（环境工程专业论文）微污染水源水混凝气浮处理的强化研究.pdf

攘要 摘要 我强乾方7 0 以上城市窳源必遮表拳，皴污染现蒙严重，零翘处理王 艺无法满是安全饮焉水供应的需瑟。因此，供水行鼗遗切需要先进、离效 的饮用水安全保障技术。天津市水源水质具有季节性变化明显、污染指标 突发性超标和高藻期水质富营养化特征指标超标的特点，在北方地区具有 典型性和代表性。本文在中试实骏中采用混凝气浮工蕊替代常规的掘凝沉 淀工艺，缝合不阉强讫德凝方法驳撵蹇工艺对有瓿犍黝去滁麓力，操骧獭 东水震安全。 本文针对天津水源水高温商藻、低温低浊、常温常浊等三个不同水质 期进行了混凝气浮工艺的中试i 嚣行试验，研究不同水质期强化混凝对天然 有机物的去除效果。重点对天然谢机物含量较高的夏季高温高藻水进行系 统磅究，结累袭骥：l 、裂羽毫效滚稠色谱h p l c 霹爨水中天然有视物( n o m ) 分子量分布滋行检测，结采发瑷窳中有权秘孛魏7 0 为分子量小予 1 0 0 0 d a l t o n 的低分子量有机杨，这表明水中有机物去除难度较大，常规混 凝很难达到良好的去除效果；2 、以f e c l 3 为混凝剂增加投药量可以有效 提高对水中的天然有机物的去除。在f e c l 3 投药量为6 0 m g l 时混凝气浮 工艺t o c 去狳攀为5 0 ，u v 2 5 4 必5 3 ，面常援混凝时投药量为1 5 m g l 霹湿凝气浮工艺t o c 与耐2 辩豹去涂率分羁灵毒3 0 秘2 5 ；3 、戳f e c l 3 为絮凝剂，投加高分子助凝剂h c a 能够有效提高对浊艘和c o d m n 的去除。 当f e c l 3 投药髓为2 5 m g l 时，投加h c a ( 投加量为0 2 m g l ) 可使混凝 气浮出水的浊艘和c o d m 。降低1 6 署1 12 4 ；4 、采用新型絮凝剂h p a c ， 在其投药量为8 m g l 时t o c 去豫率为3 0 ，u 7 2 5 4 去除攀为4 0 ，丽h p a c 在3 m g m 羁+ 受发懿去豫速至l 最佼，瑟魏跨t o c 霸u v 2 5 4 静去豫率分溺只 有2 5 和2 7 ：5 、强化混凝气浮和沉淀工艺对比实验表明，气浮工艺在 浊度和c o d m 。去除方面要优于沉淀工艺，但对溶解性有机物的去除主鼹 由混凝条件决定，与固液分离方式无关。 关键调：强纯瀛凝溶气气浮徽污染东源承h p l c a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h en o r t ho fc h i n a7 0 o fd r i n k i n gl a ww a t e ri sm i c r o - p o l l u t e dw a t e r , a n dt h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp r o c e s s e sc a n tm e e tt h en e e do fs a f ew a t e r s u p p l y , s of l e wa n dh i g he f f i c i e n tt r e a t m e n tt e c h n o l o g ys h o u l db ed e v e l o p e d a n da p p l i e d 露i eq u n i t yo ft i a n j i n sr a ww a t e rv a r i e sg r e a t l yw i 搬s e a s o na n d o f t e nw o r s e n sa b r u p t l y , i t sc h a r a c t e r i s t i ci st y p i c a li nt h en o r t ho fc h i n a i n t h i sp a p e r , d i s s o l v e da i rf l o a t a f i o n ( d a f ) w a su s e dt 0t a k et h ep l a c eo ft h e c o n v e n t i o n a ls e d i m e n t a t i o np r o c e s s ，a tt h es a l n et i m e ，e n h a n c e d c o a g u l a t i o n m e t h o d sw e r ea l s ou s e di n to r d e rt oi n c r e a s et h er e m o v a lo fn a t u r a lo r g a n i c m a t t e rn o m i nw a t e r p i l o te x p e r i m e n t so ft h r e ed i f f e r e n tw a t e rq u a l i t yp e r i o d si n c l u d i n gh i g h t e m p e r a t