（流体机械及工程专业论文）富营养化湖泊水体处理船前期设计及岸基实验.pdf

富营养化湖泊水体处理船前期设计及岸基实验 摘要 湖泊富营养化问题已经成为世界性的环境灾害，尤其是蓝藻的季节性爆发 严重阻碍了流域内人民生活水平的提高和经济的发展。解决湖泊富营养化问题 的研究不仅是我国急需解决的重大环境问题之一，在国际上同样具有重要的科 学意义。 本论文在中科院离子束生物工程学实验室絮凝磁分离实验室技术的基础上 进行了应用基础研究，概念设计出小时处理量为1 0 0 0 m 3 的湖泊净水浮船，并对 絮凝磁分离工艺中关键部件进行了设计或选型，分析了不同部件对处理效率或 处理效果的影响。主要结果包括： 1 - 从磁絮凝磁分离技术的工艺着手，提出了此技术在湖泊中应用所需设备 的模块设计，并给出了概念设计三维图，对设备的工作流程做了详细说明。 2 根据设计手册对浮船的絮凝剂悬浊液配置及投加系统进行了设计，结合 常规絮凝工艺给出了混合方式的选型和实验方案。 3 对已经在水处理中成熟应用的两种磁分离结构进行了介绍，根据处理湖 泊水的实际情况选择盘分离结构。对比磁性材料性能和价格选择钕铁硼作为磁 块材料；从理论分析和数值计算两个方面分析后，选择了5 0 5 0 2 5 m m 尺寸磁块； 对磁盘结构进行了机械设计，给出了机械结构设计图和三维装配示意图，取磁 盘两侧盖板厚度为4 m m ，盖板用铆钉连接；给出了五个磁盘中试分离部件的机 械装配图。 4 在设计的基础上制造出五个磁盘为一组的磁分离装置，使用该装置进行 巢湖岸基试验，试验中分析了主要因素对污水处理效果的影响作用。在实际试 验中验证了该装置的处理效果，经过处理的水体能达到国家三类水质标准。 关键词：富营养化；水处理；磁絮凝；磁分离；机械装置； t h e f o r e d e s i g n i n go fe u t r o p h i c a t i o nl a k ew a t e r t r e a t m e n tv e s s e l a n dl a k e s h o r ee x p e r i m e n t a t i o n a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o no fw a t e rb o d i e sh a sb e c o m ea ni n t e r n a t i o n a le n v i r o n m e n t a l d i s a s t e r i nc h i n a ，t h ec r i s i s - t h er e s u l to fy e a r so fi n d u s t r i a lp o l l u t i o na n d u n t r e a t e ds e w a g ed i s c h a r g e i sw o r s e n i n g d e s p i t e n a t i o n a l p u s h t or e d u c e n o t o r i o u sp o l l u t i o nl e v e l e x c e s s i v ea l g a eh a sb e c o m et h ed o m i n a n tp l a n ts p e c i e s ， c o v e r i n gb e a c h e si ns l i m ym o s sa n dk i l l i n go f f n a t i v ea q u a t i cs p e c i e sb ys o a k i n gu p a 1 1o ft h eo x y g e n h a r m f u ls e a s o n a la l g a l b l o o m ss e r i o u s l yh i n d e rt h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n ta n ds t a n d a r do fl i v i n g t oa d d r e s st h es o l u t i o n sf o rt h ep r o b l e mo f w a t e rb o d i e se u t r o p h i c a t i o ni sn o to n l ya nu r g e n tn e e di ne n v i r o n m e n t a li s s u e sb u t a l s oa ni n t e r n a t i o n a ls c i e n t i f i cg o a l i nt h i st h e s i s ，ab a s i ca n da p p l i e dr e s