（环境工程专业论文）强化混凝去除三卤化物的研究.pdf

摘要 摘要 对于我国北方饮用水水源，每年的夏秋季水体中有机物质骤增给饮用水的 处理带来很多困难。本研究针对北方某水厂原水，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，研究探讨混凝对有机物的去除效 果及机理。 混凝试验表明加大混凝剂的投加量的强化混凝，可以提高混凝对有机物的 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、预氯化以及滤后加氯都能较大幅度的提高混凝对有机物的去除率。试 验结果表明f e c l 。和壳聚糖混合使用时可使相同f e c l 。投加量下混凝对有机物的 去除率提高l 9 个百分点；壳聚糖( 天然高分子阳离子型絮凝剂，又称为可溶 性甲壳素，是甲壳素的n 一脱乙酰基的产物，学名叫聚2 一氨基一2 一脱氧- d - b - 1 ，4 葡萄糖，相对分子量 8 00 0 0 ) 药剂投加0 5 - - - 2 5m g l 时可使其对有机物的去 除率提高3 8 个百分点；预氯化后再进行混凝，有机物的去除率可提高7 1 5 ，其中有效氯的最佳投加量为4 m g l ；滤后加氯可以使有机物及三卤甲烷的去 除率提高6 - - 一1 3 ，其中有效氯的投加量为4 m g l 为佳。 调节原水的p h 值从3 1 3 进行混凝试验，结果表明p h 值的变化对混凝效果 有一定的影响，在中性和偏碱性条件下处理效果最佳。混凝正交试验确定掺有 壳聚糖的f e c l 。作为混凝剂，最优混凝剂投加量f e c l 。为l o o m g l ，壳聚糖投加量 为1 5 m g l ，且投加顺序为先投力h f e c l 。，搅拌混合均匀后在投加壳聚糖。混凝 的最佳搅拌条件为，以4 0 0r m i n 的转速快搅0 5 m i n ，再以7 0r m i n 的转速慢 搅1 5 m i n ，然后静置3 0 m i n ，其中慢搅的时间对混凝效果有着显著的影响。 关键字：强化混凝去除有机物微污染饮用水预氯化滤后加氯 a b r s t r a c t ab s t r a c t f o rt h ed r i n k i n gw a t e rs o u r c eo ft h en o r t h , i th a sam a s so fo r g a n i cm a t t e r si n e a c hs u m m e ra n da u t u m 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 ee f f e c t sa n dm e c h a n i s m so fo r g a n i c m a t t e r sr e m o v a lw i t he 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 n j a rt e s t , a c c o r d i n gt ot h eq u a l i t yo f t h ew a t e ri ns u m m e ra n da u t u m no fan o r t hw a t e r p l a n t c o a g u l a t i o ni se n h a n c e db o t hi nc o a g u l a n t sa n dm i x c 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 t 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 g w a t e r f l o c c u l a t i o na i d sa n d p r e c h l o r i n a t i o nc a ne n h a n c ec o a g u l a t i o no no r g a n i cm a t t e r sr 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 dc t sm i x i n ga sc o a g u l a n t st h e e f f i c i e n c yo fc o a g u l a t i o no no r g a n i cm a t t e r sr e m o v a lc a ni n c r e a s e1 - 9p e r c e n tt h a n f e r r i cc h l o r i d eo n l y w h e nc t si si n p u t t e do 5 2 5 m g r lt h ee f f i c i e n c yo fc o a g u l a t i o n o no r g a n i cm a t t e r sr 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 c h l o r i n a t i o nc a nm a k et h e e f f i c i e n c yo fc o a g u l a t i o no no r g a n i cm a t t e r sr e m o v a li n c r e a s e7 15p e r c e n t 。