（市政工程专业论文）微絮凝炭砂双层滤料浮滤池工艺处理引黄水库水的试验研究.pdf

山东建筑大掌硕士掌位 e 文 摘要 本研究针对济南市鹊山水库( 引黄水库) 低温、低浊、高藻的水质特征，设计浮滤池 装置，充分将气浮技术与活性炭技术联用，对浮滤池工艺处理引黄水库水进行了较为深入 的试验研究。 研究内容包括四个方面：( 1 ) 浮滤池工艺运行条件的优化研究；( 2 ) 滤池工艺中活性 炭单元运行特性研究：( 3 ) 高藻期与低温低浊条件下浮滤池运行特性研究；( 4 ) 臭氧一微 絮凝浮滤池工艺试验研究。 通过对混凝条件的优化研究，优选聚合氯化铝铁作为处理引黄水库水的最佳混凝剂， 浮滤池工艺混凝剂投加量建议采用2 m g l ( 以a 1 3 + 计) ，投加h c i 调节原水p h 值至7 0 左 右，浊度去除影响不大，但对有机物的去除起到一定作用。 在对浮滤池工艺运行条件的优化研究中，通过试验考察气浮单元的溶气压力、回流比、 水力负荷等工艺条件下对运行效果的影响，建议本试验装置的最佳溶气压力值为0 3 0 m p a ， 最佳回流比为2 0 ，水力负荷不要超过8m 3 ( m 2 h ) 。通过试验考察活性炭过滤单元在不同 滤速、过滤周期下运行效果，得出滤速最好不要超过8 m h ，过滤周期为3 d ，即7 2 h 。 通过对浮滤池工艺活性炭单元运行特性的研究，表明活性炭滤层已经聚集一定数量的 微生物，发挥了一定的生物降解作用，c o d 去除率在2 4 0 0 5 3 9 1 之间，而且随着 运行时间的增长，去除率逐渐提高。n h 3 - n 去除情况类似。在气浮运行与不运行条件下， 溶气水对提高活性炭滤层生物作用起到一定作用，但作用不是很明显。用含氯水对活性炭 单元进行反冲洗，反冲洗前后，c o d m n 、u v 2 5 4 去除率下降程度较为明显，因此建议尽量 采用不加氯水进行反冲洗。同时对活性炭层的安全高度进行了考察，试验表明，当原水经 7 0 过活性炭作用后，出水已经完全满足水质要求，3 0 c m 石英砂层对提高出水水质的空 间已经不大，仅起到水质保障的作用。 采用浮滤池工艺处理鹊山水库的低浊高藻、低温低浊水效果显著，对浊度、c o d 。、 u v 2 5 4 都有较高的去除效果，高藻期出水浊度基本上小于0 5 n t u ，低温低浊条件下出水浊 度小于0 2 n t u ，优于目前的饮用水水质标准。气浮单元对c o d 平均去除率2 4 0 5 ，对 u v 2 5 4 平均去除率2 0 0 5 ，可见气浮单元对c o d 的去除效果略优于对u v 2 5 4 的去除。过 滤单元对u v 2 5 4 的平均去除率上升至6 2 5 5 ，对c o d 的平均去除率增加到5 2 3 5 ，表 明过滤单元对u v 2 5 4 的去除明显好于对c o d 。的去除。在高藻期，浮滤池工艺对高藻水有 较好的去除效果，藻大部分是通过气浮单元去除。浮滤池工艺对藻类总数的平均去除率为 山东建筑大学硕士掌位论文 6 9 5 1 ，对叶绿素a 的平均去除率为6 2 8 3 。在低温低浊条件下，分别对气浮过滤运行方 式、直接过滤方式进行了考察。经过综合比较，建议冬季低温低浊期浮滤池运行方式为： 活性炭直接过滤，混凝条件为：投药量2 m g l 或投药量lm g l + p h 调节。 本文最后浮滤池工艺分别采用臭氧预处理和臭氧化空气为气源对鹊山水库水进行试 验研究，研究表明，原水经过臭氧预处理，对浊度去除影响不大。臭氧预氧化对u v 2 5 4 的 去除效率很高，平均去除率为7 6 4 7 ，经气浮、活性炭过滤之后，总去除率可达到1 0 0 。 臭氧氧化对c o d m 的去除有一定效果，总去除率较无臭氧预处理有所提高，平均提高7 0 ，出水平均值降至1 8 7 m g l 。臭氧化空气为气源气浮一活性炭过滤工艺对浊度、c o d m 去除影响不大，对u v 2 5 4 的去除率比单独气浮过滤工艺提高9 8 ，但不及预臭氧一气浮过 滤处理效果，臭氧的强氧化性没有得到充分发挥。 关键词：引黄水库，浮滤池，溶气气浮，活性炭过滤，臭氧预氧化，除藻，低温低浊 山东建筑大掣“嚣士掣啦论文 a b s t r a c t t h ew a t e rq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c so fj i u a nq u e s h a nr e s e r v o i r ( w h i c hd e r i v e df x o my e l l o w r i v e r ) a r el o wt e m p e r a t u r e ，l o wt u r b i d i t ya n da l g a eb l o o m i n g b a s e do nt h o s ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h e f l o f i h e r , w h i c h j o i n s f l o t a t i o n w i t h f i l t r a t i o n , w a s d e s i g n e d ，a