（环境工程专业论文）低温低浊期、沉淀池排泥水回流降低矾耗的研究.pdf

摘要 摘要 冬季，源水具有温度低，浊度低，耗氧量低，水的粘度大絮凝剂水解缓慢， 形成的絮体松散，不易下沉，混凝效果差等特点，这给冬季源水的处理带来了很 大困难。混凝剂投量多了，增加处理费用，混凝效果不明显，而且有时使出水 p h 值降低。因此解决低温低浊水质净化技术，降低矾耗是一项很有价值并十分 重要的课题。 本文通过理论分析，分析了影响混凝效果的主要因素，综合国内处理低温低 浊水的主要技术措施，本课题针对低温低浊期水质特性，提出将沉淀池排泥水回 流，提高进水浊度，增加颗粒碰撞机会，提高低温低浊水反应沉淀效率，降低矾 耗，确保出水水质。文章通过实验室试验取得了较好的效果，并在浦口水厂生产 应用中进行了生产试验，研究结果表明，沉淀池排泥水回流在确保出水水质的前 提下能降低矾耗，是处理低温低浊水较好的工艺措施，具有良好的经济效益和 社会效益。 关键词：低温低浊排泥水回流混凝 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nw i n t e r , b e c a u s eo fl o wt e m p e r a t u r e t u r b i d i t ya n do x y g e nc o n s u m p t i o n ，t h e v i s c o s i t yo ft h es o u r c ew a t e ri sh i g ha n dt h eh y d r o l y s i sr a t eo ff l o c c u l a n t si ss l o w f o r m e df l o c c u l a t i n gc o n s t i t u e n t sa r el o o s ea n dh a r dt os e t t l e m e n t w h i c hd o e sn o t o b v i o u s l ys h o wt h ee f f e c t so fc o a g u l m i o na n db r i n g sm a n yd i f f i c u l t i e st ot r e a tt h e s o u r c ew a t e ri nw i n t e r w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o a g u l a t i n ga g e n t sd o s a g ea n dt h e t r e a t m e n tc o s t t h ee f f e c t sa r ei n v e r s e l ye v i d e n ta n dt h ep hv a l u eo ft h ee 团u e n t d e c r e a s e s s oi ti sa ni m p o r t a n tt o p i ct os t u d yo nt h ep u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e so fl o w t e m p e r a t u r ea n dl o wt u r b i d i t yw a t e ra n dr e d u c ei t sa l u md o s a g e t h r o u g han u m b e ro ft h e o r ya n a l y s i s t h i sp a p e ra n a l y z e dt h em a i ni n f l u e n c i n g f a c t o r so fc o a g u l a t i o n , a n di n t e g r a t e dt h em a j o rt e c h n o l o g i e so ft r e a t i n gl o w t e m p e r a t u r ea n dl o wt u r b i d i t yw a t e ri no u rc o u n t r y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f w a t e rq u a l i t y , i tw a sa d v i s e dt or e f l u xt h es l u d g ew a t e rf l o w i n gf r o mt h e s e d i m e n t a t i o nt m i l 【t h u si n c r e a s i n gt h et u r b i d i t yo ft h e i n f l u e n ta n dt h ec o l l i s i o n c h a n c e so ft h ep a r t i c l e s ，s ot h a tt h ed o s a g eo fa l u mc o u l db ed e c r e a s e