（市政工程专业论文）活化硅藻土用于微污染水质净化技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 r 近年来，由于水源水的普遍污染，给水处理的研究重点已经从对悬浮物质、 l 细菌的去除转移到对水中微量有机物，特别是溶解性有机物( d o m ) 的去除。以 混凝、沉淀、过滤、加氯消毒为主体的常规给水处理工艺是以去除水源水中的悬 浮物和胶体物质为主要目的的，般条件下对有机物的去除效果差，同时工艺流 程长，处理效果易受水量水质变化以及操作条件的影响。因此，针对微污染水的 特点，发展新的饮用水处理工艺十分重要。 硅藻土是硅藻残骸生成的一种生物岩矿。我国硅藻土矿的储量极丰，已探明 的储量约1 3 亿吨，但尚未得到有效的开发和利用。湖北省随州硅藻土矿具有埋 、 藏浅、储量大的特点，用作净水材料资源加以开发无疑是一项造福人民的好事。1 本课题的研究目的是将硅藻土应用于微污染水源水的处理，开辟处理微污染 水的新途径。试验分两部分进行： 第一部分是进行活化硅藻土处理微污染水的烧杯试验。硅藻土活化即是将硅 藻土用酸( 本试验采用硫酸) 处理，使硅藻土中的a i ：0 3 、f e ：0 3 等金属氧化物溶 ， 出。经过多次试验发现影响硅藻土活化的主要因素有：活化时间、用酸当量比、 l 酸的浓度。通过做正交试验发现，各影响因素的排序为：用酸当量比、酸的浓度、 活化时问。进一步优化试验表明，在用酸当量比为1 1 时活化效果最好。硅藻土 最佳活化条件为：用酸当量比1 1 、活化时间3 天、酸浓度1 2 3 。与此同时，得 到硅藻土的最佳投加量为5 0 m l 。研究活化硅藻土净化微厅染水的机理发现：活 l 化硅藻土对水中杂质既有混凝作用，又有吸附作用。， f 第二部分是硅藻土处理微污染水的一体化设备试验。胲设备集折板一迷宫絮 i 凝、尼可尼泵气浮、同向流沉淀、硅藻土预涂层过滤等多种工艺于一体。通过连 续流的试验表明：设备出水浊度去除率达到9 0 9 5 以上，氨氮( n h 3 - n ) 去除率 达到1 0 1 5 ，化学需氧量( c o d c ，) 去除事达到3 0 4 0 ，u v h 去除率达到 ；黔泌 华中科技大学硕士学位论文 8 0 8 5 。其中对u v 2 5 4 的去除表明该设各对水中的三卤甲烷( t h m s ) 的前体物 有一定的去除率。此结果说明该设备适用于微污染水源水的直警处理，在常规净1 r 水工艺得到强化的同时，达到了去除水中有机污染物的目的。) 一 通过试验研究表明硅藻土在微污染水质净化方面确能起到作用。本试验开发 。 出的体化设备具有广阔的应用前景，该水处理设备适用于小型净水站或乡镇小 剖水。 关键词：硅藻土水质净化体化设备 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo ft h ew i d e p o l l u t i o no f w a t e rr e s o u r c e ，t h ep o i n to fw a t e r t r e a t m e n th a sm o v e df r o mt h er e m o v a lo ft h es u s p e n ds u b s t a n c ea n dc o l l o i di n t ot h e r e m o v a lo f o r g a n i s m ，e s p e c i a l l y t h ed i s s o l v e d o r g a n i s m t h e t r a d i t i o n a lw a t e r t r e a t m e n ti n c l u d e sf l o c c u l a t i o n ，s e d i m e n t a t i o n ，f i l t r a t i o na n d a n t i s e p s i s t h ea i mo f t h e t r a d i t i o n a lw a t e rt r e a t m e n ti st or e m o v et h es u s p e n ds u b s t a n c ea n dc o l l o i d ，s oi ti sn o t e f f i c i e n ta tr e m o v a lo fo r g a n i s mi nw a t e r i na d d i t i o n ，t h et r a d i t i o n a lw a t e r t r e a t m e n t p r o c e s si sl o n g ，s ot h ee f f e c to f t h et r e a t m e n ti se a s i l yi n f l u e n c e db yt h ew a t e r q u a n t i t y ， w a t e rq u a l i t ya n do p e r a t i o nc o n d i t i o n