a n dt h e o p t i m u md o s i n g i sc h o r i n e4 m g l c h l o r i n a t i o na f t e r f i l t r a t i o nc a nm a k et h e e f f i c i e n c yo fc o a g u l a t i o no no r g a n i cm a t t e r sr e m o v a li n c r e a s e6 1 3p e r c e n t a n dt h e o p t i m u md o s i n gi sc h o f i n e4 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 m3 - 1 3s h o wa c e r t a i ni m p a c to i lo r g a n i cm a t t e r sr e m o v a l ，i ti sb e t t e ru n d e rt h ec o n d i t i o n so fn e u t r a l a n da l k a l i n e 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 xc o n d i t i o nf o ro r g a n i c m a t t e r sr e m o v a li sf l a s hm i x i n go n4 0 0 r m i nf o r0 5 m i n u t ea n dt h e nl o w r a t em i x i n g o n7 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 te f f e c to n o r g a n i cm a t t e r sr e m o v a l ，w h e n f e r r i cc h l o r i d ea n dc t sm i x i n ga sc o a g u l a n t s a n dt h e o p t i m u md o s i n ga r ef e r r i cc h l o r i d elo o m g la n d c t s1 5 m g l t h eo r d e ro fa d d i n g c o a g u l a n t si sf e r r i cc h l o r i d ef i r s t ，t h e nc t s l a t e r 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 , o r g a n i cm a t t e r sr e m o v a l ，m i c r o o r g a n i c p o l l u t i o n ，d r i n k i n gw a t e r ，p r e c h l o r i n a t i o n ，c h l o r i n a t i o na f t e rf i l t r a t i o n i l 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： r ” “” 一一一+ 一。 ；内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) ；秘密l o 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) l 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年 l ? ，? 。，。一。? 。j 。一。2 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、己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。