（环境工程专业论文）化学强化一级处理城市污水的试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士研究生论文 化学强化一级处理城市污水的试验研究 专业：环境工程 硕士生姓名：吴小宁 导师姓名：王志远 摘要 本文介绍了我国城市污水处理概况，着重研究了化学强化一级处理在我国应 用的必要性和可行性，通过选取几种不同的絮凝剂处理城市污水，分析其处理效 果，确定最优组合和最佳投药量，然后与常规城市污水一级、二级处理法进行比 较，分析其在不影响废水排放情况下的建造费用和运行费用。 本文选取三种无机混凝剂和一种人工合成有机高分子絮凝剂，分别是硫酸 铝、聚铁、聚铝、p a m 。通过实验，确定处理该废水的各种混凝剂的最佳投药量， 选取最优混凝剂组合( 聚铝+ p a m ) ，确定合理的投加顺序( 先加无机混凝 剂，再加有机絮凝剂) ，确定最优组合时的最佳投药量为：聚铝+ p a m ( 2 4 r a g l + 0 0 7 5 r a g 1 ) 。通过基建建造费用和运行费用分析，比较一级、二级及强化 一级处理的费用，可以得出结论：处理等量城市污水，强化一级处理l l - - 级处理 可以节省4 7 的基建建造费用，节省4 4 的运行费用，处理出水仍能达到排放要 求。 由以上研究结果可以看出：强化一级处理工艺是一种适合我国经济状况和污 水处理现状的新型工艺，对于减少水体污染，保护环境，具有重要的现实意义。 关键词：城市污水化学强化一级处理混凝一沉淀 西安建筑辩技大学硕士研究艇论文 r e s e a r c ho nc h e m i c a le n h a n c e d p r i m a r y t r e a t m e n to f m u n i c i p a l w a s t e w a t e r s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：w u x i a o n i n g i n s t r u c t o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n g z h i y u a n a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h em u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts i t u a t i o no fo u r c o u n t l - y ，a n dp u t sg r e a te m p h a s i s0 1 1t h er e s e a r c h o np o s s i b i l i t ya n du s e f u l n e s s t oc h e m i c a le n h a n c e p r i m a r y t r e a t m e n to f m u n i c i p a l w a s t e w a t e r t h ea u t h o rc h o o s e s s e v e r a lf l o c c u l a f i o n a g e n t s t ot r e a tt h e m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ，a n a l y s e s t h e i r t r e a t m e n te f f e c t ，d e c i d e st h e o p t i m a lf i ta n dt h eo p t i m u md o s i n gq u a n t i b ，t h e n c o m p a r e s t h em e t h o dw i t ht h er o u t i n e p r i m a r y a n dt h e s e c o n d a r y t r e a t m e n t t e c h n o l o g y ，a n a l y s i st h e i re r e c t i o nc o s ta n do p e r a t i o nc o s tw i 氆o ma f f e c t m gt r e a t e d w a s t e w a t e r d i s c h a r g e t h i sa r t i c l ec h o o s e sf o u rk i n d so f f l o c c u l a t i o na g e n t s ，i ti sa l u m i n i u ms u l f a t e 、 p o l y m e r i ci r o n 、p o l y m e r i ca l u m i m u m a n d p o l y a c r y l a m i d e t h r o u g he x p e r i m e n t i n g , d e c i d