（市政工程专业论文）强化混凝改善阳澄湖饮用水水质技术研究.pdf

摘要 摘要 根据我国水源水污染现状及给水处理的发展情况、强化混凝技术在国内外 的研究和发展状况以及结合昆山自来水集团的水源水的特征( 冬季低温低浊， 夏季藻类较多) ，利用强化混凝工艺对庙泾河水厂工艺进行研究，从而降低出 水浊度，达到改善水质目的。本文从三个方面进行研究，包括实验室静态杯罐 试验、生产性试验、中试试验。 实验室静态杯罐试验证明：混凝剂的稀释度对混凝效果有很重要关系，并 且稀释混凝剂采用溶剂的纯度对水质的净化效果也有很大影响。不同沉降时间 对模拟出水水质的影响试验说明了选择合适的沉淀时间是试验的关键之一。在 p a c 中投加不同量铁盐的试验表明虽然在p a c 中加铁盐能减少出水中颗粒数， 但由于铁离子具有颜色，引起水的色度增加，最终导致出水浊度升高。通过对 助凝剂研究结果表明活化硅酸采用同时投加方式以及投加量为0 7 5m g l 时处理 效果最佳。在p a c 投加量为2 0m g l 时硅藻土与p a c 同时投加对浊度和颗粒数 的去除效果优于其他两种投加方式，此时硅藻土投加量为2 0m g l 时沉淀出水浊 度和颗粒数去除效果最好。试验同时反映了浊度与颗粒数之间的相关性又能反 映两者的测量原理的不同。在p a c 与p a m 同时投加及两者投加量分别为2 0 m g l 、0 4m g 时，浊度和 2 岬1 的颗粒数的都达到最小值，两者去除趋势相同。 并且在此试验结果基础上得出在p a m 迟后于p a c 投加1 0 m i n 时对浊度和 2 m 的颗粒数的有最好的去除效果。 生产性试验证明：混凝剂投药量为2 0 m g l 时出水水质最好，并且相对于原 水水质，浊度和颗粒数的去除率达到7 5 以上。在预臭氧投药量为o 8m g l 时 沉淀池出水水质最好，浊度和 2g m 的颗粒数分别为1 5 5n t u 和6 7 0 0 个m l 左右。投加活化硅酸的生产性试验表明随着水温和活化硅酸投加量的增大，对 浊度以及颗粒物总数的去除率都有所降低。 中试试验证明：随着p a c 投加量的增加，沉淀出水的浊度和 20 m 的颗粒 数呈下降趋势，网格絮凝沉淀池在同样投加量的情况下要比机械搅拌沉淀池出 水水质好，并且相同出水效果时前者比后者的投加量要少。改变搅拌条件对出 水水质影响不是很大。从整体上来看网格絮凝沉淀池的处理效果占有优势。 摘要 关键词：强化混凝，颗粒计数，助凝剂，活化硅酸 a b s t r a c t a b s t r a c t e n h a n c e dc o a g u l a t i o nw a sc a r r i e do u ti nt h ej i n g h er i v e rp l a n tt or e d u c ew a t e r t u r b i d i t ya n di m p r o v et h ew a t e rq u a l i t ya c c o r d i n gt ot h es t a t u sq u oo fw a t e rp o l l u t i o n i nc h i n a , t h ed e v e l o p m e n to fw a t e rt r e a t m e n t ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f e n h a n c e dc o a g u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la n dc o m b i n i n gt h e r o ww a t e rc h a r a c t e r i s t i c s ( 1 0 wt e m p e r a t u r ea n d l o wt u r b i d i t yi nw i n t e r ，h i g ha l g a ei n s u m m e r ) t h r e ea s p e c t sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gt h el a b o r a t o r yj a rt e s t p r o d u c t i o nt e s ta n dp i l o tt e s t s t a t i cl a b o r a t o r yj a rt e s t sp r o v et h a to ft h ed i l u t i o nr a t eo fc o a g u l a n th a sav e r y i m p o r t a n tr e l a t i o n s h i pw i mc o a g u l a t i o ne f f e c t , a n dt h ew a t e rq u a l i t ya r ea l s og r e a t l y a f f e c t e db yt h es o l v e n t s s e l e c t i