（环境工程专业论文）强化常规处理改善昆山水厂出水水质的生产性研究.pdf

摘要 摘要 根据我国水源水污染现状及给水处理的发展情况、强常规处理技术在国内外 的研究和发展状况以及结合昆山自来水集团的水源水的特征( 冬季低温低浊，夏 季藻类较多) ，利用强化常规处理工艺对庙泾河水厂工艺进行研究，从而降低出 水浊度，达到改善水质目的。本文从三个方面进行研究，包括实验室静态杯罐试 验、中试试验、生产性试验。 实验室静态杯罐试验证明：混凝剂的稀释度对混凝效果有很重要关系，并且 稀释混凝剂采用溶剂的纯度对水质的净化效果也有很大影响。不同沉降时间对模 拟出水水质的影响试验说明了选择合适的沉淀时间是试验的关键之一。采用聚合 氯化铝和活化硅酸作为絮凝剂，对滤前水进行二次絮凝，观测其对滤后水质及过 滤周期的影响。主要以滤柱出水浊度和小颗粒数为主要监控指标，并观察过滤周 期以及出水c o d 等常规指标的变化来确定絮凝剂的种类。 中试试验证明：随着p a c 投加量的增加，沉淀出水的浊度和 2i n n 的颗粒数 呈下降趋势，网格絮凝沉淀池在同样投加量的情况下要比机械搅拌沉淀池出水水 质好，并且相同出水效果时前者比后者的投加量要少。从整体上来看网格絮凝沉 淀池的处理效果占有优势。本次中试试验主要考察聚合氯化铝和活化硅酸两者对 于昆山水厂沉后水的浊度去除作用。结果表明p a c 确实可以作为一种有效的二次 絮凝剂。 生产性试验证明：混凝剂投药量) b 2 0 m g l 时出水水质最好，并且相对于原 水水质，浊度和颗粒数的去除率达到7 5 以上。在预臭氧投药量为0 8m g l 时沉 淀池出水水质最好，浊度和 2l x m 的颗粒数分别为1 5 5n t u 和6 7 0 0 个m l 左右。 投加活化硅酸的生产性试验表明随着水温和活化硅酸投加量的增大，对浊度以及 颗粒物总数的去除率都有所降低。生产性试验的滤砂采用两种规格的均质滤料， 分别进行投加二次絮凝的生产性试验，并对药剂混合时间、药剂量、混合条件进 行试验编组，通过不断的试验，并结合反冲洗方式和周期变化，对滤池出水浊度 l 摘要 以及颗粒数进行监测，摸索出了一定的规律性。并证明了强化过滤确实可以有效 改善昆山水厂出水水质，可以将滤后水的出水浊度数从原来的0 4 n t u 降到 0 1 n t u 水平。 关键词：强化混凝，颗粒计数，强化过滤，二次絮凝，聚合氯化铝 a b s t r a c t e n h a n c e dc o n v e n t i o n a lt r e a t i n gw a sc a r r i e do u ti nt h ej i n g h er i v e rp l a n tt o r e d u c ew a t e rt u r b i d i t ya n di m p r o v et h ew a t e rq u a l i t ya c c o r d i n gt ot h es t a t u sq u oo f w a t e rp o l l u t i o ni nc h i n a , t h ed e v e l o p m e n to fw a t e rt r e a t m e n t ，t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fe n h a n c e dc o n v e n t i o n a lt r e a t i n gt e c h n o l o g yi nt h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a la n dc o m b i n i n gt h er o ww a t e rc h a r a c t e r i s t i c s ( 1 0 wt e m p e r a t u r ea n dl o w t u r b i d i t yi nw i n t e r ，h i g l la l g a ei ns u m m e r ) t h r e ea s p e c t sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r ， i n c l u d i n gt h el a b o r a t o r yj a rt e s t , p r o d u c t i o nt e s ta n dp i l o tt e s t s t a t i cl a b o r a t o r yj a rt e s t sp r o v et h a to ft h ed i l u t i o nr a t eo fc o a g u l a n th a sav e r y i m p o r t a n tr e l a t i o n s h i pw i t l lc o a g u l a t i o ne f f e c t , a n dt h ew a t e rq u a l i t ya r ea l s og r e a t l y a f f