（环境工程专业论文）给水预处理与气浮工艺的优化组合研究.pdf

摘要 摘要 天津市水源水夏季为引滦水，高温高藻，冬季为引黄水，低温低浊，并受 微量有机物污染，常规处理工艺已无法满足安全饮用水供应的需要。因此，迫 切需要先进、高效的饮用水安全保障技术。本论文针对天津市饮用水水源的不 同水质期，采用预氧化气浮工艺代替常规的预氯化沉淀工艺，以提高对有机物 的去除能力，保障出水水质。 论文首先确定了不同时期内气浮工艺的最佳运行参数，然后通过试验确定 了氯、商锰酸钾、臭氧及高锰酸盐复合药剂( p p c ) 预氧化与气浮联用时的最 佳投量，并对几种预氧化效果进行对比，最后确定了不同水质期预氧化与气浮 工艺的最佳组合。 在夏季高藻期时，1 o m g m 的臭氧预氧化与气浮工艺联用有较好的除藻作 用，能显著降低后续工艺出水浊度和u v 2 5 4 ，同时降低三卤甲烷和卤乙酸生成 势：高锰酸钾预氧化对有机物的直接去除不明显，但对过滤出水水质有改善作 用；高锰酸盐复合药剂预氧化可以有效降低气浮工艺的浊度，对有机物的去除 也有一定效果；预氯化有显著的除藻作用，在藻类高发期能提高后续处理工艺 出水水质。 在冬季低温低浊期时，1 o m g l 的p p c 预氧化与气浮工艺联用，除浊和去 除有机物的效果最好，适量的高锰酸钾预氧化和预氯化可以降低后续工艺出水 浊度，但对有机物去除作用不明显；臭氧预氧化在低温低浊期助凝除浊效果不 明显，但对有机物的去除有一定效果。 关键词：气浮预氧化臭氧氯高锰酸钾高锰酸盐复合药剂 垒! 堕! 堕一 a b s t r a c t 1 1 1 el u a nr i v e rw i t hh i 曲a m o u n t so fa l g a ei st h ed r i n k i n gw a t e rs o u r c eo f t i a n j i nc i t yi ns u m l n e ra n dt h ey e l l o wr i v e rw i t l ll o wt e m p e r a t u r ea n dl o wt u r b i d i t y i nw i n t e r 1 1 l cc 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 o u l d n tm e e tt h en e e do fs a f ew a t e r s u p p l y i t i sv e r yn e c e s s a r yt of i n dan e wa d v a n c e da n dh i g he f f i c i e n c yw a t e r t r e a t m e n tt e c h n o l o g y i nt h i ss t u d y , p r e o x i d a t o n f l o t a t i o np r o c e s ss u b s t i t u t e sf o r p r e c h l o r i a t i o n s e d i m e n t a t i o np r o c e s st oe n h a n c er e m o v a lr a t eo fo r g a n i cc o m p o u n d s i nd i f f i r e n ts o u r c ew a t e rs oa st oe n s u r et h ew a t e rq u a l i t y i nt h i sp a p e r ，t h ef l o t a t i o no p t i m u mp a r a m e t e r si nd i f f e r e n ts o u r c ew a t e ra l e d e t e r m i n a t e df i r s t l yb ye x p e r i m e n t s ，s e c o n d l y ，t h ei d e a ld o s eo fp r e o x i d a n t ss u c ha s c h l o r i n e ，p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t e ，o z o n ea n dp p ca p p l i e di nc o n n e c t i o nw i t h f l o t a t i o na r ea c q u i r e dr e s p