（环境工程专业论文）凌桥水厂工艺运行优化研究.pdf

摘要 摘要 依托上海浦东威立雅自来水公司凌桥水厂，针对水厂的生产运行现状，本 课题将新型颗粒物计数方法与常规水质指标相结合，以现场模拟试验和生产性 试验为手段，对水厂两路原水的加药、混凝沉淀、过滤等主要制水环节进行了 优化。 研究表明，陈行原水的混凝剂投加量( p ：a c ) 受原水浊度影响；就地原水的 投加加量与原水水质相关；当就地原水水质急剧变差时可采用k m n o d c h 复合 预氧化作为应急处理方案。以提高助凝效果。 一 预氧氧化对陈行原水的助凝效果微弱：对就地原水，氯胺的助凝效果明显， 当氨氮浓度在0 5 m g l 以上时，可根据原水氨氮浓度控制加氯量为其3 4 倍， 保证水厂杀菌消毒的同时，达到最佳助凝效果。 陈行过滤系统的模拟过滤试验及生产性试验表明，在夏季条件下，影响过 滤周期长短的因素是滤后水的水质指标而非水头损失。采用出水浊度和颗粒物 数量变化能够客观地反映滤池的运行状况，以出水水质超标作为反冲洗的判定 标准较为合理。滤速8 m h 为目前滤料层配置下的最优滤速，能够综合发挥滤料 的截污能力，过滤周期可以控制为9 6 h 左右。在现有反冲洗强度不变的条件下， 每月单格滤池冲洗水量可节省5 0 0m 3 ，整个系统可以节约用水6 0 0 0m 3 b 。 研究表明，作为一项重要的分析指标，颗粒物计数法能够应用于水厂主要 制水环节的水质监测。其在监测精度和灵敏度上所具有的优势，可以弥补常规 水质监测手段的不足，有助于提高水厂供水监测的准确性，保障出厂水的水质。 关键词：预氧化，助凝，过滤，截污容量，颗粒物计数 a b s l r a c t a b s t r a c t r e l y i n go nt h es h a n g h a ip u d o r i gv e o l i aw a t e rc o m p a n y - l i n g q i a ow o r k sa n d b a s e d0 1 3 t h ep r e s e n tc o n d i t i o n so fl i n g q i a ow n b ym e a n so fo n - s i t es i m u l a t i o na n d f u l l s c a l et e s tt h ep r o j e c th a s o p t i m i z e d t h ep e r f o r m a n c e so fc o a g u l a t i o n , s e d i m e n t a t i o na n dt h e 翅t r a t i o r tf o rt w op r o d u c ts y s t e m sc o m b i n e dt h ea d v a n c e d p a r t i c l ec o u n t i n gt e c h n o l o g yw i t hc o n v e n t i o n a lm o n i t o r i n gm e t h o d t h er a ww a t e l t u r b i d i t yo fc h e n h 趾gr e s e r v o i rw a sa l li m p o r t a n ti n f l u e n c i n g f a c t o ro n t h ef l o e e u l a n t sf f , a c ) d o s a g e a st ot h eo n - s i t es o u r c ew a t 日f r o mt h e y a n g t z e ，t h ef l o c c u l a n t sd o s a g ec a , i ib ei n _ c l u e n e e db yt h el a ww a t e rq u a l i t y t h e p r e o x i d a t i o n o fc 1 2c o m b i n e d 埘t hk m n 0 4c 缸b er e g a r d 龃e m e r g e i l e y c o t u l t e r m c a s u r et od e a lw i t ht h ed e t e r i o r a t i o no f t h er _ a ww a t e r i tw a sn o ts i g n i f i c a n tt ot h ee f f e c t so ft h ep r e e h l o r i n a t i o n0 1 3 c h e n h a n g r e s e r v o i r ss o i i i c ew a t e ri nt h ec o a g u l a t i o np r o c e s s h o w e v e r , f o rt h eo n - s i t es o u l c e w a t t l , e h l o r a m i