（环境工程专业论文）微涡流絮凝技术的实验研究及其应用.pdf

摘要 摘要 随着人们生活水平的提高和工业的快速发展，人们对供水水质及水量的需 求日益提高。但目前大量饮用水水源遭受到不同程度的污染，在常规净水处理 工艺条件下，饮用水供需矛盾非常突出。 在面临水源水质污染和饮用水水质标准不断提高的双重压力下，积极地探 索新技术、新工艺，提高饮用水水质成为供水行业发展的主要方向。 本课题通过研究涡流反应器的絮凝机理及其在不同水质下的絮凝效果，研 究微涡流澄清技术，研制出新型且节能高效的涡流澄清池，通过试验获取其在 不同进水水质情况下的设计参数及其运行效果，并将研究成果应用于一工程实 践，取得较好的效果。 主要研究内容有： 1 、模拟涡流澄清池内反应室混凝状态进行烧杯实验，对试验进行投药量指 导。 2 、澄清池内投加涡流反应器与不投加涡流反应器的除浊效果试验对比，探 索涡流反应器在絮凝阶段所起的强化效果。 3 、不同温度及浊度下澄清池处理效果的试验研究。 4 、涡流澄清池针对微污染水源水处理效果的试验研究。 5 、微涡流絮凝技术在醴陵铁路水厂的工程应用研究。 主要研究成果如下： 1 、进水浊度2 0 n t u 左右，水温1 2 左右情况下。烧杯试验确定聚合氯化 铝( p a c ) 作为本试验混凝药剂，烧杯实验最佳投药量3 5 m g l 。 2 、进水流量1 0 m 3 p a ，进水浊度2 0 n t u 左右，水温分别为1 2 左右和2 8 左右时，通过投药p a c 混凝剂控制出水浊度在1 左右。不加涡流反应器时投药 量2 2 m g l 及2 8 m g l ；第一、第二反应室内投放开孔孔径3 5 m m 的涡流反应器 时投药量1 4 m g l 及1 8 m g l 。可知投加涡流反应器后能节约部分投药量。 3 、对于微污染水源时，浊度为2 1 仆m ，；z e t a 电位为2 6 6 8 m v ；u v 2 5 4 为 0 0 7 0 3c m l ；高锰酸盐指数为8 1 6 m g l ，进水流量1 0 m v h ，水温2 8 左右时， 第一、第二反应室内投放开孔孔径3 5 m m 的涡流反应器。 ( 1 ) 投药量1 0 m g l ，出水浊度2 8 1 左右，出水z e t a 电位1 0 2 2 7 左右， 摘要 u 5 4 去除率2 7 3 左右，高锰酸盐指数去除率4 3 2 左右，絮体等效粒径 0 3 8 9 m m ： ( 2 ) 投药量1 2 m g l ，出水浊度0 9 8 左右，出水z e t a 电位- 3 9 2 4 左右，u 5 4 去除率3 3 9 左右，高锰酸盐指数去除率4 9 6 左右，絮体等效粒径0 4 5 1 m m 左 右： ( 3 ) 投药量1 6 m g l ，出水浊度o 4 l 左右，出水z e t a 电位- 1 6 6 7 左右，u v 2 5 4 去除率3 9 5 左右，高锰酸盐指数去除率6 1 2 左右，絮体等效粒径0 4 8 7 m m 左 右； 从试验可知，在一定范围内，涡流澄清池出水浊度及部分有机污染指标随 投药量增加有较好去除效果。 4 、微涡流絮凝技术的工程应用。 针对醴陵铁路水厂现有网格反应池存在的易积泥、易堵塞等不足进行了微 涡旋混凝工艺改造。改造后沉淀出水浊度降低，从而提高滤池出水水质，同时 过滤周期延长( 由原来的2 4 小时增加到3 6 小时) ，冲洗次数减少，反冲洗水量 降低，进而节约了水泵动力费用。 试验结果以及工程应用表明微涡流絮凝工艺具有抗冲击负荷强，运行费用 低，管理方便，运行稳定等优点，具有较好的应用前景。 关键词：涡流反应器，澄清池，浊度，去除率 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es a f e t yo f d r i n k i n gw a t e rh a sb e c o m eo n es o c i a li s s u ew i t hg r e a ti m p o r t a n c e ， t r a d i t i o n a ld i s p o s a lp r o c e s sh a s h tc o n t e n tw i t ht h ed e m a n d so fw a t e rq 戚i t y , & i n k i n g w a t e rp o l l u t e dm o r ea n dm o r es e r i o u s m a n ye f f o r t sh a v eb e e nm a d ei ns t u d y i n g w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yb ys c h o l a r sa n dr e s e a r c h e r si nt h ew o r l da i m i n gt om e e t b e i n g s d e m a n d s0 nt h ed r i n k i n gw a t e rs a f e t y t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no ft h