n d w a ss t u d i e d d e e p l y i n t h i s p a p e r t h ec o m e n t so f s t u d yi n c l u d ef o u ra s p e c t s ：( 1 ) t h eo p t i m u ms t u d yo f f u n c t i o nc o n d i t i o n so n t h ef l o f i l t e rt e c h n o l o g y ；( 2 ) t h ea c t i v a t e dc a r b o nc h a r a c t e r i s t i c ss t u d yo ff l o f i l t e rt e c h n o l o g y ；( 3 ) t h ef l o f i l t e rt e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c ss t u d yi na l g a eb l o o m i n g ，l o wt e m p e r a t u r ea n dl o wt u r b i d i 一 够( 4 ) t h ee x p e r i m e n ts t u d yo f o z o n eo x i d a t i o n - f l o f l l t e rt e c h n o l o g y t h r o u g ht h eo p t i m u ms t u d yo nf l o c c u l a t i o nc o n d i t i o n , p a f ci ss u i t e df o rq u e s h a nr e s e r v o i r w a t e r t h eo p t i m u md o s a g eo fp a f ci s2 0 m g a l 3 饥a n da d d i n gh c im a k e sp ho fw a t e ri n f l o c c u l a t i o nt a n ki s7 0 ，t h er e m o v a lm t eo ft u r b i d i t yi sn o ti n f l u e n c e ，b u tt h er e m o v a lr a t eo f o r g a n i cs u b s t a n c ei n c r e a s e d ， i nt h et h eo p t i m u ms t u d yo ff u n c t i o nc o n d i t i o n so nt h ef l o f i l t e rt e c h n o l o g y , t h r o u g h e x p e r i m e n to fd i f f e r e n ts a t u r a t i o np r e s s u r e s ，r e c y c l er a t e s ，l o a d i n gr a t e s ，w ed r a wc o n c l u s i o n s t h a tt h eo p t i m u ms a t u r a t i o np r e s s u r ei s0 3 0 m p a , a n dt h eo p t i m u mr e c y c l er a t ei s2 0 ，a n dt h e l o a d i n gr a t ei sn o te x c e e d8 m 3 ( m 2 h ) t h r o u g he x p e r i m e n to f d i f f e r e n tf i l t r a t i o nr o t e s ，f i l t r a t i o n c y c l e s ，w ed r a wc o n c l u s i o n st h a tt h ef i l t r a t i o nr a t ei sn o te x c e e d8 m h ，a n dt h ef i l t r a t i o nc y c l ei s 3d a y s ，n a m e l y7 2h o u r s t h r o u g ht h es t u d yo fa c t i v a t e dc a r b o n ，t h er e s u l ts h o wt h a ts o m em i c r o o r g a n i s mc o n g r e g a t e o nt h es u r f a c eo fa c t i v a t e dc a r b o n , a n db i o l o g yf u n c t i o nh a v ea ne f f e c tu p o nt h er e m o v a lo f o r g a n i cs u b s t a n c e t h er e m o v a lr a t eo f c o d m n i s2 4 0 