（环境工程专业论文）微污染原水混凝处理的应用研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济和生活水平的迅速发展，城市和农业经济的发展模式造成排 污量增加，而相应基础设施的滞后使得污水处理能力提高缓慢，水源水受到严 重污染。目前对微污染原水的处理主要采用传统工艺的强化以减少成本。在传 统的工艺中，混凝过程是应用最普遍的关键环节之一，它决定着后续流程的运 行工况、最终出水水质和成本费用。 本文不改变生产工艺，通过选择混凝性能优良的混凝剂来改善混凝以期达 到更好的出水水质，减少混凝剂的投加量，降低生产成本。所选用的六种混凝 剂聚合硫酸铁( p f s l 、p f s 2 ) 、聚合氯化硅酸铝( p ：a s c ) 、聚合氯化铝铁( p 虹c ) 和聚合氯化铝( p a c l 、p a c 2 ) 均为无机高分子混凝剂，以铁盐和铝盐为主。本 次试验分为小试、中试和生产性试验三个阶段。在小试试验阶段用烧杯混凝试 验对六种混凝剂的混凝性能和稳定性能进行比较，选择混凝性能最好的两种混 凝剂p a c i 和p a f c ，确定温度对这两种混凝剂投药量的影响，结果表明当温度从 1 8 5 降低到6 9 时，在小试试验中两种混凝剂的投加量增加了约一倍 中试试验设备模拟生活水车间的工艺设备和水力学条件，选用小试试验中 挑出的混凝剂p a c i 和p a f c ，进一步比较这两种混凝荆的混凝性能，其中p a c i 为水厂目前所使用的混凝剂。中试试验结果表明达到相同的出水浊度时，p a f c 的投药量比p a c i 少用i i 7 ，在此条件下对其它水质指标进行分析发现，其它出 水水质指标相差不大。分析除浊率对c o d m 。的去除率的影响可知，c o d m n 的去 除率在一定范围内随浊度去除率的增加而增加，直到到达一峰值后不再增加。 通过正交试验对p a f c 运行的影响因素进行分析，试验结果表明，在温度、搅拌 速度和投药量三个因素中，温度( 从1 5 0 降低到4 0 ) 对混凝剂p a f c 的出水 浊度影响最大。 最后通过在生活水车间和工业水车间的生产性试验验证p a f c 的稳定性并进 行经济成本核算。在低温4 o 时在生活水车间进行试验，研究结果表明，达到 相同出水水质时混凝剂p a f c 比混凝剂p a c i 的投加量少2 0 7 ，并节省成本 1 3 8 ；而在工业水车间，当水温在4 0 1 2 o 时，p a f c 比p ：a c l 的投加量少 1 5 7 并节省成本8 1 。目前混凝剂p a f c 已经用于该水厂的工业水车间替代了 原来的混凝剂p a c l 摘要 关键词：聚合氯化铝，聚合氯化铝铁，小试试验，中试试验，生产性试验 a b s t r a c t w i t ht h er a p i di m p r o v e m e n to f o u re c o n o m ya n dl e v e lo f r e s i d e n t s l i f eb l i t w i t h o u ta c c o m p a n yo f t h ef a c i l i t yo f w a s t e w a t e rt r e a t m e n l “抛u r w a t e l i sp o l l u t e d s e v e r a l y a tp r e s e n te n h a n c i n gt h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s i st h em a i nt e c h n o l o g yf o r m i c r o - p o l l u t e dw a t e r c o a g u l a t i o np l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s ， w h i c hd e c i d e st h es u b s e q u e n tp r o c e s s e s ，f i n i s h e dw a t e rq u a l i t ya n dc o s t i m p r o v i n gc o a g u l a t i o nb ys u b s t i t u t e dc o a g u l a n t sw a sd e s i g n e di nt h i st r i a li n o r d e rt oa 血珀n t h ef i n i s h e dw a t e rq u a f f t y , r e d u c et h ed o s a g eo f t h ec o a g u l a n ta n d t h e nd e c r e a s et h ec o s t s i xd i f f e r e n tc o a g u l m t sw e r er e s p e c t i v e l yp o l yf e r r i cs u l f a t e ( p f s1 、p