（环境工程专业论文）混凝逆流气浮过滤工艺处理微污染水的研究.pdf

摘要 摘要 本文研究了混凝一逆流气浮一过滤工艺处理微污染水的效果。首先通过静态 小试实验，以聚合氯化铝( p a c ) 、硫酸铝( a s ) 为絮凝剂，研究了溶气气浮工 艺( d a f ) 的最优絮凝条件；然后在最优絮凝条件下，研究了逆流气浮处理微 污染水的运行参数：最后结合过滤工艺，研究了混凝一逆流气浮一过滤工艺处 理微污染水的综合效果。主要研究成果如下： ( 1 ) d a f 工艺对絮凝条件有特殊的要求。对于二级絮凝反应，以a s 为絮凝 剂时，较优的搅拌条件为：一级絮凝g = 7 0 8 5s 一，二级絮凝g = 2 0 3 0s ，总 絮凝时间9 1 2m i n ，两级絮凝时间分配比例为2 ：1 ，由此得出g t 值2 8 3 4 3 2 1 0 4 。以p a c 为絮凝剂时，絮凝阶段较优的搅拌条件为：一级絮凝g = 6 5 8 0s ，二级絮凝g = 1 0 2 0s ，总絮凝时间6 1 0m i n ，两级絮凝时间相等。由 此得出絮凝过程g t 值1 6 2 2 7 1 0 4 。 ( 2 ) 随着原水d h 值的降低，d a f 出水浊度降低，t o c 、u v 2 5 4 去除率增高。 a s 在d h 值为5 o 6 o 时对浊度、有机物去除效果较好。在本实验p h 值4 5 7 5 变化范围内，p a c 处理效果稳定，随原水p h 值变化较小。 ( 3 ) 气泡与絮体的接触时间、接触强度对气浮出水浊度有显著影响，接触时 间1 5 2m i n 内效果最好；同时接触区内要保证g 值在1 5s 。左右，有助于气泡 与絮体的接触、碰撞，提高粘附效率。相应g t 值应在o1 4 o 1 8 1 0 4 之间。 ( 4 ) 逆流气浮池较好的运行条件为：水力负荷7 9m 1 1 ，回流比1 0 。 ( j ) 混凝一逆流气浮一过滤工艺可有效的去除微污染水浊度和有机物。逆流 气浮独特的水流形态使一些不易通过沉淀去除的微小絮粒被拦截在悬浮浮渣层 内。在本实验条件下，使用絮凝剂a s 时，逆流气浮出水平均浊度1 2 0n t u ， t o c 去除率1 8 5 ，u v 2 5 4 去除率1 77 ；过滤出水平均浊度0 2 1n t u ，t o c 去除率1 9 5 ，u v 2 5 4 去除率1 7 7 。使用絮凝剂p a c 时，逆流气浮出水平均浊 度0 7 9n t u ，t o c 去除率2 1 6 ，u v 2 5 4 去除率1 8 2 ；过滤出水平均浊度o 1 5 n t u ，t o c 去除率2 2 7 ，u v 2 5 4 去除率1 8 9 。 关键词：微污染原水混凝 逆流气浮过滤 a b s t r a c i a b s t r a c t i nt 1 1 i sp a p e r ，t h ee f f i c i e n c yo ft r e a t i n gm i c r o - p o l l m e dw a t e rw i t hc o a g u l a t i o n c o u n t e rc u r r e n td i s s o l v e da i rn o t a t i o n 幅1 t r a t i o nf c c c d a f f ) p r o c e s s e sw a ss t u d i e d f i r s t ，as e to fs t a “ce x p e r i m e n t su s i n gp o l y m e r i z a n o na l u m i n u mc h l o r i d e ( p a c ) a n d a l u m i n u l t ls u l f a t e( a s )a sn o c c u l a n t sw e r ec a r r i e do u tt of i n d i n gt h eo p t i m a l c o n d i t i o no fd i s s o l v e da i rf l o t a t i o n ( d a f ) s e c o n d l y ，u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n ，t h e p a r a m e t e r so fc c d a fp r o c e s sw e r es t u d i e di ne x p e r i m e n t so ft r e a t i n gm i c r o p 0 1 l u t e d w a t e r a tl a s t ，t h ee m c i e n c yo fc o m b i n i n gc c c d a f fp r o c e s s e sf o rt r e a t i n g m i c r o p o l l u t e dw a t e rw a se x a m i n e d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w e d ： ( 1 ) s p e c i a lc o a g u l a t i o nc o n d i t i o n sa r en e e d e di nd a fp r o c e s sw i t ht w os t a g e s n o c c u l a t i o n w h e na sw a su s e da sf l o c c u l a m s ，m en o c c u l a t i o nm i x i n gi n t e n s i t y ( g ) o f t h ef i r s ta 1 1 ds e c o n ds t a g e sw e r e7 0 一8 5s 。