（市政工程专业论文）湘江水源低温低浊度水处理试验研究.pdf

摘要 57 3 2 3 ： 目前的水资源面临的问题有很多是水资源水质的问题。我国人均永资源占有 量较低，由于水质问题，中国l m 3 水的使用价值很低。面对水源水质的变化，常 规处理工艺已显得力不从心。在各种改善水质的深度处理技术中，开发一种适合 低温低浊度水质特征的混凝剂是最经济、最有效的方法。 本实验对低温低浊度情况下的混凝特征进行了初步试验研究，对各种混凝剂 的性能进行了试验研究，试验的内容包括： ( 1 ) 小试实验：通过混凝烧杯试验，筛选适合低温低浊度湘江株洲河段水处理 的混凝荆和助凝剂，探讨和研究典型混凝剂和助凝剂的混凝机理，确定适合低温 低浊度的湘江源水的最佳混凝剂投加量。 ( 2 ) 中试试验：将小试试验所获得的试验参数运用到中试试验，通过对聚合 氯化铝和聚硅硫酸铁处理低温低浊度水进行对比研究，全面考察聚硅硫酸铁对低 温低浊度湘江源水的处理效果，进一步确定聚硅硫酸铁在不同浊度和温度下的投 加量。 试验结果表明：在对受到微污染的湘江源水的处理时，聚硅酸铁混凝剂的预 先聚合作用可明显消除混凝条件，妞p h 值、碱度、混合时间等因素对混凝的影响。 铁的水解产物可发生电中和及吸附凝聚作用。聚硅酸大分子表现出明显的吸附架 桥和粘附卷扫作用。聚硅酸铁絮凝体租大、密实，沉降快，能够深入滤料，增大 滤料的吸附容量。聚硅酸铁对浊度、有机物的去除效果明显，对色度的去除效果 欠佳。 关键词：湘江源水低温低浊度微污染潦硅酸铁 a b s t r a c t m a n yp r o b l e m sw h i c h w a t e rs o u r c ei sf a c i n ga r et h eq u a l i t yo fw a t e rs o u r c e t h e a v e r a g ea v a i l a b l eq u a n t i t yo fw a t e rs o u r c ep e rp e o p l ei se x t r e m l yl o wi n c h i n a t h e w a t e r q u a l i t yi se v e nw o r s e b y n o w ，t h et r a d i o n t i a lp r o c e s so fw a t e rt r e a t m e n ti sn o t s u i t a b l e f i n d i n gan e wf l o c c u t a n tf o rl o wt e m p e r a t u r ea n dl o wt u r b i d i t yw a t e ri s a n e c o n o m y m e t h o da m o n ga l lk i n d so fw a t e rp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e s t h i se x p e r i m e n tm a d es o m ep r i m a r yl a br e s e r c h e sa b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f f l o c c u l a n t s t h ef o l l o w i n g sa r et h ec o n t e n t s ： ( 1 ) j a re x p e r i m e n t ：t h r o u g hj a re x p e r i m e n t ，f l o c c u l a n t sa r es c r e e n e d o u tf o rl o w t e m p e r a t u r e a n dl o wt u r b i d i t yw a t e rt a k e nf r o mx i a n g j i a n gr i v e r ；d i s c u s s i n ga n d r e s e a r c ho nc o a g u l a t i o nm e c h a n i s m ；d e t e r m i n i n gt h eq u a n