（市政工程专业论文）新型助凝剂在水处理中的应用.pdf

摘要 摘要 随着水源污染和饮用水标准的不断提高，常规水处理工艺对水源的净化处理 已经不能够满足现状，本文针对常规解决方法的局限性，重点研究新型高效且低 价的助凝剂的添加对常规水处理工艺的强化，尤其是对混凝以及过滤工艺所起的 强化作用。 在烧杯实验中，主要选用了四种材料，即新型无机助凝剂、聚丙烯酰胺( p a m ) 、 硅气凝胶以及粉末活性炭，与p a c 联合混凝以达到强化混凝的效果。实验显示， 新型无机助凝剂在降低浊度以及c o d 方面效果均比较突出，而且本身造价较低， 因此在对比实验中它是最理想的助凝剂。由实验得当新型无机助凝剂得投加量为 3 0 m g l 时助凝效果最好。同时通过助凝剂得投加可以节省p a c 得投加量从而减 少制水成本。本实验还进行了二次混凝实验。当原水水质较差时，将第一次混凝 后的出水经少量的p a c 进行再次混凝同样可以起到强化混凝的效果。 在连续过滤实验中，以高效的纤维过滤为基础，并将新型无机助凝剂加载与 过滤介质纤维上，使过滤的过程集过滤与吸附为一体。实验结果显示，加载了新 型无机助凝剂的滤柱出水效果明显优于未加载助凝剂的滤柱的出水。当加载的助 凝剂量为l o m g l 时，出水效果达到最好，浊度甚至可以低至0 1 n t u 左右。在与 加载粉末活性炭的平行对比中，粉末活性炭的出水效果略优于新型无机助凝剂， 但是差别很小。在实验中发现，滤后出水的效果也跟原水有关，因此当原水水质 较差时，采用二次微絮凝过滤进行强化过滤。实验结果显示，当二次微絮凝的 p a c 投加量为2 5 m g l 时，强化效果达到最佳。 与各种预处理及深度处理技术相比，强化常规工艺具有不需另设构筑物优 点，是一种投资少、易于实施的、改造老水厂，解决微污染水源水处理问题的有 效途径。 关键词：新型无机助凝剂，粉末活性炭，硅气凝胶吸附，强化混凝，强化过滤， 高效纤维过滤 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o n t i n u o u s l yr a i s eo ft h ef i v e rp o l l u t i o na n dd r i n k i n gw a t e r s t a n d a r d ，t h ec o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tt ot h ed e c o n t a m i n a t i o no ft h er i v e rw a t e r c a n t s a t i s f yp r e s e n tc o n d i t i o ne n o u g h t h i s a r t i c l ep u t sf o r w o r dan e wi d e at o i n v e s t i g a t i o nt h i sp r o b l e m ，b ya d d i n ga n e w k i n d 、h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o w - c o s ti n o m i n e r a l r g a n i cm i n e r a lc o a g u l a n tt o e n h a n c et h ee f f e c to ft h ec o n v e n t i o n a lw a t e r t r e a t m e n t ，e s p e c i a l l yi nt h ec o a g u t a t i o np a r ta n df i l t r a t i o np a r t i nt h ei a rt e s t p a r t ，f o u r m a t e r i a lw a sc h o s e nc o m b i n ep a ct oe n h a n c e c o n v e n t i o n a lc o a g u t i o n ，t h e ya r en e wt y p ei n o r g a n i cm i n e r a lc o a g u l a n t 、p a m 、s i l i c o n a e r o g e la n dp o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o n t h e t e s ts h o w st h a tn e wt y p ei n o r g a n i c m i n e r a lc o a g u l a n ti st h eb e s