（环境工程专业论文）饮用水深度处理技术优化研究.pdf

河北利技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea g g r a v a t i o no fp o l l u t i o no ft h ed r i n k i n gw a t e rs o u r c ea n dt h ei m p r o v e m e n t o ft h ew a t e r - q u a l i t ys t a n d a r d s t h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tc r a f to fd r i n k i n gw a t e ru s e di n m o s to fw a t e rp l a n t si nc h i n ac a nn o tr e m o v et h eo r g a n i cp o l l u t a n ta n dm n 2 + e f f e c t i v e l yt o s a t i s f yt h en e wd r i n k i n gw a t e r - q u a l i t ) 7s t a n d a r d c o n s e q u e n t l y , r a y o n b a s e d a c t i v a t e d c a r b o nf i b e ra n dg r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o nw e r eu s e di nt h i sr e s e a r c h ，w h i c hw e r e c o m b i n e dw i t hp a c ，0 3t od i s p o s es h i j i a z h u a n g sd r i n k i n gw a t e ra tad e e pl e v e la n d r e m o v i n gt h eo r g a n i cp o l l u t a n to fd r i n k i n gw a t e rs o r c e ，s ot h a tt os o l v et h ei n c r e a s i n g c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ea g g r a v a t i o no fo r g a n i cp o l l u t i o no ft h ed r i n k i n gw a t e rs o u r c e a n dt h es t r i c t i o no ft h ew a t e r - q u a l i t ys t a n d a r d s t h er a y o n - b a s e da c t i v a t e dc a r b o nf i b e ra n dg r a n u l a ra d t i v t e dc a r b o na r eu s e dt o r e m o v i n gt h er a ww a t e r , w h i c hi sf r o mt h el a b o r a t o r yt a pw a t e r t h e nt h er e s u l t sa 工eu s e d a st h et h ea d s o r p t i o n a lc h a r a c t e r i z a t i o no ft h e s et w om a t e r i a l s i ts h o w st h a tt h er e s u l t so f s t a t i ca d s o r p t i o ne x p e r i m e n t ：t h eb e s tq u a n t i t yo fr a y o n b a s e da c t i v a t e dc a r b o nf i b e r a d s o r b e n ti s2 0 0n a g l 1 , a n dt h eg r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o ni s3 0 0m g i 。