（环境工程专业论文）混凝—气浮工艺处理高藻水的试验研究.pdf

ab s t r a c t m i c r o c y s t i s a e r u g i n o s a ( m a ) i s t h e p r e p o n d e r a n t a l g a e i n e n t r o p h i c a t io n w a t e r , w h i c h h a s m i n o r s i z e a n d c o u l d p r o d u c e h a r m f u l p o ll u t a n t s l i k e m i c r o c y s t i n s . t o s u c h r a w w a t e r o f h ig h a l g a e , s a t i s f y i n g e ff c e t i v e n e s c a n h a r d l y a c h i e v e b y n o r m a l c o a g u l a t i o n - s e d i m e n t a t i o n p r o c e s s . i t i s r e p o r te d t h a t d i s s o l v e d a i r f l o t a t io n ( d a f ) p r o c e s s w a s e ff e c t i v e t o t r e a t t h i s s u s p e n d s o l i d ( s s ) - l a d e n w a t e r . s o d a f i s i n t r o d u ced恤面， s t u d y . d u r i n g t h e p a p e r , b a s e d o n l a b o r a t o ry c u l t u r e d mi c r o c y s t i s a e ro g i n o s a , r e s e a r c h t h e d i s p o s a l e ff e c t o f h i 沙 a l g a e ， w a t e r t r e a t e d b y p i l o t t e s t i n g o f c o a g u u a a t i o n - d i s s o lv e d .a i r f l o t a t i o n . s e l e c t i v e a n a l y z e t h e d o s a g e o f fl o c c u l a n t , p h , r a p i d m ix 吨 i n t e n s i t y a n d t i m e , fl o c c u l a t i o n i n t e n s i t y a n d t i m e , t h e d i s s o l v e d a i r r a t i o e t c , a n d c o n fi r m t h e b e s t r a n g e o f d i f f e r e n t p a r a m e t e r s . b e s i d e s , u n d e r t h e b e s t o p e r a t i n g c o n d i t i o n , p r e - o x i d a t i o n 伽r m a n g a n a t e p o t a s s iu m , c h l o r i n e , h y d ro g e n p e r o x i d e ) o n a l g a e r e m o v a l e ff e c t b y a i r f l o t a t i o n w a s c o n t r a s t e d . t h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t : d o s a g e a n d p h a r e t h e k e y t o e f fl u e n t w a t e r . d u r i n g 阮 t e s t , w h e n p h r a n g e d f ro m 7 .4 7 t o 6 .0 4 a n d t h e d o s a g e o f c o a g u l a n t d i s c r e a s e d f r o m 5 0 p p m t o 3 0 p p m t h e a l g a e r e m o v a l e f fi c i e n c y c o u l d i m p r o v e t e n p e r ce n t a g e p o i n t s . f r o m t h i s i t c a n b e t h a t d e