a 1 1 d2 0 3 0s ，r e s p e c t i v e l y ；a n dt h et o t a l m i x i n gt i m ew a s9 一1 2m i n ；t h et i m er a t i oo fm et w os t a g e sw a s2 ：1 ；t i l eg tw a s 2 8 3 4 3 2 10 4 w h e np a cw a su s e da sc o a 2 u l a n t ，t h ego ft h e6 r s ta n ds e c o n d s t a g e sw e r e6 5 8 0s a 1 1 d1o - 2 0s ，r e s p e c t i v e l ) r ；a n dt h et o t a lm i x i n gt i m ew a s6 - l0 m i n ：t h e t i m er a t i oo f t h e t w os t a 2 e sw a s1 ：1 ：m eg t w a s1 6 2 2 7 1 0 4 ( 2 ) d e c r e a s i n gt h ep ho fr a ww a t e rr e s u 】t si na ni n c r e a s ei n 山et u r b i d i t y ，t o c a n du v 2 5 4r e m o v a l t h eo p t i m a lp hi s5 0 6 of o ra s w h i l eg o o de m c i e n c yc a l lb e g o tu n d e rp h = 4 5 7 ，5c o n d j t j o nw h e np a c i su s e d ( 3 ) t h ec o n t a c tt i m ea n dm i x i n gi n t e n s i t yo fa i rb u b b l ea n dn o ch a v eag r e a t e h e c to nt h er e m o v a lo ft u r b i d i t 、，：a n dt 1 1 eo d t i m a lc o n t a c tt i m ei s15 2m i n m o r e o v e lt h ew a t e rs h o u l db ek e p tt u r b u l e n ti nc o n t a c tz o n e ( t h egw a s15s 1 ) b e c a u s et u r b u l e n c ei sv e r yu s e f u lf o rc o n t a c ta j l dc o l l i d eo fa i r b u b b l ea 1 1 dn o c ，w h i c h c a n l e a d t oh i g hc o n 9 1 u t i n a t i o ne m c i e n c y t h e n t h e g t w a so 1 4 - o 1 8 1 0 4 ( 4 ) n l eo p t i m a lp a r a m e t e r so fc c d a f p r o c e s s e sa r ea sf o l l o w s ：h y d r a u l i cl o a d i s7 9m m ：r e n u xr a t i oi s1 0 ( 5 ) t h ec c c d a f fc a ne f f i c i e n t l yr e m o v et u r b i d i t ya 1 1 dt o c t h es p e c i a l f l u x i o nw a yo fw a t e rm a d et h et i n yn o c w h i c hw a sh a r dt od e p o s i t h o l du pb vt h e a b s t r a c t s u s p e n d e ds c 哪l a y e r u s i n ga s a sc o a g u l a l l ta g e n t ，t h et u r b i d i t yo fc c d a f e f f l u e n t w a s1 2 0 n t u ，t o ca n d u v 2 5 4 w e r er e m o v e db y1 8 5 a n d1 7 7 ：t h e t u r b i d i t yo f n l t r a t i o n e m u e n tw a s0 2 1n t u ，t o ca i l du v 2 5 4w e r er e m o v e db y1 9 5 a n d 1 7 7 。