h e r e ，t h e r e m o v a lr a t e so fc o d m na n du v 2 5 4a r e37 0 0 a n d8 3 6 0 f o ra c t i v a t e dc a r b o nf i b e r ；t h e r e m o v a lr a t e so f t h et w oi n d i c a t o r sp r e v i o u sa r e19 3 3 a n d6 7 5 0 f o rg r a n u l a ra c t i v a t e d c a r b o n r a y o n - b a s e da c t i v a t e dc a r b o nf i b e ra n dg r a n u l a ra c t i v a t e da r es e p a r a t e l yu s e dt o f i l t e r i n gt h er a ww a t e rf o rt h ed y n a m i ca d s o r p t i o ne x p e r i m e n t s t h er e s u l t so ft h e s e e x p e r i m e n t sc a nb eu s e da st h ea d s o r p t i o nc h a r a c t e r i z a t i o no ft h et w om a t e r i a l s i ts h o w s t h a tt h er e s u l t so fd y n a m i ca d s o r p t i o ne x p e r i m e n t s ：t h ea c t i v a t e dc a r b o nm a t e r i a l sa tt h e f i l i n gh e i g h to f15 0m m ，u n d e rb e s tf i l t r a t i o nr a t ef o r4m h 1 ，t h er e m o v a lr a t eo fa c t i v a t e d c a r b o nf i b e rt ol a ww a t e rc o d m n ，u v 2 5 4 ，t o ca n dm n pa r e2 3 0 0 ，1 5 8 0 ，9 3 2 0 a n d 6 4 10 ；t h er e m o v a lr a t eo fg r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o nt ot h e s ef o u ri n d i c a t o r sa r e 2 0 6 0 ，1 5 4 0 ，8 2 0 0 ，8 2 8 0 t h er e m o v a le f f e c to fc o d m n ，u v 2 5 4 ，t o ca n dm n 2 + b y a c t i v a t e dc a r b o nd y n a m i ca d s o r p t i o ni sb e t t e rt h a nt h a to fs t a t i ca d s o r p t i o no b v i o u s l y c o a g u l a t i o na n da c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o ni nc o n j u n c t i o na r eu s e di nt h i ss t u d yt o i n v e s t i g a t et h er e m o v a lr a t eo ft h er a ww a t e rc o d m n ，u v 2 5 4 ，t o ea n dm n 2 + i ts h o w st h a t ： a ta m b i e n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ，t h eo u t l e ta f t e ra c t i v a t e dc a r b o nf i l t e r , w h i c ha r e c o a g u l a t e da n ds e n d i m e n t a t e db yt h ep a cw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no f15m g l 1 t h e r e m o v a lr a t eo fa c t i v a t e dc a r b o nf i b e rt ot h e s ef o u ri n d i c a t o r sa r e6 6 8 8 5 4 2 9 9 2 0 8 a b s t r a c t a n d2 4 8 3 ：t h er e m o v a lr a t eo fg r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o nt ot h e s ef o u ri n d i c a t o r sa r e 6 4 6 1 5 1 4 3 9 0 2 6 a n d1 8 6 2 o z o n ea n da c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o ni nc o n j u n c t i o na r eu s e di nt h i ss t u d yt o i n v e s t i g a t et h er e m o v