n gt h es u i t a b l es e t t l e m e n tt i m ei so n eo f t h ek e y s t h e t e s to f p a ca d d i n gd i f f e r e n tv o l u m ef e r r i cs a l ts h o w st h a ti tc a nr e d u c et h en u m b e ro f p a r t i c l e si nw a t e r ，b u tt h ef e r r i ci r o nc o l o ri nw a t e rc a u s e dc h r o m a t i c i t yi n c r e a s e d ， w h i c he v e n t u a l l yl e a dt ow a t e rt u r b i d i t yi n c r e a s e d i ti ss h o w e dt h a tt h r o u g ht h e s t u d i e so fc o a g u l a t i o na i dp a ca n da c t i v a t e ds i l i c i ca c i da d d e ds y n c h r o n o u s l yi s b e t t e rt h a no t h e r sa n dt h ea c t i v a t e ds i l i c i ca c i dw i t ht h ed o s a g eo f0 7 5 m g lh a sb e s t t u r b i d i t yr e m o v a le f f e c ta n dp a r t i c l er e m o v a le f f e c t p a ca n dd i a t o m i t e a d d e d s y n c h r o n o u s l yi sb e t t e rt h a no t h e r sw i t ht h ep a cd o s a g eo f2 0m # la n dd i a t o m i t e d o s a g eo f2 0m g l t h et e s tn o to n l yr e f l e c t st h ec o r r e l a t i o no ft u r b i d i t ya n dt h e n u m b e rp a r t i c l e s ，i tr e f l e c t st h ed i f f e r e n tm e a s u r e m e n tp r i n c i p l eb e t w e e nt h et w o p a ca n dp a ma d d e ds y n c h r o n o u s l yi sb e t t e rt h a no t h e r sw i t ht h ep a c d o s a g eo f2 0 m g n a n dp a md o s a g eo f2 0m g l b o t ho ft h e mh a v et h es a m er e m o v a lt e n d e n c y a n db a s e do nt e s tr e s u l t s a d d i n gp a ma f t e ra d d i n gp a ca b o u t1 0r a i nh a st h eb e s t r e m o v a le f f i c i e n c yo nt h et u r b i d i t ya n d 2u mp a r t i c l e s p r o d u c t i o nt e s t sp r o v et h a tr e l a t i v et ot h er a ww a t e rq u a l i t y ，t h ec o a g u l a n t d o s a g eo f2 0m g 几，w a t e rq u a l i t yi st h eb e s ta n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft u r b i d i t y a n dp a r t i c l ec o u n t i n gi sm o r et h a n7 5p e r c e n t w i t ht h ep r e o z o n ed o s a g eo fo 8m g l ， s e d i m e n t a t i o nt a n ke f f l u e n ti st h eb e s ta n dt h et u r b i d i t ya n d 2p mp a r t i c l ec o u n t i n g a b s t r a c t a r e1 5 5n t ua n d6 。