u s i n gp a c a sc o a g u l a j l ta g e n t ，t h et u r b i d i t yo fc c d a f e m u e n tw a so 7 9 n t u ，t o ca 1 1 du v 2 5 4w e r er e m o v e db y21 6 a 1 1 d18 2 t h et u r b i d i t yo f n l t r a t i o n _ e f f l u e n tw a so 1 5n t u ，t o l ca n du v 2 5 4w e r er e m o v e db y2 2 7 a n d 1 8 9 k e y w o r d s ：m i c r o p o l l u t e dw a t e r c o a g u l a t i o n ，d i s s o l v e da i rf l o t a t i o n ，f i l t r a t i o n i i i 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、己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：桂喾营 m 彳年彳月f 日 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：却裂学 y 一石年占月f 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。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 。 = = ： i 内部。5 年( 最长5 年，可少于5 苹) - 叠= - 一 i 秘密l d 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 一i 。j ：- ，= _ l 机密2 0 年。( 最长2 0 年，可少于2 0 年) l 。一。j 。女 ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水源水体污染现状 随着工业化的发展和人类物质生活水平的提高，水环境的污染已是当今世 界范围内普遍存在的问题，特别是长期以来对水资源“开采一利用一污水排放” 的利用模式，使我国大部分城市和地区的饮用水水质恶化、水生生态系统被破 坏，许多饮用水处理厂的水源也受到不同程度的污染，近5 0 的重点城镇水源 不符合饮用水取水标准【l 2 j 。由于我国城镇饮用水源多为附近河道及湖泊水库， 所以其受污染状况值得我们关注。 1 1 1 主要江河、湖泊、水库水质污染状况 2 0 0 3 年中国环境状况公报显示，我国七大水系4 0 7 个重点监测断面中，3 8 1 的断面满足i 类水质要求，3 2 2 的断面属、v 类水质，2 9 7 的断面 属劣v 类水质。其中七大水系干流的1 1 8 个国控断面中，i i i i 类水质断面占 5 3 4 ，、v 类水质断面占3 7 3 ，劣v 类水质断面占9 | 3 吲( 图1 1 ) 。其 图1 12 0 0 3 年度七大水系水质类别比例 中海河水系污染最严重，劣v 类水质断面占5 0 以上；辽河水系总体水质较差， 劣v 类水质断面占4 0 6 ；黄河水系总体水质较差，支流污染普遍严重；淮河 第一章绪论 千流以类水体为主，支流及省界河段水质仍然较差；松花江水系以类水体 为主；珠江水系、长江干流及主要一级支流水质良好，以i i 类水体为主。 在南水北调工程( 东线) 沿线监测的1 2 个断面中，i i 类水质断面1 个，占 8 3 ；类水质断面3 个，占2 5 o ；v 类水质断面有2 个，占1 6 7 ；劣v 类水质断面有6 个，占5 0 o 。主要污染指标是氨氮、生化需氧量和高锰酸盐 指数。 2 0 0 3 年度监测的2 8 个重点湖库中，满足i i 类水质的湖库1 个，占3 6 ： i i i 类水质湖库6 个，占2 1 4 ；类水质湖库7 个，占2 5 o ；v 类水质湖库 有4 个，占1 4 3 ：劣v 类水质湖库有1 0 个，占3 5 7 。( 表1 1 ) 表1 12 0 0 3 年度重点湖库水质类别统计 水体湖泊个数t = 面耍_ 型需凳萼笔丽主要污染指标 三湖3 0 o3总磷、总氮 大型淡水湖 城市湖 大型水库 总计 1 0 5 1 0 2 8 总磷、总氮 总磷、总氮 总磷、总氮 总磷、总氮 生丛堑21 1 1 ：i ：i ：! ! ! ：i 对4 7 个环保重点城市集中式饮用水源地水质监测结果表明，2 1 个城市的所 有饮用水源地水质达标，但有2 6 个城市有不同程度的超标。