章绪论 第一章绪论 第一节课题研究背景及意义 水是人类以及一切生物赖以生存的基本要素，又是人类发展的重要资源。 水在自然界不间断地进行总量不变的循环，水资源总量约为1 0 掩立方米，但其中 淡水只占总资源的2 5 ，且大部分( 约为7 7 ) 以极地冰川和冰帽形式存在， 可供人类使用的淡水不到其总量的1 t ，而且水资源的分布还在空间和时间上 存在较大的不均匀性。我国水资源含量丰富，水资源总量为2 8 1 2 4 亿立方米， 居世界第6 ，但人均占有量仅有2 3 4 0 立方米，仅列世界第1 1 0 位，为世界人均 占有量的1 4 ，美国的l 5 ，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一【2 】。我国 水资源面临的状况与其它各个国家相同：一方面是随着社会经济的发展用水量 的需求不断增加；另一方面可利用的新水源在不断减少。目前全国水资源不同 程度的受到污染，加剧了水资源短缺的矛盾。据调查，到2 0 世纪末，全国6 0 0 多座城市中已有4 0 0 多座城市出现水资源不足，全国城市缺水总量为6 0 亿立方 米，对我国实施的可持续发展战略造成严重影响。 我国水资源分布不均匀，具有东南多，西北少，沿海多，内陆少，山区多， 平原少的特点，同时一些主要河流还存在含沙量高，湖泊富营养化严重等问题。 在我国经济发达、人口相对集中的华北地区，水资源短缺严重，而中国矿物资 源大多分布在缺水的西北、华北等地区，缺水问题已经成为制约这些地区开发 和经济发展的重要因素。另一方面我国水污染现象日益严重，主要江河普遍受 到不同程度的污染，特别是水源水的污染给人体健康以及后代带来了严重的危 害。饮用不良水质的水可能诱发各种肠道传染病，引发致突变作用和地方病等， 水污染还引起水质型缺水，加剧了水资源的短缺，使得人们用水紧张和用水不 安全3 1 。 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1 0 0 0 m 3 的缺水警戒线【4 j ，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 年至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 机污染特别是水体富营养化进行了描述【5 】。引滦水是天津重要的城市供水水源， 第一章绪论 氨氮、高锰酸盐指数、总大肠菌群数、p h 值等偶有超标，尤其是引用水采用氯 化消毒后产生的副产物严重影响人体健康。因此，研究水源水体中氯化副产物 的去除改善天津市的引用水水质，是改善天津市城市供水水质的关键之一。 日益恶化的水源水污染提高了饮用水处理的难度，但也促进了其处理技术 的不断发展。由于常规的水处理工艺已经难以满足人们生活和生产用水的水质 要求，于是人们在常规处理工艺上又发展了生物预处理、氧化预处理、强化过 滤、生物活性碳等处理技术。其中强化混凝技术是一种可以有效改善水质处理 效果的方法，其通过选用合适的絮凝剂和助凝剂及增加投药量、良好的絮凝条 件、调节适当的p h 值等方法来强化常规混凝工艺对水中有机物的去除效果，可 以有效控制水中消毒副产物前体物的含量。 第二节我国当前水质特征与氯化副产物的种类及特征 1 2 1 我国当前水质特征及给水水质指标的演变 天然有机物能够吸附在胶体和悬浮物的表面，促进系统的稳定性，也妨碍 去除水中其它不纯物，需要投加过量的混凝剂，从而增加了水处理成本。而且 传统工艺无法去除某些有机污染物。天然有机物是形成水的色度成因物质，色 度能引起人的厌恶感，是饮用水重要的控制指标。天然有机物是氯化消毒副产 物的前体物，使水中的致突变物质含量增加，对人体健康造成危害。我国大约 有4 亿人饮用受到有机物污染的水。目前，在氯消毒处理之前去除消毒副产物 的前体物质正在引起人们的重视。 没有被去除的天然有机污染物进入管网后，会被管壁上附着的微生物所利 用，为细菌的滋生提供了营养。它们能够腐蚀管壁，从而使铁屑和重金属离子 溶入水中，造成二次污染，这种反应能够形成非生物稳定性的水，具有三致特 性，同时减少了管网的使用寿命，致使爆管事件经常发生i s 。因此，关于饮用水 中的天然有机物的去除是目前水处理界的热点，对于提高给水水质以及保障人 民健康具有很重要的意义。 近年来，随着工农业的迅速发展和城镇人口的剧增，大量工业废水和生活 污水不经处理或处理不达标而直接排放，使我国许多城镇的地表水水源受到了 不同程度的污染，有机物的种类和数量大大增加。逐步提高饮用水水质标准成 为世界各国保障饮用水水质安全的重要手段，我国对水源水质的监测项目数也 2 第一章绪论 在逐步增多，标准值不断提高。