（市政工程专业论文）微涡旋水力澄清器去除氨氮的试验研究.pdf

摘要 鉴于亚硝酸盐和硝酸盐的毒性以及我国地表水和地下水的氮污染特点，饮用水中三 氮污染问题已成为一个值得关注的问题，因此，我国及世界上许多国家在饮用水标准中 对三氮含量都有严格的限制。我国2 0 0 7 年7 月1 日起实施的饮用水水质标准即国家标 准生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 - - 2 0 0 6 ) 加强了对水质有机物、微生物和水质消毒 等方面的要求，实现了与国际发达国家的饮用水水质标准的全面接轨。 本文就是通过强化混凝沉淀处理微污染水源水，结合涡流扩散、泥渣悬浮层、翼片 隔板理论以及物料衡算方程设计了微涡旋水力澄清器模型，并用沪河泥沙和市政管网自 来水配制成试验用原水，结合三种常用药剂( p a c 、p a f c 、p 枷) 对本澄清器的净水 机理和效能做试验验证，得出以下结论： ( 1 ) 完全靠水流的作用来保证絮体的悬浮、紊动和动态稳定性，它的工作接近于 推流式反应器，不存在返混现象，可以实现药剂的充分混合。此外悬浮层中成熟絮体和 微絮体发生接触絮凝，投加助凝剂p a m 后形成高密度网状絮凝体，可以加强絮体间的 吸附作用，加速絮凝，使原水得到更好的澄清。 ( 2 ) 本澄清器的高效运行需以投加有机高分子助凝剂为前提条件。此外动水实验 中本装置p a f c 与p a m 联合投加的效果比p a c 联合投加的优越。 ( 3 ) 本澄清器在稳定状态下运行，出水浊度一般在0 8 1 8 n t u 之间，c o d m n 、 u v 2 5 4 、氨氮、n 0 2 - n 、n 0 3 - n 未经过滤工艺都己达到饮用水标准。此外，氨氮去除率 可以稳定在6 0 以上，最高达8 5 4 ；n 0 2 - n 去除率在6 3 3 9 2 3 之间：n 0 3 - - n 去除 率在7 4 9 8 3 2 之间。 ( 4 ) 本澄清器占地面积小，表面负荷高于一般的澄清池。 关键词：微涡旋；澄清器；有机高分子助凝剂：三氮 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h et o x i c i t yo fn i t r i t ea n dn i r e a t e ，a n dt h en i t r o g e nc o n t a m i n a t i o ni ns u r f a c e a n dg r o u n dw a t e r , t r i p l e - n i t r o g e nc o n t a m i n a t i o nb e c a m eap r o b l e mo fd r i n k i n gw a t e rs a f e t y t h e r e f o r e ，o u rc o u n t r ya n dm a n yo t h e rc o u n t r i e so ft h ew o r l de s t a b l i s h e ds t r i c tl i m i t a t i o no f t r i p l e - n i t r o g e ni nd r i n k i n gw a t e rc r i t e r i o n o u rc o u n t r y ss t a n d a r d sf o rd r i n k i n gw a t e rw e r e i m p l e m e n t e do n1s tj u l y , 2 0 0 7 t h en e wc r i t e r i o ni n h a n c e dt h ew a t e rq u a l i t y sd e m a n d so f o r g a n i cc o m p o u n d s ，m i c r o o r g a n i s m ，a n d d i s i n f e c t i o na n ds oo n a n di tr e a c h e dt h es t a n d a r d s f o rd r i n k i n gw a t e ri nd e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h ew o r l d t h eh y d r o c l a r i f i e ro fm i c r o - v o r t e xw a sd e s i g n e d ，w h i c hw a sb a s e do nt h er e s e a r c h h o t s p o to fh i g hd e n s i t yc l a r i f y i n gt e c h n o l o g ya n di nc o m b i n ew i t hv o r t e xd i f f u s i o n ，s l u d g e s u s p e n s i o nl a y e lw i n gs h e e tt y p es e p a r a t o rt h e o r ya n d