0 5 3 9 1 ，a n da l o n gw i t hr u nt i m e i n c r e a s i n g ，t h er e m o v a lr a t ei se n h a n c i n g ，a n dt h er e m o v a lr a t eo fn h 3 - ni ss i m i l a r s a t u r a t i o n a i rw a t e rh a v eal i t t l ei m p a c to nb i o l o g yf u n c t i o nw i t h o u tr e f e r e n c et or u nf l o t a t i o n a c t i v a t e d c a r b o ni sw a s h e dw i t hw a t e rw h i c hi n c l u d e dc h l o r i n , w h i c hs h o w st h a tt h er e m o v a lr a t eo f c o d m n ，u v 2 5 4d e s c e n do b v i o u s l y , s ow a s h i n gw a t e rh a db e t t e rn o ti n c l u d ec h l o r i n s a f e t yh e i g h t o fa c t i v a t e dc a r b o nw a ss t u d i e d ，w h i c hs h o w st h a tw a t e rq u a l i t ys a t i s f yt h ed e m a n da f t e r7 0e n l a c t i v a t e dc a r b o nl a y e r , a n d3 0 e r aq u a r t zs a n dl a y e rp l a y sa na c t i o no f s a f e g u a r d i ti sv e r ym a r k e dt h a tq u e s h a nr e s e r v o i rw a t e r ( 1 0 wt e m p e r a t u r e ，l o wt u r b i d i t ya n da l g a e i i i 山东胃| 鱼大掌硕士掌位论文 b l o o m i n g ) i sd e a l 、】v i t l if l o f i l t e rt e c h n o l o g y , a n dt h er e m o v a lr a t e so ft u r b i d i t y , c o d m 。u v 2 5 4 a r e h i g h , a n dt h et u r b i d i t yo fe n f l u e n e ei sl e s st h a n0 5 n t ui na l g a eb l o o m i n g a n dt h et u r b i d i t yo f e f f l u e n c ei sl e s st h a no 2 n t ui nl o wt e m p e r a t u r ea n dl o w t u r b i d i t y , w h i c hi sb e t t e rt h a nd r i n k i n g w a t e rs t a n d a r d t h r o u g hf l o t a t i o nt e c h n o l o g y , t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so fc o l k , u v 2 5 4a l e 2 4 0 5 ，2 00 5 r e s p e c t i v e l y , w h i c hs h o w st h a tt h er e m o v a lo fc o d m i sb e t t e rt h a nu v 2 5 4b y f l o t a t i o nt e c h n o l o g y t h ef l o f i l t e rt e c h n o l o g yh a v eag o o de f f e c to nw a t e ro f a l g a eb l o o m i n g ，a n d t h er e m o v a lo fa l g a ei sm o s t l yi nf l o t a t i o np h a s e ，a n dt h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so fa l g a e ，c h l aa r e 6 9 5 1 6 2 8 3 r e s p e c t i v e l ya f t e rf l o f i l t e rt e c h n o l o g y f u n c t i o nm o d e so ff l o