a lr a t eo ft h er a ww a t e rc o d u n ，u v 2 s 4 ，t o ca n d m + i ts h o w st h a t ： a ta m b i e n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ，t h eo u t l e ta f t e ra c t i v a t e dc a r b o nf i l t e r , w h i c ha r e o x i d i z e db yt h eo z o n ew i t ht h ec o n c e n t r a t i o no f15m g l 砥r e m o v a lr a t eo fa c t i v a t e d c a r b o nf i b e rt ot h e s ef o u ri n d i c a t o r sa r e7 2 5 ，7 3 7 0 ，9 4 2 0 a n d8 7 1 7 ；t h er e m o v a l r a t eo fg r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o nt ot h e s ef o u ri n d i c a t o r sa r e4 8 5 4 ，7 2 。7 1 ，7 8 8 8 a n d 8 7 6 l k 呵w o r d sg r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o n ；r a y o n - b a s e da c t i v a t e dc a r b o nf i b e r ；o r g a n i c ；d r r i n k i n gw a t e r ；c o a g u l a t i o n ；o z o n e ；a d s o r p t i o n i i i ；- - i ：i l 科技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，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：舷，良 指导教师签名： 缈7 年j 月7 , o 日 渺势帛 砂哆年川日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 囱不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：卅勿辗 指导教师签名： 矽岬 年，月细日 净i 訇 l 口歹年r 月f 留日 第1 章绪论 曩毫i _ | _ 昌宣昌i 昌昌篁昌葺昌暑掌i 昌畜_ 置乒卑昌l 岩号芦= = 手= 薯搴青；= ；暑葛；鼍= ；产号异= 罱罩写譬；暑寰昌高号昌鲁置f ；乒号昌_ 鲁宣守卑 - q i 阜 第1 章绪论 1 1 生活饮用水处理安全现状 1 1 1 水源水污染现状 水是人民生活和社会生产必需的基本资源之一，水资源的状况直接影响着经济 社会发展和人民生活水平的提高。联合国世界水资源综合评估报告指出，水问 题将严重制约2 1 世纪全球的经济与社会发展，并可能导致国家间的冲突。水问题已 成为世界共同关注的热点问题。 由于环境污染和饮用水资源的日益破坏，饮水资源的短缺和污染已成为世界性 的重要问题。我国是一个水资源贫乏的国家，是世界1 3 个贫水国家之一，人均水量 仅为世界人均水量的1 4 。我国正在经历前所未有的水问题转型，正以相对稀缺的水 资源、相对有限的水环境容量和十分脆弱的水生态系统，承载着不断扩张的庞大人 口规模和高增长、高强度的社会经济活动，面临着前所未有的压力【l 】。我国还是一个 水资源严重受污染的国家，由于经济的快速发展和治污工作的相对滞后，很多河流 和不少城市地表水和地下水己受到不同程度的污染，根据国家环保总局发布的2 0 0 7 年中国环境状况公报【2 】，2 0 0 7 年全国化学需氧量排放量13 8 1 8 万吨，比上年下 降3 2 ；全国7 5 9 个国控断面高锰酸盐指数平均浓度为6 5m g l ，比上年下降7 ， 但是我国地表水污染形势依然严峻，七大水系总体为中度污染，近岸海域总体为轻 度污染。水污染状况相当普遍，流经城市的河段普遍受到污染；工业点源污染、城 镇生活污染、农业与农村面源污染相互叠加，构成复合型污染；水环境安全存在隐 患1 4 j ，全国2 万多家化工企业中，位于长江沿岸的有近万家，黄河沿岸的近38 0 0 家； 水资源利用效率低，浪费严重；水生态遭到破坏，一些地方河流水资源开发利用率 超过生态警戒线。 我国各地水源水质条件差异明显，大部分水厂多采用地面水源，分别取自江河、 湖泊和水库。按照原水水质条件和水处理要求的不同，地表水源大致有以下5 类【1 叫： 1 ) 未受污染或轻度污染的地表水：水体符合国家规定的地表水环境质量标准 i 、i i 类水体的水质指标，且浊度和水温均属正常范围，处理的目的主要是去除浊 度和达到微生物学卫生指标； 2 ) 微污染的地表水：由于环境污染，水体某些指标已超过地表水环境质量标 准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中i u 类水体的规定。