e c t e db yt h es o l v e n t s s e l e c t i n gt h es u i t a b l es e t t l e m e n tt i m ei so n eo ft h ek e y s p o l y a l u m i n u md i l o r i d ea n da c t i v a t e ds i l i c au s e da sf l o c c u l a n tt om a k es e c o n d f l o e c u l a t i o n , o b s e r v i n gi t sa c t i o nt ot h eq u a l i t yo f w a t e ra f t e rf i l t e ra n df i l t r a t i o nc y c l e e f f l u e n tt u r b i d i t ya n ds m a l lp a r t i c l e sw e r ea st h em a j o rm o n i t o r i n gi n d i c a t o r s a tt h e s a m et i m e ，o b s e r v i n gt h ef i l t r a t i o nc y c l e ，c o da n do t h e rc o n v e n t i o n a li n d i c a t o r st o d e t e r m i n et h et y p e so ff l o c c u l a n t p i l o tt e s t ss h o wt h a tw i 1p a cd o s a g ei n c r e a s e d , t h es e d i m e n t a t i o nw a t e r t u r b i d i t ya n d 2p a np a r t i c l ec o u n t i n ga r eo nad o w n w a r dt e n d e n c y o nt h es i t u a t i o n o fs a l l ed o s a g e ，t h ew a t e rq u a l i t yo f 鲥dc o a g u l a t i v ep r e c i p i t a t i o nt a n ki sb e t t e rt h a n t h a to fm e c h a n i c a la g i t a t i o np r e c i p i t a t i o nm n l qa n dt h ef o r m e ra d d i n gd o s a g ei sl e s s t h a nt h el a t t e r sw i t ht h es a m ew a t e rq u a l i t y f r o mt h eo v e r a l lt oa n a l y z e ，c o a g u l a t i v e p r e c i p i t a t i o nt a n kt a k e sa d v a n t a g eo nt h et r e a t m e n te f f e c t 1 h et e s tm a i n l yo nt h e r e m o v a lr o l eo ft u r b i d i t yt h a tp a ca n da c t i v a t i o na d dp r e c i p i t a t i o no nt h ew a t e r k u u s h a nw a t e r w o r k s 1 1 忙r e s u l t ss h o wt h a tp a cc a ni n d e e ds e r v ea sa ne f f e c t i v e s e c o n d a r yf l o e c u l a n t p r o d u c t i o nt e s t sp r o v et h a tr e l a t i v et ot h er a ww a t e rq u a l i t y ，t h ec o a g u l a n td o s a g e o f2 0m e j r ，w a t e rq u m i t yi st h eb e s ta n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft u r b i d i t ya n d p a r t i c l ec o u n t i n gi sm o r et h a n7 5p e r c e n t w i t ht h ep r e o z o n ed o s a g eo f0 8m g l ， i l l a b s t ra c t s e d i m e n t a t i o nt a n ke f f l u e n