u r ea n dh i g ha l g a l ，l o wt e m p e r a t u r ea n dl o wt u r b i d i t y , a n dn o r m a l t e m p e r a t u r ea n dn o r m a lt u r b i d i t yw e r ec a r r i e do u ti no n ey e a r , a n dt h ee f f e c to f d i f f e r e n t e n h a n c e d - c o a g u l a t i o n m e t h o d si sr e s e a r c h e da n da n a l y z e d a c c o r d i n gt or e s u l to fp i l o te x p e r i m e n t s ，h i g ht e m p e r a t u r ea n dh i 醣a l g a l w a t e rw h i c hh a sm o r en o mi ss e l e c t e da st h em a i nr e s e a r c ho b j e c t ，a n dt h e r e s u l t ss h o w ：1 t h ed i s t r i b u t i o no fm o l e c u l a rw e i g h to fn o mi nw a t e rw a s m e a s u r e db yh p l c 强er e s u l ts h o w st h a t7 0 o fn o mi nr a ww a t e ri sl o w m o l e c u l a rw e i g h to r g a n i cm a t t e r , w h i c hc a r l tb et r e a t e de a s i l y ；2 i n c r e a s i n g c o a g u l a n t ( f e e l 3 ) d o s a g ec a r le f f e c t i v e l yi m p r o v et h er e m o v a lo fn o m i n w a t e r w h e n6 0 m g lf e c l 3i sa d d e d ，t h et o ca n du 吼5 4r e m o v a lo f5 0 a n d 5 3 c a l lb eo b t a i n e d w h i l ei nc o n v e n t i o n a lc o a g u l a t i o nw i t h15 m g lf e c l 3 d o s a g et h er e m o v a lo f t o cm i du v 2 s 4i s3 0 a n d2 5 r e s p e c t i v e l y ；3 w h e n f e c l 3i su s e da sc o a g u l a n t a d d i n gc o a g u l a n ta i d sh c ac a l le f f e c t i v e l y i m p r o v et h er e m o v a lo ft u r b i d i t ya n dc o d m n w h e nf e c l 3d o s a g ei s2 5 m g l ， a d d i n g 疆2 m g lh c a ，t u r b i d i t ya n dc o d m o f t h ec o a g u l m i o nf l o a t a t i o nc a r l b er e d u c e db y1 6 a n d2 4 r e s p e c t i v e l y ；4 w h e nn o v e lc o a g u l a n th p a ci s u s e da n d8 m g f li sa d d e d 。t h er e m o v a lo ft o ea n d ，码5 4i s3 0 a n d4 0 r e s p e c t i v e l y , b u tt h er e m o v a lo f t u r b i d i t yi sb e s tw h e nh p a cd o s a g ei s3m g l w h i l et h er e m o v a lo ft o ca n du v 2 5 4i s2 5 a n d2 7 r e s p e c t i v e l y ；5 t h e l l a b s t m c t r e s u l t so fc o m p a r i n ge 曲a n c e dc o a g u l a t i o nf l o a t a t i o nw i t hs e d i m e n t a t i o ns h o w t h a tf l o a t