（环境工程专业论文）不同原水的水厂工艺运行优化研究.pdf

摘要 摘要 上海地处江南水网地区，具有较丰富的地表水资源，水质状况却不容乐观， 是全国3 6 个水质型缺水城市之一。随着市民生活水平的不断改善，上海市的饮 用水供水标准也有所提高。如何在地表原水普遍污染的大环境下，通过对现状 水厂进行升级改造，来保证甚至进一步改善出水水质，并且有效应对事故性原 水污染，成为各水厂工作的重点。 本课题以上海浦东a 水厂的陈行原水和就地头部原水为研究对象，将颗粒 物计数方法与常规水质指标相结合，对常规工艺中的加药、混凝、沉淀、过滤 等环节进行模拟及生产性实验研究。成果总结如下： 陈行原水的混凝剂投加量超过1 5 m g l 以后，加药量继续增大，小颗粒的比 例反而有所增加：而头部原水则相反。正常水质情况下，陈行原水的p a c 投加 量在1 0 - - 1 3 m g l ；头部原水冬季低温时加矾量可控制为2 5 3 0 m g l ，夏秋季控 制加矾量为2 0 - 2 5 m g l 较适宜。四种混凝剂处理头部原水的混凝效果评价表明， 聚硫氯化铝的处理成本最低，高效p a c 的处理效果最好。 预氯氧化对陈行原水的助凝效果微弱，但可使头部就地原水的沉后水浊度 和颗粒降低1 0 左右。头部原水短期恶化情况下，可考虑将加矾量提高3 - - 一5 m g l 或加入高锰酸钾0 2 - 0 4 m g l 。若受污染程度较大，可将粉末活性炭投加于吸 水井处、投加量为2 0 3 0 m g l 。 头部原水模拟过滤柱试验表明，头部原水的过滤性能较差，滤后水的颗粒 物数量和浊度均有较大的波动，细砂过滤的滤后水浊度和颗粒物数量比粗砂低 1 5 左右。头部原水滤池系统反冲洗泵的变频试验表明，反冲洗水泵满负荷条 件下，滤池的滤砂容易出现少量流失的现象，合适的频率范围为全速的8 0 - - - 9 0 ，即4 0 - - 4 5 h z ，既可保证冲洗效果，又可减少滤砂流失。 研究表明，原水水质稳定的净水系统如取长江陈行原水的水厂可利用颗粒 物作为滤池运行调控的参数之一，头部原水滤池的采用颗粒物作为运行管理的 辅助手段还需深入研究。 关键词：混凝剂，预氧化，过滤，粉末活性炭，高锰酸钾，颗粒物计 a b s t r a c t a bs t r a c t s h a n 曲a ih a sa b u n d a n ts u r f a c ew a t e rr e s o u r c e ，b u tt h eq u a l i t yo fr a ww a t e ri s n o ts og o o d ，s h a n g h a ii so n eo ft h e3 6c i t i e sw h i c ha r ei ns c a r c eo fg o o d q u a l i t yr a w w a t e r w i t ht h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r di ns h a n g h a i ，h i g h e rd r i n k i n gw a t e r q u a l i t yi sr e q u i r 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 rw o r k sa st o i m p r o v et h eq u a l i t yo fd r i n k i n gw a t e ra n dt od e a lw i t ha c c i d e n t a lw a t e rp o l l u t i o nh a s b e c o m ea nu r g e n tt a s ki nm a n yw a t e rw o r k s s t u d i e so nc 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 rw e r ed o n ei na w a t e r w o r ko fs h a n g h a ip u d o n gv e o l i ac o ，l t d p a r t i c l ec o u n t i n gt e c h n o l o g ya n d 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 sw e r eu s e d t o o p t i m i z e t h e p a r a m e t e r so f c 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 i l t r a t i o n ，e t c m a i nc o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： t