te h h a n c e dc o a g u l a n tb o t ho nt h er e m o v i n gc o d m a n d t u r b i d i t ya n dl o w e s tc o s to fp r o d u c i n gc l e a nw a t e r i nt h i sa r t i c l e ，t h eb e s td o s a g ei s 3 0 m g l t h et e s ta l s os h o w st h a tt h r o u g ha d d i n ge n h a n c e dc o a g u l a n t ，t h ed o s a g eo f p a cc a nb er e d u c e d i tm e a n st h a tt h ec o s to fp r o d u c e dw a t e rc a nb er e d u c e d t h e t h i r dp a r to fj a l t e s ti sf o u c u s e do nt h es e c o n dc o a g u l a t i o n i nt h ec a s e o fu n i d e a l e f f e c to ft r a d i t i o n a lc o a g u l a t i o n ，b yt h es e c o n dc o a g u l a t i o nc a na l s oe n h a n c e c o a g u l a t e t h ec o n t i n u o u sf i l t r a t i o nt e s tb a s e do nt h eh i g hp e r f o r m a n c ef i b e rf i l t r a t i o n ，t o f i n et h eb e s te n h a n c i n gm e t h o d i nt h ef i r s tp a r to ft e s t ，w ef i l lt h en e wt y p ei n o r g a n i c m i n e r a lc o a g u l a n ti n t of i b e r , t h a ti nt h ec o u r s eo ff i l t r a t i o n ，f i l t r a t i n ga n da d s o r p t i o nc a n e f f e c ta tt h es a m et i m e t e s ts h o w st h a tw h e nt h ed o s a g eo fn e wt y p ei n o r g a n i c m i n e r a lc o a g u l a n ti s1 0 m g l , t h eq u a l i t yo fp r o d u c e dw a t e ri st h eb e s t ，a n dt h ee f f e c ti s b e t t e rt h a nt h ew a t e rf i l t r a t e db yu n f i l lw i t hn e wt y p ei n o r g a n i cm i n e r a lc o a g u l a n t o b v i o u s l y w h e nf i l lt h es a m ed o s a g eo fp o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o ni n t ot h ef i l t r a t e r m e d i u m ，t h ee f f e c ti sb e t t e rt h a nf i l l e dw i t hn e wt y p ei n o r g a n i cm i n e r a lc o a g u l a n t ，b u t t h e r ei sj u s tt i t t l ed i f f e r e n c e t h eq u a l i t yo ff i l t e rd f f l u e n ti sr e l a t e dw i t ht h eq u a l i t yo f s o u r c ew a t e r ，s ot h es e c o n dp a r to fc o n t i n u o u sf i l t r a t i o nt e s ti sf o c u s e do nt h es e c o n d m i