（模式识别与智能系统专业论文）粉末活性炭超滤工艺处理微污染地表水试验研究.pdf

摘要 摘要 近年来，在对赣江流域的调查中发现部分水源已经污染，一些河段水质达 不到饮用水取水水源水质标准。针对这种现状，本文通过高岭土、腐殖酸和氯 化铵模拟南昌某饮用水水源，将粉末活性炭( p a c ) 的吸附与超滤( u f ) 膜的 截留作用组合的工艺对其处理，并对p a c u f 系统的影响因素、运行效果和膜污 染进行了深入的研究。主要结论如下： ( 1 ) 考察p a c 的投加量、操作压力、反冲洗频率和反冲洗时间对p a c u f 系统出水水质和膜过滤性能的影响。试验结果表明：p a c 投加量对出水浊度影 响不大，随着p a c 投加量的增加，u v 2 5 4 和氨氮的去除率相应提高，膜污染会得 到缓解；减小操作压力，膜通量相应下降，膜污染程度降低；反冲洗频率越小， 反冲洗前的膜通量将会越来越低；反冲洗时间越长，膜通量恢复程度越好。 ( 2 ) 通过设计正交试验，考察了p a c u f 系统最佳运行工况。评价结果表 明：粉木活性炭投加量2 0 0 m g l ，操作压力o 1 6 m p a ，反冲洗频率1 3 0 m i n 一，反 冲洗时间1 m i n 时为最优工况。 ( 3 ) 在最优工况下运行p a c u f 系统，考察系统的运行效果和膜的过滤特 性。试验结果表明：即使原水的浊度变化很大( 2 5 n t u 1 0 0 n t u ) ，系统对浊度 的去除效果稳定，出水浊度均低于0 4 n t u ；原水的u v 2 5 4 增加，系统出水的u v 2 5 4 相应增加，对u v 2 5 4 的去除率却提高；对氨氮有较好的去除效果，氨氮的浓度为 0 7 1 3 m g l 时，平均去除率均可达5 0 以上，平均出水氨氮浓度均在o 5 5 m g l 以下。 ( 4 ) 根据膜清洗的特性，建立膜通量关于多因素的数学模型，模型可预测 系统运行一段时间后的膜通量和产水量，达到一定产水量所需时间以及何时进 行化学冲洗，从而可以指导膜水厂生产实践以及以后大规模生产自动化的控制。 型 关键词：p a c u f 系统；操作条件；膜的过滤性能；正交试验；膜通量模 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s 。d u r i n gt h es u r v e yo ft h eo a n ji a n gr i v e r ，i tw a sf o u n dt h a ts o m e g a n j i a n gw a t e rw a sp o l l u t e d w a t e rq u a l i t y o fs o m er e a c h e d1 1 1 w a t e rq u a l i t y s t a n d a r d s i nr e s p o n s et ot h i ss i t u a t i o n ，t h i st h e s i sp r o p o s e dt h eh y b r i dp r o c e s sa d d i n g p o w d e ra c t i v a t e dc a r b o n ( p a c ) t ou l t r a f i l t r a t i o n ( u f ) m e m b r a n es y s t e ma n d s t u d i e d o nt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s ，t h er e m o v a le f f i c i e n c y ，a n dt h ef o u l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h ep a c u fs y s t e m i nt h i sp a p e r ，k a o l i n ，h u m i ca c i da n da m m o n i u m c h l o r i d ew e r e u s e dt os i m u l a t et h ed r i n k i n gw a t e rs o u r c ei nn a n c h a n g t h e m a i nr e s u l t si n c l u d e d ： b yc h a n g i n gt h ea m o u n t so fp a c ，t h eo p e r a t i n gp r e s s u r e ，b a c k w a s h i n g i n t e r v a l a n db a c k w a s h i n gt i m e ，t h ei n f l u e n c eo ft h e mo nt h ee f f l u e n tw a t e rq u a l i t ya n dp r o c e s s p e r f i o n n a n c ew