（环境工程专业论文）强化混凝用于微污染水源水中藻类去除的研究.pdf

中文摘要 摘要 引滦水是天津市的重要供水水源，但每年的夏秋季，水体中藻类大量繁殖 给饮用水的处理带来很多困难。本研究针对天津夏秋季的引滦水，进行混凝试 验研究，从投加药剂及混凝条件两方面对混凝工艺进行强化，研究探讨混凝对 藻类的去除效果及机理。 混凝试验表明加大混凝剂的投加量强化混凝，可以提高混凝对藻类的去除 效果，但这并不是强化混凝、改善水质的最佳途径。混凝剂中加入助凝剂、氧 化剂预氧化都能较大幅度的提高混凝对藻类的去除率。试验结果表明f e c i ，和 泡花碱i ：1 混合使用时可使相同f e c i 。投加量下混凝对藻类的去除率提高1 9 个百分点：h c a ( 有效成分为二甲基二烯丙基季胺盐阳离子高分子化合物，相对 分子量 8 00 0 0 ) 药剂投加0 0 5 o 2m g l 时可使其对藻类的去除率提高3 8 个百分点；氧化剂氧化后再进行混凝，藻类的去除率可提高7 1 0 ，其中氯的 最佳投加量为2 m g l ；高锰酸盐复合药剂最佳投加量为0 9 m g l ；过氧化氢的最 佳投加量为6 m g l l ；高锰酸钾的最佳投加量为0 9 m g l 。 调节原水的p h 值从5 5 到9 5 进行混凝试验，结果表明p h 值的变化对混 凝除藻的效果的影响不十分明显。混凝正交试验确f e c l 。( 含泡花碱1 ：1 ) 作为混 凝裁，混凝除藻的最佳搅拌条件为，以6 0 0r m i n 的转速快搅i m i n ，再以5 0r l m i n 的转速慢搅1 5 m i n ，其中慢搅的时间对混凝除藻效果有着显著的影响：p p c ( 高 锰酸盐复合药剂) 作为预氧化剂，混合时间对其除藻的效果有着显著性的影响； 高锰酸钾和粉末活性炭联用强化混凝藻类时，高锰酸钾投加量为0 9m g l ，f e c i 。 投量1 4 m g l ，活性炭投量5 m g l ，投加顺序为：高锰酸钾、粉末活性炭、三氯 化铁时除藻效果最好，其中高锰酸钾的投加量对混凝除藻的效果有显著性影响。 关键字：强化混凝除藻微污染饮用水预氧化搅拌条件 a b s t r a c t a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n ts o t l r c ew a t e ro ft i a n j i n g ，l u a n h ew a t e rh a sam a s so fa l g a ei n e a c hs u m m e ra n da u t n l n nt h a tb r i n g sm a n yp r o b l e m st oc o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s e s t h i sr e s e a r c hs t u d ya n dd i s c u s st h e e f f e c t sa n dm e c h a n i s m so fa l g a e r e m o v a l ，砸廿1e n h a n c e dc o a g u l a t i o np r o c e s sb yd o i n gc o a g u l a t i o n f l o c c u l a t i o nj a rt e s t ， a c c o r d i n gt ot h eq u a l i t yo fl u a n h ew a t e ri ns u m m e ra n da u t u m n c o a g u l a t i o ni s e n h a n c e db o t hi nc o a g u l a n t sa n dm i xc o n d i t i o n c o a g u l a t i o n f l o c c u l a f i o nj a rt e s ti n d i c a t et h a td o s i n go fc o a g u l a n t sa tab i gl e v e l m a ye n h a n c et h ee f f e c to fa l g a er e m o v a l ，b u ti t i sn o ta no p t i m a lw a yt oe n h a n c e c o a g u l a t i o na n di m p r o v et h eq u a l i t yo fd r i n k i n gw a t e r f l o c c u l a t i o