c r of i l t r a t i o n t h et e s ts h o w st h a tw h e nt h ed o s a g eo fp a ci s2 5 m g 几t h et u r b i d i t y o ff i l t e rd f ! f l u e n tc a nr e a c h e da l m o s t0 1n t u c o m p a r e d w i t ht h e p r e t r e a t m e n t a n da d v a n c e dt r e a t m e n t ，t h e o u t s t a n d i n g a d v a n t a g e so ft h ee n h a n c e dc o n v e n t i o n a lp r o c e s sw e r el e s sc a p i t a li n v e s t m e n ta n dn o n e e do fn e we s t a b l i s h e dw a t e rt r e a t m e n tf a c i l i t i e s f o rt h ee x i s t i n gw a t e rp l a n t si nt h e a b s t r a c t t r e a t m e n to fm i c r o p o l l u t e ds o u r c ew a t e r , e h h a n c ec o n v e n t i o n a lp r o c e s sw a sa n e f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ed r i n k i n gw a t e rq u a l i t y k e yw o r d s ：n e wt y p ei n o r g a n i ce n h a n c e dc o a g u l a n t ，p o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o n ， s i l i c o na e r o g e la d s o r p t i o n ，e n h a n c e dc o a g u l a t i o n ，e n h a n c e df i l t r a t i o n ， h i g l lp e r f o r m a n c ef i b e rf i l t e r 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：确移 - - - - - - - - - - - o - - 硐年孑月f f 日 械纛龆刎蒯一躲啪吗指导教师龆刎讲 学位论文作者躲黟狮多巧 矿叩3 月，萝日砷年弓月1 5 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。 签名： 叼年 乡日 捂 、j 1 】j南月虱弓 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 概述 水是人类生存和发展的不可缺少的宝贵资源。当代人口、资源和环境的协调 发展已成为国际社会共同关注的重大战略问题。我国是世界人口大国，但人均淡 水资源却是贫国。总体来说，我国水资源有三个主要特点：一个是水资源短缺， 人均拥有量仅为世界平均值的四分之一。根据资料显示，我国水资源总量为2 8 万亿m 3 ，但可利用量只有4 0 5 0 位1 左右，可见可利用的水资源是有限的。 而且人均拥有的水资源量只有2 3 0 0 m 3 ( 其中有9 个省市的人均水资源在5 0 0 m 3 以下) ，在世界上排在第1 0 9 位，并被列为1 3 个贫水国之一硷1 。第二，在时空上 分布不均匀，北方严重缺水。水资源分布不均匀，降雨量少，尤其北方地区的水 资源短缺的矛盾更加突出。全国有1 4 的国土面积缺水，1 1 0 n 1 地区的水资源仅 能满足人类生存的基本需求，不少地区连起码的需求也不能满足。第三，水质污 染。据( ( 2 0 0 1 年中国环境状况公报显示，2 0 0 0 年中国在经济增长7 的情况 下，全国七大江河水系均受到不同程度的污染，一半以上的监测断面属于五类或 劣五类水质。其中黄河、淮河和辽河由于水量大幅度下降，水体污染加重。有监 测部门报告，全国5 3 2 条河流中8 2 受到不同程度的污染，流经全国4 2 个大中 城市的4 4 条河流中9 3 被污染，其中严重污染的占7 9 ，全国9 7 的大中城 市地下水受到严重污染，水库、湖泊由于富营养化导致藻类滋生严重。 