e a r c ho nt h ef l o c c u l a t i o ns e p a r a t i o nw i t ha m a g n e t i s mt e c h n o l o g yf o rt h ec h a o h ul a k ew a t e rw a sp e r f o r m e db a s e do np r e v i o u s w o r k af l o a t i n gp o n t o o np l a t f o r mw a sd e s i g n e dt ot r e a tp o l l u t e dw a t e ra tt h es p e e d o f10 0 0 m 3 h f u r t h e rd e s i g na n ds e l e c t i o no fk e yc o m p o n e n t si nt h ep r o c e s so f s e l e c t i v ef l o c c u l a t i o na n dm a g n e t i cs e p a r a t i o nw e r em a d ea n dt h ee f f e c t so f d i f f e r e n tc o m p o n e n t st ot h ee f f i c i e n c yo fw a t e rt r e a t m e n tw e r ei n v e s t i g a t e d t h e m a i nr e s u l t sa r el i s t e di nt h ef o l l o w i n g 1 a ne q u i p m e n tt oi m p l e m e n tt h es e l e c t i v ef l o c c u l a t i o n a n dm a g n e t i c s e p a r a t i o nt e c h n i q u e si nl a k ew a t e rt r e a t m e n tw a sd e s i g n e d t h r e e v i e wd r a w i n g s a n dw o r k f l o wo ft h ee q u i p m e n tw e r ei l l u s t r a t e di nd e t a i l 2 a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nt h e o r y , t h ef o r m u l ao ff l o c c u l a n t sa n dd e l i v e r y s y s t e mw e r ed e v i s e d f u r t h e rs e l e c t i o no fm i x i n gm e t h o d sa n de x p e r i m e n tm o d e l w e r ei n v e s t i g a t e dc o n s i d e r i n gt h er o u t i n ef l o c c u l a t i o np r o c e s s 3 a f t e ri n t r o d u c t i o no fs t r u c t u r e so ft h et w om a g n e t i cs e p a r a t i o nw h i c ha r e a p p l i e dm a t u r e l yt o w a t e rt r e a t m e n t ，m a g n e t i cd i s ks t r u c t u r ew a sc h o s e nt ob e a p p l i e di nt h i sr e s e a r c h t h es t r u c t u r ei no u rd e s i g nw a ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h e r e a l i t yo fl a k ew a t e rt r e a t m e n t b o n d e dn d f e bw a sc h o s e n t ob et h ee l e m e n t so f m a g n e tc o n s i d e r i n gt h ec a p a c i t ya n dp r i c e m a g n e tw i t hd i m e n s i o no f5 0 事5 0 卑2 5 m m w a ss e l e c t e