da n dt h eq u a l i t y o fe f f l u e n tc o u l db es u r et om e e tt h ed i s c h a r g es t a n d a r d sb ye n h a n c i n gt h er e a c t i o n a n ds e t t l e m e n te f f e c t so ft h el o wt e m p e r a t u r ea n dl o wt u r b i d i t yw a t e r s a t i s f a c t o r y r e s u l t sw e r eo b t a i n e db yl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s a n df u l l s c a l ee x p e r i m e n t sw e r e u n d e r t o o ki np u k o u 勋参e l p l a n t 。o nt h ep r e m i s eo ft h eq u a l i t yo ft h ee f f l u e n t , t h e r e f l u xo ft h es l u d g ew a t e rf r o mt h es e t t l e m e n tt a n kc o u l dd e c r e a s et h ea l u md o s a g e a n de n e r g ye o n s u m p t i o n , w h i c hw a sab e t t e rm e a s u r et ot r e a tt h el o wt e m p e r a t u r ea n d l o wt u r b i d i t yw a t e rw i t hs o u n de c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s ：l o wt e m p e r a t u r ea n dl o wt u r b i d i t y ；s l u d g ew a t e r ；r e f l u x ；c o a g u l a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是个人在导师指导下的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它机构的学位或证 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 作了声明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文独创性声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许 论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名 日 期： 3 第一章总论 1 1 研究背景 第一章总论 低温低浊水是给水处理中经常会遇到的一类特殊水质，这类水源水用常规处 理工艺，经常达不到出水水质要求，目前给水处理领域中习惯上把每年冬季温度 和浊度较低的地表水称为低温低浊水l l l 。低温低浊水加矾后形成的絮体松散，不 易下沉，矾耗高、混凝效果差。 南京市各水厂水源为长江水，混凝剂采用聚合氯化铝，每年冬季絮凝区矾花 细小、松散，沉淀出口水浊度不稳定，冬季矾耗较全年平均矾耗高出3 0 。本 课题针对南京市冬季水源，采用沉淀池排泥回流降低矾耗取得了较好效果。 1 2 低温低浊水水质特性 低温低浊水并无严格定义，一般认为水温在4 c 左右，浊度为4 0 度以下的 地表水属于低温低浊水嘲。低温低浊水中的杂质主要是以细微的胶体分散体系溶 于水中，而且胶体颗粒比较均匀，胶体微粒具有很强的动力稳定性和凝聚稳定性， 并且带负电的胶体微粒数量很小阁。 1 2 1 水温 冬季水温基本保持4 c 左右。 1 2 2 浊度 源水浊度稳定在4 0 n t u 以下。 1 2 3p h 值 源水的p h 值受水温等因素的影响，水温越低，水中c 0 2 溶解度越大，因此 p h 值略有下降，大约下降0 2 左右，冬季水温很低，源水p h 值较小，混凝剂最 佳p l - i 值有一定偏离，对水处理是一个不利条件【4 】。 东南大学硕士学位论文 1 2 4z e t a 电位 冬季水的z e t a 电位很小约一4 0 i i l v 1 2 5 吸附容量 低温低浊期杂质颗粒的吸附容量较大，最大值可达5 2 1 6 m e l o o g 1 3 低温低浊度对水处理的不利影响 ( 1 ) 水温低，胶体颗粒的z e t a 电位较高，胶体颗粒间的排斥势能较大，而 且此时微粒布朗运动能减小，粘滞系数增大，更不利于颗粒碰撞，而使胶体颗粒 脱稳困难l 。 ( 2 ) 水温低，胶体的溶剂化作用增强，颗粒周围水化作用突出，妨碍其凝 聚。