t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pan e w w a t e rt r e a t m e n tt os o l v et h ep r o b l e mo f s l i g h t l y - p o l l u t e dw a t e r sp u r i f i c a t i o n d i a t o m a c e o u se a r t h ( d e ) i sak i n do fm i n e ，w h i c hi sc h a n g e df r o mt h es k e l e t o no f t h ed i a t o m ，w h i c hl i v e dt h o u s a n d so fy e a r sa g o i ti sa b u n d a n ti nc h i n aa n di t sr e s e r v e ， w h i c hh a sb e e n p r o v e du p ，i sa b o u to n eh u n d r e dt h i r t ym i l l i o nt o n s h o w e z r ，t h eu s e o ft h ed i a t o m a c e o u si sn o te n o u g h i th a sb e e no n l yu s e dt om a k eh e a tp r e s e r v a t i o n m a t e r i a lf o ral o n gt i m e b u ti n f o r e i g nc o u n t r i e s ，t h e r e a r em o r et h a n5 0 0p r o d u c t s m a d eo fd i a t o m a c e o u se a r t h t h ed i a t o m a c e o u se a r t ho fs h u i z h o ui se m b e d d e d s h a l l o wa n di t sr e s e r v ei sl a r g e d e v e l o p i n gan e ww a yt ou s et h er i c hd i a t o m a c e o u s e a r t hr e s o u r c ew i l lb e n e f i tt h ep e o p l ei ns h u i z h o u t h e p u r p o s eo f t h i sr e s e a r c hi st ou s ed i a t o m a c e o u se a r t ht ot r e a ts l i g h t l y 。p o l l u t e d w a t e rt h ew h o l er e s e a r c hi sd i v i d e d i n t ot w o p a r t s ： t h ef i r s tp a r ti st h ej a rt e s to ft h ea c t i v a t e dd i a t o m a c e o u se a r t h t h ea c t i v a t i o no f t h ed i a t o m a c e o u se a r t hi st ot r e a td i a t o m a c e o u se a r t hw i t hs u t f a t ea c i d t h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n ts h o w st h ee f f e c to ft h ea c t i v a t i o ni si n f l u e n tb yh r e em a i nf a c t o r s ：t i m e o fa c t i v a t i o n r a t i oo fa c i d sq u a n t i t y ，a n dc o n c e n t r a t i o no fa c i d t h er e s u l to fa d d i t i o n a l 1 1 1 ， 华中科技大学硕士学位论文 e x p e r i m e n ts h o w s t h es e q u e n c eo ft h ef a c t o r si sq u a n t i t yo fa c i d ，c o n c e n t r a t i o no f a c i d ， t i m eo fa c t i v a t i o n t h eb e s ta c t i v a t i o nc b n d i t i o no fd i a t o m a c e o u si s r a t i oo fa c i d s q u a n t i t y1 1 ，t i m eo fa c t i v a t i o