a t i o ni sb e t t e rt h a ns e d i m e n t a t i o ni nt h er e m o v a lo ft u r b i d i t ya n d c o d m l l ，b u tt h e s ep r o c e s s e sh a v en od i f f e r e n c ei nt h er e m o v a lo fd i s s o l v e d o r g a n i cm a t t e r , w h i c hi sm a i n l yi n f l u e n c e db yc o a g u l a t i o nc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：e n h a n c e dc o a g u l a t i o n ；d i s s o l v e da i rf l o a t a t i o n ；m i c r o - p o l h l t e dr a w w a t e r ；h p l c l l 堇 y8 0 乏9 8 2 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、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： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后 适用本授权书。 l 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月口 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 uj “m“ ；随都一毫簪黛最长5 年，可：疹垂与簪黔 ? i i曩：j | i 勰 一 。 j ： ； | 搿 j 、 | ； j _ 秘密纛i 氆年鬻葳获1 ：瓤年，可少于懈攀| 。 机密蔫洳攀( 骚畿2 伊年萄爹挚2 0 年 霖镊努寇 南开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： 年月日 第一章绪论 第一章绪论 繁一带季l 誊 水是人类以及一切生物赖以缴存的基本要素，又是人类发展的重要资 源。瘩在巍然器葸量不变豹矮环，零资源慧鬣约麓1 9 1 8 立方豢，毽其中淡 水只占总资源的2 ，5 ，且大部分( 约为7 7 ) 以极地冰川和冰帽形式存 在，可供人类使用的淡水不到其总量的1 t ”，丽艇水资源的分布还在空 溺霉l 辩簿上存在较大豹不鹭匀馥。我国窳瀣滚含豢丰塞，承资源总羹为 2 8 1 2 4 亿立方米，属谶界第6 ，僚入均占有掇仅有2 3 4 0 立方米，仅列世界 豁1 1 0 馒，凳鳘赛入浚占奏量瓣1 4 1 2 1 。 我圜永资源分布不均匀，具有系南多，遥北少，沿海多，内陆少，山 区多，平原少的特点，同时一些主要河流还存在含沙量高，湖泊富营养化 严麓等阉纛。在我餮缀济发达、入口福鼹集中的华j 0 圭蠹区，承资源短姣严 重，而中圈矿物资源大多分布在缺水的西j b 、华北等地区，缺水问题已经 成为铡约这魑地区开发翻经济发爆舶重要戮索。另一方嚣我麟水污染现象 翻靛严重，主要江河游遍受蓟不瀚程度瀚游染，特涮楚永源承的污柒给人 体键康以及后代带来了严重的危害。饮用不良水质的水可能诱发各种肠邋 终染病，弓| 发致突变 事蠲彝地方痍等，求滋染迩弓| 越承壤型跤承，麓联了 永资滚的短缺，使得人们用承紧张租雕水不安全嘲。 髫益繇纯的水源窳污染提离了竣翅承处理妁赡艘，毽也援进了荬楚瑷 技术鲍不断发展。盘予鬻怒的永处瑾工艺惑经难| 三i 满足人们生活和生产用 水的水质癸求，于是人们在常规处理工艺上又发展了生物预处理、氧化预 匙懋、强识过滤、生甥活淫炭等鲶瑾援术，獒中气浮技术楚懑肉羚正在夺 断推广的一种可以替代传统沉淀工艺的水处理技术，它是在待处理水中邋 入大量密集的微气泡，使其与杂质、絮体棚互粘附，形成整体比重小于水 稳浮髂，放露蔹靠浮力上舞至l 求瑟，戳完成蠢滚分瀵豹器麟净隶法，对 低温低浊原水、含藻炎、高色魔、溶解氧低的原水有明显效果 4 】。 强化混凝也是一辛孛可以有效波蔷承痰处壤效聚的方法，其通过选用合 适豁絮凝粼稻韵凝帮及增热投药豢、良好鹣絮凝祭件、调节遗当的p 使 等方法米强化常规瀛凝工艺对求中有机物的去除效果，可以有效控制水中 溺毒戮产镪l ； f 体物斡含量。 第一章绪论 气浮工艺替代传统的沉淀工艺，并结合强化混凝投术可以有效的提高 水中备污染物的去除效果，研究强化混凝一气浮工艺对污染物的去除规律， 魄较不同絮凝粼之闻豹去除特洼，对于提高常蕊给承娥理工艺其有褒实意 义。 第二节气浮技术的发展与现状 最早系统研究气浮冷水技术的是h o p p e r ，m e g o w e n 以及g r i e v e s 及 萁合作者。在这些早期的研究中表猫活性剂被加入到低压气浮过程中，用 以去除色度和浊度。g r i e v e s 发现表面活性刹和悬浮的泡沫能有效去除色 废、滚凄、一些无疑甥以及可溶毪蠢撬凌玲l 。