f s 2 ) ，p o l ya l u m i n u ms i l i c a t ec h l o r i d e ( r a s c ) ，p o l ya l u m i n u ma n d f e r r i c c h l o r i d e ( p a f c ) a n dp o l ya l u m i n u mc h l o r i d e0 a c l 、p a c 2 ) ，w h i c h a l ea l li n o r g a n i c p o l y m e rc o a g u l a n t s i no r d e rt of i n dt h eo p t i m u mc o a g u l 吼c o m p a r a t i v es t u d yw a s e m p l o y e df i - o ms t a g e1t os t a g e3 t h ef i r s ts t a g ew a s j a rt e s t 。t h es e c o n ds t a g e w a s p i l o t - s c a l es t u d y , a n d t h et h i r ds t a g ew a sp r o d u c t i v ee x p e r i m e n t j a rt e s tw a go p e r a t e d 们t hs i xd i f f e r e n tc o a g u l a n t sa tf i r s tt oc o m p a r et h e i rc o a g u l a t i o na n ds t a b i l i t y i t s o b s e r v e dt h a tp a c ia n dp a f ch a db e t t e re f f i c i e n c yt h a na n yo t h e r sa n dw c l es e l e c t e d i n t ot h en e x ts t a g e ，w h i c hw a sp i l o t - s c a l es t u d y a n dt h ee f f e c to f t e m p e r a t u r eo nt h e d o s a g e o f p a c ia n d p a f c w a sa n a l y s e d q u a n t i t i v e l y i n j a r t e s t t h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a tw h e nt h et e m p e r a t u r ef e l ld o w nf t o m1 8 5 t o6 9 t h ed o s a g eo f b o t h c o a g u l a n = w e 他a l m o s td o u b l e h l o t - s c a l es t u d yw a so p e r a t e d 诵t ht h ee q u i p m e n ti m i t a t i n gt h er e a lp r o c e s sa n d h y d r a u l i c sc o n d i t i o n , a n dc o a g u l a n t sp a c ia n dp a f cw e r es e l e c t e d t h ef o r m e ri s t h ec u r r e n tc o a g u l a n ti nt h ew a t e rp l a n tf o rs e v e r a ly e a r s t h er e s u l t si nt h e c o m p a r a t i v e t e s ti n d i c a t e dt h a tw h e nt h et r e a t m e n te f f i c i e n c yk e p te q u a l ，t h ed o s a g e o f n 虹w a s1 1 7 l e s st h a nt h a to f p a c l t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h em n o v a l o f c o d m nw a sa f f e c t e db yt h er e m o v a lo f t u r b i d i t y i no r d e rt of o r s e et h ee f f e c to f t e m p e r a t u r e ，s t i r r i n gr a t ea n dt h ed o s a g e o ne x p e c t e dw a t e rq u a l i t y , o r t h o g o n a lt e s t w a se m p l o y e d t h