7 0 0 个m ls e p a r a t e l y t h ep r o d u c t i o nt e s to fa d d i n ga c t i v a t e d a c i di n d i c a t e st h a tw i t ht h ew a t e rt e m p e r a t u r ea n da c t i v a t i o na c i dd o s a g ei n c r e a s e d , t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft u r b i d i t ya n dt o t a li sm o r et h a n7 5p e r c e n t w i t ht h e p r e o z o n ed o s a g eo f 0h a sd e c r e a s e d p i l o tt e s t ss h o wt h a tw i t hp a cd o s a g ei n c r e a s e d , t h es e d i m e n t a t i o nw a t e r t u r b i d i t ya n d 2p a np a r t i c l ec o u n t i n ga r eo nad o w n w a r dt e n d e n c y o nt h es i t u a t i o n o fs a m ed o s a g e ，t h ew a t e rq u a l i t yo fg r i dc o a g u l a t i v ep r e c i p i t a t i o nt a n ki sb e t t e rt h a n t h a to fm e c h a n i c a la g i t a t i o np r e c i p i t a t i o nt a n k , a n dt h ef o r m e ra d d i n gd o s a g ei sl e s s t h a nt h el a t t e t sw i t ht h es a m ew a t e rq u a l i t y c h a n g i n gt h em i x i n gc o n d i t i o n sd o e sn o t h a v eg r e a ti m p a c to nt h ew a t e rq u a l i t y f r o mt h eo v e r a l lt oa n a l y z e ，c o a g u l a t i v e p r e c i p i t a t i o nt a n kt a k e sa d v a n t a g eo nt h et r e a t m e n t e f f e c 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 , p a r t i c l ec o u n t i n g ，c o a g u l a t i o na i d ，a c t i v a t e ds i l i c a 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学攀储獬：玉r 仙 籼甚年弓月肋日 指导教师签名：学位论文作者签名：毒ll 乱气b 厶学年弓月风日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 7 气 轧 月 i 1 7 i_i-1 一 ，1l、 年 、& po ： 2 名签耆作丈沦位学 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 饮用水常规处理技术的局限性 饮用水常规处理技术即：混凝、沉淀或澄清、过滤和消毒，至今仍被世界 大多数国家所采用，是目前饮用水处理的主要工艺。饮用水常规处理工艺的主 要去除对象是水源水中的悬浮物、胶体物质和细菌。以水中的浑浊度、色度和 细菌总数为工艺控制的主要目标，对于水质良好的水源，常规处理工艺可获得 安全合格的饮用水【”。随着工业的迅速发展，水体的污染日益加重，同时随着水 质分析技术逐渐改进，水源水和饮用水中微量污染物的种类不断增加，使水体 的物理、化学性质认识发生了显著变化，面对这些变化常规工艺处理显得力不 从心。同时，面对水源水质的变化( 除了原有的泥沙、胶体物质和病原微生物 外，还有有机污染物、高氨氮、消毒副产物、水质生物稳定性等) ，大量文献 表明，受污染水源经常规的混凝、沉淀和过滤，只能去除水中有机物2 0 3 0 ； 且由于溶解性有机物的存在，不利于破坏胶体的稳定性而使常规工艺的原水浊 度去除效果明显下降( 仅为5 0 6 0 ) ，用增加混凝剂投量的方式来改善处理 效果，不仅增加了水处理成本，而且可能使水中金属离子浓度增加，不利于居 民的身体健康；试验表明，对于分子量1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 的有机物通过混凝沉淀可 去除8 0 以上，对于分子量3 0 0 0 1 0 0 0 0 的有机物，混凝沉淀也可去除5 0 左右。 