（环境工程专业论文）颗粒物计数法用于水厂运行优化的研究.pdf

度优势，可以弥补常规水质监测手段的不足。随着对饮用水水质要求的提高， 以及部分地区未来发展管道直饮水的趋势，颗粒物计数法的应用将在保障水质 安全方面起到积极的作用。 。 关键词：颗粒计数，颗粒物，饮用水处理，浊度 a b s t r a c t w r ht h ei m p r o v c m e mo fl i v i n gs t a n d a r da n dt h ei n c r e a s i n go fp o p u l a t i o ni n s h a n g h a i ，h i g h e rd e m a n d sf o rd r i n k i n gw a t e rq u a n t i t ya sw e l la sq u a l i t yh a v eb e e n r a i s e d h o wt om o d i f yo ru p g r a d et h ec o n v e n t i o n a lw a t e ri r e a t m e n tp l a n ta st o i m p r o v et h ep r o d u c t i o nc a p a c i t ya n dq u a l i t yo f t r e a t e dw a t e rh a sb e c o m ea nu r g e n t t a s ki nm a n yw a t e rt r e a t m e n tp l a n t s t h e s t u d y m a d eu s eo fp a r t i c l e c o u n t i n gt e c h n o l o g y , c o m b i n i n g w i t h c o n v e n t i o n a lm o n i t o r i n gm e t h o d s ，t oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fc o a g u l a t i o n , s e d i m e n t a t i o na n df d t r a t i o n , c t e r e s e a r c h e sw e l eu n d e r t a k e ni nt w op l a n t so f s h a n g h a ip u d o n gv c o l i aw a t e rc o ，l t d b yf u l l s c a l ee x p e r i m e n t sa n d j a rt e s t s j a rt e s t ss h o w e dt h a lb a s e do nh u a n g p uf i v e rr a ww a t e r , t e m p e r a t u r eh a da n i n f l u e n c eo nt h ec o a g u l a t i o ne f f i c i e n c i e so fa l u m i n u ms u l f a t e u n d e rt h ec o n d i t i o no f m i d d l ea n dh i 曲t e m p e r a t u r e s ，t h ed o s a g eo fc o a g u l a n tc a nb ec o n l r o l l c da t4 0 - - - 5 0 r a g l ；u n d e rl o wt e m p e r a t u r e s ，t h ec o a g u l a t i o ne f f i e i e n c i e sw a sn o tg o o d , s op o l y m e r c o a g u l a n to rc o a g u l a n ta i dw a sr e c o m m e n d e da sas u b s t i t u t e p r e c h l o r i z a t i o nh a d s o m ep o s i t i v ee f f e c tf o rc o a g u l a t i o n , w h i c hc o u l dd e c r e a s et h ep a r t i c l en u m b e ro f s e t t l e dw a t e rb y5 - 1 0 e x p e r i m e n t sf o ry a n g t z er a ww a t e rs h o w e dt h a t , i ns u m m e r , p a cd o s a g ef o rc h e n h a n gr a ww a t e ra n di n - s i t ur a ww a t e rc o u l db ec o n t r