c r e a s i n g p h c a n b o t h i m p r o v e t h e a l g a e r e m o v a l e ff i c i e n c y a n d r e d u c e t h e d o s e o f c o a g u l a n t . o t h e r o p t i m a l p a r a m e t e r s o f c o a g u l a t i o n - d i s s o l v e d a i r f l o ta t i o n a r e : m i x i n g r o t a t e s p e e d is 4 5 0 r / m i n ( g v a l u e i s 5 5 0 s -1 ) , t h e f i r s t s ta g e o f fl o c c u l a t io n m i x in g ro t a te s p e e d i s 1 5 0 r / m in ( g v a lu e is 1 0 6 s ) , t h e s e c o n d s t a g e o f fl o c c u la t i o n m ix 吨 ro t a te s p e e d i s 5 0 r / m in ( g v a lu e i s 2 0 s 1 ) , m i x i n g ti m e is 6 0 s , to t a l fl o c c u la ti o n ti m e i s 1 0 m i n , 由 .d i s s o l v e d a i r r a t io i s 1 0 % , s t a ti c s e p a r a t i o n t i m e i s 7 m i n . u n d e r 山 e o p ti m a l o p e r a ti o n a l c o n d i t i o n , t h e a l g a e r e m o v a l e ffic i e n c y c o u l d a c h i e v e m o r e t h a n 卯 %. a d d i n g p r e - o x i d a ti o n b e f o r e t h e c o a g u l a t i o n - d i s s o l v e d a i r f lo t a t i o n p r o c e s s , t h e a lg a e r e m o v a l e ff e c t h a s b e e n r a is e d r e m a r k a b l y . b u t u n f o r t u n a t e l y c h lo r i n e a n d h y d r o g e n p r e - o x i d a t i o n s t i m u l a t e t h e r e l e a s i n g o f t h e i n t r a ce ll u l a r c o m p o n e n t s o f 1 1 a l g a e t o m a k e e fl u e n t w254 i p m - g i v e s 血 b e st p r e - o x i d a t i o n i n t h e 口 姆t 创. e : e y w o n 如 :fl o t a t i o n , a l g a ep r e - o x i d a t i o n m 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 : 被, t 红 7 0 0 7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。 指导教师签名: 争流今学位论文作者签名: 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: 内部 5 年 ( 最长5 年， 可少于5 年) 秘密*1 o 年 ( 最长i s 年， 可少于1 o 年) 机密*2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于20年) 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。 第一章 引言 第一章 引言 第一节 藻类污染的水质特征与危害 近年来，随着工农业生产的迅速发展，大量含有氮和磷的工业废水及生活 污水排入水体，为藻类的 生长繁殖提供了 大量的营养， 使天然水体的富营养化 日 益严重。 水体富营养化的加剧带来了一系列的环境问题， 造成了多方面的危 害 g , 1l 1 . 1 . 1对水体与环境的影响 使水味变得腥臭难闻:富营养化水体中的一些藻类能 够散发出腥味异臭， 向 水体四 周的空气扩散， 直接影响到附近人们的正常生活， 给人带来不舒适的 感觉。 