e c t i v e l yt h e nf i n do u tt h ea p p r o p r i a t et e c h n i c a lc o m b i n a t i o n b yc o m p a r i s o no f s e v e r a lo x i d a t i o ne f f i c i e n c y t o t h e w a t e r l i v i t l lh i g h a m o u n t so f a l g a e ，w h e n t h e d o s eo f o z o n e i s1 0 m g l ，t h e c o m b i n a t i o np r o c e s sh a sp e r f e c te f f e c to nb o t ha l g a er e m o v a la n dt h ev a l u ed e c r e a s e o ft u r b i d i t ya n du v 2 5 4 a sw e l la st h m f p ia n dh aa f p i ；t h ep r e o x i d a t i o no f p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t e c a r le n h a n c ef u r t h e rf i l t e re f f l u e n tq u a l r yb u tr e m o v eh a r d l y o r g a n i cc o m p o u n d sh o w e v e r ，p p cp r e o x i d a t i o nn o to n l yh a v ea d v a n t a g eo v e r d e c r e a s i n gt u r b i d i t yo ff l o t a t i o ne f f l u e n tb u ta l s or e m o v i n go r g a n i cc o m p o u n d s ； c h l o r i n ep r e o x i d a t i o ni sc a p a b l eo fi m p r o v i n gw a t e rq u a l i t yo fs u b s e q u e n tt r e a t m e n t p r o c e s sb yp r o m i n e n ta l g a er e m o v a l t ot h ew a t e r 、i t l ll o wt e m p e r a t u r ea n dl o wt u r b i d i t y ，w h e np p cd o s ei s1 0 m g l ， t h ec o m b i n a t i o np r o c e s sh a sf u r t h e re f f e c to nb o t ho r g a n i cc o m p o u n d sr e m o v a la n d r e d u c i n gt h ev a l u eo ft u r b i d i t y ：t h ep r e o x i d a t i o no fp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ea n d c h l o r i n e 埘lf i td o s ec a nd e c r e a s et u r b i d i t yv a l u eo fs u b s e q u e n to u t l e t s ，h o w e v e r ， r e m o v eh a r d l yo r g a n i cc o m p o u n d s ；t h ep r e o x i d a t i o no fo z o n eh a st h eo p p o s i t e a b s t r a c t e f f e c to nt r e a t m e n t i n g t u r b i d i t y a n do r g a n i cc o m p o u n d si nc o n t r a s tw i t ht h e p r e o x i d a t i o no f p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ea n dc h l o r i n e k e yw o r d s ：d a f p r e o x i d a t i o no z o n ec h l o r i n ep o t a s s i u mp e r m a n g a n a t e p p c 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f 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。 