n3d a y s ，c o n c e n t r a t i o no fa c i d1 2 3 m e a n w h i l et h e b e s td r o po fd i a t o m a c e o u se a r t hi s5 0m 鲫t h em e c h a n i s mo fd i a t o m a c e o u se a r t h t r e a t i n gw a t e ri st h ec o a g u l a t i o na n da d s o r p t i o n t h es e c o n dp a r ti st h er e s e a r c ho nt h ed i a t o m a c e o u se a r t hp a c k a g e du n i t t h i s e q u i p m e n ti n c l u d e sf l o c c u l a t i o n ，s e d i m e n t a t i o n ，f l o a t a t i o n ，a n df i l t r a t i o n t h er e s u l to f c o n t i n u o u sf l o we x p e r i m e n ts h o w s ：t h er e m o v a lr a t eo ft u r b u l e n c ei s 9 0 9 5 ，t h e r e m o v a lr a t eo fn h 3 一ni s 1 0 - 1 5 ，t h er e m o v a lr a t eo fc o di s3 0 4 0 t h er e m o v a l r a t eo fu v 2 5 4i s8 0 - 8 5 t h a tm e a n st h ee q u i p m e n tc a nr e m o v et h es u s p e n ds u b s t a n c e c o l l o i da n d o r g a n i s m i tc a n b eu s e di nt h es l i g h t l y - p o l l u t e dw a t e r st r e a t m e n t t h er e s u l to ft h er e s e a r c hs h o w sd i a t o m a c e o u se a r t h c a r lb eu s e di f lt h e s l i g h t l y - p o l l u t e dw a t e r sp u r i f i c a t i o n e s p e c i a l l y t h e e q u i p m e n tc a nb eu s e di ns m a l l w a t e rt r e a ts t a t i o no rs m a l lc i t yw a t e rp l a n t k e y w o r d s ：d i a t o m a c e o u se a r t h ，w a t e rp u r i f i c a t i o n ，p a c k a g e du n i t i v 华中科技大学硕士学位论文 1 1 硅藻土简介 1 概述 硅藻土( d i a t o m a c e o u se a r t h ，简称d e ) 是硅藻残骸经过干百万年的物理化 学变化而形成的一种生物沉积岩。硅藻土矿在我国的储量极为丰富，据报道， 我国己探明的硅藻岩矿储量约为1 3 亿吨，广泛分布于吉林、湖北、云南等地。 我因已探明的储量可与世界储量最丰富的美国相比，而远景储量则是美国的两 倍，几乎占世界储量的一半f “。 1 1 1 硅藻土的物理化学特性 1 1 1 1 密度 硅藻土的真密度随其化学成分和矿土产区的不同而不同，但基本上与二氧 化硅真密度一致，约在2 0 2 5 9 c m 3 范围内。硅藻土的视密度因产区的不同而有 较大差异，表明各产区的硅藻土矿的孔隙率有较大的差异。 1 1 1 2 孔隙率 硅藻土是一种多孔性物质，孔隙率大于7 5 ，即3 4 以上的部分是孔隙，因 而它是一种天然的良好滤料和吸附剂。 1 1 ，1 3 比表面积 硅藻土的比表面积通常在2 0 8 0 m - ? g 之间，从相关资料实测硅藻土的比表面 积米看，实测硅藻土的比表面积在1 0 - 3 0 m ! g 之间。 1 1 1 4 化学成分 硅藻土的主要成分是二氧化硅，其次还含有少量的金属氧化物，a 1 1 0 ，含量 m4 - u ；l f m ，f c ：o ，含量在0 5 9 5 8 2 z f m ，还含有c a o ，m g o 等金属氧化 华中科技大学硕士学位论文 物。硅藻土矿产区的不同，成分也略有不同，以下是我国几个产区硅藻土的成分 衰i 23 “。 表1 1硅藻土成分表 含量( ) 产地 s i o ， a l ! 