o l l e da t 6 5 7 5m g la n d1 1 1 2m e , a - s e p a r a t e l y e x p e r i m e n t sf o rc l a r i f i e ro p t i m i z a t i o ni nw i n t e rs h o w e dt h a t , t h eo p t i m i z e d r o t a t i o ns p e e df o rl o w , m i d d l ea n dh i l g h 仃e a 血印tc a p a c i t i e sw a s3 0 4 0 “t n i n ， 4 o 5 0r r a i na n d5 5r r a i ns e p a r a t e l y u n d e rl o w 廿c a t m c n tc a p a c i t y , t h es l u d g e d i s c h a r g i n gc y c l ec o u l db ep r o l o n g e d t o2 4h f u l l - s c a l ee x p e r i m e n t sf o rb i v a l v ef i l t e rs h o w e d 血缸t h eo p e r a t i o n a ld i 向f e l l c e b e t w e e nd i r e c tf i l l r a t i o np l a t ea n ds h o r ts t e md i 舒缸e ri sn o to b v i o u s f l u c t u a t i o no f f i l t r a t i o ns p e e da n ds e t t l e dw s i e ：r q u a l i t yc o u l db o t hi n f l u e n c et h ei n t e r c e p t i o n e f f i c i e n c yo fp a r t i c l e s ，s oe f f e c t i v ec o u n t e rm e a s u r e ss h o u l db et a k e nt oa v o i di t b y p r o l o n g i n gt h e f i l l r a t i o nc i r c l ei nb o t hp l a n t s ，i tw a sf o u n dt h a t h ef i l t r a t i o n h i e f f i c i e n c yo fv - t y p ef i l t e ri sb e t t e rt h a nb i v a l v ef i l t e r , b u tt h ei n t e r c e p t i o ne f f i c i e n c y o f m i n o rp a r t i c l e sw e r el o wi nb o t hc a s 嚣 f i l t e r e dw a t e rq u a l i t yi nt h ei n i t i a lp e r i n dw a sm a i n l yi n f l u e n c e db yi n f l u e n t q u a l i t ya n db a c k w a s h i n gp 确加瑚c c t h ei n i t i 目, if i l t e r e dw a t e rq u a l i t yo fv - t y p e f i l t e rw a sg o o db e , c a u s eo ft h et h o r o u g hb a e k w a s h i n g t ob i v a l v ef i l t e r , t h e r ew a sa s h o r tl i m eb r e a k t h r o u g ho f2 5 p t mp a r t i c l e si nt h ei n i t i a l f i l t r a t i o np e r i o d , s o c o n t r o l l e df i l t r a t i o ns p e e da n dr e a s o n a b l eb a c k w a s hp a r a m e t e r sw e l _ er e c o m m e n d e d t oi m p r o v et h ew a t e rq u a l i t y i nc o n c l u s i o n , p a r t i c l ec o u n t i n gc a l lb ea p p l i e di nt h et r e a f m e n tp r o c e s s e so f c o a g u l a t i o n , s e d i