na i d s a n d p r e o x i d a t i o nc a ne n h a n c ec o a g u l a t i o no na l g a er e m o v a ls i g n i f i c a n t l y e x p e r i m e n t s i n d i c a t ew h e nf e r r i cc h l o r i d ea n da c t i v es o d i u ms i l i c a t em i x i n g ( 1 ：1 ) a sc o a g u l a n t st h e e f f i c i e n c y o fc o a g u l a t i o no na l g a er e m o v a lc a ni n c r e a s e1 - 9p e r c e n tt h a nf e r r i c c h l o r i d eo n l y w i l l e d _ h c ai si n p u t t e d0 0 5 - - - 0 2 m g lt h ee f f i c i e n c yo fc o a g u l a t i o no n a l g a er e m o v a lc a ni n c r e a s e3 - 8p e r c e n t p r e o x i d a t i o nc a nm a k et h ee f f i c i e n c yo f c o a g u l a t i o no na l g a er e m o v a li n c r e a s e7 - 1 0p e r c e n t a n dt h eo p t i m u md o s i n gi s c h o r i n e2 m e t e ，p p c0 9 m g l ，h y d r o g e n6 m g l ，p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t eo 9 m g l e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tw h e np hw a sc h a n g e df r o m5 5 9 ，5s h o wn o s i g n i f i c a n te f f e c to na l g a er e m o v a l o r t h o g o n a lf a c t o rt e s t ss h o wt h eo p t i m u mm i x c o n d i t i o nf o ra l g a er e m o v a li sf l a s hm i x i n go n6 0 0 r m i nf o r1 m i n u t ea n dt h e nl o w r a t em i x i n go n5 0 r m i nf o r15 m i n u t e sa n dt h et i m eo fl o wr a t em i x i n gh a ss i g n i f i c a n t e f f e c to na l g a er e m o v a l ，w h e nf e r r i cc h l o r i d ea n da c t i v es o d i u ms i l i c a t em i x i n g ( 1 ：1 ) a sc o a g u l a n t s a c c o r d i n gt ot h et e s tw h e np p cw o r k e da sap r e o x i d e n t ，t h em i x i n g t i m eh a ss i g n i f i c a n te f f e c to na l g a er e m o v a l t h er e s u l t si n d i c a t et h a td o s i n go f p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ea t0 9 m g l ，f e r r i cc h l o r i d ea t1 4 m g l ，p o w d e ra c t i v a t e c a r b o na t5 m g l ，i n p u t t i n go r d e rw i t hp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t