e r es t u d i e d i tw a ss h o w nt h a tt u r b i d i t yw a ss t e a d ya n da l w a y sk e p t 1 e s s f u r t h e m o r e ，t h eu v 2 5 4a n dn h 3 - nr e m o v e lr a t e sw o u l d r i s ea f t e ra d d i n gm o r e p a ca n dt _ h em e m b r a n ef o u l i n gw o u l ds l o wi n a p p a r e n t l yw i t hm o r ep a c t h e m e m b r a n en u xd e c r e a s e da n ds l o w e dw i t ht h eo p e r a t i n gp r e s s u r ed o w n w h e n t h e b a c k w a s hi n t e r v a lw a se x t e n s e d ，t h ep r e b a c k w a s hm e m b r a n ef l u xw o u l db e c o m e l e s sa n dl e s s t h el o n g e rb a c k w a s ht h eb e t t e rm e m b r a n ef l u xr e c o v e r y t h er e a c t o rp e 雨t 1 1 n c eu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n sw a se v a l u a t e da n d e d u c e dt h eo p t i m a lo p e r a t i n gm o d e i tw a si n d i c a t e dt h a tt h ev a l u e so fs y n t h e t i ci n d e x w o u l db es m a l l e s t ：p a c2 0 0 m g l ，w o r k i n gp r e s s u r e0 16 m p a ，b a c k w a s h i n gi n t e r v a l 3 0 m i na n db a c k w a s h i n g1m i n u n d e rt h eo p t i m a lo p e r a t i n gm o d e ，t h er e m o v a le f f e c to fp a c - u fa n dt h et h e m e m b “m ef o u l i n gw a ss t u d i e d i tw a sd i s p l a y e dt h a tt h ee f f l u e n tt u r b i d i t yw a sk e p t 1 e s st h a n0 4 n t ua t a l lt i m e sw h e nt h a to fi n f l u e n tf l u c t u a t e df r o m2 5 n t u t o 10 0 n t u w h e nt h ei n f l u e n tu v 2 5 4w a sa s c e n d a n t ，e f f l u e n tu v 2 5 4w a sr i s e a sw e l la s t h er e n l o v a l t h ep a c u fp r o c e s sc o u l dr e m o v en h a - ne f f e c t i v e l y m o r e o v e r , w h e n t h ei n f l u e n tn h 3 nw a so 7 1 3 r a g l ，i t sr e m o v a lr a t ew a sh i g h e rt h a n5 0 a n d t h e e f f l u e n tn h 3 - nw a s1 0 w e rt h a n0 5 5 m e j l a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e m b r a n ec l e a n i n g ，a m a t h e m a t i c a l m u l t i f a c t o rm o d e lo fm e m b r a r l ef l u xw a se s t a b l i s h e d t h em o d e lc o u l dp r e d i c tt h e i i a b s t r a c t m e m b r a n ef l u xa n dp r o d u c t i o no fw a t e ra f t e rt