er e s u l t ss h o w e dt e m p e r a t u r eh a dl a r g e s te f f e c t p r o d u c t i v ee x p e r i m e n tw a so p e r a t e di nd r i n k i n gw a t e rw o r k s h o pa n di n d u s t r i a l m a b s f f a c t w a t e rw o f f , s h o pw i t ht h ec o a g u l a n t sp a c la n dp a f ct oc 础n nt h eg t a b i t i t ya n d c h e c kt h ec o s t t h ee x p e r i m e n tw a so p e r a t e da tl o wt e m p e r a t u r e ，t h er e s u l ti n d i c a t e d t h a tt h ed o s a g eo f p a f cw a s2 0 7 l e s st h a nt h a to f p a c li nd r i n k i n gw a t e r w o r k s h o pa t4 0 c a n dr e d u c e dt h ec o s tb y1 3 8 w h i l ei tw a s1 5 7 i ni n d u s t r i a l w a t e rw o r k s h o pa tt e m p e r a t u r ef r o m4 0 t o1 2 0 ca n dr e d u c e dt h ec o s tb y8 1 a tp r e s e n t ，t h ec o a g u l a n tp a f ch a sa l r e a d yb e e ns u b s t i t u t e df o rp a c ii ni n d u a t r i a l w a t e rw o r k s h o p k e yw o r d s ：p o l ya l u m i n u mc h l o r i d e , p o l ya l u m i n u ma n df e r r i cc h l o r i d e , j a rt e s t , p i l o t - s c a l es t u d y , p r o d u c t i v ee x p e r i m e n t 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： 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。弓厶，霜候 学位论文作者签名： 神年3 月f 日 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，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。 签名： 年月日 第1 章引言 第1 章引言 在给水源水不断恶化、需要的给水水量不断增加且给水水质要求不断提高 的今天，获得安全、优质的饮用水所需要的成本越来越高。随着环保呼声日益 强烈，水处理的难度大大增加，以往的许多水处理工艺已经不能适应现代人们 的要求。在常规情况下采用机械手段很难完全达到处理目标，如果大规模重建 水厂投资巨大、周期较长、负担沉重。在这种情况下，我们不得不进行化学强 化。如何强化现有处理工艺，充分利用已有水资源，对已有设施和条件进行改 造，使净水技术和设备处于相对经济合理的状态，以达到给水水质要求，是当 前的一个重要课题。 城市用水和工业废水处理工艺中，混凝过程( 混合、凝聚、絮凝) 是应用 最普遍的关键环节之一。它决定着后续流程的运行工况、最终出水水质和成本 费用，因而混凝剂的开发和优化使用成为水处理过程中重要的科技研究开发领 域( 1 l 。对混凝过程影响最大的是混凝剂的性能及其相应的运行条件，通过研究不 同混凝剂的运行条件，找出最适合源水水质的混凝剂和最优化条件，能够有效 地指导净水厂混凝剂的选择和运行，达到提高出水水质，减少药剂使用量、降 低运行成本的目的 1 1 水资源污染面临的问题 我国多年平均水资源总量居世界第六，但按人均占有量计算，只相当于世 界人口平均占有量的1 4 ，所以我国是淡水资源贫乏的国家，而对于仅有的这一 点水资源，其污染问题也极为严重。随着经济的不断发展，人们对淡水的需求 量不断增加，淡水资源的缺乏已经严重制约了经济和社会的发展。而且不久以 后，这将成为世界各国普遍面临的严重问题。 1 1 1 水资源环境现状 由于目前我国的水环境污染问题已经进入大范围生态退化和复合性环境污 染的阶段，环境污染触目惊心，导致我国居民饮用水安全存在很大的隐患。2 0 0 5 年中国水资源公报显示： ( 1 ) 河流水质国家环境监测网中七大水系的4 1 1 个地表水监测断面中，水 第l 章引言 质总体状况是：i 、类水河长占2 4 ，i h 类水河长占1 7 ，i v 类水河长占2 5 ， v 类水河长占7 ，劣v 类水河长占2 7 。