其中地表水主要超 标项目为总氮、粪大肠菌群、五日生化需氧量等，地下水主要超标项目为总硬 度、硫酸盐等。 从以上指标可以看出，在人口快速增长和工农业生产迅速发展的背景下， 要想使受到污染的水源水质在短期内得到恢复是不现实的。所以，在我国淡水 资源本来就十分紧缺的前提下，受污染水源水的利用迫在眉睫，也催促我们水 处理工作者及时研究改进水处理工艺，满足人民对饮用水水质的要求。 1 1 2 微污染水体主要污染物质及其危害 饮用水水源的污染，可以导致水处理成本急剧增加，常规水处理工艺生产 2 第一章绪论 出的水难以达到饮用水水质标准，还可能造成供水有异味、异臭、口感不适等 影响人们正常生活的情况【4 jj 。当前，水源污染主要是有机物污染，同时许多有 机物是消毒副产物的前体，致使水的安全性受到影响，a m e s 致突变呈现阳性。 了解水中污染物种类及危害对水处理水平的提高至关重要。 通常，水中含有悬浮的和胶体状分散固体，同时也含有溶解及胶体形态的 有机物。水中的有机污染物质主要来源于两个方面：一是由动植物腐烂生成的 天然有机物质( n o m ) ，以富里酸( f a ) 和腐植酸( h a ) 为代表，它们通常是 “三致”物的前驱物( 如t h m f p ) ；二是由于人类排放生活污水和工业废水带 来的人工合成有机污染物( s o c ) ，例如农药和挥发性有机物质( v o c ) ，其中 很大一部分本身就是“三致”物质。有机化合物进入自然环境后，与土壤或沉 积物中的有机质、矿物质等发生一系列物理化学反应。如分配、物理吸附、化 学吸附、生物富集作用、挥发作用、光解作用等，使水中溶解性部分浓度下降 而转入固相或气相中去。在一定的条件下，吸附到土壤和沉积物上的有机化合 物又会发生各种转化，重新进入水中，甚至危及水生生物和人体健康。下面对 这两种有机物组成特点及危害进行简单介绍。 ( 1 ) 天然有机物( n o m ) 组成及特点 典型的n o m 不超过2 0 类，这些有机物大部分呈胶体状，部分呈真溶液状 或悬浮物状。在天然水体中绝大部分有机物为有机腐殖质类物质，但受污染的 水源中还会有耗氧有机物、藻类有机物和非溶解性有机物。 腐殖质是土壤的有机成分，是由动植物残体通过化学和生物降解以及微生 物的合成作用而形成的弱酸型的多分散物质。一般认为水生腐殖质的摩尔质量 在5 0 0 1 0 0 0 0 之间，主要分布在5 0 0 2 0 0 0 。人们在水处理中对它的定义是： 能溶解在o 1 当量的n a 0 h 溶液中的土壤中的物质和在p h = 2 o 能沉淀的或保留 在水中但能吸附到非极性树脂上的水中的物质称腐殖质。腐殖质是n o m 的主要 组成部分，约占天然水中溶解性有机碳( d o c ) 的4 0 6 0 ，而在高色度的地 面水中，这一比例有时高达9 0 以上。同时，腐殖质也是地表水的成色物质和 t h m f p 。腐殖质中5 0 6 0 是碳水化合物及其关联物质，1 0 3 0 是木质素及 其衍生物，1 3 是蛋白质及其衍生物。根据其溶解性能的不同，其组成可以 分为三类：富里酸( f a ) 、腐殖酸( h a ) 和黑腐物。 耗氧有机物包括蛋白质、脂肪酸、氨基酸、碳水化合物、油脂、酯类等有 3 第一章绪论 机物质。水源中的此类有机物一般来源于生活污水和工业废水的排放，总量大， 污染范围广，是一种普遍性的污染。耗氧有机物一般不具毒性，易为微生物分 解。但这类有机物通过消耗水中大量的溶解氧使水质恶化，破坏水体功能，并 且它们的分解常释放出n 、p 、s 等营养物质，使水体中水生植物和藻类大量繁 殖，从而容易引起水体的富营养化。 藻类有机物是藻类的分泌物及藻类尸体分解产物的总称。藻类在其生长过 程中由于新陈代谢从体内排出一些代谢残渣以及细胞分解产物，即藻类分泌物， 这类有机物一部分溶于水中，另一部分仍吸附在藻类的表面。其中溶于水的那 一部分中糖类物质约占6 0 左右，主要是葡萄糖、半乳糖、木糖、岩藻糖等， 其余4 0 则含有氨基酸、有机酸、糖醛、糖酸、腐殖质类物质和多肽等。 非溶解性有机物主要指被大分子有机物包裹的颗粒及生物态颗粒有机物和 油的乳浊液。生物态颗粒有机物主要是一些微生物( 藻类、细菌) 及其尸体( 细 胞碎片) ，也可能有其它有机碎片、原生动物及后生动物。 由于n o m 往往意味着令人不愉快的嗅和味，它的存在可能导致水体颜色 表现为褐色或黄色，细菌大量繁殖；n o m 是吸附在其上的憎水有机或无机污染 物的潜在传输体；同时n o m 的存在导致混凝剂和消毒剂耗量的增加，以及消毒 副产物( d b p s ) 等问题。近年来人们已不断增加对饮用水中有机物去除效果的 关注，特别是d b p s 往往能被皮肤吸附或通过呼吸进入人体，直接危害人体健康。 n o m 的存在同时也给水处理工艺带来许多问题。腐殖质能够吸附在胶体和 悬浮物( 粘土、细菌、病毒、藻类等) 的表面，使之更加稳定，这无疑增加了 处理的难度；而去除溶解性的富里酸、腐殖酸较之去除无机的胶体及悬浮物更 为困难。