da f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd i g i t a ls i m u l a t i o n m e c h a n i c a ld e s i g no f m a g n e t i cd i s k sw a sc r e a t e da n dd r a w i n g so fm e c h a n i e a id e s i g na n dt h r e e v i e w a s s e m b l i n gw e r ei l l u s t r a t e d t h eb o t hc o v e rb o a r dw i d t ho ft h em a g n e t i cd i s kw a s s e ta s4 r a ma n dr i v e tw a su s e dt ol i n kt h ec o v e rb o a r d m e c h a n i c a la s s e m b l i n g d r a w i n go ft h ef i v em a g n e t i cd i s k sw a se x p l a i n e d 4 m a g n e t i cs e p a r a t i o nd e v i c ew h i c hf o r m e db y f i v em a g n e t i cd i s kw a s m a n u f a c t u r e do nt h eb a s i so ft h ed e s i g n i n g ，t h e nm a k i n ge x p e r i m e n t a t i o no nt h e l a k e s h o r eo ft h ec h a ol a k e ，a n a l y z i n ge f f e c to ft h em a i nf a c t o rt ot h es e w a g e t r e a t m e n td u r i n gt h ee x p e r i m e n t a t i o n t h ep r a c t i c ev a l i d a t et h ed e v i c e ，s e w a g ei s d e a l tw i t ht h i sd e v i c ew i l la c h i e v et h en a t i o n a lt h i r dl e v e lw a t e rq u a l i t yc r i t e r i o n k e yw o r d s ：e u t r o p h i c a t i o n ，w a t e rt r e a t m e n t ，m a g n e t i cf l o c c u l a ti o n ，m a g n e t i c s e p a r a t i o n ，m e c h a n i c a ld e v i c e 插图清单 图1 1 巢湖流域图h 2 图1 2 巢湖环湖河流水质类别比列一2 图1 32 0 0 8 年初夏巢湖蓝藻“水华”爆发 3 图1 4 湖泊水体中富营养物质的转移。_ 5 图1 5 蓝藻带动内源污染转移示意图6 图1 6 湖泊内磷元素随蓝藻的转移“6 图2 1胶体结构和双电层示意图8 图2 2 胶体表面电位图9 图2 3 压缩双电层图_ l o 图2 - 4 吸附电中示意图1 1 图2 5高分子絮凝剂对微粒的吸附架桥模式1 1 图2 6 氮、磷、藻移出水体实验室演示图k 1 3 图2 7 蓝藻在处理后的巢湖水中不能生存：13 图2 81 8 段水槽的隔板布置方式1 5 图2 。91 8 段槽底的结构布置1 5 图3 1 处理船工作装置原理及控制框图1 7 图3 2 处理船概念结构设计图1 8 图3 3 加药系统。2 0 图3 4 定量螺旋秤的结构示意2 1 图3 5l u 关系曲线2 4 图3 68 点均匀投加结构示意2 5 图3 7 处理船平面结构示意2 9 图3 8 平流沉淀区结构3 0 图4 1颗粒在磁场中的受力情况3 3 图4 2 高梯度磁过滤器的结构山3 5 图4 3圆盘磁分离装置处理湖泊水工作流程原理图3 6 图4 - 4 相同尺寸钕铁硼和铁氧体距磁体表面轴向磁场变化曲线3 8 图4 5 相同尺寸钕铁硼和铁氧体磁场梯度变化曲线3 8 图4 6 相同尺寸钕铁硼和铁氧体距磁体表面轴向磁场力变化曲线3 8 图4 7 磁体n 、s 极交替方式排列( 左) 和同向聚磁方式排列( 右) 示意图3 9 图4 8 磁体双向阵列( 左) 和“对头挤的磁体阵列( 右) 结构示意图3 9 图4 9 磁体双向阵列( 左) 和“对头挤”的磁体阵岁i j ( 右) 磁力线示意图4 0 图4 1 0 方形块状磁体示意图一4 0 图4 1 1方形磁体中心轴上的场强分布：一4 l 图4 1 2 孤立磁体和磁系中磁体中心轴上的场强测量值分布4 1 图4 。