降低水体的透明度:富营养化水体中的蓝绿藻等优势藻浮在水体的表面， 形成一层 “ 绿色浮渣” ，使湖水混浊，透明度明显降低，水体的感官性状大大降 低。 影响水体的溶解氧:在水体表面，藻类可获得充足的阳光和二氧化碳以进 行光合作用而放出氧气，水面溶解氧较为充足。但在水体深层，由于表面藻类 密集，阳光难以 透入，藻类的光合作用明显受抑制而减弱，使溶解氧来源减少。 藻类死亡不断沉积、腐烂分解，也消耗水体深层的大量溶解氧，甚至使水体出 现厌氧状态而导致水体中鱼类等生物的死亡。此外，这还会触发或加速底泥积 累的营养物质的释放， 造成水体营养物质的高负荷，形成富营养水体的恶性循 环。 除 此之 外， 水体的富 营 养 化还会 使的 水体的p h值升高， 破坏 水体的生态平 衡等. 1 . 1 . 2对饮用水生产的影响 湖泊、水库一般是当地的主要饮用水水源，与人民生活息息相关。因此， 第一章 引言 富营养化现象对饮用水生产的影响最引人注目 ，而这些影响主要是藻类及其代 谢的有机物引起的。 对水厂运行的影响:由于水中微小藻类的密度小，故不易在混凝沉淀中去 除。大量未除去的藻类进入虑池，会造成虑池堵塞，使其运行周期缩短，反冲 洗水量增加，严重时可能会引起水厂被迫停产。同时，由于水中大量藻类、有 机物和氨氮的存在，使得混凝剂和消毒剂用量大大增加，增加了制水成本，而 且舰等消毒剂用量的增加会导致水中消毒副产物含量的进一步升高，降低饮用 水的 安 全性9 7 ， . ， .3对饮用水水质的影响 a )藻 类致臭 水中产生臭味的微生物主要是放线菌、藻类和真菌。在藻类大量繁殖的水 体中，藻类一般是主要的致臭微生物。藻类产生的臭味很难用常规净水工艺去 除， 使 城市 供 水中 出 现不 愉 快气 味， 引 起 用户 对 水 质感 官 上的 不 满cu b )藻类产生 毒素 某 些 藻 类 能 够 分 泌、 释 放 有 毒 性 的 物 质 i(3 . 在 所 有 的 淡 水 藻 类中 ， 毒 性 最 强 、 污染范围最广且最严重的藻类多为引起水华的蓝藻门，能产生藻毒素的如铜绿 微囊藻、鱼腥藻等。 这些毒素进入水体中若被牲畜饮入体内，可引起胃 肠炎症， 人 若 饮 用也 会 发 生 消 化 道炎 症、 肝癌 和 脾 脏 疾 病 等， 剂 量 讨 库时 可导 致 死亡 (b 近几年来，许多国家都有以 饮用或接触藻类污染的水体而引起动物死亡和人类 疾 病 的 报 道 闭 . 水中藻类代谢的有机物还是产生消毒副产物的母体物质，在氛消毒过程中 不但会产生挥发性较强的 三卤甲烷 ( t h m s ) ，而且会产生危害更大、沸点较高 的卤乙酸 ( h a a s )等三致性更强的卤代有机物。 1 . 1 . 4对管网和管网水质的影响 穿透虑池进入管网的藻类和水中残留的生物可同化有机物成为微生物繁殖 的基质，促进细菌生长、甚至可能在管网中生长较大的有机体如线虫和海绵动 物等， 这些浮游 生物很 难消除， 严 重时 可堵塞 水表、 水龙头o 。 细菌的 再 度繁殖 还会造成管网水质的恶化，并加速配水系统的腐蚀和结垢，使管网服务年限缩 第一章 引言 短。此外，水中腐殖酸和富里酸具有与水中的无机离子及金属氧化物发生离子 交换和络合的特性，往往和水中的无机颗粒结合在一起，它们会在管道流速较 小的地方沉积下来形成管垢， 在沉积较厚的地方因厌氧而发生腐殖质的腐化和 垢下 腐蚀， 影响管网 水质并 增加动力消 耗19 ) 第二节 给水水源藻类去除技术 由 于大量藻 类及其分泌的毒素 对环境及人类生活的影响， 应对其进行控制、 消除。首先，可通过在水源源头通过营养盐的限制排入、采取生态工程控藻等 措施控制水体中 蓝藻暴发性生长。 其次， 在饮用水制水工艺中， 可通过采用合 适的水处理单元技术去除水中藻类，目 前富营养化水中藻类去除单元技术可归 结为物理、化学和生物方法等三种。 1 . 2 . 1物理法 1 )过滤机除藻 微滤是一种简单的物理过滤方法，与其它过滤不同的是采用了滤网，以除 去水中大于或等于滤网孔径的浮游动物和藻类。但有研究表明:虽然滤网对藻 类的去除效果优于混凝沉淀，但对浊度、色度、c o d m.的去除率都很低，远不 如混凝沉淀。 ( 2 ) 直接过滤法 直接过滤工艺不需要反应沉淀池，原水直接在滤池过滤。当原水浊度较低 时，直接加入混凝剂经 ( 或不经)絮凝后引入滤池进行过滤，因此具有工艺流 程简单、投资省、运行费用低等特点。六、七十年代时该法就已 普遍用于含藻 水的 处理1 10 ) ， 其 技术实践证明 是可 行的， 但对运行管理水平要求 较高. 直接过滤适用于原水中藻类和悬浮物数量较少，原水色度较低的 情况，该 工艺的关键是滤速的大小。 直接过滤不加矾的除藻效果不佳，主要原因是藻类细胞个体一般较小，均 粒滤料空隙较粗， 在滤速剪切力作用下，藻类易随水流穿透滤床而不易在滤料 表面聚集。由 于高藻水中的藻类具有堵塞和穿透滤床的特点， 故滤前需投加灭 藻剂或辅以助滤剂、增设微滤机以改善微絮体表面性能，增强内部结构， 提高 直接过滤效率。 