h eo p t i m i z e dp a cd o s a g eo fc h e n h a n gr a ww a t e ri s1o 13 m g li nn o r m a l c o n d i t i o n ；t h em o r ec o a g u l a n tw e r ea d d e dt h em o r es m a l lp a r t i c l e sw e r ef o u n di n s e t t l e dw a t e ri ft h ed o s a g ei so v e r15 m g l t oi n s i t ur a ww a t e rs y s t e m ，t h er e s u l ti s o p p o s i t e a n dt h ed o s a g ef o ri n s i t us y s t e m i nw i n t e ra n di ns u n l n l e rc o u l db e c o n t r o l l e da t2 5 - 3 0 m g la n d2 0 - - 2 5 m g ls e p a r a t e l y t e s tt o f o u rc o a g u l a t e s s h o w e dt h a tf p a c 3i st h em o s tc o s t - e f f i c i e n ta n dp a ci st h em o s te f f i c i e n tt ol o w e r t u r b i d i 够 p r e c h l o r i z a t i o nc o u l dd ol i t t l et oc h e r l h a n gr a ww a t e r , b u ti tm a d et h et u r b i d i t y a n dp a r t i c l en u m b e ro fs e t t l e dw a t e ri ni n s i t us y s t e mr e d u c e db y10 i no r d e rt o s o l v et h ep r o b l e mo fa c c i d e n t a lp o l l u t i o no fi n s i t ur a ww a t e r , 3 - - 5 m g lm o r ep a c o r0 2 o 4 m g lk m n 0 4c o u l db ea d d e d b e s i d e s ，2 0 - - 3 0 m g lp o w d e r e da c t i v a t e d c a r b o nc o u l db eu s e di nw o r s ec o n d i t i o n s i m u l a t i o nt e s to ni n s i t ur a ww a t e rf i l t r a t i o ns y s t e mp r o v e dt h eb a df i l t r a t i o n q u a l i t yo fi n s i t ur a ww a t e r t h ee f f l u e n ti sn o ts t e a d y t u r b i d i t ya n dp a r t i c l en u m b e r o fe m u e n tf r o mf i n es a n db e di s15 1 0 w e rt h a nt h a tf r o mc o a r s es a n db e d i ti sm a d e c l e a rb yf r e q u e n c yc o n v e r s i o ne x p e r i m e n to nt h eb a c k w a s hp u m po ff i l t e rs y s t e mt h a t t h ef r e q u e n c yo fp u m pc o u l db em o d u l a t e dt o8 0 - 9 0 ，4 0 - - 4 5 h z t h u st h ee f f e c t a b s t r a c t o f b a c k w a s hc a nb ea s s u r e da n ds a n dl o s sc a nb ea v o i d e da sw e l l t h ec o n c l u s i o na b o u ta 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 di nw a t e rw o r kc a n b eg o t t h ep a r t i c l em o n i t o r i n gm e t h o di sb e t t e rt ob eu s e di nt h es y s t e mw h e n t r e a t i n gs t a b l er a ww a t e rs u c ha sc h e n h a n gs y s t e m 。