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 内部5 年c 最长5 年，可少子5 年) 秘密哟年( 最长】d 年，可少于l o 年) 机密2 0 年( 最长2 0 年，可j 少乎2 ( ) 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。 学位论文作者签名： 年月日 第一章绪论 第一章绪论 水是生命的源泉，是人类文明和社会进步的物质基础。没有水就没有生命， 就没有人类的文明与进步。 第一节论文的研究背景 1 1 1 水源水污染状况 目前我国水资源污染严重，水资源短缺问题十分突出。七大江河水系受到 不同程度的污染，符合地面水环境质量标准i 、i i 类的河段只占3 2 2 ，符合 类标准的占2 8 9 ，属于、v 类的占3 8 9 ，特别是在城市及其附近河段 污染严重，据统计，全国6 6 8 座城市中就有4 0 0 多座城市缺水i 】j 。 我国北方城市水源7 0 以上为地表水，饮用水水源的微污染问题比较突 出，无机污染已经被有机污染所代替。污染物主要是来自生活污水的有机物， 农药面源污染，沿岸工业污染水的排入等。水源水水质存在的问题是；水中有 机物含量较高，水体富营养化普遍，藻类大量繁殖，浮游动物孳生，其中氨 氮、高锰酸盐指数、藻类、硝酸盐等超标。在受污染水体中，分散相的情况比 较复杂。一般同时存在胶体颗粒、无机离子、藻类个体、溶解性有机物、不溶 性有机物等，这些污染物并不是完全独立，而是相互联系、密不可分的构成一 个复杂的污染物体系。天津市的水质问题在我国北方具有典型性和代表性。 天津是资源型缺水城市，人均水资源占有量仅1 6 0 m 3 ，为全国人均占有量 的十六分之一，世界人均占有量的五十分之一，远远低于世界公认的人均占有 量1 0 0 0 m 3 的缺水警戒线，属缺水地区 2 1 。引滦水和引黄水是天津市的饮用水水 源。 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，具体表现在 3 】： ( 1 ) 部分理化和生物指标如浊度、碱度、高锰酸盐指数、氨氮、叶绿素、 第一章绪论 藻类计数等指标季节性变化明显。在1 3 月和1 1 1 2 月期间水温、浊度较 低。7 9 月份碱度、硝酸盐降低，浊度、耗氧量、氨氮、叶绿素一a 、藻类等指 标明显升高： ( 2 ) 氨氮、高锰酸盐指数、总大肠菌群、挥发酚、p h 等指标偶有突发性超 标，如8 7 年氨氨最高值为3 3 1 m g l ，是国家类水体标准( 0 5 m g l ) 的6 5 倍， 9 0 年高锰酸盐指数为1 8 3 0 m g l 是国家类水体标准( 6 o m g l ) 3 倍，近期卫生 部颁布的生活饮用水卫生规范对饮用水原水的高锰酸盐指数提出了更高的 要求，指出高锰酸盐指数应4 m g l ，以此为标准计算9 0 年高锰酸盐指数超标 4 6 倍； ( 3 ) 高藻期藻类计数最高达1 4 0 0 0 万个，升，时绿素高于富营养化标准值 1 5 1 0 倍，水中有机物含量增大，耗氧量增大，浮游藻类优势种为蓝藻、绿 藻。在此期间浊度明显偏高，水质呈弱碱性，总氮、总磷超标。 按其一年四季水质中的水温、浊度及藻类的生长情况大致可划分为低温低 浊期( 约1 1 、1 2 月至次年2 月，水源为引黄水) 、正常水质期( 约2 月至5 、6 月，水源为引黄水和引滦水) 、高藻期( 约6 、7 月至1 0 月，水源为引滦水) 。 1 1 2 常规净水技术局限性 给水处理的任务是通过必要的处理方法去除水中杂质，使之符合生活饮用 或工业使用所要求的水质。水处理方法应根据水源水质和用水对象对水质的要 求确定。在给水处理中，有的处理方法除了具有某一特定的处理效果外，往往 也直接或间接地兼收其他处理效果。为了达到某一处理目的，往往几种方法结 合使用1 4 。 