e st h e o p t i m u md o s i n gq u a n t i t yo f f l o c c u l a t i o na g e n t st ot h i sk i n do f w a s t e w a t e r ， c h o o s i n gt h eb e s tf i t ，d e c i d e st h er e a s o n a b l ed o s i n gs e q u e n c e ，t h eb e s td o s i n g q u a n t i t y i nt h eb e s tf i t i s p o l y m e r i ca l u m i n i u m 十p o l y a c r y l a m i d e ( 2 4 m g l + 0 0 7 5 m g 1 ) t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee r e c t i o nc o s ta n do p e r a t i o nc o s t ，t h i sc o n c l u s i o n c a nb ed r a w n ：c h e m i c a le n h a n c e d p r i m a r yt r e a t m e n tt e c h n o l o g y c a nc u td o w n e x p e n s e s4 7 i ne r e c t i o nc o s ta n d4 3 i no p e r a t i o nc o s t ，a n dt h i sm e t h o dc a r la l s o m a k et h et r e a t e dw a s t e w a t e r t h r o u g ht h es t u d ya b o v e ，i tc a l lb ea c h i e v e dt h a t ：c h e m i c a le n h a n c e dp r i m a r y t r e a t m e n t t e c h n o l o g y i sak i n do fn e wm e t h o ds u i tt oe c o n o m i c ss i t u a t i o na n d w a s t e w a t e rt r e a t m e n tc o n d i t i o n ，i ti s i m p o r t a n ti n f a c ts e n s et or e d u c et h ew a t e r p o l l u t a n ta n d t op r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：m u n i c i p a lw a s t e w a t e r c h e m i c a le n h a n c e dp r i m a r yt r e a t m e n t c o a g u l a t i o n s e d i m e n t 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 7 论文作者签名：晏3 芍 日期：扣专、6 、- 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：曼小导师签名：乏占釜乏日期：? 。吐b p 注：请将此页附在论文首页 西安建筑科技大学硕士研究生论文 1 概述 我国是水资源匮乏的国家，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的1 4 ， 在分布上又很不均匀，严重缺水城市有5 0 多个。同时，我国的污水排放量大， 各类水体受污染严重，7 大水系水质不断恶化，湖泊水库普遍受到污染，沿海水 体发生赤潮和富营养化现象增多。 目前，我国污水治理工作取得较大进展，建成一批城市污水处理厂，还有一 部分正在建设中。但是，一个不容忽视的现象是处理技术有待提高，污水处理厂 的建设还不能完全满足处理现有城市污水的需要，大量污水未处理直接外排，对 水环境造成严重危害。 1 1 城市污水的来源与组成 在人们的生活和生产活动中，每天都在使用和接触着水。在此过程中，水因 受到人类活动的影响，水的物理性质与化学性质发生了变化，丧失原使用价值， 变成为污水。城市污水主要来源于城市居民生活中产生的污水、各工业企业在生 产制造过程中产生的生产废水以及城市降雨和部分受污染的地表水这三方面。 根据城市污水的来源不同，城市污水可以分成三大类，即生活污水、生产废 水、部分地表径流。 1 1 1 生活污水 生活污水是人们日常生活中排出的水。它是从住户、公共设旌( 饭店、宾馆、 影剧院、体育场、机关、学校等) 和工厂的厨房、卫生间、浴室及洗衣房等生活 设施中排出的水。 生活污水中通常含有泥沙、油脂、皂液、果核、纸屑和食物屑、病菌、杂物 和粪尿等。