ti st h eb e s ta n dt h et u r b i d i t ya n d 2l a i np a r t i c l ec o u n t i n g a l e1 5 5n t ua n d6 ，7 0 0 个m ls e p a r a t e l y 1 1 1 ep r o d u c t i o nt e s to fa d d i n ga c t i v a t e d a c i di n d i c a t e st h a tw i t ht h ew a t e rt e m p e r a t u r ea n da c t i v a t i o na c i dd o s a g ei n c r e a s e d ， t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft u r b i d i t ya n dt o t a li sm o r et h a n7 5p e r c e n t w i t l lt h e p r e - o z o n ed o s a g eo f oh a sd e c r e a s e d w eu s e dt w ok i n d so fs a n df i l t e rs i z ei nt h et e s t a n dm a d et h et e s tp r o d u c t i o nr e s p e c t i v e l y w ec o n s i d e rm i x i n gt i m e ，t h ed r u gd o s e ， m i x e dc o n d i t i o n s m o n i t o r i n gw a t e rt u r b i d i t y ，a n df i l t e rp a r t i c l e s ，f i n d i n gac e r t a i n r e g u l a r i t y i tp r o v e dt h a te n t r a n c e df i l t r a t i o nc a ni m p r o v e de f f e c t i v e l yw a t e rq u a l i t y i nk u n s h a nw a t e rp l a n t i tg a l lr e d u c et h ew a t e rt u r b i d i t yf r o mt h eo r i g i n a l0 4t o o 1 n t i jl e v e 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 , p a l t i c l ec o u n t i n g ，e n h a n c e df i l t r a t i o n , s e c o n df l o e e u l a t i o n ，p a c ， i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、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：广f 号 一二丑竺j 9 7 1 j 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： 年月 日年月日 同济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。 学位论文作孝签名：卢 谢 年岁 月。7 日 第一章引言 第1 章引言 1 1 饮用水常规处理技术的局限性 饮用水常规处理技术即：混凝、沉淀或澄清、过滤和消毒，至今仍被世界大 多数国家所采用，是目前饮用水处理的主要工艺。饮用水常规处理工艺的主要去 除对象是水源水中的悬浮物、胶体物质和细菌。以水中的浑浊度、色度和细菌总 数为工艺控制的主要目标，对于水质良好的水源，常规处理工艺可获得安全合格 的饮用水【l 】。随着工业的迅速发展，水体的污染日益加重，同时随着水质分析技 术逐渐改进，水源水和饮用水中微量污染物的种类不断增加，使水体的物理、化 学性质认识发生了显著变化，面对这些变化常规工艺处理显得力不从心。同时， 面对水源水质的变化( 除了原有的泥沙、胶体物质和病原微生物外，还有有机污 染物、高氨氮、消毒副产物、水质生物稳定性等) ，大量文献表明，受污染水源 经常规的混凝、沉淀和过滤，只能去除水中有机物2 0 0 0 3 0 ；且由于溶解性有 机物的存在，不利于破坏胶体的稳定性而使常规工艺的原水浊度去除效果明显下 降( 仅为5 0 6 0 ) ，用增加混凝剂投量的方式来改善处理效果，不仅增加了 水处理成本，而且可能使水中金属离子浓度增加，不利于居民的身体健康；试验 表明，对于分子量1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 的有机物通过混凝沉淀可去除8 0 以上，对于 分子量3 0 0 0 - 1 0 0 0 0 的有机物，混凝沉淀也可去除5 0 左右。