es e l f - d e s i g n e dv o r t e xc l a r i f i c a t i o nt a n kb yp u t t i n g ac e r t a i na m o u n to fm i c r o - v o r t e xr o a c t o ri n t ot h e 呲a n ds t u d yt h ee f f e c t so f m i c r o v o r t e xr e a c t o ri nt h ef l o c c u l a t i o na r e a s n l em a i nc o n t e x t sf o rt h es t u d y ： 1 al a b o r a t o r yt e s tw a sc a r r i e do u tu n d e rs i m u l a t e dc o n d i t i o n so fc o a g u l a t i o ni n t h er e a c t i o nc h a m b e ro fv o r t e x 2 n o tu s i n gm i c r o - v o r t e xr e a c t o ra n du s i n gm i c r o - v o r t e xr e a c t o r , r e s e a r c ha f f e c t o ft h em i c r o - v o r t e x 3 d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n t t u r b i d i t y , r e s e a r c ht h ee f f e c t s o f m i c r o - v o r t e xc l a r i f i c a t i o n 4 d i s p o s eo fs l i g h t l yp o l l u t e dw a t e ru s em i c r o v o r t e xc l a r i f i c a t i o n 5 a p p l i c a t i o no fm i c r o - v o r t e xc o a g u l a t i o np r o c e s si nr e b u i l d i n ge n g i n e e r i n go f l i l i n gr a i l w a yw a t e rp l a n t 劢em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa sf o l l o w i n g ： 1 e x p e r i m e n td e c i d ec h o o s ep a ca st h ec o a g u l a n to ft h i st e s ta n d3 5 m g 1a st h e o p t i m u m a m o u n t 2 mr a t eo fi n f l o wi slm 3 h , t e m p e r a t u r ei s12 ca n d2 8 c ，a n dc o n t r o l t u r b i d i t yo fe f f l u e n ti s1 n t u t h eq u a n t i t yo fc o a g u l a n ti s2 2 m g la n d2 8 m g lw i t h n ov o r t e xr e a c t o r , w h i l et h eq u a n t i t yo fc o a g u l a n ti s14 m g la n dls m g l 、 ，i 也v o r t e x r e a c t o r 3 t h er a t eo fi n f l o wi s10 m 3 h , t e m p e r a t u r ei s2 8 c ，r e l e a s eb yv o r t e xr e a c t o r w i t h3 5 m ma p e r t u r e mw a t e ri n f l o wq u a l i t y ：t u r b i d i t y 2 1 烈t u ，z e t ap o t e n t i a l - 2 6 6 8 ，u v 2 5 40 0 7 0 3 c m 1 ；k m n 0 4i s8 16 m g l i i i a b s t r a c t ( 1 ) t h eq u a n t i t yo fc o a g u l a n ti slo m g l ，t u r b i d i t yo fe f f l u e n ti s 2 81 ，z e t a p o t e n t i a li s 一1 0 2 2 7 ，a n du v 2 5 4r a t eo fr e m o v a li s2 7 3 ，k m n 0 4r a t eo fr e m o v a li s 4 3 2 ，e q u i v a l e