0 3f e 2 0 3m g o c a o k 2 0n a z o _ 敦化 6 561 41 84 7 825 22 8 宁波 6 5 44 1 l4 1 l1 0 2 8 微 长白山 8 9 1o 7 5o7 5o2 3o 2 5 云南 8 7 7 96 2 61 5 30 6 6 微 浙江嵊县 7 8 2 61 1 0 72 3 30 8 4 湖北随州 7 1 3 51 6 8 62 6 2 9 4o 8 4 1 1 2 硅藻土在国内外的应用概况 国外对硅藻土资源的认识和开发始于1 9 世纪，1 8 8 6 年德国海德尔( h e d d l e ) 等人获得了用硅藻土作为过滤介质的第一个专利，于是德国成了世界上第一个生 产硅藻土助滤剂的国家。美国自二次世界大战开始在军队中使用硅藻土过滤器生 产饮用水【5 “7 。”。6 0 7 0 年代，硅藻土过滤在美国水厂得到广泛应用【1 0 1 1 州1 3 “j 。目前，世界上开发利用硅藻土资源工业越来越多，国外用硅藻土作原料加工 的产品己达5 0 0 多种陋1 6 1 7 1 8 1 。 从历史上看，我国硅藻士资源的开发和研究均远远落后于世界先进国家。 1 9 3 5 年，我国首次发现硅藻土，这是地质学家杨钟健先生前往山东山旺考察新生 代地层，采集化石标本时发现的。3 0 一5 0 年代是我国硅藻土助滤剂生产的初级阶 段。8 0 年代是我国助滤剂生产和科研开始起步和迅速发展阶段。我国啤酒、白酒、 果酒及饮料业发展很快，正在大量使用硅藻土过滤阻2 “i 。鉴于我国如此丰富的 硅藻土蕴藏量，积极开发硅藻土的新用途，充分利用我国得天独厚的天然资源 是一个具有实用意义的课题。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 3 硅藻土在水处理工程中的应用现状 从国内目前研究的情况来看，硅藻土在水处理工程中主要有以下几个方面 的用途： 1 1 3 1 硅藻土作为预涂过滤 同济大学于1 9 9 4 年系统地研究- 5 藻土过滤的机理、效果及应用情况【2 2 l 。 硅藻土过滤分为三步进行：预涂过滤反冲洗。预涂是指通过硅藻土悬 浊液的循环流动，在滤元表面形成厚度约2 - 3 m m 的硅藻土膜。研究结果表明： 硅藻土过滤的作用机理主要是机械筛除作用和吸附作用。机械筛除是指当某些 较大的颗粒通过滤膜的窄缝被阻截，使孔隙缝道逐渐变小，于是后续细小颗粒 杂质相继被截留。吸附作用主要是由于硅藻土表面电荷所引起的，硅藻土中含 a 1 ：o ，、f e 。o ，等金属氧化物，带正电，也含s i o ：，带负电，发生吸附作用取决于 硅藻土与杂质颗粒之间的多分子范德华力和静电排斥力。硅藻土过滤对去除原 水悬浮颗粒能达9 9 ，其出水的清澈程度能与重蒸蒸馏水相比。对细菌、病毒 的去除效果也十分理想，达到9 9 5 。但是，单纯的硅藻土过滤并不能有效地去 除水中的有机物，须与其它工艺联合使用【2 ”，例如，硅藻土过滤与粉末活性炭 联用。但是这也存在个问题，粉末活性炭价格贵，粉末活性炭与硅藻土混合 在一起，无法重复利用。因此，硅藻土过滤用于饮用水深度处理还有待进一步 阱究，开发出与其联用的效果好、价格低的工艺。还有学者将硅藻土预涂于p e 管上，起一种助滤剂的作用。硅藻土预涂膜过滤，比p e 管直接过滤，提高有机 物去除率1 4 左右，能有效地控制污染指数f i ，。 4 c ! ”。 1 1 3 2 将硅藻土作为水处理药剂 1 直接将硅藻土用作水处理药剂 硅藻土的孔隙率达6 0 9 0 ，比表面积较大，是种天然的良好吸附剂，可 以用于废水处理中去除某些金属杂质。据有关文献报道：已有学者将硅藻土用 华中科技大学硕士学位论文 于含c d 2 + 废水处理i 。试验结果表明，硅藻土吸附水中c d 2 + 满足f r u d l i c h 方程， i q o = i ( f c 。“，常数l n 介于o 1 0 5 之间，属于易吸附范畴。当用来处理酸性废水 时，硅藻土中的金属氧化物会溶出，形成盐类，其中的铝盐、铁盐不仅有絮凝 作用，还有电性中和作用。 2 将硅藻土作一定的预处理，形成活化硅藻土处理剂 硅藻土预处理的方法通常有两种：加酸和加热 1 ) 加酸活化 可以向硅藻土中加入h ：s o 。或h c l ，3 j n a 酸后，硅藻土中的金属氧化物溶解 析出，而s i o ：不反应，经充分反应后，就会形成只含有s i o ：的硅藻土骨架，其 孔隙率将得以增大，比表面积也将增大。经酸活化后的硅藻土既有混凝作用 又有吸附作用，是一种良好的水处理药剂。从目前的研究情况来看，国内已有 学者将活化硅藻土用于印染废水【2 1 和造纸废水【s j 的处理，取得了良好的效果。 2 ) 加热活化 将硅藻土在高温下加热焙烧，也能大大提高其孔隙率，增强其吸附性能， 从硅藻土对氯代甲烷的吸附性能的试验研究来看【，9 】，硅藻土对氯代甲烷的吸附 速度很快，在几分钟内即可完成。硅藻土对非离子型的氯代甲烷的吸附力是范 德华力，吸附量直接与硅藻土的比表面积有关。有学者将经加热活化的硅藻土 删于印染废水处理中 2 7 1 ，也取得了良好的效果。 比较以上两种方法，酸活化的硅藻土能起到混凝和吸附的作用，但存在硅 藻土处理剂的后处理问题，而热活化的硅藻土不能充分发挥其混凝作用。 