e ，p o w d e ra c t i v a t e c a r b o na n df e r r i cc h l o r i d eh a v et h eo p t i m a le f f i c i e n c yo na l g a er e m o v a l ，a n dt h e i n p u t t i n ga m o u n t o fp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t eh a ss i g n i f i c a n te f f e c to na l g a er e m o v a l 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 ，a l g a er e m o v a l ，m i c r o o r g a n i cp o l l u t i o n ， d r i n k i n gw a t e r , p r e o x i d a t i o n ，m i x i n gc o n d i t i o n 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： 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 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 1 1 课题的研究背景及意义 近年来由于我国水土流失严重、水源污染等因素的影响，地表水源水成分 逐渐趋于复杂，水中有机成分增多。很多水体的物理、化学和微生物指标已不 能达到地面水环境质量标准中作为饮用水水质的要求，而被称作微污染水 源。我国北方城市水源7 0 以上为地表水，有机污染和水体富营养化现象普遍， 而自来水厂的常规处理工艺难以去除有机物及藻类产生的嗅味。在目前无法在 短时间内控制水源污染，改善水源水质的情况下，发展新的净水工艺来保证饮 用水安全和人们的健康是十分必要的。 天津是北方资源型缺水城市，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l 0 0 0 m 3 的缺水警戒线。1 ，而且水源水质的有机污染和水体富营养化现象较为 严重，1 9 9 9 年、2 0 0 0 年、2 0 0 1 年、2 0 0 2 年连续四年的天津市环境状况公报中 均对饮用水源的有机污染特别水体富营养化进行了描述。3 。引滦水是天津重要的 城市供水水源，氨氮、高锰酸盐指数、总大肠菌群数、p h 值等偶有超标，在每 年的污染物高发期，最主要的污染物是藻类，其次是c o d m 。“1 。因此，研究引 滦水源水体中藻类的去除改善天津市的饮用水水质，是改善天津市城市供水水 质的关键之一。 混凝是常规给水处理工艺中的主要组成部分，我国水厂普遍采用的净水工 艺，对其进强化和改造，成本低，效果好，符合我国的国情。本课题针对天津 市的水源水质特点，研究了影响强化混凝工艺除藻效果的各种因素，探讨了强 化混凝对藻类去除的机理。这对于提高高藻期的水处理效果，改善供水水质， 促进经济和社会的可持续发展具有十分重要的意义。 1 2 微污染水源水中污染物的种类及特征 “微污染”是我国近十年来才出现的给水处理术语。微污染水源是指水的 物理、化学和微生物指标已不能达到地面水环境质量标准中作为生活饮用 水源水的水质要求。水体中污染物单项指标，如浑浊度、色度、臭味、硫化物、 第一章绪论 氮氧化物、有毒有害物质、病原微生物等超标现象，多数情况下是受有机污染 的水源。 1 2 1 微污染水源水质特征 微污染水源污染物种类较多，性质较为复杂，但浓度较低微( 浓度一般为 n g g g l 数量级) 。这些微量的污染物对人体的危害很大，特别是一些有机微污 染物质具有致癌、致畸、致突变的作用，而常规的传统净化工艺不能有效的将 它们去除。通常其水质特征表现为氨氮、亚硝酸盐、b o d 5 、耗氧量等项超标： 藻类繁殖严重；水体中存在病原微生物：存在溶解性有机污染物，a m e s 试验为 阳性；特定的源污染还会引起色、嗅、味的产生”1 。 不同的水源所包含的污染物的种类和数量不同，同一水源所包含的污染物 的种类和数量也会随时问而变。湖泊、水库是重要的城市供水水源，由于其水 体容量大、流动性小、沉淀作用强，使有机质、氮、磷等营养物质在底部沉积 聚集，给藻类等浮游植物提供了充足的营养，容易造成藻类的大量繁殖”1 。所以 一般来说，水体的富营养化是湖泊水库污染的主要表现之一。 