第一章 引言 ( 3 ) 气浮除藻 藻类密度一般较小， 其絮体不易沉淀， 采用气浮法可以 克服这一不利因素。 近 年 来 溶 气 气浮 法( d a f ) 除 藻 得 到 了 广 泛 应 用 (1 1- 12 1 ， 此 法 在 固 液 分 离 速 度、 污 泥浓度及节约药耗等方面都有较好的效果。 气浮法的主要问题是藻渣难以处理，气浮池附近臭味重，操作环境差。另 外， 藻 类 可 依 赖 其 浮 沉 调 节 机 制 对 气 浮 工 艺 造 成 影 响 11 41 ( 4 ) 其它方法 在除藻工艺钟， 还有将磁场力与与藻细胞表面的负电 荷结合起来的高梯度 磁分 离 技 术。 张 朝 升11 5 1 的 实 验 表明 ， 含 藻 量1 .3 3 6 x w个 /l的 原 水 直 接 通 过磁 滤器 ( 磁场强度0 . 2 0 1 t ) ， 去除率可达5 5 . 6 %。 此外， 还有以 破坏藻类生存条件 为基础的电 解层作用、光调节、水位调节除藻的方法以及对藻类进行生理灭活 和直流电击、超生波处理等技术。 1 .2 . 2 化学法 ( 1 ) 预氧化法 目 前， 氧 化 预 处 理 是 去 除 水 中 藻 类 较 为 普 遍 采 用的 方 法 1 5. 17 1 . 在 水 处 理中 ， 往往先对含藻水进行预氧化，杀死藻类细胞，以达到强化棍凝沉淀除藻的目的。 常用的氧化剂有:二氧化氛、液态级、臭氧、高锰酸钾或高 锰酸钾复合药剂、 双 氧 水 等 u e1 0 1 0 2 是一种氧化剂， 其氧化还原电 位为1 .7 3 v 。由 于具有强力、 广普、高 效的 特点 在水处理中日 益 受到 青睐. 有研究 表明， 当cl 场投 加量为4 .4 m g / l , 反 应时 间 为5 m in ， 叶 绿 素。 的 去 除 率 可 达9 0 % 以 上 ( 19 1 . 但 预 氧 化 成 本 较高 ， 在 使用过程中也会产生一些对人体有害的亚氯酸盐和氯酸盐。 预氯化常用于水处理工艺中以杀死藻类，使其易于在后续工艺中去除。但 处 理 后 使水中 消毒 副 产 物 增 加， 对 人体 健 康不 利12 0 ,2 11 臭氧是一种强氧化剂， 容易与水中 有机物的一 l r - c 一 双键反应， 使得有机物 分子量变小、芳香性消失、 极性增强、可生化性提高，因此臭氧去除藻毒素的 效果也较好. 在水处理中臭氧可起到脱色、 除味、 消毒、 助凝等多种作用。 s u k e n i k 等(2 2 对比 了 舰、 二 氧 化 氛、 臭 氧 对 微 小 藻 类 混 凝 的 影 响 ， 结 果 表明 : 臭 氧 能 起 到很好的杀藻作用，死亡的藻细胞易于在后续工艺中去除。由于臭氧可改变藻 类分泌物的性质，使藻细胞外分泌物分子量变小，经臭氧处理后的水所需混凝 第一章 引言 剂 用量 最低。 另外当 臭氧的 投 加量 达到 或 超过4 .0 m g / l 时 可使 水的 致突变性减 小 甚 至消 失 ， 故 臭 氧 可 作为 预处 理并 需 与 传 统水处 理工艺结 合使 用in ) . 但在实 际的运行工艺中，由于采用臭氧预氧化时设备投资大、运行操作管理技能要求 严， 运行费 用较高 二因 此，此种方法也一直未得到广泛应用。 ( 2 )化学药剂法 化学药剂可与构成微生物蛋白 质的半耽氨酸的一 s h基反应使以 一 s h基为活 性点的 酶纯化，并可破坏某些藻类的细胞壁、细胞膜及细胞内 含物而使其灭活 甚至解体。从而可杀灭活体藻细胞。目 前应用最广泛的杀藻剂是硫酸铜，多用 于 水源 水杀 藻。 但控制藻 类生 长的 硫酸 铜浓 度一 般需大于0 . 1 m g / l ， 这会导 致水 中 铜 盐 浓 度 上升， 危害 人体 健 康. 为提 高 硫 酸 铜的 功 效， 尹 澄清1n )等经 研究发 现 用铁 盐、 铝盐 作增效 剂后， 0 . 0 2 - 0 .0 3 m 留 l的 铜离子就可控制微囊藻 水华的 生长。 c a ( o h ) 2 作为 除藻剂的 机理是 为 将磷 酸盐从 水中 沉淀去除的同 时 去除藻 类. c a ( o h ) 2 还 可 提高 水中 的p h值， 从 而 抑 制 藻 类的 光 合 作用. 但 是 只有c a ( o h h 大 剂量 投 入( 大于2 5 0 m g / l ) 才能明 显 去除藻类 和磷。 纳 米级t i 0 2 可抑制藻类的生长。 纳米级t i 0 2 表观上可吸附并抑制单细胞原 核 蓝 藻 及 铜 绿 微 囊 藻 的 生 长， 降 低 藻 类 的 生 命 活 力 12s 3 高 锰 酸 钾或 高 锰 酸 钾 复 合 药 剂 也 是 一 种 很 好的 杀藻 剂1s4 v 3 。 有 文 献 表明 : 投 3 - 4 m g / l 的高 锰酸钾复 合药剂 可 减少 絮凝剂p a c的 用量。 此外， 高 锰酸钾复 合药剂还是一种助虑剂。 另外合成和筛选出的杀藻剂还有松香胺类、三连氨衍生物、有机酸、醛、 酮和季氨化学物、磷的沉淀剂等无机物，但其均具有不同程度的毒性。