这些物质按其化学性质来分，可分为无机物与有机物，通常无机物约 为4 0 ，有机物约为6 0 0 1 。按其物理性质来分，可分为不溶性物质、胶体性物 质和溶解性物质。与工业废水相比，生活污水的水质一般较稳定，浓度都较低， 西安建筑科技大学硕士研究生论文 也较容易通过生物化学方法进行处理。 1 1 2 工业废水 工业废水是从工业生产过程中排出的水，它来自工厂的生产车间与厂矿。由 于各种工业生产的工艺、原材料、使用设备的用水条件等的不同，工业废水的性 质千差万别。 与生活污水相比，工业废水水质水量差异大，通常具有浓度大、毒性大等性 质，难以通过一种通用技术或工艺来治理，往往要求其在排出前在厂内处理到一 定程度。 1 1 3 城市污水 城市污水是通过下水管道收集到的所有排水，是排入下水道系统的各种生活 污水、工业废水和城市融雪、降雨水的混合水，是一种混合污水。 正是由于城市污水是一种混合水，各座城市之间的城市污水的水质存在一定 差异，主要决定于工业废水所占比例的影响，也受到城市规模、居民生活习惯、 气候条件及下水道系统形式的影响。 1 2 城市污水中污染物质的分类及性质 1 2 1 城市污水中污染物质的分类 城市污水中的污染物质按化学成分可分为有机、无机两大类。按物理形态， 根据颗粒尺寸可分为溶解态、胶体态、超胶体态和悬浮态。不同尺寸的物质在水 中表现出不同的性质。 1 2 2 城市污水的性质4 1 1 2 2 1 物理性质 2 西安建筑科技大学硕士研究生论文 城市污水的物理性质包括其水温、颜色、气味、氧化还原电位等指标。 a 水温 由于城市下水道系统是敷设在地下的，因此城市污水的水温具有相对稳定的 特征，一般在1 0 2 0 。c ，冬季较气温高，夏季较气温低。城市污水水温的突然 变化很可能是工业废水的排放造成的，而水温的明显降低则可能是由于大量雨水 的排入造成的。 b 颜色 城市污水的正常颜色为灰褐色，但实际上其颜色通常变化不定，这取决城市 下水管道的排水条件和排入的工业废水的影响。大的管网系统，维护不好的管网 系统由于污水在下水道中停留时间长，可能会发生厌氧反应，输入到污水厂的颜 色会变暗或显黑色。绿色、蓝色和橙色通常是由于电镀工厂排废水造成的，而红 色、蓝色和黄色则多为印染废水造成，白色则是洗衣废水造成的。 c 气味 正常的城市污水具有发霉的臭味。在大的管网系统或维护不好的下水道，城 市污水将会有臭鸡蛋味，这标志城市污水在下水道中已经厌氧发酵，产生硫化氢 和其他产物。对有这类气味的污水，在下井下池入管操作时应严格按照防毒气安 全操作规程进行。城市污水中有气油、溶剂、香味，可能是有工业废水排入。 d 氧化还原电位 正常的城市污水具有约+ l o o m y 的氧化还原电位，小于+ 4 0 m y 的氧化还原电位 或负值氧化还原电位说明污水已经厌氧发酵或有工业还原剂的大量排放。氧化还 原电位超过+ 3 0 0 m v ，指示有工业氧化剂废水的大量排入。 1 2 2 2 城市污水的卫生指标 在城市污水的卫生学分析中，人们通常采用最有代表性的分析指标大肠 杆菌来指示污水和净化水的卫生质量。 城市污水的另一个重要生物学指标是蛔虫卵。一般城市污水处理的出水中蛔 虫卵去除为1 0 0 污泥消化可抑制和减少蛔虫卵，自然堆肥可完全杀灭蛔虫卵。 西安建筑科技大学硕士研究生论文 1 2 2 3 城市污水的化学指标 城市污水的化学指标很多，它包括酸碱度p h 、碱度、生化需氧量b o d 、化学 需氧量c o d 、总有机碳t o c 、固体物质、总氮t n 、氨氮n h 。一n 、总磷t p 、氯化物 c 1 一、重金属含量等。重金属含量主要指铜c u 、锌z n 、铝a 1 、镉c d 、汞h g 、铬 c r 等。 a ) p h 城市污水的p h 值呈中性，一般为6 5 7 5 。p h 值的微小降低可能是由于城 市污水输送管道中的厌氧发酵。雨季时较大的p h 降低往往是城市酸雨造成的， 这种情况在合流制系统尤其突出。p h 值的突然大幅度变化不论是升高还是降低， 通常是由于工业废水的大量排入造成的。 b ) 碱度 碱度反应了城市污水中和酸的能力，通常用碳酸钙含量( m g l ) 表示。采用 地下水作主要饮用水源的城市，污水中碱度相应较高。碱度较高的城市污水具有 较强的缓冲工业废酸水排入的影响，在城市污水处理的生化处理部分，可满足硝 化反应消耗碱度的要求，在污泥消化系统中还有缓解超负荷运行带来的酸化作 用，有利消化稳定运行。 c ) 生化需氧量d 由于城市污水中所含成分十分复杂，很难一一分析确认，因此在城市污水处 理中，常常用生化需氧量b o d 这一综合指标反映污水中有机污染物的浓度。它 是用于表征可生物降解有机物量的一个水质指标。生活污水的b o d 5 一般在 7 0 2 5 0 m g l 之间，工业废水的b o d s 则有较大差别，有的高达数千m g l 。综合 的城市污水b o d 5 一般在1 0 0 3 0 0 m g l 之间。 d ) 化学需氧量c o d 化学需氧量c o d ，指在一定条件下，用强氧化剂处理水样时所消耗氧化剂的 量，它反映了水中受还原性物质污染的程度。 