1 2 2 微污染水源水中污染物的种类及特征 在受污染水体中，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，这些污染物相互联系、密不可分构成一个复杂的污 染物体系。其中胶体主要是指水中存在的细菌、藻类、无机颗粒物( 如粘土、 氧化铝) 、大分子有机化合物( 如蛋白质、碳氢化合物) 等悬浮微粒，尺寸在1 n m l p m 之间；有机污染物可分为天然有机物( n o m ) 和人工合成有机物( s o c ) 。天然 有机化合物是指动植物在自然循环过程中经腐烂分解所产生的物质，包括腐殖 质、微生物分泌物、溶解的动物组织及动物的废弃物等，这些有机物质大部分 呈胶体微粒状，亦有真溶液和悬浮物态存在；人工合成有机物大多为有毒有机 污染物，一般为难降解，在环境中有一定的残留水平，具有生物富集性、三致 ( 致突变、致畸变、致癌变) 作用和毒性的物质，相对于水体中的天然有机物， 它们对公众的健康危害更大。 湖泊、水库中有机物主要是由以下几种物质组成的：沉积物、有机物( 溶 解性，非溶解性) 、大分子有机物( 腐殖质) 、藻类和水生动植物。各种污染物 质之间并没有明显的界限，它们互相融合和包含，在性质上互相渗透和影响， 第一章绪论 因此在水处理过程中需要作为一个整体来考虑【”。 在藻类过度繁殖的富营养化水源水中，藻类及藻类有机物会给水处理工艺 造成困难，进而影响水质、危害人体健康。其中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的 些代谢残渣以及细胞分解的产物，即藻类分泌物，是从藻类中分离出来的一类 有机物，其中一部分溶于水中，另一部分仍吸附在藻类的表面。藻类与藻类分 泌物之间关系密切。藻类的胞外产物( e c p ) 中通常含有大量亲水性的、小分子 量的有机酸和糖。中性和酸性多糖类物质是藻类新陈代谢和藻类细胞分解过程 的最终产物，其中大部分是异养细菌能够利用的有机物，但有些藻类的胞外产 物( 如多肽) 和藻类细胞物质( 如细胞壁) 较难降解，它们组成水中主要的可 溶性有机物。藻类本身即是一类难于降解的颗粒态有机物，在水中为不溶性有 机物1 7 1 。 1 3 微污染水源水的净化处理工艺 从2 0 世纪7 0 年代开始，针对微污染水源水水质的特点，水处理研究人员 丌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 前对微污染水源水净化的工艺概况起来是：强化传统处理工艺：在常规处 理工艺前增加预处理；在常规处理后增加深度处理。 1 3 1 强化传统的处理工艺 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 3 1 1 强化混凝技术 强化混凝( e n h a n 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d h 僮，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j 。 第一章绪论 1 ，3 1 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【8 】。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【8 。 1 3 2 在传统处理工艺前增加预处理 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。 1 3 2 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 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孔隙，去除效果差，对相对 分予量介于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源水中有机 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。 1 3 2 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：r ：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 第一章绪论 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。 1 3 2 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，启动时问稍长，需一定的成熟期。 