目前我国七大水系和内陆河流近年来已受到 不同程度的污染，特别在工业发达和城市化集中的地区尤为严重，主要污染物为氨 氮、有机物( 如c o d m 。、挥发酚) 等； 河北科技大学硕士学位论文 3 ) 高浊度地表水：黄河以及长江上游河段，洪水期大量泥沙流入水体，形成高 含沙量的原水。黄河中游及其支流的最高含沙量可达l0 0 0k g m 七以上，长江上游嘉 陵江最高含沙量也达2 5 2k g m 一。 4 ) 低温低浊地表水：低温低浊水一般是指冬季水温在0 , - - - 4 ，浊度低于3 0 n r u 的地面水。在我国北方地区一年内低温延续时间长，且原水浊度较低，给水处 理带来一定困难。 5 ) 高含藻地表水：高含藻地表水主要出现在湖泊和水库。由于受污水排放和农 业施肥等影响，我国不少湖泊富营养化日趋严重，氮、磷的含量高，造成藻类大量 繁殖。在富营养化湖泊水中，藻的数量一般为每升几百万到每升几千万个。 近年来我国各地发生了多起饮用水污染事件，严重影响了人民群众的日常生活 和健康安全【4 - 1 2 】，这主要表现在以下几个方面： 1 ) 水中天然有机物危害 水中大量存在的天然有机物如腐殖酸类，是水中一种重要的还原性有机物，是 造成当今饮用水问题的一个重要因素【l3 1 。水生腐殖酸具有令人不快的色和味，影响 重金属在水中的迁移和归宿，而且水生腐殖酸是饮水氯化消毒致突变物生成的主要 前体物，能够影响水的色度、混凝效果 1 4 , 1 5 】、重金属的迁移和去除f 1 6 】以及微囊藻毒 素的光降解i l ”。另外，天然水体中的腐殖质特别容易与用来净化饮用水的氧化剂和 消毒剂，尤其是氯反应，生产三卤甲烷、卤乙酸等消毒副产物的前躯体，1 9 9 0 年美 国r e c k h o w 1 8 】等人研究发现，天然水中的腐殖质很容易与氯气反应生成三氯甲烷。 2 ) 铁、锰等金属超标危害 饮用水含高浓度铁，会使人体内铁超标，出现慢性中毒症状，诱发肝硬化、骨 质疏松、软骨钙化等疾病；而长期饮用含锰量较高的水，也会出现乏力、头痛、记 忆力减退、肌肉疼痛，严重者甚至出现肌体震颤、行走困难等症状。铁、锰含量高的 水会在给水系统中生成褐色软泥，堵塞管道，加快金属腐蚀速度，给水厂净水工艺 增加难度【1 9 , 2 0 】。 3 ) 微囊藻毒素危害 我国湖泊、水库污染日益严重，生态系统退化，蓝藻水华频繁暴发，湖泊富营 养化呈现迅速发展的趋势，其带来的藻毒素污染已经成为人们广泛关注的环境问题。 微囊藻毒素( m i c r o c y s t i n ，m c ) 是一类分子结构为环状七肽类的肝毒素。在微囊藻属 ( m i c r o e y s t i s ) 及其他几种主要的蓝藻属中均有发现，为蓝藻的次生代谢产物。m c s 污 染水环境的主要表现为水中藻类大量繁殖，造成水中含有鱼腥味，影响人们的饮水 安全以及供水公司的正常运行。 隋海霞【8 j 等研究了淀山湖、东湖、鄱阳湖水系浮游藻类和藻类毒素的污染，结果 表明蓝藻已经成为上述三大湖泊的优势藻种，且在水环境能检出微囊藻毒素。王蕾 2 第r 章绪论 【2 1 】、张娟【翻等于20 0 5 年对北京市重要饮用水水源地官厅水库、密云水库和怀柔水库 水源水样进行藻毒素调查发现，在藻类的高发季节，3 个水库水体中均检出m c ，其 中官厅水库7 月份m c 最高值达n 2 0p g l 一。 合肥市、郑卅l 市、无锡市昆山市以及厦门市等地水源均受到藻毒素不同程度的 污染，影响自来水厂的正常运行【2 列；除了污染水环境外，还可以污染水生生物，间 接对人体健康构成威胁。x i e 2 4 】等对巢湖水中m c 在鱼体内的生物富集进行了研究， 在鱼胆汁、血液样本以及肝肾脏、肌肉等脏器中均检出了m c ；俞顺章1 2 5 j 等对东南沿 海肝癌高发区肝癌与饮用水中m c 的关系进行研究，证明沟塘水中以m c 为代表的藻 类毒素是致肝癌的促癌剂。u e n o 2 6 j 等对我国肝癌高发区海门和抚绥地区的原发性肝 癌病因学研究表明，饮用水原水中藻毒素尤其是m c 含量与原发性肝癌的发生率有一 定相关性，且水中藻毒素含量与肝癌的发病率呈正相关。 1 1 2 饮用水水质标准沿革 饮用水水质直接关系到人类健康，并在一定程度上标志着一个国家的文明程度 和技术发展水平，因此各国均把提高供水水质作为供水服务的首要内容。饮用水水 质标准状况是与生产力和分析手段的发展相适应的，标准直接反映了对饮用水水质 的研究现状和认识水平。目前，世界上主要的国际饮用水水质标准有世界卫生组织 ( w h o ) 标准、欧洲共同体( e c ) 标准、美国及其它国家的水质标准等。 我国政府一向十分关心和重视饮用水卫生工作，解放以来多次发布和修改了饮 用水卫生标准。1 9 5 0 年上海市人民政府颁布了c l 海市自来水水质标准。1 9 5 5 年5 月卫生部1 27 j 发布在北京、天津、上海、旅顺等1 2 个城市施行的自来水水质暂行标 准，这是新中国成立后最早的一部管理生活饮用水的技术法规。1 9 5 9 年经建设部 和卫生部批准，定名为生活饮用水卫生规程。