（材料科学与工程专业论文）兰州连城铝业净水厂高浊度水处理系统优化.pdf

兰州连城铝业净水厂高浊度水处理系统优化 摘要 我国是多沙河流较多的国家之一，年平均输沙量在1 0 0 0 万吨以上的河流有 4 2 条，年最大输沙量超过1 0 0 0 万吨的有6 0 条。直接入海泥沙总量年平均为1 9 4 亿吨，其中黄河占5 9 ，长江占2 5 ，海河及其它河流占1 6 。黄河是世界罕有 的多沙河流。 目前，国内对高浊度微污染水处理主要是采用传统工艺。即混凝一沉淀一过 滤一消毒工艺流程。该工艺流程具有投资省、运行稳定、维护管理简便等优点， 但由于受其净化功能的限制，对水中有机物的去除能力较低，尤其是对水中可溶 性低分子有机物的去除效果更差。因此，如何通过对高浊度水处理工艺和运行方 式的优化，提高传统水处理工艺生产能力、保障安全供水，已成为给水处理界需 解决的重要问题。 高浊度水处理系统优化，主要从给水处理系统的工艺优化、给水处理系统的 运行优化等方面入手，通过模型试验和生产性试验，验证工艺优化方案的可行性， 找出存在的问题并进行改进，最后制定出于之配套的工艺运行方法和运行参数。 本文以连城铝业净水厂生产实践为基础，针对大通河夏季洪水季节水厂进水 浊度偏高时出水水质恶化的实际情况，在广泛了解国内外高浊度水处理经验的基 础上，以理论分析为指导，通过大量的实验提出改进现有水处理工艺和优化生产 各环节的运营管理的方案。其目的是为解决该水厂高浊度水处理问题和实现水厂 全面优化运行提供理论依据。 我国是高浊度河流较多的国家，高浊度地表水是我国水资源的主要组成部 分。国内很多水厂都存在处理高浊度水的问题。由于水土流失面积的不断扩大， 使一些河流含沙量增高、水污染加剧，高浊度洪水出现的频率增加、时间延长， 给一些水厂的运行造成影响，特别是一些中、小型水厂，受到工艺规模、场地和 资金等条件的限制而难以改建和扩建。以致影响了正常的生产。连城铝业净水厂 在传统高浊度水处理工艺中具有很强的代表性，对其现有工艺进行优化，不仅可 以解决连城铝厂供水问题，为企业节能、降耗、增效做出贡献，而且其强化高浊 度水处理研究的经验可供同类型水厂借鉴。因此，本课题的研究具有一定的实用 价值。 关键词：连城铝业 高浊度水处理系统优化 工程硕士学位论文 a b s t r a c t c h i n ai so n eo ft h ec o u n t r i e sw h j c ha r e 疳u i tw l mal o to ts a n dn v e r s 1h e r ea r e 4 2r i v e r so fw h i c ht h e 锄u a la v e r a g ev 0 1 u m eo fs a l l dc o n v e y i n ga m o u n t st om o r c t h a nlm i l l i o nt o n s ，a n d6 0r i v e r s a n n u a lm a x i m 啪sa i l dc o n v e y i n gv 0 1 u m er i s e a b o v e1m i u i o nt o n s t h ed i r e c ta n n u a lv o l u m eo fe a r t ha n ds a n d se n t e r i i l gm es e ai s 1 9 4b i l l i o nt o n s ，o fw h i c h ，m ey e l i o wr j v e rs h a r e s5 9 ，t h ec h a i l g i n gr j v e re n j o y s 2 5 ，h a i h em v e ra 1 1 do t h e r r i v e r so c c u p i e s1 6 t h ey e l l o wr i v e ri st h er a r er i v e r w i t hp l e n t yo fs a n d si nt h ew o r l d 。 a tp r e s e n t ，t r a d i t i o n a lp r o c e s si sm a i n l ya d o p t e dt ot r e a th i 曲t u r b i da n ds l i g h t p o l l u t e dw a t e ri nd o m e s “c t h a ti ss a y i n g ，n l ep r o c e s so fc o n d e n s a t i o n s e d i m e m _ f i l t r a t i o n d i s i l l f e c t i o ni su s e d t h i sp r o c e s sp o s s e s s e sal o to fm e t i t ss u c ha sl o w i n v e s t m e n t ，s t e a d yo p e r a t i o na i l ds i m p l em a i n t e