m a t e r i a lb a l a n c ec a l c u l a t i o ne q u a t i o n t h i sc l a r i f i e r sm e c h a n i s ma n de f f e c t i v e n e s so fw a t e rp u r i f i c a t i o nw a si d e n t i f i e db yt h er a w w a t e rw i t ht h es e d i m e n to fc h a nr i v e r a n dt h r e ec o m m o nc o a g u l a n t s ( p a c ，p a f ca n d p a m ) w e r ea l s os e l e c t e dt of i n i s ht h ee x p e r i m e n t t h ec o n c l u s i o n sw e r eb e l o w ： ( 1 ) t h i sc l a r i f i e rc o m p l e t e l yd e p e n d e do nt h ee f f e c to fw a t e rf l o wt oe n s u r et h ef l o c k s s t a b i l i z a t i o no fs u s p e n s i o n ，t u r b u l e n c ea n dt e n d e n c i e s i t sc h a r a c t e rw a ss i m i l a rt o p l u g - - f l o w - r e a c t o r t h eb a c k m i x i n gp h e n o m e n o nd i dn o t e x i s ts ot h ec l a r i f i e rc o u l db e a c h i e v e dt of i xt h ea g e n t si n t e n s i v e l y b e s i d e s ，t h em a t u r ef l o c c u l ea n dt h et i n yf l o e c u l ek e e p i nt o u c hf l o c c u l a t i n ga n df o r mt h eh i g hd e n s i t yr e t i c u l a rf l o c c u l ea f t e ra d d i n gt h ec o a g u l a n t a i d i tc a ns t r e n g t h e nt h ea d s o r p t i o na m o n gt h em a t u r ef l o c c u l e ，e n h a n c et h es p e e do f f l o c c u l a t i n ga n dm a k et h eo r i g i n a lw a t e rg e tf i n e rc l a r i f i c a t i o n ( 2 ) t h i sc l a r i f i e r sh i g h e f f i c i e n tc i r c u l a t i o nw a so nt h ep r e m i s eo fa d d i n gt h eo r g a n i c p o l y m e rc o a g u l a n ta i d f u r t h e r m o r e ，t h ee x p e r i m e n to f m o t i o nw a t e ra p p r o v e dt h a tt h ee f f e c t o fa d d i n gp a f ca n dp a mw a sb e t t e rt h a nt h a to fa d d i n gp a ca n dp a mi nt h i se q u i p m e n t ( 3 ) t h i sc l a r i f i e rw a sc i r c u l a t e di ns t a b i l i t yo p e r a t i o n u n d e rt h en o r m a lc o n d i t i o n ，t h e g e n e r a lt u r b i d i t yo fe f f l u e n tw a t e rw a sb e t w e e n0 8 a n d1 8n t u a n dc o d m n ，u v 2 5 4 ， a m m o n i an i t r o g e n ，n 0 2 一na n dn 0 3 。