自来水常规处理工艺是指对一般浊度的原水采用混凝、沉淀、过滤、消毒 的净水过程，以去除浊度、色度和细菌、病毒为主的处理工艺。对于不受污染 的天然地表水源，常规处理技术是十分有效的1 4 ，但是对于污染水源而言，常 规处理工艺具有一定的局限性： ( 1 ) 对有机物、藻类造成的浊度，去除效果很 低；( 2 ) 常规的氯消毒会产生“三致”性的副产物，产生二次污染：( 3 ) 对于 有机物特别是具有致癌、致畸、致突变的有机污染物或“三致”前体物的去除 效果很不理想； ( 4 ) 容易形成管网二次污染等。 第一章绪论 1 1 ，3 解决办法及课题的提出 由于北方地区水源水根据水质特点可以分为三个时期：冬季低温低浊期、 夏季高温高藻期、和常温常浊期。常温常浊期，常规的沉淀工艺的处理效果还 不错，耗矾量也不高，可以满足出水的要求。而在冬季低温低浊期时，由于水 中有机物含量高，含有的悬浮颗粒物很小，密度接近于水，难于沉降，用常规 的沉淀工艺处理效果很不理想，耗矾量也很大，投资高。夏季高温高藻时，水 中的藻类含量比较高，有机物也严熏超标，常规的处理工艺处理效果不好。 在这两种情况下，对原水进行预处理，并用气浮工艺代替传统的沉淀工 艺，可以取得较好的去除效果。在气浮工艺之前务必要使用预氧化工艺，目的 是杀死藻类，这是因为单一的气浮工艺对于活的有机物、藻类等，去除效果也 不是非常好，会对后续的过滤工艺造成很大的负荷。 对原水进行预处理，可以将水中的大分子有毒或“三致”有机物如腐殖 酸、藻类等分解为小分子，减少其毒性，并对后续的过滤工艺负担较少。强化 混凝技术对悬浮固体、胶体物质的去除具有明显的效果，它不仅对水中胶体物 质有较高的去除率，而且对腐殖酸类天然有机物、藻类等物质也能取得很好的 去除效果。将预处理技术与强化混凝气浮工艺相结合的预处理混凝气浮工 艺是有效去除水中有机物的一种工艺，它一方面可以有效的达到去除水中天然 有机物的目的，另一方面可以发挥溶气气浮技术高效、经济的特点。而目前对 于预处理和气浮联用的工艺的研究和应用较少，工艺也不够成熟，所以对于给 水中预处理和气浮联用工艺的研究势在必行。 1 1 4 课题来源和研究目的 来源于天南大两校合作项目“废水及微污染水处理新技术研究”和国家 8 6 3 项目“北方地区安全饮用水保障技术”的子课题强化混凝气浮技术。 8 6 3 课题编号：2 0 0 2 a a 6 0 11 4 0 本论文作为饮用水安全保障技术体系的一部分，通过研究气浮工艺去除微 污染水中有机污染物的效果，对预处理的加药种类和投药量进行综合分析评 价，从而确定预处理和气浮优化组合工艺的操作条件、运行参数和最佳效果； 并对建立适合北方水源水地区特点的、有代表性的饮用水安全保障技术体系， 第一章绪论 提供可行、有效的参数。 本论文针对天津市水质，提出采用预处理与气浮联用工艺，以满足供水水 质要求。天津市水源水厦在我国北方地区具有典型性和代表性，本课题研究成 果不仅适用于天津市，也可有效地解决北方地区饮用水安全问题，具有广阔的 应用前景。 1 。1 5 需要解决的问题 本论文主要解决的问题是：在预处理与气浮联用过程中，为保证气浮出水 效果，对于不同原水水质( 高温高藻、低温低浊、常温常浊) 应该选择什么预 氧化剂? 其投加量是多少? 投加时间是多长? 气浮工艺的运行参数如絮凝剂投 加量、回流比确定为多少时才能达到技术优化和经济合理? 第二节预氧化技术的研究现状 预氧化通常是指在常规处理工艺前面，采用适当的处理方法，强化常规给 水处理工艺对水中污染物地去除，以减轻后续常规处理和深度处理的负担，使 其更好地发挥作用 5 1 。目前给水工程中运用的预氧化技术主要有：1 、化学预氧 化；2 、生物预处理；3 、粉末活性炭吸附：4 、紫外线预处理。其中化学预氧化 和粉末活性炭比较常用。 化学预氧化是通过在给水处理工艺前端投加氧化剂强化其处理效果的一类 预处理措施。其目的主要有：( 1 ) 去除微量有机污染物；( 2 ) 除藻：( 3 ) 除臭味； ( 4 ) 控制氯化消毒副产物；( 5 ) 氧化助凝：( 6 ) 去除铁锰。目前能够用于给水处理 的氧化剂主要有臭氧、高锰酸钾( 及高锰酸盐复合药剂) 、二氧化氯、高铁酸 钾( 及高铁酸盐复合药剂) 和氯等。根据我研究的内容，我主要介绍一下几种 常用预氧化药剂的研究现状。 1 2 1 预氯化的研究现状 预氯化是应用最早和目前国内应用最广泛的一种预氧化方法。预氯化常用 于富藻水体的处理工艺中，目的是杀死藻类，使藻类及产生的藻毒素易于在后 续水处理工艺去除嘲。国内外其他水司和杀藻技术组都发现氯对藻类的杀灭作 第一章绪论 用，是出厂水的臭闽值大幅度提高的主要原因。 