（市政工程专业论文）强化混凝处理引黄水库水的试验研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着地表水水源污染的加剧，常规处理工艺已无法满足日益提高的饮用水水质标准， 开发高效、健康的饮用水处理工艺已势在必行。综合考虑我国目前的基本情况，对现有 的常规处理工艺进行完善和提高是解决水源水污染的一种经济有效的方法。本课题主要 是为强化水厂常规处理工艺“混凝过滤”的处理效率而进行的试验研究。 试验以济南鹊山水库微污染水源水为研究对象，采用静态烧杯试验与动态模拟试验 相结合的方法，通过改变混凝剂种类及投加量、改变试验条件、加入助凝剂等方式进行 了强化混凝试验研究，在烧杯试验的基础上进行了高效、低残留除藻方案的探索研究， 最后结合引黄水库水低温低浊的水质特点，进行了强化混凝处理低温低浊水的动态试验 研究。 静态烧杯试验主要是通过改变混凝剂的种类及投加量、改变试验条件、加入助凝剂 等方式进行的强化混凝参数优化试验研究。试验研究选用聚合氯化铝( p a c ) 、三氯化铁 ( f e c l 3 ) 、聚合氯化铝铁( p a f c ) 等三种混凝剂，通过比较三种混凝剂对浊度、高锰酸盐指 数、u v 2 5 4 和叶绿素a 的去除效果，筛选出适合于引黄水库水的最优的混凝剂为p a f c ， 相应的最佳投加量为1 5 m g l 。p a f c 适用的p h 范围较宽，为5 o 9 0 ，所以试验过程 中无需对原水的p h 值进行调整。通过对水力条件的研究，p a f c 的最佳水力条件为快速 混合强度3 5 0 r m i n ，搅拌时间2 m i n ，絮凝强度8 0 r m i n ，絮凝时间1 0 m i n 。试验中还进行 了投加高分子助凝剂的强化混凝试验。试验中选用氯化铵( j 、聚丙烯酰胺( p a m ) 和微生 物絮凝剂( j b ) 三种助凝剂。助凝剂的加入在对浊度、高锰酸盐指数、u v 2 5 4 和叶绿素a 的 去除效果上有明显的强化作用。综合比较试验效果及经济效益，助凝剂的投加量选择 0 0 6 m g l 。 本文对高效、低残留除藻方案也进行了探索研究，是在臭氧浮滤池中试试验装置上 进行的动态试验。试验运行结果显示：臭氧预氧化对浊度、高锰酸盐指数、u v 2 5 4 和叶 绿素a 有一定的去除效果，经过投加混凝剂和助凝剂的浮滤池处理后，各种水质指标的 去除效果明显提高。四种处理方案中，p a f c 与j b 的复配的处理效果最好，对高锰酸盐 指数、u v 2 5 4 、叶绿素a 和t o c 的去除率分别为3 9 1 6 、4 9 1 8 、9 2 1 3 和3 9 3 6 ， 出水的甲醛的量也在安全范围之内，比较出水中残留铝、残留铁以及溴酸根的量，p a f c 与j b 的复配对三者的去除存在着明显的优势，从而可以得出结论：p a f c 与j b 的复配 山东建筑大学硕士学位论文 是一种优选的高效、低残留的除藻方案。 结合引黄水库水低温低浊的水质特点，进行了强化混凝处理低温、低浊水的动态试 验研究。单独投加p a f c 的试验结果显示，经过常规处理后对浊度、高锰酸盐指数和叶 绿素a 的平均去除率分别为6 8 3 6 、1 3 9 7 和4 6 7 5 。助凝剂的加入能显著提高原水 的处理效果，其中p a f c 与j b 的复配对低温低浊水的处理效果最好，滤后出水的浊度均 小于0 5 n t u ，满足饮用水水质标准的要求，对高锰酸盐指数和叶绿素a 的平均去除率分 别为3 0 5 2 、7 0 1 7 ，与单独投加p a f c 的处理效果比较，对二者的去除率分别提高了 1 6 5 5 和2 3 4 2 。四种方案处理后的沉淀水及滤后水的残留铝、残留铁的含量均在安全 范围之内。 关键词：强化混凝，混凝剂，助凝剂，除藻，低温低浊水 i i 山东建筑大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fr e s e r v i o rw a t e rf r o mh u a n g h er i v e rb y e n h a n c e dc o a g u l a t i o n l in a ( m u n i c i p a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yl il o n g - - c h a n ga n dz h a n g k e f e n g a b s t r a c t w i t ht h ed e p r a v a t i o no fs u r f a c ew a t e rp o l l u t i o n ，c o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s c a nn o tm e e tt h ei m p r o v e dd r i n k i n gw a t e rs t a n d a r d sa n di ti su r g e n tt od e v e l o pe f f i c i e n ta n d h e a l t h