1 。3 3 在传统处理工艺后增加深度处理 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 3 3 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 有效的方法之一。活性炭是一种多孔性物质，其中由微孔( 孔径小于4 0 a ) 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、 臭氧一生物活性碳等工艺，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 第一章绪论 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。3 。臭氧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。 1 3 3 2 光催化氧化 有机物在可见光或紫外线( u v ) 的作用下，能吸收部分辐射能形成分子激 发态，从而进行氧化反应。据报道，紫外线( u v ) 光处理只能使有机物发生部 分氧化，有机物的总量不变，但可使些难降解的有机物结构改变，提高水的 可生化往。此外，紫外光可以增强另一种氧化帮的氧化能力，如用紫外光与臭 氧联用工艺处理2 小时，可使原来a l n e s 试验为强阳性的饮用水处理成阴性1 】。 最近国内外对用过氧化氢和紫外光结合的方法去除饮用水中的三氯甲烷进行了 研究，结果表明，由于过氧化氢在紫外光激发下能产生具有强氧化性的o h 自 由基，从而能去除饮用水中三氯甲烷，同时能减少饮用水中总有机碳的含量， 侵水质进一步提高。 目前还在研究以n 型半导体为敏化剂( 多采用t i 0 2 ) 的一种光敏化氧化。 这种光催化氧化的突出特点是氧化能力极强。国内外大量研究表明，t i 0 2 光催 化氧化技术可迅速降解水中的有机卤化物、芳香族化合物、有机酸、醇类等， 最终完全矿化为c 0 2 、h x 、h 2 0 等；含硫、磷、卤素杂原子的有机物、表面活 性剂、染料等办可被快速、有效地降解。同紫外一臭氧氧化法相比，处理设备 简单，初期投资低。运行可靠性也相对较好。t i 0 2 化学性质稳定，对人体无害， 货源充足，价格不高，可回收重复利用，因此在饮用水深度处理和特种有机废 水处理方面应用前景广阔1 1 1 】。但光催化氧化法的处理费用高，设备复杂，至今 国际上尚无光催化氧化法实际应用于饮用水深度处理的报道。 1 3 3 3 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问产物都可能对人体 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。 第一章绪论 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 7 v ，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 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 3 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【1 2 】。 1 3 。3 4 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 4 给水中藻类去除的研究现状 富营养化、藻类大量繁殖是国内许多水源水库存在的问题。藻类的大量存 在会给净水处理工艺带来众多不利的影响( 表1 1 ) 。 表1 1 一些藻类的特性及其对供水设施的影响 藻类习性危害 喜高温、含氨遢高的水体，7 9 月的供水高峰期也过滤装置的主要障碍，可穿透 蓝藻门 是其生长旺季滤层恶化水质 喜在浅水中生长，对高温的适应程度较好，单细胞堵塞滤池，并产生难闻的嗅 绿藻门组成，分为漂浮在水中，呈丝状附着在明渠、水池味；使进水断面减少，降低过 壁上两种水能力 易穿透滤层，恶化水质：在混 硅藻类喜阴暗及较低温度，单细胞生物，形状多样 凝过程中阻止絮体的形成 黄藻类喜透明度犬、半流动的水体，分布于水体中、下层主要使水着色或发臭 第一章绪论 一些藻类在生长代谢过程中还会产生藻毒素，是危害人体的健康的一类有 毒物质( 表1 2 ) 1 3 1 ，如环七肽的微囊藻毒素，具有明显的肝毒性，可通过对肝 脏中的肝细胞和肝巨噬细胞作用，抑制肝细胞中蛋白磷酶的活性，诱发巨噬细 胞肿瘤坏死，导致疾病或死亡【1 4 j 5 。 