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧 量、高锰酸盐指数和石油类。 表1 12 0 0 5 年七大水系永质类别比例 ( 2 ) 湖泊水质2 0 0 5 年，2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足类水质的湖( 库) 2 个；类水质的湖( 库) 6 个；水质的湖( 库) 3 个：v 类水质的湖( 库) 5 个：劣v 类水质的湖( 库) 1 2 。t - 。其中。太湖、滇池和巢湖水质均为劣v 类。 主要污染指标为总氮和总磷。 总体而言，近一半城镇饮用水源地水质不符合标准，环境污染造成的损失 相当g d p 的3 8 。生态与环境面临新一轮社会、经济发展的压力。 1 1 2 微污染原水的污染特点 水源水质污染成分复杂，水体污染物如合成洗涤剂、有机氯农药、多氯联 苯( p c b ) 和多环芳烃( p a h ) 等合成有机化合物，以及氰化物、重金属类、放 射性物质等，它们极难降解净化，在水体中很难通过自净作用达到挣化无害化 目的。 微污染原水的污染特点与危害主要包括以下几个方面； ( 1 ) 有机污染 我国河流水环境污染以有机物为主。饮用水中的有机化合物大体可分为天 然的和人工合成的两大类，随着毒理研究和检测水平的提高，在给水中已检测 出的有机物质达2 2 2 1 种，其中饮用水中有7 6 5 种。其中就有致癌物和可疑致癌物 的污染，可导致自来水中存在种类繁多的有机化合物和其它有毒有害物质【2 1 。所 以有机污染的矛盾最为突出，它导致原水中的氨氮、c o d 、b o d 、t o c 和酚等 浓度高、溶解氧少甚至消耗殆尽，某些污染严重的水体经常出现黑臭的情况。 第l 章引言 ( 2 ) 消毒副产物前体物污染 饮用水中的三卤甲烷和卤乙酸除少量由工业废水带入水源外，绝大部分由 氯与水中天然有机物反应生成，其中预氯化会产生一部分消毒副产物。来源于 土壤腐殖质低分子量组分以及水生植物和低等的浮游生物分解的腐殖酸和富里 酸等有机物【3 】，是消毒副产物的主要前体物。这些污染物难于在常规处理工艺中 被完全去除，在后氯化时还会产生一部分消毒副产物【4 】，但后氯化产生的消毒副 产物不再经过任何工艺处理直接进入管网。有研究表明【5 】，用臭氧和氯胺在慢速 砂滤池前预氧化可使三卤甲烷和卤乙酸的浓度大幅度地降低。美国的水处理工 作者普遍认为【6 】，强化混凝效果是实现消毒物、消毒副产物规定的第一阶段目标 的最佳途径。 为了保证饮用水的安全性，各国都制定了严格的饮用水标准，对饮用水中 三卤甲烷和卤乙酸的最高浓度做出了规定。我国饮用水卫生标准中。对三卤甲 烷和卤乙酸没有明确要求，只规定三氮甲烷为6 0 呜l 一 ( 3 ) 无机离子污染 上世纪5 0 年代重金属为主的有毒有害物质曾是重点关注的危害健康的污染 物。当时日本经济发展较快，环保没跟上，曾发生地区性汞引起的水俣病和镉 引起的疼痛病。由于无机离子污染源少且集中，一旦发现通过内部处理，多数 可获得缓解。 “) 内分泌干扰物 上世纪9 0 年代人们关注到内分泌干扰物对野生动物与人类的危害。内分泌 干扰物一般具有类似于激素的结构或功能，可以模拟激素的作用与受体相结合， 从而干扰生物体的正常生理功能。作用机理是【7 】：进入生物体的内分泌干扰物与 生物体本身的激素竞争靶细胞上的受体，产生阻碍作用，影响内分泌系统与其 他系统的互动作用。 ( 5 ) 危害生物稳定性 存在于管网中的污染物质对居民身体健康和工业冷却等方面都存在潜在危 害。长期以来，有机碳被认为是控制饮用水中异氧菌生长的主要营养物质，尤 其是易被微生物所降解的可同化有机碳，被普通认为是评价饮用水生物稳定性 的主要指标喁】。原水中氨氮、亚硝酸盐氮和总磷污染较严重时，氨氮的存在有利 于一些自养性细菌如氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌以此为基质在水处理构筑物及 配水系统中生长，从而影响了饮用水的安全性和水质生物稳定性 9 1 。而磷的缺乏 第1 章引言 对细菌的生长存在一定的抑制作用【1 0 】有研究表明【i f l 我国北方许多水处理厂 管网中的可同化有机炭含量都不能保持在5 0 - - 1 0 0 ug l 1 以下 1 2 研究背景 本课题于上海市金山区中国石化上海石油化工股份有限公司水厂( 简称石 化水厂) 运行，水厂位于上海市西南角的金山卫地区，隶属于上海石化股份有 限公司，肩负着为股份公司、金山区、临近乡镇企业和市民供水的重任。目前， 水厂共设有原水、工业水、低硅水和生活水四个车间，总设计取水能力为1 2 0 万m 3 ，d ，原定总供水能力为1 1 4 万m 3 d ；其中生活水、工业水和低硅水三个系 统的设计水量分别为1 3 万m 3 d 、5 5 万m 3 d 和1 6 万m 3 d 。制水工艺主要采用混 凝、沉淀、过滤、消毒等传统的净化工艺。本次的研究对象主要是净水混凝荆 的选择和使用。 混凝处理是提高水质的关键技术之一。