yd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s c o n s i d e r i n gt h eb a s i cs i t u a t i o ni no u rc o u n t r y ，t o i m p r o v ea n de n h a n c et h ee x i s t i n gc o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s si sac o s t - e f f e c t i v e s o l u t i o nt ot h ew a t e rp o l l u t i o n t h ed i s s e r t a t i o ni sd e s i g n e dt os t r e n g t h e nt h ee f f i c i e n c yo ft h e c o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tc r a f t q u e s h a nl a k er e s e r v o i rw a t e r ( j i n a n ) w h i c hi ss l i 曲t l yp o l l u t e dw a su s e da sr e s e a r c h o b j e c t d u r i n gt h ee x p e r i m e n tp r o c e s s ，m e t h o d so fj a r - t e s ti nl a b o r a t o r ya n dp i l o ts c a l et e s t s w i t hd y n a m i co p e r a t i o nw e r ec o m b i n e d f i r s to f a l l ，t h ej a r t e s t so fe n h a n c e dc o a g u l a t i o nw e r e c a r r i e do u tb yt h em e t h o d so fv a r y i n gc o a g u l a n tk i n d s ，c o a g u l a n td o s a g e sa n de x p e r i m e n t c o n d i t i o n sa n da d d i n gf l o c c u l e n ta n ds oo n o nt h eb a s i so ft h ej a r - t e s t s ，t h em e t h o do f h i g h - e f f i c i e n c ya n dl o w - r e m a i n si sa l s oe x p l o r e d t h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a t e r q u a l i t yo fr e s e a r c h e dw a t e ri nw i n t e ri sl o w - t e m p e r a t u r ea n dl o w - t u r b i d i t y , c o n s i d e r i n gw h i c h ， w es t u d i e dt h ee f f e c t so fe n h a n c e dc o a g u l a t i o no nt h et y p i c a lw a t e rw i t hd y n a m i co p e r a t i o n j a r - t e s t sw e r es t u d i e dt oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r so ft h ee n h a n c e dc o a g u l a t i o n ，m a i n l yb y t h em e t h o d so fv a r y i n gc o a g u l a n tk i n d s ，c o a g u l a n td o s a g e sa n de x p e r i m e n tc o n d i t i o n sa n d a d d i n gf l o c c u l e n ta n ds oo n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r e a sf o l l o w s ：t h er e s e a r c hc h o s e p o l y m e r i ca l u m i n u mc h l o r i d e ( p a c ) ，f e r r i cc h l o r i d e ( f e c l 3 ) a n dp o l y m e r i ca l u m i n u mf e r r i c c h l o r i d e ( p a f c ) a sc o a g u l