还有一些研究是关于氯与水中有机物的复杂的氧化反应。天然水以及受污 染的天然水中，含有的成分极其复杂，尤其是有机物含量和种类极其复杂，经 氯的氧化作用后，必然会产生相应复杂的产物。在氯与有机物、酚类化合物的 反应中，有产生氯酚气味的反应，是饮用水处理应该避免出现的，但氯酚味一 般可以通过加氯量及反应时间等参数的调整而消失掉。产生有机氯胺也是氯与 水中有机物所产生的一个重要反应【7 】。 水处理中还常利用氯与某些无机物的氧化反应来完成它们的去除问题，常 见的有除铁和除锰。 1 2 2 预臭氧化的研究现状 臭氧的应用基础是其极强的氧化能力和杀菌性能。早在1 9 世纪，人们就认 识到了臭氧的强氧化作用。1 8 6 8 年，德格贝斯获得了臭氧应用技术第一项专 利，这项技术是利用臭氧将焦油混合物氧化为适于涂料、油漆使用的产品【跗。 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掣9 1 。美国在本世纪七十年代初开始利用臭氧处 理生活污水，其主要目的为消毒并降低生物耗氧量( b o d ) 和化学耗氧量 ( c o d ) ，去除亚硝酸盐、悬浮固体及脱色，己达到全面生产应用的水平。日 本则在缺水地区进行污水臭氧处理后作为非食用水( 即中水) 循环使用。游泳 池水臭氧消毒应用广泛，其处理效果和优点已被公认，国外应用极为普遍【1 0 】。 我国广州天河游泳馆，北京亚运村英东游泳馆等都采用臭氧消毒，池水清沏透 明，彻底解决了氯消毒刺激眼睛、皮肤及使头发变黄的难题。 预臭氧化技术可用于脱色除臭、控制氯化消毒副产物、去除藻类和藻毒 素、助凝和助滤、初步去除或转化污染物等，但臭氧化学不稳定性使其对水质 的改善程度取决于原水水质和臭氧化条件，同时预臭氧化过程中会产生一定的 醛类、溴酸盐等有害副产物，并使出水a o c 含量升高【1 1 】，需相应的后续处理 环节加以配合。 虽然臭氧具有比较强的氧化性，但是其设备投资大、运行费用高，即使在 发达国家，臭氧仍是一种昂贵的水处理技术【1 2 1 。我国关于臭氧预氧化方面已经 第一章绪论 进行了2 0 多年的研究工作，但目前此工艺在水厂中的应用仍十分有限。 1 2 - 3 高锰酸钾预氧化研究现状 s i n g e rp c ，b o r c h a dj h 和c o l t h u r s tj m ( 1 9 8 0 ) 的研究表明，高锰酸钾氧化 中，氯化物减少量与氧化剂需求量( o x i d a n td e m a n d ) 满足后高锰酸钾的消耗量成 正比。高锰酸钾预氧化可以使得加氯点后移( 如移至滤后) ，从而减少了氯与 t h v i s 前质物的作用【l ”。c o l t h u r s tj m 和s i n g e rp c ( 1 9 8 2 ) 的研究表明，水处理中 通常投加的高锰酸钾能在一定程度上降低源自腐殖酸的氯化物生成势。当 砌诅r 1 0 4 t o c 最大时氯化物生成势的降低最为显著1 1 4 】。在p h = 7 0 的条件下，二 氧化锰自身不能吸收腐殖质，因此，单独投加二氧化锰不能降低氯化物生成 势。c a 2 + 能加速二氧化锰对腐殖质的吸收。 我国在1 9 8 5 年，李圭白教授带领其课题组即开始高锰酸钾去除饮用水中污 染物的研究工作，经过几年的研究之后，先后探讨了对水中微量丙烯酚胺和微 量酚的去除作用。随后对高锰酸钾氧化助凝和去除饮用水中微量有机污染物的 效能等进行了系统研究，发现在一定条件下，高锰酸钾在反应过程中产生的中 间体成分对高锰酸钾除污染效率有重要影响，生成的新生态m n o z 对水中有机 污染物具有吸附、催化氧化作用，其它中间价态在高锰酸钾除污染过程中也起 着非常重要的作用1 1 ”。高锰酸钾具有明显的助凝除浊、除有机微污染、降低水 的致突变活性和控制氧化消毒副产物等作用【1 6 1 。曲久辉曾在其硕士论文( 1 9 8 8 年) 中对高锰酸钾预氧化去除沈阳地下水中微量有机物做了研究，并用g c - m s 分析法对水中微量有机污染物进行了分析。结果是高锰酸钾对水中微量有机污 染物具有较好的去除效果，可使地下水中绝大多数物质的色谱面积大幅度下降 ”。对某些污染物的去除效率可以达到1 0 0 ，对所检出的“三致”污染物和 优先污染物也有较好的去除效果【1 引。马军在其博士论文( 1 9 9 0 年) 中对高锰酸钾 氧化去除纯水溶液中的丙烯酰胺、氯酚和加入到天然地表水中的氯酚、丙烯酰 胺进行了研究，并对其影响因素进行了探讨，结论表明高锰酸钾对氯酚、丙烯 酰胺这两种物质均有良好的去除效果【1 9 1 。