表1 2 淡水蓝藻毒素的来源、种类和分子结构 藻毒素来源种类分子结构 微囊藻毒素微囊藻、鱼腥藻、颤藻、念珠藻、楔形藻 5 0 环七肽 节球藻毒索节球藻 5环五肽 神经毒素一内毒素- a鱼腥藻 l仲胺碱 神经毒素一内毒素_ a ( s )鱼腥藻、水华束丝藻 l胍甲基磷酸脂 脂多糖( l p s )微囊藻、颤藻 3脂多糖 自2 0 世纪6 0 年代至今，国内外对富营养化含藻水的净化技术进行了大量 的研究，概括起来主要有以下几种除藻工艺： 1 4 1 混凝除藻 藻细胞属于胶体类物质，其直径在6 9 m 左右，混凝可以通过压缩双电层、 电中和网捕等作用是其脱稳凝聚而去除。但由于藻类带有负电荷，并且代谢产 生的有机物中的酸性物质会与混凝剂的水解产物发生反应，生成表面络合物附 着在絮体颗粒表面，阻碍了颗粒相互碰撞，因此给混凝处理带来困难，所以传 统的混凝工艺对藻类的去除效果并不理想。目前研究较多的是强化混凝除藻， 主要集中在改善混凝剂、混凝工艺参数及开发新型混凝设备等方面。 1 4 2 直接过滤除藻 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，凶此具有工艺流 程简单、投资省、运行费用低等特点。六、七十年代“，该法就已普遍用于含 藻水的处理，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的情况，该工艺的关键是滤 速的大小，采用均质砂滤池或双层滤料滤池进行直接过滤的工艺，藻类的去除 率约为1 5 7 5 。若进行预氯化并在投加混凝剂后采用白煤一砂双层滤料滤 池直接过滤( 率速 1 0 0 0 个m l 、自煤粒径为0 ，9 r a m 或藻量) 2 5 0 0 个m l 、白煤粒径为1 5 m m 时， 过滤周期明显缩短“”。 1 4 3 气浮除藻 近年来溶气气浮法除藻得到了广泛的应用，此法在固液分离速度( 5 8 m h ) 、污泥浓度及节约药耗等方面都取得了较满意的结果。当原水中藻类的数 量为( 3 5 ) 1 0 4 个m l 时，相同的除藻效果，气浮法可节约药剂2 0 4 0 “。我国昆明、武汉和无锡等地的水厂采用了气浮池，可同时达到澄清和除藻 的目的。 现在研究较多的是臭氧一气浮联用的新工艺，其原理是使用臭氧化空气或 臭氧化氧气代替空气在特殊构造的气浮池中对含藻水进行气浮处理，其优点在 于把臭氧氧化的化学现象和气浮净水技术的物理现象有机的结合在一起。法国 的奥顿水厂进行了规模为1l o m 3 h 的半生产性试验，结果表明，臭氧气浮新工 艺能有效地去除原水9 8 的鞭毛裸藻或4 0 的丝状硅藻，还能使水中叶绿素浓 度降低4 0 - - 8 0 “。 1 。4 4 生物除藻 生物除藻主要是利用生物膜对藻类的絮凝和吸附作用，把藻类从水中分离 出来，一部分沉降，一部分吸附后被微生物氧化，有的被原生动物吞噬。 周建平对梅梁湖原水除藻研究认为，生物处理可以承受较大的藻负荷，取 得较好的除藻效果，而且也降低了水中有机物的含量，增加了后续工艺的选择 余地。由于其除藻率很难达到9 0 以上，因此需要和其它工艺联用。 生物预处理技术作为富营养化含藻水的处理，综合处理效果好，是目前我 国富营养化水源给水处理技术上的一个突破，对于采用富营养化水源供水的水 厂保证高藻期正常供水，提高出厂水水质有很大的社会效益和经济效益。 1 4 5 其它一些除藻方法 吴星五等人研究电解的方法除藻，他们采用高温热解氧化法研制出以钛板 或钛棒为基体，表面为含铱等贵金属氧化物涂层的阳极。该类电催化产生的活 性氧具有较强的灭藻效果，且电解过程中自身不溶解。“”。 电子水处理器是一类新型的水处理设备，它可通过电化学作用使水分子结 构发生变化，从而防止钙、镁盐等在热交换管道表面沉积。当水流过处理器时， 第一章绪论 水体中微生物也同样会受到水处理中电场和电流的作用，同时水分子结构的变 化也会对微生物细胞产生影响。由试验得出，电子水处理器对蓝藻也有较好的 杀灭作用，经过水处理器处理后，藻的浓度随时间的增加而降低，最后全部死 亡2 。 另外，有文献介绍利用电磁波可使藻细胞分子发生振动，造成细胞壁破裂， 细胞内含物聚集在一起，从而死亡。据此研制发明的电子灭藻机具有灭藻速度 快、效果好、实用方便、能耗低、无二次污染的特点1 。 1 5 研究内容及目标 本课题来源于：教育部天南大两校合作项目“废水及微污染水处理创新技 术研究”，本课题主要进行强化混凝对微污染水源水中藻类的去除的研究。 本课题研究目标为：针对天津市水源水质特点，确定各因素对混凝除藻效 果的影响；优选高效、安全、经济的混凝剂和助凝剂；确定混凝除藻的最佳工 艺参数；探讨混凝除藻的机理。 