h es y s t e mr u n n i n gf o rs o m et i m e ， d e t e r m i n e dt h et i m eu pt oac e r t a i na m o u n to fw a t e rr e q u i r e da n dw h e nt h ec h e m i c a l w a s h t h e s ee f f e c t sc o u l dg u i d et h em e m b r a n ew a t e rp r o d u c t i o np r a c t i c e s ，a n d s u b s e q u e n tm a s sp r o d u c t i o no fa u t o m a t i cc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：p a c u fs y s t e m ；o p e r a t i n gc o n d i t i o n ；m e m b r a n ef i l t r a t i o np e r f o r m a n c e ； o r t h o g o n a lt e s t ；m e m b r a n ef l u xm o d e l i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名c 手写) 盏襁喜签字日期砷年，阴“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：茜茅岛哆导师签名( 手写) ：学位论文作者签名( 手写) ：匆矛岛挣导师签名( 手写) ： 签字日期：办加7 年f 2 月2 碉签字日期：。弦9 年j 月d i s h 第1 章绪论 第1 章绪论 水是一切生命赖以生存和发展的不可替代的基础自然资源，是可持续发展 的支撑条件。然而，近年来，随着社会经济的迅速发展，人类的生产和生活活 动向环境中排放污染物的强度越来越大。自2 0 0 2 年以来，我国每年均会发生重 大水污染事件。2 0 0 7 年全国污废水排放量达7 5 0 亿吨，其中工业废水占2 3 ，第 三产业和城镇居民生活污水占1 3 【lj ，成为微污染水，使得传统净水工艺不能有 效去除水中的为污染物，加剧了水资源的危机。因此，采用符合我国国情的水 处理技术来改善饮用水水质乃当务之急。 1 1 微污染水源概况 微污染水源水是指饮用水水源主要受有机物污染，部分项目超过地面水 环境质量标准中i t i 类水体的规定标准1 2 j ，以及部分指标高于生活饮用水卫生标 准的水体。目前我国多数饮用水水源水质为微污染水，直接影响了饮用者的身 体健康。 导致水源变为微污染水源的微污染物主要包括有机物( 天然有机物( n o m ) 和人工合成有机物( s o c ) ) 、氮( 水体中常以有机氮、氨、亚硝酸盐和硝酸盐形 式存在) 、嗅味、三致物质、铁锰等。一般来说，受污染江河水体中主要包括石 油烃、挥发酚、氨氮、农药、c o d 、重金属、砷、氰化物等，这些污染物种类 较多，性质较复杂，但浓度比较低微，尤其是那些难于降解、易于生物积累和 具有三致作用的优先控制有毒有机污染物，对人体健康毒害很大【3 j 。近年来，水 污染事件发生频繁，越来越多的水体沦为微污染水源。 2 0 0 2 年1 0 月，珠江的主源南盘江柴石滩以上河段发生突发性水污染事件， 造成上百吨鱼类死亡，导致柴石滩水库3 亿多立方米的水体受到污染。据多年 水质监测，发现该河段水质均为劣v 类，主要污染类型为有机物污染。导致河 段污染的主要原因是生活污水和生产废水的不达标排放。 2 0 0 3 年，三门峡水库泄水呈“酱油色”，由于三门峡大坝上游的一些企业的 污水排放量多年来有增无减，以及黄河流域生态环境退化黄河水体降解污染物 的能力降低，使得三门峡水库水质沦为v 类。 第1 章绪论 2 0 0 4 年2 月底3 月初，j i l k 股份公司第二化肥厂将大量高浓度工业废水排 进沱江，导致江水变黄发臭，5 0 公斤网箱鱼死亡，自来水变成褐色且有氨水的 味道。 2 0 0 4 年6 月，龙川江楚雄段发生严重的镉污染事件，经调查发现，总镉超 过地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ( v 类) 的3 6 4 倍。这主要是由于硫 酸厂、海源锌业以及滇东冶炼厂的水超标排放。 2 0 0 4 年，河南省小洪河的沿岸企业偷排污水，导致河水的亚硝酸盐胺超标 5 4 5 倍以上，从而使当地居民消化道癌症高发。 2 0 0 4 年1 2 月下旬，青衣江水面出现大量的白色泡沫，并散发出冲鼻的碱味， 水质严重告急，周边的自来水公司也因生产达标饮用水难度加大，而濒临停产。 这主要是由于一些造纸企业不时偷排大量工业污水导致水质恶化，水体污染严 重f 钔。 2 0 0 5 年1 月，綦河上游重庆华强化肥有限公司排出的废水将綦河污染，使 得水厂生产的饮用水以及工业用水不能达标，从而导致水厂停止供水，以及綦 江齿轮厂停产。 