键枣子接零瓣关毽未携突破， 这些工作一直停留在小试阶段，始终少为人们接受。赢到7 0 年代由于改 善了漆气方法，解决了溶气释放中产生的气淑尺寸及其数量这个关键性难 题，气浮净东才逐渐褥至g 应角帮撩广嘲f l 。 国内净水，一多数采用的常规净水工艺包括混凝、沉淀、过滤、消毒等 过援，秀利雳气浮技术替代掌纛溅淀工艺其蠢殴下诲多撬势【s 】：对絮越黪 大小及重度要求比沉淀低。一般情况下，能节省混凝剂投药量及槭少絮璇 池的停留时间；气泡的粘附使絮粒与水的比瀑差增大，敞可缩短水与泥渣 静分离对阉，彼单位涟萄积豹产承嚣提高，气浮漶静鸯辍帮占遗灏积减少， 可以降低造价；无数微气泡几乎能网捕所有不同粒径的絮体杂质，使出水 水质毒较大蠛发鸵提毫，亦舂利予屠续处理，船延长滤涟渖洗周凝、节约 冲洗耗水量等 气浮排渣方便，排渣时耗水鬣小，而飘泥渣含水率低，为 泥渣进一步的脱水处理掇供了有利条件；对藻类有特殊处理效果。一般沉 淀滚处瑾藻类簸力穰差，缀容易瓣后续工艺产生不纛影穗，曩气浮法可良 有效去除藻类，保障出水水质。 气浮净水技术按产生气泡的方式不同嚣奄多嵇类戮，主要有：溶气气 浮法、电解凝聚气浮法、生物戬及化学气浮法、徽孔布气气浮法、叶轮散 气气浮法等【9 1 。其中部分加压式溶气气浮是因内外最常用的气浮法【l 。1 ，而 其中又羧压缨空气供气的压力溶气气浮装鹭麓数最多，应震_ 蘑激广。绘承 厂一般都采用压力溶气气浮法。 电解凝聚气浮法的优点是：利用电艇反廨产生微气泡，在邋电的状况 下，凝聚与气浮阕霹遗行，效采较好，萁缺点是电能消耗以及极板损耗较 大，运行费用较高。 第一鬻绪论 微孔布气气浮法的优点是直接利用净化后的低压空气经微孔板切割 成擞孔泡两进行气浮，可以大大降繇溅耗，但由于目i g 微孔板孔径太大， 必矮授翔表蠹逶瞧懿| 方能形疫哥髑弱熬微小气逡，扶霹投大黪凝麓了它斡 使用范围。 叶轮散气气浮法是利用叶轮、固定孔板将水气混合流切割成含微小气 泡的乳浊液，以此米黏附杂质，但由于该法产生的气泡大小不均匀，无效 气泡多，耳前仅髑弓二个别炼油厂的食油废水处理种。 生物气浮法楚钕靠徽生凌在耨熬饯落遘程敦密黪气体与絮粒羲嚣螽 使之浮出承面的：化学气浮法是在水中投加某种化学药荆，借助于化学反 应生成的氧、氯、二氧化碳等气体丽促使絮粒上浮的。遨种气浮法因受各 种条件的限制，因而处理的稳定性较差，应用也不多。 与前面四种方法比较，压力溶气气浮法具有以下冉勺优点： l 。在翻压稳缓下，空气嚣溶鼹爨增多，镶气浮壤瘸瓣气滢数量戆褥 猫最大数霹黔满足，鼠丽确保了净水效果； 2 溶入的气体经骤然减压释放，产生的气泡不仅尺寸微细、均匀， 而且上浮稳定，对液体的扰动性小。因此，能适用絮粒及微小颗粒的固液 分离。 3 。工艺设螽魄较麓蕈，管理、维修l 较方便。 困诧，压力溶气气浮法的应愿藏瀚跑较广，在大、中、小麓模绘承与 废水处理都能够邋用，因此对其基本原理以及技术性能的研究也比较深入 和系统。以下悬压力溶气气浮法的撼本工艺流程图。 图1 1 压力溶气气浮基本工艺流程图 如图1 ，l ，水泵将原水提升到魇碰池1 ，絮凝剂在吸水管上投入，并 经睁轮混合予反碰濑中避雩亍絮凝，爱威螽翡絮凝承通过穷孑l 壤进入气浮池 第一辩绪论 接触区3 ，与来自溶气释放器2 释放出的释气水相混和，此时水中的絮粒 与微气泡相互碰攘黏附，形成带气絮粒嚣上浮，荠在分离隧进行固液分离， 浮至拳瑟豹涯浚囊巅渣凝蘩鬟蓑 渣穰5 簿窭 渍东舞囊穿孑l 集零管羹二集至 集水槽后出流。部分清水经由回流水泵6 加压后进入溶气罐7 ，在罐内与 来自空压机8 的聪缩空气相互接触高压下溶解，饱和溶气水从罐底通过管 道输向释放器，其中释放器的释气效果对气浮作用影响很大。 气浮的排渣方式会影响气浮工蕊的处理效果。溶气气浮池的排渣方式 主要分为嚣穗：凝城爨鎏耪拳力滏渣。凝禳翻渣是鬏据浮浚澎或豹逮凄，麸 丽借助刮渣梳滋行定期耐渣。在承娥理领域，部分式或全长式刮渣枫和潘 边刮渣机得以广泛的应用。另外，还肖一些溶气气浮工慧_ 髓接利用其后续 滤池反冲水进行水力溢渣【lo 】，这种方式的优点是：提高了水厂的产水率， 节省了能耗；当水源水隐孢予虫卵囊禽量过高时，采用此摊渣方法可以避 免增鸯羹矮殴去狳滤、逡反诤拳中戆隐熬予蛊舞囊囊曩豹鬏静鲶瑾费，毽是要 以损失较多承量蠲低的浮渣霹含量( 少于o 2 ) 为代价。 目前，气浮净水技术已经广泛应用于炼油、化工、造纸、制革、纺织、 印染、钢铁、橡胶、食品、制药、轻工等工业废水和城市生活污水以及生 活饮用水处理中。幽于气浮技术的优越性，它在水和废水处理所起的作用 越来越广泛，圭黉分戳下咒类l l u ： 1 作为单矮童俸处理技术。在饮用承处理上，气浮技术可以取代传统 水处理中的沉淀工艺，组成混凝气浮过滤的处理流程，它已成功地应用 在处理低温低浊、含藻类及一些浮游嫩物的水处理工艺中；在石油、化工 以及机械制造业中的含油污水处理中，对于一些含油、含脂废水以及造纸 滚承中豹蠢承采蠲气浮技本，不毽处骥效果显著，还可以鞠浚涵g 蓦和纸浆； 2 侮为颈鲶瑾技术。气浮技术鹰 笮为污永生纯楚鬻中静一； 孛有效的 预处理技术，可以去除难降解的有机物，提高废水的可生化性，保证后续 处理的稳定性。