n ec 趾h e l pt h ef l o c c u l a t i o n t h ee h o r i n ed o s a g es h o u l db ed e t e r m i n e d i nt h er a n g eo f3 - , - 4t i m e so ft h ea m m o n i ac o n c e n t r a t i o ni nt h el a ww a t e rw h e ni ti s h i g h e rt h a n5 m e , lf o re n s u r i n gb o t ha l le f f e c t i v ed i s i n f e c t i o na n dt h eb e s te n h a a c i n g e o a g u l a t i o l a b o t ht h eo i l s i t es i m u l a t i o nt e s ta n dt h ef u l l s c a l et e s to nc h e n h a n gf i l t r a t i o n s y s t e ms h o w e dt h a tt h ef i l t r a t i o nc y c l ew a sd e t e r m i n e db yt h ef i l t r a t e sq u a l 醇r a t h e r t h a n 也ew a t e rh e a dl o s si ns u m m e rt h e r e f o r e i ti sr e a s o n a b l et o 峨t h et i l t r a t e s t u r b i d i t ya n dp a r t i c l ec o u n t i n gt oj u d g et h e1 e n g 【ho f f i l t r a t i o nc y c l ea n di t sb a c k w a s h i na d d i t i o n , 8 r n hi sa n _ o p t i m a lf i l t r a t i o nr a t ef o rt h ea c t u a lf i l t e r sc o n f i g u r a t i o n , w h i c h 啪n 3 a k eaf u l li i s eo ft h ew h o l ed e p t ho ft h es a n d sa n dt h el o a d i n ga v a i l a b l e t h ef e a s i b l ef i l t r a t i o nc y c l ei sa b o u t9 6 h , w h i c hw i l ls a v e5 0 0 一o ff i l t e r e dw a t e r m o n t h l y f o ras i n g l ef i l t e r , w h i l e6 0 0 0m 3c a nb es a v e dm o n t h l yf o r t h ew h o l e s y s t e m t h er e s e a r c hs h o w st h a ta san e ：wm e a , s l i ：r c m c n ti nw a t e rt r e a t m e n tp l a n t , p a r t i c l e c o u n t i n gc a nb eu s e d 船aw a t e rq u a l i t ym o n i t o ri nt h em a i nt r e a l a c n tp r o c e s s e s i t s a d v a n t a g eo fa c c u r a c ya n ds e n s i t i v i t y c , r i ia s s i s tt h ec o n v e n t i o n a lw a t e rq u a l i t y m o n i t o r i n gm e t h o d si ni m p r o v i n gt h er o u t i n em o n i t o r i n go fw 型时q u a l i t ya n d n a b s l z a c t k e yw o r d s ：p r e o x i d a t i o n , a l h a n c l n gc o a g u l a t i o n , f i l t r a t i o n , f z l w a t i o nc a p a c i t y , p a r t i c l ec o u n t i n g h i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、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： 金委l ， 2 0 0 7 年8 月2 5 日 同济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，均己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： 金豇 2 0 0 7 年8 月2 5 日 第l 章概述 1 。