常规处理工艺对氨 氮的去除率仅为1 5 左右，目前国内大多数水厂都采甩折点加氯的方法控制出厂 水氨氮浓度，但由此产生的大量有机卤代物又导致水质毒理学安全性下降；预氯 化产生的卤代物在常规工艺处理中不能得到有效去除，后氯化消毒产生的消毒副 产物比前者毒性更大。从饮用水中去除这些微污染物己成为当前水处理的首要任 务。因此，在现有常规处理技术与工艺的基础上，必须开发应用新的水处理技术， 以适应水源污染和水质标准的提高。从2 0 世纪7 0 年代开始，经过几十年的努力， 国内外水处理工作者已经研究开发出许多水处理的新技术新工艺，并且已有大量 的工程应用取得了较好的净化效果。 第章引言 1 2 强化混凝理论简介 1 2 1 强化混凝机理 水处理中的混凝现象比较复杂【1 1 1 2 。不同种类混凝剂以及不同的水质条件， 混凝作用机理都有所不同。d l v o 理论的提出【3 】，使胶体稳定性及在一定条件下 的胶体凝聚的研究取得了巨大进展。目前认为，混凝剂对水中胶体粒子的混凝作 用有三种：电性中和、吸附架桥和卷扫作用。 强化混凝主要是通过改善混凝条件使有机物去除范围和去除率进一步扩大 和提高，其作用机理阐述如下：胶体稳定性的增加是由于大分子天然有机物在无 机胶体颗粒表面形成有机保护层，造成空间位阻或双电层排斥作用。混凝的主要 作用是去除水中悬浮颗粒和胶体微粒。一般认为混凝过程是混凝剂水解产物对水 中胶体进行电中和使其脱稳，从而形成细小的颗粒，继而絮凝为大而密实的矾花， 并通过吸附架桥或网捕作用使脱稳的胶体生成粒度较大的絮凝体，再通过沉淀与 过滤进行分离去除。而水中分子质量较小、溶解度较大的有机物( 主要是腐殖酸 类中的富里酸等) 在一般混凝条件下去除率很低。主要原因是由于其具有良好的 亲水性而不易被混凝剂的水解产物一金属氢氧化物所吸附，有机物不但增加了胶 体表面电荷，而且造成空间位阻效应。但是，如果通过改善混凝处理条件，即在 低p h 、高混凝剂用量的强化混凝条件下形成大量金属氢氧化物，改善混凝剂水 解产物的形态且使其正电荷密度上升，同时低p h 条件会影响有机物离解度和改 变水中有机物存在形态。有机物质子化程度提高，电荷密度降低，进而降低其溶 解度及亲水性，成为较易被吸附的形态。r a n d t k e 认为强化混凝去除有机物的机 理主要包括胶体状自然有机物( n o m ) 的电中和作用，腐殖酸和富里酸聚合体 的沉淀作用，以及吸附于金属氢氧化物表面上的共沉淀作用。对水中溶解性的有 机物而言，依靠后一种作用即吸附于混凝剂的金属沉淀物上而去除。例如北京第 九水厂的生产实践表明，在相同加药量下，机械搅拌澄清池对有机物和消毒副产 物前体物的去除效果要优于反应池沉淀池工艺，其原因就是在机械搅拌澄清池 中大量保持的矾花可以充分发挥其吸附作用，而反应- 沉淀工艺中矾花形成后即 被沉淀去除，其吸附潜力尚未完全发挥。 2 第一章引言 1 2 2 强化混凝技术常用方法 ( 1 ) 加大混凝剂投加量，使有机物的水化壳压缩，水解的阳离子与有机物 阴离子电中和，消除由于有机物对无机胶体的影响，从而使无机胶体脱稳。不同 的水质对混凝剂用量的要求不同，混凝剂对水中大分子有机物( u v 2 5 4 值较大) 和憎水性有机物有较好效果。 ( 2 ) 投加有机或无机絮凝剂，采用具有絮凝作用的新型混凝药剂( 如聚硅 酸盐铁盐等) ，增加吸附、架桥作用，使有机物易被絮体粘附而下沉。 ( 3 ) 调正p h 值：水的p h 值对有机物去除影响明显。当原水p h 较高时， 可通过加酸来降低p h ，一般有机物较多时，p h 为5 - 6 的条件有利于形成腐殖酸、 富里酸的聚合物。加酸一般加在混凝剂投加前，以促使混凝剂水解形成高价正电 荷。 ( 4 ) 投加氧化剂，使有机物氧化( 锰酸钾氧化、粉状炭吸附) 。水体中的 有机成分是增强水中胶体浊质稳定性的主要因素，我国的姚重华等人的研究结果 表明，如果黏土悬浮液中的腐殖酸的浓度增至3m g l ( 以t o c 计) ，硫酸铝的 投量将增至5 。8 倍，如果腐殖酸的浓度增至7m g l 则硫酸铝的投量需增加到原 来的1 0 2 倍才能达到同样的混凝效果。利用常规的混凝剂再辅助以助凝剂处理 这种有机污染严重的水质，不能取得良好的处理效果。因此需要高锰酸钾等强氧 化剂来氧化水中的有机成分，以促进混凝剂的混凝效果，达到净化有机污染的水 质的目的。 ( 5 ) 完善混合、絮凝等设施，从水力条件( 控制g 和g t ) 上加以改进， 使混凝剂能充分发挥作用。比如增加混合与絮凝反应的时间、选用澄清工艺等使 药剂充分发挥作用。 ( 6 ) 铝盐混凝剂改为铁盐混凝剂( 铁盐比铝盐更易于形成与腐殖酸和富里 酸的聚合物) ：也可以起到强化混凝的效果。 1 2 3 强化混凝技术的影响因素 影响强化混凝的因素比较复杂，其中主要包括：混凝水力条件、p h 值、 混凝剂的类型及投加量等。 ( 1 ) 水力条件的影响：水力条件对混凝效果有重要影响，在混合阶段，要 第一章引言 求药剂迅速而均匀地扩散到水中，为此被处理水应在短时间内进行激烈紊动；到 了反应阶段，要求水的紊动程度逐渐减弱，停留时间延长，以创造足够的碰撞机 会和良好的吸附条件，使微小的絮体继续成长【5 1 。 ( 2 ) p h 值的影响：水的p h 值对混凝效果的影响程度，视混凝剂的品种而 定。对铝盐而言，水的p h 值直接影响砧”反应，亦即影响铝盐水解产物的存在 形态：对铁盐而言，适用于水的p h 值范围就大一点；对高分子混凝剂而言，混 凝效果受水的p h 值影响较小。所以p h 值是影响混凝效果的一个上要影响因素 【6 1 o 对于腐殖酸最佳去除p h 在4 - 6 之间，富里酸为5 6 。调低p h 对于提高t o c 的去除率是明显的。( p h 为7 2 时，t o c 去除率为1 0 4 0 4 0 ；当p h 为6 0 时，投 加量不变，t o c 去除率可达3 7 5 ) 。一般认为，当p h 为5 - 6 时，混凝对有机 物的去除为最佳，p h 较高或较低都将影响有机物的去除。 ( 3 ) 混凝投加量的影响：混凝剂投加量在试验过程中起到举足轻重的作用 7 1 1 8 。混凝剂投加量不足，几乎没有形成凝聚，水中的杂质甚至保持原有的状态 存在；投加量过多造成水中混凝剂正电荷过多，同杂质不吸附结合，互相以分散 状态存在处理费甩增加和污泥处理的困难。合适的投量应该根据水源水质特点和 处理后水质要求来确定。因此确定混凝剂投加量很关键【9 】。 有关p h 值对于混凝的影响，国内外学者己有不少的研究。p h 值及混凝剂 的投加量是影响混凝剂水解产物的重要原因【1 0 1 。因此，通过强化混凝处理，可 以较明显提高水中有机物的去除率，技术的关键是控制好混凝的p h 值和混凝剂 ， 投加量【i l 】 ( 4 ) 混凝剂的类型的影响：无机( 铁盐及铝盐) 混凝剂对t o c 去除效果比 有机混凝剂好。因为有机阳离子高分子混凝剂在天然水的混凝过程中，只能产生 电中和作用并参与腐殖酸和富里酸的沉淀，能吸附有机物。而铝盐和铁盐不但可 以起电中和作用使胶粒脱稳形成腐殖酸和富里酸的铝、铁聚合物以利于沉淀去 除，而且还能在形成的金属氢氧化物的表面提供强烈的吸附作用，同时还有网捕 作用。相同投量铁盐比铝盐好。 ( 5 ) 水温的影响：根据试验显示，水温对t o c 的去除没有影响，但是低温 降低了t h m s 形成的速率和范围。 4 第一章引言 ( 6 ) 原水水质：原水水质对混凝效果的影响很大，原水中的有机物主要由 有机颗粒和大分子有机物组成时，混凝可以有效地去除水中t o c 。水源水的腐 殖质含量极大地影响到t o c 和u v 2 5 4 的去除，如混凝去除腐殖类和高分子量有 机物的效果比去除非腐殖类和低分子量有机物好。 1 3 强化过滤理论简介 1 3 1 过滤机理 对于过滤机理的认识是一个不断发展的过程，其中很长一段时间内存在着一 些认识上的误区。认为快滤池截留水中的悬浮物是借筛除作用，把滤池反冲洗过 程中出现滤料分级绝对化等等。这些都是一些常见性的概念性错误，所以有必要 对其工作的机理做一个相对全面的阐述。 过滤是一个胶体物理化学作用和水动力学作用共同作用的复杂过程。杂质在 滤层中的去除受杂质和滤料的物理化学性质、水的化学特性、滤速以及滤池运行 方式的影响，其去除过程至今仍未被完全了解，但多数研究学者认为悬浮颗粒必 须经过迁移和附着两个过程才能完成去除【1 2 】。 当水流通过滤层的孔隙时，其悬浮颗粒是如何从水中运动到滤料表面，并附 着在上面，这就是过滤去除机理所研究的问题。因此，完整的去除机理也必须要 包括这两个过程的定量描述。 滤池去除机理的发展大致可分为三个阶段：第一阶段是定性的把滤层的孔隙 当作个微型沉淀池，把悬浮颗粒的沉淀作用作为去除的机理，就属于这个阶段。 第二个阶段主要是对迁移过程的数学描述，得出在去除过程中各种作用于悬浮颗 粒的因素和粒径大小之间的关系。第三个阶段是把胶体和表面化学以及物理化 学、流体力学的理论应用到迁移和附着两个过程中，对去除过程进行数学的描述。 这就涉及了表面双电层的电动力，范德华吸引力以及化学键等的作用。可以看出， 后两个阶段是相互交叉的。对滤层孔隙中滤料去除悬浮颗粒的迁移和附着过程的 数学描述，实际是过滤过程的微观理论，也是更完整的理论。不过目前对于第三 阶段的研究还是处于起始阶段l l 引。 第一章引言 1 3 2 强化过滤技术的发展 强化过滤技术属于强化常规技术的一种，该技术不同于预处理和深度处理的 好处在于它可以不需要大规模改动现行工艺，主要是通过调整工艺运行的参数和 投加一些化学物质，从而强化工艺运行处理的效果。经常使用的工艺为强化混凝 和强化过滤两种。 强化过滤的方式主要有以下几种：1 ) 合理选择滤料级配：2 ) 降低滤速 3 ) 采用预处理措施；4 ) 投加助滤剂；5 ) 提高滤料性能，主要是改性滤料 的使用【1 4 】： 下面分别简要介绍这几种强化过滤措施【1 4 l ： 1 ) 合理选择滤料级配 人们对滤料级配的使用是一个不断认识的过程，从一开始的单层滤料( 石英 砂) ，随后为了提高滤层的含污能力，采用了双层滤料和多层滤料。这些滤料的 使用直接影响了滤后水的出水水质。一般意义上来说，对滤后水质影响最大的是 滤料的最小粒径，该数值越小则相对出水水质较好，该随之其过滤周期也会缩短。 