1 9 7 6 年卫生部组织制定了我国第 一个国家饮用水标准，共2 3 项指标，定名为生活饮用水卫生标准( 编号为t j 2 0 7 6 ) ， 经国家基本建设委员会和卫生部联合批准。1 9 8 5 年卫生部对生活饮用水卫生标准 进行了进一步修订，指标增加至3 5 项，编号改为g b5 7 4 9 8 5 ，于1 9 8 6 年1 0 月起在全 国实施。随着我国经济的发展、生活污水、工业废水、农药污染的增加，影响了供 水水质。为适应新的情况，卫生部和建设部分别颁布了生活饮用水卫生规范( 2 0 0 1 ) 和城市供水水质标准( c j t 2 0 6 。2 0 0 5 ) ，由原来的3 5 项增加为9 6 项和1 0 1 项，增加 了大量有机污染物指标和微生物学指标。2 0 0 6 年国家卫生部和国家标准管理委员会 发布了生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 代替19 8 5 年发布的标准，于2 0 0 7 年7 月1 曰起执行。该标准在1 9 8 5 版的基础上进行修订，水质指标由1 9 8 5 年的3 6 项增加至 1 0 6 项，增加了7 1 项，修订了8 项。所有这些变化都显示了我国在饮用水标准方面所 取得的进步。生活饮用水卫生标准的发展历程见表1 1 。 3 河北科技大学硕士学位论文 5 0 多年来，每次生活饮用水卫生标准的修改制定都增加了水质检验项目和提高 了水质标准，饮用水的标准的重点已经从简单污染物的控制转向一些复杂有机物污 染的控制。 我国新执行的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) ，参照世界卫生组织制定 的饮用水卫生准则( w h 0 1 9 9 8 ) ，美国环保局( e p a ) 以及欧盟的水质标准，并结合 中国国情所制定。我国饮用水标准正在逐步与国际供水水质标准接轨，部分标准已 经相当于国外标准。该标准与世界饮用水卫生标准比较见表1 2 。+ 表1 2卫生部标准与w h o 、美国e p a 及欧盟e u 标准比较【2 8 】 t a b 1 - 2s t a n d a r dc o m p a r i s o no fm i n i s t yo fh e a l t h ，w h o ，e p aa n de u 1 1 3 常规处理工艺及其局限性 水质标准的提高，要求水厂必须采取新工艺、新手段进一步降低水质标准的感 官性状。我国城市给水净化厂绝大部分( 9 9 以上例) 采用混凝一沉淀砂滤一液 氯消毒的常规处理流程。传统的水处理工艺主要以去除水中悬浮及胶体物质为主， 并以水的浊度、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，传 统工艺可获得安全合格的饮用水。 水源水中的污染物主要为有机物，有机物大致可以分为两类：一类是天然有机 4 第1 章绪论 物，包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的植物组织和动物的废弃物，其中主要是腐 殖质，约占水中溶解性有机碳( d o c ) 的4 0 “0 ，是饮用水处理中主要去除对象； 另一类是人工合成的有机物，包括农药j 商业用途的合成物及二些工业废弃物，大 多数为有毒有机污染物，资料【3 0 , 3 1 表明许多痕量有毒有机物对综合性指标b o d 、t o c 等贡献极小，但却具有更大的潜在威胁。 在水污染日益严重的今天，原水中有毒有害化学有机污染物含量正逐年上升， 品种也正逐年增多，我国国家环保局于1 9 8 9 年4 月通过了“中国环境优先监测研究” 课题鉴定，确定了“水中优先控制污染物黑名单”，包括1 4 类6 8 种有毒化学污染物， 其中有机物5 8 种，占8 5 2 9 ，包括卤代烃、苯系物、r 。氯代苯类、多氯联苯、。酚类： 1 9 9 3 年颁布的世界卫生组织w h o 饮用水水质准则中除去微生物学指标，放射性 指标外，共列出了化学指标1 3 1 个，其中无机物3 6 个，有机物3 1 个，农药3 6 个，消毒 剂及消毒副产& 2 8 个【3 引。自来水厂传统水处理工艺已不能有效地去除水中各种污染 物，特别是溶解性有机物。欧阳二明【3 3 j 等采用三维荧光光谱分析法对常规净水工艺 中有机物的去除效果研究发现，常规的混凝沉淀对有机物仅为百分之十几，过滤过 程的对有机物去除率在5 1 5 之间，快滤池的去除效果略高于v 型滤池。常规处 理工艺对c o d t c m 的去除率仅为8 7 6 ，对u v 2 5 4 的去除率为2 1 6 3 。 1 1 4 微污染水处理技术的发展 针对常规水处理工艺的局限性，要保证安全的饮用水供应，就必须找出合理的 处理方法。目前微污染水处理技术主要有以下几种方法一 ( 1 ) 强化混凝工艺近二十年来，世界各国对水处理中的混凝工艺环节都非常 重视【3 4 】强化混凝技术得到了较大发展，先后出现了各种新型强化药剂和各种高效混 凝装置。 一 目前强化混凝采用的强化药剂主要由c 1 2 【3 习、0 3 【3 6 】、c 1 0 2 1 3 7 、k m n 0 4 等。