常规处理工艺对氨氮的去除率仅为1 5 左右，目前国内大多数水厂都采用折点 加氯的方法控制出厂水氨氮浓度，但由此产生的大量有机卤代物又导致水质毒 理学安全性下降；预氯化产生的卤代物在常规工艺处理中不能得到有效去除， 后氯化消毒产生的消毒副产物比前者毒性更大。从饮用水中去除这些微污染物 己成为当前水处理的首要任务。因此，在现有常规处理技术与工艺的基础上， 必须开发应用新的水处理技术，以适应水源污染和水质标准的提高。从2 0 世纪 7 0 年代开始，经过几十年的努力，国内外水处理工作者已经研究开发出许多水 处理的新技术新工艺，并且已有大量的工程应用取得了较好的净化效果。 第1 章绪论 1 2 强化混凝技术的内涵及与其它工艺的比较 1 2 1 强化混凝技术的内涵 有关凝聚、絮凝的概念已有较多的论述，鉴于混凝现象的复杂性乃至混杂 性，一直对其缺乏科学的定义【2 】。一方面，沿袭着传统的观点如凝聚( c o a g u l a t i o n ) 与絮凝( f l o c c u l a t i o n ) 的概念，以及在水处理界中所用以分指整个处理过程中 的两个较为明显的步骤，虽然也常常不加区分以同义词看待或以混凝概之；另 一方面，针对一些特殊的过程或为了强调某些具体特征，出现了一些新概念且 得到不断地修正。这从某种角度上反映了混凝理论的进展与存在的不足，因此 在这里作下述的限定：混凝( c o a g u l a t i o n c o a g u l a t i o n f l o c c u l a t i o n ) 是指对混和、 凝聚、絮凝的总括，具有广义与狭义的双重性。广义而言，混凝泛指自然界与 人工强化条件下所有分散体系( 水与非水或混合体系) 中颗粒物失稳聚集生长 分离的过程。而狭义上指水分散体系中颗粒物在各种物理化学流体作用下所导 致的聚集生长过程。引发混凝过程的化学药剂概称为混凝剂，涵盖了所有无机 型、有机型、混合型、复合型、天然型乃至助凝剂在内的或低分子凝聚剂或高 分子絮凝剂。目前，有关纳米颗粒物的形成与聚集过程的研究进一步丰富了混 凝的内涵，必将增进对混凝机理的深入认识。 而强化混凝的概念由来已久，早在美国a w w a 会刊( 1 9 6 5 ) 的一篇论文中有 所论述。而美国水工协会在2 0 世纪9 0 年代提出的强化混凝是指水处理常规混 凝处理过程中，在保证浊度去除效果的前提下，通过提高混凝剂的投加量来实 现提高有机物( 相应的也即消毒副产物d i s i n f e c t i o nb y - p r o d u e t s d b p 前驱物) 去 除率的工艺过程 3 】。这一强化混凝的概念也即基于混凝剂投加量的提高或反应 p h 条件控制的混凝过程。 1 2 2 强化混凝与其他工艺比较 强化混凝( e n h a n c e dc o a g u l a t i o n 简称e c ) 是指在常规处理工艺流程中在混 凝处理时投加过量的混凝剂、新型混凝剂或助凝剂或者是其他的药剂并控制一 定的p h 值，通过加强混凝与絮凝作用，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 2 第1 章绪论 毒副产物符合饮用水标准的方法。 混凝与强化混凝区别： ( 1 ) 去除效果明显不同：常规饮用水处理工艺只能去除水中有机物2 0 3 0 ， 且由于溶解性有机物存在，不利于破坏胶体的稳定性而使常规工艺对原水浊度 去除效果也明显下降，仅为5 0 6 0 ；强化混凝处理有机物去除率可达6 0 6 5 。 ( 2 ) 目的不同：常规混凝以除浊为目的，而强化混凝在除浊的同时强调对有 机物的去除。 ( 3 ) 强化混凝较常规混凝对去除藻类比常规混凝有更好的效果。 ( 4 ) 强化混凝去除有机物的机理主要包括胶体状自然有机物( n o m ) 的电中 和作用，腐殖酸和富里酸聚合体的沉淀作用，以及吸附于金属氢氧化物表面上 的共沉淀作用。混凝机理包括电性中和、吸附架桥和卷扫作用。 从表1 1 可以看出，与增加深度处理及生物预处理相比，强化常规水处理具 有投资省、不需建造新的构造物、不占土地以及经常运行费用低等优点，更适 合对原有系统的改造。 常规净水工艺的改造有以下几种方法：增加深度处理构筑物，如活性炭吸 附技术；增加预处理构筑物，如生物预处理( 接触氧化池或生物滤池) ；不增 加常规工艺前、后的净化构筑物，在现有工艺上改造，如强化混凝、强化过滤、 优化消毒。