一na l lr e a c h e dt h ed r i n k i n gw a t e rc r i t e r i aw i t h o u t f i l t r a t i o n i na d d i t i o n ，t h er e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e nc o u l db es t a b i l i z e dw i t hm o r e i i t h a n6 0 ，a n di tw a su pt o8 5 4 t h er e m o v a lr a t eo fn 0 2 - nw a sb e t w e e n6 3 3 - - , 9 2 3 t h er e m o v a lr a t eo f n 0 3 。- nw a sb e t w e e n7 4 9 - - - 8 3 2 ( 4 ) t h i sc l a r i f i e rh a ss m a l lf l o o ra r e a i t ss u r f a c el o a di sh i g h e rt h a nt h eg e n e r a l c l a r i f i e r k e yw o r d s ：m i c r o v o r t e x ；c l a r i f i e r ；o r g a n i ch i g hm o l e c u l ec o a g u l a n ta i d ；t r i p l e - n i t r o g e n i l l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：1 碉旭j 丽滞r 月7 , oe l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：1 习旭厕 伽x 年箩月7 oe l 导师签名： 确年 l 硼年月工日 长安大学硕上学位论文 1 1 研究概况 第一章绪论 1 1 1 我国水源污染状况 水是不可替代的自然资源，是农业的命脉、工业的血液，是保证社会发展和人民生 活的重要基础，是人类生存和生产活动中不可缺少的物质和原料。 根据国际水资源管理学会的研究【1 】，2 0 2 5 年世界总人口的四分之一或发展中国家人 口的三分之一，近1 4 亿人将严重缺水，生活在干旱地区的1 0 亿多人将面临极度缺水， 将没有足够的水资源用于灌溉，也不能满足生活、工业和环境对水资源的要求。我国水 资源基本概况也不容乐观。全国水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水资源的6 ， 仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 3 0 0 立方米，仅为世界平 均水平的1 4 、美国的1 5 ，在世界上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的 国家之一【2 1 。据水利部预测，到2 0 3 0 年我国人口将增加到1 6 亿，人均水资源占有量将 降到1 7 5 0 立方米，按照国际标准抵达公认的人均1 7 0 0 立方米缺水警戒线。 我国缺水形势首先受地理气候原因影响，但越来越多地受到经济社会快速发展的压 力。我国降雨的时空分布极不均匀，南多北少，季节性很强，年际变化很大，降雨量自 东向西逐步递减，年降雨量的七到八成主要集中在汛期两三个月，汛期易形成洪涝灾害， 非汛期往往造成严重干旱。特别是北方大部地区降雨量偏少，水资源十分紧缺。而随着 社会经济的发展和人口的增加，城市化工业化发展加速，我国未来水资源的供需矛盾将 更为突出，形势十分严峻。特别是生活、生产用水的急剧增长，使水资源的供需矛盾日 益突出，已经严重威胁社会经济的发展。 随着人口增长以及经济和工业化的迅速发展，生活和生产废水逐年增加，加重了对 地表水和地下水等水体的污染。据统计，1 9 9 0 年全国污水排放量为2 4 9 亿t ，1 9 9 7 年为 4 1 6 亿t ，而处理率仅为1 3 6 【3 j ，而且这几年排放量还在不断增长。( ( 2 0 0 6 年中国环境 状况公报表明：全国地表水总体水质属中度污染。七大水系中松花江、黄河、淮河为 中度污染，辽河、海河为重度污染；太湖、滇池为劣v 类水质，巢湖为v 类水质；水库、 近岸海域都受到了不同程度的污染【4 】，而全国多数城市地下水也受到一定程度的点状和 面状污染，并有逐年加重的趋势。近年来我国天津近海、香港、湛江港、珠海口等海域 已多次出现赤潮。而我国南方一些重点开放城市的水源水质也在逐年下降，c o d m 。、亚 第一章绪论 硝酸盐氮、氨氮、锰、藻类等时常超标。各地区污染情况如表1 1 所剥5 ，6 1 。 表1 1 我国地下水水质情况 地区主要污染物次要污染物 东北 总硬度、硝酸盐、亚硝酸盐、铁、锰 硫酸盐、氯化物 华北总硬度硫酸盐、硝酸盐、氯化物 西北总硬度、硝酸盐、硫酸盐氯化物、亚硝酸盐、氨氮 东南亚硝酸盐、氨氮、铁、锰 总硬度、p h 西南总硬度、亚硝酸盐、氨氮、铁、锰 硫酸盐、有机酚、p h 从上表的污染情况分析可以看到，近年来，我国各地地下水均有硝酸盐、亚硝酸盐 污染的问题，特别是我国陕西、山东、江苏、辽宁、上海、北京等地城市与乡村的地下 水中检出硝酸盐的水平有明显上升趋势，对饮用水的安全构成一定的威胁。 综上所述，近年来工农业的快速发展和人口的迅速增加，使得我国水资源日益短缺， 水资源污染日益严重。