本课题研究内容为：分析含藻水对净水工艺特别是混凝工艺的影响；对近 年来国内外有关微污染水源水强化混凝处理工艺的研究成果进行广泛调研和深 入分析；研究不同混凝剂、不同混凝条件、不同的混凝工艺条件下对含藻水的 处理效果：分析各因素对除藻效果的影响，并确定最佳混凝剂投加量及最佳混 凝条件；探讨强化混凝除藻机理；为中试提供理论依据和参考数据。 第二章微污染水源强化混凝处理研究现状 第二章微污染水源强化混凝处理研究现状 2 1 混凝理论 2 1 1 传统混凝理论 一般地，粒度在1 衄l g m 间的颗粒都属于胶体颗粒，对线性分子而言， 含有1 0 3 1 0 9 个原子的分子也属于胶体颗粒，而不论他们的绝对尺寸。在天然水 体中，胶体颗粒在水中保持悬浮的分散状态，靠自然沉降的方法不能将其从水 中去除，必须经过混凝这一过程。 2 0 世纪4 0 年代，苏联学者d 喇a g u i n 和l a n d a u 与荷兰学者v e r w e y 和 o v e r b e e k 分别提出了关于各种形状的微粒之间的相互吸引能与双电层排斥能的 计算方法，并据此对憎液溶胶的稳定性进行了定量处理，被称作胶体稳定性的 d l v o 理论“。d l v o 理论认为：当两个胶体颗粒之间相互接近以至双电层发生 重叠时，便产生静电斥力，用排斥势能表示，排斥势能随两个胶粒表面问距增 大而按指数关系减小。然而，相互接近的两胶粒之间除了静电斥力之外还存在 范德华力，用吸引势能表示，排斥势能与吸引势能的和即为总势能。相互接近 的两胶粒能否凝聚，决定于总势能。 2 2 混凝作用机理 在水处理中的混凝现象比较复杂，不同的混凝剂以及不同的水质条件，混 凝作用的机理都有所不同【2 。一般使用的混凝剂可分为无机盐混凝剂、无机高 分子混凝剂、天然有机高分予混凝剂、人工合成有机高分子混凝剂等几大类， 其作用机理可以概括为以下几种： 2 1 2 1 压缩双电层作用 通过投加电荷相反的电介质、降低t 电位并压缩扩散层，以导致微粒间相 互聚结的作用机理称为双电层作用机理。因颗粒的l 电位降低或消除而失去稳 定性的过程，称为胶粒的脱稳，脱稳胶粒相互聚结称为凝聚。当投加铁盐或铝 盐等无机盐类混凝剂后，由于压缩双电层的作用，扩散层厚度减小，静电排斥 作用减小，微粒在碰撞时可以更加接近，同时范德华作用力也增强，使胶体失 第二章微污染水源强化混凝处理研究现状 去稳定性而发生絮凝。 压缩双电层作用通常用于解释无机盐类混凝剂混凝的机理。 2 1 2 2 电荷中和作用 当反离子能与表面胶体发生结合、氢键、表面络合、有时也包括范德华力 等作用时，会使粒子表面电荷得到中和，同时引起电位降低，进而发生絮凝。 吸附电中和作用不但可以使胶体颗粒表面电荷降到零，而且还可以带上相反的 电荷。电荷的中和作用会导致胶体颗粒与水之间界面的改变，从而使水的物理 化学性质发生变化。 电荷中和作用与双电层的压缩作用有所不同。电荷中和作用的作用力强于 双电层压缩作用的作用力。作用力强弱不同，产生的絮凝体性质也不同。强作 用力下所产生的絮凝体坚实，体积小，不能再变为胶体：弱作用力所产生的絮 凝体体积庞大、疏松，能够再变成胶体消失。 2 1 2 3 卷扫作用 在水处理中投加金属盐( 如硫酸铝或三氯化铁) 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i ”】。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| 2 “。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。 2 1 2 4 吸附架桥作用 吸附架桥作用主要指高分子有机物与胶粒的吸附与桥连1 2 8 1 。高分子物质具 有线型结构，对胶体物质具有强烈的吸附作用，它可以在相距较远的两胶粒之 间进行吸附架桥，其一端吸附某一胶粒后，另一端伸入水中又吸附另一胶粒， 微粒通过高分子吸附架桥而使颗粒逐渐变大，最终形成肉眼可见的粗大絮凝体 ( 矾花) 。在这种情况下，胶粒的i 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e 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 能会迅即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“胶体 第二章微污染水源强化混凝处理研究现状 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，即混凝剂能把胶体| 夹速絮凝 起来，又可使絮凝起来的最大胶体不易脱落。 2 1 3 混凝动力学 要使杂质颗粒之间或杂质与混凝剂之间发生絮凝，个必要条件是使颗粒 互相碰撞。