1 项目概况 第1 章概述 1 1 1 凌桥水厂概况 凌桥水厂位于浦东外高桥草高路西侧，严家港以北、毛家浜以南的地块， 向西距黄浦江约2 4 k i n ，向东北距长江约2 1 m a ，厂日供永能力为4 0 1 0 4m 3 ， 共有两套平行的净水系统，分别处理宝山长江陈行水库和长江炮台浜就地水， 处理能力均为2 0 x1 0 4m 3 d 。凌桥水厂制水工艺采用加药混凝后经折板絮凝反 应沉淀池处理。v 型滤池过滤及液氯消毒。 水厂工艺流程以及水厂工艺平面布置见图1 1 和1 2 。 矾c 1 2 k m 0 c 1 2 圈l 一1 ：凌桥水厂工艺流程图 圈l - 2 ：凌桥水厂工艺平面布置圈 第1 章概述 凌桥水厂的制水过程简述如下：两路原水一一陈行水库和长江就地原水经 管道运送至水厂，在进水管处投加各种化学药剂，如预加氯、混凝剂等。冬季 长江就地原水中锰含量较高，还投加高锰酸钾除锰。混凝剂p a c 与水混合由静 态管道混凝器完成，混合水通过分配井进入折板反应池，混凝剂与水中的悬浮 物、胶体等杂质反应生成絮体，大的絮体经双层穿孔布水墙进入平流沉淀池沉 淀排出，细小的絮体随沉淀池出水进入滤池被滤料截留。过滤则采用v 型滤池， 滤后水经过后加氯、氨进入清水池，然后通过出水泵房送出厂外。 凌桥就地水水质相对陈行水库原水差，主要表现为氨氮、耗氧量和锰含量 高。2 0 0 4 年6 月，就地原水取水口向长江江心方向延伸以后由于取水水域较深， 水质波动很小，氮氮、锰浓度较低，就地原水水质得到改善。2 0 0 5 年凌桥就地 原水锰含量平均o 1 7 m g l ，最高1 3 m g l ，出厂水锰有时超标。为了解决该闯 题，2 0 0 2 年底水厂完成了投加高锰酸钾除锰工程。高锰酸钾的加注点选在水厂 围墙以内，在就地原水管道静态混合器前约5 0 0 米左右，能保证k m o o 与水的 接触反应时间。 1 1 2 水厂主要生产运行参数和水质情况 1 1 2 1 主要生产运行参数 加药系统 投加混凝剂：投加的混凝剂为液体碱式氯化铝( p a c ) ，a 1 2 0 3 含量为 1 0 左右，投加量手动控制，以搅拌实验结果为依据，根据进水水质、反应池 内混凝反应情况以及沉淀池出水浊度等确定。2 0 0 5 年凌桥水厂平均混凝剂投加 量1 8 7 m g l ( 折算为固体硫酸铝) 。夏季原水水质好时降低为1 2 1 3 m g l ：冬 季原水水质差，混凝剂投加量上升至2 2 m g l 左右。 加氯：加氯采用前加氯和滤后加氯结合方式，其中前加氯加注点在进水 静态混合器前，后加注点在滤池出水管上。前加氯量一般3 m g l 左右，滤后加 氯量1 m g l 左右，总加氯4 m g l 左右，出水余氯基本在1 2 2 0 m g l 之间。 夏季原水氨氮低，水厂过程水采用自由氯消毒。 加氨：采用滤后加氨方式，加氨加注点在滤池出水管上。 加高锰酸钾：高锰酸钾的加注量根据原水流量和原水中锰含量确定，自 动控制加注泵。其中高锰酸钾的加注率根据公式投加，最多不超过1 0 m g l 。 2 第1 章概述 理论加注量： k m n 0 4 ( m g l ) = l 2 m n 2 + 】( m g ，l ) + 0 2 0 3 m g ，l 水厂实际生产中高锰酸钾加注量在原水锰浓度的1 2 倍之间，对m n 2 + 的去 除取得良好效果。 水厂主要构筑物 ( 1 ) 折板絮凝沉淀池： 沉淀池出水浊度控制在o 8 1 0 n t u ：过程水采用自由氯消毒时沉淀池出 水余氯o 3 o 8 m g l ，采用化合氯时沉淀池的出水余氯1 5 m g l 左右。混凝反 应时间1 8 m i n 。反应池与沉淀池合建，共4 组，每组2 格，单格絮凝池采用并 联三通道，每个通道中串联设置三级反应区。第一和第二反应区内设置相对折 板，折板角度9 0 度，第三反应区内设置垂直折板，水流竖向流动。第一反应区 水流峰速为0 3 4 n d s ，第二反应区水流峰速为o 2 3 n g s ，第三反应区水流峰速为 o 0 8 m s 。池底部设排泥斗，每天开启阀门排泥一次。反应池排泥水浓度约8 3 左右。 折板混凝反应区的布置见图1 3 。 田i - 3 ：折板絮凝池 一期( 陈行) 反应池排泥：前l o 个排泥阀每2 天排次， 1 4 个排泥阀每l 天排一次，每次3 0 秒； 二期( 就地) 反应池排泥：前1 0 个排泥阀每2 天捧一次， 1 6 个排泥阀每l 天排一次，每次3 0 秒。 每次3 0 秒，后 每次3 0 秒，后 水厂采用平流式沉淀池，共4 组，沉淀池设计水平流速1 6 m m s ，停留时间 第1 章概述 1 8 小时。