a n t b yc o m p a r i n gt h ee f f e c t so fc o a g u l a n to nt h er e m o v a lo ft h e t u r b i d i t y ，p e r m a n g a n a t e ，u v 2 5 4a n dc h l o r o p h y l l 如p a f cw a ss e l e c t e da st h eb e s tc o a g u l a n tt o t h er e s e a r c h e dw a t e r a c c o r d i n g l y ，t h eo p t i m u md o s a g eo fp a f ci s15 m g l t h ea p p l i e dp h v a l u eo fp a f cr a n g e sf r o m5 0t o9 0 ，s oi td o e s n tn e e dt oa d j u s tt h ep hv a l u eo fr a ww a t e ri n i i i 山东建筑大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n ts t u d i e dt h ee f f e c to fh y d r a u l i cp o w e rc o n d i t i o no nc o a g u l a t i o n p r o c e s s t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eb e s tp r o c e d u r ei s35 0 r m i n2 m i na n d8 0 r m i nlo m i n t h e e x p e r i m e n to fa d d i n gf l o c c u l e n tt oe n h a n c ec o a g u l a t i o nw a sa l s oc a r r i e do u t t h eu s e di n e x p e r i m e n ti n c l u d e sj y , p a ma n dj b f l o c c u l a n t sc a l lo b v i o u s l yi m p r o v et h er e m o v a lo ft h e t u r b i d i t y ，p e r m a n g a n a t e ，u v 2 5 4a n dc h l o r o p h y l lao ft h er a ww a t e r c o n s i d e r i n ge x p e r i m e n t e f f e c ta n de c o n o m yb e n e f i t ，w ed e c i d et h a tt h ed o s a g eo ff l o c c u l e n ti s0 0 6 m g l i na d d i t i o n ，t h em e t h o do fh i g h e f f i c i e n c ya n dl o w r e m a i n si sa l s oe x p l o r e di nt h i st e s t t h ed y n a m i ce x p e r i m e n ts h o w st h a to z o n ep r e - o x i d a t i o nh a sc e r t a i ne f f e c to nt h er e m o v a lo f t u r b i d i t y ，p e r m a n g a n a t e ，u v 2 5 4 ，a n dc h l o r o p h y l la ，w h i c hc a nb ei m p r o v e da f t e rf l o - f i l t e rc r a f t 丽t hc o a g u l a n ta n df l o c c u l e n t a m o n gf o u rk i n d so f p r o c e s s i n gp r o j e c t s ，t h ec o m b i n eo fp a f c a n dj bh a st h eb e s tr e s u l t t h er e m o v a lo ft h ep e r m a n g a n a t e ，u v 2 5 4 ，c h l o r o p h y l laa n dt o ci s 3 9 16 ，4 9 18 ，9 2 13 a n d3 9 3 6 r e s p e c t i v e l y t h ef o r m a l d e h y d e sc o n s e n ti sl o w c o m p a r i n gt h ea m o u n to fr e m a i n e da l u m i n u m ，r e m a i n e df e r r