这些化 学氧化剂的主要优点是占地少、反应时间短，一般受温度的影响比较小。缺点是有 些氧化n ( 0 3 、c 1 0 2 ) 不能保存，需现场制备，费用较高。目前的研究结果认为，有些 氧化剂( c 1 2 、0 3 、c 1 0 2 ) 在与水中有机物反应的同时，产生对人体有害的副产物。 强化混凝是去除微污染水源水中溶解性有机物的有效方法【3 7 4 j 】，通过降低p h 值、 增加混凝剂投加量等措施，可以达到在混凝工艺中最大限度地去除水中天然有机物 ( n o m ) t 3 6 - 3 8 1 和氯化消毒副产物( d b p s ) 前质4 2 ，4 3 1 的目的。刘建广【删等研究发现在低温 下聚合铝投加量为3 0m g u 1 ，p h 值为6 时，对原水c o d m 。的去除率为4 5 、对u v 2 5 4 的去除率为3 8 ；调低p h 值主要提高了对分子量在l - - 4 k 范围的有机物的去除率。吴 磊1 4 5 j 等研究发现，利用水厂的反冲洗废水中己形成的矾花颗粒，可改善水处理的混 凝沉淀性能，节省混凝剂的投加量。三氯化铁在投加量为3 5m g l 1 ，对原水c o d m n 、 洞北科技大学硕士学位论文 u v 2 5 4 的去除率分别为8 0 和3 6 6 。张跃军1 4 6 】等研究发现，使用聚二甲基二烯丙基 氯化铵与聚合氯化铝作为复合混凝剂质量复合比为5 ：1 时，对太湖水有很好的脱浊效 果，此时可节省聚合氯化铝投加量为5 7 1 4 - 5 9 5 7 。 ( 2 ) 臭氧技术臭氧氧化技术在欧洲己得到了较广泛的应用，在美国的应用也 开始增多，但是由于臭氧设备投资大、运行操作管理技能要求高，运行费用相对较 高以及臭氧氧化副产物的监测与控制尚处于认识的探索阶段。该技术在发展中国家 的应用一直很有限，在我国臭氧的应用从2 0 世纪9 0 年代以来已经陆续展开，但是数 量不多。 ( 3 ) 活性炭组合吸附技术活性炭( a c t i v a t e dc a r b o n ) 吸附与其他工艺组合能够达 到很好的处理效果。目前已提出的组合工艺主要有0 3 g a c ( g r a n u l a ra c t i v a t e d c a r b o n , g a c ) 4 7 1 、生物预处理活性炭吸附【4 8 1 、高锰酸钾复合药剂活性炭吸附4 9 1 等。 目前，北京、深圳、广州、昆明、常州等城市为了改善水质，已经在一些水厂设置 了臭氧活性炭过滤工艺。具体的应用实例有深圳梅林水厂、笔架山水厂和广州南洲 水厂。生物活性炭较单独使用活性炭吸附具有提高出水水质、增加水中溶解性有机 物的去除率，延长活性炭的再生周期，降低三卤甲烷生产量等优点【5 0 , 5 1 】 ( 4 ) 膜分离技术膜技术在美国、日本等国家的供水行业中已经得到大规模的 推广，但在我国，将膜技术广泛地应用于给水处理还处于尝试阶段。超滤膜技术由 于膜成本高，同时又存在膜污染等问题，限制了其在自来水企业大规模的应用，但 是由于其出水水质稳定、操作简单等特点，在给水处理中仍然得到了一定的发展， 主要应用于管道分质供水、家用净水器【5 2 1 、农村饮用水供给【5 3 】、工业给水【5 4 1 、海水、 苦咸水淡化预处型5 5 】等方面。吴小倩f 5 6 】等人将活性炭一纳滤膜技术应用于南方地区 浅层地下水的净化中，该工艺能有效去除地下水中的有机及无机污染物。对有机物 的去除率在8 0 以上，对电导率、总硬度的去除率也分别达到8 0 和9 0 ，对其它 污染物也有较高的去除率。该研究成果为以地下水为水源的小城镇地区供水提供了 新思路。微滤和超滤技术已在澳门自来水公司应用【5 刀。 除了上述主要的技术方法外，空气吹脱法、以紫外c 消毒技术和u v h 2 0 2 技术为 代表的光化学处理技术等【5 8 】也有一定的应用，但是因为这些技术自身存在的局限性 较大，现在推广应用的还不是很广泛。 1 2 活性炭在净水处理中的应用 在水质净化方面，活性炭吸附技术一般是用来去除水中的溶解有机物，对分子 量在5 0 0 - - - 30 0 0 的有机物去除效果最好，大部分比较大的有机物分子、芳香族化合物、 卤代烃等都能够牢固吸附在活性炭表面上或孔隙中，并且腐殖质、合成有机物也能 被活性炭吸附去除。净水用活性炭多为g a c 。应用g a c 处理时，通常采用固定床方 6 第1 章绪论 式吸附，代表技术主要有活性炭滤池、生物活性炭滤池、臭氧活性炭联用法。 西欧、美国目前已有9 0 以上的以地面水为水源的水厂采甩活性炭吸附法【5 9 j 活性炭是一种良好的水处理剂，它能有效地去除水中有机物，因此，在国内外都得 到了广泛应用【6 0 】。但活性炭去除的主要是水中非极性或憎水性有机物，西欧许多水 厂用活性炭去除水t z p c o d m n 平均值仅为2 0 , - - - 3 0 t 6 0 】。a n d e r s o n t 6 1 等人的研究结 果表明，活性炭对c h c l 3 的去除率为2 0 3 0 ，并且水中c h c l 3 的浓度和投加活性 炭的多少也影响最后的去除效果。