未能有效去除的腐植物在供水管道中形成软垢，被管网中的余氯缓慢 氧化、转化成可生物降解溶解性有机物，为细菌的滋生提供了条件；并且在加 氯后还会产生氯代或非氯代的d b p s ，而如果改用臭氧消毒，则会生成能导致管网 中微生物激增的d b p s ；在饮用水活性炭吸附工艺中，腐殖质与其它要处理的微 量化合物( 杀虫剂、嗅和味以及一些工业微污染物) 竞争，大大降低了活性炭 的工作寿命，同时加剧了活性炭微孔的阻塞；它们还是造成膜或离子交换树脂 不可逆阻塞的主要原因，在很大程度上降低这些装噩的产水能力。因此，有效 去除水中腐殖质的研究对于改善提高供水水质、保障公众健康及水的深度处理 具有重要的意义。 4 第一章绪论 ( 2 ) 人工合成有机污染物( s o c ) s o c 一般是通过它本身及其化学组成对生物或人体健康造成危险的有机化 合物，这类物质一般具有阈值，即在一定浓度限度以上均具有毒性，因为它们 内含一些具有危害性的功能团，会抑制或破坏生命组织的功能；并且现代医学 的发展证明，即使在低浓度下，这类有机物也可能对人体健康和环境造成严重 的、甚至是不可逆的影响。这类有机物在天然水体中往往难于降解，并具有生 物累积性的“三致”作用或慢性中毒，而且分布面极广。有的有毒有机污染物 通过迁移、转化、富集，其浓度水平可提高数倍甚至上百倍，对生态环境和人 体健康是一种潜在威胁。 ( 3 ) 水源水中的有机污染对传统水处理工艺的影响 水源水中的有机污染物给公众的健康带来了较大的危害，并且传统净水工 艺不能满足出水要求，主要集中表现在以下几个方面： 水中有机污染物大多是带负电荷的化合物，它们的存在使水的z e t a 电位 升高，要保证一定的出水水质，需要投加过量的混凝剂和氯，从而增加了水处 理成本。而且，近来的研究表明，传统工艺无法去除某些有机污染物。 现有的水处理工艺对有机物的去除效率一般为2 0 到5 0 ，对氨氮的去 除率为1 0 左右，出水中有机物含量很高，且其中有些有机物具有致癌性。加 氯消毒使水中的致突变物质含量增加，对人体健康造成危害。据估计，我国有4 亿人饮用受到有机物污染的水。 有机污染物进入管网后，会被管壁上附着的微生物所利用，它们在氯化 消毒之后仍然存活，比起一般的微生物有更大的危害。它们能够腐蚀管壁，从 而使铁屑和重金属离子溶入水中，减少了管网的使用寿命，增加了输水能耗， 致使爆管事件经常发生。更令人担心的是从毒理学上考虑，这种反应能够形成 非生物稳定性的水，具有三致特性。 1 2 微污染水的净化处理工艺 从2 0 世纪7 0 年代开始，针对微污染水的水质特点，水处理研究人员开发 出许多净化新工艺，有的已经在实际中得到应用，取得了较好的效果。目前对 微污染水净化的主要是通过强化传统处理工艺、在常规处理工艺前增加预处理、 第一章绪论 在常规处理后增加深度处理等方法来实现。 1 2 1 强化传统处理工艺 强化传统处理工艺目前主要有强化混凝和强化过滤技术，不需增加新的设 施，只是在原有的工艺的基础上略做调整，因此具有投资省、运行管理简单等 特点。 ( 1 ) 强化混凝技术 强化混凝( e n h a l l c e dc o a g u l a t i o n ) 是在常规混凝处理基础上发展起来的去 除水中有机物特别是富含腐殖酸类有机物的一种处理工艺，相对与其他处理工 艺其成本较低且在原有处理设备上稍做改造就可实施。主要通过提高混凝剂的 投加量，调节原水的p h 值，优化水力条件，从而提高常规混凝法处理n o m 去 除效果，最大限度地去除包括消毒副产物前体物等有机物。去除效率的大小受 到混凝剂的种类和性质、混凝剂投加量及p h 值等因素的影响。 ( 2 ) 强化过滤技术 强化过滤是在普通的滤池基础上对滤速进行控制、使用新型滤池、用多层 滤料代替单层滤料以及投加助滤剂等来提高其去除有机物的能力。由于强化过 滤技术的关键是滤料，因此绝大多数的工作都是这对强化滤料展开的。目前国 内外研制的各种新型滤料都是朝着改善滤料表面特性的方向努力，用物理、化 学或生物的方法对传统滤料进行改性，改善其表面结构和性能。实践表明，改 性滤料能充分发地发挥在滤料表面增加巨大的比表面积和强化吸附能力，以及 与水中各类有机物、细菌、藻类接触过程中由表面涂料所产生的强化吸附和氧 化净化功能，其不但能净化大分子和胶体有机物，同时还可以大量吸附和氧化 水中各种离子( 包括重金属离子) 和小分子可溶性有机物。 1 2 2 在传统处理工艺前增加预处理设施 预处理通常是指在常规工艺前面，采用适当的物理、化学和生物的处理方 法，对水中的污染物进行去除，主要包括：吸附预处理；化学氧化预处理；生 物预处理。 6 第一章绪论 ( 1 ) 吸附预处理 吸附预处理是在混合池中投加吸附剂，利用其强大的吸附性能，改善混凝 沉淀效果来去除水中的污染物质。常用的吸附剂有粉末活性炭和黏土等。 投加粉末活性炭吸附和常规工艺的混凝对水中有机物的去除具有互补性， 通常配合使用，混凝对水中大分子量( 相对分子量3 0 0 0 1 0 0 0 0 ) 的有机物去除 效果较差：对粉末活性炭，大分子有机物难以进入i l 隙，去除效果差，对相对 分子量介于1 0 0 0 5 0 0 0 的有机物有较好的去除效果。