f i l t e rt e c h n o l o g y a r es t u d i e di nl o wt e m p e r a t u r ea n dl o wt u r b i d i t y , w h i c hs h o w st h a ta c t i v a t e dc a r b o nd i r e c t f i l t r a t i o ni st h eo p t i m u mf u n c t i o nm o d e ，a n di t sf l o c e u l a t i o nc o n d i t i o n sa r et h a tt h ed o s a g eo f p a f ci s 2 0 m g a l 3 + lo rt h a tt h ed o s a g eo fp a f ci s1 o m g a l ”l ，a n dp ho fw a t e ri n f l o e c u l a t i o nt a n ki s7 0 f l o f i l t e rt e c h n o l o g yw i t hp r e ，o z o n a t i o ni ss t u d i e do nq u e s h a nr e s e r v o i rw a t e rf i n a l l y , w h i c h s h o w s t h a t t h er e m o v a lr a t e o f u v 2 5 4c a nr e a c h l 0 0 ，a n d t h e c o d m , o f e f f l u e n c e i s d r o p p e d t o 1 8 7 m g l b u ti th a sal i t t l ee f f e e to nt h et u r b i d i t y f l o f i l t e rt e c h n o l o g yw i t l lo z o n e a i rh a sl i t t l e e f f e c to nt u r b i d i t y , c o d m n ，b u tt h er e m o v a lr a t eo f u v 2 5 4i n c r e a s e9 8 a n dr e m o v a le f f e c to f o z o n e - a i ri sn o ta sg o o da sf l o f i l t e rt e c h n o l o g yw i t hl y r e - o z o n a t i o n , a n do x i d a t i o no f o z o n ed on o t b r i n gi n t op l a ya d e q u a t e l y k e y w o r d s ：r e s e r v o i rw a t e rd e r i v e df r o my e l l o wr i v e r , f l o f i l t e r , d i s s o l v e da i rf l o t a t i o n , a c t i v a t e d c a r b o nf i l t r a t i o n , a l g a er e m o v a l ，o z o r l eo x i d a t i o n , 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 i v 山东建筑大聋朗罚士掌位论文 山东建筑工程学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行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，也不包含为获得山东建筑工程学院或其它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 并表示了谢意。 研究生签名：驻 山东建筑工程学院学位论文使用授权声明 山东建筑工程学院送交学位论文的复印件和电子文档，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。论文的公 布( 包括刊登) 授权山东建筑工程学院研究生处办理。 研究生签名：扭导师签名：兰圣= ! 牟日期： i l 诧茹刍叫 第1 章绪论 本课题是2 0 0 3 年度济南市科技攻关计划招标项目【济科计( 2 0 0 3 ) 3 号】，项目名称为： 引黄供水系统水质净化关键技术研究。本研究为该课题子课题之一。 1 1 研究背景 1 1 1 我国水源水状况 人们的日常生活用水和生产用水主要来自于地下水和地表水，其中地表水分布较为广 泛，来源丰富且利用较为方便。由于近几年地下水的过量使用，水位急剧下降，各种地面 水源( 如江河、湖泊和水库等) 已成为人们用水的主要来源。随着我国经济的发展、人口 的增加以及人们生活水平的不断提高，人们对淡水资源的需求和消耗不断增多，相应的城 市污水和工业废水的排放量也在不断增多。