i ca n db r o m a t e ，t h ec o m p l e xo f p a f ca n dj bh a so b v i o u sa d v a n t a g ei nr e m o v i n gt h e m t h e r e f o r e ，t h ep r o j e c to fp a f ca n dj b i st h eo p t i m u mo n ew h i c hi so fh i g h e f f i c i e n c ya n dl o w - r e m a i n s i nv i e wo ft h ew a t e rq u a l i t yo fr e s e a r c h e dw a t e ri nw i n t e r , w es t u d i e dt h ee f f e c t so f e n h a n c e dc o a g u l a t i o no nt h el o w t e m p e r a t u r ea n dl o w - t u r b i d i t yw a t e rw i t hd y n a m i co p e r a t i o n t h ee x p e r i m e n tw i t ho n l yp a f cs h o w st h a tt h er e m o v a lr e n to ft h et u r b i d i t y ，p e r m a n g a n a t e a n dc h l o r o p h y l lai s6 8 3 6 ，1 3 9 7 a n d4 6 7 5 r e s p e c t i v e l y w i t ht h ef l o c c u l a n t s ，t h e r e m o v a le f f e c to nr a ww a t e rc a nb ee n h a n c e d t h ec o m p l e xo fj ba n dp a f ch a sa d v a n t a g eo n t h el o w t e m p e r a t u r ea n dl o w - t u r b i d i t yw a t e r t h et u r b i d i t yo ft r e a t e dw a t e ri sl e s st h a n 0 5 n t u ，w h i c hs a t i s f i e st h er e q u e s to fd r i n k i n gw a t e rs t a n d a r d c o m p a r i n gt h ec r a f tw i t ho n l y p a f c ，t h er e m o v a lo f t h ep e r m a n g a n a t ea n dc h l o r o p h y l li n c r e a s e s1 6 5 5 a n d2 3 4 2 ，w h i c h i s3 0 5 2 a n d7 0 17 r e s p e c t i v e l y t h ec o n t e n to fr e m a i n e da l u m i n u ma n df e r r i co ft r e a t e d w a t e ri si nt h es a f er a n g e k e yw o r d s ：e n h a n c e dc o a g u l a t i o n ，c o a g u l a n t ，f l o c c u l e n t ，a l g a er e m o v a l ，w a t e ro f l o w - - t e m p e r a t u r ea n dl o w - t u r b i d i t y i v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 埠嘲叫 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留，使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 ；位荨譬签主搀冀耋兰 导师签 名：丛迹 日期塑芝：五：f 型 山东建筑犬学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 我国饮水水源污染现状 我国淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯 和加拿大，居世界第翻位，但入均只有2 2 0 0 立方米，仅为世界平均水平的1 4 、美国的 1 5 ，在世界上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。据监测，圈前 全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，且有逐年加重的趋势。