水的粘度变大而使沉速减小，加之低温时气体溶解度大，溶解气体大量吸附 在絮凝固体周围，使形成的絮凝体密度降低，也不利于沉淀【6 】。 ( 3 ) 水温低，混凝剂水解形态不佳，因为胶体颗粒具有稳定性，且颗粒碰 撞次数减少，所以更需要混凝剂水解产物有一定的链长，形成具有高聚合度低电 荷多核络离子，充分发挥吸附架桥作用。但水温低，聚合反应速度降低，水解产 物的主要形态偏重于高电荷低聚合度，因此，不利于胶体颗粒间进行吸附架桥【7 】。 ( 4 ) 低温低浊度期颗粒粒径小，且小颗粒所占比例较大，颗粒粒径分布均 匀，这是低温低浊水难处理的主要原因【引。低温低浊条件下，源水浊度越低给水 工艺在运行中的耗药量越高，处理难度越大，在任何水体中，保证单位体积内颗 粒的数量和有效碰撞的次数是至关重要的，在浊度较高时，单位体积水体内颗粒 数可以保证，因此，投加的混凝剂主要是使胶体颗粒脱稳，在有充足的絮凝时间 时，常规工艺可达到设计标准【9 1 。在低浊条件下，投加少量混凝剂即可使胶体脱 稳，由于低浊时单位体积内颗粒密度小和微絮体的不合理凝并，导致部分微絮体 失去了碰撞凝并的条件，从而是絮凝池中小矾花比例增加，给沉淀截留增加了难 度【1 0 1 。 1 。j ( 5 ) 低浊水由于固相浓度很小，分散相的面积s 较小，若彳z ”s 的比值较 大，就形成最易溶解的产物溶解的产物羟基合物，由于其空间网络没有交联 的键，因而容易破坏【1 1 】。低浊水中除亲水性胶体外，还存在溶解性天然有机物， 2 第一章总论 如腐植酸富里酸等，混凝剂首先与带电密度大的腐植酸、富里酸作用，只有加大 投药量使混凝剂中和了溶液颗粒表面的天然有机物电荷后才开始表现出吸附架 桥作用。这是常规的混凝工艺在处理低温低浊水时效率不高，矾耗较高的原因之 一【1 2 10 1 4 低温低浊水处理技术 1 4 1 溶气气浮 气浮工艺净化水质的原理是，设法在水中通入空气产生大量的微细气泡，使 其粘附于杂质絮体上，造成整体比重小于水的微絮体，并依靠浮力使其浮至水面， 从而获得固液分离【1 3 】。低温低浊水体中胶体杂质少凝聚碰撞的机会少，不易形 成絮体，即使形成也轻而疏松，易破碎且难沉降，加大投药量也很少见效。而使 用气浮工艺就能化不利因素为有利因素，促使轻飘的絮体迅速上浮分离，同时由 于依靠气泡的浮力能大大减少黏度的影响，加速絮凝粒的上浮分离，气浮工艺并 不要求絮凝粒结的很大，因此比沉淀工艺净水效果显著优越【1 4 1 。 1 4 2 微絮凝拦截沉淀处理低温低浊水 拦截沉淀是以絮体的吸附接触凝聚为主要特征的沉淀反应过程【1 引。以 一种处理后的，耐水浸无污染的天然植物为拦截材料。拦截沉淀的作用过程是： 水中的絮体颗粒于拦截体接触吸附絮体于絮体接触凝聚絮体在拦截体 的多重积累重力下沉，在拦截沉淀池开始运行时，拦截体上还没有形成絮团， 絮体颗粒通过三种作用方式于拦截体发生接触吸附；一是重力沉降，由于拦截材 料的缠绕间距较小，缩短了絮体颗粒的沉降距离；二是由于水流的湍动。絮体颗 粒间的相互碰撞，絮体颗粒与拦截体发生碰撞而使絮体颗粒在竖直方向上具有分 速度，因此得以与拦截体发生接触吸附：三是絮体颗粒直接于拦截体发生碰撞接 触吸附。絮体颗粒通过这三种方式在拦截上积累并且发生接触凝聚反应，形成絮 团。絮团体积因絮体颗粒的多重积累而逐渐增加，至一定程度会因水力剪动作用， 发生絮团部分脱落并通过重力沉降而去斛1 6 l 。 3 东南大学硕士学位论文 1 4 3 微絮凝接触过滤法 微絮凝接触过滤法的原理是：滤池上层滤料孔隙小，滤料表面有一定的化学 特性，在原水加入一定量的混凝剂、助凝剂后，立即直接进入滤池，在滤池中形 成微小絮凝体，其中一部分被滤料截留，另一部分被滤料吸附，呈现具有微絮凝 接触吸附过滤作用，从而实现除低浊的目的【1 7 1 。 微絮凝接触滤池的滤料应采用无烟、石英砂双层滤料或单层石英砂粗滤料， 以利于絮凝接触吸附作用。采用双层滤料时，无烟煤粒径可用0 扯1 8 m m ，厚 度为3 0 0 m m ，石英砂粒径为o 5 1 o m m ，厚度为4 5 0 m m ，这种双层滤料池，不 但净化效果好、效率高，而且滤速比普通快滤池提高两倍，为1 6 m h , i 作周期 2 4 h 。采用单层石英砂粗滤料，石英砂滤料粒径可用o 8 1 2 m m ，厚度为 9 0 0 r a m ，平均滤速为ll m h ，工作周期为1 6 2 4 h f l 8 】。 1 4 4 高梯度磁力分离技术 高梯度磁力分离技术是七十年代发展起来的新技术，首先在钢铁、电站等的 废处理中得到应用【1 9 1 。继而用于水体的除营养法。八十年代，我国工作者首先 研究将其应用在饮用水的处理上。 磁力分离法是一种物理分离的方法，它是借助磁场作用来分离不同性质的物 质【2 0 l 。水流通过高梯度磁分离器时，水中固体颗粒在磁场中除受磁力作用外， 还受与磁力相抗衡的重力、惯性力、摩擦力、水流托力及颗粒间的相互作用力等。 只有当作用于颗粒的磁力大于与其相抗衡的力时，磁力分离器才能将磁性部分与 非磁性部分分离，对某一颗粒而言，它所受力的大小取决于磁场强度与磁场强与 磁场梯度的大小，没有一定的磁场强度，要分离弱磁性微细颗粒是困难的，但仅 仅增大磁场强度来提高磁力，即所谓强磁性分离是不经济的【2 。