2 0 0 5 年2 月，沱江银山段江水被磷肥厂排出的污水所污染，小溪的河床与 沿岸土壤呈深紫红色，沱江也被染红，污水流经处，庄家和竹林纷纷死亡，空 气中弥漫中浓浓的酒糟昧。 2 0 0 5 年3 月中旬，来自上游的过境水污染造成水乡嘉兴缺水，嘉兴接头涌 现各类节水宣传。 2 0 0 5 年，黄河沿岸青海段至内蒙古段，能源、重化工、有色金属、造纸等 高污染工业企业林立，大量未达标的工业污废水直接排入引黄支渠，导致黄河 沿岸一些地区的农作物因污水灌溉而减产甚至绝收，一时间，黄河水成为“农 业之害”。 2 0 0 5 年1 1 月1 3 日，中石油吉林石化公司双苯厂苯胺车间发生爆炸事故， 事故导致约1 0 0 吨苯、苯胺和硝基苯等对人体健康有危害的有机污染物流入松 花江，因而导致松花江发生重大水污染事件。 2 0 0 5 年1 2 月1 5 日，珠江三大支流之一，广州各市的重要饮水水源北 江韶关段出现严重镉污染，其中高桥段面检测到镉浓度超标1 2 倍之多，将直接 影响下游群众的饮水安全，经调查，此次镉污染事件主要是韶关冶炼厂在检修 设备期间超标排放含镉废水所致，是由于企业违法超标排污导致的严重环境污 2 第l 章绪论 染事故。 2 0 0 6 年8 月2 1 日，由于吉林长白山精细化工有限公司人为地向水体排放化 工废水，导致牛亡牛河附近发生污染物为二甲基苯胺的化工污染，水体的部分水 质呈红色，并伴有少量泡沫，污染带长5 公里。 2 0 0 6 年9 月8 日，由于新强河上游3 家化工厂的工业污染“日常性排放， 大致大量高浓度含砷废水流入，水体中砷超标1 0 倍左右，导致8 万居民的引用 水安全受到威胁和影响。 2 0 0 7 年5 月2 9 日起，由于太湖水位出现5 0 年以来最低值，而天气连续高 温少雨，再加上太湖水富营养化较重，从而引发了太湖蓝藻的提前暴发，导致 江苏省无锡市城区居民家中自来水水质发生恶化，并伴有难闻气味，无法正常 饮用。 2 0 0 7 年6 月份，安徽巢湖西半湖出现区域在5 平方公里左右的蓝藻，随着 持续高温，东半湖也出现蓝藻；同年6 月，滇池也因连同天气闷热，蓝藻大量 繁殖。在昆明滇池海埂一线的岸边，湖水如绿油漆一般，并有腥臭味。 2 0 0 7 年7 月2 同，大流量的污水短时间内侵入到位于江苏淮沭河的自来水 厂取水口，城区生活供水水源遭到严重污染，水流出现明显异味。经水质检测 发现，取水口处的水中氨氮含量远远超出国家取水口水质标准。由于水质经处 理后仍不能达到饮用水标准，城区供水系统被迫关闭，导致城区2 0 万人口用水 受到不同程度影响。 2 0 0 7 年1 0 月，贵州省独山县瑞丰矿业有限公司在生产硫酸过程中，将1 9 0 0 吨含砷废水直接排入都柳江，直接危及当地居民健康。 2 0 0 8 年7 月，云南省阳宗海砷浓度超标，并有增无减，导致水质由1 i 类水 体三个月内急速将为劣v 类，直接影响了当地居民的生活。经调查，其主要原 因是锦业公司使含砷的生产废水以地下渗透、地表径流等方式进入阳宗海，从 而导致水体污染。 2 0 0 9 年2 月2 0r ，江苏省盐城市城西水厂的源水被某化工厂偷排污水中的 酚类化合物污染，导致水体异味，市区大面积断水。 2 0 0 9 年7 月，内蒙古赤峰市发生水污染事件。经调查，其主要原因是新城 区发生强降雨，导致污水和雨水外溢，淹没9 号水源井使得新城区9 号水源井 总大肠菌群、菌落总数严重超标，同时检出的沙门氏菌。导致医院腹泻病爆发， 人满为患。 3 第1 章绪论 从以上污染事件可以看出，导致水体污染的主要原因是由于人类活动而产 生的污染源进入水体所致，如工业废水的未达标排放或者经过各种渗流流入水 体，未经处理直接排入水体的生活污水，以及农田污水，这些污废水进入水体， 超过水体的自净能力，就会造成水体污染，直接或间接影响人体健康。 1 2 微污染水源处理技术研究动态 目前，我国以地表水为水源的自来水厂大多采用常规净水处理工艺( 混凝、 沉淀、过滤、消毒) ，主要去除水中的悬浮固体、胶体物质和病菌，但并不能有 效的去除微污染水源中的某些超标微污染物，如溶解性有机污染物，并且地表 水源中普遍存在的氨氮问题，去除能力有限；而用于消毒的液氯又易与原水中 的腐殖质结合产生消毒副产物三卤甲烷【5 ，6 】。由于我国国情，无法在较短时间内 控制水源污染，改变水源水质现状，因而需要寻求和研究有效的微污染水源处 理技术，来保证饮用水的安全和人们的健康。根据微污染水源本身的水质特点 及当地供水水质的要求，经过几十年的研究探索，开发出了许多针对性的净化 新工艺，可以概括为强化常规处理、预处理和深度处理三种技术。 1 2 1 强化常规处理 强化常规处理工艺是对常规处理工艺的四个流程进行强化，即强化混凝、 强化沉淀、强化过滤以及强化消毒。 1 - 2 1 1 强化混凝 强化混凝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，是指在常规处理工艺流程中的混凝处理时投 加过量的混凝剂、新型混凝剂或者是其他的药剂并控制一定的p h 值，通过加强 混凝和絮凝作用，从而提高常规处理中有机物的去除效果，最大限度地去除消 毒副产物的前体物，保证饮用水消毒副产物符合饮用水标准的方法，可以有效 提高微污染水的出水水质【7 j 。