城市污水的c o d 一般大于b o d 5 ，两者的差值可反映废水中存在难以被微生 物降解的有机物。在城市污水处理分析中，常用b o d 5 c o d 的比值来分析污水 的可生化性：可生化性好的污水b o d s c o d 0 3 ；小于此值的污水应考虑生物 技术以外的污水处理技术，或对生化处理工艺进行试验改革，如传统活性污泥法 4 西安建筑科技大学硕士研究生论文 后发展出来的水解酸化活性污泥法是一项针对难以生化的城市污水，具有较好 降解效果的技术。 e ) 总有机碳t o o 总有机碳的分析目前在国内外日趋增多，主要是解决快速测定和自动控制而 发展起来的。总有机碳t o c 是用总有机碳仪在9 0 0 高温下将水中有机物燃烧 氧化计算出的总含碳量。总有机碳测定仅几分钟，并且数值与b o d 、c o d 有着 一定的相互关系。但是由于总有机碳仪属高精尖仪器，价格很贵，在国内外还不 像对b o d 5 、c o d 那样是一种普及的手段。 f ) 固体物质s s 、d s 城市污水中的固体物质，按其化学性质分可分为有机物和无机物，按其物理 组成分可分为悬浮固体s s 和溶解固体d s 。 悬浮固体s s ，也称悬浮物，是污水的2 项重要指标。悬浮物包括漂上水面 的漂浮物，多为油脂、木屑、果核等：悬于水中的悬游物如奶、浮化油等，而沉 于底部的沉淀物如砂、泥、石、纸、布、食物等。悬浮物是将污水过滤，把滞流 在过滤材料上的物质，通过烘干、称量测得。 g ) 总氮t n 、氨氮n h 。- n 和总磷t p 氮、磷是污水中的营养物质，在城市污水生化过程中需要一定的氮、磷消耗 在微生物的新陈代谢增殖中，但这仅是污水中氮、磷的一小部分，大部分氮、磷 仍将随出水排到水体中，从而导致水体中藻类的超量增长，造成富营养化问题。 因此，现代城市的污水处理开始注重氮、磷的去除。 总氮是污水中各类有机氮和无机氮的总和，氨氮是无机氮的一种。总磷是 污水中各类有机磷与无机磷的总和。 h ) 重金属 城市污水中的重金属，是指达到一定浓度时通常会对人体、生物等造成危害 的那些童金属。其中危害较大的有汞、镉、铝、铜、锌等。汞极易沉底，随城市 污水污泥的应用，它通过食物链，富集在人体，引起疾病。镉已被生物富集，通 过食物链，造成骨损伤病症。铬通过食物链被人摄取，导致慢性中毒。铝大量进 入人体，可引起急性中毒，长期微量进入人体，可产生慢性中毒。铜、锌是人体 需要的成分，但城市污水中含有大量铜、锌将抑制微生物的新陈代谢作用，最终 西安建筑科技大学硕士研究生论文 也将威胁人身安全。 以上这些化学指标大部分可以在城市污水处理过程中得到降解，其中8 5 以 上的s s 、b o d 5 、t o c 、n h 3 - n 是可以采用通用的污水处理技术来解决，7 0 d a 上的c o d 、t n 是可以通过现代污水处理技术解决，但是重金属以及各种各样的 有毒物质往往需要在车间排放口处理达标。 1 3 我国城市污水处理概况 城市污水处理是水环境污染控制的一个重要内容。发达国家的城市二级污水 处理厂相当普及，处理率可达9 0 或更高“。由于经济的原因，发展中国家的城 市污水处理率较低，由此引起的城市水环境污染也较为严重。 我国2 0 0 2 年全国废水排放总量为4 3 9 5 亿吨，其中工业废水排放量2 0 7 2 亿 吨，生活污水排放量2 3 2 3 亿吨，废水中c o d e r 排放总量1 3 6 6 9 万吨【4 】。我国地 表水体污染主要来自于工业和城镇，其中5 0 以上来自于城市。城市污水污染控 制已成为我国水环境质量改善的制约因素。国家为有效地防治城市污水污染，十 分重视发展城市污水处理设施建设。到2 0 0 0 年底，我国已建成城市污水处理设 施4 2 7 座，其中二级处理设施2 8 2 座，二级处理率仅为1 5 。为使我国水环境质 量得到根本改善，从整体上控制城市污水污染，国家规划到2 0 1 0 年全国设市城 市和建制镇的污水平均处理率不低于5 0 ，设市城市的污水处理率不低于6 0 ， 重点城市的污水处理率不低于7 0 5 1 。可见，我国城市污水还处于较低的处理 水平，大量的污水未经处理直接外排，严重影响我们周围的水体环境，提高城市 污水处理率已成为当务之急。 我国的城市污水处理厂以二级生物处理为主，特别是近年建成的城市污水处 理厂多是二级生物处理。由于其能耗大，运行费用高，相当数量的污水处理厂没 有正常运行，实际处理能力远低于设计能力。我国不少地区水污染控制遇到的重 要难题正是污水处理厂建设和运行资金的短缺，致使一批规划中的污水处理厂迟 迟不能上马，已建成的不能正常运行，预期的环境目标无法实现。对于这些地区 而言，当前首要解决的不完全是治理深度的问题，而是治理与否的问题。解决此 西安建筑科技大学硕士研究生论文 问题的当务之急是提出投资较低而对污染物去除率较高的新型工艺。【6 】【7 】 近年来，我国城市化进程加快，致使城市污水排放量大幅度增加，而城市环 境保护相对滞后，尤其是污水处理厂的建设投资严重不足，废水处理任务十分艰 巨。因此，应用好有限资金，最大限度的削减污染物负荷，在污水处理厂建设分 期上，应纠正只重视处理规模上的分期，忽视处理水质上的分期的不良倾向。