所以先投加粉末活性炭， 吸附去除低分子量的有机物，二者协同作用，可大大提高微污染水中有机物的 去除率。投加粉末活性炭吸附的主要优点是设备投资省，价格较便宜，吸附速 度较快，对短期及突发性水质污染适应能力强。 ( 2 ) 化学氧化预处理 化学氧化预处理通常是依靠氧化剂的氧化能力来分解和破坏污染物，主要 目的是转化和分解污染物，控制消毒副产物，减轻后续处理工序的负担。此外， 还有除藻、除臭味、除铁锰和氧化助凝等方面的作用。目前常用的氧化剂有氯、 紫外光和臭氧等。使用这种方法能有效去除水中有机污染物的数量，并使有机 物的可生化性提高，但同时也可能产生一些致突变性及致癌的物质，如卤代有 机物，而这些卤代有机物难以在后续工艺中有效的去除。 ( 3 ) 生物预处理 生物预处理是指在常规净水工艺前，增设生物处理工艺，借助微生物群体 的代谢活动，去除水中的污染物。既改善了水的混凝沉淀性能，更好地发挥后 续处理的作用，也减轻了后续处理的负荷，延长砂滤或活性炭吸附等物化处理 工艺的工作周期和吸附容量，最大地发挥水处理工艺的整体作用，降低水处理 费用，更好地控制水污染。可生物降解有机物的去除，不仅减少了水中“三致” 物前体的含量，改善出水水质，也减少了细菌在配水管网中重新滋生的可能性。 我国目前正处于推广应用阶段，采用的反应器基本上都是生物膜型的，主要有 生物滤池、生物转盘、生物滤塔、生物接触氧化池等。该工艺的不足是运行效 果受到诸多因素的影响，尤其是水质、水温、操作管理水平等，与常规工艺相 比，启动时间稍长，需一定的成熟期。 第一章绪论 1 2 3 在传统处理工艺后增加深度处理设施 深度处理是在常规处理后，采用适当的处理方法，将常规处理不能有效去 除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除。目前较流行和成熟的技术主要有 活性碳吸附、光催化氧化、臭氧一生物活性炭联用技术、生物活性炭、膜技术 等。 ( 1 ) 活性炭吸附 颗粒活性炭( g a c ) 吸附是完善常规处理工艺去除水中有机污染物的成熟 有效的方法之。活性炭是一种多孔性物质，其中由微孑l ( 孔径小于4 0a ) 构 成的内表面积约占总面积的9 5 以上。活性炭对有机物的去除主要靠微孔吸附 作用，对b o d 、c o d m 。、色度和大多数有机物有突出的去除能力，能够有效去 除水中的致突变物质，使a m e s 试验阳性的水变为阴性。美国给水协会( a w w a ) 、 美国国家环保局( u s e p a ) 在对活性炭吸附三卤甲烷的能力进行研究后认为， 活性炭对三卤甲烷有一定的吸附能力，但使用周期较短。 目前研究在活性炭吸附的基础上还开发了生物活性碳工艺、臭氧一活性碳、 臭氧生物活性碳等工艺，在微生物作用、氧化、活性炭吸附等协同作用下提 高水的处理效果。如生物活性碳工艺，是利用活性炭表面丰富孔隙结构对有机 物及溶解氧的有效吸附能力为好氧微生物在活性碳表面的固定生长和繁殖提供 的有利条件，将生物降解与物理吸附相结合，提高了活性碳的吸附效率，延长 了其工作周期，降低了制水成本。臭氧一生物活性碳工艺是臭氧氧化、物理吸 附、生物氧化过程的结合，可使水中原来a m e s 试验检测为阳性的水质变为阴性， 同时使活性碳再生周期大大加长。 ( 2 ) 化学氧化 化学氧化是利用化学药剂的氧化性强化对有机物的去除的方法。具有简单 快速的优点，但各种氧化剂与原水中有机物反应产生的中间产物都可能对人体 产生一些毒害，因此也应对其进行控制。目前研究和应用较多的是臭氧氧化、 高锰酸盐氧化等。 与预氧化不同的是，化学氧化作为深度处理主要目的是去除有机物，同时 对水中的微生物、病毒进行灭活。如臭氧，其氧化还原电位为2 0 7v ，能氧化分 解水中的大部分有机物，且具有很强的杀菌作用，对水体中微生物、病毒的来 8 第一章绪论 灭活十分有效。但0 3 不能去除氨氮、对水中一些常见优先污染物特别是有机卤 化物无氧化效果，其本身极易分解，消毒无持久性，成本高，因此，一般不单 独使用0 ，去除水中有机物，多采用0 3 氧化与其他方法联用技术，如0 3 一活性 碳、0 3 一h 2 0 2 、0 3 一y 射线辐射等。 ( 3 ) 膜技术 膜分离法中反渗透( r o ) 、超滤( u f ) 、微滤( m f ) 和纳滤( n f ) 能有效 去除水中嗅味、色度、各种离子、消毒副产物前体、大分子如腐殖酸和灰黄霉 酸等多种有机物和微生物，其中反渗透和超滤是两种最常见的膜分离技术。反 渗透对水中有机物的去除率达9 0 以上，但对不同分子量的有机物去除程度是 不同的。超滤可以去除水中高分子量有机物，有机物去除量的界限还与超滤膜 的截留分子量有关。由于目前超滤膜截留的有机物分子量比较高，所以水中低 分子量有机物无法用超滤膜进行去除。膜分离法要求对原水进行严格的各种预 处理，要有相应的除浊、调节p h 、杀菌、防垢、降低有机物浓度等措施，避免 膜淤塞及污染。 1 3 1 混凝基本理论 1 3 混凝机理与研究进展 ( 1 ) 双电层理论1 0 “ 胶体颗粒之间存在范德华引力和静电斥力，其稳定性取决于两者的相对大 小。静电双电层斥力可部分甚至全部地抵消范德华引力而使微粒保持稳定。