主要用于有机及无机污水的物化处理； 3 作为深鹰处理技术，应用于污水处理二级出水的阐j e f i | 处理工艺中： 4 。与有枫废水生穆处理稠配台，蠲气浮池代替二沉波； 5 可应震予污承楚理厂剩余涟羧浮泥迸嚣浓雅静处瑷工艺。 在给水处理领域中，溶气气浮法比较适用的原水主聚包括：腐殖质含 量高或天然色度高、富营养化、藻类含量高、低温低浊镣水质的原水 1 2 1 。 马军等在利用溶气气浮工艺强化处瑕低浊高色度富含有机物地表水的研 究中发现，漏凝气浮工艺嘎显优予溺凝沉淀工艺，前者可在较低投药量下 第一牵绪论 取得更好的处理效果【l ”。王毅力等利用絮凝溶气气浮处理北京密云水库低 温低浊度承取褥比较好的处理效果1 1 4 j 。毽气浮技术的应髑媳存在一定局限 毪。m a l l y u s l 等谈为，洼凄夫予1 0 0 n t u 豹琢隶不逶合袋矮溶气气浮处理。 t a m b o m l 等认为，当原水中悬浮固体含量为5 0 m g l 时，溶气气浮工艺和 沉淀工艺效果相：i 琏，如悬浮物浓度熙简则采用沉淀工艺合适；溶气气浮工 艺也可以和其他工艺结合，比如预氧化工艺、过滤工艺等可以有效提高处 理效果。溶气气浮工艺还在不断的磷究发展中，包括其絮凝条件、气浮形 式、溶气系统、簿渣方式等方瑟 l ”。慧之，随着溶气气浮工艺夔逐步完善 和发展，其在绘水处理中的应用将越来越广泛。 第三节强化混凝技术的发展和现状 出于承源永微污染现象羁益严黧，为了提高净东工慧鹣处理效果保证 人嚣静蔹矮隶安全，必须薅鬻援净承王芑逶行改造，逶露懿徽法是：缮黧 深度处理构筑物，如活性炭吸附技术；增加预处理构筑物，如生物预处理( 接 触氧化池或生物滤池) ；不增加常规工装前、后的净化构筑物，在现有工艺上 改造，如强化混凝、强化过滤、优化消簿其中强化混凝方法与其他方法相 比，具有投资省、不需要建造新的构筑物、不占土地以及经常运行费用低 等霞点，褥鬟魄较广泛静痰震帮骚究【潮。 强化混凝( e n h a n c e dc o a g u l a t i o n 简称e c ) 是摆在常蕊处理工艺流程中 在混凝处理时投加过量的混凝剂、新型混凝剂或助凝剂溅者其他的药剂 ( 如氧化剂) 并控制一定的p h 值，通过加强混凝与絮凝作用，从而提高 工艺对水中污染物尤其天然有机物( n o m ) 的去除效果，最大限度的去除消 毒蘩产甥兹蔻髂粝( d b p 转) ，爨 垂求澄毒弱产穆簿合绞瓣承瑟淮戆方法。 “强化混凝”在饮用水处理中酸举是在美国提出劳褥剿应用的，其主 要目标是提高饮用水中消毒、消毒副产物( d d b p ) 先质的去除率美国环境 保护局( u s e p a ) _ 搬e c 列为在d d b p 祭例第一实施阶段控制n o m 的最佳 方法强化混凝有两个目的：第一个目的是达到d d b p 条例要求的t o c 去 豫率，第二个瑶瓣楚充分去狳d , q ) b p 瓣蓑驱蘩囊，楚褥受溪氯气嫠为主溃 毒弃l ，且在配求系统中维持一定余氯爨晚各种d b p 的最大含量( m c l 值) 不超出d d b p 条例第一实施阶段的标准。许多国家的科研人员的研究表 明，通过强化混凝可使总有机碳t o c 总的去除率达到6 0 以上，而常规工 艺的去除率只有1 3 。研究人员先聪对强化混凝法、新增加处理工艺的粒 第一章绪论 状活性炭吸附法和膜滤法进行了实验室试验及模拟生产试验，并进行了技 术和经济比较，结果表明采用强化混凝法来提高n o m 的去除率更具经济 可行性。 常规饮用水处理过程中n o m 的去除率是很低的，只有1 0 5 0 ， 而采用强化混凝法t o c 的去除率为2 6 7 8 【l ”。c h r i s t i a n 2 0 】等人在研究 强化混凝对水中天然有机物的去除时认为：同传统处理工艺相比强化混凝 对溶解性有机碳d o c 去除提高了3 2 ，对可生物降解的溶解性有机碳 b d o c 的去除提高了2 0 。对d o c 和腐殖酸浓度高的原水，强化混凝是 去除n o m 的一种有效和经济的方法。k i m b e r l yb e l l a j y 2 1 1 在实验中，常 规混凝t o c 平均去除率为2 7 ，u v 2 5 4 去除率为4 9 ：而强化混凝t o c 的去除率为3 8 ，u v 2 5 4 去除率增加到6 2 ，显示对芳香族化合物有更好 的去除率。常用的强化混凝方法【18 l ：1 、加大混凝剂投加量，使有机物的水 化壳压缩，水解的阳离子与有机物阴离子电中和，消除由于有机物对无机 胶体的影响，从而使无机胶体脱稳。不同的水质对混凝剂用量的要求不同， 混凝剂对水中大分子有机物( u v 2 5 4 值较大) 和憎水性有机物有较好效果； 2 、投加有机或无机絮凝剂或助凝剂，采用具有絮凝作用的新型混凝药剂 ( 如聚合氯化铝等) ，增加吸附、架桥作用使有机物易被絮体粘附而下沉； 3 、调整p h 值。因为水的p h 值对有机物的去除影响明显。当原水p h 较 高时，可通过加酸来降低p h 。一般有机物较多时，p h 为5 - 6 的条件有利 于形成腐殖酸、富里酸的聚合物。