由于污水处理设施的滞后和非点源污染控制不 够得力，许多生产废水和生活污水未达排放标准就直接排入水体，天然水体受到了不同程 度的污染，水环境中的污染物质日益增多，污染物成分越来越复杂，水资源缺乏和水体污 染己成为我国经济与社会发展的制约因素1 1 1 。 2 0 0 3 年度中国环境状况公报显示，全国环境质量与上年持平，其中海河、辽河和淮河 污染程度略有减轻，松花江、珠江污染加重。黄海近岸海域污染加重；渤海和东海近岸海 域水质有所改善，但污染仍重；南海近岸海域水质与上年持平。七大水系4 0 7 个重点监测 断面中，3 8 1 的断面满足i i i i 类水质要求，3 2 2 的断面属、v 类水质，2 9 7 的断 面属劣v 类水质。其中七大水系干流的1 1 8 个国控断面中，i 类水质断面占5 3 4 ， 、v 类水质断面占3 7 3 ，劣v 类水质断面占9 3 。尤其在人口密集、工业较发达的地 区更加严重【2 】。据统计【3 】，目前我国有8 2 的江、河、湖泊受到污染，9 2 f l q 城市面临水污 染的威胁。 我国约有2 万多个湖泊，占世界天然湖泊1 1 0 ，湖泊总水域面积达7 万多平方公里， 约占全国陆地总面积的0 8 。但是，由于人为和自然原因，我国湖( 库) 水体的环境现状 令人堪忧。根据调查资料和国内外评价湖泊富营养化指标，我国3 7 个主要湖泊的富营养 状况为：中营养型和中一富营养型的占5 5 8 ，富营养型的占1 4 7 ，重富营养型的占 8 8 1 4 】。按照国际上总氮( 0 2 m g l ) 和总磷( o 0 2 m g l ) 浓度作为湖泊富营养化的评价指 标，所调查的湖泊中，多数湖泊总氮浓度一般高出5 1 2 5 倍，多数湖泊总磷高出1 0 - - 5 0 倍。 山东建筑大掌硕士掌位论文 作为我国五大淡水湖泊的巢湖，7 3 3 的水域处于富营养化状态，o 3 的水域处于极富营 养化状态。目前巢湖总氮含量在4 6 2 m g l ，总磷含量在0 4 1 7 m g l ，分别超出国家地表水 类标准十几倍到二十倍【5 1 。许多湖泊出现水华泛滥，海湾赤潮频发，其面积、强度以及 藻毒素的含量，均大幅度增长。蓝绿藻等的爆发已形成一种灾害，给沿岸地区带来了巨大 的经济损失，仅赤潮造成的损失每年就达数十亿元之多，在有些湖泊附近，人畜中毒的现 象时有发生。水体的富营养养化己对人类的健康及生态环境造成了很大威胁，如不及时治 理，后果严重【6 1 。 1 1 2 黄河济南段水资源特点 黄河作为我国第二大河，在济南境内全长1 8 5 1 k m ，流域面积2 7 7 8 k r a 2 ，黄河济南段 水资源不仅具备全流域的共性，而且也有自己的特点7 1 。 ( 1 ) 来水年际、年内变化大 黄河济南段1 9 5 1 年至1 9 9 9 年多年平均来水量为3 5 9 1 0 8 i n 3 ，来水年际变化大，径流 量最大的1 9 6 4 年为9 6 1 4 x1 0 8 m 3 ，是最小年径流量4 4 2 1 0 8 m 3 ( 1 9 9 7 年) 的2 1 8 倍。黄 河济南段来水年内分配也极不均匀，据泺口站多年观测资源统计，来水主要集中在汛期的 7 - 1 0 月份，多年平均值为2 1 7 8 1 0 8 m 3 ，占多年平均全年来水量6 0 7 ，而3 “月份和1 1 月至次年2 月份分别为6 9 1 1 0 8 i n 3 和7 2 1x1 0 8 m 3 ，分别占多年平均全年来水量的1 9 2 和2 0 1 。 ( 2 ) 断流日益加剧 由于黄河流域工农业生产耗用黄河径流量的不断增加，加上近年气候变干，水土保持 工程的截流，近年济南段入境水量逐年减少，断流日益加剧。泺口站自1 9 7 2 年6 月2 0 日 出现首次断流，年断流天数和次数不断增加，1 9 9 0 年代以来尤甚，1 9 9 7 年泺口站全年断 流2 0 0 多天。同时年内断流时间不断提前，从1 9 7 0 年代的6 月份开始断流，提前到1 9 9 0 年代的2 月份。 ( 3 ) 水质存在一定的污染 黄河济南段在丰水年份和年内丰水季节流量较大，水质较好，基本能达到国家i i i 类 水的水质标准，但在枯水年份和季节，黄河济南段己出现了程度不同的水质污染，尤其是 在断流后刚恢复过流时，因在断流时间内沿黄流域城乡工业与生活污水排放后污染物在河 道中的长期积蓄，水污染问题较为严重。在恢复过流初期，有时粪大肠杆菌高达2 4 0 x1 0 4 个l ，超标1 2 0 0 倍；总磷2 1 6 3 m g l ，超标2 1 6 3 倍。根据( 2 0 0 2 年黄河流域水资源质量 2 公报报告，2 0 0 2 年黄河济南段水功能区全年达标率仅为4 1 7 ( 水质目标为地表水i i i 类 标准) ，相当时段为v 类水体嘲。 1 1 3 济南引黄水库水水体特征 济南市水资源具有总量不足、年际变化大、年内分配不一和地域分布不均等特点。济 南市为资源性缺水地区，是全国重点缺水城市之一。济南素以“泉城”著称，以泉水闻名。 在城市范围内，分布有四大泉群七十二泉，数量之多，流量之大，实数罕见。然而，由于 地下水盲目、过度开采，致使泉水自1 9 7 5 年春季开始出现断流，几乎年年有断流现象， 尤其白1 9 9 9 年以来，济南泉群连续停喷。 