水污染造成的危害主要有以下几个方面：一是使水体的使用功能降低甚至丧 失，加剧了水资源短缺的危机；二是危害农业和渔业生产，水体的长期污染使病 原体、突变致癌物质通过粮食、蔬菜、水果和水产品等食物链进入到人体内，间 接地造成受害区人群寄生虫、肠道疾病发病率和肿瘤死亡率的大幅度提高；三是 饮用水源中微量有机毒物的大量增加，降低了饮用水的安全性，危害人体健康 及生命安全。水源污染加剧的情况加重了水处理净化的压力，但同时也给水处理 领域提出了更高的要求，更紧迫的挑战。 一方面随着工业的迅速发展，水体污染同益严重，水中有害物质逐年增多， 另一方面随着水质分析技术逐渐改进，水源水和饮用水中能够测得的微量污染物 质的种类也不断增加，人们生活水平的不断提高对水质方面的要求也越来越高， 现行的水质标准再也不能满足人们的要求和当前的原水实际状况，水质标准在不 断地提高。我国建国五十年来水质标准颁布了4 次，检验项目从开始地1 6 项增 第1 章绪论 加到3 5 项，每次标准地修改制定都增加了水质检验项目并提高了水质标准。全 世界具有国际权威性、代表性的饮用水水质标准有3 部：世界卫生组织的饮用 水水质准则、欧盟的饮用水水质指令以及美国环保局的国家饮用水水质 标准口1 ，其他国家或地区基本以这3 个标准为基础制定饮用水标准。随着国际 上对饮用水水质标准地越来越重视，中国的饮用水水质标准当然不能落后。2 0 0 5 年6 月1 日，国家建设部颁布的城市供水水质标准开始实施，与国家现行标 准生活饮用水卫生标准相比，该标准对水质提出了更高要求，检测总项目达 1 0 5 项，增加了很多有机污染物的项目，以及耗氧量这个判断饮用水中有机物总 量有多少的重要项目，对于国家标准中本来就有的某些项目，更是提高了限量指 标。8 1 0 1 综上所述，随着社会经济的不断发展，水资源短缺和水环境的污染问题愈加 严重，但生产、生活对水质的要求却日益提高，水质标准也不断的提高。在这样 的水环境政策法规背景下，净水工艺的处理要求大大地提高。出水水质不仅要在 感观性和一般理化性指标方面达到标准，而且还要在微生物学指标、毒理性有机 物、无机物指标和放射性指标等等方面达标。 1 1 2 常规处理工艺存在的问题 在我国目前大多数水厂应用的常规的水处理工艺：混凝一沉淀一砂滤一投氯 消毒。尽管对澄清水质消除水中病原菌十分有效，但是已不能完全满足当今的水 处理要求，对于去除现存于水体中大量增加的有机物，效果平平，不能够进行有 效处理和降解。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) ，常规饮用水 处理工艺( 只能去除水中有机物2 0 一3 0 ，且由于溶解性有机物存在，不利于破 坏胶体的稳定性而使常规工艺对原水浊度去除效果也明显下降。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，因此，研究和探索新的可 行性水处理工艺以及对常规工艺的改进和改造是未来水行业的研究方向 1 0 。 1 1 3 常规净水工艺的基本改造方法 常规净水工艺的改造有以下几种方法： 增加深度处理构筑物，如活性炭吸附技术；增加预处理构筑物，如生物预处 理( 接触氧化池或生物滤) ；不增加常规工艺前、后的净化构筑物，在现有工艺 上改造，如强化混凝、强化过滤、优化消毒等。 增加深度处理构筑物和增加预处理构筑物的方法虽然能从一定程度上提高 氨氮、亚硝酸盐氮、有机物等的去除率，但是均需在现有常规工艺的基础上另外 2 第1 章绪论 增设构筑物及设备，这就需要占地与较高的土建和设备投资，工艺复杂性有所提 高，基建费用及运行管理费用明显提升，无疑增加了饮用水的生产成本。 强化混凝是指在常规处理工艺流程中在混凝处理时投加过量的混凝剂、新型 混凝剂或助凝剂或者是其他的药剂并控制一定的p h 值，通过加强混凝与絮凝作 用，从而提高常规处理中天然有机物( n o m ) 的去除效果，最大限度地去除消 毒副产物的前体物( d b p f p ) ，保证饮用水消毒副产物符合饮用水标准的方法， 作用机理主要是创造良好的水利条件和吸附架桥，并不大幅度地提高工艺的复杂 性，并能充分发挥混凝作用n ，除此之外还包括改良沉淀条件等。 强化过滤主要有投加助滤剂强化过滤、变革滤料强化过滤、改进滤反冲洗工 艺强化过滤和优化常规过滤工艺等。 与增加深度处理及生物预处理相比，强化常规水处理能在不增加水厂构筑物 的情况下，利用现有工艺、构筑物和设备，通过采用新型水处理材料、水处理药 剂及优化工艺运行参数，最大程度地发挥现有工艺、构筑物及设备的处理效果， 或使其具有某种新的处理功效，达到提高自来水水质的目的。 