加酸一般加在混凝剂投加前，以促使混 凝剂水解形成高价正电荷；4 、投加氧化剂，使有机物氧化( 如高锰酸钾氧 化、粉状炭吸附) 。水体中的有机成分是增强水中胶体浊质稳定性的主要 因素。利用高锰酸钾等强氧化剂来氧化水中的有机成分，可以提高混凝剂 的混凝效果，达到净化有机污染的水质的目的；5 、完善混合、絮凝等设 施，从水力条件( 控制g 和g t ) 上加以改进，使混凝剂能充分发挥作用， 比如增加混合与絮凝反应的时间、选用澄清工艺等使药剂充分发挥作用： 6 、铝盐混凝剂改为铁盐混凝剂( 铁盐比铝盐更易于形成与腐殖酸和富里酸 的聚合物) 也可以起到强化混凝的效果。 第四节水源微污染现状与处理技术 水源水的微污染是指饮用水源主要受有机物污染，部分项目超过地 面水环境质量标准中i i i 类水体的规定标准，主要为氨氮( n h 3 n ) 、高 6 第一章缝论 锰酸盐指数( c o d m , ) 、化学需鬣登( c o d c ，) 、挥发酚、t o c 等指标越标 f 蠲。 我国窦从实行改革玎放以泉，社会经济褥到全蕊发展和遴步，但不少 滔麓也蓬之懑臻，英中承污染虢蹩个耽鞍严重豹必须引越社会纛褪瀚瓣 题。根据2 0 0 0 年中豳环境状况公缀的数据，2 0 0 0 年全圉工业和城市 生活废水李j 放总量为4 1 5 亿吨，其中工业废水排放量1 9 4 亿吨，城市生活 污水封 放量2 2 1 亿吨。废水中化学霞绒量( c o d c 。) 撼放总量1 4 4 5 万吨， 其咔 工业废水中c o d e f 摊放量7 0 5 力_ 吨，生活污水中c o d c ，排放量7 4 0 万穗，瑟污承处理搴秘处理拳乎还鲶予院较低粒承乎。2 0 0 0 年，中翻七 大耋点流域地表水有机污染酱遍，餐漉域于流只有5 7 7 的颁西满足l i l 黉 承藏骤求，2 1 6 鹬颛馘为粪承绶，6 。9 的断面澜v 类东质，1 3 8 的 断藤属劣v 类水质。主要潮泊蜜营养健阅题突出l 。 水域污染、水环境慧他的个羹羧后果，就是等致些水源被遗傍止 饺蠲，送瑟避一步麴涮承蜜滤熬麓绞。在我瀚， 睾爻锾惩拳承溅熬遣袭承 主婺为河流、湖泊和水瘁。我国许多地方的地表饮用水水源长期为卜 粪求侮，有辩甚至逸不麓类承蒺标礁。两艇东源承污染精况变褥越来懑 复杂。不同的水源所含污染源种炎和数量各不相同。就是同水源，其杂 凌戏分与含鬣迄是隧稳警阔和辩阔蔼震生变化 2 4 1 。较蟪诱，受污染的江 涎东钵中主臻含有夏涟烃、撵发翳、懿氮、农药、c o d c ，、震禽麟、纂枣、 氰化襁等耪溪，逡艘污染物种类较多，性质较复杂，僚浓度蹴较低微，茏冀 是鄢疑难予降鬃、荔予生物辍爨鞠冀蠢三致俸矮酶镶先控篱膏毒窍糗污染 物，对人体健康毒密缀大，而自泉水厂豢规净水工艺又艰难将其去除。爨 舞，承中有税物多鬻受魄，会增大滗凝裁和淤毒裁授药量，瘸蚀豁壁，降低 篱鹂绽援寿令，嗣聪溺渗黟袋辩副产物对人俸健康骞缀大黪短懑。 世界 三生组织鞠国舔癌痘机构在流行病学方面统计的调焱发现：现有 8 0 f l 霉痰与水有关，现有l l 冬s 溅款瘸痰与饮臻承泰质窍关。攀趁1 9 7 7 年焚 国国家癌症研究所( n c t ) 从饮用水中的3 0 9 种耐热物活性物质中豁定和分 类到爨2 3 耱致癌物、3 耪致突变戆纛1 1 秘程瘗黪。据美强瓷精攥喾， 在世界各种水体静融捡出2 2 2 1 葶申霄枧物中，7 6 5 存在于饮用水中，葵中 2 0 耱被确认麓致癌物，2 3 释为爵疑致癌穆，1 8 种为键癌麓，5 6 种为致突 变裼。饮餍承承震阕遂已经薯 怒了图鼯霪援，拯留撬裹绘水楚理技术攥黪 人们饮用水安全已经成为绘排水研究的熏点和难点。 扶2 0 登纪6 0 年代嚣媳，美鬻、联欢熬及霜本等露广泛避开矮了浚惩 第一章绪论 承狳污絷耨技术熬实验磺究。7 0 年代馥寒，器耱微污染承源东净讫夔深 度处琏甄及预处理方法在许多国家褥要l 疆究、接广零鞋应用，西前主要静有 物理吸附、化学氧化及光化学氧化、生物氧化法等工艺。 我圈足个发展中国家，多数水厂还在采用常舰的工艺流程。如何在经 济技术条件允许的情况下改进水处理工艺的净水效果，适应不断变化的微 污染水源水质，保证良好的饮用水水质，这需臻给排水工作者不懈的努力。 第五节课题来源和研究意义 本谍题采源于两校( 南开大学和天津大学) 合作颂髫“废水与微污染 承处壤王慧磺究”窝莺家8 6 3 顼嚣“j 方筑嚣安全後鬻承豫漳菝末”懿子 瀑熬獭纯混凝气浮技术。8 6 3 漂蓬壤号：2 0 0 2 a a 6 0 1 i 4 0 。 漾鬏主要研究在微污染水处理中强纯混凝气浮工艺对承中污染物的 去除舰律和特性，为工程运行积累技术参数和擒供理论支持。研究对象选 择在北方具有代表行的天津水源水。 本课题的研究具有一定的现实意义。在我园j b 方地区7 0 以上的城市 水源为地淡水，有机物污染严重，水体寓营养化现象普遍。据2 0 0 2 中国 环境状况公报报道，辽河、海河水系污染严重，劣v 类水体占6 0 以上 2 5 】； 北方大部分地区饮用水水源都处于一种微污染状况，水源水质的普遍污染 已成为制约当遗经济发展和威胁人民生活键璇的突出闽题，毛拜究微污染水 源承豹鲶拳处理工艺对于保迁入薨鹣生活蘧承瓣交淤及亭主会经济发震载 需要怒菲鬻蓬要懿。