n tg r a i ns i z ei s0 3 8 9 m m ( 2 ) t h eq u a n t i t yo fc o a g u l a n ti s12 m g l ，t u r b i d i t yo fe f f l u e n ti s0 9 8 ，z e t a p o t e n t i a li s - 3 9 2 4 ，a n du v 2 5 4r a t eo fr e m o v a li s3 3 9 ，k m n 0 4r a t eo fr e m o v a li s 4 9 6 ，e q u i v a l e n tg r a i ns i z ei s0 4 51r a m ( 3 ) t h eq u a n t i t yo fc o a g u l a n ti s16 m g l ，t u r b i d i t yo fe f f l u e n ti s o 41 ，z e t a p o t e n t i a li s - 1 6 6 7 ，a n du v 2 5 4r a t eo fr e m o v a li s3 9 5 ，咖0 4r a t eo fr e m o v a li s 61 2 ，e q u i v a l e n tg r a i ns i z ei s0 4 8 7 m m 4 a p p l i c a t i o no f m i c r o v o r t e xc o a g u l a t i o np r o c e s s 1 1 赡n e wt e c h n o l o g yo fc o a g u l a t i o n - - m i c r o - w h i r l i n gr e a c t o ra n di t sw o r k i n g m e c h a n i s mw h i c hi sw h i r l i n g c o a g u l a t i o na n dc o n t a c t - f l o c c u l a t i o na l ei l l u s t r a t e d a l s oi tt e l l su st h ea p p l i c a t i o no nr e b u i l d i n ge n g i n e e r i n go fl i l i n gr a i l w a yw a t e r p l a n t i ta r g u e st h a ti nc o m p a r i s o nt oo t h e rf l o c c u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h em i c r o v o r t e x f l o e e u l a t i o nt e c h n o l o g yd e s e r v e sw i d e l ya p p l i c a t i o nf o ri t sv a r i o u sa d v a n t a g e s ，s u c h a si t s h i g h e rc o a g u l a t i o ne f f i c i e n c y , s h o r t e rr e a c t i v i t yt i m e ，t h eb e t t e rq u a l i t yo f f i n i s h e dw a t e r , l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n , m o r ec o n v e n i e n c e si nc o n s t r u c t i o na n dt h e l i k e k e yw o r d s ：v o r t e xr e a c t o r , c l a r i f y i n gb a s i n , t u r b i d i t y , r a t eo fr e m o v a l i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 我国水环境状况 我国是水资源较为丰富的国家之一，我国水资源年平均径流量为2 7 1 1 5 亿 o ，居世界第6 位，但由于人口众多，以1 3 亿计，我国人均水资源约为2 2 0 0 m a ， 只相当于世界人均占有水量的1 4 。降雨时间与空间分布不均匀，使水资源短缺 问题愈加突出。缺水已成为我国国民经济和社会发展的主要制约因烈1 1 。随着人 口的不断增长，人类活动范围的不断扩大，工农业生产规模的不断发展，工业 废水和生活污水不加处理任意排放，使天然水体受到了不同程度的污染，水环 境中的污染物质日益增多，污染物成分越来越复杂，使之原本匮乏的水资源更 紧张，造成与水资源短缺同样严重的水质性缺水。 国家环境部门统计 2 1 ，在长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河七 大水系2 0 0 条河流4 0 9 个断面中，i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例 分别为5 5 0 、2 4 2 和2 0 8 。