日趋严重 的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾，对我国正在实 施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群 众的健康。 2 0 0 3 年度中国环境状况公报显示，全国环境质量与上年持平，其中海河、辽河和淮 河污染程度略有减轻，松花江、珠江污染加重。黄海近岸海域污染加重；渤海和东海近 岸海域水质有所改善，但污染仍重；南海近岸海域水质与上年持平。七大水系4 0 7 个重 点监测断面中，3 8 1 的断面满足i - i i i 类水质要求，3 2 2 的断面属i 、v 类水质，2 9 7 的断面属于劣v 类水质。其中七大水系干流的1 1 8 个控断面中，i 类水质断面占 5 3 4 ，i v 、v 类水质断面占3 7 。3 ，劣v 类水质断面占9 3 。尤其在人口密集、工业 较发达的地区更加严重l l j 。全国7 大水系中，不宜作饮用水源的河段为4 0 左右。据统 计【2 1 ，我国有8 2 的江、河、湖泊受到污染，9 2 的城市面临水污染的威胁。国家环保 总局发布的我国水污染防治现状及对策指出：饮水安全受到威胁。据报道 3 1 ，2 0 0 1 年，开展集中式饮用水水质月报的4 6 个环境保护重点城市中，仅2 8 3 的城市饮用水源 地水质良好，2 6 1 的城市水质良好，4 5 6 的城市水质较差。2 0 0 0 年农村地区饮用水卫 生合格率为6 2 + l ，全图尚有3 6 亿农村人口喝不上符合标准的饮用水。 根据对全国2 5 个大中型湖泊进行的调查，已趋富营养化的湖泊达9 2 。按照国际 上总氮( o 2 m g l ) 和总磷( o 0 2 m g l ) 浓度作为湖泊富营养化的评价指标，所调查的湖 泊中，多数湖泊总氮浓度一般高出5 1 2 5 倍，多数湖泊总磷高出1 0 - - - , 5 0 倍。资料显示， 我国已达富营养化的湖泊占总量的2 0 。许多湖泊出现水华泛滥，海湾赤潮频发，其面 积、强度以及藻毒素的含量，均大幅度增长。蓝绿藻等的爆发已形成一种灾害，给沿岸 地区带来了臣大的经济损失，仪赤潮造成的损失每年就达数十亿元之多，在有些湖泊附 山东建筑大学硕士学位论文 近，人畜中毒的现象时有发生。水体的富营养化已对人类的健康及生态环境造成了很大 威胁。2 0 0 5 年中国环境状况公报显示，2 0 0 5 年，全海域共发现赤潮8 2 次，累计发生 面积约2 7 0 7 0 平方公里，有毒藻类引发的赤潮次数和面积大幅增加。大量藻类的存在不 仅影响水体的外观，影响水质，增加饮用水处理的难度，提高处理成本，而且藻类会释 放出藻毒素，长期低浓度藻毒素的摄入会对人体健康造成严重的危害1 4 。有报道表明饮 用含有藻毒素的自来水会引起消化道疾病，动物学实验发现藻类毒素可能有致畸、致突 变的作用。2 0 0 7 年5 月底发生的太湖蓝藻事件，为中国城市用水安全再次敲响了警钟。 1 1 2 济南引黄水库水水体特征 黄河作为我国第二大河，在济南境内全长1 8 5 1 k m ，流域面积2 7 7 8 k m 2 ，黄河济南段 在丰水年份和年内丰水季节流量较大，水质较好，基本能达到国家i i i 类水的水质标准， 但在枯水年份和季节，黄河济南段已出现了程度不同的水质污染，尤其是在断流后刚恢 复过流时，因在断流时间内沿黄流域城乡工业与生活污水排放后污染物在河道中的长期 积蓄，水污染问题较为严重。在恢复过流初期，有时粪大肠杆菌达2 4 0 1 0 4 c f u l ，超标 1 2 0 0 倍；总磷2 1 6 3 m g l ，超标2 1 6 3 倍。 引黄水库水主要污染问题为氮磷营养物质和有机物污染。从近两年来的测定结果来 看，总氮平均在3 m g l 以上，氮、磷含量及比例均超过相关富营养化水体的临界值，水 体上呈现富营养化状态，表现在藻类疯长( 总量超过1 0 6 c e l l l ) ，叶绿素a 平均1 0 2 0 ag l ，严重时接近3 0 2g l ，溶解氧减少，浊度降低，微囊藻毒素超过1j l lg l ；有机 物化学需氧量( c o d ) 平均2 0 - - - , 3 0 m g l ，高锰酸盐指数( c o d m n ) 接近4 m g l ，总有机 碳( t o c ) 变化范围大，在1 0 , - , , 3 0 m g l 1 5 , 6 】。 引黄水库( 鹊山水库) 水的另一大特征低浊，黄河泥沙含量较高，经过鹊山水库静 沉后，一般情况下常年浊度小于5 n t u ，浊度较高时1 0 n t u 左右，特别是冬季原水浊度 一般在3 n t u 以下，另外由于济南的气候特征，冬季气温较低，水体温度一般在3 - 6 之间，因而库区水体在冬季要经历较长时间的低温低浊期。 1 1 3 饮水安全是提高国民素质的关键 水是生命之源，是经济发展和社会进步的生命线，是实现可持续发展的重要物质基 础。饮水安全是当今世界普遍关注的主题。目前，我国农村安全饮水发展水平与中等发 达国家相比存在明显差距。据有关资料介绍，世界上中等发达国家农村安全饮水普及率 2 山东建筑大学硕士学位论文 为7 0 以上，发达国家在9 0 以上。我国的安全饮水普及率水平大致为东部，中部4 0 ， 西部不到4 0 ，与世界中等发达国家相比尚存在明显的差距。 