2 0 0 7 年6 月2 9 日，我国新修订生活饮用水卫 生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 与目前执行的1 9 8 5 年颁布的生活饮用水卫生标准 ( g b 5 7 4 9 8 5 ) 相比，水质指标由3 5 项增加至1 0 6 项，新标准1 0 6 项指标包括微 生物指标6 项，毒理指标7 4 项，感官性状和一般理化指标2 0 项，消毒剂指标4 项，放射性指标2 项。各类指标中，可能对人体健康产生危害或潜在威胁的指 标占8 0 左右，属于影响水质感官性状和一般理化指标即不直接影响人体健康 的指标约占2 0 。新标准对生活饮用水的水源水要求套用了相关标准，o n ：以地 表水为水源时应符合地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，以地下水为水源 时应符合地下水质量标准( g b t 1 4 8 4 8 9 3 ) 的要求。水中有机物的控制与去除 已经成为严重影响净水水质进一步提高的问题之一【7 】。 随着工农业的迅速发展，工业废水和生活污水排放量不断增加，使得我国 许多城镇的地表水水源受到不同程度的污染，有机物的种类和数量大大增加， 造成常规处理工艺的出水达不到饮用水水质标准的要求。强化混凝由于不需要 新的构筑物，初期资金投入较小，工艺比较简单，日常运行维护费用较低等优 点，是适合我国国情的微污染水源水处理技术之一，应用前景广阂。因此，我 国水源水强化混凝需要进行以下系统深入的研究： ( 1 ) 水源水质问题。水源水质的不同，所采取的强化混凝工艺也不尽相同。 要全面充分考虑水源水中有机物的种类、浓度等水质条件。 ( 2 ) 污泥处理问题。强化混凝与水厂常规混凝比较，混凝剂投加量增大，因 此，强化混凝的研究要进一步考虑剩余污泥的处理问题。 ( 3 ) 混凝剂的研究。混凝剂种类在强化混凝处理工艺中起着至关重要的作用， 微污染水源水对混凝剂的要求较高，研制更适合水源水强化混凝的新型、高效、 无毒无害的混凝剂尤为关键。 1 2 2 氯化副产物的种类及特征 近年来，人们发现在氯化消毒的同时，氯与水中某些有机和无机成份反应 会生成一系列对人体健康有害的副产物。现仅就这方面的近期研究结果简述【3 1 。 1 2 2 1 三卤甲烷 三卤甲烷的前驱物质，一类是天然大分子有机物，如腐植酸、富里酸等， 腐植酸比富里酸耗氯量大，三卤甲烷生成量也相对较高；另一类是小分子有机 第一章绪论 物，如酚类化合物、苯胺、苯醌、l ，3 一环己二酮、氨基酸等多种有机物。一般 认为在两个羟基之间含有一个活性碳原子结构的芳烃类化合物是三卤甲烷的最 强前驱物质。有人曾测定间苯二酚的三卤甲烷生成势( 2 5 c ，7 d ) ，其数值高达1 8 1 0 l ag m g c 。r e c k h o w 曾发现，腐植酸与富里酸的耗氯量与其所含有的活性芳环( 酚 羟基) 数成正比。此外，藻类及代谢产物也是一类三卤甲烷的主要前驱物质，其 产率不低于腐植酸和富里酸。 三卤甲烷的生成过程很复杂，一些学者认为其生成过程是由一系列多级反 应组成。三卤甲烷生成量随投氯量及水中溶解性有机物浓度的升高而增加：p h 值升高，三卤甲烷的生成量呈增加趋势；温度对三卤甲烷生成速度的影响符合 阿累尼乌斯( a r r h e n i u s ) 公式，其活化能为1 0 2 0 k j m o l ；当有氨氮存在时，在氯化 曲线的折点之前三卤甲烷产量很低，当水中含有自由性余氯时三卤甲烷的生成 量明显增加；溴化物的存在使水中溴代三卤甲烷的种类和浓度增多，这是由于 水中的溴离子( b r ) 被次氯酸( h o c i ) 氧化成次溴酸( h o b o ，h o b r 比h o c i 更容易 与水中有机前驱物质反应生成溴代三卤甲烷，其生成量一般随初始状态下的 b r h o c l 摩尔比和b r d o c ( 水中溶解性有机碳浓度) 比值升高而增加。由于处理 后的水中溴离子( b r ) 浓度基本没有变化，因而b r d o c 比值一般高于原水，溴 代三卤甲烷的成份会增多。 1 2 2 2 卤乙酸( h a a s ) 卤乙酸是在氯化消毒水中检出的一类主要的难挥发性卤代有机物。水中可 能产生的卤乙酸有9 种，其中二氯乙酸( d c a a ) 和三氯乙酸( t c a a ) 检出率最高， 二氯乙酸的检出浓度高达1 0 1 0 0l ag l 。据报道，对几种不同来源的腐植酸和富 里酸进行氯化处理，三氯乙酸的生成量占总有机卤( t o c ) 的11 0 - 2 1 9 。在一项 对富里酸所进行的氯化试验中，三氯乙酸的生成量占总有机卤( t o c ) 的3 2 1 ， 而相对应的氯仿生成量只占1 7 3 。试验结果表明，二氯乙酸和三氯乙酸是在氯 化过程中同步产生的，其相对浓度与反应条件有关。值得注意的是，最近美国6 个以地表水为水源的供水系统的调查中， i lg l ，主要含有二氯乙酸和三氯乙酸， 检测出卤乙酸( h a a s ) 浓度高达1 4 - - 1 4 1 相应的三卤甲烷总浓度( t t h m s ) 仅为 1 3 - 1 1 4ug l 。