我国饮用水面临着资源短缺和严重污染的双重挑战。如何有效地 控制和扭转我国水资源环境继续恶化的局面，改善水环境质量，保护有限的水资源，防 治水资源环境污染和开发饮用水除污染新技术，提高饮用水安全性，是摆在我们眼前一 个非常紧迫的任务。 1 1 2 饮用水净水技术的发展历程 据监测，目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，且有逐年加重 的趋势。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛 盾，对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的 饮水安全和人民群众的健康。因此饮用水的净化技术在不断得到发展、提高和完善。饮 用水的净化技术与工程设施是保障人们饮水卫生安全的重要措施，它是人类在与水源污 染及由此引起的疾病所做的长期斗争中产生的，并随着水源水污染及由此引起的疾病的 变化而不断发展和完善。 18 0 4 年英国派斯利( p a i s l e y ) 建成世界上第一座城市慢砂滤池水厂，距今已有2 0 0 年的时间。饮用水净水技术可以分为两个阶段。第一阶段是从1 9 世纪初到2 0 世纪6 0 年代。在此阶段，欧美一些城市由于排放的污水、粪便和垃圾等使地表水和地下水源收 到严重污染，造成霍乱、痢疾、伤寒等水传染疾病的多次大规模爆发和蔓延，夺去了成 千上万人的生命。这些惨重的教训促进了饮用水去除和消灭细菌技术的发展。此阶段的 2 长安大学硕士学位论文 代表性工艺流程为混凝一沉降一砂滤- a n 氯消毒，即当今的饮用水常规处理工艺。第二 阶段是从2 0 世纪6 0 年代至今。随着工业和城市的迅速发展，饮用水水源不仅受到更多 城市污水和工业废水的点源污染，而且受到更难控制的城市街道径流水和农田径流等地 表径流水、大气沉降、垃圾渗透液的非点源污染。1 9 7 4 年，r o o k 等人从氯化后的高色 度水中检测出三氯甲烷，引起了人们的重视。1 9 7 4 - 1 9 7 5 年，在美国8 0 多个主要城市 的调查结果证明，自来水中广泛存在着t h m s ( 消毒副产物) ，而且是在氯化过程中形 成的。根据英国、美国及荷兰的一些流行病学家的调查研究，皆证明长期饮用含有多种 微量污染物( 尤其是致癌、致畸、致突变污染物) 的自来水的居民群，其消化道的癌症 死亡率明显高于饮用洁净水的对照居民群。因此，从饮用水中去除这些微量污染物成为 第二阶段净水的首要任务，饮用水需要在常规处理基础上进行深度处理。美国、欧洲、 日本等国家或地区广泛地开展饮用水去除微污染物质的新技术的试验研究，出现了活性 炭吸附、臭氧氧化、膜分离技术、生物预处理法、深度氧化技术等。其代表性饮用水深 度处理工艺为臭氧一生物活性炭技术。从2 0 世纪初以混凝沉淀过滤一氯消毒为主的第 一代净水工艺，到2 0 世纪7 0 年代在第一代净化工艺后又增加了臭氧和颗粒活性炭深度 处理的第二代净水工艺。但随着水环境污染的加剧和水质检测技术的发展，饮用水又出 现了新问题，如贾第虫、隐孢子虫、藻类污染加剧、水的生物稳定性、高氨氮含量、内 分泌干扰物、二氧化氯消毒副产物、颗粒活性炭出水中生物及微生物增多及控制问题等。 在这种背景下，出现了第三代净水工艺【7 l 绿色净水工艺，其工艺组成为i i i 类水源水 一安全预氧化强化混凝沉淀一生物活性炭超滤一安全消毒一饮用水。第三代工艺在去 除水中致病微生物、浊度、天然有机物、微量有机污染物、氨氮等方面具有明显的优势。 混凝沉淀后直接加超滤膜，因此对混凝沉淀出水有更高的要求，浊度尽量达到1 n t u 以 下，本课题就是通过研究混凝沉淀装置的优化组合，使出水水质达到要求。 1 2 水源水中氨氮污染及其危害 1 2 1 氨氮污染的来源 氮是自然界广泛存在的基本元素之一，动、植物生长以及人类的生存都离不开它。 但是，氮在水体中过多地存在会成为对动、植物以及人类有危害作用的污染因子。因此， 饮用水源要防止水体中的氮污染。 水源水中的氮主要来源于生活污水和工业废水中的氮，美国环保局曾经对旧金山海 湾盆地做过调查( 表1 2 ) ，城市污水、工业废水和农业( 养殖) 污水是水体氮素污染物 第一章绪论 的主要来源，分别占总量的4 9 o 、3 0 o 和1 1 1 。 表1 2 美国旧金山海湾盆地的氮素污染源1 8 i 氮素来源数量( t a )占总量的百分率 城市污水 2 6 0 0 0 4 9 0 工业废水 1 6 0 0 03 0 0 干沉降 5 9 01 1 湿沉降3 9 0o 8 城区径流 1 4 0 02 7 非城区径流 1 9 0 03 6 农田灌溉水 9 0 0 1 7 畜禽养殖场污水 6 0 0 01 1 1 畜禽养殖场污水( 农业污水) 也含有大量氮素污染物。据统计，1 9 9 9 年我国排放畜 禽养殖场污水超过2 0 0 亿吨，氮污染负荷高达1 5 9 7 万吨。值得关注的是，在解决“垃 圾围城 后，垃圾填埋渗滤液又成了新的问题。据估计，2 0 0 0 年我国生活垃圾的产量为 1 2 亿1 4 亿吨，垃圾填埋渗滤液每升的含氮量高达数百甚至数千毫克。 水源水中的氮通常以有机氮和无机氮两种形式存在。有机氮主要指蛋白氮、多肽、 氨基酸和尿素等，它们经微生物分解后可以转化为无机氮。