n a n c ea n dm a m g e m e n t ，e t c h o w e v e r ， b e i n gr e s t r a i n e db yi t sd i s i n f e c t i o n f u n c t i o n ，m ep r o c e s s sa b i l i t yt od e l e t eo 曜a n i c m a t t c ri n s i d et h ew a t e ri sp o o r ，e s p e c i a l l yi t se 丘e c t i v e n e s sa r ew o r s ef o re l i m i n a t i n g o r g a j l i cm a t t e ro fs 0 1 u b l el o wm o l e c u l a l r h e r e f o r e ，i th a sb e c o m ea ni m p o n a n t p r o b l e mf o rt h ew a t e r e a f m e mg m u po nh o w t oi m p m v et h ep m d u c t i o nc 叩a c i t yo f t r a d i t i o n a lw a t e r t r e a t m e n tp r o c e s sa i l de n s u r es a f e rw a t e rs u p p l y i n gb yo p t i m i z i n gt h e h i g ht u r b i dw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sa n d i t so p e r a t i o nw a y t h eo p t i m i z a t i o no f h i g ht u r b i dw a t e rt r e a t m e n ts y s t e mm a i n l ys t a r t sf r o m m eo p t i m i z a t i o no f t h ep r o c e s sa n dt h eo p e r a t i o no f w a t e rt r e a t n l e n ts y s t e m ，p r o v et h e f e a s i b i l i t yo ft h eo p t i m i z e dp r o c e s sb ym o d e lt e s ta n dp r o d u c t i v et r i a l ，f i n do u tt h e e x i s t e dp r o b l e ma n di m p r o v et h e m ，a n dm a k eo u tt h er e l e v a n tw a y so fp r o c e s s o p e r a t i o na 1 1 df i l n c t i o np a r a m e t e r s t h et h e s i st a k e st h ep r o d u c t i o np r a c t i c eo ft h ed i s i n f e c t i n gp l a n to fl i a n c h e n g a l u i t l i n u mi n d u s t r ya st h eb a s i so ft h er e s e a r c h ，d i r c c t st ot h ea c t u a ls i t u a t i o no f w o r s e nw a t e rq u a l i t ya td i s c h a 唱ew h e n l l i g hm u d d yw a t e re n t e r st h ed i s i n f e c t i n g p 1 a n td u r i n gn o o ds e a s o ni ns u m m e r ，o nm ef u n d a m e n to fw j d e l ys t i l d y i n gf o r e i g n e x p e r i e n c e so fh i 曲t u r b i dw a t e rt r e a t m e n t ，a n dr e g a r d st h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a s d i r e c t i o n ，g i v e sm eo p e r a t i o na i l dm a n a g e m e n tp r o p o s a l st oi m p r o v et h ee x i s t e dw a t e r t r e a t r 工1 e n tp r o c e s sa n do p t i