马军和李圭白( 1 9 9 2 、2 0 0 1 ) 的研究表 明高锰酸钾预处理可使后氯化过程中致突变物质物质生成量明显下降口0 1 。 该法自试验室到生产性试验，经历了十余年研究，已获得成功，试验表明， 第一章绪论 高锰酸钾处理法能有效地去除水中的微污染物，去除率达7 0 0 以上，特别是对 多数重点有机污染物的去除率更高；能使水的致突变活性( a m e s 生物毒理性试 验) 由阳性转变为阴性或接近阴性口”，从而使饮用水的安全性大大提高。该法由 于只需向水中投加少量药剂，不需改变常规处理工艺，不需增设大型处理构筑 物，经济有效，简便易行，适合我国国情，所以已在我国推广。 1 2 4 高锰酸盐复合药剂的研究现状 高锰酸盐复合药剂是哈尔滨工业大学的李圭白院士和马军教授，经过十几 年研究与应用，对高锰酸钾在饮用水中的除污染作用效能、机理及实际生产应 用积累了些经验，在此理论基础上研制出来的。以高锰酸钾为核心、由多种 组分复合而成的高锰酸盐复合药剂，充分利用高锰酸钾与复合药剂中其它组分 的协同作用，促进具有很强氧化能力且利于除污染的中间价态介稳产物和具有 很强吸附能力的新生态水合二氧化锰的形成，将氧化和吸附有机的结合起来， 强化去除水中的有机污染物、强化除藻、除嗅味、除色、降低三氯甲烷生成势 和水的致突变活性 2 2 1 等，很大程度上提高了高锰酸钾对水中污染物的去除率。 这几年来，在我国污染较重的若干典型受污染饮用水源，如松花江水、黄 河中游水库水、巢湖水、太湖水、嫩江水等，都已经用此药剂做了大量系统的 研究试验。结果表明，使用高锰酸盐复合药剂对实际水样进行预氧化处理，可 显著地去除水中多种有机污染物；并且与其它预处理工艺进行对比发现，复合 药剂对有机污染物的去除效果要明显优于单独高锰酸钾预氧化，也远优于单纯 聚合氯化铝或预氯化工艺田j ；进一步研究表明，采用复合药剂预氧化代替预氯 化，能够强化去除藻类以及难去除的嗅味物质口l ，从很大程度上改善混凝处理 效果，降低滤后水色度和浊度，对于预氯化处理过程出现的副产物问题，复合 药剂预氧化能起到一定程度的控制作用，且能够提高对氯化消毒副产物前质和 致突变物质的去除效果【2 5 1 ，显著降低三氯甲烷的生成势和水的致突变话性，同 时使用p p c 预氧化也不存在臭氧预氧化出现的溴酸盐副产物问题：对水中存在 的少量重金属，p p c 投量在1 o 2 0 m g l 时，去除率便可达到9 0 以上，对微 量铅可达1 0 0 去除：并且在通常给水处理条件与高锰酸盐投量范围内，可以 保证较低的滤后水剩余锰浓度，满足国家生活饮用水卫生标准。 第一章绪论 高锰酸盐复合药剂对于受污染的饮用水源，具有一定的处理能力，可以从 多方面强化提高处理出水效果，但单纯使用p p c ，对水中氨氮的去除表现出一 定的局限性。使用生物活性炭技术处理饮用水中的可溶性有机碳与氨氮问题， 是一种公认的较为有效的方法，大量的文献表明，臭氧氧化- 生物活性炭联用技 术可以达到较为理想的处理效果。实验结果也表明，p p c 预氧化能够明显改善 生物活性炭的处理效果：水中c o d u 。与u v 2 5 4 的去除率可提高1 0 以上，氨 氮的去除率可提高3 0 ，亚硝酸盐氮的去除率也可提高2 0 以上；同时对比了 0 3 预氧化一b a c 联用与p p c 预氧化b a c 联用的处理效果，发现后者出水 c o d m t l 和氨氮浓度均低于前者，两种处理工艺的出水均可达到国家现行的饮水 标准。高锰酸盐复合药剂的除酚效果在相等投加量条件下明显高于单纯高锰酸 钾，且随着投量的增加，高锰酸盐复合药剂对苯酚去除率增长比单纯高锰酸钾 对苯酚去除率增长快，复合组分显著提高了高锰酸钾的氧化能力，将高锰酸盐 复合药剂加入水中后，两者协同作用形成过渡氧化态中间产物，进而与水中有 机污染物发生快速反应，因此对苯酚的氧化去除速率更快【2 7 j 。高锰酸盐复合药 剂预氧化在对有机污染物、藻类的去除效果上都明显优于高锰酸钾预氧化【2 8 】。 饮用水处理中，高锰酸盐复合药剂预氧化工艺日益成熟，有很大的应用前景。 可见，使用高锰酸盐复合药剂进行化学预处理，能够显著强化常规处理出 水水质，并且处理工艺不需要增加过多的设备，易于投加运行管理，特别适于 改善目前水厂的处理效果，因而具有较大的应用潜力。 第三节气浮技术的研究现状 气浮法净水是设法在水中通入或产生大量的微细气泡，使其粘附于杂质絮 粒上，造成整体比重小于水的状态，并依靠浮力使其上浮于水面，从而获得 固、液分离的一种净水方法。 按产生气泡的方式，可以把气浮法净水分为下列几类：( 1 ) 分散空气气浮 法；( 2 ) 电解凝聚气浮法：( 3 ) 生物及化学气浮法；( 4 ) 溶解空气气浮法。