如果在给磁场 强度下，以增大磁场梯度来达到提高磁力的目的则要经济得多。这就是所谓的高 梯度磁性分离的优点。 在作为饮用水源的地面水中，大多数杂质都属于弱磁性或反磁性的性质，它 们不能在磁场中直接被除去，而是借助于向水中投加足够量的中间媒介物接 种剂，使水中含有足够数量的强磁性颗粒。这种强磁性接种剂，必须具有在磁场 中很容易被强烈磁化，用较小的j b 力l l 磁场就能引起的饱和磁化，产生很大的磁力 4 第一章总论 矩的性质。所以通常用磁铁粉做接种剂。接种剂与水中杂质在混凝剂的作用下， 由磁性接种剂表面的共沉，水中双电层压缩，混凝剂水解产物的凝聚与桥接作用， 结成磁性絮凝，在高梯度磁力分离器中被除去。 工艺流程是： 原水一加磁铁粉一加混凝剂一磁助剂一反应预沉一磁分离器一出水 高强度磁力分离是靠磁力进行的，它是受温度的影响，而且该工艺比传统工 艺净水构筑物小1 5 左右，分离速度大2 0 3 0 倍。 1 4 5 强化混凝剂处理低温低浊水 ( 1 ) 选用混凝剂 应用硫酸铝处理低温低浊水时，其混凝效果较差，剩余浊度偏高，甚至往往 高出源水的浊度，原因是硫酸铝是一种普通的无机混凝剂，而低温低浊水的特性 限制了其水解速度，水解产物的形态不佳，致使吸附架桥作用难以充分发挥，这 和许多学者的研究是一致的。可以认为，硫酸铝作为低温低浊水的混凝剂是不适 宜的【2 2 】。 利用多种混凝剂对宁波市低温低浊水进行混凝沉淀试验表明、深圳中联水公 司开发出的r s 复合碱式氯化铝( 聚合氯化铝) 系列混凝剂处理效果优于硫酸铝 z 3 1 o 和硫酸铝比较，p a c 加水玻璃的混凝效果较好，因为p a c 本身具有相对稳 定的水解形态，受低温的效果影响不大，而且其分子链接也不是硫酸铝所能比拟 的，能较好地发挥吸附作用【2 4 】。 研究发现，先加适量助碱剂氢氧化钠调节原水的p h 值，再加注阳离子型高 分子助凝剂聚合二甲基二烯丙基氯化铵( 简称h c a ) 与聚合氯化铝配伍，使用 强化混凝剂处理低温低浊水方案较水厂现有单纯投加聚合氯化铝可大幅降低沉 淀出水浊度，形成的矾花较大且密实，是一种高效助凝剂【2 卯。 ( 2 ) 投加氧化剂 以高锰酸盐复合药剂强化混凝技术处理低温低浊时期的松花江水【2 6 】。生产 性试验结果表明该技术是有效的，与原有的单一聚合铝( p a c ) 混凝工艺相比， 可显著降低沉淀后水和过滤后的乘余浊度，同时可节约混凝药剂费用，降低制水 成本。后来又探讨高锰酸盐复合药剂的处理效果，并与硫酸铝混凝效果进行比较 5 东南大学硕士学位论文 对比，结果表明，高铁酸盐复合药剂可显著提高对低温低浊水的处理效果，并且 有良好的消毒作用【2 7 】。 原水预加氯投加量在2 一m g l 时，对浊度去除有明显效果。氯气也是一种 强氧化剂，它的助凝作用属于氧化剂，对有机胶体产生的影响【2 8 】。 分析及实验结果说明，强氧化剂的加入对色度、浊度、有机物有明显去除作 用。由此可见，高锰酸钾、高铁酸盐、氯气的强氧化性破坏了水中溶解性有机物 刚。如腐植酸、富里酸等对胶体颗粒表面形成的保护层，增加了胶体极性，使 胶体发生凝聚，因而发生聚沉。直接氧化改变有机物成微生物的性质，破坏亲水 性溶胶物系的稳定性。高锰酸钾氧化剂水中有机物质生成的亲生态m n 0 2 ，高铁 酸盐生成的f e ( o h ) 3 都有助于混凝沉淀作用，以上三方面的原因说明，强氧 化剂的加入使胶体颗粒易被脱稳，形成的絮体尺寸相对较大、密实、沉降性好， 对低温低浊水的处理有很好的助凝作用【】。 文献【2 9 】用高锰酸盐复合药剂( p p o ) 强化混凝技术处理低温低浊水时期的 松花江水，其生产性试验结果表明，与原来单一聚合铝( p a c ) 混凝工艺相比， 可显著降低沉淀后残余浊度。该水厂常规p a c 投量一般为5 0m g l 左右，在比 较量下加入1m g l p p o 强化混凝，此时沉淀后剩余水浊度在3 6 度之间。停 止投加p p o ，沉淀后水余水浊度突然回升至1l l8 度，在此基础上逐渐增加p a c 投量，当p a c 投量由5 0m g l 增加至7 0m g l 以后，沉淀水余浊度才下降至5 0 m g l p a c 和1m g l 的p p o 联用时水平。这说明对低温低浊水来讲，在混凝过程 中去除微粒外表面有机物是必要的。 1 5 研究的目的与意义 由于水资源的紧缺和流经城市河流段的水质污染，使得采用水库作为给水水 源情况日渐增多，但水库水具有浊度低、藻类多的特点，以江河水为水源的水厂， 在每年1 0 月至次年3 、4 月的枯水季节，也存在着浊度较低，有机污染加剧，水 温低的类似问题。在我国北方广大地区有长达5 - - - 6 个月的冰冻期，水质长时间 处于低温低浊状态，江河水温o _ 一4 ，浊度为5 - _ 4 0 n t u ，水库水下层水温 2 _ 4 、浊度为5 1 0 n t u l 3 1 1 。 在冬季，水质的物理化学特性与其它季节相比具有温度低、浊度低、耗 6 第一章总论 氧量低、碱度低、水的粘度大等特点，这给自来水厂的冬季处理带来了很大困难 【3 2 1 。混凝剂投量低了不起作用，混凝剂投量多了，增加处理费用，而且有时使 出水p h 值降低。