各方法的基本特性如表1 1 所示： 3 第1 章绪论 表1 1 强化混凝工艺与其它工艺比 4 】 工艺 去除效果( )增加费用 工艺作用机理复杂功能 有机物a i i l e s 致亚硝酸 色 基建运行 a o c 氨氮嗅 性 c o d 突活性 盐 冠m 3 d耐 味 常规工混凝接触 去浊消毒 2 0 少量负增长1 0 - 2 0负增长 艺凝聚定 活性炭 物理吸附 由 很 部分生物去除有机物2 0 5 0部分很有效少量少量有8 0 - l o od 1 2 - o 1 5 吸附高 降解效 生物预生物降解 由一 去除氨氮、 部 亚硝酸盐、 l o - 2 5有效不明显8 5 9 c9 01 0 0 _ 1 2 0o 0 9 处理吸附、絮凝高分 有机物 强化混 创造良好 水力条件 低充分发挥混少 凝 由 凝作用 1 5 2 0少量不明显8 08 0 量 50 0 3 - o 0 5 吸附架桥 1 3 强化混凝技术的机理及其常用方法 1 3 1 强化混凝机理 水处理中的混凝现象比较复杂 5 1 1 6 。不同种类混凝剂以及不同的水质条件， 混凝作用机理都有所不同。d l v o 理论的提出【_ ”，使胶体稳定性及在一定条件下 的胶体凝聚的研究取得了巨大进展。目前认为，混凝剂对水中胶体粒子的混凝 作用有三种：电性中和、吸附架桥和卷扫作用。 强化混凝主要是通过改善混凝条件使有机物去除范围和去除率进一步扩大 和提高，其作用机理阐述如下：胶体稳定性的增加是由于大分子天然有机物在 无机胶体颗粒表面形成有机保护层，造成空间位阻或双电层排斥作用。混凝的 主要作用是去除水中悬浮颗粒和胶体微粒。一般认为混凝过程是混凝剂水解产 物对水中胶体进行电中和使其脱稳，从而形成细小的颗粒，继而絮凝为大而密 实的矾花，并通过吸附架桥或网捕作用使脱稳的胶体生成粒度较大的絮凝体， 再通过沉淀与过滤进行分离去除。而水中分子质量较小、溶解度较大的有机物 4 第1 章绪论 ( 主要是腐殖酸类中的富里酸等) 在一般混凝条件下去除率很低。主要原因是 由于其具有良好的亲水性而不易被混凝剂的水解产物一金属氢氧化物所吸附， 有机物不但增加了胶体表面电荷，而且造成空间位阻效应。但是，如果通过改 善混凝处理条件，即在低p h 、高混凝剂用量的强化混凝条件下形成大量金属氢 氧化物，改善混凝剂水解产物的形态且使其正电荷密度上升，同时低p h 条件会 影响有机物离解度和改变水中有机物存在形态。有机物质子化程度提高，电荷 密度降低，进而降低其溶解度及亲水性，成为较易被吸附的形态。r a n d t k e 认为 强化混凝去除有机物的机理主要包括胶体状自然有机物( n o m ) 的电中和作用， 腐殖酸和富里酸聚合体的沉淀作用，以及吸附于金属氢氧化物表面上的共沉淀 作用。对水中溶解性的有机物而言，依靠后一种作用即吸附于混凝剂的金属沉 淀物上而去除。例如北京第九水厂的生产实践表明，在相同加药量下，机械搅 拌澄清池对有机物和消毒副产物前体物的去除效果要优于反应池一沉淀池工 艺，其原因就是在机械搅拌澄清池中大量保持的矾花可以充分发挥其吸附作用， 而反应沉淀工艺中矾花形成后即被沉淀去除，其吸附潜力尚未完全发挥。 1 3 2 强化混凝技术常用方法 ( 1 ) 加大混凝剂投加量，使有机物的水化壳压缩，水解的阳离子与有机物 阴离子电中和，消除由于有机物对无机胶体的影响，从而使无机胶体脱稳。不 同的水质对混凝剂用量的要求不同，混凝剂对水中大分子有机物( u v 2 ”值较大) 和憎水性有机物有较好效果。 ( 2 ) 投加有机或无机絮凝剂，采用具有絮凝作用的新型混凝药剂( 如聚硅 酸盐铁盐等) ，增加吸附、架桥作用，使有机物易被絮体粘附而下沉。 ( 3 ) 调正p h 值：水的p h 值对有机物去除影响明显。当原水p h 较高时， 可通过加酸来降低p h ，一般有机物较多时，p h 为5 - 6 的条件有利于形成腐殖酸、 富里酸的聚合物。加酸一般加在混凝剂投加前，以促使混凝剂水解形成高价正 电荷。 ( 4 ) 投加氧化剂，使有机物氧化( 锰酸钾氧化、粉状炭吸附) 。水体中的 有机成分是增强水中胶体浊质稳定性的主要因素，我国的姚重华等人的研究结 果表明，如果黏土悬浮液中的腐殖酸的浓度增至3m g l ( 以t o c 计) ，硫酸铝 的投量将增至5 8 倍，如果腐殖酸的浓度增至7m g l 则硫酸铝的投量需增加到 5 第1 章绪论 原来的l o 2 倍才能达到同样的混凝效果。利用常规的混凝剂再辅助以助凝剂处 理这种有机污染严重的水质，不能取得良好的处理效果。因此需要高锰酸钾等 强氧化剂来氧化水中的有机成分，以促进混凝剂的混凝效果，达到净化有机污 染的水质的目的。 ( 5 ) 完善混合、絮凝等设施，从水力条件( 控制g 和g t ) 上加以改进， 使混凝剂能充分发挥作用。比如增加混合与絮凝反应的时间、选用澄清工艺等 使药剂充分发挥作用。 ( 6 ) 铝盐混凝剂改为铁盐混凝剂( 铁盐比铝盐更易于形成与腐殖酸和富里 酸的聚合物) ；也可以起到强化混凝的效果。 1 4 强化混凝技术的影响因素及存在的问题 1 4 1 强化混凝技术的影响因素 影响强化混凝的因素比较复杂【引，其中主要包括：混凝水力条件、口h 值、 混凝剂的类型及投加量等。 ( 1 ) 水力条件的影响：水力条件对混凝效果有重要影响，在混合阶段，要 求药剂迅速而均匀地扩散到水中，为此被处理水应在短时间内进行激烈紊动； 到了反应阶段，要求水的紊动程度逐渐减弱，停留时间延长，以创造足够的碰 撞机会和良好的吸附条件，使微小的絮体继续成长 9 】。 ( 2 ) p h 值的影响：水的p h 值对混凝效果的影响程度，视混凝剂的品种而 定。