有机氮主要来源于城市生活 污水和一些来自羊毛加工、制革、印染、食品加工等工业的废水。无机氮则是指氨氮、 亚硝酸氮和硝酸氮，主要来自施用氮肥的农田排水和地表径流，以及某些工业废水( 如 冶金工业和炼焦车间、化肥厂) ，有机氮经微生物分解转化后也可形成无机氮。 硝酸氮是所有结合氮的热力学最稳定的形式，在充氧水体中，结合氮都具有转化成 硝酸氮的趋向。因此，水体中所有结合氮都被看作为硝酸氮的潜在来源。结合氮在水体 中的这种转化趋向一般分二步进行：第一步是含氮化合物，如蛋白质、多肽、氨基酸和 尿素等有机物，转化为无机氮中的氨氮；第二步是氨氮的亚硝化和硝化，使无机氮进一 步转化。 1 2 2 氨氮污染的危害 水中氮化物污染的主要危害有： ( 1 ) 加速水体的“富营养化”过程，降低水质。水体中过量氨氮等氮化物的存在易 使藻类迅速繁殖，大量消耗水中的溶解氧，引起水体发臭，降低水质。而蓝绿藻在一定 4 长安大学硕士学位论文 条件下所产生的藻毒素会危及鱼类和家畜的生命。 含有大量藻类的水体作饮用水源时的危害主要表现在以下几点： 进行水处理时，由于某些微型藻类的存在，使滤池易被堵塞( 硅藻和一些蓝绿 藻被认为是阻塞砂滤池的主要藻类) ，缩短了冲洗周期，增加水处理费用； 某些能穿透滤池，甚至能穿过慢滤池的藻类在进入供水管网后，会引起一系列 问题。首先为一些微生物的生长提供了介质，增强了某些生物的危害性，因为这些藻类 不论死活，都会为其它生物的生长提供有机质；其次，由于藻类有机质很容易被氧化， 因而系统中需要维持的余氯会被消耗掉；另外，藻类的一些分解产物如粘多糖易与铁和 铝等絮凝剂反应形成螯合物或胶态物，增加了这些金属残余物通过制水系统的机会；藻 类的存在还会引起加氯消毒后形成三氯甲烷的可能； 藻类的代谢会使水具有难以去除的色度和嗅味，影响出厂水水质。 ( 2 ) 氨氮氧化要消耗水体的溶解氧。氨氮随污水进入水体后，在硝化细菌作用下被 氧化为硝酸盐。每l m g 的氨氮氧化为硝酸氮时，需消耗水体中4 5 7 m g 的溶解氧，这可 能会导致水体缺氧，严重时产生黑臭现象【9 1 。 ( 3 ) 管网中有氨氮存在时，将会成为再生细菌的养料。有关研究表明1 0 】：在饮用水 处理厂和配水系统的水中，0 2 5 m g l 的n h 4 + 就足以使硝化细菌生长繁殖，而且硝化细 菌在代谢有机物和氨氮时会释放出嗅味。 ( 4 ) 氮化合物对人体有毒害作用。氨氮使氯消毒剂投量大大提高，而大量的氯气与 水中有机物反应产生致癌物t h m s ，还与氨氮反应散发出一种以n c l 3 形式存在的嗅味。 亚硝酸根离子进入人体后可以引起高铁血红蛋白症或婴儿蓝血症，尤其是对4 个月以内 的婴儿反应很敏感，对孕期妇女、年老和体弱的敏感人群易造成很大危害。亚硝酸盐是 合成强致癌物质亚硝胺的前体，饮用水中含有的过量硝酸氮会在人胃中还原为亚硝酸 氮，与人胃中的仲胺或酰胺作用形成亚硝胺( 见式1 1 ) 或亚硝酰胺，两者都有致癌作 用。 r e h 2 n 0 2 一r n h 2 专 n n - - o ， r - - c t 2 7 ( 1 1 ) 当饮用水中的硝酸氮浓度超过1 0 m g l 时，可能会诱发婴儿患高铁血红蛋白血症【1 1 】。 主要的反应如式( 1 2 ) ： 第一章绪论 正常血红蛋白：血红蛋白( f e 2 + ) + 0 2 一一氧合血红蛋白( f e 2 + ) ( 1 2 a ) ( 红色，具有输氧能力) 异常血红蛋白：血红蛋白( f e 2 + ) + n 0 2 一一高铁血红蛋白( f e 3 + ) ( 1 2 b ) ( 褐色，丧失输氧能力) 由于正常血红蛋白具有输氧能力 见式( 1 2 a ) 】，而高铁血红蛋白没有输氧能力， 当后者在血液中的含量超过7 0 时，就会导致婴儿窒息，皮肤变成淡蓝色。1 9 4 5 - - 1 9 7 5 年美国和欧洲记录了2 0 0 0 例高铁血红蛋白症，死亡率达7 - - 8 t 1 2 】。由于诊断困难， 再加上没有要求上报，实际病例可能要比记录病例高得多。鉴于此，美国最高污染物水 平( m c l ) 控制标准规定，饮用水中n 0 3 。一n 浓度不得超过l o m g l 。 1 3 选题背景及课题提出 我国水资源日益短缺，水资源污染日益严重，使得我国饮用水面临着资源短缺和严 重污染的双重挑战。此外，为了适应我国社会发展的要求，缩小供水行业与国际先进水 平的差距，新的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 - - 2 0 0 6 ) 于2 0 0 7 年7 月1 日在全国 正式执行。该标准是1 9 8 5 年首次发布后的第一次修订，适用于城乡各类集中式供水的 生活饮用水，也适用于分散式供水的生活饮用水，标准中各项指标已与美国、欧盟等国 家的总体水平基本达到一致。新标准在原有标准3 5 条的基础上，增加到1 0 6 项。新标准最大变化之一是水厂出水浊度由原来的3 n t u 降为1 n t u 。然而，目前我国 水司中除少部分新建的或规模较大的水司目前出水浊度已接近或达到了新的水质标准 要求外，相当一部分早期建设的中小型水司都不同程度地存在供水水质不达标的问题。 