沉淀池集水区采用淹没孔口出流的指形槽；捧泥采用虹吸式吸泥机， 双侧排泥。8 部排泥行车每星期走1 次全程，每次3 小时；每星期其余6 天， 每天走1 次l 3 全程，每次l 小时。沉淀池排泥水量约4 2 0 0 m 3 d ，沉淀池排泥 水浓度o 8 左右，排泥水收集后经过提升泵直接排放至长江口。 水厂目前正在开展排泥水处理方面的前期工作。 田l - 4 ：双层穿孔花墙( 左) 和沉淀池出水指型檀( 右) ( 2 ) 滤池： 均质滤料v 型滤池，共两座( 新、老滤池) ，采用恒水位等速过滤，过滤 周期设定为7 2 h 。滤池采用气水反冲和单水漂洗的冲洗方式，冲洗水量、气量 由滤池p l c 系统进行流量控制，但实际运行情况不对反冲洗水量进行调节。滤 池主要技术参数如表1 1 所示： 4 第1 章概述 寰i - i ；滤池主要技术参数 单座总面积2 7 7 5 7 m 2 ( 4 6 2 m x 5 7 7 m ) ，分为1 2 格，双捧布置 尺寸 单格面积1 1 2 9 2 ( 8 3 6 x 1 3 5 m ) 设计制水能力单庳2 0 万m 3 d 设计滤速8 4 m h ，恒水位等速过滤 均质石英砂，厚度1 2 0 0 m m ，有效粒径d i o = o 9 5 1 ，均匀系数k = 1 4 ； 滤床组成 承托层厚5 0 m ，粒径1 ) = - 2 5 m m 有效水深 12 a 采用滤头滤板。过滤集水和反冲洗的布气布水都采用高强度a b s 的长柄滤头； 配水系统 滤板为钢筋混凝十结构，甲面尺寸为l l o o m m x1 l o o m ，厚l o o m m ，扳上预埋 滤头套管，布置密度；【j 5 0 q 2 采用气水反冲和单水漂洗的冲洗方式。设计强度分别为： 气水同时反冲阶段一气冲强度5 5 3 h m 2 ，水冲强度8 5 m 3 h 2 ，历时 反冲洗 4 5 m i n ；水冲阶段一水冲强度1 7 m 3 h m 2 。历时5 5 m i n 冲洗的气源和水源由反冲洗泵房提供，每鹰滤池水冲洗有3 台反冲洗水泵 ( 卧式离心水泵) 二用各：气冲动力设备包括3 台罗茨鼓风机二用备 滤池的布置见图l - 5 。 田1 - 5 ：凌桥水厂v 型滤池 第1 章概述 1 1 2 2 原水和出厂水水质情况 2 0 0 5 、2 0 0 6 年水厂陈行水库和长江就地原水水质及出厂水水质情况见下表： 裹1 - 2 ：原水水质情况 浊度色度 氨氮耗氧量锰余氯 ( n t u ) ( 度)( m g l 一1 ) ( m 窖l 一1 )( m 2 l - 1 )( m a l 一1 ) 陈行水库原水 ( 2 0 0 6 ) 4 9 7 2 3 0 o 0 7 2 3 50 0 7 长江就地原水 ( 2 0 0 5 ) 1 3 4 92 7 10 6 84 9 2 0 1 6 出厂水0 15 30 4 81 8 0o 0 1 61 6 1 从生产运行的状况，尚有值得研究和优化的方面。如：水厂折板反应池的 就地原水处理单元需要每天进行排泥，陈行水库原水处理单元也需要每隔几天 进行排泥；反应池与沉淀池之间的整流区积泥较严重，大颗粒絮体部分在反应 池末端等区域沉积，对后续沉淀有何影响? 水厂最近4 年的混凝剂平均投加量 1 8 7 m g l ( 以固态硫酸铝计) ，相当于临江水厂使用的液体硫酸铝约3 7 m g l ， 有无优化的可能? 水厂滤池的过滤周期、反冲洗强度和时间尚有进一步优化的 空间。目前水厂对陈行原水单元的前加氯采用自由氧消毒方式，夏季沉淀池中 余氯挥发快，对滤池管廊中不锈钢栏杆的腐蚀程度高，且到沉淀池出口有时发 生余氯很低的现象：水厂两种源水的制水工艺参数相近，有无进一步优化的可 能性? 随着水质标准的提高，凌桥水厂的沉淀池出水最近几年都控制在o 5 0 o 8 0 n t u 左右，虽然滤池进水中污染物也有所下降，但滤池的功能并没有弱化， 对滤料的使用周期、性能和更换也相应地提出了更高的要求。 目前，国内自来水厂多以浊度来反映水厂各个净化环节的运行效率，尤其 是水厂混凝剂投加、滤池运行等方面。由于浊度是反映水的浑浊程度的宏观指 标，无法表征水中颗粒物的变化情况，因此，在水厂的一些关键净化环节无法 做到定量和精细调控，为此，利用颗粒物计数手段作为水产运行的辅助控制手 段具有很大的潜力。 6 第1 章概述 1 2 颗粒物计数法在水处理行业的研究与应用现状 随着各种净水处理工艺的推广应用以及日趋严格化的水质指标的实施执 行，浊度仪测定的灵敏度和反映的水质特征已经不能满足目前水处理行业的日 常管理要求。因此，以颗粒计数方式对水处理工艺过程与出水中的颗粒物进行 监测与表征得到越来越广泛的应用。 浊度仪是用来测量水的相对澄清程度，它不直接反映颗粒物的物理参数。 大多数浊度仪是用钨灯照射水样，然后用光电二极管在一定角度上测定来自颗 粒物“云”的散射，用颗粒物云的亮度作为仪器的电输出信号( 见图1 - 6 ) 。 颗粒物计数仪使用更精确的激光二极管光源，形成一束与被检测的液体流 向垂直的非常狭小而明亮的激光，入射光束由于被液体中的粒子阻挡而减弱( 见 图卜7 ) ，这种瞬时的光强变化引起光电二极管接收电压信号的变化，该变化与 粒子通过光束时的截面积成正比。