一 般来说，这些城市污水处理厂应分批建设，在近期内先大力发展并普及一级处理 厂，经过强化一级处理，以较少的投资削减较大量的污染负荷，到条件成熟后 再建二级处理工艺【踟。这对于我国这样经济尚不发达环境污染又较严重的国家， 具有重要的现实意义。 1 4 城市污水强化一级处理的研究进展 1 4 1 城市污水强化一级处理的意义 我国城市污水处理率一直较低，并且原有的城市污水处理厂已不能应对城市 污水日益增长的需要。而建设大批二级城市污水处理厂需要大量的投资和高额的 运行费用，一般来说，对于等量城市污水，采用一级处理的基建费用和运行费用 约为采用二级处理的2 5 - 3 0 和3 0 o 一5 0 o ，而一级处理对b o d s 和s s 的去除 率分别为2 0 0 0 和5 0 - 6 0 。因而，在相同的基建投资情况下，一级处理污 水可达二级处理的3 一倍，s s 去除总量约为二级处理的2 3 倍，b o d s 去除总量 约为二级处理的1 5 倍。显然，从污染物总量控制的角度分析，为达到同样的控 制目标，建设一级污水处理厂比建设二级污水处理厂更加经济。但是，以自然沉 淀为主体的一级处理，污染物去除率较低，难以有效的控制水环境污染，为了提 高其去除率，必须加以强化处理。而已建成的二级生物处理厂，由于其高额的运 行费和高能耗，也希望通过强化一级处理，减轻二级处理的负荷，降低能耗。正 因为如此，近年来，强化一级处理技术已逐渐引起国内外水处理工程界的重视， 成为新的研究热点。 9 1 1 1 0 】【1 l 】 强化一级处理是在普通一级处理的基础上，通过增加较少的投资，采取强化 处理措施，能较大程度地提高污染物的去除率，削减总污染负荷，降低去除单位 7 西安建筑科技大学硕士研究生论文 污染物的费用。它适用于水环境状况期待改善而经济欠发达地区，是一种高效而 低投入的新型技术，有着较高的实用价值和良好的应用前景。它既可以单独用于 城市污水的一级处理，又可以通过一级强化减轻二级生物处理的负荷。0 2 1 4 2 强化一级处理工艺 强化一级处理工艺有多种，近年来研究较多的主要有水解工艺、回流活化污 泥工艺、生物絮凝吸附工艺以及化学絮凝工艺。现将各种工艺分别评析如下： 1 4 2 1 水解强化一级处理工艺 水解工艺就是将厌氧发酵过程控制在水解与产酸阶段，在水解产酸菌的作 用下，污水中的非溶解性有机物被水解为溶解性有机物，大分子物质被降解为小 分子物质。因此，经过水解工艺后，污水的可生化性得到较大提高。 在水解强化一级处理工艺中，用水解池代替初沉池。污水从水解池底部由穿 孔配水管脉冲进池，由于瞬间保持0 5 - , , 0 8 m s 的上升流速，在水解池内形成厚 2 5 m 左右的悬浮厌氧活性污泥层，其水力特性类似于给水处理中的水力澄清池。 当污泥自下而上通过污泥层时，进水中悬浮物质和胶体物质被厌氧生物絮凝体凝 聚，截留于厌氧污泥絮体表面，慢慢地被微生物分解。污水在水解池中h r t 一 般为2 0 - - - 4 o h ，其b o d 5 去除率为3 0 - - 4 0 ，c o d 去除率为3 5 , - 4 5 ，s s 去除率 为7 0 - - - 9 0 。1 1 3 1 根据水解工艺特点，与常规初沉池相比，其b o d 5 、s s 去除率分别可提高 1 0 和3 0 左右。但若仅采用水解池进行污水一级处理，其出水水质难以达到二 级排放标准，须后续二级处理才能使出水水质达n - - 级或一级排放标准。 1 4 2 2 预曝气强化一级处理工艺 预曝气强化一级处理是在传统的一级处理基础上的改进。在污水进入沉淀池 前进行预曝气，改善悬浮物的沉淀性能，促使悬浮物互相碰撞絮凝，使比重接近 于1 的微小颗粒，经絮凝后在沉淀池内被去除。预曝气构筑物可与曝气沉砂池合 西安建筑科技大学硕士研究生论文 二为一，也可在沉淀池前专设预曝气池，曝气时间取2 0 - - - 3 0 m i n 。若仅进行曝气 即自然预曝气，可使沉淀池s s 去除率提高5 0 o - - - 8 ，b o d 5 的去除率提高到 2 5 r 3 5 ，而在预曝气池中投加剩余活性污泥，即生物絮凝预曝气，则可使沉淀 池s s 的去除率提高到8 0 左右，b o d 5 的去除率提高到3 5 4 5 。 该工艺可起到强化一级处理的目的，但与常规级处理相比，自然预曝气对 s s 和b o d 5 的去除率仅提高5 左右，强化效果不太明显。生物絮凝预曝气对s s 去除率较高，但由于回流剩余污泥加大了进入初沉淀的s s 浓度，使其出水s s 值与常规一级处理相比相差不大；生物絮凝预曝气对b o d s 去除率较自然预曝气 可提高1 5 左右，效果明显。但该工艺仅适用于处理规模较大，可设置曝气沉砂 池，且剩余污泥量足以连续排放的污水处理厂。进行预曝气强化后，其一级处理 出水很难达到二级排放标准，要使处理厂出水达标，必须设后续生物处理设施。 1 4 2 3 生物絮凝吸附强化一级处理工艺 生物絮凝吸附强化一级处理工艺是在原有初沉池的基础上增设絮凝吸附池 和曝气再生池，工艺流程如图1 1 ： 原水出水 污泥 图1 1生物絮凝吸附强化一级处理工艺流程 该工艺主要利用活性污泥的絮凝吸附作用来提高沉淀池对污水中非溶解性 有机物质的去除率。