1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 。1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 。2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 方形磁体中心轴上的场强分布( 修正曲线) 一4 2 不同厚度磁体中心轴上的场强分布( 面积均为5 0 x 5 0 m m ) 4 3 不同厚度磁体中心轴上h d h d x 与x 关系( 面积均为5 0 x 5 0 m m ) 4 3 不同面积磁体b 与x 关系比较图( 厚度为2 5 m m ) 4 4 不同面积磁体h d h d x 与x 的关系( 厚度为2 5 m m ) 4 4 方形钕铁硼镀锌磁体( n 3 8 ，5 0 x 5 0 x 2 5 m m ) 4 5 磁盘装配流程示意图4 6 带加强筋磁盘结构图。4 7 简支梁载荷分布图4 7 磁分离装置正视图5 0 磁分离装置左视图及局部视图5 0 磁分离装置实体照片5 0 水槽结构图5 2 1 0 0 斜坡的底板5 3 隔板固定5 3 磁分离装置5 4 计量泵5 4 变频搅拌器j 5 4 岸基水处理工艺过程5 5 明渠引水5 5 水槽及设备布置5 5 絮凝剂投加量对磁分离效果的影响5 6 外加磁粉量对磁分离效果的影响5 7 水样流速对磁分离效果的影响5 7 磁盘转速对磁分离效果的影响5 8 岸基试验过程6 1 表格清单 表2 1 合肥发电厂粉煤灰主要成分指标o 1 2 表2 2 超纯磁铁矿粉主要成分指标1 2 表2 3 液经2 0 0 m g l 选择性水处理剂处理前后的水质检测结果1 3 表2 4 重金属含量检测结果_ 1 3 表3 1 临界流速计算值_ 2 5 表4 1 孤立磁体理论计算值和磁系磁块测量值比较一4 2 表4 2 装置的主要设计参数4 5 表5 1巢湖含藻水主要水质指标和处理结果5 9 表5 2 金属含量检测结果一5 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目墨王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学雠文储虢汪嘲签字吼 学位论文版权使用授权书 午月j 日 | 本学位论文作者完全了解金目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金魍王些太堂可 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、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 溉) 枷 签字e t 期1 年气月垆 签字期怠卅年q 月lj 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 、孰 廖对 9 甲 期字 话编 签 电邮 致谢 硕士毕业论文完成之际，首先衷心感谢我的导师朱武教授在学习和工作中 的悉心指导和无微不至的关怀。朱武教授严肃的科学态度，严谨的治学精神， 精益求精的工作作风，严于律己、宽以待人的高尚品格使我倍受教益，必将成 为我以后工作中的榜样! 论文的顺利完成离不开中科院离子束生物工程学重点实验室各位老师的 指正和热心帮助，特别是余增亮研究员给予我论文研究的指导和工作锻炼的机 会，余增亮研究员对科学事业的执着追求和对工作的高度热情是时刻鞭策我前 进的动力。再次感谢余增亮研究员的教诲和指引! 衷心感谢陈长琦、干蜀毅老师在我的学习和论文撰写中的指导和帮助，感 谢李军、张束清、王相勤老师在生活、学习和工作中的关心和无私的帮助，同 时感谢许明亮师兄的诸多帮助。感谢杜海明、张发宇、叶瑞、王旭和张宏同学 在论文工作中的有益探讨和愉快合作。 在紧张繁忙的学习工作生活中，当我遇到困难和挫折时，父母给予我的关 爱和鼓励令我倍感温暖，以此激励自己不断前进。 作者： 吕凤鸣 2 0 0 9 年春于合肥科学岛 第一章绪论 淡水资源是人类赖以生存和生产的最基本的物质基础，目前比较容易利用 的淡水资源主要有河流水、淡水湖泊水，以及浅层地下水。而湖泊存储的淡水 资源占主要部分，养育了世界上一半以上的人口，因此保证湖泊淡水资源安全 是关系到整个人类社会生存和发展的大事。随着经济的发展，特别是在发展中 国家的高速发展阶段，经济增长成为国家的首要目标，环境保护被完全忽略或 者成为次要因素。如此情况之下，排放到湖泊中的污染物日益增多，导致湖泊 自身的净化能力越来越弱，湖泊富营养化程度日益严重。 