四种方法 中，溶解空气气浮法用的比较多，一般常用压力溶气气浮法( d a f ) ，该法依 靠水泵将被处理水加压至2 6 公斤厘米2 ，与加压空气一起压入密闭的压力 第一章绪论 溶气罐，借气、水的接触湍动，使气体溶解于水中【2 。将经过溶气的水导向溶 气释放器，通过释放器的骤然消能降压，促使微气泡稳定释出，并与水中杂质 颗粒相粘附而一起浮至水面，浮渣由刮渣机( 或溢流) 排入浮渣槽，清水则由气 浮池下部流出。 早在1 9 0 4 年e l m o r e 就发明了真空溶气气浮过程，这与现在用于废水处 理、污泥浓缩方面的溶气气浮过程极为相似。加压溶气气浮技术是在1 9 2 0 年被 a d k a 和s v e e n p e d e r s e n 引入水处理中【3 们。关于d a f 使用的第一个专利是 p e t e r s o n 和s v e e n 在1 9 4 2 年从造纸工业的白水中回收纤维的过程，原理是将空 气在高压下溶入水中，然后在大气压下减压释放，产生大量的微细气泡，这些 气泡和造纸纤维黏附结合，形成浮渣排出p “。一直到5 0 年代末，气浮净水技 术的进展相当缓慢，究其原因主要是制造微气泡的技术不过关，气泡的尺寸难 以控制。6 0 年代，采用部分( 5 1 5 ) 处理水回流，气浮净水技术得到较显 著的改善。从7 0 年代开始，由于改善了溶气方法，气浮净水发展迅速，在发达 国家得到推广。由于溶气罐构造的进一步改进，溶气效率提高，高效溶气释放 器研制成功，近十年来，气浮净水技术已经广泛应用于给水，尤其是对低温、 低浊、富藻水体的净化处理以及城市生活污水和各种工业废水处理。 在瑞典和芬兰，气浮净水技术迅速的发展起来。在瑞典，1 9 6 1 年便建成了 第一家采用部分回流气浮法的废水处理厂，此后，很多此种形式的工厂相继建 立。到了7 0 年代初，在芬兰气浮净水技术几乎已经取代了沉淀工艺作为地表水 的净水处理技术。到了7 0 年代末，全国已经有几百个气浮净水厂在运行，原因 是气浮技术对芬兰的低温、富含有机物的水体具有很好的处理效果 3 2 1 。 1 9 6 5 年，在w i n d h o e k 城，首先将压力溶气气浮技术用于饮用水处理， n m i b i a 把其用在水中藻类的去除，在1 9 6 9 年第一个溶气气浮厂应用于熟化塘 出流污水中的藻类去除，出水回用于w i n d h o e k 城居民的饮用水 3 3 j 。荷兰在7 0 年代开始了对d a f 技术的研究。英国水处理公司也是在7 0 年代初，首次以商 业规模引进了溶气气浮装置。至今为止，加压溶气气浮法已广泛地应用于南 非、北欧国家、比利时、荷兰、英国、法国、德国、俄罗斯、中国、日本、印 度等国家和地区。 我国在6 0 年代末，已有压力溶气气浮装置应用于食盐溶液地净化和石油废 9 第一章绪论 水的处理。1 9 7 5 年同济大学在实际研究工作中开始对气浮净水技术进行研究。 至1 9 9 2 年，我国的压力溶气气浮净水技术的基本理论研究和生产实践方面都已 达到了国际水平，并在有关气浮法净水处理的溶气系统、释气系统、分离系 统、测试技术、净水机理和溶气释气规律方面地研究均取得了一定的成果，并 有一些创新。近十几年来，气浮净水技术在国内迅速发展，据不完全统计，全 国已拥有上千座各类气浮净水装置，其中有应用于饮用水净化的日产1 0 万吨水 地大型气浮装置，也有运行于实验室、研究所处理废水量不到0 5 吨，j 、时的小 型气浮净水装置。 第一= 章气浮工艺的基本原理 第二章气浮工艺的基本原理 气浮法净水就是在水中通入空气，产生微细的气泡，使水中细小的悬浮物 粘附在空气泡上，形成“气泡一絮粒”复合体，由于这种复合体的密度小于 水，会从水中缓慢上升，上升过程中通过网捕、吸附等作用，絮体逐渐增大， 形成浮渣，从而去除水中的悬浮物以改善水质。采用气浮法净水时，因水中存 在着多种溶解性和非溶解性有机、无机杂质，净水药剂以及大量的微细气泡， 所以它们之间的混合、絮凝以及与气泡粘附的过程是一种十分复杂的物理化学 过程。水中杂质、混凝剂、微气泡以及相互粘附后形成的“气泡一颗粒”复合 体的性质都会影响气浮净水的效果。 气浮过程由下列四个步骤组成：( 1 ) 在水中加入气浮药剂或絮凝剂使细小 的悬浮颗粒变成疏水颗粒或絮凝体；( 2 ) 尽可能多的产生微细气泡：( 3 ) 形 成良好的气泡一絮粒一水一絮凝剂的结合体：( 4 ) 使结合体与水分离。 第一节水中气泡的形成及特性 水中通入气泡后，并非任何悬浮物都 能与之粘附，这需要从表面张力现象和水 对悬浮物的润湿性来说明。