在城市自来水的常规处理中，混凝 处理是第一道生产工序，同时也是整个水处理的基础它直接影响后续处理工 艺的工况、出水水质和处理成本，因而选用价格低廉、无毒、处理效果优良、 易于储运的混凝剂是现在水厂普遍关注的问题。 出水水质高、投药剂量省、成本低是选择混凝剂的重要指标。在每个不同 地区的原水性质会有所差异。对某水厂的原水混凝效果好的混凝剂用在其他水 厂时未必能得到同等的混凝效果。所以在进行生产性试验以前，有必要通过严 格的小试试验和中试试验对所选药剂进行论证 本课题的研究背景具体可从以下四个方面进行论述： 1 2 1 水量的需求增加 石化水厂自1 9 7 2 年开始筹建以来，由于该地区城市规模和工业的发展，自 八十年代以来，随着二、三期扩建工程的竣工和投产，水厂规模不断扩大。随 着人们生活水平的提高，目前人们对水质水量的需求提出了更高的要求。由图 1 1 可知，近几年的平均进水量是年设计进水量的5 5 6 * , - 7 2 5 ，且用水量随季 节波动，在夏季用水量大，冬季用水量小 4 第1 章引言 + 工业水车问 年度 + 生活水车间 圈1 3 承厂近几年的用水量 1 2 2 水源水质恶化 石化水厂目前的取水水源共有两处：生活水取水水源张堰及工业水取水求 源张泾。前几年，随着取水口附近养殖业、石灰厂、建材厂、酱菜厂等工厂的 相继建成和投产再加上四季农田灌溉的影响，污染源不断增加并趋于复杂化， 原水水质急剧恶化。近两年来，由于黄浦江上游原水保护得到市政府重视，采 取了一些行之有效的措施，使原水水质得到一定改善。 在试验开始前期对水源水质进行了调查。以下的图表详细介绍了水厂近年 来水质变化规律和变化趋势。以下分析的水源水质为生活水车间的水源水质 ( 1 ) 浊度的变化情况 5 第l 章引言 月份 圈l _ 22 0 0 1 - 2 0 0 5 年原水浊度月平均变化图 由图1 2 所示，浊度在一年四季变化幅度较大，到2 0 0 4 年浊度月平均变化 开始平稳，最高月平均为1 1 2 0 0 n t u ，最高浊度与2 0 0 3 年比有所下降，但仍较 高，2 0 0 5 年浊度比2 0 0 4 年有所下降。浊度的恶化已经减缓并逐渐趋于平稳。 ( 2 ) 耗氧量 l 乙 目 商 辑 耀 l234567891 01 11 2 月份 图1 32 0 0 1 - 2 0 0 5 年耗氧量月平均变化图 河流水质的主要污染指标之一是耗氧量。资料显示，原水耗氧量一年中7 月份达最高，总体而言前几年耗氧量呈逐年上升趋势，直到2 0 0 4 年趋于平缓， 6 第1 章引言 2 0 0 4 年平均耗氧量为9 3 l i n g l 1 。按地面水质量分类看，水源水常年处于、 类水质水平。在2 0 0 3 年最差时的水质达到地面水质v 类。 ( 3 ) 色度 原水色度如下表所示- 表1 22 0 0 1 2 0 0 5 年原水色度的变化 由表1 2 可知原水色度在2 0 0 2 年达到最高，之后色度趋于稳定，呈逐年下 降趋势。 ( 4 ) 氨氮 l 旨 鹾 域 瓜一彳。 ( 飞粤印、弋 ? 、r 勺p 乡j 则i 。一 卜一二器j 弋吣b2 港笃 y _ r7 1234567891 01 11 2 月份 图1 42 0 0 1 - 2 0 0 5 年氨氮月平均变化图 由于原水生活粪便污染和水葫芦污染一年比一年严重，河道自净能力不足， 导致原水中氨氮含量上升。资料显示：一年中氨氮7 月为最高，月平均逐年上 升趋势，到2 0 0 2 年趋势线最高，而从2 0 0 4 年开始变化趋于平稳，最低月平均 值仅为0 2 l i n g - l 。 ( 5 ) 总锰 石化水厂取水口原水总锰远远高于黄浦江米市渡监测点，一年四季变化幅 度较大，自2 0 0 1 2 0 0 3 年间锰呈逐年上升趋势，直到2 0 0 4 年以后变化趋于平稳， 2 0 0 4 年的变化范围在0 2 0 - - 0 4 l i n g l 1 之间 7 第1 章引言 从以上五项指标看，生活水取水口原水自2 0 0 4 年开始已有所改善，原水污 染程度趋缓，有关资料显示，1 9 9 8 年至今从雨水量看，均属于丰水年：另外建 造水闸进行有效调节水量，使污染物变化趋于平缓。但总体而言，原水水质大 多数时候处于地面、类水质，在2 0 0 3 年夏季达到地面水质v 类，是较差的 水质。 1 2 3 混凝剂用量增加 自2 0 0 1 年以来，工业水车间和生活水车间各年度混凝剂用量如图1 5 所示 由于2 0 0 3 年用水量的增加和用水水质急剧恶化，导致2 0 0 3 年加药量达到一峰 值，混凝剂成本也大幅度上升为了保证出水水质卫生安全，减少加药成本， 需要寻找另一种混凝性能更优、加药量更少的混凝剂以备用 冒 一 糯 曩 廿 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 2 0 0 5 年度 图1 5水厂近几年的加药量 1 2 4 水质标准的进步 人们生活水平的提高和水质分析技术的发展完善( 例如色谱一质谱联用技 术) 使得人们对饮用水的水质提出了较高的要求。最近二十多年来，世界各国 普遍重视对饮用水中有害物质的研究，已多次修订了水质标准，不断增加应予 控制的水质项目，对最高允许浓度的限制越来越严格。