t i t yo ff l o c c u l a n t ( 2 ) p r o d u c t i o ne x p e r i m e n t ：m a k e s u r eo ft h ed a t e sa c q u i r e df r o ml a be x p e r i m e n t a n d j a rt e s tt or u nt h et y p i c a lw a t e rp l a n t b yc o n t r a s t i n g t h ee f f e c to f p o l y a l u m i n u m c h l o r i d ea n dp o l y m e r i cf e r r i cs i l i c a t e - s u l f a t e ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tp o l y m e r i cf e r r i c s i l i c a t e s u l f a t ei ss u i t a b l ef o rl o wt e m p l a t ea n dl o wt u r b i d i t yw a t e r t h er e s u l t si n d i c a t e s t h a tw h e n t r e a t i n g s l i g h t l yp o l l u t e d s o u r c ew a t e ro f x i a n g j i a n gr i v e r , p r e p o l y m e r i z a t i o nc a l l e l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo fi n g r e d i e n t si n w a t c hf e r r i ch y d r o l y s a t eh a v en e u t r a l i s a t i o na n da d s o r p t i o n s i l i c i cg i a n tm o l e c u l e b e h a v ef l o c c u l a t i o na n db r i d g e i ti sf o u n dt h a tt h es i z e sa n dd e n s i t yo ft h ef l o ew a s i n c r e a s i n ga n d t h er e s i d u a lt u r b i d i t yo ft h es e t t l e dw a t e rw a sr e d u c e de v i d e n t l y - k e yw o r d s ：x i a n g j i a n gr i v e r , l o wt e m p e r a t u r e a n dl o wt u r b i d i t yw a t e r ，s l i g h t l y p o l l u t e ，p o l y m e r i c f e r r i cs i l i c a t e s u l f a t e 1 1 引言 第一章绪论 给水处理领域中对低温低浊度水还没有确切的定义，但这种提法跟季节明显 有关。我国北方地区全年有3 5 个月的冰冻期，北方气候寒冷，冬春季节水温可 降至o 一2 ，浊度降至1 0 3 0 n t u ( 有时降到1 0 n t u 以下1 ；我国南方地区以长 江水系为代表每年随着冬季的到来，水温和浊度逐渐下降，水温一般在3 7 ，浊 度一般在2 0 5 0 n t u 之间变化。我们把每年1 1 月至次年3 月间温度低于1 0 或 者浊度低于3 0 n t u 的地表水称为为低温低浊度水【”。 湘江流域株洲河段的低温低浊度水具有以下特点：( 1 ) 水温一般都在0 - 1 0 ( 2 之间变化；( 2 ) 浊度通常低于3 0 n t u ：( 3 ) 碱度一般在1 0 0 1 2 5 度之间，p h 值一 般为7 0 7 8 ：( 4 ) 絮凝剂水解缓慢，反应后形成的絮凝体细小、松散，不易下沉： ( 5 ) 采用常规的混凝沉淀技术处理虽然能达到饮用水水质标准，但混凝剂耗量较 大，p a c 投加量一般在4 0 。