每一个粒子通过光束时均引起一个电压脉冲 信号，脉冲信号的多少反映了粒子的数量，不同粒径的颗粒物数目由不同的测 量频道获得。与浊度仪不同，颗粒计数仪的测定结果直接反映了颗粒物的物理 参数，即颗粒物的总量( 个m l ) 和粒径分布【i j 。颗粒仪的量程为1 8 0 0 0 个m l ， 粒径测量范围为2 4 0 0 1 a n ，可同时测出8 个粒度范围的粒径分布。 有研究表明，当浊度低于0 i n t u 时，浊度和颗粒数的相关性较差，因为 对于低浊度水，颗粒仪在灵敏度和检测能力方面都明显优于浊度仪【2 】。 田1 - 6 ：浊度仪的测定原理田1 - 7 ，颗粒物计数仪的测定原理 目前颗粒计数仪已广泛应用于油田废水处型3 1 、膜工艺 4 - 6 、航天、军工以 及医药化工等行业。在美国约有5 0 0 多家水处理厂采用这种仪器，几乎所有的 油田下注水的质量控制都采用这种仪器，欧洲、日本、韩国和印度等也开始将 颗粒计数仪应用于水处理中。在我国北京第九水厂、广州自来水公司、深圳自 来水公司以及上海闸北水厂等已有应用。 7 第1 章概述 在饮用水处理领域，颗粒物计数法主要应用于以下几方面： ( 1 优化絮凝剂的加入量和絮凝反应的操作条件 浊度仪是检测混凝剂投加效果的传统手段，但是浊度并不能真实反映投加 效果，因为浊度只是表征水体混浊程度的综合指标，浊度的测量原理决定其本 身不能很好地表征颗粒物数量和动力学特性，特别是不能表征絮凝中颗粒物是 否从小变大的过程，另外浊度测量的滞后性也使其4 i 能及时反映絮凝效果。而 颗粒计数仪可用来实时监测絮凝过程中颗粒物的动力学变化结果，为优化絮凝 过程的设计和操作提供可靠的依据。在对絮凝剂加人量进行微量调节时，因过 滤器出水中颗粒物浓度较低，而使浊度仪和混凝烧杯试验法精度不够，颗粒物 计数仪则可以准确测量此时的颗粒物浓度和不同粒径范围的颗粒物数量，为优 化絮凝剂的投加量提供了必不可少的技术保证。 加拿大b e a r s p a w 水厂利用颗粒物计数仪在水质监测方面的高灵敏度，根据 滤后水中颗粒数的测量结果调整了混凝剂投加量，节约药荆成本9 4 万美元月； 韩国s h a e w o o n 水厂采用颗粒物计数仪对絮凝过程中颗粒物大小的动态变化进 行了监控，并用来指导选择絮凝器的最佳操作条件 7 1 ；北京第九水厂在斜板沉 淀池上下各安装了两台颗粒物计数仪，发现并解决了沉淀效果不佳的问题嗍。 ( 2 监测和评估过滤系统 通过在线监测滤前和滤后水中不同粒径颗粒物的浓度，可以确定过滤装置 对不同粒径颗粒物的过滤效率，从而可以及时报告滤池穿透、准确选择反冲洗 时间、确定初滤水排放时间、评估过滤效率以及确定合理的滤池运行参数掣9 j 。 通常过滤器穿透刚发生的时候，透过的颗粒物数量很少，浊度仪读数滞后， 无法监测出浓度的变化。但颗粒物计数仪的精密度大大超过浊度仪，其相应粒 径的测量值会显著升高，因此可及时地警告过滤器穿透现象的发生。 传统的水处理厂一般周期性地对过滤器进行反洗，或利用固定的水头损失 来决定是否对过滤器进行反洗。但用时间作为唯一的控制因素显然没有考虑过 滤器的实际负荷，用水头损失往往也4 i 能准确地反映过滤器的实际操作状态。 与浊度仪不同，颗粒物计数仪的测量结果能实时反映过滤器的运行状态，可准 确地确定何时应进行反洗。 利用颗粒物计数仪对过滤器实时测定的结果可评估过滤效率，并可及时发 现由于过滤器填料的断裂、填料粒径选择刁i 当、填料的流失、过滤器超负荷运 转等所造成的过滤效率的降低。 8 第1 章概述 此外，还可以利用颗粒物计数仪来评价和比较不同过滤系统对不同粒径范 围颗粒物的去除效率，从而选择恰当的滤料级配和滤料材质。达到预期的过滤 处理目标【o 、。 ( 3 ) 监测滤后水水质 水体中的病原微生物是影响出厂水和管网水水质稳定的重要因素，欲使处 理过的水质达到可直接饮用的标准，对病原体的监测变得尤为重要。由于传统 的氯消毒不能杀灭对人类健康产生危害的某些病原体( 如c d a r d i a 和 c r y p t o s p o r i d i u m ，见图1 8 ) ，另外，常规的检测方法不但耗时，而且成本很高， 给水厂的日常控制管理带来了较大的难度。因此，采用替代参数来间接表征病 原微生物的去除显得尤为必要和现实。病原体的量是和相关粒径的出水颗粒物 的量相关的，因此采用颗粒物计数仪定量监控相关粒径的出水颗粒物的量对于 保证出水水质，维持管网水的生物稳定性有着重要作用】。英国、美国和加拿 大 1 2 - 1 4 1 于2 0 世纪9 0 年代开始这方面研究，日本近年研制了基于颗粒计数的高 灵敏度、i 氐成- 本浊度仪，既可以检测滤后水的浊度又能利用颗粒数间接表征因 病原体穿透导致的污染【”】。在我国，陈杰等人利用颗粒物计数仪开展了预氧化 强化去除滤后水中颗粒物的研究，有效提高了滤后水的微生物安全性【i “。 幽1 - 8 ：g i a r d i a ( 左) c r y p t o s p o r i d i u m ( 也) 综上所述，颗粒物计数法可以应用于饮用水处理的主要制水环节，对改善 出厂水和管网水水质，为水厂的工艺操作和日常管理提出了科学依据和技术保 障。