m i z ee v e r yp r o d u c t i o ns e g m e m i ti sa i m e dt op r o v i d e t h e o r e t i c a lp r o o ff o rr e s o l v i n gt h ep r o b l e mo fh i 曲t u r b i dw a t e rt r e a t m e n to rl i h i s p l a n ta i l dr e a l i z i n gf u l lo p “m i z e do p e r a t i o no f 也ew a t e rp l a n t c h j n ai so n eo ft h ec o u t r i e sw i mal o to fh j g ht u r b i dr i v e r s t h eh i g ht u r b i d v 兰州连城铝业净水厂高浊腰水处理糸统优化 s u r f 沁ew a t e ri st b em a i np a r to fo l l rc o u m r y w a t e rr e s o u r c e t h ep r o b l e mo f h i g ht u r b i dw a t e ri se x i s t e di nm a n yd o m e s t i cw a t e rp l a n t b e c a u s eo f m ea r e ao f e a r m b e i n gw a s h e da w a yg r a d u a l l y “t e n d i n g ，t h u sc a u s i n gt h eg m w i n go fs a n d sv o l u m e f o rs o m er i v e r s ，w a t e rp o l l u t i o ng e t t i n gw o r s e ，也ef k q u e n c yo fh i g ht u r b i dw a t e r g e t t i n gh i 曲e ra n dp e r i o dd u r a t i o nb e c o m i n gl o n g e lt h i sl e a d st ob a di n n u e n c et o s o m ep l a i l t s o p e m t i o n ，e s p e c i a l l yt os o m em e d i u ma 1 1 ds m 猷ls c a l ep l a n t s b e i n g r e s t r a i n e db yt h e c o n d i t i o n ss u c ha sm ep r o c e s ss c a l e ，s i t ea n dc a p i t a l ，c t c ，m e s cp l a l l t s a r ed i m c u l tt ob et r a n s f o r m e do re x t e n d e d t h u st h e i rn o m l a lp r o d u c t i o na r e i n n u e n c e d t h ed i s i n f e c t i n gp l a n to fl i a n c h e n ga l u m i n i 啪i i l d u s t r yi sa ne x a c t t y p i c a le x 踟p l ca m o n g t r a d i t i o n a l h i g h t u r b i dw a t e rt r e a t i t l e n t p r o c e s s t o o p t i m i z et h ee x i s t c dp r o c e s sw i l ln o to 工l l yr e s o l v et 1 1 ep r o b l e mo fw a t e rs u p p l yi n l i a n c h e n ga l u m i r n j mi n d u s t r ya 1 1 dm a l ( ea c h j e v e m e n t 王o rs a v i n ge n e r g y ，c u t t i n gc o s t a n di n c r e a s i n ge m c i e n c y ，b u ta l s os t r e n g t h e nt h ee x p e r i e n c e so nt h es t u d yo fh i g h t u r b i dw a t e rt r e a t m e n tt ob es h a r e db ys a m et y p eo fw a t e rp l a 1 t c o n s e q u e n t l y ，t h e r c s e a r c ho f t h