为了合理利用水资源，抵御特大干旱，保障城市供水和引水保泉，济南市修建了鹊山 和玉清湖两大引黄平原水库，确保了城市供水，调整了供水结构( 济南市城市供水水源， 地下水与地表水比例由7 ：3 调整为3 ：7 ) ，保护了泉城特色( 济南泉群已正常复涌) 。 鹊山水库投资6 7 9 亿元，1 9 9 9 年1 2 月2 9 日建成蓄水，占地1 4 3 0 0 亩，调蓄库容4 6 0 0 万m 3 ，2 0 0 0 年4 月2 4 日向市区供水；配合已建成的黄水水厂，日供水能力达4 0 万m 3 d 。 玉清湖水库投资l o 亿元，2 0 0 0 年1 2 月2 9 日竣工通水，占地9 2 0 6 亩，调蓄库容4 8 5 0 万 i n 3 ，配合新建的玉清水厂，日供水能力达4 0 万m 3 d 。 鹊山水库( 1 9 9 9 年开始蓄水) 和玉清湖水库( 2 0 0 0 年开始蓄水) ，由于水体处于封闭 或半封闭性状态，水流迟缓，水体交换能力差，水质更新周期长，悬浮物沉积作用强等原 因，出现了富营养化的趋势，并引起藻类繁殖。主要污染问题为氮磷营养物质和有机物污 染。从近两年来的测定结果来看，总氮平均在3 m g l 以上，氮、磷含量及比例均超过相关 富营养化水体的临界值，水体上呈现富营养化状态，表现在藻类疯长( 总量超过1 0 6 c e l l l ) ， 叶绿素a 平均1 0 - 2 0 嵋几，严重时接近3 0 9 9 l ，溶解氧减少，浊度降低，微囊藻毒素超过 1 p g l ；有机物化学需氧量( c o d 。) 平均2 0 - 3 0 m g l ，耗氧量( c o d t v a 0 接近6 m g l ，总 有机碳( t o c ) 变化范围大，在1 0 , - , 3 0 m g l 。 鹊山水库水的另一大特征低浊，黄河泥沙含量较高，经过鹊山水库静沉后，一般情况 下常年浊度小于5 n t u ，浊度较高时1 0 n t u 左右，特别是冬季原水浊度一般在3 n t u 以 下，另外由于济南的气候特征，冬季气温较低，因而库区水体在冬季要经历较长时间的低 温低浊期。 1 1 4 传统给水处理工艺局限性 山东建筑大掌硕士掌位论文 饮用水的安全性对人体健康至关重要，随着人民生活水平的提高，人们对水质的要求 有了新观念，要求饮水水质第一无害，第二有益 9 1 。我国未来饮用水水质状况是相当严峻 的，提高我国的供水水质是当务之急。2 0 0 5 年，建设部颁布的城市供水水质标准，对 供水水质提出了更高的要求，与现行的国标生活饮用水卫生标准( 1 9 8 5 年颁布) 相比， 检测项目由3 5 项增加到9 3 项，包括一些分量检测，总项目达1 0 1 项，其中常规检测项目 4 2 项，非常规检测项目5 9 项。这是一个飞跃性的变化，将使饮用水水质安全保障进一步 与国际接轨，提高到一个新的水平，这对我国传统的水处理技术提出了严峻的考验。 多数自来水厂通常采用传统的水处理技术：混凝一沉淀一过滤一消毒，传统工艺可去 除水中大部分悬浊物及杀菌，但对微量有机污染物、氨氮、藻类没有明显的去除效果，并 且水藻增多会致使滤池堵塞、运行周期缩短等诸多问题n 1 1 。若采用加混凝剂以去除高分 子有机物、藻类和部分重金属，混凝剂用量大，难控制，运行费用高，沉淀量大，且脱水 困难【1 7 1 。 2 0 0 3 年度中国环境状况公报显示，我国主要湖库的富营养化问题依然突出，因此， 我国不少地区的饮用水处理不得不面临高藻问题，一些南方地区在一年中较大部分时间内 都要面临这样的问题。我国北方不少水源水在一年中较大一部分时间内属于低温低浊，而 且有些水源水在气温较高、降水量较少时又呈现高藻性状。作为济南市的主要水源，引黄 水库水常年为低浊、高有机物含量，在春秋两季会出现藻类爆发，而在冬季时则呈现典型 的低温低浊性状。针对济南引黄水库水低温、低浊、高藻的水体特征，常规工艺已经难以 满足日益提高的水质要求。因此对饮用水净化处理技术提出了更高、更新的迫切需求。 1 2 气浮法工艺原理及其应用研究进展 1 2 1 气浮法原理 长期以来，在水和废水的处理中，基本都采取沉淀法用于固液分离。但对于比重接近 于水的物质，沉淀法就难以去除。七十年代以来开发的气浮技术，较好的解决了这一问题。 气浮法是固液分离的一种方法，是载气浮升净水方法的简称。它是通过某种方式产生 大量的微气泡，使其与废水中密度接近于水的固体或液体颗粒粘附，形成密度小于水的气 浮体，在浮力的作用下，上浮至水面，进行固液或液液分离。 气浮过程大体上通过下列四个步骤来完成：o ) 在原水中投加混凝剂或气浮剂，使原水 脱稳并形成大量的絮体；( 2 ) 产生尽可能多的微气泡；( 3 ) 形成良好的气泡一絮凝体颗粒结合 4 山东建筑大掌硕士学位论文 体；( 4 ) 使结合体与废水分离。要实现气浮分离必须，必须具备以下两个条件：一是必须向 水中提供足够数量的微气泡；二是必须使要分离的物质呈悬浮状态或具有疏水性质，有利 于与气泡结合并上浮。 ( 1 ) 水中气泡的形成及特性 压力溶气水通过溶气释放器释出的微气泡，在其气泡外层包着一层透明的水膜，且富 有弹性。为了不让空气分子逸出气泡膜，组成此膜的水分子既紧密又稳定。