因此解决低温低浊水质净化技术，降低矾耗是一项很有价值并 十分重要的理论课题。本文提出了针对冬季低温低浊水采用平流沉淀池排泥水回 流降低矾耗，净化水处理工艺，是解决低温低浊水处理较好的净水工艺，具有较 强的实用意义。 7 东南大学硕士学位论文 2 1 混凝理论 第二章课题理论基础 混凝一直是水处理与化学工作者关注的课题。在现有文献中，对凝聚和絮 凝的涵义有多种不同的理解：一种是把两者作为同义语考虑，可以通用；另一种 把凝聚理解为胶体被压缩双电层而脱稳的过程，而凝聚则理解为胶体脱稳后( 或 由于高分子物质的吸附架桥作用) 结成大颗粒絮体的过程；还有一种将凝聚理解 为胶体脱稳和结成絮体的整个过程，而絮凝仅指结成絮体这一阶段。相对来说， 第二种理解较为普遍，并将凝聚与絮凝合起来称为混凝。混凝是瞬时完成的，而 絮凝则需要一定的时间在絮凝设备中完成。 2 1 1 液体表面电化学与胶体的稳定性 ( 1 ) 液体表面电化学 对于胶体系统的研究应该包括两个方面，一方面集中于材料表面特性研究， 属于表面化学的内容；另一方面集中于胶体微粒的整体行为特性研究，属于胶体 化学的内容。 与废水处理有关的主要是由水和胶体颗粒构成的体系。按胶体带电的性质， 水中的胶体可分为带正电和带负电的两类。废水中的无机物胶体一般都是带正电 的，如氢氧化铝、氢氧化铁等微晶体：而有机物胶体通常带负电，如细菌、病毒 等；粘土胶粒也是带负电的。水中胶体颗粒表面带电机理主要有以下五个方面。 1 ) 同晶置换 某些离子型晶体物质的s c h o t t k y 缺陷( 指某些离子可以在晶体内自由运动) ， 使得在晶体表面产生过量的阳离子或阴离子，从而使表面带正电和负电。粘土表 面带负电就是典型例子。 粘土是土壤中的最细组分，一般由高岭石、蒙脱石和伊利石等矿物组成。这 些矿物都是一些片状晶体，硅和铝是其中两个主要阳离子。当矿物晶格中的s r 被水中的大小大致一样的舢3 + 和c a 2 + 置换时，并不影响晶体的结构。同样砧3 + 也可能被c a 寸置换，这就是同晶置换。粘土矿物发生同晶置换后，表面带负电。 8 第二章课题理论基础 2 ) 难溶物质与其溶解入水的离子间的平衡 在水中难溶于水的离子型晶体与它溶解于水的离子产物间有一个平衡关系， 这个平衡关系由溶度积来确定，当其中的阴、阳离子呈不等当量溶解时就会使颗 粒表面带电。a g i 是典型的例子，其溶度积 a g + i - - 1 0 1 6 。按溶度积原理，当 水中i 浓度低时，a 矿浓度就要升高，以保持溶度积，这就使得a g i 颗粒上的a 矿 进入水中，使颗粒表面带负电。反之，当水中i 浓度高时，水中a 矿就要回到 a g i 颗粒上，使颗粒表面带正电。 3 ) 离子的特性吸附作用 固体颗粒表面对水中某种离子的特性吸附，可以使其表面带上正电或负电。 如表面活性剂，其分子一端为憎水性的，另一端为亲水性的。憎水一端牢固地吸 附在固体颗粒表面，亲水的一端则伸入水中，颗粒表面则随表面活性剂不同的离 子形式而带同样的电荷。阳离子型的表面活性剂使颗粒表面带正电，阴离子型的 表面活性剂使颗粒表面带负电。 4 ) 有机物表面的基团离解 有机物颗粒表面离子化官能团的离解，特别是高分子有机物因其极性官能团 的酸碱离解而使颗粒表面带上电荷，因此这类胶体表面电荷和电势受溶液p h 值 控制。例如树脂表面的羟基可以离解如下式： r - c o o h r - o o + 矿( 2 1 ) 当p h 值较高时，反应向右进行，树脂表面因此带负电；p h 值较低时，羟 基不离解，树脂表面不带电。 对于两性物质的颗粒，如蛋白质，其表面存在c o o h 和n h 2 基团。羟基c o o h 在碱作用下离解旷后变肌o o 。，产生带负电荷的部位，酰胺基删2 在酸作 用下变成n h 3 + ，产生带正电荷的部位。蛋白质颗粒总的表面电荷可表示为： t y o = f ( 0 一一) ( 2 - 2 ) 式中一颗粒表面电荷，c c m 2 ； r + 每c n l 2 表面上所吸附的旷当量数，e q c m 2 ： 一每c m 2 表面上所产生的c o o 。当量数，e q c m 2 ； 卜法拉第常数，9 6 5 0 0 c e q 。 9 东南大学硕士学位论文 由式( 2 2 ) 可知，两种电荷的代数和使蛋白质宏观上表现为带正电或负电， 但一般为带负电。 5 ) 不溶氧化物摄入旷或o h 石英砂表面的带电即为典型例子。石英砂表面的硅原子水合后产生硅烷醇基 团s i o h ，硅烷醇基团可以通过摄入旷而带正电，如下式所示： s i 0 h + h 3 0 十一s i o h 2 十+ h 2 0 ( 2 - 3 ) 如果摄入o h ，则带负电，如下式所示： s i o h + o h 。一s i o + h 2 0 ( 2 - 4 ) 总的表面电荷为：o o = f ( + 一一) ( 2 - 5 ) 式中o r 0 颗粒表面电荷，c e m 2 ； + 一每c m 2 表面上所吸附的旷当量数，e q c m 2 ； k 一每c m 2 表面上所产生的c o o 。当量数，e q c m 2 ； 卜法拉第常数，9 6 5 0 0 c e q 。 