因此， 无毒、高效、 经济的除藻剂的开发应用仍将是研究的重点， ( 3 ) 强化混凝沉淀法 富营养化水体中 藻类可分泌可溶性胞外有机物 ( e o m) , e o m 主要由 含氮 物质和戊糖胶类物质组成。当藻类浓度较高时，由于藻类个体微小，由藻类分 泌的糖酸和糖醛酸能与铁盐、铝盐混凝剂形成配合、络合物胶体而不利于脱稳， 使混凝 对其去除 效果 不佳. 在高藻 期内 ， 水的p h往往大于7 .0 ， 对一 些铝盐、 铁盐无机混凝剂的水解往往也会产生不利影响。但若对混凝沉淀加以强化，可 大大提高 除 藻 效率， 甚至 可达9 0 % 以 上14 3 . 常用的强 化混凝沉淀方法 有: 在使用 第一章 引言 常 规 混 凝剂的 同 时， 调节p h 值 或 加入 一 定 量的 活 性 硅酸 及 有 机高 分 子助 凝剂 或 加粘土、石灰乳、活性炭等药剂，以 及施加电 场、磁场、 超声波、紫外辐射、 等非药剂法。 1 . 2 .3 生物处理 生物处理工艺由 于操作方便、易于管理、 处理效率高、占 地面积小、 成本 低等优点近年来已 逐渐受到国内 外研究者的重视，但相关研究还需不断深入。 ( 1 ) 有效微生物除藻 吕 锡武 等人侧研究 发 现， 水体中 一 些微小动物对藻 类及其 有毒副产物的 生 物降解起着十分重要的作用。现已 发现多种粘细菌、蓝藻噬菌体和真菌能裂解 藻 类 营养 细胞 或 破坏 细胞的 某一 特定 的 结 构。 李 雪 梅等in 通过 从自 然界 筛 选出 各种以光合细菌、放线菌、酵母菌和乳酸菌为主的微生物，用特定的方法混合 培养形成有效微生物进行降解研究并发现:当在水中投加有效微生物群后，水 表面和水下0 .5 m水体的叶绿素、总氮、总磷和高锰酸钾指数都有下降，而水中 的溶解氧和水体透明 度相应的上升。故用有效微生物群可控制富营养化湖泊的 蓝藻效应，这也确证了生物处理富营养化水体的可能性。 ( 2 ) 生物膜法预处理 生物膜法预处理中，填料上的生物膜可吸附、附 着、机械截留、捕食消解 水中 的 藻 类。 武 汉 东 湖 水 厂 采 用 三 相 生 物 接 触 氧化 预 处 理 富 营 养 化 原 水ga o藻 类的去处率在 7 0 % - 9 0 %，对氨氮、浊度、色度和 c o d ,的去处率分别为 8 0 % - 9 0 % . 4 8 % - 8 0 % , 3 0 % - 6 0 % 和 1 8 % - 2 6 % . 采用生物除藻的同时也降低了 水中有机物的含量，并可减少混凝剂用量，提高后续工艺处理效率。 ( 3 ) 模拟人工湿地除藻 吴振斌等(3 1 1 对水华水 样进行的人 工湿地试验研究结果表明 ，当以 东 湖水为 研究对象， 使其通过人工湿地模拟装置 ( 历时2 m m )出 水中 藻类的平均去除率 可达9 2 .5 % - 9 6 .0 % 。 若湖水在系统中停留2 4 h ， 出水中藻类平均去除率为9 5 . 2 %, 停留 5天的出水中几乎无藻类存在。人工湿地对富营养化水体中的藻类具有很 高的去除率，主要除藻机制是机械过滤作用，同时存在着化学和生物作用。该 方法的优点是， 人工湿地的渗水率不随系统滤水量的增加而递减，仅在一定范 围内波动，同时该方法无藻渣产生。 第一章 引言 ( 4 ) 生物活性炭处理 该方法一般是在预处理 ( 预氧化、生物预处理) 、常规混凝沉淀工艺后，利 用活性炭的吸附 及其上生长的微生物的作用进一步去除水中藻类、有机物和消 毒副产物。 1 . 2 . 4组合工艺 由于富营养化水源水中藻类及其他污染物的多样性和复杂性，水处理厂中 藻类的去除不能仅靠一个处理单元完成，另各单元工艺去除不同分子量溶解性 有机物具有互补性，故实践中需要针对原水水质，将各处理单元有机联合起来。 常见的组合工艺有以下几种: 原水一生物处理一混凝沉淀过滤-g a c吸附一消毒 原水一预臭氧化生物处理混凝沉淀 ( 气浮) 一过滤- - g a c吸附消毒 原水预氯化一絮凝一气浮一过滤一加氯 原水预加氯一常规处理一g a c过滤一加氯 原水一生物陶粒混凝沉淀一砂虑一活性炭吸附 原水一混凝沉淀一生物陶粒一砂虑一活性炭吸附 第三节 课题选择及研究内容 由 于藻 类比 重 较小， 难于下沉; 且因 藻 类繁 殖后， 水的 色 度和p h 值均有 升 高:而且富营养化水体暴发的蓝藻多数具有毒性，其释放的藻毒素在水体中降 解较慢，所有这些水质特征都加大了常规混凝沉淀工艺处理此类高藻水体的难 度。 对于低浊、富含藻类水体的处理，气浮相对于传统的沉淀工艺展示了 其独 特的优点。溶气气浮法 ( d a f )是目 前气浮工艺中最常见的一种，它作为一种 高 效的固 、 液 分离 技 术已 广 泛 应用于 世界 上 许多 国 家 微 污染 水 体的 处理m :。 但 在我国， 溶气气浮工艺在给水处理方面还仍是一项发展中的技术。 气浮工艺的效果关键在于工艺参数的选择，不同水质的水源水，气浮工艺 参数也有所差异。本课题以混凝一溶气气浮工艺 ( d a f )作为水处理工艺，以 “ 水华”中常见的优势藻种一铜绿微囊藻作为研究对象，研究藻类的生长阶段、 第一章 引言 混凝一气浮工艺参数以 及预氧化等对藻类去除效果的影响。 