目前水厂使用的滤料的最小粒径一般为0 5 - - 一0 6 m m 。 ，2 ) 降低滤速 一般快滤池的滤速为8 1 0 r n h ，滤速的大小对于水质有影响。一般认为成 反比关系。同时由于过高的滤速在过滤后期可以使得沉积在滤池深层的杂质剪切 出来，导致水质变差。因此降低滤速被广泛认为可以提高过滤周期，改善出水水 质的有效途径。 3 ) 预处理措施 过滤的预处理措施主要是氧化剂的投加，氧化剂可投加到混凝之前，也可以 投加到过滤之前。氧化剂对混凝和过滤的强化作用机理在于改善悬浮物的凝聚特 性和在滤料表面的沉积特性。般有机类的悬浮物不利于混凝，也不利于在滤料 表面沉积，氧化剂的加入有利于灭活藻类、微生物从而改善混凝，也有利于改善 水中悬浮物的混凝和沉积特性。一般认为对过滤有效的氧化剂包括高锰酸钾、氯 气、臭氧等。 4 ) 投加助滤剂 目前经常被使用的助滤剂包括无机混凝剂( 硫酸铝、聚合氯化铝、三氯化铁 6 第一章引言 等) 、有机高分子( p a m ) 、氧化剂( 高锰酸钾、氯、臭氧) 等。助滤剂的投 加量小，即可以单独投加也可以复合投加。它对过滤的改善性能是显而易见的， 可以明显的提高出水水质，其中包括降低出水浊度、减少水中小颗粒物质、提高 过滤周期等。 目前国外对于助滤剂的研究比较成熟。1 9 6 8 年，t u e p k e r 和b u e s c h e r 研究发 现了聚电解质( o 0 0 3 m g l ) 作为助滤剂可以提高滤后水水质，同时可以有效阻 止因滤速改变而导致的小颗粒穿透【1 5 1 。1 9 7 4 年，a d i n 和r e b h u m 研究发现在直 接过滤前投加0 0 5 - - 0 4 m g l 的阳离子聚电解质可有效降低滤后水浊度，提高产 水量【1 6 1 。 哈尔滨工业大学的俞云等人在深圳笔架山水厂的中试试验表明投加微量的 p a m 可以将其水厂的滤后水浊度降低到o 1 n t u 以下【1 7 1 。 5 ) 改善滤料性能 对于滤池过滤理论的研究表明，滤料的表面特性是决定过滤性能好坏的一 个关键因素。改善其表面特性，能够增强滤料对于颗粒的吸附功能。因而目前对 于改性滤料的研究方兴未艾。常用的改性剂多为铝盐、铁盐、锰盐以及这几种金 属的氧化物；载体主要采用硅酸盐类矿物，如：石英砂、天然沸石、海泡石、凸凹 棒石以及蒙脱石等。 改性滤料一般具有较大的比表面积，除了可以吸附去除水中的离子和杂质 外，它表面的改性剂可以在溶液中水解，在一定的p h 条件下发生矿物表面羟基 化，形成一系列金属氢氧化物以及多羟基金属水合氧化物，表面经基官能团的存 在使之具有强大的亲和力，通过共价键化学吸附、静电吸附和离子交换吸附等作 用发挥羟基的交换作用，吸附、去除水中的污染物。 有资料表明【1 她0 1 ：改性滤料有着强大的吸附以及氧化功能，它可以除去水中 的胶体物质，也可以氧化各种离子和可溶性有机物。 1 3 3 过滤的影响因素 过滤过程受到诸如滤料级配、滤层厚度、滤速、过滤方式、滤前水质及其预 处理程度、水温、p h 值、滤料不均匀系数等诸多因素的影响，其中助滤剂、滤 速和l d 比值( l 为滤层厚度，d 为滤料粒径) 被认为对过滤性能影响较大。 7 第一章引言 面积，截留水中混凝处理后悬浮固体的设备。那么对于滤池的研究必然要从滤层 开始。而石英砂依然是目前多数水厂滤料材料的首选。 当石英砂新装入滤池时，这种滤层称为均质滤层，滤料称为均质滤料。其特点是 在整个滤层内，滤料的级配都是一样的。如图8 2 1 ( a ) 所示，沿滤层厚度的每 一点滤料粒径间所形成的空隙大小的分布都是一样的，在沿均质滤层厚度的每一 点，都具有容纳相同杂质的能力。 在反冲洗时，向上流动的水流速度足以把滤层托起来，使砂粒处于悬浮状态。处 于悬浮状态的砂粒就会自动地重新按小颗粒在上，大颗粒在下的顺序排列，这称 为水力分级现象。冲洗完毕后，滤层虽恢复到原来的厚度，但滤料的水力分级作 用却遗留下来，在沿滤层的厚度方向上，滤料是按从小到大的顺序排列的，这样 的滤层称为分级滤料滤层。如图8 2 1 ( b ) 所示【2 1 1 。 可以看出如果保持滤料在过滤过程中仍是均质滤料，它将比分级滤料好一些另 外如果用颗粒大小完全一样的滤料，不存在水流水力分级的问题，同样具有均质 滤料的优点，这种滤料称为均匀滤料，均匀滤料难于在生产中使用，而且用均质 滤料和均匀滤料所构成的滤层对过滤仍然是不理想的。 a 均麟 图1 i 滤层形态示意图 箭 l 辱 醐 堪 巢 蒌 媾 g 导 嗵 嚣 牛 捌 b 分燃 磬 瑙 厦 椒 水 蜢 瘿 魁 梨 蕤 糟 c 理徽 滤层是滤池的关键组成部分。滤层由滤料组成，滤料最基本功能是提供截留水中 悬浮固体所需妾的面积，合适的滤床和滤料是滤池实现经济高效运行的关键。在 8 第一章引言 滤层是滤池的关键组成部分。滤层由滤料组成，滤料最基本功能是提供截留 水中悬浮固体所需要的面积，合适的滤床和滤料是滤池实现经济高效运行的关 键。在水处理工程中，天然石英砂廉价易得，操作管理方便，至今仍被世界广泛 采用作为滤料。 