颗粒物计数与浊度仪和诱导激光击穿检测【1 7 1 等常规检测技术的结合以及在 线原水稀释系统的发展【1 4 】扩大了其检测范围，必将有利于综合发挥各自的优势， 客观地反映水质情况。 9 第1 章概述 1 3 预氧化工艺强化处理微污染原水的研究 在饮用水的预氧化方面，目前采用的预氧化剂主要有液氯、臭氧、高锰酸 盐系、过氧化氢、二氧化氯、高铁酸盐等【馆】。预氯化技术成本最低，根据原水 水质确定合理的加氯量和合适的反应时间可以在有效降低其副作用的同时，保 障常规水处理工艺正常运行，在我国目前的经济状况下，有广泛的应用；高锰 酸盐、高铁酸盐除了具有除铁、锰、微量有机污染物，嗅、味等作用外，还能 通过对氧化过程中的中间产物的吸附、絮凝作用来强化处理效果；过氧化氢的 氧化性较强，但单独使用时分解速度较慢，效果不很明显，目前主要用于水的 高级氧化( f e n t o n 试剂，u v h 2 0 2 ，0 3 i - 1 2 0 2 等) ；预臭氧化的处理效果受原水水 质、臭氧投加量、氧化条件的影响较大，且单独氧化效果不理想；二氧化氯氧 化性强，可以杀死隐孢子虫等氯消毒不能杀死的病原微生物，并不产生三卤甲 烷等致癌副产物，但会产生同样有害的无机副产物( c 1 0 2 一和c 1 0 3 一) l l g 。 就氯消毒工艺而言，化合氯消毒较自由氯消毒对氯有较高的利用率，可以 有效提高氯在水中分布的均匀性和稳定性，从而降低了消毒剂用量，且不易挥 发造成给水设施的腐蚀。关于预氯化易产生“三致”物质的问题，研究表吲1 7 1 ， 氯与原水中有机物反应需要一定的反应时间，且与原水的p h 值、氨氮含量等水 质条件有很大的关系，其反应产物三卤甲烷的生成量有如下公式： t h m s ( 三卤甲烷量，r t g l ) = a ( d o e ) 。( c 1 2 ) 。( b r ) 4 ( 丌( p h ) 。( 矿 a , b ，c ，d , e ，f , g 为参数，d o c 为水样的d o c 值( m g l ) ，c 1 2 为氯的投加量( m g l ) ， b r 为溴离子的浓度( g 几) ，t 为水样的温度( ) ，p h 为水样的p h 值，t 为反应时 问( h ) 。通过合理控制加氯量和反应时问就可以有效控制卤甲烷的产生量。h e r v 6 g a l l a r d 2 0 】等人分析了氯氧化自然水体中的有机物过程中形成t l m d s 的动力学分 析。 综上所述，并结合凌桥水厂且前采用的针对两种不同水源水的预氧化工艺， 对其前加氯采用的自由氯消毒方式仍有一定的优化空间。 此外，采用高锰酸钾氧化和铝盐混凝相结合的方法，对去除水中某些有机 物有较好的去除效果，尤其是对水中的几种强毒性“优先污染物”和致癌、致 突变物质有明显的去除效果。有研究指出【1 9 】，向含锰水中投加2 0p p m 的高锰酸 钾，就可将水中的l ，2 一二氯乙醚去除7 4 ，2 2 一二溴丙烷去除7 9 。即使向水 中投加0 2p p m 的高锰酸钾，也可分别将l ，2 一二氯乙醚和2 ，2 一二溴丙烷分别去 除2 4 和4 7 。当水中3 ，3 一二氯丙烷含量较低时，可完全去除。而且，高锰酸 0 第1 章概述 钾对水中微量有机污染物的去除效率与高锰酸钾的投加量成正比。据研究人员 分析【2 l 】，高锰酸钾预氧化还能促进对藻类细胞的降解，因而可以避免净水过程 中藻类的滋生。 预氯氧化和预高锰酸钾氧化的联合工艺对处理效果会有一定的促进作用。 杨艳玲等人【捌的研究表明，高锰酸钾可以明显强化氯或氯胺对细菌和大肠杆菌 的灭活效果，两者具有协同作用，是一种不错的安全预消毒技术。 对预氧化效果的评价，不应单纯从本工艺对有机物及细菌的去除效果来作 出，而应更多地考虑预氧化对后续工艺的影响。虽然预氧化工艺本身对有机物 的去除效果有限，但它对有机物性质和结构的改变，极大影响了后续的工艺效 果，如出水浊度的降低，絮凝效果的改善等。经分析认为【i ”，其原因是由于经 氧化生成的含有羧基、羟基的脂肪类有机物易与混凝剂作用，形成络合物从水 中混凝分离。 关于高锰酸钾的助凝作用，有实验证明田】，当高锰酸钾投量为0 5 m g l 时， 助凝效果就很明显，且用高锰酸钾助凝，混凝剂的最佳投量不变，沉后余浊曲 线向下平移。特别是高锰酸钾处理后对滤后水的水质改善更为明显。随着高锰 酸钾投量的增加，滤后水浊度进一步降低，但不能过量，否则出水色度会增加。 当水中有机物含量较高( c o d 胁= 5 m g l ) 时，高锰酸钾的助凝效果更为明显。 高锰酸钾投量为0 5 m g l ，滤后水浊度比单纯使用混凝剂时下降约5 0 ，若高锰 酸钾投量增至4 m g l ，滤后水浊度下降约7 0 。一股认为瞄】，高锰酸钾是通过氧 化和其还原产物二氧化锰吸附的共同作用去除饮用水源中的微量有机污染的。 有研究表明【2 5 】，高锰酸钾对浊度和t o c 的去除率比h 2 0 2 、c 1 0 2 和0 3 要好，另外。 