其去除机理既有物理吸附、化学吸附和生物吸附作用，又有 吸附架桥、沉淀网捕等絮凝作用，同时，还进行一定量的生物降解。它不仅可去 除粒径大于1 0 um 颗粒，而且通过絮凝还能去除自然沉淀难以分离的粒径为 0 1 1 0um 的部分颗粒。 从工艺流程图和设计参数看，该强化工艺实质就是生物吸附再生法，只不过 各池的水力停留时间稍短，属高负荷吸附再生法，当进水中有机污染负荷不高时 ( b o d 5 8 0 m 鲫) 采用该工艺替代初沉池，不必投加任何药剂，即可使出水达 9 西安建筑科技大学硕士研究生论文 n - - 级排放标准。但工艺中仍然需要曝气设备与污泥回流设备，致使能耗较高， 且剩余污泥量较大；另外，当远期污水中有机物浓度有所提高时，为使出厂水质 达标，仍需后续生物处理工艺，使整个污水厂工艺成为a b 工艺。f 1 4 】 由于该工艺在初沉池基础上增设的构筑物及设备较多，因此，不适宜常规一 级或二级污水厂的一级强化改造，仅适用于新建的污水厂。 1 4 2 4 物化强化一级处理工艺旧 物化法强化一级处理与絮凝剂的发展密切相关，由于城市污水水量大，投加 絮凝剂运行费用较高，产泥量大，相应增大污泥处理规模，故在一级处理中应用 较少。近年来，由于新型、高效、廉价絮凝剂的不断出现，在城市污水一级处理 中已有所应用。 a ) 无机絮凝剂 在城市污水一级处理的物化强化技术研究中，采用的无机絮凝剂主要有铝 盐、铁盐、石灰等。 早在上世纪6 0 、7 0 年代，就开始了无机絮凝剂强化一级处理的研究。以色 列城市污水污染物浓度较高，为减轻后续处理的负担，进行了絮凝沉淀强化处理 研究。以石灰和氯化铁作为絮凝剂，来提高一级处理对b o d 5 、c o d 、s s 的去除 率。 埃及f a e i - - g o h a r y 等( 1 9 9 1 ) 采用硫酸铝、石灰和氯化铁三种絮凝剂 处理城市污水，投加量分别为2 5 0 m g 1 、s 0 0 m g ，l 、2 0 0 r a g 1 ，浊度去除率约为6 0 ， c o d 去除率约为8 0 。英国的m e g a m b r i l l 等( 1 9 9 2 ) 采用石灰处理热带地区 的城市污水，石灰的投加量为7 2 0 m g f l ，c o d 去除率为8 9 ，s s 的去除率为 9 1 【1 5 。 我国台湾的c h e nc h i u - - y a n g ( 1 9 9 3 ) 研究了城市污水排海前的一级处理强 化技术，投加硫酸铝和聚合氯化铝各3 0 r a g 1 ，沉淀1 小时，s s 、b o d 5 的去除率 分别为7 0 、6 0 ，比强化处理前各提高了2 5 和3 5 个百分点。 由以上研究结果不难看出，投加无机絮凝剂能够大幅度地提高悬浮物和有机 物的去除率，强化效果明显。但无机絮凝剂的投加量一般较多，运行费用较高， 1 0 西安建筑科技大学硕士研究生论文 产污泥量较大，未能达到低耙的一的 b ) 有机高分子絮凝剂及其复配使用 有机高分子絮凝剂具有絮凝速度快，用量少等优点，其主要种类有合成高分 子絮凝剂如p a m 和天然高分子絮凝剂如壳聚糖等。由于有机高分子絮凝剂价格 较高，为了减少药剂投加量，充分发挥不同絮凝剂间的协同作用，往往与无机絮 凝剂复配使用。 杨旭等1 3 】以p a m 改性制成的3w 一1 0 l 阳离子絮凝剂与p a c 复配使用，可使 废水c o d 去除率提高到6 0 左右。以l m g 1 的p a c 复配处理城市污水，可以达 到3 0 m ：的p a c 单独使用的相同效果。当其与3 0 m g l 的p a c 复配使用时，则 可使s s 和b o d 的去除率分别达到8 0 和7 0 ，比单独使用3 0 r a g 1 的p a c 去除 率提高1 0 左右【。宫世国等( 1 9 9 6 ) 研制的一种含阴、阳离子的复合型天然高 分子絮凝剂a s d 一，用于处理城市生活污水，c o d 和b o d 5 去除率均达到7 0 左右，s s 去除率高达9 0 ，出水p h 中性。处理效果优于对比的氧化沟法，而运 行费用较低。 美国洛杉矶h y p e r i o n 污水处理厂采用一种阴离子高聚物o 1 5 m g l ，与1 0 m g 1 的f e c l 3 复配处理城市污水，连续运行6 年，s s 和b o d 的一级处理去除率在8 3 和5 1 左右，同时对p 和重金属的去除率效果也很好，而基建和运行费却只有同 规模二级处理厂的3 0 左右。 c ) 微生物絮凝剂 微生物絮凝剂是由微生物产生的具有高效絮凝作用的天然高分子物质，其化 学本质主要是微生物代谢产生的各种多聚糖类、蛋白质和多肽。由于微生物絮凝 剂絮凝效果好、投加量少、适用面广、无二次污染、絮体易于分离等优点而备受 关注。 微生物絮凝剂在废水脱色、油水分离、污泥脱水、畜牧场废水处理、瓦厂废 水处理等方面已有所应用，效果显著。但在城市污水处理中的应用未见报道，其 原因在于目前微生物絮凝剂的研究尚处于实验室阶段，生产成本很高，尚无法适 应城市污水处理的要求。 