混凝是通过投加某些电解质使水中的细小颗粒相互 聚集形成絮凝大颗粒的过程【8 9 j 。强化混凝主要手段是合理采用新型有机及无机 高分子助凝剂，改善混凝条件，提高混凝效果。强化混凝相对其它处理工艺， 其成本较低，且在原有处理设备上稍作改造就可实施。 大量研究表明，强化混凝机理本质上仍属于传统混凝机理的范畴。张锦等i i 叫 4 第1 章绪论 研制出的高锰酸钾复合药剂( p p c ) 不仅具有混凝的功效而且能够有效地去除水 中有机物和致癌突变物。 湖南大学刘萍l l l j 等采用强化混凝一超滤组合工艺对湘江水进行了净化研 究，通过加入不同的混凝剂 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 1 8 h 2 0 、f e c l 3 以及粉末活性炭( p a c ) ， 比较三者对于湘江水的处理效果和对膜过滤性能的影响。结果表明，混凝剂的 选择与用量对水中污染物质的去除和膜过滤性能有很大的影响。经过组合工艺 处理后，系统出水的浊度小于0 1 n t u ，t o c 小于2 m g c ，铁、锰的含量低于 0 1 m g c 。 黄晓东等i l2 j 对微污染原水进行强化混凝处理的研究。研究结果表明，增加 混凝剂投加量、降低p h 和投加有机高分子助凝剂c g a ( 天然高分子改性絮凝 剂) 都能不同程度地提高对有机物和藻类的去除率，降低出水浊度和致突变性， 但对氨氮和可同化有机碳的去除效果不明显。 戴之荷等l l3 j 研制出高效无机高分子混凝剂与有机超高分子絮凝剂的优化组 合、实现快速均匀混合的清水回流及强化絮凝的高密度旋流絮凝等新工艺新设 备，强化了常规处理流程中的混凝工艺，对原水中有机物的去除取得较好效果。 对黄河高浊度水处理，当进水含沙量为10 2 0m g l 时，生产性试验结果表明： c o d 去除率达9 5 以上，a m e s 毒性试验致突变率( m r ) 得到明显改善，氨氮 去除率为3 0 5 0 。 哈尔滨工业大学将高锰酸钾和其他无机盐复合，研制成高锰酸钾复合药剂， 并使用过程中通过控制反应条件，促进高锰酸钾氧化还原介稳态中间产物的形 成，从而强化了该药剂对有机物的氧化、催化和吸附功能，具有去除水中有机 物、除藻、除臭、除味和强化絮凝等综合净化作用，高锰酸钾复合药剂已在北 方饮用水处理中得到广泛研究和应用1 1 4 , 1 5 j 。 1 - 2 1 2 强化沉淀 新的强化沉淀分离技术基于几个论点：( 1 ) 高效新型高分子絮凝剂的应用， 可以强化和增加絮凝体的净化特性；( 2 ) 改善沉淀水流流态，减少沉降距离， 可以大幅度提高沉淀效率；( 3 ) 提高絮凝颗粒的有效浓度，能够促进絮凝体整 体网状结构的快速形成。当水进入沉淀区后，在水中会迅速形成悬浮状态的整 体网状结构过滤层，进池原水通过该滤层以自下而上的分离清水和自上而下浓 缩絮凝泥渣的过程，能够实现对原水有机物进行连续性网捕、扫裹、吸附、共 5 第1 章绪论 沉等一系列动作，从而达到以强化常规工艺处理受污染水的目的。据介绍，该 净化工艺在国外已有应用。 聂小保等【l6 】采用强化混凝与活性炭联用技术对赣江微污染水源水处理进行 试验研究。试验结果表明，强化混凝与活性炭联用较常规工艺能减小出水浊度， 显著提高c o d 和u v 2 5 4 的去除率，并有效控制出水余铝含量。当原水c o d 为 4 1 0 4 2 5m g l ，u v 2 5 4 为0 2 - 0 3m g l 时，中试系统出水浊度降低1 2 左右， 出水c o d 和u v 2 5 4 分别为0 5 0 7m g l 和0 0 1 5 - 0 0 2 5m g l ，各自去除率较传 统工艺分别提高3 6 和4 0 左右。试验出水余铝浓度均低于0 2m g l ，n h 3 一n 去除率无明显提高。 1 2 1 3 强化过滤 强化过滤的主要方法有：( 1 ) 替换滤料或采用多层滤料；( 2 ) 采用改性滤 料；( 3 ) 在沉淀水进入滤池之i j ，投加助凝剂：( 4 ) 强化普通滤池的生物作用1 1 7 】。 生物强化过滤是针对微污染源水有机污染特征，对常规给水处理的过滤环 节进行强化的净水工艺。生物强化过滤的主要工艺形式可以是原有的滤池，也 可以是生物滤池【1 8 】。张亮【1 9 1 等通过中试试验，探讨不同滤料介质的生物滤池对 于姚江微污染水原水的处理效果。发现双层生物滤料滤池能够有效地去除浊度、 有机物、氨氮等污染物质，适合传统滤池的改造。同时通过加入一定量的臭氧 ( 1 5 m g l ) 可以进一步提高生物滤池的处理效果。 何元春等【2 0 】利用湘江水人工配置原水进行了模型实验，研究表明：在水温 为8 、滤速为8 m h 时，生物过滤对可同化有机碳( a o c ) 、生物可降解溶解性 有机碳( b d o c ) 、总有机碳( t o c ) 的去除率分别为5 9 2 8 4 1 、4 1 3 6 5 0 、 2 4 8 3 0 8 ；进水n h 3 - n 质量浓度为0 5 4 1 0 7m g l 时，去除率达到 3 9 o 9 0 o 。 