i ss u “e c th a sp r a c t i c a lv a l u ei ns o m es c a l e k e yw o r d s ：l i a n c h e n ga l u m i n i u mi n d u s t r y ：h i g ht u r b i d ：w a t e rt r e a t m e n t s y s t e m0 p t i i z a t i o n v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：日期：汐6 年占月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 黧社黜黑星 拟 工程硕士学位论文 1 1 问题的研究背景 第1 章绪论 我国是多沙河流较多的国家之一，年平均输沙量在1 0 0 0 万吨以上的河流有 4 2 条，年最大输沙量超过l o o o 万吨的有6 0 条。直接入海泥沙总量年平均为l 9 4 亿吨，其中黄河占5 9 ，长江占2 5 ，海河及其它河流占1 6 。黄河是世界罕有 的多沙河流“1 。据初步统计，黄河中游地区每年每平方公里被冲去的土壤约为 3 7 0 0 吨，为全世界土壤平均侵蚀模数的2 7 5 倍，年输沙量和平均含沙量均居世 界首位：1 9 7 7 年8 月初黄河下游出现一次高含沙洪峰，小浪底的最大含沙量达 到8 9 8 k g m 3 ，黄河支流某些河段的实测最大含沙量达到1 6 0 0k g m 3 ，亦即泥沙 的体积占水体积6 0 左右。黄河年输沙总量1 6 亿吨，长江上游高浊度水也较严 重，黄河、长江的总输沙量占世界十三条大河总沙量的2 9 ，3 ，其它地区也有季 节性的高浊度河流”“”。另外，随着经济的发展，人类活动的加剧，全球性的气 候变暖，使森林覆盖面积逐渐减少，草原植被的退化严重，使一些地区的生态环 境遭到破坏，水土流失严重。不仅使些河流水中的平均泥沙量增高，高含沙洪 峰出现频率增多，也使水中有机污染物含量增高。因此，对受污染高浊度水处理 技术的研究，已成为我国经济建设和水资源开发中一项重大研究课题。 目前，国内对高浊度微污染水处理主要是采用传统工艺。即混凝一沉淀一过 滤一消毒工艺流程。该工艺流程具有投资省、运行稳定、维护管理简便等优点， 但由于受其净化功能的限制，对水中有机物的去除能力较低，尤其是对水中可溶 性低分子有机物的去除效果更差。高浊度水河流一般都具有河水浊度及含沙量变 化幅度大，主要发生在夏季洪水季节，来得快去得慢等特点。而传统水处理工艺 抵抗高浊度洪水负荷的能力较差，即在正常浊度时各工艺环节一般能保证正常运 行，而在洪水季节水厂进水含沙量可能是正常情况下的几十倍甚至更高，往往使 得水厂对浊度的预处理“混凝、沉淀”工艺环节不堪重负，出水浊度偏高从而 影响下道工序的正常运行。因此高浊度水的预处理能力就成为影响水厂生产能力 的瓶颈。因此，如何通过对高浊度水处理工艺和运行方式的优化，提高传统水处 理工艺生产能力、保障安全供水，己成为给水处理界需解决的重要问题。 1 2 高浊度水处理系统优化问题的提出 黄河是世界上典型的高浊度水河流。对全国来说，黄河流域的工农业生产总 值所占比例相当大，黄河流域的净水处理厂众多，而高浊度水处理是这些水厂共 同面对的问题。人们在多年的水处理实践中总结出很多处理高浊度水的经验。如： 兰州连城铝业净水j 高浊度水处理系统优化 混凝沉淀法、斜管斜板沉淀法、高浊度水预沉淀技术、清水回流絮凝沉淀技术、 微涡流混凝给水处理新工艺等。这些经验和方法在水处理生产实践中都发挥了积 极的作用。但由于高浊度水处理效果受到很多因素的共同影响。如：原水浊度及 含沙特性、水温、有机物含量，处理工艺特点和规模，混凝剂的种类、用量、投 加方式等。因此，很难找到一种适合于各种不同原水特点的高浊度水处理工艺和 运行方式的理想组合。但是我们能够通过对处理工艺和运行方式的调整，使其适 应原水特点的变化。这种对处理工艺和运行方式的调整使其适应原水特点的变 化，使水处理工艺各环节处于较理想的状态的过程实际上就是水处理工艺和运行 的优化。 前述分析表明，通过强化、优化常规处理工艺，降低水处理成本，提高除污 染效能，对于保证给水处理系统的经济、安全运行具有十分重要的意义。这涉及 到如何优化给水处理系统的问题。给水处理系统的优化包括优化工艺和优化运 行。 1 2 。1 给水处理系统的工艺优化 工艺优化是现代设计法的核心内容之一，它是指在给定的设计问题中，按照 技术和经济的要求。利用数学优选方法，找出它的最佳设计方案”3 。给水处理系 统设计本身是一个大的系统问题，它包括着各个小的系统，如工艺流程的选择， 平面和高程布置以及其组成的各项构筑参数的选用。如果根据已有的设计条件 ( 如水量、水质) ，选定最佳的工艺系统、最佳的设施组合、最佳的工艺参数等， 从而保证在给定的设计工况条件下系统是最优的。这就是给水处理系统的工艺优 化问题”。 给水处理系统的工艺优化主要包括以下四个方面的内容”： ( 1 ) 净水构筑物的优化选择与组合 常规给水处理每一环节的净水构筑物都存在优化选择的问题，净水厂的净水 构筑物形式的选择，首先应从工艺要求出发，即从原水水质和出水水质要求来确 定应采用什么工艺。