饮水安全指的是既要有水喝，又要喝得安全卫生，它受制于水资源量和质两个方面。 随着社会的发展和进步，人民生活水平的提高，人们对水质的要求有了新观念，要求饮 水水质第一无害，第二有益( 7 】。人们对水与健康的关系有了更高、更深的科学认识，对 水质的要求也越来越高。 为保障生活饮用水卫生安全，根据社会经济发展和人民群众健康需求，我国先后修 订4 部卫生标准。1 9 5 5 年，卫生部发布了我国第一部生活饮用水标准自来水水质暂行 标准：1 9 8 5 年卫生部发布了生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) ；2 0 0 1 年卫生部发 布了生活饮用水卫生规范；2 0 0 6 年由卫生部牵头完成了生活饮用水卫生标准 ( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 的修订工作。目前执行的生活饮用水水质标准则是根据我国现实国情于 1 9 8 5 年提出的，水质监测项目共3 5 项，规定的有机物有6 种：挥发酚( 0 0 2 m g l ) 、氯 仿( 0 0 6 r a g l ) 、四氯化碳( 0 0 6 r a g l ) 、苯并芘( 1 0 # g l ) 、d d t ( 5pg l ) 、六六六( 5 g l ) 。我国的饮用水标准监测项目少，标准低，所缺乏的是对有毒物质的控制，其中 有些可能是三致物质。为此，中国城镇供水协会于1 9 9 3 年制定了城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划，该规划根据供水规模和供水的重要性将城市自来水公司分为四 类，分别提出了相应的要求，其中一类水水质指标为8 8 项，有机物指标占3 8 项，二类 水水质指标5 1 项，有机物指标1 9 项，三、四类是仍然执行现有的水质标准【8 j 。2 0 0 1 年 卫生部公布了生活饮用水卫生规范，规定了9 6 项指标。2 0 0 5 年建设部公布了城镇 供水生活饮用水卫生标准，规定了1 0 1 项指标。 生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 规定了生活饮用水水质卫生要求，其中常规 指标4 2 项，非常规指标6 4 项。同时，还规定了生活饮用水水源水质卫生要求、集中供 水单位卫生要求、二次供水卫生要求、涉及生活饮用水卫生安全产品卫生要求，以及水 质监测和水质检测方法。该标准重点加强了饮水中有机物和微生物的卫生要求，有机物 指标由5 项增至5 3 项。微生物指标由2 项增至6 项。基本实现了我国生活饮用水卫生标 准与世界卫生组织、美国、欧盟、日本等国际和国外水质标准接轨，这是一个飞跃性的 变化，对于人民生活水平的提高、社会安定与经济发展都有重要的意义。 饮水水源污染加剧了城市用水的供需矛盾，增加了制水成本以及饮用水质达标的技 术难度，因此，改善和研究新的高效、低成本的水处理方法具有重要的现实意义。 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 饮用水处理技术研究进展 自2 0 世纪7 0 年代以前，饮用水处理研究目的主要是为了去除公共给水系统中的色 度。随着水质分析技术逐渐改进，水源和饮用水中能够测得的微量污染物质的种类也不 断增加，在饮用水的水质净化中出现了新问题。针对源水中出现的新的污染问题，进入 2 0 世纪7 0 年代以后，人们就开始着手对水质净化的新技术进行了研究，并且已经有很 多技术在实际生产中应用，取得了较好的效果。现有的对微污染水源净化工艺概括说有 三种，即预处理、深度处理和强化常规处理。目前大家研究较多的几种方法有：强化混 凝、臭氧氧化、活性炭吸附和膜过滤。 1 2 1 强化混凝 强化混凝的概念早在上世纪六十年代就已提出。而美国水工协会在二十世纪九十年 代提出的强化混凝是指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( 即消毒副产物前驱物) 去除率的工艺过程。 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。优化 混凝则是在强化混凝的基础上提出来的，是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【9 1 。 从工艺研究的角度而言，强化混凝侧重于在现有水处理工艺设施上的改进与提高也 即强化，通过对混凝剂的筛选优化、混凝剂剂量与混凝反应过程以及反应p h 条件的控制 强化来实现。 u s e p a 规定，采用t o c 去除率作为d b p 前驱物质去除效率的衡量尺度。这是因为 给水中的大量t o c 通常源于水中的腐殖质，一般只有小1 0 的部分是合成有机化合物。 这些有机物的含量与加氯后形成氯化有机物量之间呈正相关关系，即t o c 含量高时，三 卤甲烷生成量也相应增多。 强化混凝作用的主要去处对象是水中天然有机物。天然有机物通常以悬浮态和溶解 态存在。悬浮状有机物很容易通过常规的混凝、沉淀、过滤去除，溶解性的有机物( d o c ) 是指可以通过0 4 5 am 滤膜的部分。 