1 2 国内水资源污染现状 国家环境保护总局发布的( ( 2 0 0 0 年中国环境状况公报 3 0 l 中指出当前我国 水环境状况是：工业废水对地表水的污染得到一定的控制：“三江四河”水质恶 化趋势基本得到控制，近岸海域海水水质总体上有所改善，渤海近岸污染程度 华中科技大学硕士学位论文 减轻，东海近岸污染略有加重；地表水污染普遍，特别是流经城市的河段有机 物污染较重；湖泊富营养化问题突出；地下水受到点状或面状污染，水位下降， 加剧了水资源的供需矛盾。其中七大水系和湖泊的污染概况如下： 1 2 1 水系污染 2 0 0 0 年，中国七大重点流域地表水有机污染普遍，各流域干流有5 7 7 的断 面满足i i i 类水质要求，2 1 6 的断面为类水质，6 9 的断面为v 类水质，1 3 8 的断面为劣v 类水质。主要水系污染情况见表1 2 。 表l - 2 主要水系水质情况一览表 i 类i i 类i 类类v 类劣v 类 长江 l o o 珠江 5 7 12 8 63 61 0 7 松花江4 3 85 6 2 辽河632 5 o6 36 2 4 黄河2 8 64 2 81 4 31 4 3 淮河5 4 88 93 63 海河3 0 31 97 16 0 7 浙闽片河流7 03 0 o4 5 o9 o6 o 3 0 内陆河2 1 o5 2 o2 6 olo 注：表中数据为各类水质所占百分比 1 2 2 废水和主要污染物排放量 2 0 0 0 年，全国工业和城市生活废水排放总量为4 1 5 亿吨( 其中工业废水排 放量1 9 4 , f lr r 屯，城市生活污水排放量2 2 1 亿吨) ，废水中化学需氧量( c o d ) 排 放总量1 4 4 5 万吨( 其q u t _ , i t , 废水中c o d 排放量7 0 5 万吨，生活污水中c o d 排 放量7 4 0 万吨) 。工业废水排放量及其c o d 排放量均呈下降趋势，但生活污水 排放量及其c o d 排放量均呈上升趋势，而且都超过了工业废水。 华中科技大学硕士学位论文 表1 - 32 0 0 0 年与1 9 9 5 年废水及c o d 排放量对比表 项目 废水排放量( 亿吨)c o d 排放量( 亿吨) 年趴 工业生活总量工业生活 总量 2 0 0 0 住1 9 4 22 2 0 94 1 5l7 0 57 4 0 51 4 4 5 0 1 9 9 5 芷2 8 6 12 0 3 84 1 5 31 6 2 2 96 1 0 32 2 3 32 增减( ) 一3 lo6 5 20 0 05 6 62l 33 5 3 由于水源的污染，现行的常规给水处理工艺难以去除水中对人体有害的多 种微量有机物f 3 l ”】：此外，由于水土流失严重，水中天然有机物浓度也很高， 不但对胶体产生较强的保护作用，导致混凝剂药耗增加、水中铝的剩余量增加， 而且产生大量的氯化消毒副产物，其中大部分对人体健康有较大的危害；水体 受到污染也导致富营养化，藻类过量繁殖，产生琏闻的嗅味和有害的藻毒素【3 l 】。 如何经济有效地解决水源水受到的有机污染的问题是给水处理领域所面l 临的一 项重要而紧迫的任务。 1 3 微污染原水的处理 1 3 1 微污染原水的特征 1 3 1 1 有机污染物 水中有机污染物一部分来自进入水体的粘土和腐殖质，一部分来自生活污 水和工业废水的污染【3 3 l 。粘土的主要成分如蒙脱土、高岭土、伊利石等，它们 都为铝或镁的硅酸盐，由s i o ：四面体和4 a i o ：( o r b 的八面体通过共用氧原子联 结成板状结构，异价离子的同晶代换，板片上就有负电荷过剩，故粘土微粒带 负电荷，形成双电层胶体，这是水的浊度的主要成因。水中的腐殖质主要包括 腐埴酸和富里酸等，它们是一些化学结构尚未弄清楚的物质。根据一些研究者 的研究结果，分子量在几百到2 1 0 6 之间，其结构可看作为多元酚和多元醌的 芳香核的高聚物，例如富里酸主要由酚酸和苯羧酸组成，是以氢键联接的高聚 华中科技大学硕士学位论文 物。腐殖质的结构特征以富里酸为例，贯穿着不同大小的孔洞，这些孔洞可以 捕获或固定有机物分子，如烷烃、脂肪酸、苯甲酸烷基酯、碳水化合物、缩氨 酸和农药，以及无机化合物，如金属离子的氧化物。腐殖质可以吸附在矿物表 面的板片之间，对粘土胶体有保护作用，腐殖质是加氯消毒副产物t h m s 的主 要前体，也是水中致突变物的主要前体。因此，去除水中腐殖质的同时不仅能 去除水中的浊度、消毒副产物的前体，也同时去除其他有害有机污染物。 1 3 1 1 水体富营养化导致藻类繁殖 由于水体受到污染，导致富营养化，使得藻类过量繁殖，其后果是：1 ) 由 于藻类是微小的生物，密度小，不易沉淀，用常规处理方法难以去除；2 ) 藻类 会在滤料上附着生长，严重时会堵塞滤池，影响出水水质；3 ) 水体中藻类过量 繁殖，会对其他生物造成影响；4 ) 藻类过量繁殖，产生难闻的嗅味和致癌的藻 毒素，危害人的健康；5 ) 目前水厂大多采用氯气消毒，原水中藻类含量增多， 势必增加氯气的投加量，就会产生大量的有害消毒副产物。 1 3 2 微污染原水的处理技术 1 3 2 1 增加深度处理构筑物，即常规处理+ 深度处理 1 臭氧活性炭联用法 活性炭吸附能比较有效地去除小分子有机物，难以去除大分子有机物，为 了使活性炭孔的表面积得到充分发挥，引入了臭氧活性炭联用的方法。