水厂净水构筑物的合理组合是一个非常有意义的优化问题。 ( 2 ) 净水构筑物设计参数的优化选择 对于给水处理系统的每个处理单元，其处理费用不仅是处理水量的函数，而 且是处理标准的函数( 非减函数，即处理标准越高，设计参数越偏于安全，则处 理费用增加) 。每一处理单元可以按不同参数设计，而其运转效果又密切关联着 后续构筑物的处理效果。因此，在进水水质和处理后水质要求确定后，怎样选择 每一处理单元的设计参数，就必须通过系统的优化设计来实现。 ( 3 ) 净水构筑物处理效率的优化 水厂处理构筑物效率的优化是在给定的约束条件下，利用各单元间的运转参 ，一 工崔帧士学位论文 数，建立整个系统的数学模式。然后进行求解，以获得整个系统的摄优效果。由 于净水系统的每个处理单元( 混凝、沉淀、过滤、消毒) 其处理费用不仅是处理水 量的函数，而且又是处理水质标准的函数。( 一般处理效率高，则工程投资和处 理费用增加) 同时前一构筑物的处理效果又关联着后续构筑物的处理效果。因之 各个构筑物的设计运转参数互相有关，为此存在着各个构筑物处理综合效率的优 化问题，就需要通过系统的优化来实现。 ( 4 ) 单体处理构筑物的经济设计 单体处理构筑物的经济设计，或称水处理单元过程的经济设计，包括确定某 一单元过程的经济适用界限、经济合理的设计参数、经济指数或最佳分格数，构 筑物的经济尺寸、结构形式以及不同机泵台数的最优组合等等。在通常的水厂设 计中最易于应用。 给水处理系统的工艺优化，从经济效益而言是一个十分重要的课题，它不但 直接影响着当前的基本建发投资的多少，而且影响着电耗的费用和运行成本，但 是，当前在方法上，在资料上还不能完善，无法进行理想的优化，只能相对地、 分层次地利用各种相应的现代设计方法来解决其具体问题，亦即对总系统、子系 统和构成子系统的单体构筑物。分别采用分解式的系统分析法以及结合数学模型 的优化方法，进行分析和综合，从而达到整个系统的经济合理。这种多层次的分 步综合，可以求得相对的优化。而且在经济上是很值得的，所以越来越得到人们 的重视。 但是，给水处理系统工艺的优化是一个错综复杂的问题，而且它的范围、内 容以及如何进行优化设计，人们的看法和理解亦不尽一致。水厂的各个处理单元 虽然是各自独立地运用，并有着净水效果上的技术分工，但仍然是一个整体系统， 互为因果关系，上一单元设计参数与下一单元的运行效果有关，也就是将整个挣 水工艺作为系统工程。根据当前优化理论，虽可以列出整个水厂净水工艺的数学 模型，从而获得优化解，但是事实上，由于不同季节，水源、水质的变化，加上 水量调度上的要求，特别是各构筑物的系统造价和加药量与净水效益的准确资料 积累不多。故目前尚不可正确地求解，虽然不少学者曾作了努力，求得部分的优 化效果，但都是从某些假定出发的”1 。目前可以作为直接应用的最优设计数学模 型、寻优方法以及成套的通用计算程序还发展得不够，优化设训所需的信息量和 基础数据亦很不足”1 。目前仅是处于近似优化的水平。 1 2 2 给水处理系统的运行优化 给水处理系统在实际运行中，接受的原水来自江河湖泊，受自然条件等因素 的影响，水质总是处于不稳定的随机变化状态，有时变化幅度是很大的，如来自 同一条河流的原水浊度可能在几十n t u 至几千n t u 之间变化；水量也可能受用水 3 - 兰州连城铝业净水厂高浊度水处理系统优化 情况影响而有较大变化。因此给水处理系统的运行条件属于非稳定工况。设计工 况仅是实际运行工况范围中的一个点，只有在该点上，实际工况符合设计条件， 系统可以处于最优运行状况，在其它条件下，不能保证运行工况最优。况且，受 设计水平、地区经济因素( 如药剂价格) 变化、水处理构筑物状况等的影响，即使 实际工况与设计条件相符，也不能保证运行工况就一定是最优的。另外，由于考 虑到实际运行中出现的不利情况，所以，在给水处理的设计中往往以最不利情况 作为设计依据，而实际运行中，大多数时间并非处于最不利情况下，所以设计参 数偏于安全保守，相应地提高了经济代价。上述分析说明，一个设计上达到最优 的水处理系统，并不能保证在运行时总是最优的，甚至可能是远离优化工况的。 即工艺的优化不能代替运行优化。这就提出了一个运行优化的问题”1 。 在此，所谓最优运行工况指对于己建成的水处理系统，以最低的运行费用处 理水、使之达到水质标准的要求”1 ，给水处理系统的优化是随机的运行和管理过 程，是给水处理技术中更深层次的发展，更高水平的体现。对于不同的水处理系 统来说，都存在着如何优化运行的问题。它对节约投资，降低供水能耗，提高投 资效益等有着重要的意义，是实现提高供水水质，提高供水安全可靠性，降低能 耗，降低漏耗和降低药耗奋斗目标的重要环节，是供水行业亟待解决，并且具有 重大经济效益和重要社会效益的普遍意义的研究课题。 1 2 3 高浊度水处理系统的优化 高浊度水是指浊度较高、有清晰的界面分选沉降的含沙水体。其含沙量一般 为1 0 1 0 0 k g m 3 ”1 。高浊度水相对于正常浊度水不仅在含沙特性上有较大量的差 别，在沉降特性方面亦有本质的区别。