在范德华引力 和氢键作用下，它们作定向有序排列见图1 1 ，从而使气泡膜具有一定的牢度，除排列疏 松的外层( 称流动层) 泡膜在上浮过程中受浮力和阻力的影响流动外，其内层( 称附着层) 泡膜 与空气一起构成稳定的微气泡而上浮 1 3 】。 a 3 极性水分子缔合体 流动层 图卜1 微气泡构造示意图 气泡受水流紊动撞击时，会使泡膜局部流失，可能四周受力不均，引起外压失去平衡， 气泡变形，破裂和并大。若在水中投加长链的高分子物质，则可提高泡膜的韧性和强度。 ( 2 ) 水中絮粒的形成及特性 水中胶体可分为亲水胶体和憎水胶体。亲水胶体一般都是大分子有机化合物，如染料， 蛋白质和碳水化合物等。憎水胶体通常指水中的粘土，硅酸盐等刚性物质。若亲水的大分 子有机物附着在粘土和硅酸盐等物质上，将亲水性质传给了憎水胶体，这类胶体被称为亲 水胶体。就亲水胶体来说，他们的可电离基团与水解的多价金属离子结合形成络合物而脱 稳，并通过金属氢氧化物的化学架桥而发生凝聚。憎水胶体则由于粘土和硅酸盐都有很大 的活性，在吸附水解的金属离子后，发生双电层压缩而脱稳，或通过铁、铝氢氧化物的架 桥作用发生絮凝。 氢氧化铝、铁胶粒的憎水基团可在水中相互吸附形成网状絮凝结构，这种网状结构起 着化学架桥的作用。脱稳后的粘土由于恢复了憎水性，能粘附在氢氧化铝、铁胶粒的未饱 和憎水胶体上，结成絮粒。絮粒内网围了大量的自由水，在受挤压后可以脱离絮粒。氢氧 s t i t 东建筑大掌硕士学位论文 化铝、铁胶粒的两侧具有亲水性能，吸着较厚的水膜层使之粘附粘土的功能减弱。 由于铁、铝氢氧化物网络结构具有吸附和架桥的双重作用，因此，稳定性被破坏后的 憎水胶体或亲水胶体，均可通过化学吸附或物理吸附而粘附在网络结构的憎水基团上，形 成疏松的，含水率很高的絮凝颗粒。 对于相同的絮粒，若粘附的脱稳颗粒越多( 尤其是比重较大的粘土，硅酸盐等刚性颗 粒) ，则其密实性和容重越大，气浮时要求的微气泡数也越多。同时粘附的脱稳越多，则剩 余的憎水基团越少，相对的其憎水性能也越差，这对气浮分离不利。因此，絮体中粘附的 颗粒不宜过多，以保持较多的剩余憎水基团，使其与气泡的粘附力增强，使粘附的气泡数 更多、更牢，带气絮粒的上浮性能也更好。 ( 3 ) 气泡与絮粒的粘附 研究气浮净水机理实质上就是研究气泡与絮粒的粘附。从气泡与絮粒接近时中间水化 层自由能的变化曲线( 如图1 2 ) 可以看出，气泡与絮粒粘附时( 气泡与絮粒的距离由h l 到 1 1 4 ，此时中间水化层自由能达到最低值，如图中的d 点) ，两者之间还存在着一层残留水化 层，这层水化层是很难去除的。用气浮法去除水中颗粒的机理可分为两步：絮粒转移到气 泡表面和絮粒粘附到气泡上。 翱b 习魁 图1 2 气泡与絮粒表面接近时中间水化层自由能b 的变化 根据气泡和絮粒的各自特性，结合气浮净水研究实践中的各种现象，得出气泡和絮粒 的粘附，主要是以下因素综合作用的结果u 4 15 1 。 1 ) 气泡与絮粒的碰撞粘附作用 由于絮粒与气泡带有一定的憎水性能，他们的比表面积又很大，并且有剩余的自由界 面能，因此，他们都有相互吸引而降低各自表面能的倾向。在一定的水力条件下，具有足 够动能的微气泡和絮粒相互靠近时，彼此挤开对方结合力较弱的外层水膜而靠近，当排列 6 山东建筑大掌硕士掌位论文 有序的气泡内层水膜碰到絮粒的剩余憎水基团( 包括活性较大的脱稳胶粒) 时，相互通过分 子间的范德华引力而粘附。视碰撞动能的大小，气泡可以粘附在絮粒外围，也可以挤开絮 粒中的自由水而粘附在内部。絮粒与气泡粘附点越多( 见图1 3 ) 粘附得越牢。碰撞机理 主要包括布朗运动，相互介入和重力沉淀作用。 图1 3 絮粒与气泡的粘附 2 ) 絮粒的网捕、包卷和架桥作用 在以下三种情况下，絮粒可将微气泡包围在中间：( 1 ) 动能较大的微气泡撞迸大絮粒 网络结构的凹槽内，被游动的絮粒所包卷。( 2 ) 两絮粒互撞结大时，将游离在中间的自由 气泡网捕进去。( 3 ) 己粘附和有气泡的絮粒之间互撞时，通过絮粒，气泡或两者的吸附架 桥而结大，成为夹泡性带气絮粒。 3 ) 气泡与微絮粒之间的共聚作用 理想的带气絮粒应将气泡包含在絮粒内部，这样在上浮过程中，气泡不会脱落，而且 成为浮渣后也不轻易下沉。为此，尽可能实现微絮粒与微气泡的碰撞粘附并在上浮过程中 继续并大长大。这种有微气泡直接参与絮凝而与絮粒共聚并大的过程称作共聚作用。 4 ) 表面活性剂的参与作用 为了提高处理效果，常常在原水中首先加入表面活性剂或絮凝剂，使亲水物质变为疏 水物质，使细小的油珠或其它微细颗粒凝聚成较大的絮凝体颗粒，然后形成气泡一絮凝体 颗粒结合体而加速上浮。 随着实验方法的提高，尤其是原子力显微镜的应用，界面研究进一步深入，同时，不 同学科领域相关研究者对气泡性质的研究也取得很大的进展。由于对表面形状、胶体颗粒 7 山东建筑大掣q 肚掌位论文 相互靠近过程中的作用力以及表面特性能够直接或间接测量，这就大大提高了人们对表面 作用过程的认识，为气浮过程中接触絮凝作用定量化奠定基础。随着气液界面属性、颗粒 物表面性质研究的不断深入，对颗粒与气泡的表面性质、相互作用以及影响因素的了解液 逐步加深，为了充分利用气浮过程中的接触絮凝作用，发挥气泡的接触介质功能，需要对 现有水处理工艺进行改进，设计形式更为合理的高效反应器，从而开辟水处理的新时代。 