由于液体的表 面分子所受的分子引力和内部分子所受的 分子引力是不同的( 图2 1 ) ，而液体分 子相互间的吸引力即内聚力要比液体分子 与空气分子之间的粘着力大很多，因此液 空气 三二乖零乖尔三液体 ：三张张张；三三 体的表面分子受到不均衡的力，这力要图2 - i 液体表面和内部分子的受力情况 把表面分子拉向液体的内部，就是说，力图缩小液体的表面面积。所以液体的 表面就象是绷紧了的弹性膜。这种力图缩小表面面积的内聚力和液体的表面张 力同时存在。 如果在液体表面上设想任意一条线，则表面张力与此线垂直，方向相反， 第二章气浮1 ：艺的基本原理 大小相等。表面张力的方向总是与液面相切，其单位为达因厘米。所以当液 体质量很小时，就力求成为圆球形，使表面积最小。如欲增大液体的表面，就 需做功，以克服分子问的吸引力，才能使分子由内部转移到表面。因此很明 显，液体表面分子比内部分子具有多余的能量，称为表面能。 表面能w ( 尔格) = 表面张力 y ( 达因厘米) x 表面积s ( 厘米2 )奇，1 表面能是储存在表面上的位能，表面能有力图减至最小的趋势。在两种不 相混台的液体( 例如石油与水) 接触所产生的界面之间，两种液体的不同的表 面分子同样也因受力不均衡而产生表面张力，我们称为界面张力。 界面能= 界面张力界面面积 界面能也有减至最小的自然趋势。所以水 中乳化油都呈圆球形，因同样体积下，圆球的 表面积最小，而且都有自然粘聚兼并的趋势， 因粘聚后可以有更小的界面总面积。当把空气 通人含乳化油的废水中时，油粒同样也具有粘 附到气泡上的趋势，以减少界面能。但并非任 何物质都能粘附到气泡上，这取决于该物质的一 一 一 润湿性，即被水润湿的程度。 图2 - 2 亲水性和疏水性物质的接触角 各种物质对水的润湿性可用它们与水的接触角0 来表示( 以对着水的角为 准) 。接触角0 9 0 。者称为疏水性物质，0 9 0 。者称为亲水性物质。这可从 图2 - 2 中物质与水接触面积的大小看出。 由于在颗粒表面上生成气泡所消耗的功小于在水中生成气泡所消耗的功， 颗粒越是疏水，即接触角e 越大，则水中析出的气泡在其表面上形成的可能性 越大。水中的矾花为网状结构，在气泡上升过程中，能阻留气泡，将气泡裹在 矾花内，靠气泡的浮力，将矾花带到水面。对于细分散的亲水性颗粒( 例如 d o 5 - 1 毫米的煤粉、纸浆等) ，适用气浮法进行分离，需要将颗粒物质经过 浮选剂处理，使亲水颗粒造成表面疏水性而附着于气泡上，同时浮选剂还有促 进起泡的作用，可使废水中的空气泡形成稳定的小气泡，这样有利于气浮。浮 选剂大多数是由极性一非极性分子所组成，其分子结构见图2 3 ，圆头端表示 极性基，易溶于水( 因水是强极性分子) ，尾端表示非极性基，有疏水性。例 第二章气浮工艺的基本原理 如肥皂中的有用成分硬脂酸cj 7 h 3 5 c o o h ，它的c 1 7 h 3 5 是非极性端，疏水的； 而c o o h 是极性瑞，亲水的，所以极性非极性分子也叫两亲分子，就是 说，对亲水、疏水性物质都亲密的意思。 浮选剂的极性基团能选择性地被亲水性物质所吸附，非极性基团则朝向 水，这样亲水性物质的表面就被转化成疏水性物质而粘附在空气泡上( 图2 3 ) ，随气泡一起上浮到水面。 ；厂、一二 三“爹三一 f t 融子 鳞台体 图2 - 4 微气泡构造示意图 压力溶气水通过溶气释放器释出的微气泡，在其气泡外层包着一层透明的 水膜，且富有弹性。为了不让空气分子退出气泡膜，组成此膜的水分子既紧密 又稳定。在范德华引力和氢键作用下，它们作定向有序排列( 图2 - 4 ) ，从而 使气泡膜具有一定的牢度。除排列疏松的外层( 称流动层) 气泡膜在上浮过程 中受浮力和阻力的影响而流动外，其内层( 称附着层) 泡膜与空气一起构成稳 定的微气泡而上浮。值得指出的是由定向有序排列的水分子构成的内水性膜， 因其极性的减弱而可能带有憎水性。 气泡受水流紊动撞击时，会使泡膜局部流失，可能四周受力不匀，引起内 外压强失去平衡，气泡变形、破裂和并大。若在水中投加长链的高分子物质， 则可提高泡膜的韧性和强度。因为分子链越长，相互间的分子引力也越大，构 成泡膜的牢度也就越高，越不易破碎。高分子物质的粘性越大，韧性也就越 大，泡膜层内的分子越不易流失，气泡也就不易破裂。相反，水中存在大量溶 解性无机盐类，则因盐的离子化作用而使水中出现大量带电的离子，由于电离 第二章气浮 艺的基本原理 子的电性吸附作用，对气泡膜层内作定向有序排列的极性水分子起着扰乱和松 懈作用，从而大大地削弱气泡膜的牢度。不仅如此，大量的溶解盐还会使水的 表面张力系数增大，因