另外，国外研究表明，生物滤池对苯酚、一氯苯酚、二氯苯酚、五氯苯酚 的降解速率很快，其去除率可分别达9 2 、9 2 、9 2 和7 0 ，对大部分醛类物 质( 如甲醛、乙醛) 的去除率大于8 0 ，对一氯苯和二氯苯的降解速率较慢， 但只要给予足够的时间，其去除率也可达到8 l 以上i z 。 1 2 1 4 强化消毒 由于城市污水处理厂二级出水中氨氮、亚硝酸盐氮、有机物等指标含量较 6 第1 章绪论 高，为保证预氯化处理效果，需加大投氯剂量，致使生成较多的难于生物降解 的氯化消毒副产物，对水环境构成一定的危害，此外还会影响预氯化消毒的效 果。为了确保回用水的卫生安全，安全强化消毒是十分必要的l z z j 。 李星等1 2 3 j 采用高锰酸钾强化氯胺消毒，结果表明，高锰酸钾与氯胺联用对 微生物的灭活效果好于两种消毒剂单独使用时的效果，可以进一步降低三卤甲 烷的生成量，使处理出水的化学安全性和微生物安全性均得到提高。 强化常规处理工艺不需另设构筑物，只是使现有的工艺及设备最大程度地 发挥处理能力，具有操作简便、适应性好、投资少、运行费用低、见效快等优 点，便于推广1 7 j ，但也有其局限性。 1 2 2 预处理 1 2 2 1 吸附预处理 吸附预处理是在常规处理工艺的混合池中投加吸附剂，利用吸附剂固体表 面吸附水中溶解剂胶体物质的强大的性能，改善混凝沉淀效果来去除水中的污 染物。常用的吸附剂有粉末活性炭、硅藻土、活性氧化铝、二氧化硅、沸石及 离子交换树脂等，其中最常用的是活性炭。 龙小庆等1 2 4 j 研究发现活性炭对t o c 的去除率为5 5 左右，对a o c 去除率 2 8 6 6 4 3 。另有研究表明，g a c 对烷烃类有机物的去除效率最高，其次是 苯类、硝基苯类、多环芳烃类和卤代烃类，对醇类、酮类、酚类的去除效率相 对较弱。经研究，活性炭一般难于吸附有机大分子物，易于吸附水中苯类化合 物和小分子量腐殖质，对分子量在5 0 0 - 3 0 0 0 的有机物去除率较高。 丁煜等 2 5 】采用g a c 石英砂滤池研究其对微污染水中有机物和氨氮的去除 效果。结果表明：g a c 石英砂滤池对浊度的平均去除率为8 6 0 4 ，与普通砂滤 池相比无明显差别；但对c o d m 。和氨氮的平均去除率分别为2 0 9 5 和6 0 5 2 ， 处理效果显著。研究表明较高的溶解氧含量和p h 值偏碱性有利于c o d m n 和氨 氮的去除。同时建议减少前加氯量，增加石灰投加量，增设曝气系统可提高g a c 一 石英砂滤池对有机物和氨氮的去除效果。 1 2 2 2 化学氧化预处理 化学氧化预处理是指利用强氧化剂的氧化能力，以分解微污染水源中的有 机物，从而达到去除水中的有机污染物目的，另外预氧化还可有效的去除浮游 7 第1 章绪论 生物、细菌和色度等，提高混凝沉淀效果。目前采用的预氧化剂主要有臭氧、 高锰酸盐、过氧化氢、二氧化氯、高铁酸盐、紫外光氧化剂联合工艺等。采用 化学氧化技术，可有效提高水中有机物的可生化降解性，还可去除藻类，改善 混凝效果，去除水中的三卤甲烷前体物。 秦庆东等【2 6 j 比较了高锰酸盐复合药剂( p p c ) 预氧化与高锰酸钾、臭氧联合预 氧化处理南方某水厂微污染源水的效果。生产性试验结果表明，p p c 处理出水 水质与高锰酸钾、臭氧联合处理的出水水质相近，其中t o c 指标和a m e s 试验 结果较后者有所改善，因此，用p p c 预氧化替代高锰酸钾和臭氧联合预氧化是 可行的。 黄芳【2 7 】采用高锰酸钾预氧化技术处理以黄河水为水源的水库水，水厂生产 性试验表明，高锰酸钾预氧化能有效增强常规处理工艺对水中浊度、高锰酸钾 指数及藻类的去除性能。 孙士权等【2 8 】选择高锰酸盐、二氧化氯和过氧化氢三种预氧化剂对其进行除 铁、锰的预处理。试验结果表明：高锰酸盐投加质量浓度为0 4 5 m g l 时，铁、 锰的去除率分别为7 5 、8 5 ；采用二氧化氯预处理，其投加质量浓度为1 5 m g l 时，铁、锰的去除率分别为7 5 、7 9 ；而过氧化氢投加质量浓度4 m g l 时， 铁、锰的去除率分别为6 6 7 、4 1 7 。 化学氧化预处理虽然对氯化消毒副产物的去除效果好，但氧化剂费用昂贵， 因而使推广受到限制，因此，寻求经济合理有效的氧化剂仍是当前研究的主要 目标。 1 2 2 3 生物预处理 生物预处理法主要是利用经过驯化的具有专一降解性能的微生物的新陈代 谢，去除水中多种有机物，另外还包括氨氮等。研究表明，曝气生物滤池能有 效去除微污染源水中有机物、氨氮等污染物，而且对耗氧量、浊度、色度等也 有较好的去除效果。 张帆等【2 9 】采用四段式接触氧化沟预处理珠江原水，氧化沟分别装填三类四 种填料。试验以高氨氮期间珠江原水为水源研究四段式接触氧化沟对氨氮、亚 硝酸盐、c o d 和浊度的去除效果。试验期间氧化沟未段出水氨氮、亚硝酸盐、 c o d 和浊度平均值分别为0 3 3m g l 、o 1 4m g l 、3 6 5m g l 、1 6 0 5n t u ，相对 于珠江原水的平均去除率分别为9 3 1 6 、4 4 0 9 、4 4 8 6 和6 4 4 7 。 