1 1 湖泊水体富营养化的问题 根据国家环境保护部2 0 0 7 年中国环境状况公报，2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的2 个，占7 1 ；类的6 个，占2 1 4 ；类的4 4 ，占1 4 3 ； v 类的5 个，占17 9 ；劣v 类的1 1 个，占3 9 3 。主要污染指标为总氮和总磷。 在监测的2 6 个湖( 库) 中，重度富营养的2 个，占7 7 ；中度富营养的3 个，占 1 1 5 ；轻度富营养的9 个，占3 4 6 【l 】。可见湖泊富营养化对于我国来说已经 不是个例，而是普遍存在的问题。 水体富营养化是指由于污染物的排入致使水体中的主要营养物质氮、磷含 量增加导致浮游生物过量繁殖的现象【2 】。中国湖泊富营养化最直接也是最严重 的危害是湖泊水华泛滥，水华爆发造成自来水厂运行成本增加；在爆发时期甚 至造成水厂被严重污染而停止供水；湖泊周边气味难闻；藻毒素影响周边普通 居民饮用水质；湖泊中生物大面积死亡等等严重问题，影响和威胁了湖泊周边 区域的稳定和发展。随着中国社会和经济的发展，人民生活水平不断提高，健 康生活意识不断增强，对水环境的重视程度越来越高。我国的这种水体富营养 化现象( 对淡水称作“水华”，对海洋则称“赤潮 ) 比较严重，淡水水域中， 5 0 以上的湖泊、3 0 以上的大型水库都出现水体富营养化，其中以太湖、巢 湖和滇池尤为严重。大量宝贵的淡水资源失去利用价值，严重影响到人们工业 生产、生活用水。湖泊富营养化已经成为新世纪限制我国经济可持续发展的因 素之一。 巢湖为我国五大著名淡水湖之一，如图1 1 所示，湖区跨巢湖、合肥两市， 湖长6 1 7 k m ，均宽1 2 4 7 k m ，面积7 6 9 5 5 k m 2 ，湖深平均2 8 9 m ，最深处达3 6 7 m ， 湖容2 0 7 亿m 3 ，湖岸线长1 5 5 7 k m ，八湖河流主要有杭埠河、丰乐河、派河、白 石山河、南淝河、柘皋河、裕溪河等3 5 条，集水面积达1 3 万k m z ，为一河流型 浅水吞吐湖。19 6 2 年建成的巢湖闸和裕溪闸，使巢湖由过水性河流型浅水吞吐 湖变为人工控制水位的半封闭型水域。巢湖建闸后忠庙站多年平均水位8 4 0 米， 相应的湖面积7 7 0 平方公里，湖容积2 07 0 亿立方米，平均水深3 米左右，最大水 深6 7 8 米【3 】。巢湖流域独特的地理位置，良好的生态环境和丰富的自然资源，为 本地区经济发展提供了优越的条件，巢湖水体质量状况直接关系到当地社会经 济发展目标的实现。然而七十年代阻来，随着工农业生产的迅速发展、大规模 的水利工程建设和人口的快速增长，给这一地区的生态环境带来了巨大的压力。 在人类活动影响下，巢湖及其流域生态环境受到严重破坏，潮盆淤积，水质恶化， 目前己成为长江中、下游地区典型的富营养湖泊【4 j 。 图i l 巢湖梳域图 据国家环境保护部2 0 0 7 年中国环境状况公报，巢湖总体为v 类，与上年 相比，水质无明显变化。西半湖处于中度富营养状态，东半湖处于轻度富营养 状态。主要污染指标为总磷、总氮和五日生化需氧量。巢湖环湖河流水质总体 为重度污染。1 2 个地表水国控监测断面中( 包括两个纳污控制断面) ，i i 类、 类和劣v 类水质的断面比例分别为8 3 、4 l _ 7 和5 00 。主要污染指标为石油 类、氨氮和五日生化需氧量。巢湖环湖河流水质类别比列如图i - 2 所示。 劣v 类 i i 类 8 蜊 i v 类 4 1 7 图1 - 2 巢湖环湖河流水质类别比列 巢湖因水体的严重富营养化及对环境的恶劣影响，被国家列为“九五”期间 重点治理的“三河三湖”工程之一，纳入中国跨世纪绿色工程计划5 卜”。 据有关资料1 表明：由于流域内地面植被的破坏导致大量泥沙下泻，每年有1 0 0 万吨以上的悬移物入湖，折合计算巢湖水域每年要增加氯6 0 0 吨、磷1 0 吨、有 机质l 万吨；流域内耕地约为6 47 万平方千米，每年施用化肥2 1 0 8 4 1 0 。 吨，其中约有l 3 以上流失进入巢湖；沿湖排放的工业废水和生活污水每年超 过l8 1 0 8 吨，大部分未经处理直接排八巢湖；人口增加和城镇化的发展，使 生活垃圾和生活污水大量增长，水体氮磷c0d 和bod 含量猛增。综上各项 巢湖每年必须接纳总磷105o 27 吨，总氮l83 678 吨，其中约有 34 o 的总磷和39 5 的总氮滞留于湖内。图l 一3 所示为2 0 0 8 年初夏 巢湖蓝藻爆发时的情形。 图l _ 32 0 0 8 年初夏冀湖蓝藻“水华”爆发 1 2 巢湖水体富营养化成因、危害及防止对策 湖泊富营养化形成的原因有很多种，可以归结为自然因素和人为因素两 类。在自然条件下，缓流水体也会从贫营养状态过渡副富营养状态，但整个过 程十分缓慢，在自然条件下需几万年甚至几十万年。