安丽【6 l 】等研究表明，g a c 对t h m s 的去除率较低， 使用2 个月的新炭对它的去除率为3 8 ，而对h a a s 的去除率较高，使用2 个月的新炭 对它的去除率为6 5 。可见，g a c 对h a a s ( 拘控制周期较长【6 2 1 j 活性炭纤维( a c t i v a t e dc a r b o nf i b e r , a c f ) 含有丰富的微孔结构，几乎没有中孔和过 渡孔6 3 j 和巨大的比表面积( 比表面积较大，一般都在l0 0 0m 2 g 以以上i 甚至可达30 0 0 i n 2 g ，比g a c 要高一个数量级畔1 ) ，a c f 具有极强的吸附能力，研究陋5 1 表明它可以 使水澄清，去除水中的异味，吸附水中的锰、铁离子效果最好，对于c n 。、c i 、f 。、 o h 。的去除率在9 8 以上；对氰、氯、氟、酚等有机化合物去除率达9 0 以上；对细 菌类有极好的过滤效果，如大肠杆菌去除率可达9 8 以上。东京大学利用改性a c f ( q b 孔丰富) 对地表水源进行处理，对t h m 潜在物的去除率达8 0 ，t o c 的去除率大于 5 0 ，吸附饱和的a c f 可以利用碱性物质再生帅j 。山西煤炭化学所研究中孔a c f 对。 v b l 2 的吸附，结果表明中孑l a c f 对v b l 2 有很大的吸附容量，且吸附等温线符合 f r e u n d l i c h 方程【6 。余子锐等研究发现a c f ( r a y o n b a s e da c t i v a t e d + c a r b o nf i b e r ) 作吸附 剂对水中微量的苯酚和氯苯的去除效果均好于一般的g a c 。另外，a c f 也可应用于 小型净水器1 6 引。 1 3 石家庄市饮用水源污染特征 。随着石家庄市社会经济建设的快速发展，水资源严重短缺和地下水超量开采的 矛盾日益突出，城市用水不得不由过去的开采地下水源逐渐转向开发利用地表水资 源。现在，岗南、黄壁庄水库已成为省会石家庄市重要的地表水饮用水源地，地表 水的供水量已占全市总供水量的三分之一。近年来，由于岗南、黄壁庄水库除接纳 滹沱河补水外，还接纳了其主要支流冶河的来水，冶河在流经途中纳入了沿途山西 省部分地区和河北省井陉县、井陉矿区、平山县的主要工业及城镇生活污水，使两 水库水质受到一定程度的污染，对城市供水安全构成潜在的威胁f 根据石家庄市环境监测站和石家庄市润石水厂提供的数据显示，岗南、黄壁庄 两水库除总氮、总磷两项指标超标外，其他指标符合标准要求，其中挥发酚、氰化 物、砷、汞、铬( 六价) 、镉、铅等污染物多年未检出或个别指标偶尔达到最低检 出浓度。2 0 0 1 年岗南水库总氮超标4 9 倍，总磷超标1 6 倍；黄壁庄水库总氮超标 7 河北科技大学硕士学位论文 6 6 倍，总磷超标3 6 倍。两库水质均为劣v 类。水库水质中微污染物质增加，季节 性变化明显，夏季m n 含量超标，鱼腥味严重，浮游生物、藻类时有超标，地表水 微污染问题严重。2 0 0 4 年 - 2 0 0 6 年1 0 、1 1 月岗南水库锰浓度均超标( 地表水环境 质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 规定锰的限值为m n 2 时难以吸附；l g k 大，表明活性炭适合于低浓度污染物的吸附。 3 1 2 4 吸附动力学研究 活性炭的吸附性能由吸附等温线和吸附动力学两方面的资料确定。吸附等温线 给出活性炭的吸附容量的依据，而吸附动力学则提供活性炭吸附速率的资料。 具体试验方法为：取一系列三角瓶，精确称取己预处理过的活性炭材料5 0m g 若干份，放入各三角瓶中，分别加入1 0 0m i 原水( 自来水) ，塞好胶塞，在2 5 c 恒温 摇床中，以1 0 0r p m 的振荡条件进行吸附，每隔一定时间取出一个三角瓶，水样经过 滤后，测定其u v 2 5 4 值，获取u v 2 5 4 值与时间的关系数据，直至其值不再下降为止。 3 2 结果与讨论 3 2 1 吸附平衡时间 g a c 对原水的处理效果如表3 3 所示。 表3 - 3g a c 吸附平衡试验结果 t a b 3 3t h er e s u l t so fg a ca d s o r p t i o ne q u i l i b r i u me x p e r i m e n t 对a c f 采用与g a c 相同的试验方法，该材料对原水的处理效果如表3 _ 4 所示。 1 5 不o g a c 及a c f 对原水c o d m 。及u v 2 5 4 的吸附量随时间变化趋势如图3 1 、3 2 所 表3 4a c f 吸附平衡试验结果 t a b 3 4t h er e s u l t so f a c fa d s o r p t i o ne q u i l i b r i u me x p e r i m e n t ：、 。锄 捌 钵 莲 餐 1 2 j 。 