1 1 4 本课题的提出及目的 针对目前饮用水水源污染问题的同益突出，利用现有传统工艺生产全面合格 饮用水的技术难度已日益加大，更无法达到建设部“城市供水水质标准 中对饮 用水水质所提出的更严格要求的这一难题，本课题着重以助凝剂作为助凝剂在水 处理工艺中的应用为主，侧重研究其在混凝和过滤这两个工艺过程中的应用试 验，并以黄浦江支水源和长江水源两个水源为研究对象，以期能找到最经济有效 的应用方法，不仅能在不增加制水成本的基础上提高水中污染物的去处率，并能 在今后的实际应用中起到实际的指导作用。 1 2 本课题的来源 1 2 1 助凝剂在混凝工艺中的应用研究概况 在给水净化和废水处理的混凝、沉淀、过滤诸工艺中，混凝是其中的关键。 实践证明，设计时混凝工艺如果选定合理，不仅可提高出水水质，还能达到节能、 节药、降低运行费用的目的。混凝是以形成絮体为中心的单元净化过程，它的效 果是由混凝剂的化学作用和构筑物的流体动力学作用两方面来决定的。高效、经 济的混凝剂对已有的工艺设备来说很重要，从而能形成密实度好的混凝颗粒，以 利于后续沉淀、过滤工艺的高效运行。混凝效果的好坏取决于p h 值、温度、浓 度等等，主要取决于两个因素n 纠：1 ，混凝剂水解后，产生的压缩双电层机理、吸 附电中和作用机理，以及高分子络合物形成吸附架桥的连接能力，这是由混凝剂 3 第1 章绪论 的性质决定的；2 ，微小颗粒碰撞几率以及如何控制它们进行合理有效的碰撞， 是由水力条件所决定的。 混凝剂和助凝剂在水处理过程中起着极为重要的作用。在2 0 世纪初，用混 凝剂进行工作的快滤池进入给水处理的实践中，其运转经验表明，混凝剂具有很 高的消毒能力。从最早使用的天然混凝剂到初级合成a i c l 3 、f e s 0 4 - - 7 h 2 0 或硅 系列混凝剂，再到现今使用的高聚合类混凝剂( 如p a c 、p f s 、p a s s 、p a m 等) ， 以及即将到来的生物混凝剂，人类使用混凝剂的过程也会经历一个从天然到合成 再到天然的循环。混凝方法也由简单的搅拌发展到精确控制搅拌的各种边界条 件、混凝剂最适应用环境，进而形成许多的混凝理论，在水的净化处理过程起着 重要的指导作用n 3 j 耵。 目前，混凝剂的品种繁多，按其化学成分可分为无机和有机两大类。无机类 的品种较少，主要是铝和铁的盐类及其水解聚合产物，但在水和废水处理中的用 量很大，应用最广的是铝盐，其中有硫酸铝、硫酸铝钾和铝酸纳等，其次是铁盐 如三氯化铁、硫酸亚铁和硫酸铁等；有机类的品种很多，主要是高分子化合物， 又可分为天然的及人工合成的两部分，但用量不如无机类大。无机类中聚合氯化 铝目前使用比较广泛；有机类中聚丙烯酰胺使用普遍。当使用混凝剂不能取得良 好效果时，须投加助凝剂。助凝剂种类很多，大体也可分为两类：一类用于调节 和改善混凝条件的药剂，如石灰、苏打等；另一类用于改善絮凝体结构的高分子 助凝剂，有聚丙烯酰胺、活化硅酸、骨胶、海藻酸钠等。混凝剂发展也很迅速， 由低分子向聚合高分子发展，所研制的新型高效混凝，它们即具有电中和及双电 层压缩作用，又具有长链大分子强烈的吸附架桥作用。如目前研究较多的聚硅酸 盐系列，聚硅硫酸铝、聚硅硫酸铁及聚硅硫酸铝铁，这类混凝剂增加了聚合铝铁 盐的稳定性，又保持各自的优良性能，强化了吸附架桥作用，易于形成高密度的 絮体。助凝剂也同样由无机絮凝剂发展到微生物絮凝剂、复合絮凝剂。复合型絮 凝剂以其高效价廉的优势必将迅速发展，简化有机合成制备过程，降低生产成本 【1 4 】 o 从八十年代开始，各国对有机高分子絮凝剂的研究与应用非常重视。目前应 用最多的是聚丙烯酰胺类。一般根据其作用不同分为阴离子型、阳离子型与非离 子型。有机高分子絮凝剂具有用量少、絮体大、污泥少等优点，因而发展迅速。 但对其毒性，各国学者看法不一，在饮用水中使用需慎重。日本对之的应用也只 是在硫酸铝处理效果不理想时作为辅助方法。英、美国家对高分子絮凝剂的使用 作了最大用量的规定。美国对硫酸铝和阳离子聚合物的组合使用越来越广泛，因 为这不仅减少药剂用量，降低泥量，而且还增加絮体的物理强度，这对高速过滤 是必需的。阴离子型和非离子型聚合物也常用作助凝剂。有机高分子絮凝剂在我 4 第1 章绪论 国的应用目前仅限于高浊度水的局部地区。我国目前采用的主要助凝剂是无机活 化硅酸，其作用是增加絮凝剂的骨架强度，改善絮体结构。尤其是对低温低浊水 的处理较为有效。我国使用该种助凝剂已有四十多年的历史和经验。其次是氯作 为助凝剂，其作用是采用预氯化法破坏起干扰混凝作用的有机物，改善混凝效果。 同时用氯将硫酸亚铁氧化为高价铁，提高混凝剂的净化效果。但对受污染的原水， 易生成以三卤甲烷为代表的卤代有机化合物。该类物质具有致突变活性，因此有 待于深入分析和研究。 研究与实践揭示，现有混凝剂潜力的挖掘，混凝反应条件的优化，可使混凝 作用效果有一定程度的提高。但这种提高是有限度的，有针对性的。如在给水处 理过程中，目前的强化混凝技术仅仅适用于原水d o c 浓度较高的情形，对低d o c 原水并不适用；再就是目前的强化混凝对原水a o c 的去除率很小。