即高浊度水沉淀属拥挤沉淀，沉速随泥沙 浓度的增加而减小。这是与常规浊度水沉淀的本质区别。这就要求水厂在处理高 浊度水时，其工艺流程和运行参数应进行相应的改变以适应原水浊度变化。如何 通过改变工艺流程和运行参数去适应高浊度水处理的要求昵? 这个问题在水厂 设计时往往重视不够，使得一些水厂在建成运行后出现了抗高浊度水冲击负荷能 力不足的问题，迫使一些水厂不得不进行扩建改造。 近些年来，人们在高浊度水处理的理论和实践方面进行了广泛深入的研究， 总结出很多好的经验，主要包括： ( 1 ) 增加预沉处理工艺； ( 2 ) 将原预沉处理工艺中的自然沉淀改为絮凝沉淀，并选用高效絮凝剂进 行强化处理： ( 3 ) 改善投药、混合方式，实现快速混合絮凝； ( 4 ) 采用两种混凝剂联合投加： ( 5 ) 采用高效絮凝清水回流工艺； 4 ， 工程硕士学位论文 ( 6 ) 采用斜管、斜板沉淀，竖流式沉淀池； 以上高浊度水处理的新技术、新工艺有些已发展得比较成熟，在生产实际当 中，取得良好的效果。这些新技术和新工艺在实际中的应用不是以简单的套用方 式进行的，往往需要对各种新技术和工艺进行优化组合，以找出适合于水厂实际 的工艺流程和运行方式，只有这样才能使这些新技术和新工艺在高浊度水处理中 发挥最大的作用。这就提出了高浊度水处理系统的优化问题。这种优化实际上包 括了工艺优化和运行优化两方面内容。 本文将以兰州连城铝厂净水厂为研究对象，针对净水厂多年来在高浊度水处 理方面存在的问题，从理论和实践两方面探讨采用新技术、新工艺优化老水厂高 浊度水处理系统的方法和途径。 1 3 本文的主要工作 本文将针对连城铝厂净水厂在高浊度水处理方面存在的各种问题，对净水厂 多年来的实际运行情况和工艺改造经验进行总结，通过对水厂原水特性、工艺特 点等内容的现场调查和试验分析，找出水厂处理高浊度水能力不足的主要原因。 对国内外比较成功的高浊度水处理新技术和新工艺及其实际中的应用进行 分析、总结，首先从理论上确定一套适合于连城铝厂净水厂实际的新技术和新工 艺的优化组合，也就是对现有工艺提出一套改造的优化方案。 通过模型试验和生产性试验，验证工艺优化方案的可行性，找出存在的问题 并进行改进，最后制定出于之配套的工艺运行方法和运行参数。 1 ，4 研究目的意义 本文以连城铝厂水厂生产实践为基础，针对大通河夏季洪水季节水厂进水浊 度偏高时出水水质恶化的实际情况，在广泛了解国内外高浊度水处理经验的基础 上，以理论分析为指导，通过大量的实验提出改进现有水处理工艺和优化生产各 环节的运营管理的方案。其目的是为解决该水厂高浊度水处理问题和实现水厂全 面优化运行提供理论依据。 我国是高浊度河流较多的国家，高浊度地表水是我国水资源的主要组成部 分。国内很多水厂都存在处理高浊度水的问题。由于水土流失面积的不断扩大， 使一些河流含沙量增高、水污染加剧，高浊度洪水出现的频率增加、时间延长， 给一些水厂的运行造成影响，特别是一些中、小型水厂，受到工艺规模、场地和 资金等条件的限制而难以改建和扩建。以致影响了正常的生产。连城铝厂净水厂 在传统高浊度水处理工艺中具有很强的代表性，对其现有工艺进行强化改造，不 仅可以解决连城铝厂供水问题，为企业节能、降耗、增效做出贡献，而且其强化 兰州连城铝业净水厂高浊度水处理系统优化 高浊度水处理研究的经验可供同类型水厂借鉴。因此，本课题的研究具有一定的 实用价值。 常规水处理工艺主要以去除水中悬浮及胶体物质为主，并以出水的浊度、色 度和细菌总数为工艺控制的主要目标，具体内容大致可分为下列八个方面。 1 ) 去除水中的悬浮固体。泥沙、细菌、病毒、藻类以及原生动物袍囊等都 是天然水中常见的悬浮固体； 2 ) 去除水中的溶解固体。一般天然水进行可饮用化处理时，不存在去除溶 解固体的问题： 3 ) 去除对用水有危害的某种或是某几种溶解成分。诸如铁、锰、钙、镁的 去除： 4 ) 去除水中溶解的有机物。主要是腐殖质的存在，是造成色度的主要原因。 由于目前水源污染的普遍性，水中溶解有机物的去除目益引起人们的关注： 5 ) 去除水中的溶解气体： 6 ) 降低冷却水的温度： 7 ) 对水质加以调理，改善水质，以防止在使用过程中产生危害； 8 ) 给水处理过程中所产生的废水污泥加以相应的处置。 对于水质良好的水源，常规水处理工艺可获得安全合格的饮用水。但随着工、 农业和人民生活用水量及污水排放量的不断增加，使水资源短缺和水源污染愈益 加剧，传统的处理开始肩负着越来越繁重的去除浊度和有机物的作用。因此，强 化、优化常规处理工艺，保证出水水质的安全性是解决饮用水污染问题的重要措 施之一。它将在几乎不用新增设投资或投资不大的前提下，通过改变系统的运行 方式，挖掘现有水处理设旋的潜力，从而有助于降低水处理成本，提高水厂的经 济效益，是实现经济型优质水处理的一条经济便捷的途径。同时可缓解我国经济 建设中的能源矛盾，适应节约能源这一基本国策。 1 5 高浊度水处理基础理论及国内外研究情况 1 5 1 基础理论 高浊度水系指泥沙浓度很高，能进行界面沉降的浑浊河水。1 。水中含有较多 的泥沙，给水处理带来很大的困难。