其中，珠江、长江水质总体良好，松花江为轻 度污染，黄河、淮河、辽河为中度污染，海河为重度污染。在2 8 个国控重点湖 ( 库) 中，满足i i 类水质的4 个，占1 4 3 ；类的2 个，占7 1 ；i v 类的6 个，占2 1 4 ；v 类的5 个，占1 7 9 ；劣v 类的1 1 个，占3 9 3 。由于主要湖 泊污染较重，导致水源受到不同程度的污染；城市水域中7 8 的河段不适合作 饮用水源；约5 0 的城市地下水受到污染。我国水资源质量不断下降，水环境 持续恶化，严重地威胁了社会的可持续发展，威胁了人类的生存【3 】。现在全国水 源污染仍呈发展趋势，有9 0 以上的城市水域污染严重，饮用水卫生安全受到 极大威胁。因此，在水资源短缺与水环境污染日益严重的前提下，如何提高饮 用水水质、保障人体健康已经成为给水处理的普遍问题。 1 2 饮用水处理 我国饮用水水源污染逐渐加重，且饮用水水质标准亦不断提高，现行的常 规给水处理工艺难以满足水质安全保障要求，迫切需要研究新方法强化现行的 常规处理工艺或发展给水深度处理技术f 4 】。给水处理按照工艺单元考虑，根据原 水水质情况，这些单元可以单独或联合使用。工艺单元有自然沉降；消毒 第1 章绪论 ( 原水消毒、中间消毒和滤后消毒) ；混凝沉淀；过滤；除铁和除锰； 结垢和腐蚀控制；软化；吸附除味。制取自来水的过程一般为：原水_ 加 混凝剂一混合搅拌一絮凝搅拌_ 沉淀一过滤_ 消毒一出水。 1 2 1 预处理工艺 原水预处理【5 1 ，指的是在进水进入常规处理环节前，通过采取一些措施有效 的去除或是减少那些常规工艺较难去除的污染物质( 比如高浊度原水中的泥沙) ， 或改变水处理条件已达到降低后续工艺的处理负荷的目的，提高出水水质。目 前，预处理主要采用以下几种方法： ( 1 ) 化学预氧化处理 化学预氧化处理是指主要利用氧化性能强的氧化剂对水体中污染物质进行 处理，使污染物氧化分解或转化为其他物质，可对后续常规处理起到强化作用。 实际工程中常选用的氧化剂有臭氧、二氧化氯、过氧化氢等。 ( 2 ) 生物预处理 生物预处理指在原水进行常规处理前，利用微生物自身新陈代谢作用以及 微生物的生物絮凝、氧化降解和硝化等中和作用，有效去除水体中氨氮、有机 污染物质、铁和锰等污染物，减轻后续常规处理的负荷提高出水水质。 ( 3 ) 吸附预处理 吸附预处理是指利用具有较强吸附能力的介质对原水中污染物进行吸附处 理。利用最多的是活性碳吸附法，活性碳是一种吸附能力极强的一类疏水性吸 附剂。 ( 4 ) 酸碱预处理 酸碱预处理是指针对不同水质的原水，通过调节水体的p h 值来达到强化某 种水质指标的处理方法。例如，在处理高硬度水时，通过加碱控制p h 值，利用 流化床结晶软化工艺去除碳酸钙硬度，达到水质软化效果。 ( 5 ) 曝气预处理 是指通过对处理原水进行曝气充氧方法，以有效去除水体中挥发性有机物、 嗅味、藻类等物质。曝气预处理不会产生二次污染，是运用比较广泛的种预 处理方法，提高常规处理效率以及安全性。 ( 6 ) 沉淀预处理 通过沉淀的方法去除水体中大量沉降性能强的物质，如泥沙。在处理高浊 2 第1 章绪论 度原水时常在常规处理设备前设置沉淀设施对其进行沉淀处理。 1 2 2 常规处理工艺 我国水处理工艺运用最为广泛的还是常规净水工艺，运行比较方便，节省 资源，主要部分包括混凝、澄清、过滤和消毒等，其主要目的是降低浊度、去 除病原体。下面介绍下我国给水处理的常规处理工艺【6 】。 ( 1 ) 混合技术 混合技术，指的是药剂在原水中扩散并与原水的混合。混合絮凝阶段就要 求混凝剂在水中能够快速的扩散混合，与水中杂质颗粒得到充分的混合反应， 破坏胶体颗粒的稳定性，使其脱稳，更快速的聚集起来。在实际工程中，有多 种混合技术供选择，可采用水泵混合，利用水泵中高速旋转的叶片搅动投加混 凝剂的水体，利于混凝剂在水中的快速混合，其缺点在于长期使用后水泵会受 到药剂的腐蚀。机械搅拌澄清池利用装在反应室内的叶片对进水进行搅拌，使 药剂扩散与水中。近几年出现的静态混合器，在进水管中安置不同形状的静态 混凝器，在管道中高速流动的水流碰到混凝器后被切分，此时混凝剂在水中就 能充分扩散。 ( 2 ) 絮凝工艺 絮凝阶段的效果直接影响到水处理的好坏，对于絮凝的探讨也是众多学者 研究的重点。絮凝阶段是药剂扩散后与水中胶体颗粒反应阶段，有多种形式。 很多水厂采用机械搅拌式絮凝池，通过叶片的不断搅拌，在反应室内形成紊流， 混凝剂在紊流情况下就能与水体中胶体颗粒充分反应，可去除更多的胶体颗粒。 也有在絮凝池内增设隔板，来提高絮凝效果，这是一种建立在“近壁紊流”理论基 础上的反应形式。随着人们对给水理论的进一步研究，近段时间提出了“自由紊 流”的微旋涡理论，即在絮凝池内形成微涡流，有利于胶体颗粒的凝聚。 ( 3 ) 沉淀池 经过絮凝反应后的水流流经沉淀池时，流速迅速降下来，絮体在沉淀池中 下沉，沉淀池的设计要有助于絮体的下沉，一般设计的停留时间比较长。在沉 淀池内停留时间的长短直接影响到出水水质，但是设计的停留时间过长，会增 加沉淀池的建造面积，投资比较大，一般要综合出水水质要求和经济状况设计 沉淀池停留时间。