45678 吸附对阃，( h ) 一颗粒活性炭 + 括性炭纤雉 图3 - 1活性炭对c o d m l i 吸附量变化趋势 f i g 3 - l t h et r e n d so f a c t i v a t e dc a r b o nm a t e r i a l st ot h ec o d o f r a ww a t e r 由试验数据表3 ，2 、3 3 及图3 1 可以看出，在吸附过程中进行到5h 左右时，活 性炭材料对c o d m r i 的吸附量基本趋于恒定，表明这两种材料对c o d m n 的吸附过程 已接近平衡。吸附开始随着时间增加，c o d m 的去除率增加。活性炭对有机物的吸 附主要由物理相互作用和化学相互作用所决定。在最初由于活性炭内部分子在各个 方向都受着同等大小的力而在表面的分子则受到不平衡的力以及活性炭与被吸附物 质之间的化学作用，使得活性炭有很大的吸附能力，有机物被吸附在活性炭上而使 去除率上升。在吸附过程中进行到5h 左右时最高，随着时间的增加，去除率反而下 降。因此确定活性炭对c o d m 。的吸附平衡时间约为5h 。 1 6 6 5 4 3 2 l o 0 o o o 0 o 第3 章活性炭材料吸附水中有机物性能试验研究 昌昌与昌；= 暑昌冒_ l _ _ 墨昌q 与号幂i 芦薯昌= 薯宣育奄霉警；墨争= = = 鲁等= 瞄昔= = 号譬= = = 昌= = 昌盔；= = 再乒昌号；鼍昌阜号耳，号昌寅寻；皇亨= ；旱昌皇年；年j 由图3 2 可知，在整个吸附过程中，两种活性炭材料对u v 2 5 4 的去除效果随时间 的增加而增大，且通过对比可以发现，a c f 的去除效果远远高于g a c ，这主要是因 为水中的有机物多是小分子有机物，而a c f 的微孔结构较g a c 发达，因此a c f 对 原水u v 2 5 4 的去除效果比g a c 的要好。 一颗粒活性获 + 括性炎纤维 吸附时f 司( h ) 图3 2 活性炭对u v 2 5 4 吸附变化趋势 f i g 3 - 2 t h et r e n d so f a c t i v a t e dc a r b o nm a t e r i a l st ot h eu v 2 5 4o f r a ww a t e r 3 2 2 投加量的确定 此部分考察g a c 及a c f 两种材料在不同质量的情况下，对原水有机物的去除 效果，试验结果如表3 5 和表3 6 所示。 表3 5不同质量g a c 吸附试验结果 t a b 3 5 t h er e s u l t so fd i f f e r e n tq u a l i t yg a ci s o t h e r m a la d s o r p t i o n - e x p e r i m e n t 由表3 - 5 可知，随着g a c 投加量的增加，刚开始对c o d m n 和u v 2 5 4 去除率的影 响较大，当g a c 投加量增加到3 0 0m g l 1 ( 此时的c o d m i l 值为t 9 3m g l 一，低于2 5 1 7 8 6 4 2 l 8 6 4 2 o呲晰呲m啷i堇m耋o 玑n n n 0 n n n n iii要飞ny m g l 一，去除率最高，为1 9 3 3 ) 8 ，增加投加量对c o d m i l 去除率的增加作用不大； 当g a c 投加量在3 0 0m g - l 1 时，u v 2 5 4 去除率最高，为7 8 6 9 。从减少投加量、节 约成本出发，可以确定g a c 的投加量选择为3 0 0m g l 。 表3 - 6不同质量a c f 吸附试验结果 t a b 3 6t h er e s u l t so fd i f f e r e n tq u a l i t 3 a c fi s o t h e r m a la d s o r p t i o ne x p e r i m e n t 吸附剂投原水吸附后 对c o d 吸 加量 c o d m l 】c o d m l i 附量 c o d m 原水 吸附后u v 2 s 4 去除效率u v 2 5 4 ( e m 1 )u v 2 “( c m 1 )去除率( ) ( r a g l - 1 ) ( r a g l 1 ) ( r a g i 1 ) ( m g g 1 )( 呦 由表3 - 6 可知，同g a c 一样，随着a c f 投加量的增加，刚开始对原水c o d m i l 和u v 2 5 4 去除率的影响较大，当a c f 投加量增加到2 0 0m g l l 后，下降趋势变缓； 当投加量3 0 0m g l 1 时，对c o d w m 的去除率最高为2 0 6 7 ；此后增加投加量对 c o d m 。和u v 2 5 4 去除率的增加作用不大，因此可确定a c f 的投加量选择为2 0 0 m g l 。 3 2 - 3 吸附等温式的确定 g a c 和a c f 两种活性炭材料对原水c o d 的试验结果见表3 7 和表3 8 。将上 述两表中数据进行回归处理后，得出活性炭材料对原水c o d m n 的吸附等温式，结果 见图3 3 。 表3 7 确定a c f 对c o d m n 吸附等温式的实验数据 t a b 3 - 7t h ee x p e r i m e n t a ld a t at od e t e r m i n et h er