8 第1 章绪论 张华与肖羽堂等3 0 , 3 1 1 分别在在上海惠南自来水厂、宁波梅林自来水厂和深圳 东深水库进行了工程应用，取得了较好的效果。结果表明，生物预处理对氨氮 有较好的去除效果，去除率在8 0 以上，c o d m i l 去除2 0 - - 3 0 ，浊度去除5 0 左右，达到了预处理的目的，同时减少混凝剂的投加量。 1 2 3 深度处理 1 2 3 1 吸附法 由于活性炭使用寿命较短，致使采用此技术后水处理运行成本较高，因而 限制了该技术的全面推广和应用【3 2 , 3 3 】，因而许多学者研究采用其他吸附剂如树脂 或者采用两种吸附剂联用来处理微污染水源。 有研究表明沸石可以和活性炭联合使用对微污染水源进行深度处理，可达 到优势互补的效果。当采用工艺流程“原水一沸石吸附柱一活性炭吸附柱一出 水”时，对c o d m n 、浊度、氨氮、三氯甲烷的去除率分别在1 0 、6 0 、9 5 和4 以上，对水中苯酚、阴离子沈涤剂( l a s ) 和三氯甲烷的去除率分别在6 0 、 8 9 、9 9 以上【3 4 】。 费j 下皓等【35 】采用树脂吸附处理工艺深度处理江苏省盐城市串场河水，结果 表明：新型吸附树脂按照z h 0 2 、z h 0 3 和z h 0 0 的顺序进行组合，对经沉淀 砂滤预处理后的饮用水源水中微污染有机化合物具有较好的去除效果。 1 2 3 2 膜分离法 膜分离技术是一项高效的分离技术，是e p a 推荐的最佳饮用水处理工艺之 一。目前，反渗透( r o ) 、纳滤( n f ) 、超滤( u f ) 、微滤( m f ) 、纳滤( n f ) 等膜分离技术均能有效去除水中的微污染物质。但采用超滤和微滤直接过滤技 术，对微污染水中的色度、天然有机物、人工有机物去除效果不佳。 王锦等【3 6 j 采用超滤膜对水源水进行了直接过滤试验，实验发现，超滤膜具 有良好的除浊功能和良好的灭菌作用，t o c 和u v 2 5 4 的去除率分别为1 1 和 2 7 。 蔡邦肖等【3 1 7 】设计u f 膜直接将未经任何预处理的自来水管网输出水处理成 优质供水。研究表明，即使原水的水质突然恶化，u f 膜能有效地将色度和浊度 严重超标的异常自来水转化成为符合饮用水水质指标的卫生洁净水。因而，u f 膜技术在微污染水和污染水的供水工程中具有安全保障的重要作用。 9 第1 章绪论 张阳掣3 8 l 采用纳滤技术去除某市河水中微污染物生产饮用水，发现纳滤膜 对c o d 和具有2 5 4 n m 吸收值的有机物去除率在5 0 9 5 之间，对无机物截留 率达到9 3 。对不同原水中硝酸盐的去除率均大于7 0 。在短时间纳滤实验中， 存在着不可逆的水通量减少，有轻度膜污染发生。 单独使用膜技术，对有机物的去除效果并不理想，但特定的膜对色度和浊 度的去除效果较好，因此，当水中有机污染物超标，不建议采用单一膜技术。 1 2 4 氧化和吸附工艺之间的联用 近年来，也出现了其他工艺之问的联用技术，并且在针对微污染水源的处 理上，有了进一步的研究动态，有些已经应用于实际工程中。 黄海真等【4 7 l 针对珠江源水广州段高有机物，高氨氮污染的特点，采用“生 物预处理+ 预臭氧+ 常规处理+ 后臭氧+ 生物活性炭( b a c ) ”工艺，进行其对有机 物的去除规律与机理的研究。研究表明，各工艺段对有机物去除有选择性规律， 生物预处理和臭氧化将大分子有机物转化为小分子有机物，生物预处理有效去 除分子质量大于3 0k 和1 0k - - - 3k 有机物，而分子质量介于3 0k 1 0k 和3k l k 有机物大幅度升高，总体去除率不高；给水常规工艺基本能将分子质量1 0k 以上有机物去除，但对小分子有机物基本没有去除效果；臭氧氧化对分子质量 介于3k 1k 有机物去除明显，b a c 能将分子质量小于lk 的有机物有效去除， 炭滤后出水与后臭氧出水中有机物分子质量分布已没有明显差异。 陈娴等【4 8 】通过静态试验考察高锰酸钾与粉末活性炭联用对京杭大运河常州 段微污染水源水的强化处理效果。结果表明，当高锰酸钾投加量为2 m g l ，在反 应池入口处投加；粉末活性炭投加量为2 0 m l ，在快速混合处投加，对源水中 有机物的去除效果最好，c o d m 。和叭如5 4 的去除率分别达到5 3 和8 4 ，试验 还发现高锰酸钾和粉末活性炭具有强化混凝的作用。 李璇掣4 9 】以黄浦江源水为研究对象，对臭氧生物活性炭( 0 3 b a c ) 组合工艺 去除有机污染物的性能、机理进行了中试研究。结果表明，该工艺对各指标的 去除率为：c o d m n2 4 ，u v 2 5 43 5 ，三卤甲烷前体物3 1 ，a o c6 3 ，且对各 分子量区间的有机物的去除有互补性。0 3 b a c 组合工艺一方面可以有效去除黄 浦江源水中的微量有机污染物、消毒副产物前体物，减少后加氯量，降低消毒 副产物生成量，保障饮用水的化学安全性；另一方面能明显降低水中的a o c 浓 度，提高饮用水的生物稳定性。 