一些新型混 凝剂或复合混凝剂与污染物的作用突破了传统混凝剂的作用范畴，不仅具有物理 吸附作用，而且对水体中溶解性低分子有机物产生很强的化学吸附、氧化等多种 作用，从而可以提高污染物的去除率，因此无疑为混凝剂的研发拓宽了思路。因 此，针对一些特殊原水或原水中的特殊污染物，开发高效、无毒、价廉的混凝剂 和助凝剂，是推动强化混凝技术在水处理中应用的核心因素之一。 1 2 2 助凝剂在过滤工艺中的应用研究概况 过滤在水处理上一般称为二级处理，通常是设于沉淀、澄清、气浮等一级设 备之后，用来进一步降低水中浊度。最早的过滤是使用慢滤池n5 1 6 1 。这是利用生 物膜过滤工艺。慢滤池出水水质高，但生产效率低。当前国内外过滤过程多使用 快滤池以提高生产效率。快滤池的过滤机理是接触絮凝。快滤池发展历史己百余 年，创造出多种池型，有四阀滤池、双阀滤池、虹吸滤池、无阀滤池、压滤罐、 v 型滤池等。大型水厂多使用四阀滤池及其改型的双阀滤池。在过滤介质的选择 上出现了单层、双层、三层和混合滤料滤床；在滤料种类上，除了常用的石英砂、 无烟煤滤料外，还出现了泡沫塑料、陶粒、活性炭颗粒、纤维滤料等。 滤料是滤池的核心，其中粒状滤料n 6 ，盯，婚1 应用最早、最广泛，主要是石英砂、 无烟煤、石榴石等，分别用作单层滤料、多层滤料、混合滤料等。现在国内正使 用的快滤池一般选用的滤料为单层或多层砂滤料，滤料粒径偏细，滤料砂粒大小 不均匀程度大，滤层孔隙率低，含污能力小。过滤水头损失大，大部分杂质截留 在滤层表面，杂质穿透深度小，表层截污量比例大，堵塞速度和水头损失增长很 快，滤池工作周期短，反冲洗水耗大。反冲洗时，细砂粒易被冲出滤池而流失， 且层间易产生混杂、板结等问题。粒状滤料经反冲洗后形成滤粒粒径从小到大分 布，造成过滤效率由高到低的不合理现象，从而影响过滤器过滤效率和截污容量。 之后，人们又采用多层滤料，但滤料来源受限制，并容易发生严重混层和流失现 5 第1 章绪论 象。 二十世纪八十年代初，在高分子材料技术迅速发展的基础上，纤维过滤技术 n 钒她2 h 翻诞生了。由于纤维滤料具有比表面积大、过滤精度高、滤速快、阻力小、 不易流失、不易板结、寿命长( 超过十年) 等特点，无论是技术指标还是经济指 标都超过砂滤技术，是目前认为最理想的过滤材料之一，是砂滤技术的理想换代 技术。近些年来，以纤维为滤料的过滤装置发展很快，类别较多，主要有囊调节 式纤维过滤器和自助力式纤维过滤器。在自来水工艺应用方面，纤维束过滤技术 可以设计成各种重力式滤池，如快滤池、v 型滤池、虹吸滤池等，也可以用于砂 滤池的改造。 提高过滤效果的方式可以有以下几种： 1 合理地选择滤料级配；2 降低滤 速、稳定滤速；3 采用预处理措施；4 投加助滤剂：5 提高滤料性能。 在本课题的研究中，利用助凝剂在过滤过程中的合理应用从而提高滤后水质 的方法主要采用上述几种方法中的后三种。 预处理措施：将滤前水进行二次混凝，改良滤前水的水质从而提高滤后水的 水质。 投加助滤剂：助滤剂一般为无机混凝剂( 如硫酸铝、聚合铝、三氯化铁、聚 合铁) 、无机阳离子( 如钙、镁) 、有机高分子( 如聚丙烯酸胺) 、助滤剂也可以 是一些氧化剂( 如高锰酸钾、高铁酸盐、氯、过氧化氢、臭氧) 等。助滤剂可以 单独投加，也可以复合投加。助滤剂的投加量一般很少。投加助滤剂能够显著地 提高滤后水的水质，助滤剂的投加也能够显著地提高滤层过滤的稳定性，特别是 提高了对滤速变化的适应性。本实验投加的助滤剂则是新型无机助凝剂和煤质粉 末活性炭。 据相关资料显示，黄晓东等人心3 3 在滤前水中二次投加混凝剂p a c ( 聚合氯化 铝) ，通过微絮凝过滤机理，进一步提高滤池对悬浮颗粒的截留效果，降低滤后 水浊度、特别是除滤水的浊度。实验结果表明，当初滤水浊度较高( 2 n r u ) 时 候，投0 0 5 0 1 m g l p a c 进行二次微絮凝过滤，过滤1 5 分钟后，滤后水浊度便 低于0 1 n t u ，且稳定性强，且待滤水浊度变化影响小。齐玉玲心钔等人通过对水 厂混凝沉淀出水的二次微絮凝中试试研究，得出混凝剂p a c 最佳投量为0 2 m g l ， 最佳絮凝时间为2 4 m i n ，使得在一个过滤周期内滤后水的平均浊度小于 0 1 n t u ，此外，滤后水浊度在滤池的成熟期内也低于0 1 n t u ，而且在4 0 m i n 内达到稳定。二次微絮凝对过滤的水头损失影响不大，对有机物和藻类的去除率 有一定程度的提高。 当前，面对水源污染严重、水质标准提高的现实，投加助滤剂来提高给水厂 出厂水水质不失为一个新的方法。 6 第1 章绪论 提高滤料性能：过滤过程中滤料截留杂质的主要作用在于滤料的表面特性。 滤料表面吸附性能增强可以显著地提高滤料对水中杂质的吸附能力，提高滤层的 除污染能力。