a st h ea p p l i c a t i o no ft h ep a r t i c l e m o n i t o r i n gm e t h o dt ot h eu n s t a b l ei n f l u e n ts y s t e ml i k ei n s i t us y s t e m ，f u r t h e rs t u d i e s n e e d st oe v a l u a t e k e yw o r d s ：c o a g u l a t i o n ，p r e c h l o r i z a t i o n ，f i l t r a t i o n ，p o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o n ， k m n 0 4 ，p a r t i c l ec o u n t i n g i i 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：球睦 z 明年弓月名曰 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： 1 珠冶 卅年多月w 日 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 上海市水资源概况 第1 章绪论 上海地处长江三角洲前缘，东濒东海、南临杭州湾、西接苏州市和嘉兴市、 北界长江，是长江的出海门户。全市面积6 3 4 0 5 m k 2 。上海的陆域水系，属太湖 流域，黄浦江承泄太湖来水，黄浦江水系支流遍布城乡，是江南的水网地区。 上海地区常年可利用的水资源量来自三个方面：一是当地径流，二是可开采的 地下水，三是过境水。目前上海城市水源以地表水为主，主要为三大水源：黄 浦江水源，长江水源和内河河网水源【l 】。上海目前8 0 的城市供水水源取自黄浦 江上游，流域来水量虽然有保证，但水质状况不容乐观，苏沪边界5 0 8 0 的 断面水质劣于i i i 类【2 1 。诸多因素影响导致目前黄浦江水源水质一般为i i i 类， 有时v 类甚至劣v 类，不能完全符合国家集中式饮用水水源地的标准要求。 上海虽然有较丰富的地表水，但是依然是全国3 6 个水质型缺水城市之一1 3 l 。 为了稳定供水量，提高供水水质，充分利用水质相对优良的长江水原是未来上 海市缓解水资源紧张的战略重点。1 9 9 2 年建成的长江口陈行水库，水质常年保 持国家地面水i i i i i 类标准，目前是上海市最重要的副水源【4 】。此外，作为上海 新水源地的青草沙水源地原水工程已在施工阶段，预计到2 0 1 0 年该项目可开始 供水，2 0 1 2 年全部竣工。青草沙等水域的水质清澈，达到i i 级国家标准，符合 国家城镇集中式饮用水水源地水质要求【5 】。青草沙水库建成后，预计到2 0 2 0 年， 青草沙水源地的供水能力可达7 1 9 万m 3 d ，受益人口将超过1 0 0 0 万人。见图 1 1 。 第1 章绪论 斟 图1 - 1 青草沙水源地建成后上海市水源地格局 112 上海市供水情况及水质标准 目前，上海市中心城由上海市市北、市南、浦东戚立雅、葡行四家市自来 水公司供水，浦东新区、阅行区、宝山区的一部分和嘉定区的大部分地区以及 其他区县由当地区县自来水公司和乡镇水厂供水，农场则由农场水厂供水。采 用的水质标准及主要监测指标见表1 1 1 6 , 7 】。 表1 - 1 1 9 5 0 年以来上海自来水水质标准提高与检测项目概况 第1 章绪论 由上表可见，随着经济的发展，原水中污染物的种类和含量都有所增多， 因此建设部制定的国家水质标准中污染物质的检测项目也相应增加。一方面原 水中污染物更加复杂化、多样化：另一方面水厂出水水质又要求不断改善和提 高。解决这一突出矛盾的方法，一是开辟新的水质优良的水源地，如远距离调 水等；二是对水厂现有的工艺进行优化，增加原水预处理和深度处理环节，在 控制成本的基础上达到更稳定、优良的供水。显然后一种方法具有更强的经济 性、更大的现实可行性以及更广阔的发展空间。而本课题即针对以上目的，在 浦东威立雅自来水公司下属的a 水厂展开优化实验，对a 水厂目前的生产状况 加以总结和评价，对可优化的方面进行小试及生产性实验，将最终的成果运用 午水厂的日常运行。 1 2a 水厂概况 a 水厂日供水能力为4 0 x 1 0 4m 3 ，分二期建设完成，水源分别取自宝山长江 陈行水库和长江炮台浜就地取水口。