人类行为的介入是富营养 化问题日益加剧的主要因素，主要包含以下几个方面： 1 、人口增加及生活水平提高造成淡水需求量增大。近年来世界总需水量 平均每年约递增4 ，每过1 5 年淡水消耗量就要增长l 倍，有些国家平均每l o 年 增长1 倍1 9 。淡水消耗量的提高增加了湖泊净化淡水的负担。 2 、人类行为造成丁湖泊自身净化能力降低。以巢湖为例，上世纪5 0 8 0 年 代巢湖流域人口数量增加，粮食需求增大，湖泊浅水区逐渐被改造成良田，原 先巢湖周边形成的沼泽和程地均已被破坏，造成湖泊自身净化能力大大降低。 3 、化肥、农药在农渔业生产中不科学的使用造成氮、磷、钾等营养物质大 量流失。为了提高农业产量，化肥和农药在世界各地的农业中普遍大量使用， 富营养化物质随农田中的渗流、径流等途径不可避免的进入湖泊水系。化肥养 鱼主要原理是在人工养殖水域通过施用氮肥和磷肥，通过增加水体中营养物质 的含量来促进微生物的大量繁殖。为了提高渔业产量，采用向湖泊水体中投 加碳酸氢铵和过磷酸钙等化肥的方式，直接增加了湖泊水体的营养化物质【l o 】。 4 、工业废水和生活污水的大量增加和未处理排放。世界经济的发展造就了 工业化，工业化的迅猛发展虽然大幅提高了人们的物质生活水平，但早期淡水 资源保护意识的薄弱造成了工业废水的直接排放，破坏了人类赖以生存的淡水 水源。随着经济的发展，：中国工业废水排放在1 9 9 7 年至1 j 2 0 0 3 年年间，由1 8 8 3 2 9 6 万吨增加到2 1 2 2 5 2 7 万吨，排放总量增加了1 3 【1 1 】。合肥老城区的生活污水以及 东郊、北郊、合钢、合化等大中型企业的废水都向南淝河排放，它的排污量占 入巢湖总污水量的8 0 以上。 5 、人类活动促使大量温室气体的排放，全球温度逐年提高，致使湖泊中浮 游生物大量繁殖，加重了湖泊富营养化程度。 水体富营养化主要危害主要有三个方面： 1 、对生态系统造成危害。水体富营养化破坏了水体自净能力，使水体丧失 抵御干扰的能力，难以成为一个自我维持的稳定系统；富营养化还会破坏水体 的食物链结构，改变水生动植物的栖息环境，严重时会导致一些物种的灭绝。 另外，水体自身的许多固有生态与环境功能，也会因富营养化而丧失。水体富 营养化破坏景观，也损害了水体的美学价值；藻体的死亡分解还会产生恶臭。 2 、对经济的造成危害。水体富营养化引起的水体生态系统变化、景观变化、 水道水霉臭等带来了许多麻烦，如堵塞航道，工业和生活用水水质下降，水处 理费用增加，妨碍旅游等，导致了巨大的经济损失【l ”。 3 、对健康造成危害。水体富营养化对人体的最直接危害是水质下降所引起 的健康威胁。水质下降有时只表现为气味和口味的变化，有时却可能表现为含 有致病毒素，对人体健康存在潜在的威胁。 湖泊富营养化问题的关键是富营养化物质在湖泊中的富集，从富营养化物 质的来源看，又可以分为外源和内源两类。外源即通过河流等流入湖泊中的富 营养物质，主要包括工业污水、生活污水和农业面源污水三个方面。内源主要 是指多年积累的植物及富营养盐在湖泊底泥中富集【1 3 卜【1 6 】。巢湖富营养化问题 的彻底解决主要从以下几个方面进行。 首先要强化和改进湖泊自身的生态系统。依据城镇污水处理厂污染物排 放标准，最严格的一级a 排放标准为：总氮1 5 m g l ，总磷为l m g l ( 2 0 0 5 年 1 2 月3 1 日前建设的污水厂) ；比较地表水质量类标准，湖、库总磷不超过o 0 5 m g l ，总氮不超过1 0m g l 1 7 儿”】，由此可见，即使最严格的污水处理厂出水 标准也比类湖、库水中的氮、磷元素含量高很多。滞留于湖泊中的营养源是 源源不断的，这对湖泊自身消化能力是一个严峻的考验。而目前普遍情况是湖 区面积减少，湖床上升，水生生物种类贫乏，湖泊生态系统脆弱。必须靠人工 培育出吸收营养元素能力强的水生植物品种，放养以浮游生物为食物的鱼类等 措施。达到修复湖泊现有的生物链，一是增强湖泊自身净化能力，二是抑制目 4 前湖泊富营养化罪魁祸首“蓝藻”的生长。 第二，严格保证入湖工业和生活污水经过污水处理厂处理，通过研制低污 染效果的化肥农药降低农业面源污染对湖泊富营养化的压力，减少外源污染。 根据污水排入城市下水道水质标准( c j 3 0 8 2 - 1 9 9 9 ) ，允许直排入下水道的磷 酸盐最高浓度可达6 0 0 m g l ，有机磷为0 5 m g l ，氨氮为2 5 m g l ，由此可见， 如果下水道中的工业和农业污水不经过污水处理厂处理，直接排放入湖，进入 湖泊中的富营养元素总量会比处理后再进入增大几倍的量。普通化肥施肥后， 营养物质很快溶解，随着渗流及地表径流的作用，化肥中的营养成分有很大一 部分流失到湖泊中。 第三，河流治理。湖泊入湖水量大部分是通过河流进入，即大部分的富营 养物质都是通过河道入湖。