高浊度水沉淀属拥挤沉淀，这是与常规浊度 水沉淀的本质区别，其沉淀池应满足澄清与浓缩两方面的要求，既要有一定的面 积，以满足分离清水的要求，也要有一定的容积，使泥水在池内有足够的停留时 间，浓缩到要求的程度。 高浊度水的自凝作用 高浊度水中，由于泥沙颗粒众多，颗粒间的碰撞几率较高，自凝聚作用比一 工程硕士学位论文 般水体更为强烈，被称为高浊度水的特征之一。影响颗粒白凝作用有两个主要原 因：一是粒径。粒径越细，自凝越强烈。另一是浓度。浓度越高，自凝也越强烈。 在高浊度水中，往往由于泥沙的自凝作用，而使不同粒径的泥沙，在沉淀过程中 凝聚程絮体而提高沉速“1 。 高浊度水中的稳定泥沙 高浊度水处理技术中，研究的主要对象是泥沙组成的稳定泥沙。主要原因有 二点：( 1 ) 高浊度水的一系列特征，稳定泥沙起着重要作用，其含量约占泥沙含 量的7 5 以上；( 2 ) 非稳定泥沙较易去除，一般不属于给水沉淀处理的范畴。研 究表明，高浊度水中的稳定泥沙体积浓度并不是一个固定数值。它随水中泥沙含 量的增高，而使原属非稳定泥沙的粒径较大的泥沙成为稳定泥沙。所以稳定泥沙 体积浓度是随稳定泥沙重量浓度的增高而增大”3 。 泥沙的极限粒径 极限粒径是研究高浊度水沉淀机理的一个重要参数，其数值和稳定泥沙的体 积浓度和重量浓度有关，不是一个固定数值。极限粒径是指组成均浓层的稳定泥 沙颗粒中的最大粒径。研究极限粒径，对探索高浊度水泥沙的沉淀机理和处理技 术具有重要意义。通过对极限粒径的研究，就能掌握高浊度水中的稳定泥沙含量。 在高浊度水处理技术中，较多的设计及生产运行参数，主要是根据稳定泥沙的含 量所决定。 泥渣浓缩 高浊度水的泥渣浓缩属挤压沉降范畴，是高浊度水净化技术中一个重要参 数。其中积泥压力及泥浆高度是影响泥渣浓缩的两个重要因素，并且是两个相 反方向的因素。前者促使泥浆浓缩，后者则起阻碍浓缩作用。广泛采用的积泥压 力和泥浆高度计算公式如下“1 ： ( 1 ) 积泥压力计算公式 尸【：丝。生昱 ( 1 1 ) 式中：足积泥压力( 垤m 3 j ； “ f 原水含沙量( k g m 4 ) ： q 原水体积( m 3 ) ； 彳沉淀面积( m 2 ) ； s 泥沙容重( k g 一) ； 瓯水的容重( k g m ) ； ( 2 ) 泥浆高度计算公式 ：丝( 1 2 ) 式中：a 。泥浆高度( m ) ；7 “ d d 泥浆浓度( k g m 3 ) 。 兰州连城铝业挣水厂高浊度水处理系统优化 高浊度水中的异重流 异重流是两种密度差别不大的流体，因密度差异而产生的相对运动。异重流 在高浊度水处理中，由于形成条件不同，有沿池底部的下层异重流：也有在具有 密度梯度的中间层运动的中层异重流：还有在水表面部分运动的上层异重流。在 处理高浊度水的沉淀池中，应使异重流运动保持在水面以下一定深度，利用异重 流现象来增加排泥浓度。 高浊度水的沉淀类型和沉淀特性 目前，国内在高浊度水处理中，习惯把沉淀分为三种类型，即自由沉淀、拥 挤沉淀( 约制沉淀、区域沉淀、干扰沉淀、层状沉淀) 和挤压沉淀“3 。这三种沉 淀类型，体现了一个由量变到质变的过程，即：泥沙含量这一数量方面的变化而 导致泥沙沉淀机理方面的质的变化。高浊度水处理，是以约制沉淀为主要形式的 沉淀方式。在表现上，它是在沉淀过程中产生明显的浑液而。 浑液面沉速是泥沙约制沉降的表现特征，是均浓浑水层中稳定泥沙的群体沉 速，是高浊度水研究及处理中一项重要参数。影响浑液面沉速的主要因素是稳定 泥沙的体积浓度和重量浓度、水温、泥沙比重、稳定泥沙含量、泥沙粒径及不均 匀系数等。 1 5 2 国外高浊度水研究情况 高浊度水的沉淀池计算，主要是从传统的浓缩池计算理论发展而来。沉淀是 对出水水质有一定要求，而浓缩则是对排泥浓度有一定要求，两者的目的不同， 但就高浊度水沉淀池和浓缩池而言，它们有相似之处，那就是高含量的给入物料 和相同的沉淀浓缩过程。 传统的浓缩池计算，早在1 9 1 6 年就由c o e c l e v e n g e r 提出。1 。他们通过对 间隙沉降实验的观察和理论分析，为高浊度水的沉淀浓缩理论奠定了基础。在计 算原理方面，分析了控制沉淀池面积的因素，即以进入固体量为依据，进而通过 浓缩段上层的物料平衡条件由最小固体量所对应的浓缩层作为沉淀池面积的控 制因素，提出了计算沉淀池面积的计算方法。 1 9 5 2 年，k y n c h 提出间歇沉降试验分析中的假设，建立了数学模型，简化了 c o e c l e v e n g e r 法。1 。k y n c h 假定静止沉降中的某一泥浆层的石访束仅是该层局 部浓度的函数，得出了有关沉降层内浓度分布的重要结论以及泥奖浓度和沉降速 度的关系。 1 5 3 国内高浊度水研究情况 我国高浊度水处理技术的研究，始于1 9 5 0 年。在传统理论的基础上，我国 一8 工程硕士学位论文 科技人员就本国的实际情况，进行了大量的实验和理论研究，形成了许多高浊度 水处理得新理论和新技术。由于我国黄河水文条件复杂和含沙量高的特点，在高 浊度水处理技术领域上，在国际上处于重要位置。1 原北京市政工程研究所于1 9 6 21 9 6 4 年对高浊度水沉淀进行了实验研究“。 于1 9 6 6 年提出了计算公式。 