最后，综合分析， 找出藻类去除最佳工况参数。 本论文根据工作需要将研究内 容分为以 下三个主要部分: 1 .铜绿微囊藻的室内 培养。 主要为以下混凝一气浮工艺除藻提供试验用水来 源。 2 .无预处理时， 混凝气浮工艺去除铜绿微囊藻工艺条件的优化。 通过小试试 验， 对影响混凝一溶气气浮工艺的化学、水力及其它因素进行系统化的研究， 目的在于确定出混凝气浮工艺除藻的最佳操作条件。 3 .采用预氧化与混凝气浮工艺的组合工艺去除铜绿微囊藻。 在以上确定出的 最佳混凝气浮条件下，探讨预氧化对藻类及其它污染物去除效果的影响。 第二章 混凝气浮工艺理论及研究 第二章 混凝气浮工艺理论及研究 第一节 混凝理论及研究进展 棍凝在概念上可理解为是混合、凝聚和絮凝三个过程的总称，在给水和废 水处理中占 有重要的地位。 它是沉淀 ( 或澄清) 、过滤、气浮等水处理工艺的基 础3 31 。 一般 来说， 混 合 是 指向 水中 投加 药剂以 后， 药 剂 迅 速而均 匀 地扩散 于水 中的过程，凝聚是指水中胶体的脱稳过程，絮凝则是指胶体脱稳以后，结成絮 凝体， 并且慢 慢增大的 过 程!31 4 1 2 . 1 . ，混 凝 作用 机 理 研究 在分散度较高的 水体系中，胶体微粒有一极小的沉淀速度，并且最终达到 沉淀平衡而不能有效地使之与水发生分离。欲有效地使之与水发生分离，当需 破坏其沉淀稳定性，而欲破坏其沉降稳定性， 应使微粒相互聚结而变为较大的 微粒。但微粒因带有表面电荷相互排斥而具有聚结稳定性。因此，须破坏其聚 结稳定性才能打破其沉降平衡。 聚结稳定性的破坏一般可以通过两种作用实现:一种是使用电解质克服微 粒间的静电斥力后，使胶粒发生凝聚作用;另一种是通过高分子化合物在微粒 间“ 架桥” 连接， 而引 起微粒聚结变大。 由于水处理中的混凝现象比较复杂。不同种类混凝剂以及不同的水质条件， 混凝剂作用机理都有所不同。许多年来， 水处理专家们对混凝剂作用机理进行了 不断的研究， 理论也得到不断的发展， 目 前， 看法比 较一致的主要有以下几种: ( 1 )双电层压缩理论 对于水中负电 荷胶粒而言， 投入的混凝剂应是正电 荷离子或聚合离子。 如 果 正 电 荷 是 简 单 离 子 。 如n a , c a z , a 1 3 等， 其 作 用 是 压 缩 胶 体 双 电 层 作 用。 它着重强调了 凝聚物理作用。 水体中， 胶体颗粒表面上电 层中的 扩散层因反粒 子的 作 用而 被压 缩， 使 扩散 层厚 度减小， 雪电 位相 应降 低， 颗粒间的 静电 斥力 也就相应减小。 当 水中电 解质的 浓度增加到一定程度时， 将有一部分动能较大 的颗粒越过势垒， 体系发生缓慢地凝聚作用。 如果电解质的浓度继续增大， 导 第二章 混凝气浮工艺理论及研究 致颗粒间相互吸引 力占 优势， 颗粒相互集结， 体系就会发生快速凝聚絮凝作用. 但是， 在水处理中， 压缩双电 层作用不能 解释棍凝剂投量过多时胶体重新稳定 的现象。 ( 2 )吸附电中和理论 一 吸附电中和理论着重强调了 胶体颗粒与絮凝剂水解产物之间存在某种专 属化学作用， 即 絮凝剂可水解形成某种离子化合态吸附在胶体颗粒表面并中 和 其负电 荷， 使胶体颗粒脱稳并进而发生絮凝作用。 这一理论可以 解释压缩双电 层理论所不能解释的现象。 例如， 水解聚合形 态可强烈吸附 在颗粒表面以 致发生过量吸附， 使c电 位的符号发生逆转， 并在 达到一定程度时， 原来脱稳的 颗粒物体系重新变成稳定体系。 ( 3 )吸附架桥理论 吸附架桥理论是在吸附电中和理论的基础上提出的，主要用于解释有机高 分子聚合物对胶体颗粒产生的絮凝作用。其原理是伸展在溶液中的长链状聚合 物分子上分布着众多的活性基因，它们可以结合多个颗粒物，通过这种颗粒间 的架桥方式，将水中分散的颗粒物组成了粗大的絮状物。在这种情况下，胶粒 的c电 位的降低对絮凝过程来说并非决定因素，因此混凝效果最佳时的雪电 位 很可能不等于零. 但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 能会迅速对胶粒形成包卷作用， 使胶粒失去表面吸附活性， 即产生 “ 胶体保护” 作用而失去与其它胶粒架桥结合的可能， 并使胶粒重新稳定，即“ 再稳， 。因 此 实际中应通过试验确定混凝剂的最佳投加量，即棍凝剂能把胶体快速絮凝起来， 又可使絮凝起来的最大胶体不易脱落。 ( 4 )网捕或卷扫理论 在水处理中投加金属盐 ( 如硫酸铝或三氛化铁)类混凝剂进行混凝时，若 投加量大时，混凝剂产生大量的水解沉淀物，这些沉淀物迅速沉淀的过程中， 水中胶粒会被这些沉淀物所卷扫 ( 或网捕)而发生共沉淀，这种絮凝作用称为 卷 扫 絮 凝7 6 1 。 这 种 作 用基 本上 是一 种 机 械 作用， 所需混 凝剂量与 原 水杂 质 含量 成反比 ，即 原水杂 质含量少时， 所需 混凝剂多， 反 之亦然13 6 1 . 卷扫絮凝 机理产 生的絮凝物体积庞大。