强化混凝技术被u s e p a 认为是最佳可行性技术( b a t , b e s ta v a i l a b l et e c h n o l o g y ) 。因 其因地制宜、投资较少、运行成本较低而成为比较适合推广使用的技术。 4 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 2 臭氧氧化 早在上世纪四十年代，美国就开始应用臭氧去除水中的色度和嗅味。而现在使用臭 氧的目的已转变为去除水中的有机污染物。臭氧具有很强的氧化能力，它对d b p 前驱物 的去除机理有两方面：一是直接氧化有机物，其效果取决于原水水质和臭氧处理条件； 二是降解有机物，使其从大分子有机物转变为小分子有机物，使处理水的可生化性得到 改善，从而氧化产物很容易在后续处理中得到去除【l o 】。 凭借臭氧特强的氧化能力，臭氧预氧化既可以初步氧化水中的有机物及其他还原性 物质，以降低后续工艺的有机负荷，又可以使部分难生物降解的有机物转变为易生物降 解的物质，提高水的可生化性。臭氧化对水质的改变包括：形成羟基、羧基、羰基等官 能团，增强有机物的极性和亲水性，减少双键和芳香性基团，增加低分子量化合物。经 检测，臭氧化使水质的可生化性提高2 0 - - - 3 0 ，同时，可同化有机碳的含量增1 0 - - 2 0 倍【l 。k i m 等人的研究结果表明，经臭氧处理后，水中可生物降解的溶解性有机碳( d o c 、) 增加了3 0 。2 0 世纪6 0 年代末臭氧开始用于原水预氧化，主要用途为改善感官指标、 助凝、初步去除或转化污染物等【1 2 】。在国内，预臭氧化主要用于脱色除臭、控制氯化消 毒副产物、去除藻类和藻毒素、助凝和助滤等，但是由于原水水质差异和臭氧化特性使 得当前对臭氧氧化的利弊说法不一，并且臭氧应用成本较高，所以国内的应用经验并不 多【1 3 】。 1 2 3 活性炭吸附 以活性炭为代表的吸附工艺是目前去除水中有机物的首选工艺。在国外，活性炭工 艺在5 0 年代初期就得到了应用，西欧一些以地表水为水源的饮用水处理厂就开始使用活 性炭消除水中嗅味，6 0 年代被广泛用于给水深度处理；而国内从7 0 年代开始用于给水 处理。 活性碳吸附对水中有机物的吸附主要是范德华力吸附，活性炭有大表面积( 9 5 0 - - - 1 4 4 0 m 2 儋) 和不规则网状结构，吸附在网孔进行。活性炭吸附有机物的过程分为：( 1 ) 有机 物分子从溶液向碳表面的外扩散。( 2 ) 通过边界水膜的膜扩散。( 3 ) 通过微孔的内扩散和在 碳表面的吸附，由膜扩散和内扩散控制吸附速度。分子直径大于活性炭孔径的有机物不 能被活性炭吸附，如有机物分子直径近似于活性炭孔径，则可能“堵塞”，形成不可逆吸 附。对于分子直径较小的有机物，吸附快，吸附量大，但其吸附是不牢固的。在一定条 件下可解吸，所以水中有机物的分子直径只要在活性炭的孔径分布范围之内，都能被活 山东建筑大学硕士学位论文 性炭除去，超出范围的不能被吸附。有人曾将混凝和活性炭吸附对不同分子量有机物的 去除效果进行比较，结果见表1 1 t 1 4 1 。从表1 1 种看出，混凝对大分子有机物有较高的去 除率，而活性炭吸附对分子量小于3 0 0 0 的有机物的去除效果较好【15 1 。 表1 1 混凝和活性炭对不同分子量有机物的去除能力比较 活性炭深度处理污染水，由于吸附去除有机物的有效范围为中小等级分子量的有机 物，而这部分有机物也正是对人体有“三致危害的有机物，因而该深度净化工艺对改 善原水的致突变性( a m e s 试验) 具有较明显的效果。 由于活性炭深度处理工艺，其运行能耗较高，管理复杂等经济和实用方法的原因， 在我国目前的实际情况下，在大、中型水厂全面推广应用还有一定的困难。 1 2 4 膜分离技术 膜分离被u s e p a 推荐为控制消毒副产物的最佳工艺之一，它对n o m 和d b p 的去 除率可分别高达7 8 8 3 和9 0 , - - 9 7 l 1 6 】。目前去除消毒副产物前驱物的膜装置以压力 驱动式为多，主要有微滤( m f ) 、超滤f ) 、纳滤( nf ) 和反渗透( r o ) ，其中以纳滤的应用 最为广泛。 纳滤膜是2 0 世纪9 0 年代问世的新型分离膜，早期被称为“疏松反渗透膜或“低 压 反渗透膜，它的截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，约为2 0 0 一1 0 0 0 d a l t o n s 。 它在饮用水生产如去除三氯甲烷中间体、低分子有机物等物质方面正在发挥独特的作用。 纳滤膜对水t o c 有很好的去除效果。另外，与反渗透技术相比，纳滤膜分离过程还具有 操作压力低、出水效率高、浓缩水排放较少等优点【1 7 】。 与传统方法相比膜分离技术具有高效、节能、环保等优点，但是膜分离技术目前也 存在一些缺陷，膜分离对原水水质要求严格，需要采用生物处理、混凝过滤、离子交换 等预处理改善膜的水通量，避免频繁的膜堵塞和污染，使得膜处理工艺的投资和运行费 6 山东建筑大学硕士学位论文 用较高。 目前，膜技术己成为发达国家自来水制造的主要新工艺，在欧洲、美国、日本等国 家和地区逐渐推广，成为饮用水净化的优选技术。但是我国是发展中国家，财力有限，因 此目前还难以大规模推广。 