d ) 其他 西安建筑科技大学硕士研究生论文 在城市污水的一级强化处理中，还有一些因地制宜、以废治废或利用其他作 用的强化技术。我国哈尔滨市马家沟，采用当地电厂的废物粉煤灰处理城市污水， 能够去除c o d 3 0 4 0 ，色度9 0 9 8 ，重金属3 0 8 0 。处理等量污水， 其基建投资约为二级污水处理厂的i 3 ，运行费约为i 5 。此外，还有以粘土、 膨润土、沸石、松树皮、木屑、磁化处理等强化级处理的研究，均取得了较好 的处理效果，但也存在一定的应用局限性。 本课题着重研究絮凝剂复配使用的物化强化一级处理技术。即化学絮凝强化 一级处理( c e p t ) 技术。 1 4 3 强化一级处理工艺的发展趋势 环境污染的加剧和经济发展的水平决定了在相当长的一段时间内，一级处理 应是我国中、小城市污水处理的重要方式。强化一级处理、提高单位投入污染物 的去除率，也将是污水处理的重要研究内容之一。 一级处理强化技术中，无机絮凝剂因其投药量大、产泥量多、运行费用高而 缺乏竞争力，但如与其他种类的絮凝剂复配使用则可以发挥协同作用，达到较好 的处理效果，这可能是其在城市污水处理中最具生命力的方面。有机絮凝剂和微 生物絮凝剂投加量一般较少，但由于产品价格较高，大量应用仍有一定的困难。 优选廉价、高效絮凝剂应是目前最紧追的任务。【4 】 生物絮凝吸附不必投入任何外部药剂，污泥产量相对较少，运行费用较低， 应用前景广阔。但目前尚没有应用实例，对其运行机理、影响因素、控制参数等 也都缺乏系统深入的研究，特别是对厌氧生物絮凝吸附研究更少。考虑到一级处 理h r t 短，s s 含量大，而厌氧微生物代谢期长，能否经受长期运行特别是在冬 季低温条件下的考验还有待证实。因此，应进一步研究生物絮凝吸附的机理，探 索适宜的处理工艺和运行参数，为工程应用提供坚实的理论和技术基础。 1 5 化学絮凝强化一级处理的可行性分析 我国水环境质量不断恶化，其根源是污水处理率低，制约我国污水处理的主 西安建筑科技大学硕士研究生论文 要问题是资金和能耗。我国现有城市污水处理厂大多是二级生物处理，由于二级 处理的能耗和运行费用较高，使得部分污水处理厂建成后无法正常运行。随着我 国经济的增长，人们生活水平的提高，人均排水量大幅度增加。所以，造成污水 排放量大，污染物浓度较低，从而使得城市污水处理厂实际运行水质远小于设计 值。为了缓解资金不足与环境污染的矛盾，在目前兴建或拟建的污水处理厂中， 往往采用先建一级处理，以后再完善二级处理的策略。此外，从我国已建成的二 级生物处理污水厂来看，由于第二级生物处理单元能耗大，运行费用高，在目前 资金缺乏的情况下，相当数量的污水厂经常处于停止运转或半运转状态，实际 处理深度达不到设计要求，使己投入的大量资金没有充分发挥其环境效益。因此 在二级生物处理污水厂中，也可通过强化一级处理的方法来减轻二级处理的负 荷。 其中投加絮凝剂以提高沉淀处理效果的化学一级强化处理技术由于受自然 条件约束少、占地省、流程短、基建与运行费用低、操作简单而颇受关注。城市 污水中污染物主要是悬浮物、胶体及溶解性有机物，投加絮凝剂的一级处理能明 显改善对悬浮及胶体有机物一级处理的效果，提高一级处理的出水水质，从而使 得原水的有机负荷降低，减小后续的二级处理费用和占地面积，在排放要求不高 的地方出水可直接外排或排海。这对于我国这样经济尚不发达而环境污染又较严 重的国家，具有十分重要的现实意义。 西安建筑科技大学硕士研究生论文 2 化学强化一级处理 2 1 化学强化一级处理的工艺构成 化学强化一级处理利用混凝沉淀原理，其工艺非常简单( 见图2 1 ) ，由曝气 沉砂池和一沉池组成。城市污水经过格栅后进入曝气沉砂池，向曝气沉砂池中投 加无机混凝剂，使污水中的悬浮和胶体态物质与混凝剂作用发生脱稳、聚集，同 时污水中的磷与混凝剂反应通过化学沉淀、混凝沉淀和选择性吸附等过程去除。 在污水进入初级沉淀池之前加入有机高分子絮凝剂，通过吸附架桥和卷扫作用提 高混凝去除效率。【l 8 j 无机混凝剂有机高分子絮凝剂 污泥处理 图2 1 混凝强化一级处理工艺流程 出水 该工艺对c o d 的去除率可达6 0 左右，所以当进水有机负荷较低时，单设 该工艺即可使出水达到二级排放标准。考虑到远期进水有机物浓度的升高，可设 后续生物处理工艺，使出水达n - - 级或一级排放标准。该工艺便于对初沉池进行 改造，可将其前部改造成絮凝反应区，由于絮凝后颗粒粒径增大，沉速提高，扣 除前部的初沉池，一般仍能满足表面负荷要求，作为沉淀区，形成化学强化一级 处理工艺。 混凝强化一级处理可以将生活污水中大部分的s s 和颗粒态b o d 5 通过混凝 去除，使得后续生物处理设施的有机负荷得到减轻。有研究表明在加入混凝剂的 情况下，沉淀池可以接受较大的表面流速；向污水中投加三价铁盐和铝盐，还可 以将污水中的磷通过化学沉淀和混凝作用而去除；另外，由于混凝强化一级处理 可以提供优于常规一级处理的水质，因此可以分期建设，先投资建设强化一级处 1 4 西安建筑科技大学硕士研究生论文 理，以后再扩建后续生物处理设施。 2 2 化学强化一级处理的理论基础 污水处理从很大程度上说是固液分离的技术【旧】。