对铝盐而言，水的p h 值直接影响a 1 3 + 反应，亦即影响铝盐水解产物的存在 形态；对铁盐而言，适用于水的p n 值范围就大一点；对高分子混凝剂而言，混 凝效果受水的p h 值影响较小。所以p h 值是影响混凝效果的一个上要影响因素 【1 0 】。 对于腐殖酸最佳去除p h 在4 - 6 之间，富里酸为5 - 6 。调低p h 对于提高t o c 的去除率是明显的。( p h 为7 2 时，t o c 去除率为1 0 4 ；当p h 为6 0 时，投 加量不变，t o c 去除率可达3 7 5 ) 。一般认为，当p h 为5 - 6 时，混凝对有机 物的去除为最佳，p h 较高或较低都将影响有机物的去除。 ( 3 ) 混凝投加量的影响：混凝剂投加量在试验过程中起到举足轻重的作用 【“】【1 2 1 混凝剂投加量不足，几乎没有形成凝聚，水中的杂质甚至保持原有的状态 6 第1 章绪论 存在；投加量过多造成水中混凝剂正电荷过多，同杂质不吸附结合，互相以分 散状态存在处理费用增加和污泥处理的困难。合适的投量应该根据水源水质特 点和处理后水质要求来确定。因此确定混凝剂投加量很关键【13 1 。 有关p h 值对于混凝的影响，国内外学者己有不少的研究。p h 值及混凝剂 的投加量是影响混凝剂水解产物的重要原因【1 4 1 。因此，通过强化混凝处理，可 以较明显提高水中有机物的去除率，技术的关键是控制好混凝的p h 值和混凝剂 投加量【15 1 。 ( 4 ) 混凝剂的类型的影响：无机( 铁盐及铝盐) 混凝剂对t o c 去除效果 比有机混凝剂好。因为有机阳离子高分子混凝剂在天然水的混凝过程中，只能 产生电中和作用并参与腐殖酸和富里酸的沉淀，能吸附有机物。而铝盐和铁盐 不但可以起电中和作用使胶粒脱稳形成腐殖酸和富里酸的铝、铁聚合物以利于 沉淀去除，而且还能在形成的金属氢氧化物的表面提供强烈的吸附作用，同时 还有网捕作用。相同投量铁盐比铝盐好。 ( 5 ) 水温的影响：根据试验显示，水温对t o c 的去除没有影响，但是低 温降低了t 讧s 形成的速率和范围。 ( 5 ) 原水水质：原水水质对混凝效果的影响很大，原水中的有机物主要由 有机颗粒和大分子有机物组成时，混凝可以有效地去除水中t o c 。水源水的腐 殖质含量极大地影响到t o c 和u v 2 “的去除，如混凝去除腐殖类和高分子量有 机物的效果比去除非腐殖类和低分子量有机物好。 1 4 2 强化混凝技术存在的问题 虽然相对于深度处理及预处理强化混凝有其独特的优点，但它的应用也带 来一些问题，在实际应用中应予重视，如： ( 1 ) 由于大剂量投加混凝剂，水处理系统产生的污泥量也必然增加，原有 的污泥脱水系统能力将会不足，强化混凝条件下，有可能不能达到理想的浊度 去除效果，从而增加滤池的运行负担。 ( 2 ) 总药耗有所增加，包括调节混凝p h 的硫酸消耗以及如果考虑腐蚀问 题调高出厂水p h 的碱石灰消耗等，导致水处理成本的增加。 ( 3 ) 对杂质微粒及病原体的去除不利，无机物的组成水平，腐蚀控制，p h 改变引起混凝条件变化有可能引起颗粒的重新稳定，因为混凝与e c 所要求的 7 第1 章绪论 p h 不一样。 ( 4 ) 对溶解性有机物、c o d 去除能力提高有限，对氨氮、矿物油等的去除 没有促进作用。 ( 5 ) 另外，要真正有效地控制出厂水d b p 生成浓度，消毒环节中还有问题 不可忽视。有研究表明，d b p 生成浓度与配水系统特别是清水库的停留时间及 水温有密切关系，停留时问越长，温度越高，d b p 生成浓度也越高。c h e n g 和 s m a r t 建议独立于清水库另建一座氯气接触池作为控制d b p 生成的强化混凝法 的辅助措施之一。 ( 6 ) 更重要的是，针对某特定的原水特性提出的降低反应体系p n 值和增 大混凝剂量的方式，并不一定对所有原水水质都奏效。 1 5 研究背景、内容及目的意义 1 5 1 课题研究背景 水是生命之源，是人类赖以生存的物质基础，是人类社会可持续发展的制 约因素，随着社会的发展和人口的增加，水资源短缺和水源污染问题日益严重， 原水中有毒有害化学有机污染物的含量正逐年上升【1 6 1 。与此同时，随着生活水 平的提高，对水质的要求也越来越严格。根据我国国情，从目前国内水域的污 染现状看，通过实施水污染治理工程，难以在短期内显著改善城市水源的水质 状况，因此许多城市不得不以受污染的水体作为饮用水水源。这就要求供水行 业要充分认识到饮用水水源水质的变化趋势，采取有效措施应对，保障供水水 质的可靠性和安全性。昆山市是我国全面建设“小康社会”的示范城市，提高 居民的饮用水安全保障水平是昆山生态城市建设、可持续发展目标实施以及提 高投资环境水平的必然要求。城市供水安全主要是城市供水水质安全和水量保 证，水质安全直接关系到城市居民的身体健康，是建设“和谐”社会的必然要 求。 随着经济的发展，人口的增加，不少地区水源短缺，有的城市饮用水水源 污染严重，居民生活饮用水安全受到威胁。1 9 8 5 年发布的生活饮用水卫生标 准( g b 5 7 4 9 - - 8 5 ) 已不能满足保障人民群众健康的需要。