以巢湖为例，巢湖沿岸已经全部修建了围坝，污染 源基本是通过流域内的大小3 3 条河流进入湖内，河流水系呈辐射状汇入巢湖， 控制了入湖河流的水质，就降低了湖水净化的压力。从河流入手来控制污染源 还有几个优点：一是大部分河流的污染来源都比较单一，通过监测河流上下游 的水质变化容易找到污染源；二是河流有一定的长度，对于绝大多数河流而言， 可以选择的治理措施不受空间和地域的限制。 第四，内源消减。从巢湖沉积柱状样多环境指标分析结果得出，巢湖富营 养化过程百年来经历了三个阶段，其中在第三阶段( 1 9 7 2 2 0 0 2 年) ，富营养化 过程加剧，营养层的厚度为9 a m ，总氮和总有机碳呈现明显增大趋势，分别增 加了2 5 和2 9 倍，与人为营养物质排放入湖直接相关。 1 3 内源污染问题解决方案 湖泊水体中富营养物质的循环如图1 - 4 所示，在光照、温度等蓝藻生长的 辅助因素合适时，富营养化严重的湖水中爆发藻华，随着藻华的死亡、沉淀， 有机质成为底泥的表层，再经历分解和释放的过程，富营养源再次进入水体。 沉积物释放 图1 - 4 湖泊水体中富营养物质的转移 藻华在富营养物质的转移过程中担当了“富集剂 的作用。如图卜5 所示， 蓝色部分为底泥，颜色的深浅表示富营养物质的含量，底泥上面部分为湖泊水 体，如图中a 所示；当光照、温度等蓝藻生长的外部条件满足时，蓝藻开始爆 发，如圈中b 所示；水体中的营养物质被消耗到蓝藻生长的域值以下时，底泥 中的营养物质开始向湖水中转移，蓝藻爆发的更严重，如图中c 所示：当温度 降低或者阴雨天气来临等藻类生长条件缺乏时，蓝藻沉淀，如图中0 所示。蓝 藻沉淀后，富集在底泥表层，随着时间的推移，蓝藻在水底开始腐烂，重新变 成营养源。通过蓝藻介质，底泥中的营养元素逐渐转移到水体中，造成多年内 源的突然释放，引起蓝藻灾难。 图l - 5 蓝藻带动内源污染转移示意图 湖泊水体富营养化问题对社会发展造成的最直接危害是蓝藻的爆发。蓝藻 爆发造成水体透明度下降，色度增加，蓝藻大面积腐烂时，会消耗大量水体中 溶解氧，产生藻毒素，并发出恶臭的味道l 坶4 ”，严重影响了周遍人民的生产和 生活，已有许多藻类毒索引起人畜患病或致死的报道。要解决蓝藻爆发 问题，需要破坏图卜4 所示的循环链。从循环链可以看出，引起蓝藻的关键因 素主要包括光照、温度和营养源，光照和温度因素受自然条件的限制，能在大 面积湖泊上控制它们是不可能的，只能从营养源上面控制蓝藻的爆发。根据资 料显示，磷元素为蓝藻爆发必须的营养源【2 6 2 ”控制了磷元素就控制了蓝藻的 爆发。从这点出发，就可以将蓝藻生长的循环改成磷元索循环，如图卜6 所示， 只要破坏磷元素循环就能阻止蓝藻的爆发。 图1 6 湖泊内磷元素随蓝藻的转移 现有除磷的办法包括直接对蓝藻机械打捞除磷和除底泥等手段川，但都 有很大的局限性。巢湖蓝藻在每年的5 月到l o 月这六个月的时间里都存在太 面积爆发的时间是6 9 月份，此时是夏季为多雨季节，而雨天时蓝藻在湖泊水 忧籼嫒i等 。入 妊坠体一 磷 一水 体中只是零星存在；夏季湖面上的风浪又非常频繁，对浅水型湖泊，风浪来临 时，由于泥沙的絮凝作用，蓝藻随泥沙一道沉淀入湖底。所以一年中适宜大面 积机械打捞的时间是屈指可数的，一次性投资大量经费建设机械打捞船只，结 果由于上述情况的存在导致利用率非常低，这是非常不合理的。 在分析内源污染情况和对其他技术调查研究的基础上，中科院离子束生物 工程学实验室研制开发了絮凝磁分离技术【3 2 】【33 1 ，实现了从根源上消减湖泊水体 中引起蓝藻爆发的磷和氮元素，达到永久抑制蓝藻爆发的作用。 1 4 论文主要研究内容 以中科院离子束生物工程学实验室絮凝磁分离实验室技术为基础，对巢湖富 营养化藻水的处理进行了应用性研究。本文的主要任务是研制出湖泊水体磁絮 凝分离装置，实现从实验室理论到工程化应用的跨越。本文的主要内容有以 下几部分组成。 第一，首先简要阐述了水体富营养化的概念，分析了湖泊富营养化问题的成因 及防止对策，具体分析了湖泊内源污染的循环过程及蓝藻对内源污染的 “富集”作用，提出了絮凝磁分离根治水体的技术。 第二，研究了富营养化水体絮凝原理及工艺要求，详细论述了磁絮凝工艺的实 验室理论，并结合一般絮凝工艺要求，选择了适用于本实验室理论工程 化应用的絮凝工艺过程。 第三，设计了磁絮凝处理工艺的水上载体一一处理船，提出了处理船的设计目 标、要求及工作原理，详细论述了处理船上重要部件的设计工作如絮凝 剂投加系统设计和处理船混凝工艺结构设计。 第四，将处理船上关键设备磁分离装置的研制过程进行了较为细致的论述，其 中包括磁分离原理，磁分离技术的分类及特点，磁分离装置的选择和磁 分离装置综合研制。 第五，以磁絮凝工艺和磁分离装置为主要研究对象，在巢湖岸边展开了一系列 的岸基试验，验证了磁絮凝一磁盘分离技术分离水处理工艺工程化应用 的可行性。 