当前，我国生活饮用 水卫生规范主要基于三原则保障饮用水的安全和卫生。即饮用水的感官性状 良好：防止媒介水传染病的爆发：防止急慢性中毒和其他健康危害。 本次研究选用水源水受到严重污染、常年有半年左右时间处于类水质水 平的金山石化水厂进行试验研究具有一定的代表性。因为目前我国一半以上城 姗咖伽啪咖啪湖栅咖。 第1 章引言 镇的水源水受到污染。全国有3 亿多农村人口存在饮水安全问题；1 1 3 个重点城市 中，有1 6 个城市水质全部不达标；有7 4 个饮用水源地不达标：有5 2 7 亿吨水量不 达标【1 2 j 饮用水安全问题已成为社会各界人士普遍关注的一个焦点问题。 1 3 微污染原水处理的现状和发展动态 随着我国经济和生活水平的迅速发展，一方面，城市不断扩大、城市人口 怠剧增加、城市排放的生活污水和工业废水数量逐年增加，但是处理这些污水 的市政设施没有及时建设，大量含有各种有毒有害物质的工业废水和生活污水 未经治理大都直接排入江河之中，造成了一江污水向东流的严峻现实。另一方 面，由于农业经济的转型，农村小型乡镇企业的蓬勃发展，养殖业的兴旺，以 及农田农药化肥施用量的增加，使得畜禽尿粪、化肥、农药和生活垃圾等经雨 水冲刷随地表径流进入水体【l ，直接或间接地污染了城市的给水水源另外， 人们对环境保护意识淡薄，不重视节约用水，不合理开发利用水资源，不积极 降低污染物排放置，造成水资源严重浪费和水污染不能得到有效控制的局面1 1 4 1 日益严重的污染问题使整个黄浦江流域面l 临较大的压力。而且现代农业的发展 和旅游业的开发使得原来水质较好的上游河流也不能幸免污染，导致许多水源 地城市的原水污染也极为严重。 从2 0 世纪6 0 年代开始，美国、西欧及日本等国广泛地开展了饮用水除污染 新技术的实验研究。7 0 年代以来，各种微污染水源水净化的深度处理及预处理 方法在许多国家得到研究、推广和应用p l 。在常规处理不能满足要求时则需探索 优化的预处理和深度处理工艺，目前已有物理吸附、化学氧化及光化学氧化、 生物氧化法等工艺，有研究表明【1 5 】，预氧化能提高颗粒物的沉降分离性能。 一般采用吸附法和氧化法来进行预处理。吸附法普遍使用的是粉末活性炭。 氧化法可分为生物氧化法和化学氧化法，其中生物氧化法预处理以生物膜法为 主，主要采用生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床等【1 6 】。而化学 氧化法主要有臭氧氧化、高锰酸钾氧化等。有时为了增强预处理效果，也有采 用组合工艺如高锰酸钾与粉末活性炭的组合来对微污染原水进行处理。 饮用水深度处理技术是在水源受到污染后，水厂常规处理后的水质不能满 足要求的情况下出现的。深度处理技术能较好地去除水中溶解性有机物，特别 是对三致物质的有较好的去除效果，满足了人们对不同水质的要求。 9 第1 章引言 各种深度处理方法的基本作用原理，一般认为无非是吸附、氧化、生物降 解和膜滤等，即利用吸附剂的吸附能力可去除水中溶解性有机物( 如活性炭技 术) ；利用氧化剂的强氧化能力可分解水中有机物( 如臭氧技术) ；利用生物 氧化法降解水中有机物( 如生物活性炭技术) ；利用滤膜的筛分作用滤除有机 物( 如膜分离技术) 等。有时两种方法又能同时发挥作用，共同去除有机物， 如臭氧活性炭联用技术即发挥了氧化和吸附两种作用。 1 3 1 物理吸附预处理 在物理吸附中，应用最广泛的是活性炭，活性炭对总有机碳的去除效率为 2 0 0 0 - 3 0 。活性炭可经济有效地去除嗅、味、色度、氯化有机物、农药、放射 性有机物及其他人工合成有机物。有研究表明【l ”，活性炭对分子量在5 0 0 - 3 0 0 0 u 的有机物有十分明显的去除效果，去除率一般为7 0 8 7 ，而对分子量小于 5 0 0 u 和大于3 0 0 0 u 的有机物则达不到有效去除效果一些研究者认为【l “，混凝过 程可通过活性炭的吸附得到很好的强化，可使c o d u 。的去除率达到8 0 扣8 9 。 常用的活性炭主要有粉末活性炭和颗粒活性炭两大类。粉末活性炭基建投 资省，不需增加特殊设备和构筑物，尤其适用于水质季节性变化或突发性事故 水源的净化处理。颗粒活性炭在国外水处理中应用较多。处理效果也较稳定， 美国环保署( u s e e a ) 饮用水标准的6 4 项有机物指标中，有5 i 项将颗粒活性炭列 为最有效技术。颗粒活性炭处理工艺的缺点是基建和运行费用较高，且存在易 滋生细菌产生亚硝酸盐等污染物，对相对短期或突发性的污染适应性差等问题 【l 们。 目前大量研究的还有沸石。沸石是一种天然矿物，在水处理工艺中常用作 吸附剂，它同时还兼有离子交换剂和过滤剂的作用【2 0 l 。沸石具有成本低、效果 好的特点，沸石用于水处理，也存在一些问题【2 1 1 由于h 2 0 的极性较大，沸石对 h 2 0 有很大的吸附容量，在竞争吸附中，n i - i , + 、f 、p b 2 + 的竞争吸附能力不及h 2 0 、 c a 2 + 等。因而水的存在将在很大程度上影响沸石对n i - l + 、f 、p b 2 + 等的吸附。对 沸石进行改性处理，应考虑对沸石进行疏水处理，以提高沸石的处理性能。 