碰撞速率和混凝速率问题即混凝动力学所讨论的问题。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， 所以对絮凝动力学的讨论是水处理絮凝学的重要方面。 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 k i n e t i cf l 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 l i cf l o c c u l a t i o n ) 【26 1 。 2 1 3 1 异向絮凝 颗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 动必然导致颡粒相互碰撞。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。由布朗运动引 起的颗粒的碰撞速率与水温成正比【2 6 1 。 2 。1 3 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 o = - ：4n 2 d 3 g ( 2 1 ) j g = u z( 2 2 ) 其中g 一速度梯度，s ： u 一相邻两流层的流速增量，c a s ； z 一垂直于水流方向的两流层之间距离，c m 第二章微污染水源强化混凝处理研究现状 n 和d 为原水杂质的特性； 实际上，在絮凝池中水流并非层流，而总是处于紊流状态，出此又得到g 值的计算式： g ：j 詈 ( 2 q ) 其中“一水的动力粘度，p a s ； p 一单位体积流体所耗功率，w m 3 ； g 一速度梯度，s ； v 一混合反应设备中水的体积，m 1 ； 用机械搅拌时： g ；焉= 后 ( 2 4 ) 其中2 一重力加速度，9 8 m s ； 知一混凝设备中的水头损失，m ； u 一水的运动粘度，m 2 s ； t 一水流在混凝设备中的停留时间，s p 一混合或反应设备中水流所消耗的功率，w v 一混合或反应设备中水的体积，1 1 】3 由公式( 2 1 ) 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。 2 1 3 3 混凝控制指标 自药剂与水均匀混合起至大颗粒絮体形成为止，在工艺上总称为混凝过程。 相应的设备有混合设备和絮凝设备。在实际中通常用g 值和g t 值作为混凝的 控制指标。其中，g 值反映的是1 秒钟内l 立方水中两种颗粒相碰撞次数；g q - 值反映在t 秒钟内1 立方米水中两种颗粒相碰撞总次数。可以理解为g 是反映 碰撞强度的数，g t 是反映碰撞广度量的数1 5 9 1 。 在混合阶段，对水流进行剧烈搅拌的目的，主要是使药荆快速均匀地分散 于水中以利于混凝剂快速水解、聚合及颞粒脱稳。由于上述过程进行很快( 特 别对铝盐和铁盐混凝剂) ，故混合要快速剧烈，在此阶段主要以g 值作为控制指 第二章微污染水源强化混凝处理研究现状 标。 在絮凝阶段，主要依靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚，故以同向絮凝 为主。同向絮凝效果，不仅与g 值有关，还和絮凝时问t 值有关。t n o 可以表 示整个絮凝时间内单位体积流体中颗粒碰撞次数，而n o 与g 值成正比，冈此， 在絮凝阶段以g 值和g t 值作为控制指标。 2 1 4 影响混凝效果的主要因素 影响混凝效果的因素比较复杂，除了水力搅拌条件外还受到水温、水化学 特性、水中杂质性质和浓度的影响。 2 1 4 1 水温的影响 水温对混凝效果有明显的影响，主要因为无机盐混凝剂水解反应是吸热 反应，低温水混凝剂水解困难；低温水的粘度大，使水中杂质颗粒布朗运动 强度减弱，碰撞机会减少，不利于胶体脱稳凝聚。而且，水的粘度大时，水流 剪切力增大影响絮凝体的成长；水低温时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍胶 体凝聚；水温与水的p h 值有关，水温低时，水的p h 值升高，相应的最佳p h 值也升高。 2 。1 4 2p h 值和碱度的影响 不同的p h 值，混凝剂的水解产物也不同，混凝效果也就不同。如硫酸铝， 水的p h 值直接影响a 1 3 + 的水解聚合反应，亦即影响铝盐的水解产物形态。用于 去除浊度时，最佳p h 值在6 5 7 5 之间，絮凝作用主要是氢氧化铝聚合物的吸 附架桥和羟基配合物的电性中和作用；用于去除水的色度时，p h 值宜在4 5 5 5 之间。 由于混凝剂的水解反应不断产生h 十，因此要保持水解反应充分进行，水中 必须有碱去中和h + ，如果碱不足，水的p