m e n l a t i o na n df i l t r a t i o n i t sa d v a n t a g eo f a c c u r a c ya n ds e n s i t i v i t yi n f i l t e r e dw a t e rm o n i t o r i n gc a na s s i s tt h ec o n v e n t i o n a lw 卸【e rq u a l i t ym o n i t o r i n g m e t h o d s w i t hah i g h e rd e m a n df o rd r i n k i n gw a t e rq u a l i t ya n dt h ed e v e l o p m e n to f d i r e c td r i n k i n gw a t e r , t h ea p p l i c a t i o no fp a r t i c l ec o u n t i n gm e t h o dc a np l a yap o s i t i v e r o l ei ne n s t l 6 n gw a t e r - s u p p l ys a f e t y k e yw o r d s ：p a r t i c l ec o u n t i n g , p a r t i c l e ，d r i n k i n gw a t e rt r e a l r a e n t , t u r b i d i t y 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。 学位论文作者签名：锄僻砸 如。乎年工月彤日 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。 学位论文作者签名： 铂。傅礁 如。孕年1 月础日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 上海地区水资源形势及水质情况 t 1 1 水资源概况 上海市总面积6 ，3 4 0 5k m 2 ，是长江三角洲冲积平原的一部分，地处长江入 海口、太湖流域东缘，境内河道( 湖泊) 面积超过5 0 0 k i n 2 ，河网密度平均3 4 h 以m 2 。境内主要河道有长江1 3 、黄浦江及其支流苏州河( 吴淞r r ) 、蕴藻浜、川 杨河、淀浦河、大治河、斜塘、圆泄泾和大泖港等【1 1 。上海的水资源丰富多样， 主要由四部分组成：本地径流水、黄浦江上游及太湖来水、潮水量和地下水， 其构成如表1 1 所示。 表1 1 上海地区水资源基本构成“ 上海虽然拥有丰富的河网水系、充沛的水资源总量，但地表水中占总量9 7 的潮水和上游太湖来水都属于过境水，人均本地径流占有量仅为1 0 5m 3 。若要 对过境水加以合理利用，则必须依靠各类工程措施，做好调蓄工作。国际上认 为，实现现代化最低限度人均水资源量要达到1 ，0 0 0m 3 ，在缺水地区如能采取先 进的节水管理措施，最低标准也需要5 0 0m 3 3 1 。可见，上海的人均水资源拥有量 相当少。 另一方面，随着社会经济的发展、人口的增长、城市功能的转变，上海又 第1 章绪论 遭遇了水环境污染的历史性问题。目前的状况是，黄浦江干流2 3 的河段为类 及以下水质；市区中小河道均已受到严重的综合性有机污染；毗邻上海的长江 除受海水成潮影响外，其水质也受到上游城市水质污染的威胁。因此，上海已 被列为全国3 0 0 个缺水城市( 水质型缺水) 之一，并被联合国专家预测为2 1 世 纪饮用水严重缺乏的世界六大城市之一，对上海的可持续发展构成严重威胁1 4 。 1 1 2 水源水质现状 目前，上海市区各自来水厂的原水分别来自黄浦江上游和长江陈行水库两 处水源地。 黄浦江上游饮用水源取水口设在松浦大桥，供水量为5 5 0 x 1 0 4m 3 d ，承担全 市约7 0 的饮用水供给量。为了保护这一生态敏感区域，上海市于1 9 8 5 年建立 黄浦江上游水源保护区，1 9 9 9 年进一步划出“一级饮用水源保护区”，扩大“准 水源保护区”，使得整个保护区面积达到1 , 0 5 8k m 2 ；期闻先后颁布上海市黄浦 江上游水源保护条例及其实施细则，并配套以污染源综合整治、总量控制、 排污许可证和排污交易制度【5 】。以上一系列措施虽然在水源地工业和畜禽污染治 理方面取得一定成效，但水源水质尚未得到显著改善。根据地表水环境质量 标准( g b3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，对黄浦江上游原水溶解氧、氨氮、高锰酸盐指数( c o d m n ) 、 挥发性酚与总磷进行评价，结果表明，黄浦江上游原水水质基本为类， 见表1 2 同： 表1 2 黄浦江上游原水水质总体评价 1 9 9 2 年上海开辟了长江水为第二水源，修建了避咸蓄淡的陈行水库。陈行 水库位于上海市宝山区陈行镇岸段，地处长江口南支南港河段，上游紧邻小川 2 第1 章绪论 沙河，下游紧邻宝钢水库，利用滩地圈围而成。