第六，总结全文，提出下一步研究和应用方向。 本文的研究意义在于提出一种新型的处理湖泊水体富营养化的治理方法一 絮凝磁分离的方法，并从工程实践上验证了该方法的可行性。絮凝磁分离技术 能有效快速的吸附絮凝藻类，并通过磁场的作用迅速将磁聚物移出水体，同时 对水体中i 氮、磷去除效果非常显著，可以做到标本兼治，从根本上消除藻华暴 发带来的危害，同时磁性物质性能稳定，可重复回收利用，从而能隆低z 心理 成本。 7 第二章富营养化水体絮凝工艺 絮凝沉淀法在固液分离及水处理过程中是一种较为有效的预处理方法，已 得到广泛的应用。絮凝效果的好坏，直接决定着后续单元过程的运行情况、处 理费用及最终出水水质。目前，深入开展絮凝基础理论研究，开发新型高效絮 凝剂，优化絮凝过程控制，都是水处理领域中研究的热点问题。在处理湖泊富 营养化水体的过程中，对絮凝基础理论进行了深入研究研制出一种高效的磁絮 凝处理剂，并且开发了相应的絮体磁分离技术。 2 1 富营养化水体絮凝原理 2 1 1 胶体表面电化学 ( 1 ) 胶体双电层结构 水中含有多种杂质，而这些杂质由于尺寸大小不同在液相中基本以三种状 态存在，粒径小于1 n m 的属于溶解态；粒径在1 l o o n m 之间的属于胶体态； 粒径大于1 0 0 9 m 的为悬浮态。这种划分是相对的界限，絮凝的主要对象是胶体 等细小的颗粒物。胶体颗粒拥有巨大的表面积，可吸附水中离子或极性分子， 形成胶体双电层结构【3 4 】如图2 1 所示。 图2 - 1胶体结构和双电层示意图 胶体的结构复杂，由胶核、吸附层及扩散层三部分组成。胶核表面选择性 吸附了一层带有同号电荷的离子，这层离子称为胶体微粒的电位离子。它决定 胶粒电荷的大小和符号。由于电位离子的静电引力，在其周围又吸附了大量 的异号离子( 或叫反离子) ，形成了所谓的“双电层”。这些反离子，其中紧 8 靠电位离子的部分被牢固地吸引着，当胶核运动时，它也随着一起运动，形成 固定的离子层，叫吸附层。而其它反离子，离电位离子较远，受到的引力较弱， 不随胶核一起运动，并有向水中扩散的趋势，形成了扩散层如图2 2 所示。 胶 核 袭 蕊 _ 研砺棚 一+ + + 一 + 一 扩敞层 一+ 一 + 一 一+ + + _ + + 一 一+ 一 电 位 -_ 一 q 火 图2 蔓胶体表面电位图 吸附层和扩散层之间的交界面称为滑动面。滑动面以内的部分称为胶粒。 胶粒与扩散层之间有一个电位差，此电位称为胶体的电动电位，常称为电位。 而胶体表面的电位离子与溶液之间的电位差称为总电位或巾电位。对于特定 的胶体，巾电位是固定不变的，而电位则随温度、p h 值及溶液中的反离子强 度等外部条件而变化，是表征胶体稳定性强弱和研究胶体凝聚条件的重要参数。 ( 2 ) 胶体的稳定性 1 ) 胶体的稳定性含义和种类 胶体颗粒保持分散悬浮状态的特性称为胶体的稳定性。稳定性分为动力稳 定性与聚集稳定性【35 1 。胶体颗粒的动力稳定性：水分子由于热运动撞击胶粒 而形成布朗运动，阻碍胶体聚集下降，使其长期保持悬浮状态。而小颗粒受重 力影响小，主要受控布朗运动能长期悬浮水中的现象称为动力学稳定：胶体颗 粒聚集稳定性：同性电荷的胶粒之间由于静电斥力或水化层的阻碍相互不能聚 集的现象称为“聚集稳定性”。要使胶粒失去稳定性而相互聚集沉淀就必须要 破坏胶粒的聚集稳定性。 2 ) 胶体稳定的原因 胶粒在水中受到静电斥力和范德华引力作用。其相互间斥力不仅与 电位有关，还与胶粒的间距有关，距离愈近，斥力愈大。而布朗运动的动能不 足以将两颗胶粒推近到使范德华力发挥作用的距离。 水化作用。由于胶粒带电，将极性水分子吸引到它的周围形成一层水 化膜。水化膜同样能阻止胶粒间相互接触。但是，水化膜是伴随胶粒带电而产 生的，如果胶粒的电位消除或减弱，水化膜也就随之消失或减弱。毛电位 越高，扩散层中的反离子就越多，水化作用也越强。 3 ) 影响胶体稳定的方法 絮凝剂在水中可以通过数种方式影响微粒的稳定性：提供反离子而达到 9 压缩双电层厚度并降低电位的作用；溶解产生的各种离子与微粒表面发生 特性化学作用而达到电中和作用；由水解金属盐类生成的沉淀物发挥卷扫网 捕作用而使微粒转入沉淀。 2 1 2 絮凝机理 要破坏胶粒的聚集稳定性可通过两种作用实现：一种是利用电解质克服微 粒间的静电斥力后，由v a nd e rw a l l s 引力引起微粒相互聚集变大，这种作用被 称为凝聚( c o a g u l a t i o n ) ；另一种是用高分子化合物在微粒间“架桥”连接，而 引起微粒聚集变大，这种作用被称为絮凝( f l o c c u l a t i o n ) 。为了方便起见，用“絮 凝”一词代表凝聚与絮凝两种作用，“絮凝”即混合、凝聚、絮凝之意【3 6 1 。 化学絮凝的机理至今仍未完全清楚。因为它涉及的因素很多，如水中杂质 的成分和浓度、水温、水的p h