因该结果是在通常水处理条件下( 投氯量为3 2 - 9 2 m g l ，平均 5 1 m g l ) 检测的，进一步说明卤乙酸是氯化消毒主要的一类副产物。 腐植酸和富里酸等大分子天然有机物也是卤乙酸的主要前驱物质，腐植酸 4 第一章绪论 氯化后的卤乙酸产率高于相应的富里酸；此外，氨基酸也是卤乙酸的前驱物质， 苯酚氯化后也有较高的三氯乙酸产率；p h 对卤乙酸的生成也有影响，但这方面 的研究工作有限，还难以找出确切的规律；在有溴化物存在时，随着b r c 1 2 ( 浓 度比) 的增加溴代卤乙酸的种类和浓度都有所增加，相应的二氯乙酸和三氯乙酸 的生成量则呈下降趋势，即卤乙酸在水中的分布向着溴代卤乙酸方向转移。 1 2 2 3 其它氯化消毒副产物 卤代酚主要包括氯酚和溴酚。曾检测出的氯酚有2 一氯酚、3 氯酚、2 ，4 二氯 酚、2 , 6 二氯酚和2 , 4 ，6 - 三氯酚，后三种被最近的一项研究证明是苯酚氯化过 程中的主要氯酚类产物。氯酚是氯与酚类化合物反应的产物，几种氯酚的最高 生成量均发生在氯与酚的浓度比为3 左右。当该比值大于4 后，三卤甲烷生成 量明显增加，表明氯酚被进一步氧化破坏。溴酚被疑为是一种氯化消毒过程中 的副产物，因为次溴酸( h o b r ) l l 次氯酸( h o c l ) 的卤代作用更强，但其监测及形 成方面的研究工作尚有限。 m x ( 3 氯4 ( - - 氯甲基) 5 羟基2 ( 5 h ) 呋喃酮) 最早在氯化漂白的纸浆废液 中发现，随后在自来水中也检测出m x 。m x 与其同分异构体e m x ( e 2 氯3 ( - - 氯甲基) 4 氧一丁二烯酸】和其甲酯形式m e m x ( 3 氯4 ( - - 氯甲基) 5 甲氧基 2 ( 5 h ) 呋喃酮) 等在水中有可能互相转化。m x 是氯与水中某些有机物反应生成， 在低p h 值、高有机物含量及高投氯量条件下，m x 生成量较高，它是迄今存氯 化后水中检出的一种最强致突变物质( a m e s 试验中的回变数为6 4 0 0 n m 0 1 ) 。 卤乙腈中包括氯乙腈( c a n ) 、二氯乙腈( d c a n ) 、三氯乙腈( t c a n ) 、溴氯乙 腈( b c a n ) 和二溴乙腈( d b a n ) 。在美国和荷兰等自来水中被检出有二氯乙腈 ( 1 呲21 tg l ) 、溴氯乙腈( 0 5l ag l ) 和二溴乙腈( 9 9 9 9 9 。 ( 6 ) 三卤甲烷标准溶液：用甲醇作为溶剂配制一定浓度的三卤甲烷单一标准 贮备液a ( 密闭避光，冰箱中4 c 下保存2 个月) ，三卤甲烷混合中间溶液b 由三 卤甲烷标准贮备液a 以甲醇或纯水配制( 用时现配) 。三卤甲烷校准使用溶液由混 合中间溶液b 稀释而成。 3 3 5 2 仪器和设备 ( 1 ) 气相色谱仪：具i _ t e c d 的气相色谱仪，型号为a n g i l e n t6 8 9 0 ，安捷伦科 技有限公司； ( 2 ) 恒温水浴锅：控温精度为士1 ，天津市晶宏实验仪器设备有限公司； ( 3 ) 自制顶空瓶：1 3 5 m l 医用葡萄糖瓶，用蒸馏水洗净后于1 5 0 烘4 h ，置于 干燥器中备用； ( 4 ) 医用反口橡皮塞：先用1 稀盐酸煮沸2 0 m i n ，然后在超纯水中煮沸2 0 m i n ， 晾干后储存在干燥器中，备用； ( 5 ) 注射器：1 0 0 p l a g i l e n t 注射器。 3 。3 5 3 色谱条件 2 9 第一章试验设计与分析方法 色谱柱：h p 5 ，3 0 o m x 3 2 0 i t m x o 2 5 1 t m ； 载气流速：高纯氮气4 0 m l m i n ： 进样口温度：1 5 0 ，无分流进样； 检测器温度：3 0 0 ； 进样量：1 0 0 t l ： 程序升温： 3 0 2 m i n3 0 5 m i n7 0 3 3 5 4 测定步骤 ( 1 ) 取水样时，在水体中加入一定量的硫代硫酸钠，以终止消毒反应，取水 样时应避免将硫代硫酸钠冲出，且样品瓶中不可有气泡残留。 ( 2 ) 将水样充满1 3 5 m l 医用葡萄糖瓶( 不留液上空间) ，用医用反口橡皮塞 封口( 水样应尽快分析，在冰箱内于4 c 保存一般不要超过2 4 h ) 。 ( 3 ) 采用高纯氮气排出水样5 0 m l 。用一长针头穿透橡皮塞插入管内，另插入 一短针头，用金属三通将短针头与通气系统连接，向管内通入高纯氮气，将水 从长针头排出，用5 0 m l 的容量瓶接收排出的液体。待容量瓶中液面至刻度线时， 立即拨出长针头，停止通气拔出短针头。 ( 4 ) 将上述医用葡萄糖瓶放入3 6 士l 的水浴锅中，加热4 0 m i n ，严格控制 反应时间和反应温度； ( 5 ) 采用1 0 0 1 , t l 注射器抽取1 0 0 1 x l 液上气体，注入气相色谱仪中，等待仪器检 测。 