一：堕堕： 鱼( 1 3 ) ”静“动“静 式中：a 沉淀池面积 q 沉淀池出水流量 “静静沉曲线等速段沉速 “动沉淀池中清水分离速度或浑液面沉速 a 动水沉速系数， = 1 3 1 3 5 此式的优点是考虑了静水沉速与动水沉速的区别，但系数 比较笼统，还包 含一些其它未知因素，且此式所求得面积不能保证为最大面积，也没有考虑池容 积的计算。 李圭自在c o ec l e v e n g e r 法的基础上，在1 9 6 4 年“1 3 提出了比较系统的高浊 度水计算理论。1 9 8 0 年又进行了补充”2 3 李圭自在研究高浊度水沉降时采用表达 式： 妒= 厂皓) ( 1 4 ) 式中：一浓缩比，妒2 。 f 一比沉时，f 2 绝 李圭白还引入了沉淀浓缩系数的概念，定义沉淀浓缩系数埘为： = i d f i 李圭白的计算理论，着重考虑了沉淀池内浑水层体积的变化规律。 高浊度水处理多年来一直以含沙量为基本参数确定絮凝剂投量，而在实际中 当浓度相同而水中泥沙颗粒组成等因素不同时，投药量相差比较悬殊。金同轨通 过试验探索了投药量与颗粒因素的关系，对现有的一些确定投药量的理论及方法 作了分析，在1 9 8 5 年6 月“23 提出了投药量与水中泥沙颗粒总表面积的关系，得 出精度较好的经验公式： s 一单位d = 厂包) = 西：= “慨) 6 ( 1 5 ) 0 一 兰州连城铝业净水j 高浊度水处理系统优化 式中：a 、b 经验系数； s ，泥沙颗粒总表面积； 质量泥沙颗粒所拥有的表面积； c 。一泥沙的质量浓度； 在此经验公式的基础上，此后又对其形式进行了修正和补充“”“。并以此 为基础，提出了用于生产的自动投药的基本数学模型，使投药量能适应河水的泥 沙浓度和粒度在汛期的迅速变化。 1 9 7 4 年以后，兰州市第一水厂强化高浊度水处理能力，将辐流式沉淀池的自 然沉淀改为为絮凝沉淀，采用投加水解聚丙烯酰胺i p a m 絮凝剂处理高浊度水。 加药后的浑液面沉速达到0 2 唧s ，是自然沉速的几十倍，大大提高了高浊度水 预处理效果”。 在1 9 8 8 年，根据水解聚丙烯酰胺投加浓度稀则絮凝效果好的事实，西北建 工学院张有威提出了高浊度水高效絮凝清水回流新工艺”，从而很好地解决了投 加药剂浓度大、混合效果差的问题。用此新工艺设计的高浊度水处理，在h p a m 用量相同的条件下，其负荷比现有辐流式沉淀池至少可提高2 倍以上，比现有的 管道混合工艺絮凝效果要好，是一个先进的有较大经济效益的工艺。( 该工艺于 8 8 年在给水工程学会高浊度水研究小组上通过鉴定) ”“。 关于高浊度水絮凝研究，一般都是以浑液面沉速为指标进行的，即以清浑界 面的沉速代表絮凝体的沉速来研究絮凝过程。不过浑液面的沉速测定过程复杂， 费时费力，特别是当高浊度水含沙量较低时，浑液面模糊不清，难以准确测量。 近期，哈尔滨建筑大学将透光率脉动检测理论应用于高浊度水絮凝过程的监测 “，收到良好的效果，并且这种絮凝检测仪器操作简便、快速、可靠，可实现在 线连续检测。 随着科学技术的发展，人们对高浊度水处理的认识更加深刻，所应用的手段 亦更加先进，使高浊度水处理的应用技术和理论日趋严密和完善。 1 6 我国城市供水质量与欧美等发达国家的差距 相比较于欧美国家，我国城市供水水质存在一定的不足，主要原因在于”： ( 1 ) 欧、美、日对水源非常重视，水源不污染或只有轻微污染，而我国大 部分水源受到不同程度的污染。 ( 2 ) 欧、美、曰对水源取水口上下游建立保护区，水源地环境非常优美， 取水口建立水质自动监测站，净水厂的处理构筑物都在室内，净水厂环境非常干 净，清水池完全封闭，内壁和池底均贴白瓷砖。净水厂沉淀池排泥水和滤池冲洗 水均要进行处理。而我国大部分水厂水质监测设施运行不可靠，无法指导生产。 工程硬士学位论文 净水构筑物多在室外，受环境和气候影响大，沉淀池排泥水和滤池冲洗水大部分 未经处理直接排入水体，造成水源污染。 ( 3 ) 欧、美净水厂通常在原水中先投臭氧作氧化剂，氧化水中的有机物， 当原水中发现异味，必须投加粉末活性炭取出水中臭味，再投加三氯化铁或硫酸 铝作混凝剂，投加量偏大，强调水质清，消毒用二氧化氯，出厂水还需调节p h 值以防止管道腐蚀。我国水厂一般做法是预加氯采用碱式氯化铝作混凝剂，消毒 方式普遍采用氯气。 ( 4 ) 欧、美净水厂强调快速、均匀混合，通常采用快速机械搅拌器；絮凝 池采用多极变速机械搅拌；沉淀或澄清多采用多层沉淀池，新型澄清池，净水效 果好；过滤采用双层滤料或均质滤料。 ( 5 ) 我国水厂混合以静态混合器为主，絮凝池以水力型为主，絮凝时间偏 短；沉淀池以平流式沉淀池为主，还有些管沉淀池、加速澄清池；过滤以快滤池 为主，也有采用虹吸滤池等。 ( 6 ) 欧、美等发达国家的城市早在上个世纪7 0 年代就开始采用分质供水， 其供水系统以直接饮用水系统为主，非饮用水作为辅助供水系统而主要用于绿 化、冲洗车辆等；我国近几年在个别大城市才开始推行分质供水方式，且直接饮 用水系统只作为为辅助供水系统。 以上几个方面的差距，使得国内饮用水水质较国外有一定不足。主要体现为： 水质指标偏少，我国现行的生活饮用水标准( g b 5 7 4 98 5 ) 中仅有3 5