分质供水( 管道直饮水) 系统是在我国现实条件下解决饮水供需矛盾的一条有效途 径，在管道直饮水系统中，由于所处理的水量较少，水质要求又较高，为适应这一特殊 需求一般采用膜过滤技术，考虑到膜处理的特殊要求( 防止水源水质的不稳定性) ，在 系统设计中还必须设置一定级数的预处理设施，如果混凝沉淀后水质已达要求，那么在 其后直接加超滤膜处理，出水就可以作为管道直饮水直接供给用户。而且第三代净水工 艺中也提出混凝沉淀后直接加超滤膜，因此对混凝沉淀出水有更高的要求。 澄清器是将絮凝和沉淀两个过程综合于一个构筑物中完成的，该工艺主要依靠活性 泥渣层达到澄清目的，从改善絮凝条件方面，充分利用池中的成熟絮凝体，使杂质颗粒 与其发生接触絮凝而从水中分离，从而提高处理效果，并使沉淀污泥具有较高的含固率。 此外，饮用水源水体中的氮污染问题己成为一个值得关注的问题，但去除氨氮大多采用 6 长安大学硕士学位论文 生物方法。常规给水处理工艺主要是去除水中的悬浮物质和少量的有机物，并且对细菌 等微生物有很好的杀灭作用，在过去的研究中很少有研究三氮在常规给水处理工艺中的 去除效果。本课题就是通过强化混凝沉淀处理微污染水源水，结合涡流扩散、泥渣悬浮 层、翼片隔板理论以及物料衡算方程设计了全流程微涡旋水力澄清器模型，使出水水质 达到要求，考察本装置对三氮的去除能力。本课题在现有澄清工艺技术改造的基础上设 计了新型的澄清器，其研究适应供水行业发展的要求，符合节约型社会的主题，具有深 远的研究意义。 第二章氨氮的检测和污染控制方法 第二章氨氮的检测和污染控制方法 2 1 国内外饮用水中氨氮的标准 我国水源水中氨氮、硝酸盐氮含量超过饮用水标准的地区很多，据报道上海市水源 水中氨氮浓度高达7 m g l ，我国河流中氨氮浓度一般都在0 1 7 - - - 4 4 1 m g l 。虽然饮用水 中的氨氮没有直接的健康影响，但氨氮指标可指示排泄污染，在供水系统中氨氮的存在 会降低消毒效果，造成过滤除锰失败，引起嗅和味的问题。因此必须采取去除氨氮的措 施并严格控制饮用水中氨氮的标准，以改善饮用水的质量。 作为水质评价的主要因子，世界上许多国家在饮用水标准中对氨氮含量都进行了严 格的限制，如表2 1 所示。 表2 1国内外饮用水氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐标准对比 亚硝酸盐硝酸盐 标准名称氨氮 ( 以n 计)( 以n 计) 我国生活饮用水卫生标准 0 51 0 ( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) ( m g l ) 我国一类水司暂行 0 50 12 0 水质目标( m g l ) 美国饮用水标准 l1 0 ( m g l ) 2 0 0 2 w h o 饮用水水质准则 0 9 1 ( 短期影响) ( m g l ) 2 0 0 3 0 0 6 ( 长时间) 1 1 3 欧盟饮用水指令0 0 5 ( 指导值) 0 1 51 1 3 ( m g l ) 1 9 9 8 0 5 ( 最大允许值) 表2 1 给出的是我国国家标准委和卫生部联合发布的生活饮用水卫生标准 ( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 和建设部组织编制的城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划【l3 1 、美 国环保局( e p a ) 一级饮用水规则( 2 0 0 2 ) 、世界卫生组织( 、h o ) 饮用水水质准则 ( 2 0 0 3 ) 、欧盟饮用水指令( 1 9 9 8 ) 所给出的饮用水中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮 的标准1 4 , 1 5 , 1 6 。我国2 0 0 7 年7 月1 日起实施的饮用水水质标准即国家标准生活饮用水 卫生标准( g b 5 7 4 9 - - 2 0 0 6 ) 是2 1 年来首次对1 9 8 5 年发布的生活饮用水卫生标准 r g b 5 7 4 9 8 5 ) 进行修订，规定指标由原标准的3 5 项增至1 0 6 项。新标准加强了对水质有 机物、微生物和水质消毒等方面的要求，实现了与国际发达国家的饮用水水质标准的全 面接轨 长安大学硕士学位论文 2 2 氨氮的存在形态及相互转化 水中的氮主要以氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和有机氮几种形式存在，它们之间在 特定的条件下又可以相互转化。其中，氨态氮是水相环境中氮的主要形态【1 7 】，水中的氨 氮以非离子氨( n h 3 ) 和离子氨( m 山+ ) 两种形式存在，随着水体p h 的变化，n h 3 和 n h 4 + 相互转化，两者处于平衡状态，其转化关系如下式： n h 3 + h 2 0 一一n h 4 + + o h ( 2 1 ) 水体p h 的大小决定了n h 3 和n h 4 + 这两种形式的氨氮在水中所占的比例【1 8 】。从图 2 1 可以看出，在p h 值接近中性的水源水中，n i h + 是氨氮的主要存在形式。 