因此本实验采用纤维作为过滤介质进行过滤。 纤维作为过滤介质进行滤除流体中杂质的应用历史较早，用于水处理过滤工 艺过程是近2 0 多年发展起来的一项新技术。纤维是柔性丝状过滤介质，可以根 据工艺特点采用束状、捆状、球状或缠绕或织物状等装填方式。纤维性能稳定， 直径为微米级，过滤精度高，具有水流阻力小等水力学特点，近些年来，以纤维 为滤料的过滤装置发展很快，类别较多。 纤维过滤技术特点可归纳为如下几点： 1 过滤介质为直径2 0 5 吮m 的纤维丝构成，有较大的比表面积； 2 纤维滤料构成的滤层有较大的孔隙率； 3 纤维滤料层为柔性丝状材料，密度较小，便于以各种结构状态构成过滤介 质，以适应过滤工艺的需要； 4 纤维滤料阻力小，易实现深层过滤过程。 纤维过滤技术及设备经二十几年的研究、开发、应用，显示出具有过滤精度 高、出力大、阻力小、设备结构新颖、多样等诸多特点，对传统的过滤技术与设 备正起着更新换代的变革作用，应用前景十分广阔瞄1 。 1 3 本课题的研究内容 本论文主要包括助凝剂在混凝和过滤两个工艺过程中的应用研究内容。 1 3 1 助凝剂在混凝工艺中的应用实验研究 本部分实验采用静态试验的方式，进行了以p a c 为主要混凝剂，并选用不 同助凝剂进行联合混凝效果评价，以确定： 1 在利用助凝剂进行强化混凝法中去除有机物的最佳组合条件 2 混凝剂和最佳助凝剂的最佳投加量 3 同等试验条件下通过投加合理的助凝剂可节省的混凝剂投加量 4 改变混凝剂一次投加的现状，采用二次强化混凝工艺，并确定二次混凝 中混凝剂的投加量、投加方式等参数。 1 3 2 助凝剂在过滤工艺中的应用实验研究 本部分实验采用动态模拟试验的方式，实验内容包括： 1 采用新型过滤介质一一纤维滤料进行过滤 2 在滤前再次投加p a c ，进行二次微絮凝实验 3 以纤维滤料直接过滤为基础，采用载粉末活性炭及新型无机助凝剂进行 7 第1 章绪论 集过滤与吸附为一体的强化过滤研究。 8 第2 章理论基础 第2 章理论基础 2 1 混凝基本理论及助凝剂的投加对提高混凝效果的原理 混凝是指对混合、凝聚、絮凝的总括。凝聚是指通过吸附和电中和作用使颗 粒物失去分散稳定性的聚集生长过程，常常伴随着颗粒物表面化学与溶液组成成 分及其溶解度的变化。絮凝是指颗粒物通过或不通过架桥作用在布朗运动、流体 输送、重力沉降作用下碰撞结合的聚集生长过程。 混凝汹铷1 包括凝聚和絮凝过程，凝聚过程主要是通过加入的絮凝剂与水中胶 体颗粒迅速发生电中和、双电层压缩而凝聚脱稳，脱稳颗粒再相聚结而形成初级 微絮凝体。絮凝过程则是促使微絮凝体继续增大形成粗大而密实的沉降絮体。实 际上，凝聚和絮凝两个阶段间隔是瞬间的，几乎同时发生。在待处理水溶液加入 混凝剂后，为克服胶体颗粒的稳定性( 微粒布朗运动、胶体颗粒间的静电斥力、 胶体颗粒表面的水化作用) 而需将药液迅速均匀地分布于整个溶液之中，以便使 其尽可能地发挥混凝剂本身的“活性”，也就是说最大可能地发挥混凝剂的“潜 能”，最大程度地降低c = 电位，使水中的胶体颗粒迅速处于脱稳状态，此过程即 所谓的凝聚过程。随后，由于这些脱稳颗粒的( 电位被降低，两胶体颗粒相距到 一定范围时亦即胶体颗粒扩散层发生重叠时，在两胶粒之间同时存在排斥力( 采 用排斥势能e r 表示) 和范德华引力( 采用吸引势能e a 表示) 详见图2 1 比7 1 。 图2 1 双电层重叠 这两种力与两胶粒表面间距x 有关，排斥势能e r 随着颗粒之间距离x 的增 大而按指数关系减少，吸引势能e a 与颗粒之间距离x 的平方成反比，详见图 2 2 【嚣】。若总势能用e = e r + e a 表示，则两颗粒能否凝聚，取决于总势能e 。从 图中不难看出，当两胶粒表面距离x - - o a 、一o c 时，排斥势能e r 占优势；只有当 x - - - j 氛围，保持了上进的精神和勇气! 此外，我能够顺利完成学业，离不开父母家人以及身边挚友们的关心与帮 助，他们的支持与鼓励是我前进的源泉和动力，没有他们的支持，我的论文也 不会进行如此顺利! 最后，感谢多年来给我予以关心、鼓励和帮助的所有老师、同学和朋友1 2 0 0 7 年2 月 参考文献 参考文献 【1 】金子，李怡庭，李青山浅谈中国水资源与可持续保护东北水利水电，2 0 0 1 ，v 0 1 1 1 ：9 - 1 0 【2 】张岳中国水资源与可持续发展中国农村水利水电，1 9 9 8 ，v 0 1 5 ：3 - 7 【3 】彭忐彬城市水资源污染状况及保护措施油气田环境保护，2 0 0 1 ，v 0 1 1 1 ，n o 3 ，2 2 - 2 5 【4 】朱颜明等城市饮用水地表水源非点源污染研究城市环境与城市生活，2 0 0 0 ，v 0 1 1 3 ， n o 4 。