由式( 2 - 5 ) 可知，当p h 值较低时，水中旷浓度增加，+ 值增大而一值 减小，氧化物表面带正电，反之在p h 值较高时，氧化物表面带负电。当p h 值 合适时会出现l + 一一= 0 ，此时表面处于零电荷点，零电荷点的位置取决于氧 化物表面对矿和o h 。的相对亲和性。s i 0 2 相对是酸性的，因此式( 2 4 ) 比式( 2 3 ) 更占优势，零电荷点值低，所以s i 0 2 微粒一般带负电。 ( 2 ) 胶体的稳定性 亲水胶体是单项液体的胶体体系，能自动形成真溶液，在没有化学变化和温 度变化的条件下，溶液将是永远稳定的，而憎水胶体属于两相的胶体体系，与水 不能自发形成胶体溶液。对于已形成的憎水胶体溶液，在静止足够长时间后，胶 体能从水中自发地分离出来。憎水胶体的这一性质称为热力不稳定性，但在相对 不长的时间内，憎水胶体仍能保持在分散状态，这称为憎水胶体的动力稳定性。 1 ) 胶体双电层结构 憎水胶体的稳定性可由它的双电层结构得到解释。由于颗粒表面电荷的作 用，使在固液界面处存在一静电场，从而使靠近表面处的液相离子发生不均衡分 1 0 第二章课题理论基础 布，即与表面电荷相反的离子因受到吸引而高于主体溶液中的浓度，而与表面电 荷相同的离子则因受到排斥而低于主体溶液中的浓度。这样，就在颗粒表面附近 形成一个离子扩散双电层。由于双电层的存在使两个颗粒不能足够接近，这是憎 水胶体颗粒稳定的重要原因。憎水胶体稳定性的双电层理论是由d e r j a g u i n 、 l a n d a u 、v e r w a y 和o v e r b e e k 共同发展的，因此也称为d l v o 理论。在靠近胶核 表面的地方，因离子间吸引力较大，正电荷紧密地吸附在胶核表面，称为吸附层， 吸附层的厚度较薄且较固定，一般不随外界条件的变化而变化。而吸附层之外还 附有一层正电离子，其受到的静电吸引力因屏蔽左右而逐渐减弱，且受极性分子 热运动的干扰，故电层内正电荷与胶核的结合力较小，离子扩散游动在吸附层之 外，故称为扩散层。扩散层厚度较吸附层大得多，并随外界条件，如水温、水中 离子种类和浓度等的影响而变化。带负电的胶核和依靠静电吸力在外围吸附等量 正离子构成的双电层，整体形成电中性结构。 2 ) 毛电位 固液界面处静电场受到吸附层和扩散层中离子的屏蔽作用，吸附层内电位呈 线性降低，扩散层的电位则呈指数函数降低。影响胶体颗粒稳定性的主要因素是 扩散层电位k 和厚度。而扩散层电位为热力学电势，不易直接测定。通常可以 测定的是颗粒表面的电动势，即毛电位，可以用微电泳仪测定。毛电位是双电层 内滑动面处的电势。在直流电场内产生电泳时，滑动面以内的胶核、吸附层和部 分扩散层整体上带负电荷，向正极移动；滑动面以外的扩散层，带有等量的正电 荷，向负极移动，两者的带电差值即为毛电位值。 由此可知，毛电位的概念很明确，但是滑动面的位置却一直是争论的问题， 许多研究者认为滑动面即位于吸附层与扩散层边界处，即写= 峨。 毛电位比起其他双电层电位来，有两个明显的优点，一是能够测定，另一个 是它与胶体的稳定性具有很好的相关性。当毛电位接近于零时，胶体即失去稳定 性，此时，相当于扩散层厚度退化接近于零。 3 ) 排斥能峰 两个带有同性电荷的颗粒间，存在着静电斥力，其大小与颗粒间距离的平方 呈反比；另外，颗粒间还存在范德华引力，其大小与分子间距的六次方成反比； 显然，当距离较远时，静电斥力占优势，合力为斥力，两胶粒将分开；当距离较 东南大学硕士学位论文 近时，范德华力占优势，合力为吸力，两胶粒可能吸附在一起。由此可知，合力 的性质与大小随微粒间的间距而变化。 胶粒在水中作布朗运动时，具有一定的速度或相应的动能，其数值只与水温 有关。设此动能为& ，则 e k = 1 2 m v 2 - 吾灯( 2 - 6 ) 式中m 一胶体质量； v 胶粒平均速度； 蔓卜波滋曼常数； t 一水的绝对温度。 当水温为2 5 。c 时，e k 远小于排斥能峰，所以，可能因碰撞结合在一起的两个胶 粒会再次分开。可以认为，一般& 0 ，堕垒兰蛩嚣。显然，tl uf gi 一i ，是 口g 常量，越小，说明刀脚越大，即第m 只完全混合反应器出1 ：3 水流中细小颗 粒所占比例越大。由此可见，水温越低，越小，絮凝效果越差，形成的絮 体越易破碎。 悬浮颗粒在静水中的自由沉速可表达为 u ：一4 旦鱼二丝d 3 c op l ( 5 ) 式中； i r 一颗粒沉速 r 重力加速度 c 广阻力系数 所颗粒密度 反水的密度口口 卜颗粒当量粒径 在层流状态时，c d = 2 4 r e 代入( 5 ) 式得 u ：土二g d z ( 6 ) 1 8 口 由( 6 ) 式可以看出，水中颗粒沉降速度与颗粒大小、密度成正比，与水的 粘度成反比。当水体处于低温时，由于水中颗粒凝聚不佳，形成的絮体少而小， 水的粘度增大，所以水中颗粒沉降速度缓慢。而且从沉淀理论看，截留速度v 也起一定作用。当颗粒的沉降速度0 大于截留速度v 时，则沉在沉淀池中；当o 小于v 时，则颗粒随水留出池外。低温时节进入沉淀池的颗粒多是脱稳性较差， 凝聚不佳，颗粒较小，其沉降速度自然小于正常情况的截留速度，因而导致低温 1 4 第二章课题理论基础 浊水沉淀效果不好。 