水库库容8 3 0 x 1 0 4m 3 ，供水量为 1 4 8 x 1 0 4m 3 d 。长江水陈行断面水质基本属于类水体，由于水库具有预沉 淀和自净作用，使水库出水水质符合地表水类标准，明显优于黄浦江上游原 水，但在冬季咸潮入侵时存在氯化物浓度超标现象【7 一。 为了满足不断提高的饮用水水量和水质需求，目前上海的第三大水源地一 一青草沙水源地项目建设已正式启动，计划于2 0 1 0 年建成供水。根据多年的水 质数据显示：青草沙水域水质优良稳定，总体上属类，多数指标达i 类，是 上海境内水质最好、最稳定的饮用水水源地。青草沙大型水库建成后，供水规 模能达到7 1 9 x 1 0 4m 3 d ，可满足中心城区的供水需求，占全市原水供应总规模的 5 0 以上。目前初定服务范围为浦东、黄浦、徐汇、南汇等1 5 个区，长江优质 水的受益人口将超过1 0 0 0 万人纠。 1 1 3 饮用水水质标准的发展 由于饮用水水质与人类的健康生活直接相关，世界各国对饮用水水质标准 都极为关注。随着水源污染日益严重，水质检测技术及医学的不断发展，以及 与饮用水水质相关的新问题，如致病原生动物、消毒副产物等【l o ，l ”，使饮用水水 质标准日趋严格，在世界范围内水质标准的修订也更加频繁。 目前，国际上具有权威性、代表性的饮用水水质标准主要有3 部：世界卫生 组织( w h o ) 的饮用水水质准则、欧盟( e c ) 的饮用水水质指令和美 国环保局( u s e p a ) 的国家饮用水水质标准，其他国家和地区多以这3 个标 准为基础或重要参考来制订本国饮用水标准【1 2 】。世界卫生组织饮用水水质准 则( 第3 版) 与前两版相比，大幅度修订了确保微生物安全性的方法。第3 版 中包括水源性疾病病原体2 7 项，具有健康意义的化学指标1 4 8 项，放射性指标3 项，另有2 8 项指标提出了感官推荐阈值【1 3 1 。欧盟于1 9 9 8 年1 1 月通过了新指令 9 8 8 3 e c 1 4 1 ，指标从6 6 项减至4 8 项，其中微生物学指标2 项，化学指标2 6 项，感 官性状等指标1 8 项，放射性指标2 项。美国是世界上饮用水水质标准更新最频繁 的国家，现行的美国饮用水水质标准颁布- 7 = 2 0 0 6 年【l 卯，标准分为一级标准和二 级标准，其中一级标准是法定强制执行的标准，共有饮用水规程指标9 8 项；而 作为非强制性的二级饮水规程指标共1 5 项，主要是指水中会对人体容貌( 皮肤， 牙齿) ，或对水体感官( 如色、嗅、味) 产生影响的污染物。 第1 章绪论 新中国成立以来，我国政府对饮用水卫生安全十分重视，组织有关部门研 究制定有关生活饮用水水质卫生标准，并逐步发展与完善。第一部全国性管理 生活饮用水的技术规范是我国1 2 个城市试行的自来水水质暂行标准，于1 9 5 5 年5 月由卫生部发布，此后曾多次发布修改饮用水卫生标准。如生活饮用水卫 生标准( g b5 7 4 9 8 5 ) 于1 9 8 5 年由卫生部颁布实施，该标准分4 类3 5 项指标， 其中5 项( 氯仿、四氯化碳、苯并( a ) 芘、滴滴涕、六六六) 为试行标准【坷。此标 准在颁布实施后的2 0 年中未进行过修订，使我国的饮用水水质标准不论从项目 的数量上，还是项目的指标上都与国际3 大标准存在较大差距。为了适应发展的 需要，尽快与国际接轨，2 0 0 5 年国家多部委联合启动了修订工作，2 0 0 6 年1 2 月 2 9 日卫生部与国家标准化管理委员会联合发布了新的生活饮用水卫生标准 ( g b5 7 4 9 2 0 0 6 ) ，并于2 0 0 7 年7 月1 日起实施。新标准与g b5 7 4 9 8 5 相比，水 质指标由3 5 项增；0 n n l 0 6 项( 见表1 3 ) ，增加的指标主要包括化学耗氧量，消毒 剂及其副产物，贾第鞭毛虫、隐孢子虫等微生物指标等旧。 表1 3 修订前后水质指标分类与指标数 新标准的制定和实施一方面有利于促进供水行业技术进步、提高供水水质； 另一方面，在目前原水水质日趋恶化的背景下，无疑也对水处理工艺和水质检 测技术提出了更高的要求。 1 2 饮用水常规处理工艺的优化 饮用水常规处理工艺在2 0 世纪初就己形成，并在实践中不断完善。常规处 理工艺的主要去除对象是水源水中的悬浮物、胶体物质和病原微生物等，处理 4 第1 章绪论 单元包括混凝、沉淀、过滤和消毒。我国以地表水为水源的水厂主要采用这种 工艺流程，根据水源水质不同，尚可增加或减少某些处理构筑物【l 研。随着供水 事业的不断发展和新技术、新设备的应用，人们开始致力于水厂优化运行方面 的研究和探索。杜玉柱等【1 9 】认为，水厂优化运行就是通过对影响单位成本的重 要因素的控制，求得降低单位制水成本并使之达到国家水质标准要求，或者说 以最优化的生产运行实现达标水质，同时追求尽可能高的经济效益。水厂优化 运行是一项系统工程，必须从全效益、全过程、全方位综合加以考虑陬”j 。 1 2 1 强化混凝与优化混凝 混凝的目的是为了改变水中粘土和细菌等悬浮固体的存在性质和状态，以 利于后续工序的去除过程。