该方法 利用臭氧的强氧化性，将大分子有机物氧化成小分子有机物，使活性炭的吸附 能力得到充分发挥。该方法能充分发挥两者的优势，已经在国内外得到应用。 2 生物活性炭法 生物活性炭法是利用生长在活性炭上的微生物的生物氧化作用，从而达到 士除有机污染物的目的。生物活性炭法的前提是避免预氯化。该技术由于利用 丁微生物的氯化作用，能提高有机物的去除率，延长活性炭的再生周期，降低 7 华中科技大学硕士学位论文 运行费用，但是活性炭上的微生物在水流冲刷作用下会脱落，影响出水水质。 3 活性炭硅藻土过滤联用 ； 该技术是将一定比例的粉末活性炭( p a c ) 与硅藻土混合，配成浆液，用水 泵循环，直至浆液变清，滤膜形成即可过滤【2 3 ”】。活性炭的作用主要是吸附水 中有机物。研究结果表明：活性炭一硅藻土过滤技术用于饮用水深度处理，出 水浊度可控制在o 5 n t u 以下，u v 。去除率达到8 5 ，说明对消毒副产物的前 体物质有良好的去除，c o d 。去除率达到4 9 6 5 。然而，该技术处理水量小， 对水质变化适应能力差，仅适用于小型水处理厂，在乡镇水厂会有广阔的前景。 4 膜法深度处理 膜分离技术是一项新兴的高效分离技术，它具有物质不发生相变，分离系 数大，在常温下进行，适用范围广及装置简单，操作方便等特点，在水处理领 域越来越多地得到应用【3 5 1 。近年来，膜法在美国被美国环保署( e p a ) 推荐为最 佳工艺之- - i ”3 7 3 8 i ，日本则把膜技术作为2 1 世纪的基盘技术，并实施国家攻关 项目“2 1 世纪水处理膜研究( m a c 2 1 ) f ”】”，专门开发膜净水系统。现有的 膜技术中，反渗透( r o ) 、超滤( u f ) 、微滤( m f ) 、纳滤( n f ) 均能有效地去 除水中的臭味、色度、有机物及微生物。但是，膜法对进水水质要求高，膜需 要定期清洗，存在着经常费用和运转费用高的问题。然而，随着清洗方式的改 进，膜的价格的降低，相信在不久的将来，膜法一定会在给排水领域发挥重大 作川i ”“i 。 5 光催化氧化法 光催化氧化是以化学稳定性和催化活性很好的t i o ，为代表的n 型半导体为 敏化剂的一种光敏化氧化，一般认为在合适的反应条件下，有机物经光催化氧 化的最终产物是c o ：和h ：o 等无机物m 】。该方法的强氧化性、对作用对象的无 选择性与最终可使有机物完全矿化的特点，使光催化氧化在饮用水深度处理方 面具有较好的应用前景。但是t i o ：粉末颗粒细微，不便加以回收，同传统净水 k 事 l 华中科技大学硕士学位论文 工艺相比，光催化氧化处理费用较高，设备复杂，近期内推广使用受到限制。 光催化氧化投入实际应用所面i 临的主要问题是确定长期运行过程中催化剂中毒 情况及寻求理想的再生方法；解决催化剂的分离回收或固定化问题；反应器的 设计及提高光能利用率等。可以预见，随着研究的不断深入，光催化氧化必将 越来越得到重视。 1 3 2 2 增加预处理工艺，即预处理+ 常规处理 1 生物预处理法 目前国内研究及应用于实际生产的主要是生物预处理技术。生物预处理是 指在常规净水工艺之前，增设生物预处理工艺，借助微生物群体的新陈代谢活 动，去除水中的污染物。生物预处理技术是将废水生物处理方法运用于给水处 理中，目前研究应用的生物预处理工艺主要有生物接触氧化【4 3 “、生物陶粒滤 料滤池】、生物流化床【4 6 】等。研究结果表明：生物预处理技术对氨氮的去除率 达到8 0 9 0 ，对耗氧量、铁、锰和酚等也有较好的去除效果【4 3 4 “4 5 “6 “”。生 物预处理技术利用微生物的作用，能有效去除水中有机污染物，改善絮体结构， 使之易于沉降，降低了运行成本，而且还可减少处理过程中的加氯量及相应的 消毒副产物的生成量。然而，生物预处理设施占地面积大，基建费用高。 2 预氧化技术 预氧化技术是指在向原水中加入强氧化剂，利用强氧化剂的氧化能力，去 除水中的有机污染物，提高混凝沉淀效果。常用的氧化剂有氯气、臭氧和高锰 暇钾等。氯气是水厂中最常用的强氧化剂，但由于水中的有机污染物能与氯气 反哑生成三致物质一一三卤甲烷( t h m s ) ，预氯化来处理微污染水已经引起人 们的担心。臭氧能氧化有机物，去除水中的色、嗅、味，但近年来发现臭氧可 能使水中有机物转化为致突变的中间产物。而高锰酸钾氧化取得了进展，哈尔 滨建筑大学g f , t i j 的高锰酸钾复合药剂该药剂去除水中有机污染物效果好，而 且能显著地降低水的致突变性【“l ，已经用于处理微污染水源的生产性试验【叫。 华中科技大学硕士学位论文 3 吸附预处理技术 常用的吸附剂有粉末活性炭、粘士等。活性炭吸附最能有效去除水中的有 机物，并且可使致突变活性从阳性转为阴性。同济大学的研究表明p 4 i ：当粉末 活性炭的投加量为2 0 m g l 时，可使常规处理工艺的c o d 。，去除率增加 2 0 8 - 3 96 。由于粉末活性炭参与混凝沉淀，残留于污泥中，目前还没有很好 的回收再生利用方法，所以运行费用高，一般可作为临时应急处理设施。