平流沉淀池已经有相当长的使用历史，在大型水厂中应用较 为广泛。之后出现了斜管沉淀池，该池是一种建立在“浅池理论”上的沉淀设施， 3 第1 章绪论 通过在沉淀区加设不同形状的斜管来阻挡絮体上浮，该池引入我国运用及发展 已有2 0 多年的历史，进过不断科研完善，斜管沉淀池在设计运行上已经比较成 熟，近些年来更是发明出了多种形状的斜管，有“山形”的、“近菱形”斜管、旋 转3 0 。放置的正六边形斜管等。 ( 4 ) 澄清池 我国也有相当大部分水厂采用澄清池，使用范围也比较广泛，现在许多澄 清池都进行了改造，有的和斜管沉淀池联合使用来提高水处理效率，收到比较 好的效果。现在建造的澄清池多为机械加速澄清池，多用于中小型水厂的一级 处理，该种澄清池相对于各种传统澄清池有着明显的优点：( 1 ) 出水量加大，出 水区水流上升流速较高( 5 5 1 0 1 m m s ) ；( 2 ) 池体内部结构可以生产浓度非常高 的回流污泥( 2 0 , - , 5 0 0 9 l ) ，在池底部形成浓缩污泥，可大大降低排出污泥的含水 率；( 3 ) 提高出水水质( 浊度低于1 n t u ) ；( 4 ) 与传统的澄清比较，可节省1 0 - , 3 0 的药剂投加量，降低运行成本；( 5 ) 运行可靠，具有缓冲水量、水质突变的能力： ( 6 ) 可处理不同水质的原水，如饮用水净化、水软化、城市污水处理等。 ( 5 ) 过滤 在推动力或者其他外力作用下悬浮液( 或含固体颗粒发热气体) 中的 液体( 或气体) 透过介质，固体颗粒及其物质被过滤介质截留，从而使固 体及其他物质与液体( 或气体) 分离的操作称为过滤。给水厂中沉淀池出水 要经过过滤方可输送至居民家中使用，过滤在水处理中一般称为二级处理，将 水处理前序工艺过程中没有去处的杂志颗粒进一步的处理。滤池有多种池型， 有四阀滤池、双阀滤池、虹吸滤池、无阀滤池、压滤罐等。 常规净水工艺可以去除水中大部分悬浮胶体颗粒，可见大颗粒难容物质， 但是对那些可溶性有机污染物去除率就相对很低，无法满足如今对饮用水水质 越来越高的要求。常规处理工艺处理污染水源水效果不佳主要表现有【_ 7 】：( 1 ) 自 然水体中的大部分胶体颗粒都是带负电荷的化合物，它们使水中的z e t a 电位升 高，就必须投加过量的混凝剂和氯，来保证出水水质达到要求，提高了药剂的 投入成本。另外，水体中的某些有机污染物非常难被去除，在消毒过程中还可 能生成更加危害人体健康的物质；( 2 ) 当今的常规净水工艺对有机物的去除率一 般为2 0 5 0 ，对氨氮的去除率为1 5 左右，整体的去除效率并不高，水厂出 水中仍含有较多有机物，其中某些有机物具有致癌性；( 3 ) 输水管网运用时间过 久，管壁上会附着大量的微生物，利用水中的有机污染物作为食疗，在一般消 4 第1 章绪论 毒处理后这些微生物仍可继续生存，这就对人类的健康饮水造成十分严重的影 响，且具有“三致”特性【引。近1 0 年来开发研制出化学强化一级处理，其特点是 在污水处理中投加较少量的混凝剂达到出水要求，该方法投加低剂量的混凝剂 能有效地与水体中的污染物进行反应，同时还能提高s s 、b o d 、t p 等的去除 率1 9 。 多年以来，从整体上看，给水处理工艺尚且没有突出贡献。然而在微观上， 人们长期都在研究改进净化工艺，不断地更新给水处理的研究探讨。给水处理 理论的不断深化进步促进了给水工艺水平的提高。国内也有许多学者通过对水 处理设备的改进研究，来提高出水水质，研究人员杨亚红、王瑛、谢刚等【1 0 】利 用超滤一沸石一活性碳组合填料生物滤池工艺对微污染水源进行了预处理实验 研究，通过实验结果表明：水力停留时间为4 0 m i n ，气水比例为1 ：1 ，水温1 5 , - - 2 5 的实验条件下，对浊度、n h 3 - n 、高锰酸盐指数、色度的平均去除率分别达到 9 4 4 0 、9 7 3 4 、4 1 2 6 和8 9 6 2 左右，均高于沸石一活性碳组合填料生物滤 池，处理后水质达到了优质地表水源水质标准要求。 1 2 3 深度处理工艺 随着自然水体受污染更加复杂化，原水处理更加困难，传统水处理工艺已 满足不了人们的饮用标准，人们对饮用水要求越来越高，并提出直饮水的需求， 分质供水已成为未来供水的发展趋势。国外一些发达国家已经实现分质供水， 根据我国目前经济情况，要达到分质供水的目标还不现实，比较可行的途径就 是水处理工艺中引入深度处理技术。 深度处理时在常规处理工艺后，采用措施对水体进行进一步深化处理，水 处理工艺中已研制出多种深度净化技术，有些已经投入实际运用。下面简单介 绍几种典型的深度处理方法【1 1 j 。 ( 1 ) 化学氧化 化学氧化是指采用氧化性强的化学药剂对原水进行化学氧化处理。臭氧的 运用最为广泛，因臭氧具有很强的氧化性，不仅可用来处理含溶解性的f e 、m n 、 酚等污染原水，而且也能够利用自身的强氧化能力氧化有机污染物，破坏其内 部分子结构，将原水中大分子难降解有机污染物转变为小分子易于生物降解的 物质。 臭氧的处理能力得到广大的认可，但臭氧的大量投加会大大增加臭氧副产 5 第1 章绪论 物的生成量，并且使用臭氧的价格昂贵，对于我国经济来说负担较重，使得臭 氧的推广受到制约。