天津蠢塞源农奁l l 方懿嚣蒸蠢代表往，藩予葵鳖豹徽 污潦承深，对于提高天津市承处理技术水平隧及就方地区微污染水处理技 术的靛展都具有一定意义。 8 第二章混凝理论以及气浮理论 第二章混凝理论以及气浮理论 第一节混凝理论 混凝作用过程就是水中胶体粒予以及微小悬浮物的聚集过程，该过程 涉及三个方面的问题：( 1 ) 水中胶体粒子的性质；( 2 ) 不同混凝剂在不同 条件下的水解物种；( 3 ) 胶体粒子与混凝剂之间的相互作用。 2 1 1 胶体性质 胶体的形成与它巨大的表面积有关，粒子越小，其单位体积的表面能 就大，从而表面能很大，可以吸附水中离子或极性分子，形成胶体双电层 结构。由于胶核和离子在水中作布朗运动，反离子便扩散到水中，且其浓 度随着距胶核表面的距离增大而减小，正因为反离子是扩散于水中的，又 称为“扩散双电层”结构。紧靠胶核表面的一层反离子被吸附的比较牢固， 称为“吸附层”，吸附层外围称“扩散层”。吸附层和扩散层的反离子总电 荷与胶核表面电位形成离子的电荷相等，故整个胶体应为中性。当胶核在 水中作布朗运动时，胶核连同吸附层和被吸附的较为牢固的扩散层的一部 分反离子一起移动，而扩散层外围反离子则被甩掉，从而导致运动中的胶 粒带有电性。运动中胶粒与溶液之间的界面称为“滑动面”，其上的地位 为z e t a 电位，以l 表示，它在混凝处理中是一个重要的指标。 在水处理中胶体重要的性质就是它的聚集稳定性，聚集稳定性就是指 胶体粒子之间不能相互聚集的特性。在一般情况下，由胶体和水组成的胶 体分散体系可以长时间稳定存在。决定胶体稳定的重要因素就是胶体颗粒 表面的动电位，即e 电位，其研究可从两胶粒之间相互作用及其与两胶粒 之间的距离关系入手。d l v o 理论从胶粒之间的相互作用能的角度阐明胶 粒相互作用理论，它认为，当两个胶粒相互接近以致双电层发生重叠时， 便产生了静电斥力。静电斥力与两胶粒表面间距x 有关，用排斥势能e r 表示，则e r 随x 增大而按指数关系减小。然而，相互接近的两胶粒之间除 了静电斥力外，还存在范德华力。此力同样与胶粒间距有关。排斥能峰 e 。是阻碍两个胶体粒子相互凝聚的障碍。如果布朗运动的动能大于 e 。，则障碍就可以被克服，凝聚就会发生。但由于胶粒布朗运动的动能 很小，一般不能克服能峰，所以胶体处于稳定状态皿6 j 。 9 第二章漏凝理论默及气浮理论 2 1 2 混凝剂的水解 铝盐和铁盐蹩水处理中常用的鼹类药费j ，铝盐混凝粼包捂硫酸铝、明 虢、氯住锯、镪羧镪释聚合键等，铰蕊演凝麓餐疆氯化铰、硫酸耍铁、凌 酸铁以及聚合铁婷。 硫酸铝是常用的铝盐混凝剂，以麒在水中的水解过穰来说明铝盐在水 中的水解物种。铝离子a 1 3 + 的水解基本反应有： a l 缸+ 甄。莓：赡窟z ( i o 好) h + 君呻 7 a l 拜+ 1 7 点毛o ；：= 么弓( 船带+ 1 7 h + 13 a l “+ 3 4 o 洋爿3 ( d 日) 三+ 3 4 h + 爿? ( d h ) # 赡一，3 + + 3 0 h 一 名产+ 4 h 2 0 声a t ( o h ) ：+ 4 日+ 2 a t 3 + + 2 蠢! o 军= ：波_ 毛( i e 暇) ：+ + 2 h + a i ( 0 h ) 3 。s ，为固体沉淀物；以上反应中生成的这然复杂产物可以看 作时a 1 3 + 离子在水中经水解转化为绒氧化铝沉淀的过穰中出现的一系列 动力学中间产物，这一过程可以看馋楚出水解帮聚合两个反应交替进行丽 穆残懿。其中承麓爱应豹蘩栗可降低零薅形态夔毫蓑，疆麓箕羟基，为遘 一步聚合创造条件，而聚合的结采使离子电荷增大，因丽静电斥力增大， 阻碍进一步聚合，有待于进一步水解。研究表明，每一p h 值时都存在若 干不同的离子形态，其中一些是量较夥的主要形态，另一魃则是量少的一 般形态，它们之闼按一定的平衡关系分布，各占不同比例。随着p h 值的 舞裹，跑龟蕊( 壤凌量7 摩尔铝) 簿低，嚣聚合度嚣毫。当龋篷较蘸霹， 高电荷而低聚合艘的多核配离子为主黉成分，p h 秀商时，它们逐渐转化 为低电荷而高聚合度的无机高分予物质，并进一步发展成为电中性的聚合 度极高的难溶氢飘化铝沉淀。 在铁盐中，氯化铁是比较常用的絮凝剂，与铝离予棚比，铁离予的水 瑟较块，毽更不溶荔形残聚合麓，f e 酣在零中躲乎骛爱应有： l o 第二章混凝理论以及气浮理论 f e 3 + + h 2 0 # 兰f e o h 2 + + h + f e “+ 2 h 2 # 兰n ( 鲫) ：+ 2 h + f e ( o h ) 3 ( s ) f e 3 + + 3 0 h f e “+ 4 h 2 0 芦f e ( o h ) ：+ 4 h + 2 f e “+ 2 h 2 0 # 兰凡( o 日) ：+ + 2 h + 与铝盐一样，其各种水解物种所占比例随p h 变化而变化。无论是铝 盐还是铁盐，其发生的水解聚合过程实际上就是消耗原水碱度的过程，所 以为获得良好的絮凝效果必须保证原水有足够的碱度【2 ”。 除了无机混凝剂外，无机高分子混凝剂应用也越来越广泛，它是在铝 盐和铁盐的基础上发展起来的新型水处理絮凝剂，通常在控制适宜条件下 预先制成最优形态的高分子产物，研究表明这类预制聚合的高分子与赢接 投加药剂在处理水中有不同的形态和作用。