5 0 m g l 之间；( 6 ) 滤后水带花严重，水头损失增长缓 慢，矾花易于穿透滤料层；( 7 ) 虽然源水浊度很低，但沉淀池排泥时间仍不能过长， 一般为8 1 0 h ，否则细小而松散的絮凝体就会翻上来。 低温低浊水的处理多年来一直是个未能很好解决的难题。我国近几十年来， 围绕低温低浊水开展了多方面的研究工作。国内外有些地方采用向水中投加粘土 的方式增加水的浊度，以促进絮体的成长。向水中投加粘士，虽然有效地增加了 絮体的尺寸，但混凝剂的投量仍很大，沉淀池的积泥量很大；有的水处理工作者 先后开展了以聚合铝混凝、活化硅酸助凝等技术的研究，在一定程度上推动了低 温低浊水处理技术的发展，但由于很多地表水中胶体表面电荷密度较大，难以脱 稳，因而即使采用高分子助凝剂，出厂水水质仍难以满足国家生活饮用水卫生标 准。近几年，以马军、李圭白为代表的水处理工作者围绕着高锰酸盐复合药剂的 净水效能开展了一系列研究【2 1 。试验与应用结果表明，此技术具有多功能的净水 效果，可强化混凝，能有效去除对人体有害的有机污染物和致突变物质，并能控 制氯化消毒副产物的生成，但是沉淀池排放的污泥带红色，含有较多的重金属， 很难处理，直接排放又会造成二次污染。 低温低浊度水难于处理，当水源受到污染就会进一步加重低温低浊度水处理 上的难度。在我国，饮用水水源污染问题较普遍。1 9 9 9 年中国环境状况公报公布的 水环境状况表明：我国七大水系、湖泊、水库、部分地下水和近岸海域已经受到 不同程度的污染，饮用水源中天然有机物和人工合成有机物普遍存在i3 1 。在受污 染的水体中，其分散相比较复杂，一般同时存在胶体颗粒、无机离子、藻类个体、 溶解性有机物等。而且它们之间并不是一个完全独立的系统，而是相互联系，密 不可分的一个污染物复杂体。因此，在针对一个受污染水体时，把水中污染物综 合在一起，看作一个复杂体系来处理，了解各种污染物质的性质及其相互作用和 相互影响，对于了解水体的综合性质和选择合适的处理工艺都是至关重要的。由 于我国现有常规处理工艺不能有效去除饮用水源中的有机物，而又普遍采用液氯 消毒甚至预氯化的方法，目前饮用水中普遍含有较高的危害人体健康的消毒副产 物( 如三氯甲烷、二氯乙酸等) ，在我国生活水平日益提高的情况下，我国饮用水水 质有待提高。然而，我国是一个发展中国家，经济实力还比较薄弱，许多供水企 业资金还比较紧张，大部分水厂无扩建场地，通过增加新的处理工艺或构筑物来 去除微量有机物改善供水水质的可能性较小。而根据国内外的试验研究和生产经 验，采取其他措施如改用其他混凝剂、预处理及深度处理等却不失为一个可行的 方法【4 1 。 1 2 低温低浊度水处理工艺的发展及研究现状 2 0 多年来，我们对低温低浊水净化技术研究，主要从加强混合反应和接触过 滤两个方面推进，开发出来的技术多与使用高分子助凝剂分不开，高分子助凝剂是 处理低温低浊度水质的必要的、主要的措施，不仅效果好，而且可节省混凝剂达 3 0 一5 0 以上。投加高分子助凝剂给管理上带来定的麻烦，比如投加活化硅酸 时，控制酸化的程度和投加混凝剂的操作比较麻烦，工人多不愿意使用。再者， 使用高分子助凝剂时，要合理的选择混凝剂和助凝剂的投配比例和投加点。选择 不当就达不到预期效果，这就对工人的素质要求较高。混凝剂和助凝剂的比例要 根据源水水质进行试验找出最佳投配比例，根据已有的生产性试验得出，助凝剂 的投加点应该在混凝剂投加后一次投加为宜，时闻间隔在4 0 - 6 0 秒较好。水处 理工艺流程对是否使用高分子助凝剂要根据水质条件确定，有的水质也可以不需 要投加助凝剂。 当采用铝盐或铁盐作混凝剂投加于低温低浊度水时，在混凝反应过程中，效 果甚差。这是因为无机盐混凝剂在水解时为吸热反应，特别是铝盐，当水温低于5 度时，水解速度很慢：如果使用高分子电解质作助凝剂，则受水温的影响甚小。 也有人试验证实，投加阳离子电解质作助凝剂时，水温对助凝剂用量和絮凝速度 2 影响较小，只有在水温接近o 对。将助凝剂投加点向前移一些，来延长接触时间， 可以减少温度的影响。虽然也有采用铝盐和铁盐联合投加的方法，通过它们联合 发挥作用，克服水温对铝盐的不良影响，但效果仍然不及投加高分子助凝剂。