a 水厂采用国内先进的制水工艺，引进国外 先进设备，自动化程度较高。 水厂工艺流程见图1 2 ，平面布置见图1 3 。 陈行原水库 就地原水 图1 1 2a 水厂的处理工艺流程 3 第1 章绪论 上海墟桥水厂生严工艺追粗目 孝磐茹丽。耄封：帮科释 一j 叠jo 一 豳 幽1 - 3a 水厂【艺平面布置幽 121 水厂主要生产构筑物及运行参数 ( 1 ) 混凝与沉淀 混凝反应池与沉淀池合建，共4 组，每组2 格，混凝反应时间为1 8 m i n 。反 心池的底部没排泥斗，每天开启阀门排泥一次，排泥水浓度约83 左右。反应 池出水至沉淀池采用二次布水设置两道穿孔布水端，二墙布水孔成交错排列。 穿孔墙间距15 m ，过孔流速00 8 m s 。 甲流式沉淀池共4 组，设计水平流速1 6 m m s ，停留时削18 小时。沉淀池 出水浊度控制在o8 1o n t u 。排泥采用虹吸式吸泥机，双侧排泥，排泥水量约 为4 2 0 0 m 3 d ，古泥浓度为o8 左右。 ( 2 ) 过滤 均质滤料v 型滤池，共两座( 新、老滤池) 。采用恒水位等速过滤，过滤剧 期设定为7 2 h 。滤池采用气水反冲和单水漂沈的冲洗方式，冲洗水量、气量由滤 池p l c 系统进行流量控制，但实际运行情况不对反冲洗水量进行调节。滤池主 要技术参数如表1 2 所示，滤池的布置见圈卜4 。 娑一 第l 章绪论 表12 滤池土要技术参数 单庠总面烈2 7 7 57 m 2 ( 4 62 m x 5 77 m ) 分为1 2 格毅排和置 尺寸 单格面积1 1 29 m 2 ( 83 6 m 1 35 m ) 设计制水能力单庠2 0 万m 硇 设计滤速84 m h ，恒水位等速过滤 均质石英砂，厚度1 2 0 0 一有效粒径凼。= 0 9 5 r m n ，均匀系数k 一- i 4 ； 滤床组成 承托层厚5 0 r n n l ，粒衽d = 2 5 1 m n 有效水棵 12 m 采州滤头滤扳。过滤集水和反冲洗的布气布水都采用高强度a b s 的 配水系统长柄滤头；滤板为钢筋混凝土结构，平面尺寸为1 1 0 0 a m l 1 l o o 叫n 厚1 0 0 r a m ，扳上预坪滤头套管，布置密度为5 0 只n 1 2 采_ _ l j 气水反冲和单水漂洗的冲洗方式：气水问时反冲阶段一气冲强 度5 5 m hm 2 ，水冲强度8 5 订hm 2 历时45 r a i n ，水冲阶段一水冲 反冲洗强度1 7 一h m 2 ，历时55 m i n 冲洗的气源和水潍由反冲洗泵房提供 每座滤池水冲洗有3 台反冲洗水泵( 卧式离心水泵) ，j h 备气 冲动力设备包括3 台罗茨鼓风机，一用一再 罗。獗纂 幽1 4v o 滤池的布置 ( 3 ) 加药 加矾；投加的混凝剂为液体碱式氯化铝( p a c ) ，a 1 2 0 3 含量为1 0 左毛， 投加量手动控制，以搅拌实验结果为依据，根掘进水水质、反应池内混凝反应 情况以及沉淀池出水浊度等确定。a 水厂平均加混凝剂浓度1 87 m l ( 折算为 周体硫酸锅) 。 加氯：加氯采用前加氯和滤后加氯结合方式，其中前加氯加注点在进水静 惫棍合器前，滤后加注点在滤池出水管上。莳加氧量一般3 m g l 左右，滤后加 第1 章绪论 氯量l m g l 左右，总加氯4 m g l 左右，出水余氯基本在1 2 - - - - 2 0 m g l 之间。夏 季原水氨氮低，水厂过程水采用自由氯消毒。 加氨：采用滤后加氨方式，加氨加注点在滤池出水管上。当原水氨氮超过 o 5 m g l 时水厂停止加氨。 加高锰酸钾：针对就地原水锰含量高，在就地原水处理单位实施了高锰酸 钾氧化除锰。高锰酸钾加注率一般不超过1 0 m g l 。 1 2 2 原水和出厂水水质情况 2 0 0 7 年水厂头部原水水质和出厂水的水质情况见下表。 表1 3 头部原水及滤后水的水质情况 陈行原水的水质较稳定，浊度常年1 5 - - - 7 0 n t u ，氨氮为0 0 3 m g l ，c o d m 。 为1 - 3m g l ，出厂水水质也优于头部，浊度一般在o 0 7 o 1 n t u 之间。 1 3 微污染原水的预处理和深度处理 以地表水体为原水的自来水厂大都采用混凝、沉淀、过滤、消毒等传统的 6 第1 章绪论 物理化学工艺来除去水中的悬浮物并灭杀病原体。但是传统的水处理工艺难以 去除水中日益增加的有机污染物及氨氮等降j 。由此近年来微污染原水的预处理和 深度处理得到了广泛的研究和实践应用。其中预处理主要包括微生物预处理和 物理化学预处理，其主要目的是减少有机物和氨氮，提高后续常规处理的效果， 改善出水水质。给水中的微生物预处理主要采用生物膜法处理，包括生物接触 氧化法，如东深供水原水生物处理工程【9 】、生物流化床工艺【l o , l l 】、生物滤池法如 周云等人在上海周家渡水厂采用以生物陶粒为填料的曝气生物滤池对预处理的 生产性试验i l2 | 、杨亚红等人还就黄河原水进行了沸石一活性碳组合填料生物滤 池i l3 j 等。