广泛应用的主要包括聚合氯化 铝( p a c ) 、聚合氯化铁( p f c ) 、聚合硫酸铝( p a s ) 、聚合硫酸铁( p f s ) 、 聚硅酸( p s i ) 和聚合硅酸硫酸铝( p a s s ) 2 8 o 其中p a c 应用最广泛， 它是以各种聚合物种和a 1 ( o h ) 3 。s ，的形式直接存在水中，不再出现a 1 3 + 的水解过程，其基本形态是多核羟基配合物形成的无机高分子，通过对聚 合铝的组成和形态的多年研究，基本确定其化学式为 a 1 ( o h ) n c l 6 n 。 根据铝盐水解聚合的理论，p a c 可以看成是氯化铝中的c l 逐步被o h 所 代换的产物，即是铝盐逐步羟基化或碱化的各种产物，通常将p a c 中某 种形态的羟基化程度或碱化程度称为盐基度或碱化度1 2 引。碱化度是聚合铝 最重要的一项指标，无论在对其水解形态的基础研究中还是再生产和应用 的实践中都把它作为重要参数考虑，其化学含义是聚合铝体系中与铝离子 配位所谓羟基摩尔数和铝离子的总摩尔数的比值，即羟铝比，通常表达为： b = 0 h 4 ，= o h a i 】( 2 1 ) 聚合铝实际上是在一定条件下铝盐在水解聚合沉淀反应动力学过程的 中间产物，其化学形态多属于多核羟基络合物或无机高分子化合物f 3 。 通常无机絮凝剂投入水中后随即生成沉淀物，然后被吸附在颗粒物表 面上，亦即水解过程先于吸附过程，这或许接近于传统絮凝剂的作用机理， 但却无机高分子絮凝剂不相同。预制的聚合絮凝剂有比较稳定的形态而水 解较缓慢，投加后将以已有形态与颗粒物相遇而被吸附，亦即吸附过程先于 水解过程。并且羟基聚合物在吸附表面上将随之发生水解沉淀，同时发挥 第二章混凝璎论竣及气浮理论 电中和及架桥絮凝作用】。这也是和传统絮凝剂的区别所在。 2 3 渥凝悖搦搬疆 水处理中的混凝现象眈较复杂，不阉稀类混凝裁以及不同的东质条 件，混凝剂作用机理都不同。d l v o 理论提出，使胶体稳定性以及在一定 条件下的胶体凝聚的研究取得巨大进展，但还不能全面解释水处理中的一 切混凝现象。通常认为混凝剂对水中肢体粒子的混凝份用分电性中和、吸 鬻黎辑、卷扫 乍臻三类，其中淫起主爨 罄震取决予混凝裁瓣琴孛类以及投热 量、承中胶体鞍子性质、含量鼓及零中的p h 值等。 1 电性中和 根据d l v o 理论，要使胶粒通波布朗运动相撞聚集，必须降低或消 除排斥能峰。吸引势能与胶粒电荷无芙，它主要取决于构成胶体的物质种 类、足寸窝密度。辩子一定农震，黢糖这些特性是不交熬。豳魏海低接斥 能峰静办法藏怒降低或消除胶粒瓣邀位，在永中授热港解质朝混凝蠢可 以达到这个目的。 天然水体中的胶粒多数带负电，投入的电解质一混凝剂是正电荷离子 或聚合离子，其作用就是压缩胶体双电层一为保持胶体电性中和所要求的 扩簸层厚度，从露使胶传滑动露上豹电位降低，当超过捺器电位对，驳 粒便发生聚集佟鞠。鬏据觳采一硷代滚翔，高徐亳藤震愿缭蔽俸双宅层懿 效果远比低价电解质有效。胶粒的这种脱稳方式称为压缩敝电层作用。 2 吸附架桥 不仅带异性电荷的高分子物质与胶粒具有强烈吸附作用，不带电甚至 带育与胶粒丽性魄贺静毫分子物质与胶粒也有吸附箨翔。拉曼等通过对高 分子秘霞蔽鬻絮褥律蘑鑫孽骚交谈蔻：警寒分子链弱一璇激瓣了菜一蔽粒 后，另一端又吸附另一胶粒，形成“胶粒高分子胶粒”的絮凝体，如图 所示。高分子物质在这里起胶粒与胶粒之间相互结合的桥梁作用，称为吸 附架桥作用。研究表明，高分子物质的投加量存在最佳慎，过少不足以将 胶粒架辑联接起来，过多又会产生黢体保护作用。所谓的腔体保护是指： 当全部菠粒懿蔽瓣嚣稳被裹势子覆熬以嚣，嚣菠粒接透辩，魏受蘩毫分子 的阻碍而不能聚熬。根据吸附原理，胶粒表面高分子覆藏率1 2 时絮凝效 果最好，而在实际水处理中，胶粒表面覆盖率无法测定，投加量需要通过 试验来确定。 起架桥 乍翔的满分子都是线性分子且需要一定长度，长度不够不能起 第二章混凝理论以及气浮理论 粒阍架桥 乍用能够，只能被单个分子吸附，而所需的最小长度，取决于水 中胶粒尺寸、高分子湛团数目、分子的分枝程胰等。无机混凝剂的水解产 物一般不足以起到粒闯的架桥作用，利用吸附架耩作用通常采用高分予絮 凝裁，糙合无辍混凝奔l 可敬超饕懿菇静韵凝佟熏。 3 网捕或卷扫 当铝盐或铁盐混凝剂投量很大而形成大嫩氯氧化物沉淀时，可以网 臻、卷鞠痰中获粒潋致产生嚣淀分褰，髂卷拯缄瓣攘箨臻。鬟镬卷扫熬凝 能够发生，除了要脊较高的电解质投量外，还需较高的p h 德和碱度。在 发生卷扫絮凝时，若胶体粒子的浓度小，则需要投加较多的水解金属盐类， 若胶髂粒子豹浓度较大，则需要较少的水鳃金壤盐类。 遥常无枫混凝裁锫盐或铰盐在滤凝反应中主要为电毪中秘鞍网箍卷 扫作用，而高分子絮凝剂还同时媳有吸附架桥作用。 第二苇天然承孛的蠢飙穆 给水处理中原水中的有机物多为天然有机物，其主要成分为腐殖质。 腐殖质楚土壤的有机组分。植物斧h 动物在残骸在土壤中分解的过程中，通 过壤中翡徽生戆懿洚解或秀合藏茨 乍趸，会缝予窭蓼妻一錾秃定影戆罴惩 物质阶段，称为腐嫩质。腐殖质鼹类亲水的、酸