目 前国外多应用高分子助凝剂，都取得较好效果。例如加拿大安大略省休伦湖某水 厂冬季水温3 3 c ，浊度1 0 - 1 5 n t u ，投硫酸铝2 5 m g l ，滤后水浊度虽然可达 1 n t u ，但很不稳定。后来投加高分子助凝剂1 - 2 m g l ，滤后水浊度才稳定在 i n t u ，运行中投混凝剂和助凝剂的问隔时间约0 5 1 分钟；又如日本大明公司 采用聚合铝作混凝剂，当水温4 0 5 0 ，浊度高达2 5 n t u ，满足不了滤池要求， 但是当改投聚合铝后，澄清池出水浊度降到2 5 n t u ，提高效率9 0 。国内高分 子助凝剂主要有聚合铝、聚丙烯酰胺、海藻酸钠、活化硅酸等，其中应用较多的 是活化硅酸。1 9 6 6 年长春市一水厂出现水温1 6 ，浊度1 2 0 n t u 时，投硫酸铝 4 0 m g l 后，矾花絮凝不好，结构松散，在沉淀池中飘浮着不易下沉，滤池出水浊 度高达5 0 n t u 以上，净水效果仅5 8 ，因而造成滤池堵塞，运行周期由1 6 小时 减少到4 - 6 小时，对滤料也无法冲洗干净。通过三个月的生产性试验，摸索一套 先投硫酸铝后投活化硅酸，并将沉淀池的重力流条件改为压力流等措施后，才有 效地改善了水质，滤池出水浊度平均保持在5 n t u 以下，而且节省混凝剂投量达 5 0 。同样，1 9 7 8 年1 - 3 月，又在长春市一水厂进行生产性试验，也取得较好效 果。当源水温度在0 2 一0 4 1 2 之间，浊度在3 0 5 0 n t u 之间时，投硫酸铝 2 8 3 7 m g l ，活化硅酸3 - 4 2 m g l 后，平流式沉淀池絮体较大。且容易沉淀，滤 池出水浊度2 3 n t u ，节省硫酸铝投量达7 0 一8 0 1 4 】。可见，助凝剂对混凝沉淀 效果起着决定性作用。 低温低浊废水的处理技术很多，典型的处理技术主要有泥渣回流法、溶气浮 选法、微絮凝接触过滤法、微涡旋混凝低脉动沉淀技术、活性砂絮凝工艺，下面 将这几种方法详细叙述如下g 1 2 1 泥渣回流法 利用机械加速澄清池的泥渣回流特点来增大源水浊度，以弥补冬季源水浊度 低的缺陷，这样就可以使水中胶体杂质微粒碰撞的机会增多，水中的浊度增高了， 从而加快了絮凝作用，提高了混凝反应效率，以达到净化低温低浊度水的目的。 机械加速澄清池属于泥渣循环回流式澄清池，其特点是利用叶轮搅拌和提升作用， 来完成泥渣循环和接触反应。当用于低温低浊度水时，可采用较低的技术参数， 如上升流速可采用0 7 0 9 m m s ，一、二反应室的反应时间可控制在2 0 - 3 0 分钟； 3 当源水浊度为2 5 n t u ，泥渣浓度可控制在5 1 0 l ；为保持最佳固相剂量2 5 3 0 g ，m 3 ，必要时可在源水中投加2 - 5 9 ，l 的泥渣【4 i 。这种方法可节省混凝剂投量2 0 3 0 左右。但在操作运行中要保证足够的反应时间，控制好浓缩室内泥渣浓度，才 能保持良好的稳定的净化效果。例如，天津马山水厂设计规模4 万m 3 d ，净水工 艺为机械加速澄清池和虹吸滤池。机械加速澄清池的上升流速为1 o m m s ，总停留 时间为3 小时，容积比为：二反应室：反应室：分离室= 1 ：2 2 ：6 7 5 。1 9 7 9 年1 月1 4 日至3 月2 4 日测定数据为：1 月1 4 曰至2 月1 1 日，水温0 4 1 6 ， 源水浊度为1 2 8 0 n t u ，投加硫酸铁4 9 7 5 m l ，活化硅酸4 2 5 m g ，l ，机械加 速澄清池上升流速0 7 5 0 9m m s ，出水浊度在0 5 0 8 n t u 变化，可见机械加速 澄清池净化效果良好5 1 。 在水力循环澄清池和机械加素澄清池中，只是部分污泥在局部范围内循环， 回流污泥不参与混合过程，只与源水中部分脱稳颗粒进行接触，而且接触不充分。 1 9 9 4 年，成都市自来水公司采用污泥回流法处理低温低浊度水，是把平流式沉淀 池的反冲洗污泥按一定比例( 根据源水浊度而定) 直接送到混合设备进口，与源水一 起参与混合反应的全过程。试验流程如图1 1 1 6 】【7 1 。 图1 1典型污泥回流法工艺流程图 1 2 2 溶气浮选法 溶气浮选法是利用压力容器水骤然解压释放出大量的微细气泡，将加药混凝 反应后所形成的絮粒吸附在气泡表面，由于气泡密度小于水的密度，就使带有絮 粒的气泡上浮到水面，形成浮渣而被刮渣机刮去，达到除浊的目的。