1 2 2 气浮法分类 气浮法按产生微气泡方式的不同，可分为电解气浮法、散气气浮法、生物及化学气浮 法和溶气气浮法。 电解气浮法：该法在水中设置正负电极，当通上直流电后，一个电极( 阴极) 上即产 生初生态微小气泡，同时，还产生电解混凝等效应。 散气气浮法：该法利用机械剪切力，将混合于水中的空气粉碎成细小气泡。例如水泵 吸水管吸气气浮，射流气浮，扩散板曝气气浮及叶轮气浮等，皆属此类。 生物及化学气浮法：该法利用水生物的作用或在水中投加化学絮凝剂絮凝后放出气 体。 溶气气浮法：该法在一定压力下使空气溶解于水并达到过饱和状态，而后再骤然减至 常压，使溶于水的空气以微气泡形式从水中溢出，从而达到气浮作用。溶气气浮法是目前 最为常用的一种气浮方法。 溶气气浮( d i s s o l v e d a i rf l o t a t i o n ，d a f ) 法根据气泡析出于水时所处的压力情况，又 分为加压溶气气浮法和溶气真空气浮法两种。 ( 1 ) 溶气真空气浮法 溶气真空气浮的主要特点是，气浮池是在负压( 真空) 状态下运行的。至于空气的溶 解，可在常压下进行，也可在加压下进行。溶气溶气真空气浮池如图所示。 由于在负压( 真空) 条件下运行，因此，溶解在水中的空气，易于呈过饱和状态，从 而大量地以气泡形式从水中析出，进行气浮。析出的空气数量，取决于水中溶解空气量和 真空度。这种方法在生产中使用的不多。 ( 2 ) 加压溶气气浮法 加压溶气气浮法是空气在加压条件下溶入水中，再使压力降至常压，把溶解的过饱和 空气以微气泡的形式释放出来。 用于给水净化方面的目前常用加压溶气气浮法。这是由于随着压力的增大，空气在水 8 山东建筑大酋钡士掌位截 文 中的溶解度也不断增加，气泡量足以满足气浮的需要，而且经骤然减压，释放出的气泡平 稳、微细( 初始粒度约8 0 p m 左右) 、密集度大。同时在操作过程中，气泡与水的接触时间 还可人为加以控制。另外，此法工艺比较简单，造价较低，管理维修也比较方便。因此， 溶气气浮的净化效果较高，在给水处理中得到了较为广泛的应用。 1 2 3 加压溶气气浮 ( i ) 加压溶气气浮的特点 加压溶气气浮法与电解气浮法和散气气浮法相比具有以下特点： 1 ) 水中的空气溶解度大，能提供足够的微气泡，可满足不同要求的固液分离，确保 去除效果。 2 ) 经减压释放后产生的气泡粒径小( 2 0 l o o p m ) 、粒径均匀、微气泡在气浮池中上升 速度很慢、对池扰动很小，特别适用于絮凝体松散、细小的固体分离。 3 ) 设备和流程都比较简单，维护管理方便。 ( 2 ) 加压溶气气浮法工艺流程 加压溶气气浮工艺由空气饱和设备、空气释放设备和气浮池等组成。其基本工艺流程 有全溶气流程、部分溶气流程和回流加压溶气流程三种“6 1 。 1 ) 全溶气流程 该流程如图l - 4 所示，是将全部原水进行加压溶气，再将减压释放装置进入气浮池进 行固液分离。与其它两流程相比，其电耗高，但因不另加溶气水，所以气浮池容积小。至 于泵前投混凝剂形成的絮凝体是否会在加压及减压释放过程中产生不利影响，目前尚无定 论。从分离效果来看并无明显区别，其原因是气浮法对混凝反应的要求与沉淀法不一样， 气浮并不要求将絮体结大，只要求混凝剂与水充分混合。 ( 1 - 原水池；2 一水泵；3 空压机；4 压力溶气灌：5 溶气释放器；6 一气浮分离室：7 - 集渣槽；8 - 集水管) 图1 - 4 全溶气流程 9 山束建筑大掌硕士尊啦论文 2 ) 部分溶气气浮 该流程如图l - 5 所示，是将部分原水进行加压溶气，其余原水直接送入气浮池。该流 程比全溶气流程省电，另外因部分原水经溶气罐，所以溶气罐的体积比较小。但因部分原 水加压溶气所提供的空气量较少，因此，如若想提供同样的空气量，必须加大溶气罐的压 力。 混 ( 1 原水池；2 - 水泵；3 空压机；4 - 压力溶气灌；5 - 溶气释放器；6 气浮分离室；7 集渣槽；8 集水管) 图l - 5 部分溶气流程 3 ) 回流加压溶气流程 该流程如图1 6 所示，将部分出水进行回流加压，原水直接送入气浮池。该法适用于 含悬浮物浓度高的原水的固液分离，但气浮池的容积较前两者大。 混 ( 1 原水池；2 水泵；3 空压机；4 压力溶气灌：5 溶气释放器；6 气浮分离室；7 一集渣槽；8 ，集水管) 图1 - 6 回流加压溶气流程 1 2 4 溶气气浮法在国内外研究应用进展 气浮分离技术是水质净化处理中的一项独特技术，它对分离密度接近于水的油类、纤 维、悬浮固体、藻类、活性污泥或生物膜等非常有效。目前在国内外这项技术己较多的应 用于工业废水及生活污水的处理上。在给水处理方面，由于饮用水水源受到不同程度的污 染，也得到较为广泛的应用。主要用在传统沉淀( 澄清) 法处理效果很差的水体方面，例 如低温、低浊水，含大量藻类水，以及受有机物污染的河、湖、水库等水体。 1 0 ( 1 ) 国外气浮净水技术的发展 气浮净水技术起源于矿物浮选法，1 9 2 0 年p e c k 曾考虑用气浮法处理污水，1 9 4 5 年也 出现了气浮法用于给水处理的报导。但截止到2 0 世纪5 0 年代，气浮净水技术的发展相当 缓陧。其原因主要是微气