因为污水中的大多数污染物 是以颗粒或者胶体态的状态存在，或者在处理过程中被转化成为固体或胶体状 态。基于这个事实而产生了常规处理的基本思想：在初级处理阶段去除颗粒态和 胶体态的物质，然后再处理那些溶解态物质，这些溶解态物质在分离之前必须被 转化成为胶体和颗粒态。 另外，从整个污水处理流程的水力停留时间来看，初级沉淀池和二级沉淀池 的水力停留时间一般分别为1 o 2 o h 和1 5 , - , 2 5 h ，在生物处理曝气池中的水力停 留时间多为4 - - , 8 h ( 不考虑去除n 和p ) 。如果能够最大程度地改善生物化学处理 过程，降低生物处理过程的负荷以及提高生物降解的速率就能够将整个工艺的水 力停留时间、反应器总容积以及处理单元的占地面积大大缩小。因此，在考虑处 理过程的改进时应首先考虑生物处理过程的改善，同时最先要保证的就是生物处 理单元的正常运行。强化一级处理的目的就是集中在如何提高初级处理的固液分 离效果以保证生物处理的效率和如何才能实现高效、紧凑的处理工艺。 2 2 1 城市污水中污染物质的颗粒分布 污水中的污染物质是由一系列无机和有机成分组成，这些成分的尺寸从大于 o o o l 哪n 4 , 于1 0 0 , m 。例如在城市污水中根据颗粒尺寸的大小粗略地将污染物 质分为溶解态、胶体态、超胶体态和悬浮态。不同尺寸的物质在水中表现出不同 的性质，如沉淀速率、传质速率、扩散速率和生化反应速率等。丽这些速率往往 又是各种污水处理工艺效率的决定性因素。一般来说，颗粒态物质必须先要经过 水解成为溶解态的物质才能穿过细胞膜进入细胞内部得以生物降解。有研究表明 在生物降解过程中颗粒物的细胞外水解通常都是速率限制因素。 从以上的分析中得到的一个最重要的结论是：较小的有机物比较大的有机物 生物降解的速率快。从微生物学的角度上看这是很明显的，但是在污水处理的设 西安建筑科技大学硕士研究生论文 计中很少将他们考虑在内。这就是说能够同时减少非扩散性颗粒物的数量和尺寸 的一级处理不仅能够减小生物处理过程的负荷，同时可以增加生物处理过程的速 率。另外，对污水中颗粒分布的分析对于污水处理工艺的选择和处理单元的评价 也是很有意义的。 2 2 2 化学强化一级处理能够最有效去除的颗粒物质 针对污水中污染物质成分复杂发展了不同的污水处理工艺。特定处理工艺的 效率很大程度上受到污水中污染物质的尺寸范围的影响。污水处理过程会改变污 水中污染物质的尺寸分布，因此应当将污水处理的各个单元综合起来分析，考虑 每一个处理单元对后续处理单元的影响。下面简要介绍化学强化一级处理能够有 效去除的物质颗粒范围： a ) 混凝。混凝过程的效率取决于使用药剂的化学性能、搅拌的强度和颗粒碰 撞的几率。这些因素都与颗粒物质的尺寸有很密切的联系。形成聚集体过程中， 有效碰撞的次数与颗粒尺寸的立方成正比关系咖1 。化学混凝过程能够聚集污水中 0 1 1 0m 的成分。 b ) 沉淀。沉淀能够非常稳定地去除大于5 0m 的物质，沉淀的方法对颗粒物 质的去除依赖于颗粒物质的沉降速率。当假定污水中颗粒物质的平均密度为 1 2 9 c m 3 ，水温为2 5 ( 2 时，对于初级沉淀池设计负荷为3 2 4 8 m 3 ( m 2d ) ，能够 通过其去除的最小颗粒粒径为5 4 6 7m 。 2 3 强化一级处理去除污染物的机理 溶液中的胶体颗粒能保持分散的悬浮状态的原因有两个：首先，由于同类胶 体微粒带同号电荷，它们问的静电斥力阻止了微粒问彼此接近而聚合成较大的颗 粒；其次，带电胶体与反粒子都与周围水分子发生水化作用，形成一层水化壳， 也阻止胶粒的聚合。“。不同的化学药剂能使胶体以不同方式脱稳、凝聚或絮凝。 混凝强化的机理主要包括对无机混凝剂的双电层压缩机理和对有机高分子絮凝 1 6 西安建筑科技大学硕士研究生论文 剂的架桥作用机理。”。 2 3 1 双电层压缩机理 根据胶体化学的概念，胶体双电层结构决定胶体表面处反离子的浓度最大， 随着胶体颗粒表面向外距离的增大，则反离子浓度降低，最终与溶液中离子浓度 相等，即达到溶液主体的浓度如图2 2 所示。 反 应 离 子 浓 府 离颗粒表面距离 图2 2 溶液中离子浓度与扩散层厚度的关系 由图2 2 可见，当向水溶液中投加混凝剂后，会使溶液中的离子浓度增高， 即扩散层的厚度将从图上的o a 降低为o b 。 当两个胶体颗粒接近时，由于扩散层厚度的降低，使得电位相应降低， 因而相互之间的斥力降低，而由于扩散层厚度的减薄，相互碰撞间距离降低而使 相互之间的引力增加，如图2 3 及2 4 所示。 由图2 3 可见，当未投加混凝剂，溶液中离子浓度低时，其排斥力和吸引力 的合力以斥力为主：而当投加混凝剂后，溶液中离子浓度增高时则如图2 4 所示， 二者的合力可以由原先斥力为主转变成以引力为主。这样水中的胶体颗粒就得到 迅速凝聚，即混凝剂的投加促进了上述这一过程，而胶体颗粒间的引力就促进了 水中胶体颗粒间的凝聚沉降。 1 7 西安建筑科技大学硕士研究生论文 、矿 v 口一v a 一一、 1 77 飞i 。， 厂 排 斥 颗粒间距 吸 引 v r 吼一一： ，夕 图2 3 溶液中离子浓度低时图2 4 溶液中离子浓度高时 颗粒间距 这一机理也可以用来解释一些自然现象，如在海港港湾处，