物理化学预处理包括预氯氧化和高锰酸钾氧化，二氧化氯氧化【1 4 】，以 及新型高效的大梯度磁滤法【l5 1 、超声波处理法f l6 1 、光催化氧化法、吸附预处理 技术【1 7j 等。深度处理技术是用于常规处理之后，将常规处理工艺不能有效去除 的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，以提高和保证饮用水质的处理技术。 应用较为广泛的深度处理技术有：臭氧氧化、活性炭吸附、生物活性炭法、臭 氧活性炭吸附联用、臭氧生物活性炭技术、膜过滤、光催化氧化、强化混凝等 技术 1 8 , 1 9 j 。本课题涉及到的几个重要方面即原水预处理中的粉末活性炭吸附处 理、高锰酸钾及预氯化前处理、处理剂投加量优化研究等。 1 3 1 强化混凝处理微污染原水 在饮用水的预氧化方面，目前采用的预氧化剂主要有液氯、臭氧、高锰酸 盐、过氧化氢、二氧化氯、高铁酸盐等【2 0 1 。目前a 水厂主要采用预氯化消毒，在 原水水质短期恶化情况下采用氯气和高锰酸钾联合预氯化。 预氧化不仅对有机物及细菌的去除效果较好，而更重要的是预氧化对后续 工艺的有利影响，它对有机物性质和结构的改变，极大影响了后续的工艺效果， 如出水浊度的降低，混凝效果的改善等。研究认为【2 0 1 ，预加氯具有助凝效果的 原因是由于经氧化生成的含有羧基、羟基的脂肪类有机物易与混凝剂作用，形 成络合物从水中混凝分离。 高锰酸盐、高铁酸盐除了具有除铁、锰、微量有机污染物，嗅、味等作用 外，还能通过对氧化过程中的中间产物的吸附、混凝作用来强化处理效果。掘 研究人员分析【2 1 1 ，高锰酸钾预氧化还能促进对藻类细胞的降解，因而可以避免 净水过程中藻类的滋生。杨艳玲【2 2 】等人的研究表明，高锰酸钾可以明显强化氯 或氯胺对细菌和大肠杆菌的灭活效果，两者具有协同作用，是一种不错的安全 第1 章绪论 预消毒技术。 1 3 2 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【2 3 1 。 强化混凝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【2 4 1 。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 5 2 6 1 。 邓燕华等 2 7 l 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【2 8 】对比了三氯化铁、聚合氯化铝( p a c ) $ 1 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 9 】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 0 m g l ，最 佳g 值控制在3 8 s 1 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。 1 3 3 粉末活性炭原水预处理 粉末活性炭用于给水处理已有7 0 余年的历史。研究与应用表明，粉末活性 炭可有效去除水中的颜色、嗅昧，对藻毒素、三氯苯酚、农药所含有机物、三 卤甲烷前体物以及消毒副产物等均有很好的吸附效果【3 0 ，3 1 1 ，美国环保署有关饮用 水标准的有机污染物指标中，有5 l 项将活性炭应用列为最有效处理技术【3 2 】。中 国当前饮用水源水突发事件急剧增多，为保障水厂供水安全，配备应急处理系 第1 章绪论 统具有现实可行性，如陈忠林等人针对松花江硝基苯污染事件，采用粉末活性 炭进行强化处理，取得了很好的效果【33 1 。粉末活性炭是目前水厂应对突发污染 事件的最经济有效的手段【3 4 1 。不过，针对不同的源水水质和突发污染状况，选 择适宜的粉末活性炭种类、投加点和剂量需要根据水厂的具体情况开展前期调 研或试验，以实现经济、有效地发挥粉末活性炭除污染的作用【3 5 】。 1 。4v 型滤池 v 型滤池是法国得力满( d e g r e m o n t ) 公司设计的一种快滤池，主要采用均 质滤料，气、水反冲洗，恒位恒载等技术方式运行，具有出水性质好、过滤周 期长和节省冲洗水量等优点，近年来在我国大、中型自来水厂广泛应用【3 刚。 ( 1 ) v 型滤池的反冲洗强度 v 型滤池的最大特点之一是气水联合反冲洗。所谓气水联合反冲洗是三段式 冲洗方法，即首先空气预冲洗，然后气水同时反冲洗，再单水漂洗【3 7 】，也可采 用气水同时反冲，然后水冲的2 步冲洗过程【3 8 】。它应满足基本要求： 将吸附于滤料颗粒上的污物剥落并漂洗滤床，以使清洗过的滤床过滤时的 初始水头与新滤池相同：使滤床中滤料充分混合，无分级，全床均质化；使滤 床实现均质滤池特有的膨胀过滤；反冲洗水量少，滤料流失量少，能耗低；承托 层不能受扰动。