理想的滤层应该是沿着过滤的水流方向，滤层中滤料的粒径是从大到小递减 的，由于滤料颗粒间空隙也沿水流方向从大n d , 递减，这就创造了下列两方面的 有利条件：一方面是进入滤池的水先接触到的那部分滤层能够比后接触到的那部 分滤层多容纳悬浮固体；另一方面是这部分的空隙本来就较大，在容纳更多的悬 浮固体后，仍然保留了一定的空隙大小，允许水中的悬浮物进入滤层内部，从而 在过滤的水头损失达到最大允许值的时候，整个滤层的截污能力都得到充分的利 用，理想的滤层如图8 2 1 ( c ) 所示。这种滤层反冲洗后，仍然保持图中所示的 滤料大小排列顺序，然而，这样的理想滤层只能是合成材料才可能实现，其要求 是从滤层顶到滤层底，滤料的粒度从最大递减到最小，而滤料的密度则相应从最 小递增到最大，但是非常理想的滤层在实际工程中难于实现。 也是在基于上面理论的阐述，产生了双层滤料和三层滤料滤层，但双层或三 层滤料是由两层或三层分级滤层所构成。它们只是在整休上比较合理，但每单层 仍是级配滤料，且在反冲洗时容易跑掉上层的无烟煤，容易混层。不过混层对于 水质对过滤的影响目前依然没有定论。 昆山泾河水厂目前有三种滤料在使用，第一种是主要使用的0 9 5 m m 1 3 5 m m 的石英砂。第二种和第三种是水厂自行试验使用的，分别为0 8 0 m m - - 1 0 m m 、0 6 m m 0 8 m m 级配的石英砂。图8 2 2 为水厂三种不同粒径滤料的过 滤效果。从实际运行效果来看，第二种滤砂的过滤效果略好于第一种。但第三种 粒径明显偏小，反冲洗时跑沙十分严重。建议调整第三种滤砂的冲洗强度。 9 第一章引言 o 9 o 8 兮0 7 笔0 6 恻0 5 爆0 4 苌0 3 丑o 2 0 1 o 十o 6 一o 8 m m 砂 嗡9 芦p p p p 。9 咭p g p 人9 试验时间 图1 2 不同粒径石英砂过滤效果比较 2l d 的影响 按唯象观点认为过滤是水中悬浮物被截留在滤层滤料空隙中的过程，滤层空隙尺 度以及空隙率的大小，在同种滤料相同反冲洗条件下，随滤料粗度的加大而增大， 滤料粒径愈粗可容纳悬浮物的空间愈大，其表现为过滤能力增强，截污能力增大。 同时滤层空隙越大水中悬浮物的穿透浓度越大，在有足够保护厚度的条件下，悬 浮物可更多地被截留，滤池截污量增加，但同时为保证水质，需要增加滤层厚度， 粒径越细需要的层厚越小。但太细的滤料将导致滤层很快堵塞，大大降低滤层 含污量及缩短过滤周期1 2 2 1 。 1 9 9 5 年，g r e e l e y 和h a n s e n 通过传统过滤试验研究了不同l d 值对滤后水浊度的 影响。在过滤过程中，快滤池的过滤能力来自滤料颗粒表面吸附作用，滤料所提 供的颗粒表面积越大，对水中悬浮物的附着力越强。s u s u m ak a w a m u r a 得出如下 数学表达式【2 3 1 ： s ：6 ( 1 - e ) 墨 y d 式中，s 一滤料比表面积： 占滤层孔隙率； 卜滤层厚度： f ，一滤料球形度； 1 0 第一章引言 d - - 滤料粒径。 从式中可知，当其他条件相同时，l d 值越大，即滤料的表面积越大，滤层 对水中悬浮颗粒的截留作用越强。从技术角度讲，l d 值越大越好，但l d 过大 可能增加滤池深度和造价，增大滤层水头损失和反冲洗难度，工程中应以最小 l d 值满足提供最低量值的滤料表面积以达到预期过滤出水水质要求。s u s u m a k a w a m u r a 矗勺研究表明，对于常规滤池和双层滤池，l d 值宜大于1 0 0 0 ；对于三 层滤料滤池，l d 值应大于1 2 5 0 ：而对于d 在1 2 1 4 r a m 之间的滤池，l d 值 宜大于1 3 0 0 。大多数粗滤料深层滤床0 1 5 r a m ) ，l ，d 值通常大于15 0 0 ，如要达到 出水浊度小于0 i n t u ，l d 值至少应大于1 0 0 0 2 4 1 。同时进一步的研究得出l d 值对过滤的影响可通过下式来反映： r i i l 旦：一三n f ) a 3 , 兰 c o 2 。d c 、c o 分别为滤池出水和进水的悬浮颗粒浓度，f 为滤层孔隙率，口为颗粒 碰撞效率因素，兄为捕获效率。可见，在其他因素相同时，l d 值越大，滤池对 悬浮颗粒的去除效率越高。 3 滤速的影响， 一般来说，滤速大，需要的滤层厚度也会随之变大，不然极易导致水质穿透。 1 9 7 8 年，t a t e 等人报道在其他过滤条件相同的情况下，增加滤速将导致滤后水 中杂质颗粒的增加【2 5 】【2 6 1 。1 9 9 2 年c l a r k 等人发现随着滤速的增加，水中杂质颗 粒的去除率下降。1 9 9 3 年m o r a n 等人的研究也得到了同样的结果。但如果采取 其他辅助措施，将减弱上述因滤速加大而带来的负面影响。s u s u m ak a w a m u r a 在1 9 7 5 年对生产性滤池作了滤速对比试验( d = 0 5 5 m m 、l = o 7 5m 、滤前水浊 度i - 2 n t u 、采用的滤速分别为1 0 0 ，1 2 0 ，1 4 0 ，1 6 0 ，1 8 0 r n d a y ) 。