因 此，将静电双电层斥力v r 和范德华引力v 。综合成相互作用势能v t 。经过计算 后的v t h 势能曲线如图1 所示，横坐标h 为间距。 当胶体颗粒间距接近到一极限值时，双电层作用强烈，v r 远大于v 。，v t 急 剧上升。在短距离内，由于v 。大于v 。，v t 迅速下降达到一极小值，即第一极 小值。随胶体颗粒的间距增大，在较远间距处产生另一极小值，即第二极小值。 因此，在第一极小值与第二极小值间存在势垒，胶体颗粒的凝聚絮凝作用通 常发生在势垒为零或很小时，微粒凭借动能克服势垒障碍，一旦越过势垒，颗 9 值处却有可能抵挡胶体颗粒动能，颗粒可在第二极小值处聚结。由于胶体稳定 性与电位具有直接相关关系，因此根据d l v o 理论，假如双电层厚度减少， 电位降低到某一最小值，则颗粒间的相互作用势能就会上升，导致壁垒下降， 胶体颗粒依靠动能就能越过势垒而碰撞聚集，从而脱稳。 + 斥 力 萎。 噘 力 t 入i ，r 、 b 。r n 斥力 7 腻 悭二l 帕 | f 。 图1 2 胶体颗粒问的位能曲线 杖子间距 ( 2 ) 化学机理 压缩双电层：它是基于颗粒相互作用的d l v 0 理论提出的，强调凝聚物 理理论的作用，忽视了水溶液中反离子水解形态的专属化学吸附作用，认为溶 液中加入电解质后离子浓度增大，扩散层受到压缩，l 电位降低，胶体颗粒间 的相互排斥力减小。当i 电位达到临界电位时，胶体颗粒失去稳定性，颗粒碰 撞发生凝聚。 吸附电中和：带有正电荷的高分子物质或高聚合离子吸附负电荷胶体粒 子后产生电性中和作用，导致胶粒电位降低，使胶体的脱稳和凝聚容易发生。 但胶体颗粒与高分子物质或聚合离子之间的吸附并不仅由静电引力起作用，还 有某种专属化学作用。众多研究者认为，高分子物质对胶体粒子的吸附驱动力 第一章绪论 有氢键、共价键、极性基团、静电引力及范德华力等。生成正电荷的水解聚合 形态在负电荷颗粒表面的专属吸附作用使胶体颗粒发生电中和脱稳。因此，胶 体粒子可以通过专属化学作用吸附更多的聚合离子，甚至使胶体粒子成为带有 相反电荷的粒子。 压缩双电层和吸附电中和虽然都使胶体粒子电位降低，但二者作用机理 不同。压缩双电层是增加溶液中反离子浓度，使胶体颗粒扩散层厚度减小，导 致i 电位降低。它不是将溶液中的反离子吸附到胶核表面，只是纯粹的静电作 用。因而胶核表面的总电位保持不变，胶体颗粒的电荷也不会改变符号；吸附 电中和则是异号电荷聚合离子或高分子直接吸附在胶核表面，因而胶体颗粒总 电位降低，甚至改变电荷符号。压缩双电层通常由简单离子( 如n a + 、c a “、a 1 “ 等) 起作用，而吸附电中和通常由高分子或聚合离子起作用。水合金属离子或 第一级水解单体离子有强烈的溶剂化作用，它们在胶体颗粒表面的吸附不可能 使胶粒改变电荷符号。而分子量较大但平均电荷相对较低的水解聚合形态的溶 剂化作用较弱，因而具有强烈的吸附作用，且净电荷量远高于单体离子，这就 有可能改变胶粒表面的电荷符号。 粘结架桥：有机高分子絮凝剂或三价铝、铁盐絮凝剂的水解产物，形成 具有线型结构的高分子聚合物。这类高分子物质可强烈吸附胶体粒子。聚合物 在胶粒表面的吸附起因于各种物理化学作用( 范德华引力、静电引力、氢键、 配位键等) ，吸附作用取决于聚合物和胶粒表面化学结构的特点。因聚合物线性 尺寸大，它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另外的胶粒，这就在两个胶 粒间产生吸附架桥作用，使颗粒逐渐变大，形成粗大絮凝体。 发生粘结架桥要有一些前提条件：同种电荷的胶粒与絮凝剂间的絮凝要求 至少一方的负电性较弱；被絮凝的胶体颗粒应电中和脱稳到一定程度，以便胶 体颗粒彼此接近到有利于吸附架桥的距离；只有絮凝剂投加适量，才能在胶粒 间产生有效架桥作用，达到较好絮凝效果。 卷扫絮凝：以高价金属盐作絮凝剂，当投加量大到足以迅速产生金属氢 氧化物沉淀时，水溶液中胶粒和细微悬浮物可被这些沉淀物在形成时作为晶核 或吸附物质而网捕。当水溶液中胶粒本身作为这些沉淀物的核心时，絮凝剂最 佳投药量与被去除的物质浓度成反比，即胶粒越多金属凝聚剂投加量越少。 】1 第一章绪论 ( 3 ) 动力学机理 无论是对于凝聚还是对于絮凝，微粒之间的相互接近或碰撞都是必要条件。 假设某体系在电解质的作用下，微粒间的静电斥力被减小到了最低，即已“脱 稳”，但微粒之间缺乏相对运动，则体系的聚结稳定性仍然是不能被有效地破坏 的。因此，“絮凝”实际上是通过胶体或悬浊体系提供必要的化学和流体力学条 件，促使微粒体积变大从而与介质分离的过程。 异向絮凝：异向絮凝中微粒的碰撞由其布朗运动造成，碰撞频率决定于 微粒的热扩散运动。即使在完全脱稳的情况下，异向絮凝也是极其缓慢的。 同向絮凝：由于依靠布朗运动的异向絮凝速度太慢，不能单独应用，特 别是当微粒相互碰撞聚集变得较大后，布朗运动就会减弱甚至停止，絮凝作用 就会减弱甚至不再会发生。但是，长期以来人们观察到，缓慢地搅动会助长絮 凝，这是因为搅动会引起液体中速度梯度地形成，从而引起微粒间相对运动而 造成微粒地相互碰撞。 搅拌强度用相邻两水层中两个颗粒运动的速度梯度来衡量。速度梯度g 是 指垂直与水流方向的两水层间的速度差幽和两水层距离咖的比值。 