其它涉及到的参数均采用国家标准方法测定。 第四节试验仪器及设备 试验中用到的主要仪器设备如表3 1 所示。其中，试验用的t s 6 系列程控型 六联同步运行搅拌仪，作为主要的试验设备之一，其搅拌设备如图3 2 所示，浆 板绕轴旋转时克服水的阻力所耗功率p 为： 尸一c d p l ( 9 3 ( y 2 4 - - r 1 4 ) 4 9 ( 3 1 ) 式中l 一浆板长度，0 0 4 m ； 第三章试验设计与分析方法 r 2 一浆板外缘旋转半径，0 0 2 5 m ； r l 一浆板内缘旋转半径，0 0 0 5 m ： 一相对于水的浆板旋转角速度， 可采用o 7 5 倍的转速，s ： p 一水的重度，9 8 1 0 n m 3 ； g 一重力加速度，9 1 8 m s 2 ： c d 一阻力系数，1 1 0 ； 图3 2 搅拌设备示意图 由图3 2 及公式( 3 一1 ) 可以计算得出：p = 0 1 3 3 l n 3 ( r 2 4 - r 1 4 ) ( 3 2 ) g n j lp 根据公式( 3 2 ) 和即g = 、，丁 v 1 ，矿可计算得出控制参数g 值的大小，再乘以 时间t ( s - 1 ) 可得到另一控制参数g t 值。 表3 1 试验中用到的丰要仪器设备 仪器( 设备) 名称型号产地( 生产厂家) t s 6 系列程控型六联同步运 混凝试验搅拌仪武汉恒岭科技有限公司 行搅拌仪 2 1 0 0 n 型微电脑控制数显浊 浊度仪美国h a c h 公司 度仪 紫外可见分光光 7 5 2 型上海光谱仪器有限公司 度计 p h 计雷磁p h - 2 5 ( 数显)上海精密科学仪器有限公司 t o c 测定仪岛津v c p h日本 超声波清洗器k q 5 2 0 0 e 型昆山市超声仪器有限公司 天津市中环实验电炉有限公 水浴锅 司生产 s h b m 循环水式多用真空 真空泵郑州长城科工贸有限公司 泵 电子天平北京赛多利斯天平有限公司 岛津国际贸易( 上海) 有限公 总有机碳分析仪 司 气相色谱仪 a g i l e n tg c 一6 8 9 0 n安捷伦科技有限公司 烧杯、锥形瓶、酸式滴定管、温度计( 精确度0 1 ) 、容量 玻璃仪器 瓶，移液管等 第三章试验设计与分析方法 第五节试验用药品 试验中用到的主要试剂如表3 2 所示： 表3 2 试验用到的主要试剂 试剂名称浓度或纯度试剂来源说明 三氯化铝质量含量5 天津市文达稀贵试剂化工厂 使用前溶 三氯化铁质量含量4 0 天津市文达稀贵试剂化工厂 解 冗乘话 脱乙酰度 浙江澳兴生物科技有限公司 8 5 聚合氯化铝质量含量1 0 天津市文达稀贵试剂化工厂 有效氯 次氯酸钠分析纯天津市百世化工有限公司 1 0 高锰酸钾 分析纯 天津市大茂化学试剂厂 草酸钠分析纯天津市天河化学试剂厂 硫代硫酸钠分析纯天津大学科威公司 3 2 第四章混凝药剂对处理效果的影响研究 第四章混凝药剂对处理效果的影响研究 第一节单纯投加混凝剂对处理效果的影响 试验选用的混凝剂为铁系和铝系常用的无机混凝齐t j f e c l 3 、a i c l 3 、p a c ( 聚合氯 化铝) 以及天然高分子阳离子型絮凝剂壳聚糖。本试验对这四种混凝剂的处理效果 进行了试验，并分析、比较的试验结果。试验在六联同步运行搅拌仪上进行，在5 0 0 m l 水样中加入混凝剂，以5 0 0r m i n 搅拌2 分钟，1 5 0r m i n 搅拌l o 分钟再以5 0r m i n 搅 拌1 0 分钟，之后静置沉淀3 0 分钟后进行分析，搅拌条件见表4 1 。 表4 1 单纯投加混凝剂的混凝试验条件 实验所用混凝剂均为粉末状或片状固体，所以试验之前要将各种混凝剂配成适 当浓度的溶液。而壳聚糖不溶于水、乙醇、丙酮和碱溶液，但溶于稀酸( 如1 的醋 酸溶液) 生成透明粘稠的壳聚糖盐胶体溶液【4 4 】，因而常将它溶于稀酸中使用。本实验 采用乙酸溶液，为了验证乙酸溶液浓度是否对实验产生影响，分别配置浓度分别为 0 5 、1 0 、2 0 、5 0 的乙酸溶液加入一定量的壳聚糖固体成絮凝剂，对比其混 凝效果。经过实验验证，乙酸浓度对混凝效果没有明显影响，故通常选用1 0 的乙 酸溶液( 1 m l 乙酸1 0 0 m l 蒸馏水) 。称取1 0 0 m g 壳聚糖，加入1 0 m l1 0 的h a c 溶液 不断振荡或搅拌使之完全溶解，然后加蒸馏水至l o o m l ，得到l m g m l 的壳聚糖 乙酸溶液。由于在稀酸中壳聚糖的主链会缓慢水解，溶液的黏度逐渐降低，所以壳聚 糖溶液一般是随用随配。 分析试验结果( 表4 2 ) 可以得到以下结论： ( 1 ) 加大混凝剂的投加量可以提高混凝处理效果。 