当使用卷扫机理进行固一 液分离时，产生的絮凝物是粘稠 状的，可加入阴离子型有机高分子混凝剂，以利于分离。 第二章 混凝气浮工艺理论及研究 2 . 1 . 2混凝动力学研究 混凝动力学讨论的是絮凝速度问题。只有具有一定速度的絮凝过程才能满 足水处理对出水水量的要求，因而才具有实际意义，所以 对混凝动力学的讨论 是水处理絮凝学的重要方面。 研究混凝的动力学过程， 就是研究混凝过程中颗粒状态的变化: 颗粒是怎 样从粒径较细、 数量较多，逐步演变为粒径较大、数量较少的。从 d l v o理论 可知，胶体之所以 稳定是由于综合位能曲 线上有势垒存在。 倘若势垒为零，每 次碰撞必导致聚沉，称为快速絮凝:若势垒不为零，则仅有一部分碰撞会引起 聚沉，称为慢速絮凝。无论是对快速絮凝还是对慢速絮凝，微粒之间的相互碰 撞都是首要条件，推动水中颗粒相互碰撞的动力来自 两方面:颗粒在水中的布 朗运动;在水力机械搅拌下所造成的流体运动。由布朗运动所造成的颗粒碰撞 聚集 称“ 异向 絮 凝” ( p e r i ld n e t i c fl o c c u l a t i o n ) :由 流体运动 所造成的 颗粒碰撞聚 集称 “ 同向絮凝”( o r t h o k i n e t i c fl o c c u l a t io n ) . 2 . 1 . 2 . 1异向絮凝 颖粒在水分子热运动的撞击下所作的布朗运动是无规则的。这种无规则运 动必然导致颗粒相互碰撞。当颗粒已 完全脱稳后，一经碰撞就发生絮凝，从而 使小颗粒聚集成大颗粒， 而水中固体颗粒总质量不变，只是颗粒数量浓度 ( 单 位体积水中的颗粒数)减少。颗粒的絮凝速率决定于碰撞速率。假定颗粒为均 匀球体，根据费克 ( f i c k )定律，可导出颗粒碰撞速率: n ， 一 s n d d b n 2 ( 2 . 1 ) 式 中n p 一 单 位 体 积 中 的 颗 粒 在 异 向 絮 凝 中 碰 撞 速 率 ， 从 沁 3 、 n - 颗粒数量浓度， 个/ c m a d - 颗粒直径， c m a 布朗 运动扩散 系数， c m 2 / s 扩散 系 数几可 用 斯 笃 克 斯( s t o k e s ) 一 爱因 斯 坦( e i n s t e i n ) 公 式表 示 (37 1 de kt ( 2 . 2 ) 式中 第二章 混凝气浮工艺理论及研究 将式 ( 2 . 1 ) 代入 k 一 波兹曼常数，1 . 3 8 x 1 0 - 1 6 g - c m z / i z - k ; t 一 水的绝对温度，k 。 一 水的 运动粘 度， c 碎s -. p 二水的 密 度， 时 ( 2 . 2 )得: n，-匕尤 t 。 : 3 v p ( 2 . 3 ) 由式 ( 2 . 3 ) 可知，由 布朗运动引起的 颗粒的 碰撞速率与水温成正比 ， 与颖 粒的 数量 浓度平方称正比， 而与 颗粒尺寸无关q. 实际上， 只有小颗粒才具有 布朗 运动. 随 着颖粒 粒径增大， 布朗 运动 将逐 渐减 弱。 当 颗粒 粒径大于l p m时， 布朗运动基本消失。因此，要使较大的颗粒进一步碰撞聚集，还要靠流体运动 的推动来促使颗粒相互碰撞，即进行同向絮凝。 2 . 1 . 2 . 2同向絮凝 仅仅依靠布朗运动的异向絮凝速度太慢，而且当微粒相互碰撞聚集变大后， 布朗运动就会减弱甚至不再发生。因此同向絮凝在整个混凝过程中占有重要的 地位。有关同向絮凝的理论，现在还处于不断发展之中。最初的由水在层流状 态下导出的理论公式为: n,_ 生 n 2 d 3 g ( 2 . 4 ) g =a u / a2( 2 . 5 ) 其中 实际上， 的计算式: g一 速度梯度， s i ; a u一 相邻两流层的流速增量, c m / s ; a z一 垂直于水流方向的两流层之间距离，c m n 和d 为原水杂质的 特性 在絮凝池中水流并非层流， 而总是处于紊流状态，由此又得到g值 g = r u ( 2 . 6 ) 其中“ 一 水的动力粘度，p a s ; 第二章 混凝气浮工艺理论及研究 p 一 单 位体 积流体所耗功率， w / m 3 : g一 速度 梯 度， s 1 : v一 混合反 应设备中 水的 体积， m 3 ; 用机械搅拌时:一 一 g = ghviv 一 _pvv ( 2 . 7 ) 其中9 - 重力加速度， 9 .8 m / s : h -混 凝设 备中的 水头损失， 曲 即 一 水的 运动 枯度， m 2 / s ; 7 、 一水流在混凝设备中的停留时间， 翻 卜 一 混合或反应设备中水流所消耗的功率，w; v - 混 合或反应设备中 水的体积， m 3 由公式( 2 . 5 ) 可知， 在混凝过程中， 所施功率或g值愈大， 颗粒碰撞速率愈 大， 絮凝效果愈好。 但 g值增大时，水流剪切力也随之增大，已形成的絮体又 有破碎的可能。因此、在考虑混凝的同时，还必须考虑颗粒的破坏。 2 . 1 .3混凝技术的研究 近几十年来，人们逐渐认识到混凝不但对水质的净化起着重要的预处理作 用， 对后续的处理工艺 ( 如沉淀、气浮、过滤)的处理效果也起着至关重要的 作用。