研究人员m 】对次氯酸钠和高锰酸钾复合预氧化与常规处理工艺联用的研究表 明，该系统对高锰酸盐指数、浊度、色度都有良好的去除效果。 一些学者还从助凝作用，c o d u 。、藻类和氨氮的去除效果，嗅味去除等角 度研究了在微污染原水净水中用高锰酸钾预氧化替代预氯化的实用性【2 7 】，该法 的关键因素是，高锰酸钾与水样的接触时间和其投加量的精确控制。 1 4v 型滤池过滤技术的优化 在常规水处理过程中，过滤一般是指以石英砂等颗粒状滤料层截留水中悬 浮杂质，从而使得水获得澄清的工艺过程。滤池通常置于沉淀池或澄清池之后， 第1 章概述 进水浊度一般在1 0 n t u 以下，滤出水浊度必须达到饮用水标准。过滤是饮用水 的净化工艺中不可缺少的重要措施。 v 型滤池是法国得力满( d e g r e m o n t ) 公司设计的一种快滤池，主要采用 均质滤料，气、水反冲洗，恒位恒载等技术方式运行，具有出水性质好、过滤周期 长和节省冲洗水量等优点，近年来在我国大、中型自来水厂广泛应用【2 e 】。 1 ) v 型滤池配水均匀性的探讨 v 型滤池因两侧( 或一侧也可) 进水槽设计成v 字型而得名，通常由滤池、 管廊和气水反冲洗泵房等三部分组成。v 型滤池通常采用进水渠并通过配水闸 孔、配水堰给各间滤池平均分配过滤流量，其配水均匀度对滤池的过滤性能影 响很大。由于阻力和渠中水流速度的变化，v 型滤池配水渠水面高程沿程变化， 引起配水不均匀。为了提高配水均匀度，陈承佛等人对v 型滤池配水均匀性进 行了分析【2 9 】，并提出一种实用的方法，即调整配水堰顶高程。基于水力学原理 推导出配水渠内水面升高值的计算公式，为合理快捷调整配水堰顶高程提供依 据，从而保证了v 型滤池配水的均匀性和过滤效率。 2 ) v 型滤池气水联合反冲洗工艺优化的探讨 冲洗强度 v 型滤池的最大特点之一是气水联合反冲洗。所谓气水联合反冲洗是三段 式冲洗方法，即首先空气预冲洗，然后气水同时反冲洗，再单水漂洗0 0 1 ，也可 采用气水同时反冲，然后水冲的2 步冲洗过程1 3 ”。它应满足基本要求： 将吸附于滤料颗粒上的污物剥落并漂洗滤床，以使清洗过的滤床过滤时 的初始水头与新滤池相同； 使滤床中滤料充分混合，无分级，全床均质化； 使滤床实现均质滤池特有的膨胀过滤； 反冲洗水量少，滤料流失量少，能耗低： 承托层不能受扰动。 要达到上述要求，二段的气水同时冲洗和三段的单水漂洗强度的取值非常 重要，强度偏小滤床清洗不干净，难以形成高效膨胀过滤：强度偏大则不仅导 致滤料流失严重、能耗大、易造成承托层扰动，而且使滤床出现水力分级，从 而破坏均质过滤特性。 潘建仲等人【3 0 】对粒径为0 8 1 0 m m 的两组均质石英砂滤料进行了气水同 时反冲洗强度试验。从图1 9 可见，滤料存在全床脉动线和全床液化线，而试验 1 2 第1 章概述 中所选定的气水同时反冲洗强度范围应位 于脉动线之右并紧邻脉动线，同时液化线 应贯穿该区域。否则，如位于脉动线之左 则强度不够，滤床不能得到很好清洗；如 超出液化线则强度偏大，得出的最佳冲洗 参数组合不当会造成浪费并对承托层稳定 性构成威胁。故在全床脉动线与稳定膨胀 线( 膨胀率为1 0 ) 限度内，气水同时冲洗 田i - 9 ：气水反冲洗强度试验 的强度取值范围可以有多种组合。 在气水联合反冲洗中第三段单水漂洗目的是将前两段剥落下来的污物从滤 床中漂洗出去，因此不需要使滤床过分膨胀、流化，同时又要使滤床达到稳定 膨胀，以便排赶残余气泡形成均质膨胀过滤，膨胀率不宜超过1 0 ，否则又将 导致滤床级化，破坏均质过滤特性。 日本水道协会推荐的计算砂滤料的单水漂洗强度和膨胀率的公式为： v = o 1 3 9d 3 a ( 1 + o 0 6 e ) ( g t + 3 1 0 ) c 产 式中v 反冲洗速度c m m i n d 砂的有效粒径，呻 c i 砂的均匀系数 苜一砂的膨胀率 t 水温， 此外，还应在试验基础上，综合考虑滤床冲洗时的清洁度、膨胀率、砂流 失量、耗水量等诸因素优选出的节能又有效的气水同时冲洗强度和单水漂洗强 度范围。 冲洗时间 仅有合适的反冲洗强度而冲洗时间不足时，也不能充分洗掉包裹在滤料表 面的污泥甚至无法置换反冲洗废水，导致污泥重返滤层，滤层表面易产生泥 膜；若冲洗时间过长，则能耗、水耗较大。因此只有配以合适的反冲洗时间， 滤池再生才能彻底。实际生产中常以反冲洗排水浊度 1 0 m 哪、滤砂含泥量 0 2 作为选定合适反冲洗时间的指标，滤池的反冲洗强度、反冲洗时间同过滤周 期有关，为了确定实际生产中v 型滤池反冲洗时间，可以通过反冲洗强度和时间 对滤池反冲洗效果影响的试验1 3 2 】来获得，即改变气冲、气水混冲、水冲时间后 测定的滤料含泥量、反冲洗排水浊度以及排水浊度 1 0 n r u 的所需时间。 第1 章概述 3 ) v 型滤池过滤周期优化的探讨 过滤周期是体现滤池性能的重要参数，周期选择合适与否直接关系到滤池 的产水量和水质：延长过滤周期可减少反冲洗次数，降低水耗和电耗，但过滤 周期太长会导致形成泥球、滤层出现板结，增大反冲洗难度，影响滤浊的使用 寿命，水质也难以保证。