根据图4 1 、4 2 、4 3 、4 4 可以看出，加大絮凝药剂的投加量时，混凝效果都有 所升高，如f e c l 3 作为混凝剂，投加量为l o m g 5 0 0 m l 时对c o d m n 的去除率为1 0 o 3 3 第四章混凝药剂对处理效果的影响研究 ，而投加量增加到7 0 m g 5 0 0 m l 时c o d m n 的去除率达4 7 1 ，去除率提高了3 7 多；当以a i c l 3 为混凝剂时，投加7 0 r a g 5 0 0 m l l e 投加1 0m g 5 0 0 m l 时c o d m n 的去 除率提高近2 5 ，同时其他水质指标，如浊度、色度、u v 2 5 4 去除率随着投药 量的加大也有改善。因此，通过加大混凝剂的投加量来改善混凝处理效果是可行的， 但是当投加量增大到一定程度时，处理效果提高趋势减缓，甚至会出现下降的趋势。 铝盐和铁盐都是传统的混凝剂，无论从其水溶液化学还是从其絮凝作用来讲， 二者具有许多共性，例如水解、聚合、吸附脱稳、卷扫吸附等。它们的混凝机理主 要依靠三种作用：电中和作用、化学沉淀作用、固体物质表面的吸附沉淀作用。当 大量的药剂投加到水中时，铝盐或铁盐的氢氧化物沉淀迅速产生，增强了对胶粒的 卷扫吸附作用而提高污染物的去除率，但是在混凝剂过量投加时，胶粒表面电荷会 发生逆转，造成胶体的重新稳定，因此混凝效果增长缓慢甚至有可能会降低，这点 在浊度的去除上较为明显( 特别是氯化铝作为絮凝剂) ，当混凝剂加大时浊度可能 反而升高( 图4 2 ) 。 表4 2 单纯投加混凝剂除藻混凝试验结果 混投药浊度浊度色度色度u v 2 5 4u v 2 5 4c o d m n c o d m i i 凝 且 ( n t u ) 去除 ( 度) 去除 ( c m 1 去除率 ( m 5 0 0 去除 夏 剂 ( r a g 5率( )率( ) ) ( ) m 1 ) 率 种 0 0 m 1 )( ) 类 1 02 9 23 9 41 7 5 7 01 60 1 0 5o 95 0 9 11 0 0 2 02 1 15 6 2 1 4 3 8 41 9 50 1 0 23 85 0 9 1l o o 3 01 8 56 1 61 4 4 3 91 9 2 0 0 9 31 2 34 4 4 42 1 4 4 01 7 76 3 31 4 2 7 02 0 10 0 9 31 2 3 4 1 2 12 7 1 氯 5 01 7 16 4 51 4 2 7 12 0 10 0 7 82 6 4 3 4 7 53 8 6 化 铁 6 01 0 37 8 69 7 7 04 5 30 0 6 93 4 93 1 5 24 4 3 7 0 0 9 5 7 8 0 1 7 4 0 95 8 50 0 6 04 3 42 9 9 04 7 1 7 51 2 17 4 98 3 1 85 3 4 0 0 6 24 1 52 9 9 04 7 1 8 01 1 l7 7 08 4 2 65 2 8 0 0 6 14 2 。52 4 2 45 7 1 3 4 第四章混凝药剂对处理效果的影响研究 续表： 混 投药量 浊度浊度色度色度u v 2 5 4 u v 2 5 4 c o d m nc o d m n 凝( m g 5 0 0 m 1 ( n t u ) 去除 ( 度) 去除 ( c m l )去除 ( m g 5 0 0 去除率 剂 ) 率率 率 m 1 ) ( ) 种 ( ) ( ) ( ) 类 1 0o 9 1 86 9 97 9 1 43 1 40 0 8 02 0 84 5 2 52 7 3 2 00 7 0 07 7 05 6 2 85 1 20 0 7 l2 9 74 3 6 42 9 9 氯 3 0 0 5 0 18 3 64 6 3 35 9 90 0 6 43 6 64 2 8 33 1 2 化 铝 4 00 3 5 48 8 43 3 5 67 0 90 0 5 74 3 63 3 9 42 9 4 5 00 3 6 88 7 93 5 1 96 9 50 0 5 44 6 53 1 5 24 9 4 6 00 2 7 0 9 1 1 2 0 0 68 2 60 0 5 0 5 0 5 2 9 0 95 3 2 7 0 0 1 8 89 3 81 5 3 48 6 70 0 4 85 2 52 9 9 05 1 9 7 50 3 7 38 7 83 1 5 47 2 70 0 4 65 4 52 9 0 95 3 2 8 00 2 2 49 2 73 5 8 16 9 o0 0 4 65 4 52 8 2 85 4 5 9 00 4 3 7 8 5 73 5 0 5 6 9 6 0 0 4 65 4 52 8 2 8 5 4 5 1 00 6 3 4 5 7 45 2 1 94 8 40 0 5 62 8 24 0 88 。