因此，混凝技术的研究也越来越受到重视。目前国内外对混凝的研究主 要有以下几个方面: ( 1 )高效絮凝技术的研究:国内 对这方面的研究较多，多种高效的絮凝池 ( 如 折板、 波纹板、网格与栅条絮凝池)相继问世。工艺参数已 突破传统设计规范， 技术指标先进，经济效益明显，相应的高效絮凝机理也取得一定的进展。 ( 2 ) 混凝控制指标的研究:混凝技术的传统控制指标为g( 速度梯度)和g t ( 速度梯度与反应时间的乘积) 。 但随 着絮凝理论的发展， 上述指标越来越不能 满足要求。在探讨混凝控制指标过程中，有的学者将反应能耗、流体流态、颖 粒浓度及脱稳的程度加以考虑，提出多种控制指标。 ( 3 ) 混凝动力学研究:国外对这方面研究较多，以 化学动力学、 胶体化学、混 凝动力学为理论基础，建立了 胶体聚沉的双电层和吸附理论;异相絮凝、同向 第二章 混凝气浮工艺理论及研究 絮凝速度梯度理论;以 混凝动力学， 流体动力学为理论基础的微涡絮凝理论等。 ( 4 ) 絮凝剂方面的 研究: 目 前广泛使用的絮凝剂均存在各种各样的问愚 例如硫酸铝具有投药量大、 对低温低浊水处理效果差，以 及水中残余铝对人体 有害等缺点， 因此新种类絮凝剂的开发也是一项十分迫切的实际问 题。国内外 对新型絮凝剂的开发研究十分活跃。 2 . 1 . 4试验所用絮凝剂的特性研究 混 凝 剂 可分 为 无 机 和 有 机两 大 类. 一 些常 用的 水 处理 混 凝 剂有 如下 几 种两: ( 1 )低分子无机混凝剂 ( 2 )无机高分子混凝剂 ( 3 )有机混凝剂 ( 4 )复合型混凝剂 ( 5 )微生物混凝剂 综合考虑各种因素， 本试验中采用的絮凝剂为三氛化铁。 三抓化 铁属低分 子无 机混凝剂， 是铁盐混凝剂中 最常 用的 一种。 简单的f e 3 + 离 子 在 水 溶 液中 并 不 存 在 ， 而 是以 水 合 粒 子f e ( h 2 0 ) e + 的 形 态 存 在. 三 价 铁 分 散 于水体中会引发一系列水解反应，进而形成一系列不同形态的多核聚合物，这 些多核聚合物往往具有较多的正电荷和较大的表面积，能迅速吸附水体中带负 电荷的胶体及其他悬浮物。 m a t ij e v ic 等 认 为f e 3 , 离 子的 水 解 过 程 如 下 : f e (h 20 ) , 广 + h 2 。 一 f e ( h 20 ) -i o h 2 + h ,0 f e ( h 2 0 ) , 0 h - . 十 h 2 o - + f e ( h 2 0 ) 4 ( o h ) 2 + h , o ( 2 . 8 ) ( 2 . 9 ) 2 f e ( h 2 0 ) s o h 2 - e f e 2 ( h 2 0 ) e ( o h ) 2 广 + 2 x 20.( 2 .1 0 ) f e 2 (h 2 0 ) s ( o h ) 2 广 + 2 x 20 - v e 2 a0 ) , ( o h ) 3 广 + h ,0 ( 2 . 1 1 ) f e 2 (h 20 ) , (o h ), r + f e 2 (h 20 ) s ( o h ) ) 一 f e 3 (h 20 ), (o h )4 广 + 7 x 20 ( 2 .1 2 ) 三氯化铁由于在水解及聚合过程中产生了各种不同的络合物交联体和胶质 氢氧化物的低、高聚合体而具有较强的吸附和粘结能力，最终起到絮凝的作用。 第二章 混凝气浮工艺理论及研究 第二节 气浮工艺理论及技术研究 气浮工艺是在待处理水中通入大量密集的微细气饱，使其与杂质、絮粒相 互粘附，形成整体比重小于水的浮体，从而依靠浮力上浮至水面，以 完成固液 分离的 一种净 水方 法4 0 1 2 . 2 . 1气浮法的分类 根据气浮池的 池型可将气浮工艺分为竖流式 ( 圆形) 、平流式 ( 矩形) 。竖 流式气浮池不需要絮凝前处理，主要用于小型气浮工程中进行废水处理和污泥 浓缩，一般不用于饮用水的处理，但也有少量使用的报道。平流式气浮池具有 易扩大、设计简单、易于导入絮凝后水流、便于污泥去除、占 地面积小等特点。 目 前设 计深度为1 .2 - 1 .s m ( -般为1 .2 - 2 . 0 m ) ， 并 且上流速度依 处理水质在8 - 1 2 m / h 的范围 变化, u 根据不同的气泡产生方式，还可以把气浮过程分为分散空气气浮发、电解 凝聚气浮法、生物及化学气浮法以 及溶解空气气浮法等，其中溶解空气气浮法 中的压力溶气气浮是目前应用最为广泛的处理工艺。 2 . 2 .2溶气气浮工艺的特点 混凝一气浮工艺在某些地方可以替代传统的“ 混凝一沉淀工艺”并能够大 大提高出水水质。该工艺特别适合于北方的低温、低浊、高藻型微污染水。 压力溶气气浮工艺是目 前应用最广泛的气浮工艺，该方法具有以下优点: ( 1 )工艺启动快，运行方式灵活; ( 2 ) 适应水力负荷变化能力强，可适应出水量变化较大的要求; ( 3 )用于低温低浊水， 可使疏松、易破碎、难沉淀的絮凝体迅速上浮分离; ( 4 )用于含藻水，经过凝聚的藻类，絮体颗粒轻