萎 隶 1 m 蟮 蛰 m 薹 薹 k 容 皿 妊 赞 芝 p h 图2 1p h 值对n m + - - n i - i , 平衡的影响 f i g 2 1t h ei m p a c to fp ho na m m o n i u m - a m m o n i ae q u i l i b r i u m 在特定的条件下，水中的氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和有机氮几种形式可以相互 转化。如氧化和微生物活动，有机氮可能转化为氨氮，好氧情况下，氨氮又可被硝化细 菌氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，而在厌氧条件下，硝酸盐则可能被反硝化为亚硝酸盐。 微生物作用微生物作用 有机蛋白质一氨基酸一n h 4 + n( 2 2 ) 这是含氮有机物受微生物等作用，发生氮化作用，产生氨氮。有机物分解产生的氨 氮，在亚硝酸菌的进一步作用下，生成亚硝酸盐氮。 亚硝酸菌作用 n h 4 + - n + 0 2 n 0 2 - - n + h 2 0 ( 2 3 ) 亚硝酸盐氮受硝酸菌的作用，在强氧化性的条件下，进一步氧化成硝酸盐氮。 硝酸菌作用 n 0 2 - - n + 0 2n 0 3 - n ( 2 4 ) 9 第二章氨氮的检测和污染控制方法 硝酸氮是所有结合氮的热力学最稳定的形式，在充氧水体中，结合氮都具有转化成 硝酸氮的趋向。因此，水体中所有结合氮都被看作为硝酸氮的潜在来源。具体反应式如 下： 硝化作用： 5 5 n i - l 十+ 7 6 0 2 + 1 0 9 h c 0 3 一一，c 5 h 7 n 0 2 + 5 4 n 0 2 。+ 5 7 h 2 0 + 1 0 4 h 2 c 0 3 ( 2 5 a ) 4 0 0 n 0 2 。+ 】岍4 十+ 4 h 2 c 0 3 + h c 0 3 + 1 9 5 0 2 一一- - c 2 h 7 n 0 2 + 3 h 2 0 + 4 0 0 n 0 3 ( 2 5 b ) 反硝化作用： c 6 h 1 2 0 6 + 1 2 n 0 3 一一一1 2 n 0 2 。+ 6 c 0 2 + 6 h 2 0 ( 2 6 a ) c 6 h 1 2 0 6 + 8 n 0 2 一一一1 2 n 2 + 6 c 0 2 + 6 h 2 0 ( 2 6 b ) 2 3 含氮化合物的检测分析方法 2 3 1 氨氮的检测分析方法 本试验采用的是纳氏试剂光度法【1 9 】。 ( 1 ) 方法原理 碘化汞和碘化钾的碱性溶液与氨反应生成淡红棕色胶态化合物，此颜色在较宽的波 长内具强烈吸收。通常测量用波长在4 1 0 4 2 5 n m 范围。反应式如下： 2 k 2 h g l 4 + 3 k o h + n h a 一，n h 2 h 9 2 i o + 7 + 2 h 2 0 ( 2 7 ) ( 2 ) 干扰及消除 脂肪胺、芳香胺、醛类、丙酮、醇类和有机氯胺类等有机化合物，以及铁、锰、镁 和硫等无机离子，因产生异色或浑浊而引起干扰，水中颜色和浑浊亦影响比色。为此， 须经絮凝沉淀过滤或蒸馏预处理，易挥发的还原性干扰物质，还可在酸性条件下加热以 除去。对金属离子的干扰，可加入适量的掩蔽剂加以消除。 ( 3 ) 方法的适用范围 本法最低检出浓度为0 0 2 5 m g l ( 光度法) ，测定上限为2 m g l 。采用目视比色法， 最低检出浓度为0 0 2 m g l 。水样作适当的预处理后，本法可适用于地表水、地下水、工 业废水和生活污水中氨氮的测定。 ( 4 ) 仪器 分光光度计。 p h 计。 ( 5 ) 试剂 l o 长安大学硕七学位论文 配制试剂用水均应为无氨水。 1 ) 纳氏试剂：称取2 0 9 碘化钾溶于约1 0 0 r n l 水中，边搅拌边分次少量力n a - - 氯化 汞( h g c l 2 ) 结晶粉末( 约1 0 9 ) ，至出现朱红色沉淀不易溶解时，改为滴加饱和二氯化 汞溶液，并充分搅拌，当出现微量朱红色沉淀不易溶解时，停止滴加氯化汞溶液。 另称取6 0 9 氢氧化钾溶于水，并稀释至2 5 0 m l ，充分冷却至室温后，将上述溶液在 搅拌下，徐徐注入氢氧化钾溶液中，用水稀释至4 0 0 m l ，混匀。静置过夜。将上清夜移 入聚乙烯瓶中，密塞保存。 2 ) 酒石酸钾钠溶液：称取5 0 9 酒石酸钾钠( 1 龇叫4 0 6 4 h 2 0 ) 溶于1 0 0 m l 水中， 加热煮沸以除去氨，放冷，定容至1 0 0 m l 。 3 ) 铵标准贮备溶液：称取3 8 1 9 9 经1 0 0 。c 干燥过的优级纯氯化铵( n 臣c 1 ) 溶于水 中，移入1 0 0 0 m l 容量瓶中，稀释至标线。此溶液每毫升含1 0 0 r a g 氨氮。 4 ) 铵标准使用溶液：移取5 0 0 m l 铵标准贮备液于5 0 0 m l 容量瓶中，用水稀释至 标线。此溶液每毫升含0 0 1 0 m g 氨氮。 ( 6 ) 步骤( 根据本实验的具体情况做) 1 ) 校准曲线的绘制 吸取0 、0 1 0 、o 3 0 、0 5 0 、o 7 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、3 0 0 和5 0 0 m l 铵标准使用 液于5 0 m l 比色管中，加水至标线，加1 0 m l 酒石酸钾钠溶液，混匀。