此过程由凝聚和絮凝两个阶段构成，它决定了水中 悬浮杂质颗粒聚结程度、颗粒成长的质量及其降解特性，是水处理工艺中至关 重要的环节1 2 2 。 强化混凝的概念由美国水工协会在2 0 世纪9 0 年代提出的，是指在水处理常 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 b p 前驱物) 去除率的工艺过程。 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。而优化混凝则是在强化混凝的基础上，具有多重目标的混凝过程，包括： 最大化去除颗粒物和浊度；最大化去除t o c 和d b p 前驱物；减小残余混凝剂的含 量；减少污泥产量；最小化生产成本 2 3 2 5 。 邓燕华等【2 6 】通过烧杯试验得到最优混凝剂和最佳投加量以及最佳设计絮凝 时间，并利用正交试验寻求多因素不同水平组合下的最佳能耗分配方案。孙红 杰等1 2 7 对比了三氯化铁、聚合氯化铝( p a c ) 和硫酸铝三种常用的混凝剂在不同水 力条件下的混凝除浊效果，得到了3 种混凝剂在相同水质条件下达到最佳絮凝效 果所对应的速度梯度g 值，在此基础上发现在絮凝剂投加量相同的条件下，反应 时间越长，絮凝效果越好。张乐英等【2 8 】通过比较硫酸铝、三氯化铁和聚合氯化 铝混凝剂对某给水处理厂原水的混凝效果，选定硫酸铝为混凝效果最佳的混凝 剂，并用优选法较快地确定了混凝最佳控制指标：最佳投药量约为2 0m g l ，最 佳g 值控制在3 8s - l 左右，从而达到提高混凝效率、减少混凝成本和提高出水水质 的目的。 5 第1 章绪论 1 2 2 低温低浊水处理 低温低浊水的处理是给水处理工程中的难题之一。由于低温低浊水中带负 电的胶体微粒数量很少，达到电中和点所需的混凝剂少，形成的凝絮非常细、 小、轻又不坚韧，难于沉淀、易于穿透。影响低温低浊水净化效果的因素很多， 如温度、p h 值、混凝剂的品种和用量、水力条件等，但水温低是水质难以净化 的主要因素，而低温季节出现的低浊度又进一步给水质净化增加了难度 2 9 , 3 0 。 李为兵等【3 l 】在水温较低( 1 0 ) 时，通过混凝沉淀烧杯试验和水厂生产性 试验，对硫酸铝和几种聚氯化铝( p a c ) 进行了优选，最终确定z r - 3 型聚氯化铝 的混凝沉淀效果最佳。王桂荣等【3 2 】针对汉江水源冬季的低温低浊水给水厂处理 带来的困难，研究了聚合二甲基二烯丙基氯化铵f 简称h c a ) 、活化硅酸、聚丙烯 酰胺三种不同助凝剂处理低温低浊水的效果，结果表明先加助凝剂以调节p h 值， 再用h c a 和p a c 配伍使用，可大大改善混凝效果。王东田等【3 那研究了搅拌强度 ( g r ) 、搅拌时间以及p i a 等因素对低温低浊水混凝沉淀效果的影响。研究结果表 明，当混凝剂投加量一定时，选择合适的混凝条件，沉后水浊度、沉后水中混 凝剂残余量及过滤阻抗系数( s l r i ) 将有较大改善。 1 2 3 滤池运行优化 长期以来，滤池的设计主要依靠经验，而处理水的水质条件千差万别，滤 池的运行或多或少存在着问题，这就需要对滤池不断地进行技术改造。在实际 生产中，已建滤池的技术改造是提高水处理厂生产效率的有效手段之一。这包 括两方面的工作：一是随着原水水质的改变，对滤池原有工艺参数做出调整； 二是为满足供水量的增加，对原有滤池挖潜改造 3 4 , 3 5 。 上海杨树浦水厂针对滤池不合理的工艺结构与参数进行了改造，主要包括： 反冲洗强度和水量调整；初始滤速控制；进出水阀门改造等。通过工艺改造和 运行优化，滤池的反冲洗效果有了明显的改善，过滤能力大幅度增强，滤池整 体性能得到提高，滤后水水质及安全运行与调度有了充分的保障【3 6 , 3 7 1 。 徐永鹏等【3 s 】研究了给水厂滤池反冲洗排水浊度随时间的变化情况，探讨了 反冲洗时间的控制模式。结果表明，在给水厂综合运行费用中混凝剂起控制作 用，反冲洗水费所占比例 2m 的颗粒物总量可低至1 0 粒m e ) 。试验结果 表明，当加入量为1 0m g l 时出水中颗粒物的总量高达3 0 0 枢2 m l ，而当加入量 为6m g l 时出水中颗粒物的总量为4 0 利2 m l ，而且滤池出水的颗粒物总量最稳 定。若将絮凝剂加入量由1 0m g l 减至6m g l 则该厂每月可节省药剂费为2 4 万 美元吲。 1 3 2 2 混凝沉淀效果的监控 对于絮凝沉淀效果的优劣，虽然能以沉淀池出水浊度作为参考，但浊度的 测量原理决定其本身并不能很好地表征颗粒物数量和动力学特性，特别是不能 表征絮凝中颗粒物是否从小变大的过程，另外浊度测量的滞后性也使其不能及 时反映絮凝效果。颗粒计数仪可用来实时监测絮凝过程中颗粒物的动力学变化 结果，为优化絮凝过程的设计和操作提供可靠的依据嗍。 8 第1 章绪论 ，崔红梅等【5 9 】将颗粒物计数仪用于对北京第九水厂沉淀池沉淀效果的监控。一 结果表明，沉淀池出水的颗粒物分布不均，经分析发现主要原因是絮凝效果差， 从而增加了滤池对颗粒物的拦截负荷，据此向水厂提出了改进措施。 