要达到上述要求，二段的气水同时冲洗和三段的单水漂洗强度 的取值非常重要，强度偏小滤床清洗不干净，难以形成高效膨胀过滤；强度偏 大则不仅导致滤料流失严重、能耗大、易造成承托层扰动，而且使滤床出现水 力分级，从而破坏均质过滤特性。 衡量反冲洗效果的重要参数是反冲洗后滤沙的含泥率，以及反冲洗结束时 反冲洗水浊度。实际生产中常以反冲洗排水浊度 1 0n t u 、滤砂含泥量 0 2 作 为选定合适反冲洗时间的指标。 ( 2 ) v 型滤池滤沙粒径的确定 有研究者利用广东某水厂的沉后水，针对v 型滤池常用的六种均质石英砂滤 料的一系列过滤参数进行对比试验，研究得出，滤砂的粒径越小，过滤的出水 浊度越低，而过滤的水头损失增长越快，过滤周期越短。如果待滤水的浊度能 控制在1 n t u 左右，滤速7 0m h ，各滤砂的出水浊度都能保证在0 i n t u 以下。从 过滤的出水浊度和水头损失来看，0 6 r a m 、1 3 0 m m 、1 5 m m 粒径的滤砂效果不够 9 第1 章绪论 理想；1 o m m ，1 1 5 r a m 是v 型滤池常用的滤砂，在过滤的效果、过滤周期等方 面较其它理想，且经过两者相比，1 o m m l 匕1 1 5 m m 滤沙较优越，1 o m m 滤沙的截 污能力和过滤效果都比1 1 5 m m 滤沙强；而0 8 m m 与1 o m m 的过滤效果差不多，只 是0 8 m m 滤沙柱运行周期较1 o m m 短，水头损失增长比其它各滤料快。总体来说 粒径为1 0m m 的滤砂处理效果最好，更适合在南方地区使用【3 9 】。 1 0 第2 章研究目的及实验分析方法 第2 章研究目的及实验分析方法 2 1 研究目的和研究内容 本课题借助于常规分析手段和颗粒物分析技术，通过对水厂常规加药、混 凝、过滤等环节的运行参数进行优化，并结合活性炭应急投加实验，对水厂的 运行管理、提高水质等方面提供技术支撑；将颗粒物计数仪与浊度仪相比较， 弄清颗粒物用于水厂运行管理的可行性。 课题重点集中于水厂净化的主要单元，包括混凝剂优选、加矾加药、滤池 反冲洗优化和消毒等常规处理工艺，以及活性炭在突发水质恶化情况下应急投 加等，简述如下。 2 。1 1 加矾与加药的优化试验 将以烧杯搅拌试验为主，取得阶段性成果后再应用于生产性装置。 ( 1 ) 混凝剂的优选及投加量优化 通过实验室烧杯实验对比硫酸铝、p a c ( 聚铝) 、高效聚铝、以及f p a c 一3 ( 聚硫氯化铝) 对两路原水的混凝效果，再以水厂目前使用的p a c 对两路水在 不同温度和原水浊度下的投加量进行优选。 ( 2 ) 预氧化的效果研究 以次氯酸钠代替氯气，采用烧杯搅拌实验，研究前加氯对陈行原水和就地 原水的助凝作用，分析加氯量与浊度去除率的关系；研究加氯量对两种原水混 凝过程的颗粒物粒径分布影响以及就地原水的水质变化幅度大的情况下f j 加氯 的适宜剂量范围。以头部水为对像，确定合适的高锰酸钾投加剂量，研究其氧 化助凝效果。 2 - 1 2 头部过滤单元的优化研究 ( 1 ) 模拟滤柱试验 通过小试模拟滤柱装置探讨不同滤砂各滤层的截污规律，比较不同滤速条 件下的水头损失变化及出水颗粒物数量和浊度的变化规律。 第2 章研究目的及实验分析方法 ( 2 ) 头部v 型滤池过滤性能评价 在头部系统的滤池中取一格( 1 0 挣) 作为研究对象，分析现有过滤周期设置 条件的水头损失以及滤后水的浊度和颗粒数不同季节和不同水质条件下的变化 规律。 ( 3 ) 头部v 型滤池反冲洗优化 对现有反冲洗强度和冲洗时间进行评价，考察气水联合冲洗过程的冲出水 的浊度变化规律，分析现有冲洗方式的滤料含泥率。对头部反冲洗水泵进行变 频实验，考察不同的反冲洗水强度对滤池反冲洗效果的影响。 2 1 3 活性炭应急投加 以烧杯实验，模拟在水质短期恶化等条件下，粉末炭在a 水厂合适的投加 点，以及针对不同污染程度原水合适的粉末炭投加量；同时探讨粉末炭投加对 水厂常规处理工艺的影响。 2 1 4 颗粒计数仪应用于自来水厂生产工艺优化的技术经济探讨 研究不同环节的颗粒物数量演化规律，结合前期的研究成果，系统分析颗 粒物计数仪用于a 水厂主要净水单元的技术可行性，与常规浊度结合用于指导 生产运行的可行性，探讨其经济实用性。 2 2 试验装置和分析方法 本课题主要在上海浦东a 水厂进行生产性试验，采用在线监测与实验室分 析相结合的手段，对a 水厂目前的运行状况加以分析评价。以模拟滤柱和烧杯 实验结果作为指导，进行相应的生产性实验，对水厂现有的工艺参数和运行条 件进行优化。 2 2 1 小试试验及装置 采用六联搅拌试验模拟水厂的加药环节，以确定合理的加药量。搅拌装置 采用z r 4 6 型六联混凝试验搅拌机( 见图2 1 ) ，可在1 0 - 1 0 0 0r p m 范围内无级 调速，转速精度为士o 5 ；速度梯度( g 值) 为1 0 - - - - - 1 0 0 08 。