另外臭氧氧化将会导致水中的生物可同化有机碳( a o c ) 升高，降低饮用水中的生物稳定性【1 2 】，最后导致细菌在管网中不断繁衍，实际 工程中很少单独使用臭氧处理，一般都与生物活性炭联用。 ( 2 ) 光化学氧化技术 所谓光化学氧化技术，就是利用光能及化学药剂同时处理污染水。当光能 和化学药剂共同作用于污染水体时，在水中会生成活性极高的羟基自由基，那 些难降解的有机污染物结构被高活性的自由基所破坏，失去污染性质。研究发 现，将两种共同使用处理污染水体效果要高于单独使用其中一种处理的效果， 目前该学术领域研究较多的有光催化氧化和光激发氧化。 ( 3 ) 吸附技术 在水中放入具有较强吸附性的物质，可有效地去除水中污染杂质。活性炭 被认为是最好的吸附介质，活性炭本质非常酥松，内部空隙非常大，表面有非 常多的孔洞，具有相当大的比表面积。活性炭具有的这些特点有助于吸附水体 中的杂志颗粒，更是能去除一般工艺难去除的土腥味、重金属等，能达到非常 好的处理水的效果。但活性炭吸附一定程度后就会丧失吸附能力，吸附一段时 间达饱和状态后就不能继续吸附杂质，更换价格昂贵。而且极性很强的小分子 有机物和大分子有机物较难被活性炭吸附，其吸附有机物的最佳分子量范围为 5 0 0 3 0 0 0 d a l t o n 。经发展研究出在活性炭表面培养微生物的工艺，这就延长了活 性炭的使用寿命，即在活性炭表面培养微生物，利用微生物对水体进行处理。 研究人员安东将人工培养好的微生物固定于活性炭表面，对某水厂的滤后水进 行活性炭吸附过滤，发现对水中总有机物含量( t o c ) 的去除率稳定在4 0 * , - 5 0 ， 对三卤甲烷生成势的去除率比普通活性炭提高了1 1 3 9 ，并对氨氮去除也有 比较的效果。 ( 4 ) 膜技术 在当今水处理领域中，膜处理工艺逐渐得到人们的肯定，膜处理技术对水 中污染物质的去除率非常高，而且运行稳定，且不需加入其他任何化学药剂， 无二次污染。一般根据膜孔径的大小可分为：微滤、超滤、纳滤和反渗透。一 般处理设备对体积微小的颗粒( 如细菌) 处理效果不理想，膜技术可以克服这缺 点，可去除颗粒非常小的颗粒。膜处理经一段时间后会出现膜污染情况，成为 污染源头，影响出水水质。 6 第1 章绪论 在实际工程运用中，大多水厂将膜技术与其他处理工艺联合应用。例如， 将膜技术与活性炭组合运用时，活性炭大量吸附有机污染物，可大大减缓膜污 染的速度，另一方面，膜技术可拦截活性炭吸附后水中残留的细菌，两种工艺 结合的效率远远大于单独使用其中一种工艺，提高出水水质。 由于深度处理工艺资金投入比较大，使用起来具有一定的局限性。人们研 究较多且更具有推广使用价值的，还是常规处理工艺的强化，混凝强化的研究 更是受到广大科研人员的欢迎，在混凝强化上的科研也有非常显著的成效。 1 2 4 强化混凝技术 人类生活环境污染日益严重，饮用水水质标准越来越严格，传统水处理工 艺不能满足渐趋严格的水质标准，而面临改造，提高处理效果。强化混凝技术 已成为提高出水水质的关键性途经。 对于强化混凝的概念，有多种说法，美国水工协会在2 0 世纪9 0 年代解释 了强化混凝概念，即在常规混凝处理过程中，通过提高混凝剂的投加量或改变 p h 值来实现保证出水浊度达标及提高有机物去除率的工艺过程【1 3 j 。该工艺可以 最大限度地去除消毒副产物的前驱物( d b p f p ) ，保证饮用水中消毒副产物( d b p s ) 满足饮用水标准的方法。而且该方法在技术上要求不是很高、不需要过多的资 金，因此在美国普遍认为是实现d b p s 条例第一阶段目标一饮用水中三卤甲烷 ( t h m s ) 含量小于0 0 8 m g l ，卤乙酸( h a a s ) d , 于0 0 6 m g l 的最佳方法【l4 1 。优化 混凝则是在强化混凝基础上提出来的，其是一种具有更多目标的混凝过程，包 括最有效的去除水体中浊度、有机污染物和d b p s 前驱物，减少混凝剂的投加量、 污泥产量以及最大化降低生产成本等。 国内在强化絮凝方面的研究进行的比较晚，但也取得了不错的成果，一些 学者也发表重要论文，混凝胶体化学观及絮凝形态学就是我国学者提出的。对 于实际工程上澄清技术的研究也有一定突破。殷小桃【1 5 】等针对乌鲁木齐市石墩 子山水厂( 西区) 处理技术过于陈旧、混合絮凝效果差、澄清池出水浊度高、混凝 剂投加量大等问题，通过在澄清池总进水管上安装管式静态混合器，在澄清池 出水处增设六边形蜂窝状斜管。改造之后，提高了混凝沉淀效果，使澄清水浊 度小于3 n t u ，滤后水浊度可达1 n t u 以下，药耗降低2 2 ，减轻了后续工艺的 负荷。 7 第1 章绪论 1 3 课题的提出 随着我国经济的飞速发展，国民生活水平逐日提高，人们越来越关注与生 活切身利益密切相关的水质问题。然而工业的发展必然导致环境的污染，原水 水质逐年恶化，针对不断恶化的水源水，我国颁布的饮用水水质标准 生活饮 用水卫生标准( g b 5 7 4 9 - - - 2 0 0 6 ) 要求出厂水浊度保持在1 n t u 以下。很多老 水厂的处理工艺满足不了当今人们对饮用水的要求，因此，大部分老水厂都面 临着水厂扩建以及处理工艺的改进，以满足当今人们对饮用的要求。 目前南昌铁路局自备水厂面临水源不断受到污染，水质要求不断提高的双 重压力。