1 3 2 3 监控滤池出水水质 通常滤池刚发生穿透的时候，透过的颗粒物数量很少，浊度仪无法监测出 浓度的变化。但颗粒物计数仪的精密度大大超过浊度仪，可及时地警告滤池穿 透现象的发生。何元春等【4 9 】运用颗粒物计数仪在线监测砂滤池和生物活性炭滤 池出水情况，结果表明，其敏感度高，较浊度仪更能及时、准确地反映活性炭 滤池运行过程中的出水水质变化，对优化滤池运行以及确保出水水质有着重要 作用。 另外，在欧美等国颗粒计数还广泛用于定量监测出水颗粒物，以提高供水 安全性【5 0 】。由于传统的氯消毒不能杀灭某些对人类健康有害的致病原生动物， 如贾第虫( g i a r d i a ，虫体直径约2 5 凹1 ) 和隐孢子虫( c r y p t o s p o r i d i u m ，虫体 直径约5 l o p m ) ，欲使处理过的水质达到可直接饮用的标准，对病原体的监测 变得尤为重要【诣，砷】。现有的两虫检测技术存在操作过程复杂、检测周期长、回收 率低、可靠性差、敏感度较低等问题，对分析人员的专业素质要求很高，难以 作为水厂的常规分析指标i s l l 。然而，各种病原微生物个体都可以认为是以颗粒 形态存在的，所以控制各类颗粒物质的总体数量，实际上就从总体上限制了病 原微生物可能的数量。当把某些粒径范围的颗粒数量控制在一定数值以下时， 可表明水中的病原微生物总体数量也足够低，水的卫生安全性可得到充分保障。 在国外，通过控制出水颗粒物的数量来降低两虫风险的应用实例已有很多【5 ”4 】。 1 3 2 4 其他 颗粒物计数法还可以作为出厂水和管网水质量的控制手段，通过控制出厂 水中的颗粒数提高管网的化学和生物稳定性 5 5 , 5 7 。在对滤池的滤料粒径、高度和 级配的筛选过程中，也可将出水颗粒数作为一项重要的评判标准。 1 4 课题研究背景、意义和内容 1 4 1 研究背景和目的 9 第1 章绪论 上海作为一座超大型城市，其发展目标是建成为国际经济、金融、贸易、 航运中心之。近年来，上海的经济始终保持着高速增长，然而一个城市发展 水平的提升需要的是各方面的协调统一，其中基础设施建设是不可忽视的一环。 供水事业作为城市最重要的基础设旄之一，与百姓的生活健康休戚相关，随着 城市与国际化接轨的程度不断提高，对生活饮用水质量的要求也在不断提高。 饮用水水源污染的日益严重和水质要求的提高，使得传统的常规处理工艺 难以满足要求，如何在现有基础上改造和升级自来水厂的净化水平、提高产水 能力和更佳的出水水质成为许多水厂的迫切任务。本课题由同济大学城市污染 控制国家工程研究中心、上海浦东威立雅自来水有限公司和上海艾晟特环保科 技有限公司三方共同合作，旨在采用先进的颗粒物计数手段并结合常规的水质 监测方法，针对不同的原水水质条件，对常规制水环节的工艺参数进行优化， 达到降耗、节能、增效的目的，同时为水厂的定量化和自动化管理提供依据和 参考。 1 4 2 研究内容 课题以现场生产性试验为主，模拟试验为辅，采用颗粒物计数仪作为辅助分 析和控制手段，根据不同原水的水质情况对水厂的混凝、沉淀以及过滤及加药 量等环节进行优化。主要研究内容如下： 1 水处理剂投加量的优化； 2 ，澄清沉淀环节的优化； 3 双阀滤池不同配水方式的比较，以及双阀滤池与v 型滤池过滤性能的比 较和优化； 4 颗粒物计数手段在水厂初滤水质量控制中的作用探讨。 1 0 第2 章试验及分析方法 第2 章试验及分析方法 2 1 小试试验及装置 2 1 1 烧杯试验 采用六联搅拌试验模拟水广的加药环节，以确定合理的加药量。搅挥装置 采用z r 4 6 型六联混凝试验搅拌机，可在1 0 1 0 0 0r p m 范围内无级调速，转速 精度为o 5 ：速度梯度( g 值) 为1 0 1 0 0 0s 。配套的烧杯为1 0l 有机玻 璃材质的圆形烧杯，取样口位置设在水面下4 0m m 处。搅拌试验的程序设置参 照水厂实际工艺情况，加药点和各段反应时间也与实际一致。 2 1 2 模拟滤柱 图2 1z r 4 - 6 型六联混凝试验搅拌机 为了研究滤池对长江原水的截污规律，加工了两套模拟试验滤柱( 见图2 2 和2 3 ) ，按水厂实际采用的滤料级配填充滤料。滤柱设计采用恒速过滤，通过 安装在进水管上的流量计调节滤速，试验中的处理量为0 1 0 o 1 8o h 。进水直 接采用水厂沉淀池出水，经水泵提升后从滤柱顶端进水，滤出水经收集后用于 自身反冲洗。柱体上共设了5 个取样口，分别位于滤料表面下2 0c m 、4 0g i n 、 6 0c m 、8 0c m 和1 0 0c m 处。表2 1 中列出了模拟滤柱各部件的材料与详细规格。 第2 章试验及分析方法 图2 2 模拟过滤柱布局图 表2 1 模拟滤柱各部件的材料与规格 1 2 第2 章试验及分析方法 2 2 生产性试验 2 2 1 水厂概况 图2 3 模拟滤柱实景图 课题先后在上海浦东威立雅自来水有限公司下属的两家水厂开展，以下简 称a 水厂和b 水厂。两家水厂的原水和工艺均不相同，但在上海地区都具有一 定的代表性，适于开展本课题研究。 