科学地确定过滤周期，充分发挥均质滤料的优势，成 为滤池优化的一个重要课题。目前有的学者利用数学模型描述滤层中悬浮颗粒 截留量随过滤时间和滤层深度而变化的规律，以此来确定过滤周期，但不同学 者提出的过滤方程往往差异很大。因此在传统的实际操作中，过滤周期的选定 基本上仍是根据在不同时期、滤前水浊度相对稳定的某个时段进行试验来确定 的。有研究者【明对月浦水厂气水反冲洗滤池设计参数和运行情况进行了系统的 追踪分析，并根据不同过滤周期下对滤后出水浊度，距砂面1 5 c m 的滤砂含泥量 和过滤水头损失的比较调整了过滤周期。有研究指出，浊度仪对滤后水浊度读 数的滞后性不能及时反映过滤装置的穿透，这将影响到滤池的过滤效率。一些 学者1 9 】建议使用颗粒物计数仪来监测滤池是否穿透。通常过滤器穿透剐发生的 时候，透过的颗粒物数量很少，浊度仪无法监测出浓度的变化。但颗粒物计数 仪的精密度大大超过浊度仪，其相应粒径的测量值会显著升高，因此可及时地 警告过滤器穿透现象的发生，我们可以将其用于指导过滤周期的精确确定。 1 5 课题研究的目的和内容 1 5 1 课题的研究目的 水源污染是当今世界范围所面临的普遍问题，用于饮用水生产的水源都受 到不同程度的污染。氨氮，重金属，有机物等污染物在饮用水源水的检测中越 来越多地出现使得人们对饮用水处理工艺要求越来越严格。随着上海经济的发 展和人们生活水平的持续提高，污染日益严重的水源水和人们对水处理要求的 不断提高之间的矛盾也日益明显。2 0 0 7 年7 月1 日由国家标准委和卫生部联合 发布的生活饮用水卫生标准正式实施，标志着对供水安全提出了更高的要 求，同时对水厂的出水质量考核日趋严格。水源污染给人类健康带来了严重威 胁，解决办法一是保护水源，控制污染源；二是强化水处理工艺。因此，如何 在强化水处理工艺的同时优化处理工艺，在提高产水能力的同时达到降耗、节 能、增效的且的，成为饮用水厂有待解决的关键问题。 1 4 第l 章概述 基于水厂生产运行的现状和第一阶段的优化试验，本课题的研究目的如下： ( 1 ) 本着节能降耗的原则，针对陈行水和长江就地水两种不同的原水水质条 件，通过混凝搅拌试验，对水厂春夏季的混凝剂投加量进行优化，为水厂日常 操作及自动化运行管理提供技术依据。针对就地原水水质变化大的特点，提出 水厂投药方式和投药量的应急处理方案，以保证良好的出水水质，减少不必要 的药耗。 ( 2 ) 通过模拟滤柱的小试试验，为生产性滤池运行参数优化提供依据，并结 合生产性试验，研究和优化滤池运行参数。 ( 3 ) 研究颗粒物计数仪作为分析和控制手段，在监控自来水厂的水质、工艺 运行过程中的应用。 1 5 2 课题的研究内容 水厂总体运行控制稳定，出厂水浊度平均控制在o 1 0 n t u 左右。在生产运 行中值碍研究和优化内容涉及混凝沉淀，反应池爿 泥和积泥问题，过滤和消毒 等方面，在本人3 个月的课题的研究期间，主要开展了以下研究内容： 1 、春夏季混凝剂投加量的优化 根据凌桥水厂两路原水水质差异较大的情况，分别利用颗粒物计数仪和浊 度仪研究了中高温条件下混凝剂( p a c ) 投加量对沉后水颗粒物和浊度的影响， 以及对后续滤池过滤的影响，进而提出合理的沉后水水质指标，优化的混凝剂 投加量。 2 、预氯化和高锰酸钾预氧化及其联合使用助凝效果研究 针对长江就地原水突发性水质恶化导致的氨氮等含量较高的情况，以提高 处理效果、节约矾耗、降低前加氯量为目标，着重研究：预氯化的助凝效果； 高锰酸钾氯复合预氧化的助凝效果：复合预氧化与预氯化的效果比较。 3 、模拟滤柱的研究 以陈行新系统沉后水为原水，模拟柱采用与生产v 型滤池完全相同的滤料 及滤层高度，模拟生产过滤过程。试验重点考察：不同滤速过滤效果的比较； 不同滤速下的合理过滤周期；不同滤料层对颗粒物的截留规律， 4 、滤池运行参数的优化 根据前一阶段的运行研究结果，取陈行新系统1 0 # 滤池为研究对象，以滤 后水浊度，滤后水颗粒数、滤速等作为指标，优化确定不同处理水量条件下的 第1 章概述 滤池合理过滤周期，在原有反冲洗强度下考察反冲洗所需时间( 以排水浊度 毫j 白 - 固2 4 ：模拟滤桂主视剖面图 绾号名称 1底座 2滤后出水反冲进水管 3水管封头 4进出水小孔 5 螺母 6滤板 7布水孔 8滤板支脚 9采水样管 1 0法兰 1 1滤梓柱体 1 2沉后水迸永管 1 3反冲洗排水管 第2 章试验条件及试验方法 2 2 2 小试装置设计参数 两套小试装置采用透明有机玻璃制作，设计滤速可分别达到6 m h 、8m h 和l om h ，满足试验目的中设定的3 个滤速平行比较：可模拟的最大水头损失 为1 6 m 。模拟装置的详细设计参数见表2 - 2 ： 表2 2 ：模拟装置设计参敷一览表 名称 材料数量规格 模拟滤柱柱体有机玻璃 2 d n l 5 0 m m ，h = 3 5 0 0 r a m 滤板有机玻璃2 开孔比1 5 ，孔数1 3 个，孔径0 5 e m 滤料层 石英砂 d l o = o 9 5 m m ，k s o = 1 4 承托层卵石 粒径范围8 1 6 m m 不锈钢l i s g l 5 8 0 管道泵离心泵 水泵 铜质1