2 2 2 低温对絮凝的影响 较高的絮凝速度是迅速生成较大絮凝的必要条件，凝聚速度取决于单位时间 内的颗粒碰撞次数与有效碰撞率。而颗粒的碰撞次数又与其运动速率有关，当水 温降低时，水分子间的热运动能量减少，布朗运动给予的速度自然减慢，颗粒间 的碰撞机会就减少，因此凝聚化学反应速度也随之减慢，颗粒碰撞的基本公式如 下： - 扣：宁a - + d 2 ) 3 式中单位时间、单位体积内颗粒碰撞次数 n i 、n 2 单位体积内粒径分别为d l 、d 2 的颗粒数目 卜_ 单位时间内对单位体积所增加的能量 i r 水的动力黏度 从式中可以看出，低温水浊度低，水中颗粒的数量少，所以碰撞的次数也少； 低温水中的杂质颗粒细小，颗粒的碰撞次数与颗粒直径和的立方成正比关系，所 以碰撞的次数减少。水温越低，粘度越大，液层间的内阻力越大，颗粒的碰撞机 会越少，凝聚效果越差。另外，从颗粒带电及脱稳情况来看，水中运动着的胶粒 都有电动电位p 并带有负电荷。在两个带电微粒间存在着两种作用力，一种是物 质固有的引力范德华力；另一种是静电斥力，两胶粒间的合力将随其间距的 大小而变化。 在一定温度下，胶粒具有一定的动能，若该动能是可以克服在接近过程中所 出现的最大斥力，则在急剧增大的范德华力的吸引下，这些胶粒就可以聚合成为 一些稍大的颗粒，否则两胶粒将再次分开，依然以原始状态存在于水中。因此， 欲使胶粒从稳定状态中解脱出来，必须创造条件使胶粒的动能胜过斥力作用或降 低斥力作用。范德华引力与物质本性有关，难以改变，但静电斥力的大小与胶粒 的p 电位有关；降低( p 电位，相同距离处所显示的静电斥力减少，从而使相应的 最大斥力数值减少，甚至改变其符号，变为引力。投加混凝剂，在水中提供大量 东南大学硕士学位论文 的高价的反离子，可起到压缩扩散层，降低( p 电位效果，可使合力( 最大斥力) 下降到某数值，此时胶粒原有的动能就足以克服全部斥力的作用，并使胶粒凝聚 在一起。 但是，由于冬季水温降低，胶粒的动能下降，使它难以越过斥力的能峰，使 胶粒的脱稳效果不好，大量脱稳程度较差的胶粒随水流出。 2 2 , 3 低温对混凝水解速率的影响 我们知道，混凝剂在水中先离解成离子状态，然后与水分子发生水解作用。 而水解过程受温度影响较大，以常用的铝盐为例。 a 1 2 d 4 ) 3 = 2 a l “+ 3 8 0 ；- ( 8 ) h 2 0 = h + + o h 一 ( 9 ) a 1 3 + + 3 0 h 一= 彳，汹) 3l ( 1 0 ) 不同温度下水的离子积是不同的： 2 4 1 2 ，陋。) = k x , d = l x l 0 。 5 0 ，陋一) = k 日d = o 1 8 4 6 1 0 4 4 o ，协一) = k 肋= o 1 1 3 9 1 0 州 由此可见，水温低时水的离子积小，水中的蛔一j 离子减少，反应式( 3 ) 的平衡式向左移动，a i ( o h ) 3 水解反应不完全。水温为o cl 光5 。cn 水中 o h j 离 子减少约1 4 。从反应式( 3 ) 可知铝盐在5 时水解速度为：以：k a t 3 + p 日一r ， 当水温为o 时，n 水o e n o h j 离子浓度比5 时减少1 4 ， 则= k b p 坎伽一r = 彩么k 乜p 王d 曰一r ，其中 a p + 】为饱和态，可见 当水温为o 时的水解速度只是5 c 时2 3 1 2 。 2 2 4 浊度对反应沉淀的影响 在其它条件不变的情况下，由( 1 ) 式、( 2 ) 式可以看出，浓度越低，单位 时间单位体积颗粒碰撞次数越少，反应效果越差，形成的絮体就越细小。由( 6 ) 可知在颗粒密度相同的情况下，絮体越细小则沉速越小，越不利于沉淀。 低浊水由于固相浓度很小，分数相的面积( s ) 较小，若彳，“厶的比值较大， 1 6 第二章课题理论基础 就形成最易溶解的产物一羟基络合物，由于其空间网格没有交联的键，因而容易 破坏。在胶体化学中，分散物质的结构分为原生和次生两类，形成凝聚结构除使 原生颗粒脱稳外，溶液中的固相还必须超出某一监界浓度。当固相浓度很小时， 在颗粒表面积和混凝剂的必须投加量之间不存在化学剂量关系，即所谓的当量关 系，而是应从动力学方面考虑增加颗粒碰撞数必须补充的固相数量。水处理构筑 物的运转经验表明，混凝动力学的显著改善，其分散相浓度一般在l 旺5 0 度范 围内，低浊水胶体颗粒粒径小，且小颗粒所占比例大，颗粒分布均匀，这是低浊 水难处理的主要原因。有学者对长春市自来水公司第一净水厂的源水进行分析测 定，发现，夏季颗粒粒径众值在1 5 x 1 0 2 c m 以上，而冬季则在1 3 x l o a c m 左右， 这说明冬季冰封期相对含量最大的颗粒径较小。冬季集中于众值的颗粒数量是夏 季的1 5 i 7 5 倍，这说明冬季水中杂质颗粒粒径分布较均匀。 低浊水造成了混凝剂投入量增加。研究认为冬季水库水中，除亲水性胶体外 还存在溶解性天然有机物，如腐殖酸、富里酸等、在这些溶解性有机物存在的情 况下，水中无机胶体颗粒的凝聚动力学过程一般不取决于其本身的性质，而主要 取决于水中溶解性天然有机物的浓度，特性：水中天然溶解性有机物的表面电荷 相对较高，如富里酸的表面电荷一般为水中无机胶体的1 0 倍以上。