2 2 1 1a 水厂 a 水厂建于1 9 8 7 年，原水取自黄浦江上游松浦大桥水源地，设计处理能力 1 0 万m 3 d ，采用常规制水工艺，即加药一混凝一过滤一消毒，处理工艺流程见 图2 4 。水厂选用的混凝剂为液体硫酸铝，消毒剂为氯气，共有4 座机械加速澄 清池及一座双阀滤池。 1 3 第2 章试验及分析方法 圆 圈2 4a 水j 的处理工艺流程 2 0 0 1 年水厂对机械加速澄清池和滤池进行了改造。通过在澄清池内加装斜 管、放大回流缝、更改集水渠、更新排泥设施等，提高了处理负荷与产水量， 并且降低了澄清池的出水浊度和混凝剂单耗。此外，水厂将1 0 格滤池的单层滤 料改为中粗粒径的均质滤料，滤层厚度由原来的7 0 0 蛐增加到1 0 0 0m l t l ：将大 阻力反冲洗配水系统改为单水洗、小阻力滤板滤头配水系统。 通过改造，水厂的处理负荷及产水量得到了提高，药耗和出水浊度也获得 不同程度的降低。然而，在运行过程中仍然暴露出了一些问题，加上近年来原 水水质的逐步恶化，使得有必要对整个工艺流程开展进一步的运行优化。 图2 5a 水厂的机械加速澄清池和双阀滤池 1 4 第2 章试验及分析方法 2 2 1 2b 水厂 b 水厂日供水能力为4 0 x 1 0 4m 3 ，分二期建设完成，分别于1 9 9 3 年1 2 月 ( 2 0 x 1 0 4 m 3 ) 和1 9 9 6 年6 月( 2 0 x 1 0 4 m 3 ) 建成投产。一期原水取自长江炮台浜 就地取水口j 二期采用长江陈行水库水。 该厂采用常规制水工艺，引进国外先进设备，自动化程度较高。b 水厂的出 厂水水质稳定，2 0 0 5 年全年出厂水平均浊度控制在0 1n t u 左右，其他各项指 标也均名列公司前茅。 图2 6b 水厂的处理工艺流程 水厂的工艺流程如图2 6 所示，折板反应池与平流式沉淀池合建，共4 组， 每组2 格，絮凝反应时间为1 8r a i n 。沉淀池设计水平流速5 7 6m h ，停留时间 1 8h 。沉淀池出水浊度控制在0 8 1 0n 2 q 3 。水厂过滤系统采用气水反冲洗的v 型滤池，共两座，单座制水能力2 0 x 1 0 4m 3 d ，分为1 2 格，单格面积9 1n 1 2 ，双 排布置，中间为操作管廊。滤料选用均质石英砂，有效粒径0 9 5 衄，砂层厚度 1 2 0 0 衄。滤池采用恒水位过滤，设计滤速为8 4m 3 ( m ? h ) ，过滤周期7 2h ，滤 出水浊度控制在0 1n t u 以下。 第2 章试验及分析方法 2 2 2 试验期间原水水质 2 2 2 1 黄浦江原水 表2 2 所列是试验期间a 水厂的原水水质情况( 月平均值) ，由水厂报表整 理所得。 表2 2 试验期间a 厂的原水水质情况 2 2 2 2 长江原水 b 水厂共有两路原水，其中陈行水库水水质总体评价为地表水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i i 类，水质稳定；就地原水水质波动性较大，主要表现为 氨氮、耗氧量和锰含量季节性偏高，但夏季水质较好，与陈行原水水质相差不 大。针对长江原水的试验在2 0 0 7 年6 月至9 月问开展，实验期间水厂两路原水 的水质情况见表2 3 ，数据均来自水厂在线监测数据及每日常规生产报表。 表2 3 试验期间b 厂的原水水质情况 1 6 第2 章试验及分析方法 2 3 分析与测试方法 2 3 1 仪器设备 本试验中采用的颗粒物计数仪是由美国i b r 公司生产的激光颗粒物计数仪， 包括6 台在线仪器和l 台便携式仪器，其主要性能参数见表2 4 。 表2 4 颗粒计数仪的性能参数 指标参数 分辨率 计数效率 测量范围 测流精度 一致性 信噪比 通道数 通信接口 四 2 p m ； 9 s o , , 2 t u n 2 - 4 0 0 p r o 1 0 粒径( 衄1 ) 图3 3 不同混凝剂投加量的沉后水中颗粒物的粒径分布 图3 2 和图3 3 表示混凝沉淀后上清液中不同粒径范围的颗粒物在总数中所 占的比例。分析表明，随着混凝剂投加量的增加，颗粒物的总数大幅下降，但 是各种颗粒物的分布比例有所变化，粒径为2 3g n l 的小颗粒所占的比例增加， 3 l o 岬的颗粒比例减少，大于1 0i t m 的颗粒所占比例基本不变。可见，过度 增加混凝剂的投加量虽然有助于减少颗粒物总数，但会增力d j , 颗粒所占的比例， 从而影响过滤效率。 综合考虑沉后水浊度与颗粒物两方面的要求，认为夏秋季混凝剂投加量控 制在4 0 5 0m g l 较为合适。春季原水的水质状况与秋季相似，也可以采用这一 加药范围。 试验中还发现，在混凝剂投加量相同的情况下，原水浊度对混凝沉淀效果 有一定的影响。图3 4 所示为混凝剂投加量为5 0m g 几、水温在2 3 2 8 的条件 下，不同浊度原水的混凝效果。可以看到，尽管沉后水的浊度基本相同，但沉 后水颗粒物总数随原水浊度上升而增加。该结果从侧面也说明颗粒物数量和分 布比浊度指示更加灵敏。 