加1 5 m l 纳氏试 剂，混匀。放置1 0 m i n 后，在波长4 2 0 n m 处，用光程2 0 m m 比色皿，以水为参比，测 量吸光度。 由测得的吸光度，减去零浓度空白的吸光度后，得到校正吸光度，绘制以氨氮含 量( m g ) 对校正吸光度的校准曲线。 2 ) 水样的测定 分取适量经过滤预处理后的水样，加入5 0 m l 比色管中，稀释至标线，加1 0 m l 酒 石酸钾钠溶液。以下同校准曲线的绘制。 3 ) 空白试验 以无氨水代替水样，做全程序空白测定。 ( 7 ) 计算 由水样测得的吸光度减去空白试验的吸光度后，从校准曲线上查得氨氮含量( m g ) 。 氨氮( ，r a g l ) ：i m 1 0 0 0 ( 2 8 ) 第二章氨氮的检测和污染控制方法 式中：m 一由校准曲线查得的氨氮量( m g ) ； v 一水样体积( m l ) 。 ( 8 ) 注意事项 纳氏试剂中碘化汞与碘化钾的比例，对显色反应的灵敏度有较大影响。静置后生 成的沉淀应除去。 滤纸中常含痕量铵盐，使用时注意用无氨水洗涤。所用玻璃器皿应避免实验室空 气中氨的沾污。 2 3 2 亚硝酸盐氮的检测分析方法 本试验采用的是n ( 1 萘基) 乙二胺分光光度法【1 9 】。 ( 1 ) 方法原理 在磷酸介质中，p h 值为1 8 0 3 时，亚硝酸盐与对一氨基苯磺酰胺反应，生成重氮 盐，再与n ( 1 萘基) 乙二胺偶联生成红色染料。在5 4 0 n m 波长处有最大吸收。显色反 应式如下： 重氮化 n h 2 s 0 2 c 6 i - 4 n h 2 h c l + h n 0 2 一一一 n h 2 s 0 2 c 6 h 4 n = n c i + 2 h 2 0 ( 2 9 a ) 偶联 n h 2 s 0 2 c 6 i 1 4 n - - = n c l l c l o h 7 n h c h 2 c h 2 n h 2 2 h c l 一一， n h 2 s 0 2 c 6 h 4 n = n n h c h 2 c h 2 ( c l o h 7 ) 2 h c l + h c i ( 红色染料) ( 2 9 b ) 偶联 n h 2 5 0 2 c 6 h 4 n 三n c l + c 1 0 h 7 n h c h 2 c h 2 n h 2 2 h c l 一一， n h 2 s 0 2 c 6 h 4 n = n c l o h 6 n h c h 2 c h 2 n h 2 2 h c i l h c l ( 红色染料)( 2 9 c ) ( 2 ) 干扰及消除 氯胺、氯、硫代硫酸盐、聚磷酸钠和高铁离子有明显干扰。水样呈碱性( p h 至1 1 ) 时，可加酚酞溶液为指示剂，滴加磷酸溶液至红色消失。水样有颜色或悬浮物，可加氢 氧化铝悬浮液并过滤。 ( 3 ) 方法的适用范围 本法适用于饮用水、地表水、地下水、生活污水和工业废水中亚硝酸盐的测定。最 低检出浓度为0 0 0 3 m g l ；测定上限为0 2 0 m # l 亚硝酸盐氮。 ( 4 ) 仪器 分光光度计。 ( 5 ) 试剂 1 2 长安大学硕士学位论文 实验用水均为不含亚硝酸盐的水。 1 ) 无亚硝酸盐的水：于蒸馏水中加入少许高锰酸钾晶体，使呈红色，再加氢氧化钡 ( 或氢氧化钙) 使呈碱性。置于全玻璃整流器中蒸馏，弃去5 0 m l 初馏液，收集中间约 7 0 不含锰的馏出液。亦可于每升蒸馏水中加l m l 浓硫酸和0 2 m l 硫酸锰溶液( 每 1 0 0 m l 水中含3 6 4 9 m n s 0 4 - h 2 0 ) ，加入1 - - - 3 m l 0 0 4 高锰酸钾溶液至呈红色，重蒸馏。 2 ) 磷酸p = 1 7 0 9 m l 。 3 ) 显色剂： 对氨基苯磺酰胺溶液：称取5 9 对氨基苯磺酰胺( 磺胺) ，溶于5 0 m l 浓盐酸和约3 5 0 m l 水的混合液中，稀释至5 0 0 m l 。此溶液稳定。 n ( 1 一萘基) 7 , - - 胺二盐酸盐溶液：称取5 0 0 m g n - ( 1 一萘基) 乙二胺二盐酸盐溶于 5 0 0 m l 水中，贮于棕色瓶内，置于冰箱中保存。当色泽明显加深时，应重新配制，如有 沉淀，则过滤。 4 ) 亚硝酸盐氮标准贮备液：称取1 2 3 2 9 亚硝酸钠( n a n 0 2 ) 溶于1 5 0 m l 水中，转 移至1 0 0 0 m l 容量瓶中，用水稀释至标线。每毫升含约0 2 5 m g 亚硝酸盐氮。 本溶液贮于棕色瓶中，加入l m l 三氯甲烷，保存在2 - - - 5 c ，至少稳定一个月。 5 ) 亚硝酸盐氮标准中间液：分取5 0 0 0 m l 亚硝酸盐标准贮备液( 使含1 2 5 m g 亚硝 酸盐氮) ，置于2 5 0 m l 容量瓶中，用水稀释至标线。此溶液每毫升含5 0 0 pg 亚硝酸盐 氮。 中间液贮于棕色瓶内，保存在2 5 ，可稳定一周。 6 ) 亚硝酸盐氮标准使用液：取1 0 0 0 m l 亚硝酸盐氮标准中间液，置于5 0 0 m l 容量 瓶中，用水稀释至标线。每毫升含1 o oug 亚硝酸盐氮。此溶液使用时，当天配制。 7 ) 氢氧化铝悬浮液：溶解1 2 5 9 硫酸铝钾( k a i (