为此，卫生部和国 家标准化管理委员会对原有标准进行了修订，联合发布新的强制性国家生活 8 第1 章绪论 饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 - - 2 0 0 6 ) 【l 刀，新标准将于2 0 0 7 年7 月1 日起实施。 生活饮用水卫生标准的修订是保证饮用水安全的重要措施之一，在国家标 准化管理委员会协调下，由卫生部牵头，会同建设部、国土资源部、水利部、 国家环保总局，组织卫生、供水、环保、水利、水资源等各方面专家共同参与 完成了该项标准的修订工作。新标准具有以下三个特点：一是加强了对水质有 机物、微生物和水质消毒等方面的要求。新标准中的饮用水水质指标由原标准 的3 5 项增至1 0 6 项，增加了7 l 项。其中，微生物指标由2 项增至6 项，修订 了总大肠菌群1 项；饮用水消毒剂指标由1 项增至4 项；毒理指标中无机化合 物由1 0 项增至2 1 项，并修订了砷等4 项；毒理指标中有机化合物由5 项增至 5 3 项，修订了四氯化碳1 项；感官性状和一般理化指标由1 5 项增至2 0 项，修 订了浑浊度1 项；放射性指标仍为2 项，修订了总a 放射性1 项。二是统一了 城镇和农村饮用水卫生标准。三是实现饮用水标准与国际接轨口嗣。新标准水质 项目和指标值的选择，充分考虑了我国实际情况，并参考了世界卫生组织的饮 用水水质准则，参考了欧盟、美国、俄罗斯和日本等国饮用水标准。 昆山自来水集团有限公司始终坚持“安全优质供水，真诚服务社会”的企业宗 旨，全力保障城市供水事业不断发展壮大。特别是近年来，随着昆山市外向型 经济的迅猛发展，城市供水需求快速增长。在这样的形势下，要求公司尽快改 善和提高水厂出水水质。昆山市泾河水厂水源水为庙泾河水，其上游为阳澄湖。 近年来，由于庙泾河沿线水源保护工程的开展，污染问题得到一定程度缓解， 由于阳澄湖水流经傀儡湖再到庙泾河过程中的天然净化和沉降作用，主要水质 指标有了不同程度的改善。长期以来，阳澄湖原水水质具有南方水体“低浊、高 藻”的特征，且随季节、气候的变化发生水质波动，即夏季高藻，冬季低温低浊， 缺少混凝核心，导致混凝效果不佳。该厂使用的混凝剂冬季为聚氯化铝( 以下 简称p a c ) ，常规投量一般在2 0m g l 左右；夏季为硫酸铝，投量情况3 0m g l 。 经长期观察发现夏季投硫酸铝时沉淀池和滤池出水效果较好。在夏季使用硫酸 铝作为混凝剂时沉淀池出水浊度在1 5 3n t u ，滤后水浊度在0 6n t u 左右。但 由于目前水源水中s 0 4 。超标，该厂夏季仍采用p a c 为混凝剂。由于夏季水中 含有带负电藻类，具有较高的稳定性，藻类比重小并且其所含有的有机成分对 胶体产生严重保护作用，在投加混凝剂p a c 的情况下，混凝效果差，絮体小而 轻，沉淀效果差，沉淀池出水浊度超过3n t u ；为了降低沉淀池出水浊度，耗 药量显著增加，水中铝的剩余浓度升高。并且常规的处理工艺对水中的某些无 9 第1 章绪论 机污染物和溶解性的有机污染物的去除效果不理想，自来水有时有异味、c o d m 。 偏高。根据我国水源水污染现状及给水处理的发展情况、强化混凝技术在国内 外的研究和发展状况以及结合昆山自来水集团的水源水的特征( 冬季低温低浊， 夏季藻类较多) ，在不改变原有生产构筑物的基础上，利用强化混凝工艺最大 程度地发挥混凝工艺的处理效果，或使其具有某种新的处理功效，对水厂进行 改造从而降低出水浊度，达到改善水质目的。 1 5 2 课题可行性分析 在“太湖流域安全饮用水保障技术”国家8 6 3 研究项目中，上海市北自来 水公司采用活化硅酸作为助凝剂，并对各个单元进行优化，各水厂的出水浊度 稳定在0 1n t u 左右。同济大学环境工程学院在相同的8 6 3 项目中，采用粉末 沸石与混凝剂联用的方法，发现投加少量的粉末沸石可以明显提高絮凝体的密 实度，强化混凝效果明显。北京密云水库是北京市城市供水最重要的地表水源。 由于水质变化，藻类等明显增加，影响了絮凝效果。投药后形成的絮体细小。 密实度差。针对上述问题，开展了投加助凝剂，强化混凝，以改善污泥沉降性 能，降低沉淀池出水浊度。通过采用新型的混凝剂、助凝剂和高锰酸钾复合剂， 取得了良好的效果。 强化混凝的目的降低浊度、去除有机物和除藻等。由于原水水质日益恶化， 基础设施老化及新出现的化合物与微生物的威胁，很多地区在保持优良饮用水 水质方面面临巨大挑战。强化混凝是迎接该挑战的一种比较经济实用的方法。 根据上述各水厂的强化混凝的实践经验并结合昆山市自来水集团有限公司的实 际情况，强化混凝技术将用于改善水厂出水水质。 1 5 3 课题研究内容 根据昆山市自来水有限公司水厂现状，研究工作的基本原则为：尽可能的 在不增加构筑物的前提下，达到本项研究的基本目标。因此，本项研究初步确 定分三个阶段进行展开研究。三个阶段主要指实验室小试阶段、选择性中试阶 段、生产性试验阶段。根据研究进展，三个阶段过程可以相互交叉，达到研究 目的，缩短研究时间。 实验室小试：实验室小试是评价一种技术改造方案可行性的重要手段。主 l o 第1 章绪论 要利用杯罐试验对几种混凝剂的混凝效果进行比较，选出最佳混凝剂。