9 2 0 0 3 7 57 4 83 6 3 76 4 10 0 5 03 5 94 0 0l o 7 聚 厶 3 00 2 6 78 2 13 2 6 56 7 70 0 4 44 3 63 6 01 9 6 口 氯 化 4 00 1 4 89 0 11 9 2 18 1 00 0 4 l4 7 43 6 01 9 6 铝 5 0 0 1 2 39 1 71 2 6 88 7 50 0 4 04 8 72 9 63 3 9 6 00 1 7 88 8 11 5 5 28 4 70 0 4 04 8 73 2 82 6 8 20 6 1 27 6 27 0 0 24 2 10 0 7 82 24 7 11 2 5 40 5 6 97 7 95 9 0 65 1 10 0 7 62 4 4 5 6 1 5 3 - j 匕- 6 0 7 3 87 1 35 8 2 75 1 8 0 0 7 8 2 25 0 16 9 4 冗 聚 糖 80 7 1 87 2 16 5 7 74 5 60 0 7 72 34 9 38 3 3 1 00 7 9 66 9 06 8 0 94 3 70 0 7 82 25 0 16 9 4 1 20 8 0 16 8 87 8 4 33 5 10 0 9 01 05 0 85 5 6 3 5 第四章混凝药剂对处理效果的影响研究 一_ | j 聚合氯化铝强化混凝试验 厂一。，蓄_一，=一，一 _ 篡 。一娄 二 ，一万一一亨，一 第四章混凝药荆对处理效果的影响研究 r ， d6e 2 一“ “ 1 ” 圈44 壳聚糖强化混凝试验 试验结果还表明不同的混凝剂其最佳投加量也不同。混凝剂三氯化铁的处理 效果达到堆优时投加量需达到7 0 m g 5 0 0 m l ，混凝剂三氯化铝则需要6 0m g 5 0 0 m l ， 聚合氯化铝需要5 0 m g 5 0 0 m l ，而壳聚糖只需要4 m g 5 0 0 m l 就可以达到其最佳处理 效果。在相同的投加量下，三氯化铝的混凝效果优于三氯化铁。在投加量均为 7 0 m 培5 0 0 m l 时，三氯化铝作为混凝剂其c o d m n 去除率一般在5 2 咀上，而三氯化 铁作混凝剂的去除率要只有4 7 左右，同时对于浊度、色度和u v z ”的去除效果同 样也是三氯化铝优于三氯化铁。 三氯化铝作为混凝剂处理效果优于三氯化铁的原因可能为：铝盐水解产物的 比表面积口o o 一4 m 2 7 9 户小o h ) d 大于铁盐水解产物的比表面积 1 6 0 - 2 3 0 m 2 g f e ( o h ) 3 1 ；铁离子和铝离子具有不同的电子构型，水中有机物更易于 与铝离子的水解产物生成配合物。 在p h 值较高的情况下更有利于铝盐的水解 1 4 5 , 4 6 1 。 值得注意的是，铝经各种渠道进入人体后，通过蓄积和参与许多生物化学反应， 能将体内必需的营养元素和微量元素置换流失或沉积，干扰破坏各部位的生理功能， 导致人体出现诸如铝性脑病( 老年痴呆) 、铝性骨病、铝性贫血等中毒病症。在使 用铝盐做混凝剂时对残余铝的含量要进行控制，因此通过增大药剂投加量达到最佳 混凝效果受到限制。铁盐虽然对生物体不产生毒害，且具有在低温下絮凝效果好、 p h 的适应范围较广，受原水p h 值和碱度波动的影响较小的优点，但对金属的腐蚀 性较强，且在絮凝操作条件不佳时，常使出水带有颜色，所以也不能单纯的依靠增 大混凝剂的投加量来提高混凝效果。 第四章混凝药剂对处理效果的影响研究 ( 2 ) 高分子的混凝剂的处理效果优于无机盐类混凝剂。 试验结果显示，聚合氯化铝( p a c ) 的投加量要少于f e c l 3 和a i c l 3 作为混凝剂的 投加量，而壳聚糖只需要几毫克就可以达到最优混凝效果。 这是因为，铝盐的凝聚、絮凝作用主要是以投入水中后产生的带适量电荷而聚 合度较高的无机高分子形态进行的。向原水中投加混凝剂时，溶液中的影响因素错 综复杂，诸如铝盐浓度、其他离子组成、温度、搅拌混合条件、反应时间等都会对 无机高分子最优形态的铝化合物产生影响和干扰。而聚合氯化铝是预先将铝制成最 优形态的产物，在使用前因经过陈化，组分已有相对稳定性。聚合氯化铝加到被处 理的水中，能迅速发挥优异的絮凝作用，所以不但能够更有保证地达到投加铝盐所 能达到的最优形态及铝盐所不能达到的更优异产物h 7 1 。还有，原水的p h 值较高时， 对于铝盐、铁盐无机盐混凝剂的水解行为有不利影响，但对聚合氯化铝的作用很小。 第二节不同条件下的三氯化铁的混凝试验 4 2 1 掺和壳聚糖的三氯化铁的混凝试验 单独使用无机絮凝剂，药剂量大、操作繁杂、污泥生成量大、处理费用高、脱 色效果差。加之无机絮凝剂的使用受p h 值变化影响较大，生成的絮体易碎，处理后 的水中仍含有较高浓度的金属离子，同时产生大量的含金属污泥，需要进一步的复 杂处理过程。而将壳聚糖与无机盐a 1 2 ( s 0 4 ) 3 和f e c l 3 复配，用于饮用水的处理，观察 到明显改善的絮体结构，