第3 章颗粒物计数法用于净水剂投加量的优化 2 6 63 6 55 2 36 7 87 9 21 0 7 原水浊度( n t u ) 图3 4 不同浊度原水的混凝效果 3 2 2 水温对混凝效果的影响 1 0 o 8 0 6 舍 o 4 鬟 0 2 0 0 由于硫酸铝的混凝效果受温度的影响较大，试验中比较了不同温度范围内， 沉后水的平均浊度和颗粒数。如图3 5 ( a ) 、 所示，硫酸铝的混凝效果随水温的 降低而下降，当温水低于1 0 时，该趋势尤为明显，即使增加投药量至6 0m g ，l 以上也无法进一步降低沉后水浊度，而颗粒物数量也有类似的变化规律。 2 0 ，、1 _ 5 o 量1 o 瑙 瘿 0 5 0 0 3 54 04 55 05 56 06 57 08 0 硫酸铝( m g l ) ( a ) 沉后水浊度 喜； 枷 喜； 瑚 姗 o (1巢一妊梨鬃目jn 第3 章颞粒物计数法用于净水剂投加量的优化 ( b ) 不同水温和不同混凝剂投加量的沉后永的颗粒数 图3 5 温度对黄浦江原水硫酸铝混凝效果的影响 分析原因主要是：( 1 ) 、低温下水的粘度提高，水中颗粒物质的热运动减慢， 颗粒碰撞机会减少，影响混凝过程；( 2 ) 、硫酸铝在低温状况下，水解速度降低， 水解不完全，因而形成的絮体结构变松散、粒径变小；( 3 ) 、硫酸铝的混凝机理 以压缩双电层为主，吸附架桥作用较弱，难以将微小的絮体通过架桥作用或者 卷扫作用形成大的絮体，因而混凝效果变差。 从图3 6 可以看到，随着硫酸铝的投药量增加，水中p h 值不断降低，当硫 酸铝的投加量达到6 0m g l 以上时，p h 值降低到6 7 甚至更低。这既不利于硫 酸铝水解，也不利于消毒剂和氧化剂在水中的反应，还可能对管网水的化学稳 定性造成影响。因此，在冬季混凝效果不佳的情况下，硫酸铝的投加量不宣过 高。 硫酸铝( m g l ) 图3 ，6 硫酸铝投加量与p h 值的关系 2 4 第3 章颗粒物计数法用于净水剂投加量的优化 综上所述，硫酸铝的混凝效果受水温影响较大，尤其是当水温降至1 0 以 下后，其混凝效果的恶化更为明显。同时，由于沉后水浊度和颗粒数的升高， 也导致了滤后水水质的下降。为了克服这一问题，提高低温下的制水效率，建 议水厂在冬季时选用高分子混凝剂或添加合适的助凝剂。 3 2 3 预加氯的助凝效果分析 a 水厂采用氯胺消毒法，以滤前加氯为主，滤后少量补氯。当原水氨氮浓度 低于o 5m g l 时，通过滤前加氨将原水氨氮浓度调整至o 5 o 6m g 几。由耗氯 实验测得，黄浦江上游原水的需氯量在夏季时为o 8 1 0m g l ，冬季由于水中 溶解氧浓度上升而降至0 5m g l 左右。 由于冬季低温条件下( 1 0i n n 的颗粒所占的比例 图3 1 2 不同粒径颗粒在沉后水中所占豹比例 3 3 3 陈行原水与就地原水的比较讨论 对比陈行原水与就地原水的试验结果，不难发现两者间存在一定的差异性： 首先，随着p a c 投加量的增加，当沉后水浊度均低于1 0n t u 时，陈行原水的 颗粒总数在2 0 0 0 3 0 0 0 粒m l ，而就地原水为1 0 0 0 1 5 0 0 粒m l 。其次，沉后 水中颗粒的粒径分布趋势不同，陈行原水主要受混凝剂投加量影响，而就地原 水则根据原水浊度大小差异呈现不同的变化趋势。 由于两部分试验是同期进行的，且方法完全相同，因此之所以会产生不同 的结果，主要是因为原水水质及加药量的差异。从原水的水质来看，陈行原水 经过水库的自然沉降作用使浊度常年稳定在较低水平，且长江水中氨氮t 有机 物等的浓度也较低，水质总体较优。而水厂就地原水取水口位置更接近长江口， 虽以长江水为主，但受潮汐影响不可避免地会混入黄浦江水或海水，且取水口 附近区域江面常有船只往来，对水体的扰动可能导致水中泥沙含量的上升。因 此，就地原水水质与陈行原水相比，存在浊度高、水质波动大的特点。从加药 量来看，试验中选取的加药范围是建立在对水厂2 0 0 5 、2 0 0 6 年全年加药量的调 研基础上的确定的。由于就地原水制水难度相对较大，因此加药范围比陈行原 第3 章颗粒物计数法用于净水剂投加量的优化 水提高了2 5m g l 。 针对上述的两点差异分析原因，第一，正是由于就地原水中悬浮物浓度较 高，使得混凝过程中颗粒的碰撞机会增大，加上混凝剂投加量较高，有利于发 生絮凝沉淀，因此最终沉后水中的颗粒总数反而比陈行原水低，但是这一现象 在浊度上无法体现。第二，关于沉后水中粒径分布的影响因素。对陈行水来说， 由于本身浊度较低，因此由原水浊度差异带来的变化并不明显，以混凝剂浓度 的影响为主。而对于就地原水，其浊度的交化幅度很大，从小于5 0 n t u 到大于 2 0 0n t u ，有时甚至超过3 0 0n t u ，因此水中悬浮物浓度的变化是影响沉后水粒 径分布的主要因素。 3 3 4 两种混凝剂的效果比较 采用烧杯试验对聚硫氯化铝( f p a c 3 ) 和水厂目前使用的聚合氯化铝( p a c ) 的混凝效果进行了比较，试验原水为就地原水。聚硫氯化铝( f p a c 3 ) 的化学 示性式为a i ( o h ) b c l ( s 0 4 h ，式中o b q a ，c + 2 d