根据最 佳混凝剂确定该混凝剂的最佳投加量以及搅拌的水力条件( 混合速度、混合时 间，絮凝速度、絮凝时间，沉淀时间) 并确定适合水样最佳p s 值。最后确定助 凝剂最佳投加量和最佳投加方式。该试验结果和强化过滤试验效果结合，进行 优化比选。 中试试验：主要根据小试的研究结论，对关键点进行中试方案验证，同时 参考现场情况，对小试方案进行修正。这一阶段的工作重点首先是各种模型、 设备的加工组装；通过分步调整法完成现场组合中试。通过中试一系列工作， 对各种数据成果进行分析，可以提供现有生产构筑物的技术调整意见报告。 生产性试验：结合小试研究结论和中试的技术调整方方案，对一组生产构 筑物进行生产性试验，对小试和中试的试验成果进一步筛选和加强，不断地发 现和解决问题。从而使实际生产运行成功最后投入生产。根据试运行情况提出 研究报告。 通过对混凝剂、助凝剂的选择以及对工艺过程的优化，最终选出适合于阳 澄湖水质的强化常规处理优化组合工艺，将出厂水浊度控制在0 1n t u 。 第2 章试验仪器及其水质分析方法 第2 章试验仪器及其水质分析方法 2 1 试验仪器 本研究主要采用的试验仪器如表2 1 所示 表2 1 试验仪器 检测项目分析仪器设备 浑浊度美国h a c h2 1 0 0 n 型浊度仪 颗粒数i b r 便携式颗粒计数仪 p h 值 雷磁p h s 一3 c 精密p h 计 c o d r h 标准酸性高锰酸钾法 z e t a 电位英国马尔文公司z e t a s i z e r n a n oz 型电位仪 u v 2 5 47 5 5 b 型分光光度计 t o c 日本岛津( s h i m a d z u ) 的t o c v c p h 型t o c 仪 分子量分布日本岛津( s h i m a d z u ) l c 1 0 a d v p 型凝胶色谱仪 2 2 试验水质分析方法 2 2 1 浊度的测定 ( 1 ) 浊度特性 浊度是由水中所存在的颗粒物质如粘土、淤泥，胶体颗粒，浮游生物及其 他微生物而形成的，它是水对光的散射和吸收能力的量度，其数值大小与水中 颗粒的数目、大小、折光率及入射光的波长有判1 9 】。所以浊度是水中悬浮物及 胶体含量的一个替代参数，指水样对光线散射和吸收所产生的一种光学性质， 反映天然水体物理状况。 ( 2 ) 浊度来源 浊度的颗粒尺寸范围在ln t n 到lm e i l ，可分为三类：粘土颗粒最大直径约 0 0 0 2m m ；由植物和动物碎片分解而成的有机颗粒；纤维状颗粒，如石棉等。 1 2 第2 章试验仪器及其水质分析方法 ( 3 ) 供水水质与浊度的关系 水的浊度与许多饮用水水质项目有关或发生影响，例如，原水或过滤水的 高的浊度与表观色度、味、嗅有关；这部分不是真色，真色是除浊后所遗留的 色度，5 0 的色度是腐殖质的胶体组分造成。浊度对饮用水水质有显著的影响， 它影响细菌和病毒的测定，更重要的是浊度会促进细菌的生长繁殖，因为营养 物质吸附在颗粒的表面上，因而使附着的细菌较那些游离的细菌生长繁殖更快。 浊度的另一主要问题是影响消毒，削弱消毒剂对微生物的杀灭作用并增加需氯 量，游离氯为0 1 0 5 m g l ，接触至少3 0 m i n 的4 n t u 和8 4 n t u 的水中曾发现 大肠杆菌，在浑浊水中余氯为0 3 5m g l 以上时，发现艾氏大肠杆菌的存在。 某些悬浮颗粒的吸附容量导致有害无机和有机化合物在水中出现。这方面 最重要的是浊度的有机或腐殖质组分。 早就有报导腐殖质的分子结构贯串着不同大小的孔洞，可以捕获或固定有 机物如烷烃，脂肪酸，磷苯二甲酸酯，还可能有碳水化合物，缩氨酸和农药以 及无机化合物，金属离子和氧化物 2 0 1 。也有报导，在水处理过程中随水的浊度 的降低，有机物含量，a m e s 致突变试验的致突变率m r 值也随之降低【2 1 1 1 2 2 1 。 2 2 2 颗粒数的测定 随着各种先进水处理工艺的推广应用，越来越趋严格化的水质标准使得浊 度仪的测定已达到了其灵敏度的极限，因此以颗粒计数方式对水处理工艺过程 与出水中的水体颗粒物进行监测与表征得到越来越广泛的应用【2 3 】。 颗粒物计数仪使用精确的激光二极管光源，形成一束非常狭小有非常明亮 的激光，其与被检测的液体流向垂直。入射光束由于被液体中的粒子阻挡而减 弱，这时瞬时的光强变化引起光电二极管接受电压信号的变化，该变化与粒子 通过光束时的截面积成正比。每一个粒子通过光束时引起一个电压脉冲信号， 脉冲信号的多少反映了粒子的数量。不同粒径的颗粒物数目有不同的测量频道 获得。与在线浊度仪不同，在线颗粒物计数仪具有无滞后性和高精确性，其测 量结果直接反映了工艺出水中颗粒物的物理参数，即颗粒物的总量( 个m l ) 和 粒径分布，而在线浊度仪的测试原理决定了它所测试的水样是滞后于工艺出水 的，且浊度值主要能反映小于1t t m 的颗粒含量，对于大于2i , t m 的颗粒检测精 度显著下降。 1 3 第2 章试验仪器及其水质分析方法 激光 f ，0 图2 1 颗粒计数仪测定原理 光电二援臂 本研究中的便携式颗粒计数仪采用高分辨率的激光二极管作为监测器，量 程可达1 8 ，0 0 0 个m l ，仪器内部供电电压为1 2 1 4v d c ，测量范围为