配套的烧杯为1 0 1 2 第2 章研究目的及实验分析方法 l 有机玻璃材质的圆形烧杯，取样口位置设在水面下4 0 r a 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问也与实际一致。 ， 缸蕊。 2 22 模拟滤柱 幽2 - 】z r 4 6 础人联淮凝试验搅拌机 为了研究滤池对头部原水的截污规律，加工了一套模拟试验滤杜( 见图22 和2 - 3 ) ，其中一根滤柱按a 水厂v 型滤池实际采用的滤料级配填充，而另根 将滤砂换为b 水厂快滤池中的细砂。 滤柱发计采用恒速过滤，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01 2 01 6 m 3 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m 水经收集后用于自身反冲沈。柱体上共设了5 个取样口分 别位于滤料表面下2 0c m 、4 0c m 、6 0c m 、8 0g i r l 和1 0 0c n l 处。 表2 一l 列出了模拟滤柱各部件的材料与洋细规格。 弟2 章研究目的及实骑分析方法 # 1 # i 。圳j 圳j t i # i 1 # ，1l _ l _ 4 婪黟 1 ! _ li 一 一 lf i i l ! 一l i h n t # in 1 r r 一、 f l 【：川i 、一l b 釜i t | 鼍，一i u 一= 2 ；= = 、 闰2 - 2 模拟过滤枉的i 艺流稗幽 圈2 - 3 模拟滤柱的现场安装实景脚 莉n黪雎瞰鬟。 墒=曼m擞盘i幢嫂 一姘剐隅器器霜濯舞毋 _，1叫嘲憎幔偃露蠹li一叠曩一，翘油艘想坚 ， 一 _。一蕾日旧旧旧旧一 、 日u、硼j|啊一一t11-笸把u一 毛，嗤哺hllbile矗_ ，、。弘一蕊 _毒一瞳曩一 第2 章研究目的及实验分析方法 表2 1 模拟滤柱各部件的材料与规格 2 2 3 生产性试验 生产性试验分别选择了陈行原水和头部原水的第1 0 # 滤池安装在线仪器， 开展生产性试验。在线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4 台在线仪器和1 台便携式仪器，其主要性能参数见表2 2 。 表2 2 颗粒计数仪的性能参数 指标 参数 分辨率 计数效率 测量范周 测流精度 一致性 信噪比 通道数 通信接口 9 2 p m ； 9 8 2 p m 2 , , - , 4 0 0 1 1 m 2 1 8 0 0 0 粒毫升 3 ：l 8 r s - 4 8 5 ( 4 线) m o d b u s 4 - 2 0 m ab ，选 第2 章研究目的及实验分析方法 刚2 - 5 默粒物计数仪目d 套软件操作界面 生产忖! 装置其他仪器设备还包括在线和台式浊度仪、雎差计等 22 4 分析方法 常规测试指标、分析方法与所用仪器见表2 - 3 。 第2 章研究目的及实验分析方法 表2 3 分析测试指标和分析方法 1 7 第3 章水处理剂的优化实验研究 3 1 概述 第3 章水处理剂的优化试验研究 陈行原水和长江就地原水( 简称头部原水) 不同季节的混凝剂投加量有所 差异，某些情况下，预氯化和高锰酸钾预氧化是必要的。为此，本章将确定不 同温度条件下两种原水的合理混凝剂投加量，考察水温对加矾量的影响；研究 原水水质等因素对加矾量的影响，不同原水的氯胺比范围和预氯化的助凝效果； 研究在冬季低温条件下高锰酸钾的除锰效果以及预氧化对高锰酸盐指数 ( c o d m 。) 的去除率等。 3 2 试验条件和参数 a 水厂使用的混凝剂为液体p a c ，a 1 2 0 3 含量为1 0 左右。原液经稀释后配 成a 1 2 0 3 含量为2 3 的溶液，由计量泵加注到管道静态混合器中。试验中采用 烧杯批次实验的方法，所用混凝剂与水厂完全相同，主要研究在不同温度、不 同原水浊度和加矾量条件下，沉后水的浊度与颗粒数的变化规律。试验程序与 生产性搅拌试验的设定值相同，见表3 1 。 表3 1 混凝实验搅拌程序 壁!堑鎏f 型里虫2堕囹! 竺也!塑塑 l 3 0 0 0 5p a c 2 1 0 08 35 0l o一 4 静沉 6 0一 3 3 头部原水处理剂优化研究 头部和陈行原水的水质见表3 - 2 。 第3 章水处理剂的优化实验研究 表3 2 头部原水和陈行原水的水质情况 头部原水的浊度、氨氮、有机物含量较高，且水质变化大。目前，水厂加 矾量一般控制在2 0 - - - 一2 5 m g l ( 折算成固体硫酸铝) ，沉后水浊度一般为1 n t u 左 右。 3 3 1 头部原水的加矾量确定 例。 ( 1 ) 加矾量对沉后水浊度和颗粒物的影响 图3 1 、3 - 2 为加矾量为1 0 - - 5 0m g l 的沉后水浊度和颗粒物数量及粒径比 鲁 乏 辍 鏊 簧 加矾量( r n g a ) 图3 - 1 加矾量l o - - 5 0 m g l 沉后水浊度和颗粒 1 9 3_lz玎张 5 5 5 5 3 3 2 2 1 1 0 o 第3 章水处理剂的优化实验研究 l 置覃i 1i l 加矾量( m g l ) 斟3 - 2 加矾世1 0 5 0 m 扎沉后水颗粒物分布 由图可见，当加矾量在2 5 n i g l | 三l 上时，提高加矾量对沉后水的浊度没有明 显的降低效果，但颖粒物数量仍然降低，当投加量达到3 5 m g l 以后，颗粒物数 量降低至5 0 0 个，l 以内，再提高投加量已没有必要。从圈3 - 2 可看出，随着加矾 量增加，沉后水的大颗粒物所占的比例增加，小颗粒的比例减小，有利于后续 滤池过滤。要使沉后水浊度由i n t u 降低到06 n t u ，加矾量要达到3 5 m g l 左 右，目前水厂对头部原水处理系统的沉后水浊度一般控制在1 n t u 左右，所对 应的加矾量为2 0 3 0 m g l 。 如图3 - 3 所示，提高加矾量对头部原水的c o d m 。的去除有一定的强化效果。 加矾量由1 5 m g l 增加到4 0 m g l ，c o d m 。的去除率可增大1 5 左右，说明头部 原水的c o d m 。以悬浮态或胶体态的污染物为主，投加混凝剂有助于提高c o d u 。 的去除效果。当头部原水的有机物污染较严重、过滤性能差的情况下可以适当 增大加矾量。由图3 3 也町看出，混凝剂投加量增加对氨氮的去除率基本没有影 响。 一二二_：11_j 傩 麒 帆 腓 嘶 嘶 第3 章水处理剂的优化实验研究 图3 3 加矾量对头部沉后水c o d m n 和氨氮的影响 为进一步分析头部原水水质稳定的情况下最佳的加矾量，在2 0 3 0 m l 范 围内分析了加矾量对混凝效果的影响、沉后水的颗粒粒径分稚情况。由图3 4 可 知，此加矾量范围内，随着加矾量增加，不但颗粒物数量和浊度的变化趋势比 较显著，而且沉后水大颗粒的比例增加，小颗粒数量减少，有助于提高滤池的 过滤效果，尤其是头部原水水质波动很大的情况下，保持一定的加矾量不仅可 以减小滤池的压力、保证滤后水的水质，而且可以防止滤池表层被有机絮体包 裹而发生水头损失急剧增加的现象。 图3 4 头部原水加矾量为2 0 3 0 m g l 沉后水浊度和颗粒变化趋势 2 l c1l暑，茸霉藿委 第3 章水处理剂的优化实验研究 ( 2 ) 不同季节条件下水温对头部原水加矾量的影响 一般温度越低，混凝效果越差。为弄清温度对头部原水混凝效果的影响， 在一系列温度条件下，选择了正常水质条件下浊度在1 0 0 - 2 0 0 n t u 之间的原水 的混凝实验结果，整理得沉后水颗粒和浊度变化规律，见图3 5 。 3 卜- z 型 爱 * 也 ；s _ 卜8 7 ti i 5 1 3 2 _ r - 1 5 8 一l7 8 2 4 * - 2 7 加矾量( m g ，l ) 图3 - 5 ( a ) 不同水温条件下不同加矾量的沉后水浊度变化趋势 _ 卜_ 一8 7 一1 1 5 _ 卜1 32 一1 5 8 一一1 7 6 一卜2 4 1 卜2 7 8 0 0 0 ，- - - 。- - - r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 蕾 7 0 0 0 ；、 2 02 53 0 加矾量( m g l ) 图3 - 5 ( b ) 不同水温条件下不同加矾量的沉后水颗粒物变化趋势 第3 章水处理剂的优化实验研究 从上图可见，随水温降低，混凝效果逐渐变差，浊度和颗粒物数量均表现 出相同的趋势。以1 5 c 为界，当温度高于1 5 时，加矾量町控制2 0 2 5 m g l ， 无论颗粒物数量还是浊度均可保持较低的范围；当水温低于l5 后，加矾最需 增加3 s m g l 爿能达到与高温下相近的混凝效果。也就是说冬春季条件下， 为保持沉后水的浊度和颗粒物数量，加矾量可适当提高到2 5 3 0 m g l 。 ( 3 ) 头部原水的浊度与加矾量的相关性 头部原水的浊度变化范围大。原水浊度与加矾量之间的关系，冈不同原水的 水质而异，选取水温在1 0 2 0 之间、d o 和氨氮浓度正常而浊度不同的头部原 水的混凝试验结果进行分析，不同原水浊度及加矾量条件下的沉后水浊度和颗 粒物数量见图3 - 6 。 dj口0口口= 2 。2 53 0 m 0 h 日i ( 图3 - 6 ( b ) 不问浊度头部原水的沉后水颗粒物数 h 。 溉 雕雌 嬗。 珧 醯。冀 胁 l 一毋制重 的。h 阴m 墟 橱。删? 悠 龇赫? m。m。鼍脚蕊。絮慨潮煺 。篓。懿如善箸。 啪 咖 咖 咖 o (1一e=十k 第3 章水处理剂的优化实验研究 由图所示，不同加矾量条件下随原水浊度的增加，混凝效果有所提高。这 可能是因为头部原水的有机质含量j 下常情况下，高浊度主要是由泥沙等极易沉 降的无机悬浮颗粒引起，无机颗粒在一定程度上有助于强化絮凝，在无机高分 子混凝剂的作用