g = d “d y( 1 1 ) 对相邻水层中的两个颗粒来说，速度差越大，速度快的颗粒越易赶上速度 慢的颗粒引起碰撞；而两水层间距越小也越易相碰。因此，速度梯度g 实质上 反映了单位时间单位体积中颗粒的碰撞机会或次数。 混凝过程中要求水流有适宜的搅拌强度，既要为细小絮体的逐渐长大创造 良好的碰撞机会和吸附条件，又要防止己形成的较大矾花被碰撞打碎。因此， 絮凝搅拌强度比凝聚阶段要小，但时间比较长。 1 3 2 强化混凝技术 强化混凝就是确定混凝的最佳条件，发挥混凝的最佳效果，是一种不需要 额外增加高额投资而能在现有处理构筑物基础上控制d b p s 形成的重要的处理 方法【8 o 在美国，该工艺己被美国环境保护局( u s e p a ) 列为消毒消毒副产物 条例( d d b pr u l e ) 第一阶段控制n o m 的最佳方法。 第一章绪论 强化混凝单元操作通过选择合适的絮凝剂和助凝剂、高投药和p h 值调节， 甚至还涉及混凝的合适水力学条件等，以达到强化混凝的目标：保证后续固液 分离工艺最大的颗粒物和浊度的去除，最大的t o c 和d b p s 的去除，产生最少 的絮凝剂残余和污泥，最少的运行费用。另外影响强化混凝的因素还有水中的 n o m 的性质、碱度、无机离子、温度和浊度等。一般对于某一确定的原水，必 定有一最佳的混凝条件，而在该条件下所做的混凝方式就是所谓的强化混凝1 9 j 。 美国在8 0 年代后颁布了消毒消毒副产物( d 巾b p s ) 条例，规定了原水不 同总有机碳( t o c ) 浓度和碱度情况下有机物的去除率。 许多研究表明，强化混凝对u v 2 5 4 波长下水样的紫外吸光度的去除率要高于 对t o c 和d o c ( 溶解性有机碳) 的去除率。表1 _ 2 是r o b e r tc c h e n g 等人【1 0 j 对美国s p w 河水进行强化混凝的试验结果。可以看出，在各种硫酸铝投加量及 p h 条下，强化混凝对u v 。的去除率均高于相应的t o c 去除率。这说明，强化 混凝能优先去除水中芳香类的天然有机物，即腐殖酸类n o m 。另外，从该表也 可以看出，增加絮凝剂投加量、降低水的p h 都起到了提高有机物去除率的作用。 表1 2 强化混凝对美国s p w 河原水u v 2 5 4 和t o c 去除率 ( 1 ) 调节原水口h 值 研究表明，强化混凝可以有效地去除胶体类、腐殖酸类和高分子类的d b p s ， 而对溶解性的非腐殖酸类和低分子d b p s 去除效果相对较差。通过强化混凝水中 的n o m 可去除6 0 以上。a m ye c h i l d r e s s 等等的研究结果表明采用硫酸 铝为絮凝剂时，t h m s 前驱物质去除的最佳p h 为5 5 ；在铝盐投量低时腐殖酸 与铝形成了铝一腐殖酸的络合物，而在高投量时，腐殖酸吸附在铝氢氧化物沉 淀上。同时低s u v a ( u v 。t 0 c ) 表明水中腐殖酸含量较低，强化混凝对此类 3 第一章绪论 水的处理效果较差。一般情况下，天然有机物去除的最佳p h 为5 6 ，因此碱度 不同的水需要预先采用酸和石灰调节p h 。j e g r e g o r y 等l l 3 】却认为投药前将水体 d h 调到4 5 之间，铝盐与腐殖酸间可形成溶解性的a 1 h a 络合物，然后它们 之间相互连接形成不溶解的架桥络合物，这些物质可作为大絮体形成的核。水 中二价阳离子的存在可以减少絮凝剂的用量，而高含量b r 一的存在导致溴化的 t h m s 的增加，从而提高絮凝剂的投加量；氨离子的存在也会产生类似的影响。 j i n m i n gd u a n 等【1 5 】研究了硫酸铝絮凝剂在高盐度水中对腐殖酸的混凝过程，认 为p h = 6 左右为最佳混凝区域，水中a l “浓度处于过饱和状态，此时它与腐殖酸 的混凝作用主要是共沉淀，当然同时也发生强烈的电中和作用。 然而g i lc r o w s 等【8 】认为采用氯化铁为絮凝剂时，调节p h = 6 o o 2 时，水 中的n o m 去除率高达6 5 ，絮凝剂投药减少6 0 。c 1 1 r i s t i a l lv 0 1 k 等【l 叫确定在 低p h 时铁盐絮凝剂的去除有机碳的效果比铝盐和聚合铝都好：此外他们对1 0 个水样点的研究结果证明强化混凝与目前工厂中的传统混凝相比，溶解性有机 碳( d 0 c ) 去除率从2 9 提高到4 3 ，可生物降解溶解性有机碳( b d o c ) 从 3 0 到3 8 ，但可生物同化有机碳( a o c ) 不受混凝的影响。w e np oc h e n g 研 究旧了聚合硫酸铁p f s 与腐殖酸的作用，低p h 时它们之间的混凝作用主要是 电中和，当溶液p h 升高时，h a 不易吸附到氢氧化铁及其阴离子上，氢氧化物 负离子降低了形成p f s h a 络合物的趋势；在低p h 到中等p h 范围内，铁水合 离子与h a 的官能团间络合过程和水解反应是相互竞争的，h a 的去除主要是因 为其与p f s 通过电中和作用形成了络合物。 ( 2 ) 新型絮凝剂的开发 絮凝剂是强化混凝技术应用中