1 0 第1 章绪论 沈运跃等【5 0 j 采用臭氧协同活性炭纤维( a c f ) 与硫酸铝混凝处理桂林两江 四湖水。试验结果表明，投加的臭氧、a c f 与a l e ( s 0 4 ) 3 之间很有可能发生了协 同作用。臭氧预氧化结合混凝工艺能够有效去除微污染水源中的有机物。该预 处理工艺具有处理成本低、处理效果好等优点，作为微污染源水预处理技术有 其良好的应用前景。 目前，已有联合工艺应用于实际中，钟燕敏掣”】针对于太湖水质呈现高藻、 高有机物、高氨氮的“三高”特征在充山水厂的常规处理工艺基础上，增设 b d s m e d i 生物滤池及臭氧一生物活性炭滤池等深度处理单元。 综上所述，采用联合工艺可有效去除微污染水源中的微污染物质，具有处 理效果好，出水稳定等优点，对特定的微污染水源可推广使用。 1 2 5 膜技术与其他工艺联用 在我国当前对受污染水净化处理工艺选择中，结合各地的实际情况，采用 强化常规工艺，可在基本维持水厂原有设施的情况下进行，是比较实际和具有 较大的社会效益和经济效益的，也是目前我国在对受污染水的处理工艺流程选 择中较经济合理的方案，但存在一定的局限性。化学氧化预处理是应用最早和 目前应用最为广泛的方法【3 引，能够显著控制氯化消毒副产物，使水的致突变活 性由阳性转为阴性或接近阴性，去除效果好，但氧化剂费用昂贵，因而使推广 受到限制。生物处理技术能有效减少水中“三致”物质生成，运行费用低，投 资少，但单一处理效果受到局限。因此，联合工艺成为处理微污染水的一个重 要发展方向，目前研究比较多的是膜技术与其他工艺联用处理微污染水源。 莫罹掣4 0 】为了强化对有机物的去除效果，进行了微滤膜一混凝组合工艺处 理微污染水源水的连续试验。结果表明，该工艺对浊度、高锰酸钾指数以及u v 2 5 4 的去除率分别为8 5 9 5 、3 7 5 2 和5 8 8 1 ，优于膜直接过滤的去除效 果。 王琳等人1 4 l j 利用活性炭滤罐一超滤膜组合工艺进行了为期1 年的饮用水深 度净化研究。研究发现，该系统中活性炭对高锰酸盐指数的去除率在2 0 左右， 超滤膜对高锰酸盐指数的去除率在1 0 左右，并且受进水水质的影响比较显著。 组合系统对u v 2 5 4 的去除率较高，一般活性炭在2 0 左右，而超滤膜则在4 0 左右。这在一定程度上表明，膜过滤是去除水中三致物质及其前质的较有效的 手段之一。 第1 章绪论 林耀军等【4 2 】用活性炭一纳滤组合工艺技术对珠江三角洲地区自来水进行了 饮水深度处理试验研究。结果表明，该工艺可有效去除有机物、消毒副产物、 氨氮及亚硝酸盐等有毒有害物质，对有机微污染物去除率高达8 0 以上，可使 净化水达到较高饮水标准。 黄瑾辉等【4 3j 采用颗粒活性炭一超滤联用工艺对长沙市某管网术梢水中的微 量有机污染物进行了深度净化试验。试验验结果表明，颗粒活性炭一超滤膜深 度处理工艺对管网水中微量污染物的去除效果良好，处理后出水中上述水质指 标均可以达到饮用净水水质标准( c j c 9 4 1 9 9 9 ) 。 董秉直，曹达文等人【删采用混凝、粉末话性炭和u f 膜分离的联用技术对黄 浦江原水进行试验。结果表明，混凝、粉末活性炭可有效地去除溶解性有机物。 混凝处理主要去除大分子量的有机物，粉末活性炭主要去除低分子量的有机物。 混凝、粉末活性炭还能有效地去除三氯甲烷生成潜能( t h m f p ) ，对于低分子量 的t h m f p ，混凝去除效果很差，而粉末活性炭去除很好。试验还表明，混凝、 粉术活性炭还可大大降低膜的滤饼层阻力，当混凝剂投加量为4 m g l 时，膜的 滤饼层阻力最小。 因此，膜技术与其他工艺联合使用，可有效去除有机污染物，并且对浊度 等的去除效果显著，优于单一工艺的使用。目前，粉末活性炭和超滤联用工艺 处理微污染水源已成为研究的热点。 1 3p a c u f 联用工艺 p a c u f 组合工艺中，粉末活性炭具有巨大的比表面，相对于颗粒活性炭， 对有机污染物质的吸附速率更快；通过超滤膜对p a c 的有效截留，增加了粉末 活性炭单位面积吸附的有机物量；同时p a c 的投加量可根据源水水质灵活控制。 该组合系统除能有效地去除源水中的浊度、有机物污染物、氨氮等污染物。 董秉直等【4 5 j 采用粉末活性炭与超滤膜联用技术处理黄浦江原水。结果表明， 投加粉末活性炭不会造成膜过滤阻力的增加，粉末活性炭与膜联用能有效地提 高有机物的去除效果。 王晓莲等人【4 6 】采用p a c u f 组合系统对水中污染物去除研究。结果表明： u f 膜本身对浊度具有较好的去除效果，但对水中的小分子量有机物及溶解性有 机物去除效果较差；投加p a c 可以提高u f 膜对c o d m 、u v 2 5 4 的去除能力。 1 2 第l 章绪论 随着投炭量的增加，去除率逐渐提高；在同一投炭量时，随系统运行时间的延 长，膜出水中有机物的含量经历一个初期下降到长时间稳定的过程。 p a c u f 联用工艺运行效果主要由粉末活性炭的性质和超滤膜过滤特性决 定。 1 3 1 活性炭的性质 1 3 1 1 活性炭的结构 活性炭的主要