同样具有吸附性能的硅藻土也得到了大量的研究。硅藻土是古代单细胞低 等植物硅藻遗体堆积后，经过初步成岩作用而形成的一种具有多孔性的生物硅 质岩【2 2 1 。它由硅藻的壁壳组成，壁壳上有多级、大量、有序排列的微孔。具有 良好的吸附作用，硅藻土对水中卤代烃三氯甲烷、三氯乙烯有吸附能力【2 3 1 。在 1 0 第1 章引言 使用过程中与聚合氯化铝以及其他方法配合使用效果更好 1 3 2 生物预氧化 处理微污染源水的生物法主要是生物膜法，其机理就是通过依附在填料上 的微生物自身生命代谢活动氧化、还原、合成等过程，微生物的生物絮凝、 吸附、氧化、生物降解和硝化等综合作用将水中氨氮、有机物等逐渐有效去除阱】。 总体而言，生物预处理具有如下作用【2 司： ( i ) 所有生物氧化设备都能有效去除水中可生物降解有机物。部分有机物往 往分子量小于1 5 0 0 u ，可能是形成消毒副产物卤乙酸的主要前体物，也是供水管 网中细菌生长的主要营养基质，常规处理工艺难以去除。 2 ) 能有效去除水中氨氮与亚硝酸盐氮( 一般可达8 0 以上) ，芳在消毒时 减少氯对氨氮、亚硝酸盐氮的反应量，保障水中的有效氯含量而节省氯耗 ( 3 ) 能去除铁、锰，色、嗅及浊度 “) 较物理、化学净化技术运行费省 然而，生物预处理工艺也存在一些不足： ( 1 ) 塔式生物滤池的试验证明，不能去除d d t 、6 6 6 等合成有机物，陶粒滤。 池试验也发现，有些有机物能去除，有些则不能去除。 2 ) 生物氧化只能在一定程度上降低a l l l f 怒致突变试验的致突变率，但未见 出现a i s l e s 阳性水转变为阴性，生物处理后的水，经加氯，致突变率又复升高。 工程实例：在处理量4 0 0 万m 3 d ，设计流量为4 6 3 m 3 s 的广东东江深圳供 水预处理中采用生物接触氧化净化工艺，运行结果表明，该工艺适宜于处理东 深微污染原水，对氨氮的去除率在7 5 以上，对其它1 0 多项水质指标也有不同 程度的效果，基本达到设计要求【2 5 1 上海惠南水厂采用生物接触氧化法处理1 2 万m 3 d 的原水，该生物预处理工程于1 9 9 9 年8 月投产运行，水质处理效果良好 1 3 3 化学预氧化技术 预氧化技术是一种提高常规混凝工艺效率的方法，氧化剂有氯、二氧化氯、 高锰酸钾和高铁酸盐等。 二氧化氯是一种高效强氧化剂，低浓度的二氧化氯就能氧化许多无机物， 它对微生物细胞壁有较强的吸附和穿透能力，可有效地氧化细胞内含巯基的酶 还可以快速地抑制微生物蛋白质的合成来破坏微生物。二氧化氯消毒杀菌剂是 第l 章引言 美国8 0 年代开发的最新强力杀菌消毒剂。但二氧化氯必须现场制备、立即使用。 成本较高。 高锰酸钾不仅具有很强的氧化能力，还有相当的吸附能力，用于水处理时 能有效地破坏水中某些氯化消毒副产物的前驱物质，水的致突变活性显著下降； 可除臭及藻类物，并有良好的助凝效能 2 6 1 。高锰酸钾和氯联合使用时，对微生 物有协同灭活作用【2 7 1 高铁酸盐是一种强氧化剂。其标准状态下的氧化势高达2 2 v ，对低温低浊 水有显著的助凝作用和优良的除污染和除藻类作用【2 引。 1 3 4 臭氧氧化 单独的0 3 氧化，在低p h 渣下为传统的氧化，起作用的是臭氧分子，在高p h 值下，则被认为是高级氧化法，通过o h 催化，生成o h 自由基，再氧化分解有 机物。臭氧作为强氧化剂，在饮用水处理中的主要应用有预氧化和后氧化【l9 1 。 预氧化主要用途为改善感观指标，氧化铁、锰以及其它重金属、藻类和助凝， 将大分子有机物氧化为小分子有机物，氧化无机物质如氰化物、硝化物等。通 过臭氧氧化可以达到去除水中色度、嗅味、三卤甲烷前驱物以及农药等污染物 的作用【2 9 1 。臭氧后氧化主要与生物活性炭联用，即臭氧生物活性炭法，进水先 经臭氧氧化，改变有机物的分子质量分布【3 0 】，提高水中有机物的可生化性和可吸 附性，延长活性炭的饱和周则3 1 l 。臭氧与生物活性炭联用可以有效去除由于臭 氧氧化而升高的生物可降解溶解性有机碳，保证出水的稳定性日本东京都水 道局金盯净水厂子1 9 9 2 年采用臭氧生物活性炭处理处理工艺【3 2 】，有效地解决了 味觉不好的问题。该工艺发展得较为成熟，现已广泛用于欧洲国家如法、德、 意、荷等的上千座水厂中，在欧洲臭氧生物活性炭技术已被公认为是处理污染 原水、减少饮用水中有机物浓度的最有效技术1 33 1 。同济大学贺道红、高乃云等 的研究表p ) ( 3 4 1 ，臭氧生物活性炭工艺能够有效提高出水水质，但在处理过程中 会受水温、进水浓度、空床接触时间以及臭氧有效投量的限制 1 3 5 膜分离技术 膜分离法的最大特点是分离过程中不伴随有相的变化，仅靠一定的压力作 为驱动力就能获得很高的分离效果，是一种非常节省能源的分离技术。膜技术 在饮用水深度处理中有广泛的应用，包括微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n d 、反 第1 章引言 渗透( r o ) 等。 微滤和超滤是基于相同分离原理的膜过程，其截留均取决于溶质大小和形 状( 相对于膜孔大小而言) 【3 习。