ，进行气动絮凝试验，每 次运行分别调整絮凝剂聚合氯化铁铝和助凝剂聚丙烯酰胺的投药量和投药先后顺序，以 浊度和c o d c r 为控制指标，取沉淀3 0 r a i n 后的处理水测定其去除率，确定这两种药剂复 配使用时的最佳投药量和投药顺序。 3 ) 确定最佳充