在铁路水厂普遍使用的混凝澄清池和快滤池都是按l ：生活饮用水卫生 标准( ( 迅5 7 4 9 - 乏0 0 6 ) 颁布前的设计标准设计的，存在工艺老化、产水效率低、 出水水质难达标等问题，采用新技术、新工艺，挖掘现有潜力，提高水质，降 低供水成本是目前铁路给水运营的主要技术改进方向。增设预处理或深度处理 工艺的做法，需增大水厂占地面积，增加改造成本，在工程实际应用中全面推 广会有一定的难度。结合我局铁路发展趋势及对给水专业技术改造的投资情况， 通过改进和强化传统净水处理工艺成为铁路水厂为提高产水量和改善出水水质 较为经济有效的技术改造手段。通过改变水力条件，研制经济高效低耗澄清技 术是也是目前供水行业的研究热点之一。 1 4 课题的来源 研究课题来源于南昌铁路局2 0 1 0 年大修、技改科研项目。 1 5 课题研究目的和内容 1 5 1 课题研究目的 目前南昌铁路局自备水厂面临着水源不同程度受到污染、国家 生活饮用 水卫生标准提高造成供水水质尤其是浊度难以达标的双重压力。在铁路水厂 普遍使用的澄清池以及一些快滤池都是在国家新的生活饮用水卫生标准实 施前设计的常规处理工艺、产水效率低、设计出水浊度高等问题，进行水处理 工艺技术改造使供水水质达标、以保障铁路生产生活用水水质是我们必须面对 和解决的问题。而通过增设预处理或深度处理构筑物的做法，需增大占地面积， 8 第1 章绪论 增加改造成本，在实际工程应用中全面推广会有一定的难度。因此寻求采用新 技术、新工艺，挖掘现有潜力，提高水质，降低改造成本是目前我们铁路局给 水技术改造能否全面推进的关键，结合我们铁路局发展趋势及当前经济情况， 我们选择改进和强化传统净水处理工艺以提高产水量和改善出水水质作为经济 有效的技术手段之一。本论文的研究目的是通过改变水力条件，研究经济高效 低耗澄清技术和低投资的改造方案，以期在铁路水厂技术改造中推广应用，进 而全面改善我局自备水厂供水水质，提高供水安全性，促进铁路供水事业的健 康发展。 1 5 2 课题研究内容 课题拟在华东交通大学研制的微涡流混凝新工艺( 核心是具有国家实用新 型专利产品一涡流反应器) 的基础上，结合工程实践，研究适合我局铁路供水 现状及发展趋势的，具有自主知识产权的经济高效低耗澄清技术。本项目的主 要研究内容有： ( 1 ) 进行混凝正交试验，模拟涡流澄清池内反应室混凝状态进行烧杯实验， 确定投入试验所用混凝剂及其投药量。 ( 2 ) 澄清池内投加涡流反应器与不投加涡流反应器的除浊效果试验对比， 探索涡流反应器在絮凝阶段所起的强化效果。 ( 3 ) 不同进水流量、不同温度及不同进水浊度下澄清池处理效果的试验研 究。 ( 4 ) 涡流澄清池针对微污染水源水处理效果的试验研究。 ( 5 ) 微涡流絮凝技术在醴陵铁路水厂的工程应用研究。 9 第1 章绪论 1 6 研究技术路线 l 查看文献，了解国内外相关研究现状和发展趋势 土 确定试验方案 1 l 混凝剂优选实验，确定试验所用混凝剂及投加量 上 投加涡流反应器时与不投加涡流反应器时处理效 罢的研究 1r 上 ， 上 不同温度不同流量处理微 下涡流澄下涡流澄污染水 清池处理清池处理源水试 效果的研效果的研验研究 究究 上、 ， 上 1r 工程应用 1 0 第2 章强化混凝及微涡流、澄清技术文献综述 第2 章强化混凝及微涡流、澄清技术文献综述 2 1 强化混凝技术概论 2 1 1 混凝技术及其发展 混凝现象是自然界和人工强化水处理体系中普遍存在的现象之一【l6 1 。混凝 是水分散体系中胶体和颗粒物在各种物理化学流体作用下所导致的聚集生长的 过程，是对混合、凝聚、絮凝的总结。混凝过程贯穿于胶体与界面科学、水质 科学的历史发展过程中，作为水与废水处理的重要方法之一，混凝技术已广泛 应用于各种水处理工艺流程中，决定着其后续流程的运行工况以及最终出水水 质质量与运行成本，在我国水处理高新技术的发展中占有重要地位【l 7 1 。近几十 年来，有关混凝技术领域的研究在各方面均取得了较大的成果，且面临着突破 性的进展。其主要研究内容可以归纳为3 个方面，混凝化学、混凝物理、混凝 工艺学。 混凝化学研究混凝过程中参与的各类物质的结构、形态、物理化学特征及 其在不同条件下的化学变化规律，可进一步细分为原水水质化学、混凝剂化学 和混凝过程化学。此研究是阐明混凝作用机制的关键，也是指导混凝剂筛选、 推动混凝剂进一步发展的基础。混凝物理是混凝过程中絮体形成过程中对絮体 结构、形态、性能及在不同条件下的变化规律的研究。絮体结构和性能是在混 凝研究中占据很重要的地位，同时对后续分离过程起着决定性作用。有关混凝 化学、形态学及动力学的研究可以概括为混凝理论。混凝工艺学是在混凝理论 的研究指导下对与特定混凝工艺流程、混凝剂以及反应过程相适应的混凝工艺 系统进行研究，主要包括：混凝反应器、混凝过程监控、混凝投药控制设备等 的研制与开发。在此过程中对混凝动力学及絮凝物形成的动态过程的研究对于 进一步深入探讨絮凝机理、确定最佳投加量以及开发研制高效的混凝设备都有 十分重要的意义，是混凝领域中的研究热点。 随着日趋严重的环境污染问题与日趋严格化的水质标准，常规混凝技术已 经不能很好的满足人们对水质安全的要求，同时对传统的混凝工艺提出了严峻 的挑战，因此大力发展强化混凝技术有助于进一步完善我国的水处理工艺技术， 推动我国水工业的发展。 