粘土 类吸附剂虽然货源充足，价格便宜，但大量粘土投入混凝剂中，势必增加沉淀 池的排泥量，给生产运行带来一定的困难，因此寻找货源充足、便于回收利用 的吸附剂势在必行。有报道表明，沸石【5 l 5 “、活化硅藻土f 2 “z 7 i 都是良好的吸附 剂，对水中的有机物有良好的吸附效果，相信不久就会应用于微污染水的处理。 1 3 2 3 不增加常规处理工艺前、后处理构筑物，在现有工艺上改造和强化 1 强化混凝技术 强化混凝技术是通过某种方式，改善絮凝条件，提高有机物的去除率。通 常可以有以下几种方法： 1 ) 适当多投混凝剂使水中胶体脱稳，水中胶体在絮体的吸附作用下从水中沉降； 2 ) 投助凝剂，增强吸附、架桥作用，使有机物易被絮体吸附而下沉，如投加聚 丙烯酰胺( p a m ) 、新开发的天然高分子絮凝剂【5 3 】等； 3 ) 投加新型水处理药刹，有氧化、混凝的综合作用，能有效地去除水中的有机 物，如珠海市自来水公司研制的高效脱色除臭剂m j 等； 4 ) 调整混合与絮凝反应的时间，使药剂充分发挥作用，即从水力条件上改善絮 凝条件： j ) ! 嗣堆p h 值，实践表明【”5 ，一般有机物多时，p h 值为5 - 6 时效果较好。 强化混凝需多投混凝剂或另投其它药剂，势必引起药剂费用与污泥处理费 用的增加。 2 强化过滤 华中科技大学硕士学位论文 滤池的主要功能是发挥滤料与脱稳胶体的接触凝聚作用而去除浊度、细菌。 当预加氯时抑制了滤料中生物的生长，此时滤层中没有或较少生物降解作用； 如果不预加氯，滤料层中就会有微生物生长。实践表明，不预加氯时，滤池出 水氨氮有所降低，亚硝酸盐氮增加，这表明滤池中存在亚硝酸盐菌。强化过滤 技术即是在不预加氯的情况下，在滤料表面上培养繁殖微生物，利用微生物的 生理活动，去除水中的有机物，即让滤料既能去浊，又能降解有机物，降解氨 氮、亚硝酸盐氮。该技术运行管理方面有较大难度：例如要控制反冲洗强度， 既能冲去积泥，又能保持一定的生物膜；要控制滤池内部的微环境有利于微生 物的生长。 l i3 2 4 组合工艺 以上这些工艺去除有机物的原理，归纳起来就是吸附、氧化、生物降解、 膜滤四类。若能将以上几种工艺适当的组合起来加以利用，起到多种去除作用， 效果更好。组合工艺方案可有多种，例如，生物接触氧化+ 砂滤池+ 活性炭吸附【5 ”， 连续中孔膜微滤+ 活性炭吸附【5 3 】等等。这些组合工艺如果能充分发挥每种工艺的 优势，互相取长补短，将宛如一道道屏障将水中的有机污染物去除，使出水水 质达到更优。 1 3 3 处理技术的综合评价 综合比较以上微污染水处理技术，可以做出以下评价：强化混凝、强化过 滤是目前最经济有效的方法，但是其作用存在一定的局限性；活性炭吸附法单 独使用时，效果好，但处理费用昂贵，与其它方法联用时，不仅效果好，且能 延长活性炭的使用周期，不失为一种处理微污染水源的行之有效的方法：光催 化氧化法、膜法处理效果很好，但是费用较高，相信随着这些技术自身的进一 步完善，在未来饮用水处理领域中将会得到广泛应用。生物预处理技术能降解 水c l 钉机物，有效地减少水中“三致物质”的生成量，运行费用低，具有明显 华中科技大学硕士学位论文 的经济效益，相信生物预处理+ 常规处理的工艺将在饮用水净化领域有着较好的 应用前景。以下具体就这几项技术的效果、基建及运行费用进行了综合评价， 详见表1 4 和表1 5 ： 表1 4 综合评价表 深度处理 工艺常规工艺 活性炭一硅 臭氧活性炭生物活性炭光催化氧化 联用法 藻土过滤联 用 法 除浊、消 去除氨氮、 功能去除有机物亚硝盐氮、去除有机物 去除有机物 毒 有机物 有机物 2 02 0 - 5 02 0 - 5 03 0 - 5 03 0 - 5 0 去除 c o d e , 效果氨氮 l o 一2 0 少量8 0 9 0少量 少量 ( ) 亚硝酸 负增长少量少量少量少量 盐氮 色嗅味一定很有效很有效很有效部分 a l n e s 致突活性负增长很有效很有效很有效有效 增加基建费用较低较高较高 增加运行赞用 较低较低较低高 华中科技大学硕士学位论文 表l ，5 续表 深度处理预处理常规工艺强化 工艺 活性炭一 膜法 生物预处强化 理 预氧化法硅藻土过强化混凝 过滤 滤联用 去除氨去除氨去除氨 氮、亚硝氮、亚硝去除有机去除有机充分发挥氮、亚硝 功能 盐氮、有盐氮、有物物混凝作用盐氮、部 机物机物分有机物 有机物 3 0 5 01 0 - 2 55 0 - 8 02 0 5 0 增加8 1 0 1 0 一1 5 去除 c o d m 。 效果氨氮少量 8 0 - 9 0 少量少量基本无 7 0 - 8 0 ( ) 亚硝酸 8 0 9 08 0 9 0 少量少量基本无 8 0 - 9 0 盐氮 色嗅味很有效部分很有效很有效少量 少量 a m e s 致突活性很有效不明显很有效很有效不明显 少量 增加基建费用高高较低较高低 低 增加运行费用高低较低低 低 1 4 硅藻土用于微污染水源水处理的优势 1 4 1 硅藻土矿储量丰富 娃藻一h 足一种分布广、储量大、价格便宜的矿藏，本试验采用的随州硅藻 上更具阿埋藏浅、储量大、价格便宜的特点，如能将硅藻土应用于微污染水源 华中科技大学硕士学位论文 水的处理，将取得良好的经济效益和社会效益。 