经过多次生 产性试验，溶气浮选法用来处理低温低浊度水是成功的，这种方法不仅除浊效果 良好，而且能节省投药量。例如，吉林市三水厂于1 9 8 0 年3 月进行生产性试验， 当源水温度2 3 ，浊度 1 0 n t u ，投硫酸铝3 0 m # l ，反应时间1 8 分钟，溶气压 力o 3 m p a ，气浮池出水浊度4 5 n t u p l 。 1 一 根据斯托克斯公式：“- 击芝( 以一p m 2 ( 1 1 ) 4 式中“颗粒的分离速度，c m s 占重力加速度，9 8 1 c m s 2 粘滞系数，g c m 2 n 颗粒密度，g c m 3 p 水的密度，g c m 3 g 、p 一般视为常数，由式( 1 1 ) 可以看出，颗粒分离主要取决于密度差、特征 直径以及水的流态。通常天然水体中的杂质颗粒和絮凝后絮凝体的密度p 。大于水 的密度p 。因此，( a p ) 为正值，絮凝体下沉。对于低温低浊度水，投加絮凝剂 ( 例如硫酸铝) ，生成的矾花密度接近于水，使密度差( n p ) 接近于零；另一方面， 动力粘度增大，使沉速减少，所以采用通常的沉淀方法来处理低温低浊度水是十 分困难的。而采用气浮法处理低温低浊度水时，矾花粘附足够的微气泡，使其密 度小于水的密度。( 几一p ) 为负数，此时颗粒就不再下沉，而是上浮到水面，且上 浮速度远大于一般絮凝体颗粒在沉淀池或澄清池中的沉降速度。吉林市自来水公 司采用气浮法处理低温低浊度水的工艺流程图见图1 2 l 引。 源水 图1 2 溶气浮选工艺流程图 1 2 3 微絮凝接触过滤法 利用接触过滤达到净化低温低浊度水的目的。中国市政工程东北设计院于七 十年代中期开始采用三层滤料滤池和双层滤料滤池进行模型和生产性试验，后来 又采用单层粗滤料试验，都获得良好的净化效果【9 1 。微絮凝接触过滤法的原理是 滤池上层滤料空隙甚小，滤料表面有一定的化学特性，在源水中投加混凝剂后， 再投加助凝剂，立即直接进入滤池，在滤料层中形成微小絮凝体，其中一部分被 截留；另一部分被滤料吸附，呈现具有微絮接触吸附过滤作用，从而达到除浊目 的。这种工艺要求是：( 1 ) 胶体颗粒在滤料空隙中有充分接触碰撞机会：( 2 ) 微絮体 碰上滤料表面即被吸附截留：( 3 ) 一经吸附，就不易脱落下移( 即穿透滤层) 。前两项 可采用适量的混凝剂和选用较粗粒径颗粒即可满足；最后一项要求必须通过助凝 5 剂( 活化硅酸) ，借助氢键作用与滤料表面吸附。因为活化硅酸是一种阴离子型高分 子链状物，有一定的链长，且带负电荷，可与滤料表面正电荷相吸附，所以粒子 更容易被捕获吸附住，起到吸附过滤作用。此外活化硅酸受水温和p h 值影响范围 较宽，水温虽然较低，仍可获得较好效果，且可节省投药量。例如，当水温 1 ) ，两 颗粒间相互作用可用两平板相互作用来近似。图2 3 代表了这类颗粒相互作用的 v t h 曲线。在该曲线上一般存在一个极大值v 。( 见图2 4 中曲线1 ) ，v 。称为能峰。 这样，当两个颗粒在靠近排斥能峰时，在静电斥力作用下将重新分开，不能发生 凝聚。由图2 4 的v t h 曲线的分析可得出如下几点结论哺1 ： n ) 根据胶体化学作用势能曲线的变化趋势，扩散层厚度大致可取为1 k 的3 倍，因此，较强的胶体化学相互作用将发生在6 k 的距离范围内。 ( 2 ) 范德华引力势能曲线决定于h a m a k e r 常数值，因此对给定的胶体颗粒间 的相互作用，它是不变的。然而，双电层作用势能曲线却随着溶液条件的变化而 变化。这是因为该势能决定于n o 和k 1 等受溶液条件控制的参数。 ( 3 ) 当双电层作用足够强时，v r h 曲线上存在一正的极大值v 。，见图2 4 中曲线1 。随着双电层作用减弱，即双电层作用势能曲线下移，极大值减少以至最 终消失或为负值，见图2 4 中曲线2 。这时，颗粒问将发生脱稳而凝聚。水处理中 的混凝过程就是为了实现这样的变化。 ( 4 ) v a - - - h 曲线上排斥能峰屹- 0 的电解质浓度称为混凝的临界电解质浓度 c s 。当溶液中实际的电解质浓度等于或大于c s 时，k 为零或负值，颗粒迅速发生 凝聚。随着电解质中的离子价数升高，c s 值将减低。因此，电解质中离子价数越 高，促进颗粒脱稳凝聚所需浓度越低。