因此水中存 在天然有机物时，混凝剂首先与带电密度大的腐殖酸和富里酸作用，只有加大投 药量使混凝剂中和溶液中颗粒表面的天然有机物电荷后，才开始表现出架桥作 用。并且，水中天然有机物还会在无机胶体颗粒表面形成有机保护层，造成颗粒 间空间位阻或双电层排斥作用，使低温低浊水形成一个稳定的物系。这是常规的 混凝工艺在处理稳定性低温低浊水时效率不高，即使增加混凝剂投量除浊效果也 不理想的原因之一。而且大幅度地增加投药量，会导致水中铝的残余浓度升高。 近来人们发现，引用含铝离子的水会引发老年痴呆症。此外，摄铝过多可抑制胃 液和胃酸的分泌，使胃蛋白酸活性下降。因而仅仅依靠提高混凝剂投加量的方法， 不但难以满足对低温低浊水的处理要求，而且还会使自来水中引入过量的铝，产 生二次污染。 1 7 东南大学颈学位论文 3 1 实验原理 第三章研究方法和研究内容 将沉淀池排泥水投加至低浊度源水町增加混凝剂水解产物的凝结中心，提 高颗粒之间的碰撞速率，提高混台反应速率，增加絮凝体密数，易于矾花沉淀： 排泥水为颗粒粗大的絮状体，将排泥水投加至源水中，可以发挥网捕和卷扫作用 充分利用沉淀池污泥的剩余吸能提高混凝效果。 3 2 水源水质及絮凝剂 试验用水为长江水，絮凝剂为聚合氯化铝。 3 3 实验仪器： 1 、p c 一5 0 6 搅拌机 2 、t s 2 0 4 0 0 n t u 浊度仪 图3 - 1p c 一5 0 6 搅拌机 第三章研究方法和研究内容 图3 - 2t s 2 0 - 4 0 0 n t u 浊度仪 3 4 监测项目及分析方法 本次试验研究中浊度、p h 和水温等项目采用由国家环保局水和废水监测 分析方法编委会于1 9 8 6 年编写的水和废水监测分析方法( 第四版) 中的 监测方法。 表3 - l 试验监测项目及方法 分析项目 监测方法 浊度 p h 水温 便携式浊度计法 便携式p h 计法 水温计法 3 5 主要研究内容 在低温季节处理低浊度水时，提高混凝反应效率途径之一是人为提高原水中 固相物质的浊度。可向水中不断地投加机械杂质( 如粘土或黄土等) ，或采用连 续回流泥渣的方法。本课题研究将沉淀池排泥水回流入混合设备，提高进水浊度， 东南大学硕士学位论文 提高原水颗粒浓度，增加颗粒碰撞机会，提高低温低浊水反应沉淀效率，同时利 用了沉淀池污泥的剩余吸附能力，降低混凝剂用量，确保沉淀水质。 本文研究的主要内容：( 1 ) 低温低浊期沉淀池排泥水回流降低矾耗方法的机 理探讨；( 2 ) 低温低浊期，沉淀池排泥水回流降低矾耗实验室试验；( 3 ) 低温低 浊期，沉淀池排泥水回流降低矾耗生产性试验。 第四章沉淀池排泥水回流降低矾耗的实验室研究 第四章沉淀池排泥水回流降低矾耗的实验室研究 4 1 实验方法 1 ) 测出源水浊度、碱度、p h 值、水温 2 ) 取源水1 0 0 0 m l ，投加混凝剂，立即用p c - - 5 0 6 搅拌机搅拌：4 0 0 转分搅拌 2 分钟、1 5 0 转分搅拌5 分钟、5 0 转分搅拌l o 分钟，静置1 0 分钟。 3 ) 用t s 2 0 - - 4 0 0 n t u 浊度仪测出分剩余浊度，确定最佳矾耗。所谓最佳矾耗， 既能满足沉淀水质要求，又是最经济的矾耗，一般规定当沉淀池出水浊度约 为8 n t u 时的矾耗 4 ) 测试数据如表4 1 至4 5 5 ) 将源水与沉淀池排泥水混合，测出混合水浊度、碱度、p h 值、水温。 6 ) 取混合水1 0 0 0 m l ，投加混凝剂，立即用p c 一5 0 6 搅拌机搅拌：4 0 0 转分搅 拌2 分钟、1 5 0 转分搅拌5 分钟、5 0 转分搅拌l o 分钟，静置l o 分钟。 7 ) 用t s 2 0 - - 4 0 0 n t u 浊度仪，测出分剩余浊度，确定最佳矾耗。 8 ) 将浊度相同的源水与沉淀池排泥水混合，测出不同混合水浊度，按5 ) 、6 ) 、 7 ) 步骤测出最佳投矾量。试验数据如表4 1 至表4 8 表4 1 源水( 浊度3 0 n 1 u ) 不同投矾量混凝效果 ( 碱度：1 1 7m g l ，p h ：8 0 7 ，水温：6 c ) 由表4 1 可知当源水浊度为3 0 n t u 时，最佳矾耗为1 2 m g l 。 将源水浊度3 0 n t u 与沉淀池排泥水混合，混合水浊度5 8 n t u 最佳矾耗如表4 2 。 表4 2 ：混合水( 浊度5 8 n t u ) 不同投矾量混凝效果 ( 碱度：1 1 8m g l ，p h ：8 0 8 ，水温：6 ) 2 1 东南大学硕士学位论文 由表4 2 可知当混合水浊度为5 8 n t u 时，最佳矾耗为9 5 m g l 。 将源水浊度3 0 n t u 与沉淀池排泥水混合，混合水浊度7 3 n t u 最佳矾耗如表4 3 。 表4 - 3 ：混合水( 7 3 n t u ) 最佳矾耗 ( 碱度：1 1 8m g l ，p h 8 0 8 ，水温：6 c ) 由表4 3 可知当混合水浊度为7 3 n t u 时，最佳矾耗为8 5 m g l 。 将源水浊度3 0 n t u 与沉淀池排泥水混合，混合水浊度10 0 n t u 最佳矾耗如表4 4 。