结果表明，在各 滤速下，滤池出水浊度几乎相同，而且浊度较低，但滤池的性能( 反冲洗水量与 周期产水量之比) 在v = 1 4 0 - - - 1 6 0 吣时效果更佳。另外一组( d = 0 5 8 m m ，l = 0 7 5 m ) 滤层试验结果表明，滤速分别为1 2 0 ，1 4 0 ，1 6 0m d a y 时，在同样季节里， 不同滤速下，出水浊度也无明显差别。但就过滤性能而言，夏季时反冲洗水量比 冬季少。随着双层和多层滤料的发展，通过采用聚合电解质对混凝过程进行控制， 以及对水质实时监测，滤速达到3 0 0 - - - , 3 6 0 m d a y 时仍能获得安全的出水，如果滤 第一章引言 层结构合理以及适当采用助滤剂，滤速高达6 0 0 1 2 0 0 m d a y 时，仍能达到较好 的出水效果但多数研究认为，滤速大于6 0 0m d a y 时，带来优势将不再明显。因 滤池的反冲洗会因此而频繁，且会导致冲洗水量增加，带来滤池管理工作上的麻 烦。1 9 9 9 年，s u s u m ak a w a m u r a 认为如果前处理适当，普通快滤池的出水浊度 受滤速影响并不大，滤速达到2 5 m h 时，仍能达到较好的出水水质。然而，高滤 速带来的问题必然是水头损失的增长迅猛。 上述三种因素通常被认为是影响过滤效果的关键所在，近年来也不断的有新 的关于影响过滤因素的论文出现，因缺乏广泛的认同，在此我们不做评述。 1 4 研究背景和目的意义 江苏省昆山市地处长三角地区，接壤上海。近年来随着其经济水平的不断提 高，城市建设规模日益扩大，工业的发展也带来一定的环境问题，作为饮用水水 源的阳澄湖近年来就不断遭受到轻度污染。为了应付严重的污染问题，同时也为 了提高人民的生活水平，昆山市供水集团有限公司决定加大处理力度，逐步提高 出水水质。截止今年2 月，集团下属泾河水厂和第三水厂已全面启用了臭氧一 生物活性炭深度处理技术和预臭氧的前处理工艺。但由于其水源来自于阳澄湖， 上接太湖。太湖流域内近年工业污染严重，水体也从先前的i i 类水质降至水质。 冬季低温低浊、夏季高藻，常年的原水浊度在i o n t u 下。 这样的水源水质使得昆山水厂的处理效率一直无法提高，尤其是在浊度的控 制方面。其水浊度基本保持在0 4 - - 0 6 n t u 左右；有时高达o 7 n t u 。目前水厂 虽然采用了相对先进的预臭氧+ 常规处理+ 深度处理的方法。但其常规处理后出 水浊度依然较高，运行滤池的滤后水浊度一般在0 4 n t u 左右，21 tm 以上颗粒 数甚至达到18 0 0 个m l 。 昆山市供水集团为了配合深度处理工艺的生产运行，提出了将出水浊度控制 到0 1 n t u 的技术目标。并联合同济大学环境学院在昆山泾河水厂开展了一系列 强化过滤生产性试验。 在分别对水源水水质、混凝工艺、沉淀情况、滤池性能进行考察后。同时结 合对周边地区的相似规模水厂的调查情况。我们将目前昆山泾河水厂出水浊度高 的可能原因列举如下： 第一章引言 l 、庙泾河的外部环境不利。水源水来自于庙泾河，上接傀儡湖、阳澄湖。 该河作为昆山水源河，已被有效保护起来，两侧分别做了引河，截留了所有排向 该水体的其他河水，目的是保护其免受污染。但缺点是失去了外河的冲刷，其河 水浊度进一步降低。不利于水的常规处理。 2 、进厂水浊度偏低。导致混凝时缺乏凝聚核心，形成的矾花较轻、易碎。 沉淀池出水堰附近有许多小矾花流出，进入滤池，加剧了滤池负担。 3 、网格式絮凝池的反应效果，我们考察了附近多家水厂，主要以折板絮凝 池居多。从效果来看，多数水厂及市政设计院认为网格式絮凝池效率相对偏低， 但究近其两者对比情况，目前尚无定论。 4 、v 型滤池过滤性能不佳。通常意义上，滤池对于1 5um 以上颗粒的去除 率应该达到1 0 0 ，但我们的监测显示了昆山泾河水厂v 型滤池对1 5l am 、甚至 2 5l am 颗粒的去除都达不到1 0 0 。 针对上述情况，我们制定了强化混凝和强化过滤降低滤池的出水浊度。强化 过滤选用了已经相对成熟的二次絮凝技术。这样做的优点在于： l 、可以和前人做过的试验进行横向比较； 2 、改造成本低，有利于生产的连续性。 1 3 第二章试验仪器及其水质分析方法 第2 章试验仪器及其水质分析方法 2 1 试验仪器 本研究主要采用的试验仪器如表2 1 所示 表2 1 试验仪器 检测项目 分析仪器设备 浑浊度 美国h a c h2 1 0 0 n 型浊度仪 颗粒数 i b r 便携式颗粒计数仪 p h 值 雷磁p h s 一3 c 精密p h 计 c o d 标准酸性高锰酸钾法 z e t a 电位 英国马尔文公司z c t a s i z e r n a n oz 型电位仪 u v 2 5 7 5 5 b 型分光光度计 t o c日本岛津( s h i m a d z u ) 的t o c - v c p h 型t o c 仪 分子量分布 日本岛津( s h i m a d z u ) l e 1 0 a d v p 型凝胶色谱仪 2 2 试验水质分析方法 2 2 1 浊度的测定 ( 1 ) 浊度特性 浊度是由水中所存在的颗粒物质如粘土、淤泥，胶体颗粒，浮游生物及其他 微生物而形成的