微滤技术主要用于过滤0 1 0 - 1 0 1 a n 大小的颗粒、 细菌、胶体，微滤作为较经济的微过滤方式在饮用水处理方面应用广泛，可代 替常规的澄清过滤和二沉池，在水质波动较大时仍可连续处理，且占地面积小。 超滤其孔径范围为0 0 5 一i n m ，主要用于去除固体颗粒、悬浮物，从溶液中分离 大分子物质和胶体。所能分离的溶质分子量下限为几千个d a l t o n 。莫罹等【3 6 1 采用 微滤膜直接过滤微污染原水的实验表明，尽管进水浊度波动较大，但膜过滤后 的出水浊度均小于i n t u ，对浊度的去除率大于9 0 ，说明微滤膜对微污染原水 的除浊效果较好。微滤和超滤对水中大部分溶解性有机物和腐殖酸的去除效果 不高，特别是当腐殖酸为三卤甲烷的前体物时。另据报道，超滤和微滤对有机 物的去除率一般都在2 0 以下，表明超滤和微滤对有机物的去除效率不高。但超 滤和混凝工艺联用处理微污染原水，则能够有效提高天然有机物的去除率并降 低膜污染吲。 纳滤技术是从反渗透技术中分离出来的一种膜分离技术，是超低压反渗透 技术的延续和发展【2 们。纳滤膜的分离性能介于反渗透膜和超滤膜之间，它的一 个显著特点是具有离子选择性，它对二价离子的去除率高( 9 5 以上) ，一价离子 的去除率低( 4 0 8 0 ) 网，因此纳滤广泛应用于河水及地下水中含三卤甲烷 中间体、低分子有机物、农药、异味、硝酸盐、硫酸盐、氟、硼、砷等有害物 质的去除【3 们。因为纳滤膜有较高的膜通量，可以截留有机及无机污染物，而对 人体必需的一些离子又有较大的透过率，并且能耗低，在微污染水的膜处理方 法中，纳滤被认为是目前非常具有前景的一种膜分离技术。而纳滤膜则能有效 地去除可降解有机炭和可同化有机炭【帅】。但目前我国尚不能生产纳滤膜【4 “，国 际上膜价格已逐渐下降。由于膜组件本身还存在膜污染问题，如果投入到大规 模的使用中则成本仍偏高。 反渗透分离机理不同于纳滤和超滤、微滤，对被截留物不具有筛分作用， 而是利用溶解扩散作用进行分离。反渗透膜可视为介于多孔膜和无孔膜之间的 过程，膜阻力较大，为使相同量溶剂通过膜，需要较高压力，而且需克服渗透 压，因此反渗透的操作压力较其他三种膜过程高，一般为1 0 - - 1 0 0 m p a 。反渗透 膜几乎对所有的溶质都具有很高的脱除率，出水水质很好。但由于反渗透还具 有预处理工艺复杂，操作压力过高等特点，除了在海水、苦咸水脱盐及电子工 第1 章引言 业用超纯水的制取上应用较为广泛外，在微污染水的处理上应用不多阅。 1 3 6 光化学氧化法 饮用水的光氧化技术是利用可见光或紫外光的照射作用来深度处理饮用水 的技术。光催化法是利用光照某些具有能带结构的半导体光催化剂如t i 0 2 、z n o 、 c d s 、w 0 3 等诱发强氧化自由基o h ，使许多难实现的化学反应能在常规条件下 进行。 紫外光激发催化氧化工艺u v f r i o d i - 1 2 0 2 能有效地去除水中的c h c l 3 4 z l ， c h c l 3 主要是由o h 氧化降解的，也存在h 2 0 2 氧化和微弱的直接光解，相同条件 下u v t i 0 2 i 0 2 工艺的去除率分别i 七l r v l i 0 2 、u v h 2 c h 的去除率要高。 1 3 7 超声空化降解法 频率在1 5 k _ h z 以上的超声波辐照溶液所引起的化学变化称之为超声空化效 应。超声空化是指水中的微小泡核在超声波作用下被激化，表现为泡核的振荡、 生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。超声空化技术就是利用声解将水中有 机物转化为c 0 2 、h 2 0 、无机离子和有机酸等成分。该技术具有少污染或无污染、 设备简单等优点，同时还伴有杀菌消毒功效，是一种很有潜力的水处理新技术。 目前，一般认为超声空化降解水中有机物主要有三种方式：自由基氧化、高温 热解及超临界水氧化。 研究表明1 1 7 】，超声降解有机物的程度，除了与超声声强和频率有关外，还 与有机物的物化性质有关。超声辐照对疏水性、易挥发性有机物( 如c c i , , 、c h c l 3 等卤代烃和脂肪烃类) 去除效果明显，对亲水性、难挥发的有机物( 如氯苯和 4 - 氯酚) 则需较长的辐照时间才能降解。该技术既可单独使用，又可与其它工艺 联用( 如超声一臭氧、超声过氧化氢、超声一光氧化等) 。但现阶段超声空 化技术主要用在实验室小水量的处理研究中，尚处于基础研究阶段。 1 3 8 强化混凝 水的混凝处理是常规给水处理系统中最常用的一种工艺，通常其主要作用 是去除水中悬浮颗粒和胶体微粒，同时也可以去除水中一部分有机物，但去除 有机物的效率不高且波动范围较大，这主要与水中有机物的种类、形态有关。 一般分子量高的有机物，用强化混凝法有相当去除效果。1 9 9 5 年，美国环境保 护局( u - s e p a ) ：颁布了消鼋消毒副产物条例( d d b p r u l e ) 。最近又被要求把强化絮 1 4 第1 章引言 凝法列为在d d b p 条例第一实施阶段控制n o m 的最佳方法 3 】。强化常规处理 可提高出水水质和降低有机物m 。这方面在国内外都已经作了大量的研究。 强化混凝去除有机物的机理主要包括胶体状