1 2 5 几种方法的比较 将以上几种方法从效果、操作难易及费用等几个方面进行比较，得出结果如1 2 所 不。 表1 2 混凝和活性炭对不同分子量有机物的去除能力比较 混凝法对于去除有机物有很大的优势，效果好、费用低。u s e p a 也推荐强化混凝为 去除有机物的最佳方法。目前，国内外对强化混凝技术进行了一定程度的研究，其主要 功能不仅仅是除浊，同时对水中有机污染物( 尤其是腐殖质) 也起主要的去除作用。许 多难以生物降解的大分子有机物具有较强的憎水性，具有胶体的性质，通过优化和强化 常规处理工艺条件，对水处理进行动态过程控制，不仅使水处理成本最低，还可以使有 机污染物去除约5 0 - 8 0 。这种技术经济、简单易行，尤其适用于中、小型水厂，是 一种经济可行的水质保障技术，是符合我国的自然经济条件和管理水平的比较有发展前 途的水处理工艺新技术。 1 3 混凝和强化混凝 1 3 1 混凝与强化混凝机理 混凝是指分散颗粒由于相互作用结合成聚集体而增大的过程，也就是水中胶体粒子 成长的过程，该过程是在混凝剂的水解作用下进行的。因此，混凝作用机理与三个因素 有关：( 1 ) 胶体颗粒性质( 2 ) 不同混凝剂在不同条件下的水解产物( 3 ) 胶体颗粒与混凝剂水 解产物之间的相互作用。胶体颗粒具有巨大的表面积，因此表面能就大，可吸附溶液中 离子或极性分子，形成胶体双电层结构。胶体具有在水中长期保持悬浮分散状态而不聚 7 山东建筑大学硕士学位论文 集下沉的特性。按d l v o 理论，这是由于胶体颗粒具有聚集稳定性，即带同性电荷胶体 粒子之间由于电斥力或水化膜的阻碍而不能相互聚集的现象。聚集的稳定性主要决定于 胶体考电位，考电位一旦降低或消失，水化膜也随之消除，胶体粒子失去聚集稳定性， 就可在布朗运动作用下碰撞聚集，沉淀就会发生。 一般认为混凝过程是混凝剂水解产物对水中胶体进行压缩双电层和吸附电中和，使 其脱稳，从而形成细小的颗粒，继而絮凝为大而密实的矾花，并通过吸附架桥或网捕作 用使脱稳的胶体生成粒度较大的絮凝体，再通过沉淀与过滤进行分离去除。水处理中的 混凝现象十分复杂。在d l v o 脱稳理论的基础上，胶体颗粒的混凝作用主要有以下四种 机理【1 8 1 ：( 1 ) 双电层压缩机理；( 2 ) 吸附电中和机理；( 3 ) 吸附架桥机理；( 4 ) 沉淀物网捕 机理。混凝的这四种机理，在水处理中通常不是单独孤立的现象。而往往可能是同时存 在的，只是在一定情况下以某种现象为主而己，可以用来解释水的混凝现象。 水中分子质量较小、溶解度较大的有机物在一般混凝条件下去除率很低，主要原因 是由于其具有良好的亲水性而不易被混凝剂的水解产物一金属氢氧化物所吸附，有机物不 但增加了胶体表面电荷，而且造成空间位阻效应。但是，如果通过改善混凝处理条件， 即在低p h 值、高混凝剂用量的强化混凝条件下形成大量金属氢氧化物，改善混凝剂水 解产物的形态且使其正电荷密度上升，同时低p h 值条件会影响有机物离解度和改变水 中有机物存在形态，有机物质子化程度提高，电荷密度降低，进而降低其溶解度及亲水 性，成为较易被吸附的形态。所谓强化混凝是指通过改善混凝条件，如通过调节p h 、改 良混凝剂、增加混凝剂用量、改善水力条件、投加氧化剂或助凝剂等手段，使有机物去 除范围和去除率进一步扩大和提耐1 8 】。r a n d t k e 认为强化混凝去除有机物的机理主要包 括胶体状天然有机物( n o m ) 的电中和作用，腐殖酸和富里酸聚合体的沉淀作用，以及吸 附于金属氢氧化物表面上的共沉淀作用【l9 1 。对水中溶解性的有机物而言，依靠后一种作 用即吸附于混凝剂的金属沉淀物上而去除。 1 3 2 混凝作用的影响因素 1 3 2 1 处理水的温度 水温对混凝效果有明显的影响。由于金属盐类混凝剂水解过程均为吸热反应，水温 低时水解较为困难，不能生成高聚合度物质。同时低温水的粘滞系数大，阻力增加，布 朗运动强度较弱，从而颗粒彼此碰撞次数减少，影响絮凝效果。以铝盐混凝剂为例，其 水解反应是一个吸热反应，因此水温变化直接影响铝盐的水解程度，而且颗粒铝的溶解 r 山东建筑大学硕士学位论文 度与水温也有着密切的联系。水温过低时，药剂的水解反应不彻底，直接影响混凝效果； 水温过高时，颗粒铝的溶解度增大，水中溶解铝含量增加，容易导致出厂水余铝超标【2 0 1 。 1 3 2 2p h 值 p h 值对混凝剂的性质和作用、胶粒表面电荷的f 电位以及混凝效果都有很大的影 响。处理水体的p h 值不同，混凝剂的水解产物不同，产生的混凝效果不同。通常各种 混凝剂都有其最佳的p h 值范围，混凝剂的种类不同，要求达到最佳处理效果的原水p h 值范围也有所不同。以铝盐混凝剂为例，由于水中颗粒铝主要以两性氢氧化物的形式存 在，因此，p h 值对颗粒铝的水解和溶解有着重要的影响。铝盐混凝剂混凝的最佳p h 值 范围通常在6 0 8 0 之间，此时水中的铝主要以氢氧化铝胶体的形式存在，它是铝盐能 够起到混凝作用的关键所在。当水的p h 值偏低时，如p h 8 时，a i ( o h ) 3 又溶解为负离子，铝盐在水中主要以a 1 0 2 2 - 形式 存在，混凝效果也随之变差【2 0 】。对水中残余铝而言，p h 值的高低直接影响着水中的残 余铝量，在适宜的p h 值范围内，颗粒