1 4 2 硅藻土作为水处理药剂具有多种作用 硅藻土是一种多孔性物质。从目前研究来看，硅藻土作为水处理药剂，具 有混凝、吸附、中和等多种作用，不仅能去除水中的浊度，亦能去除水中的有 机物，能克服常规水处理工艺不能有效去除水中有机物的不足，故可以期望硅 藻土在微污染水源水的处理中将有广阔的应用前景。 1 4 3 可形成硅藻土水处理的一体化设备 硅藻土的主要成分是s i o ：，亦含有1 0 - 2 0 的a 1 ：o ，、f e ：o ，等少量金属氧 化物。将硅藻土用酸处理后，硅藻土中将含有相当于混凝剂的成分( 如用h ：s o 。 处理，将产生a 1 2 ( s o ) ，、f e ：( s o 。) ，等金属硫酸盐) ，即经酸活化后的硅藻土亦可 充当混凝剂用于水处理中。同时，硅藻土预涂层过滤技术已是一项发展较为成 熟的水处理技术，硅藻土过滤能有效去除水中的浊度，并能滤除水中的病毒。 如能将硅藻土作为混凝剂与硅藻土过滤结合起来，形成一体化设备，用于微污 染水的处理必将取得良好的效果。 1 4 4 无害性 硅藻土是一种纯天然生物岩，无毒无害，不会对环境形成二次污染。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 1 研究内容 2 研究内容与试验测定参数 本试验研究包括以下两部分： 第一部分是硅藻土活化条件及其净水机理研究，包括：1 ) 确定影响硅藻土 活化的主要因素；2 ) 各主要影响因素的排序：3 ) 硅藻土的最佳活化条件；4 ) 活化硅藻土与常规絮凝剂的比较。 第二部分是硅藻土一体化设备的试验研究，包括：1 ) 设备在两种不同工况 的连续流试验：2 ) 原水水量、水质变化对设备处理效果的影响。 2 2 试验测定参数 2 2 1 常规水质参数 2 2 1 1 浊度 1 定义：水的浊度是指水的浑浊程度。 2 意义：在水中所含的全部杂质中，除呈溶解状态的分子、离子和粘度很大( 能 下沉) 的物质外，其它杂质( 悬浮泥沙、有机物和无机物的胶体、微生物等) 部是使水变浑的原因。浑浊度的测定实际上是指水样中的杂质颗粒对光线散射 所产生的光学性质的测定。这种对光线散射的能力不仅和水中杂质的含量有关， 而且还和水中杂质的成分、粒度大小、形状和表面散射性质有关。 3 测定方法：根据产生光线的不同，分散射光浊度( n t u ) 和透射光浊度( j t u ) ， 分别用不同的义器测定川。 4 测定f z 器：上海自来水公司生产的g d s 3 型光电浊度仪。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 反映水中有机物含量的水质参数 f 2 2 2 1 氨氮n h 3 n 1 定义：水中游离氨( n h ，) 或铵盐( n h + ) 的含量。氨氮以游离氨或铵盐形 式存在于水中，两者的组成比取决于水的p h 值。当p h 值偏高时，游离氨的比 例较高；反之，则铵盐的比例较高。 2 意义：水中氨氮的来源主要为生活污水中含氮有机物受微生物作用的分解产 物，某些工业废水，如焦化废水和合成氮化肥厂废水等，以及农田排水。氨氮 的含量反应了水体的自净程度。 3 测定方法：纳氏分光光度法【6 。 4 测定仪器：吸光厦采用北京瑞利公司生产的u v l l 0 0 型紫外可见光光度计， 波长范围2 0 0 8 0 0 r i m 。 2 2 2 2 耗氧量c o d m 1 含义：l l 水中的还原性物质，在规定的条件下被k m n o 。氧化时，所消耗的 k m n 0 4 量，以氧的毫克数表示。 2 意义：天然水中主要存在的无机还原性物质有f e “、n 0 3 、s 、s o ：等，而 有机还原物质的组成比较复杂，主要来源于腐烂的动植物体以及排放的生活污 水和工业废水。水中有机物含量的多少，在一定程度上反映了水被污染的状况。 由于天然水中无机还原性物质很少。因此，一般可用耗氧量间接表示水中有机 物的含量。在测定条件下，高锰酸钾并不能使水中所有的有机物全部氧化。因 此，耗氧量只能反映水中有机物的相对含量。 3 测定方法：耗氧量的测定一般采用酸性高锰酸钾法) 。 2 2 2 3 化学需氧量c o d 。， 1 ，定义：l l 水中的还原性物质( 无机物和有机物) ，在一定条件下被k ，c r ，o 氧化，所消耗的k ，c r ，o ，量，以氧的毫克数表示。 i 6 华中科技大学硕士学位论文 2 意义：在强酸性条件下，可使水中绝大部分有机物的还原态无机物氧化，若 加入催化剂( a g z s o 一) ，可使直链烃类化合物的氧化达到8 5 9 5 以上，但对芳香 烃类化合物仍难以氧化。总的说来，化学需氧量中有机物的耗氧量要远高于高锰 酸钾法中有机物的耗氧量。 3 测定方法：采用重铬酸钾法测定 6 0 】。 4 测定仪器：美国h a c h 公司生产的4 5 6 0 0 型c o d 仪。 2 2 2 4 紫外光吸光度u v 2 5 4 1 定义：2 5 4 n m 波长下水样的吸光度。 2 意义：水中有机物的成分很复杂，其中有一些有机物，如腐殖质类的分子量 从5 0 0 - 1 0 5 变化，它们的化学式至今尚无定论。我们不可