第2 章强化混凝及微涡流、澄清技术文献综述 2 1 2 强化混凝技术 强化混凝( e n h a n c e dc o a g u l 觚o n ，简称e c ) 是在常规混凝处理基础上提出来 的。强化混凝的概念由来已久，早在1 9 6 5 年美国a w w a 会刊的一篇论文中就 有所论述【l 射。2 0 世纪9 0 年代美国水工协会提出的强化混凝是在常规混凝处理 过程中，保证浊度去除效果的前提下，通过提高混凝絮凝剂的投加量提高有机 物去除率的工艺过程。此过程基于提高混凝剂投加量或控制反应p i j 条件来达到 强化的目的。较常规混凝，强化混凝技术能更有效地去除原水中的天然有机物 ( n a t 删o r g a n i cm a t t e r ，n o m ) 和腐殖质( i - i u m i cs u b s t a n c e s ) t 例。 近年来，随着强化混凝技术的快速发展，许多研究者将强化混凝技术引入 到污水处理领域，可以说强化混凝是仅次于生化处理的污水处理主流技术。通 过对常规混凝过程的强化，进一步提高水中污染物的去除效果。王东升等学者 认为：强化混凝技术研究从工艺的角度研究而言，侧重于在原有水处理工艺设 施上的改进和提高即强化，通过对混凝剂絮凝剂的筛选优选、混凝剂絮凝剂投 加剂量和混凝反应过程以及反应的p h 条件控制强化来实现，同时需要兼顾前处 理、后续的运行工况，已达到真正意义上强化的目的。 2 1 3 强化混凝的作用机理 强化混凝的作用机理较常规混凝类似，主要包括压缩双电层作用、吸附电 中和作用、吸附架桥作用、沉析物网捕卷扫作用等。把混凝剂投加到污染水体 后，一方面可以通过吸附电中和和压缩双电层作用，胶体扩散层结构从而被压 缩， ( z e t a ) 电位降低，胶体脱稳；另一方面通过吸附架桥作用与沉析物网捕 等作用使得脱稳后的胶体颗粒聚集生成颗粒大的絮体并沉淀下去，最后固液分 离。混凝机理如下： ( 1 ) 压缩双电层作用 双电层作用机理是通过投加电荷相反的电解质、降低电位并压缩扩散层， 以导致微粒间相互聚结的机理。胶粒的脱稳是由于颗粒的 电位降低而失去稳定 性的过程。脱稳胶粒相互聚结称为凝聚。当向原水中投加铁盐或铝盐等混凝剂 后，大量的正离子涌入扩散层甚至固定层，由于胶核表面的总电位不变，增加 扩散层及固定层的正离子浓度，就会使两层变薄，同时( 电位降低。当扩散层被 压缩直至消失时，( 电位为零，即“等电位状态。压缩双电层作用特别适用于 解释无机盐类混凝剂混凝的机理。 1 2 第2 章强化混凝及微涡流、澄清技术文献综述 ( 2 ) 吸附电中和作用 电荷的中和作用是指胶体颗粒的( 电位降低到足以克服能量障碍而产生絮 凝沉淀的过程。电荷的中和作用是吸附作用引起的，此会导致胶体颗粒与水之 间界面的改变，从而使水的物理化学性质发生变化。电荷的中和作用能够使胶 体颗粒间的距离缩小，在范德华引力作用下，胶体颗粒间相互作用形成稳定的 絮凝体，使得原水中的胶体和悬浮物颗粒去除效果更佳。 吸附电荷中和作用的机理是加入的絮凝剂被吸附在胶体颗粒上，胶体颗粒 表面电荷不但可以降到零，而且还可以带上相反的电荷使胶体颗粒表面电荷被 中和。吸附电中和作用的作用力强于压缩双电层作用的作用力。两个作用力强 弱不同，所产生的絮凝体性质也不同。强作用力下所产生的絮凝体密实，体积 小，不能再变为胶体，反之所产生的絮凝体体积庞大、疏松，能够再变成胶体 消失。 ( 3 ) 吸附架桥作用 吸附架桥理论是由拉曼( l a m e r ) 等人提出来的。其作用机理是基于高分子混 凝剂的吸附和架桥作用，此类混凝剂溶于水中经水解和缩聚反应后所形成的高 聚物具有线型结构，此类具有线型结构的高聚物对胶体物质具有强烈的吸附作 用。由于形成的高聚物的线型分子结构和吸附作用，使得相距较远的两胶粒间 可进行吸附架桥，其一端吸附某一胶粒后，另一端伸入水中又吸附另一胶粒， 微粒通过高分子吸附架桥使颗粒逐渐粘接变大，最终形成粗大絮凝体( 矾花) ，由 高分子物质吸附架桥而使微粒相互聚集的过程通常称为絮凝。由此，胶粒的( 电位的降低对絮凝过程来说并非决定因素，此时混凝效果最佳时的电位不等于 零就是可以理解的。当混凝剂投加量过多时，由于胶粒对高聚物的强烈吸附， 过多高聚物可能会迅即对胶粒形成包卷作用，使胶粒失去表面吸附活性，或者 说胶粒吸附面被高聚物所掩蔽，从而失去该胶粒同其它胶粒架桥结合的可能， 并使胶粒重新稳定，即“再稳 。 ( 4 ) 沉析物的卷扫作用 向原水中投加大量的絮凝剂，混凝剂水解后形成的水合高分子金属氢氧化 物具有三维空间立体结构，其对于胶体颗粒的捕获有很大作用。随着高浓度絮 凝剂的使用产生的带正电荷的高分子就会中和暴露在其附近带负电荷的胶体颗 粒，最终形成粗大的絮凝体。随着高分子聚合物体积的收缩，水中的胶粒和悬 浮颗粒可被这些沉淀物在形成时所网捕。而卷扫絮凝机理产生的絮体体积庞大， 1 3 第2 章强化混凝及微涡流、澄清技术文献综述 当卷扫作用机理进行固液分离时，可加入阴离子型有机高分子絮凝剂，使沉析 物利于分离。 在实际混凝过程中，上述四种混凝机理并不是孤立的现象，而是相互联系 的。混凝效果及其作用机理和许多因素有关，其中包括混凝剂种类、混凝剂投 加量、原水水质、水力