1 4 【5 】郑天柱，倪深海，熊远明，刘桂文城市水源污染的预防和生态整治水资源保护，2 0 0 1 ， n o 4 ，1 6 一1 9 【6 】原水水质存在的问题及水处理工艺采取的控制措施，胡颖，邢宏，城镇供水，2 0 0 5 ，n o 5 ， 1 2 - 1 4 【7 】曾光明，黄瑾辉三大饮用水标准指标体系及特点比较中国给水排水，2 0 0 3 ，v 0 1 1 9 ：7 - 9 【8 】陈昌杰我国生活饮用水水质卫生要求农村水利，2 0 0 5 ，n o 1 7 ，4 7 - 4 8 【9 】9 许经纶英国饮用水水质标准及深度处理工艺上海水务，2 0 0 4 ，v 0 1 2 0 ，n o 2 ，3 9 - 4 1 【1 0 】黄晓东美国大中型水厂的工艺和水质调杏中国给水排水，2 0 0 2 ，v 0 1 1 8 ，n o 9 ，9 1 - 9 2 【1 1 】童祯恭给水处理工程中的强化混凝技术华东交通大学学报，2 0 0 4 ，v 0 1 2 1 ， n o 1 ，1 2 1 6 【1 2 】王绍文惯性效应在絮凝中的动力学作用中国给水排水，1 9 9 8 ( 2 ) ：1 3 - 1 6 【1 3 】龚云峰，吴春华，丁桓如强化混凝在给水处理工程中的应用中国给水排水， 2 0 0 0 ，v 0 1 1 6 ，n o 1 2 ，2 9 3 1 【1 4 】朱月海编著投药与混合技术北京：中国环境科学出版社，1 9 9 2 【1 5 】k o e t h e r , m c ；d e u t i c h m a n ，j e & v a n l o o n ，g w l o w - c o s tp o l y m e r i ca l u m i n u mc o a g u l a n t j o u r e n v i r e n g r g a s c e ，1 2 3 k ：9 ：8 5 9 ( 1 9 9 7 ) 【1 6 】杨惠银，柳春芳，唐朝春滤池在给水处理中的发展及应用江西广播电视人学学报， 2 0 0 6 ，第二期，7 7 8 0 【1 7 】许经纶译编英国的饮用水水质标准及深度处理工艺上海水务， 2 0 0 4 ，v 0 1 2 0 ，n o 2 ，3 9 4 1 【1 8 】黄晓东美国大、中型水厂的工艺和水质调查中国给水排水，2 0 0 2 ，v 0 1 1 8 ，n o 9 ： 9 1 9 2 【1 9 】游文书，杨日光纤维束滤料在给水滤池中的生产试验给水排水，2 0 0 1 ，v 0 1 2 7 ， n o 2 ：2 7 - 3 0 【2 0 】王世宗纤维束状滤料在虹吸滤池改造中的应用中国给水排水，2 0 0 4 ，v 0 1 2 0 ， n o 3 ：8 5 8 6 【2 1 】j o r g ea d & k y u n g - j uc h o i ( 1 9 9 6 ) m o d e l l i n go ff i l t r a t i o np r o c e s s e so ff i b r o u sf i l t e r m e d i a s e p t e c h ，( 6 ) ，5 5 6 7 【2 2 】钱克刚深层过滤的回顾与展望一纤维过滤剖析1 ：业水处理，1 9 9 3 ，2 期，3 - 8 【2 3 】黄晓东，张金松，齐玉玲等常规净水r 艺浊度控制技术研究城镇饮用水安全保障 技术研讨会论文集，深圳市2 0 0 4 ：1 5 6 - 1 6 2 【2 4 】齐玉玲，黄晓东，全继萍等p a c 二次微絮凝强化过滤研究城镇饮用水安全保障技 术研讨会论文集，深圳市2 0 0 4 ：1 7 6 1 8 6 【2 5 】袁+ 平，宗理华，曹英峰纤维过滤技术特点及府j j 净水技术，2 0 0 5 ，v 0 1 2 4 ，n o 1 ， 4 9 参考文献 5 4 5 6 【2 6 】江霜英水处理中有机絮凝剂的研究博士论文1 9 9 9 【2 7 】李伟英“混凝”新释义及混凝技术工业用水与废水，2 0 0 1 ，v 0 1 3 2 ，n o 2 ，3 7 3 9 【2 8 】c o a g u l a t i o ni nd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t ：p a r t i d e s ，o r g a n i c sa n dc o a g u l a n t s j ke d z w a l d w a t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , 1 9 9 3 【2 9 】c o a g u l a t i o np r o c e s s e s ：d e s t a b i l i z a t i o n ，m i x i n g ，a n df l o c c u l a t i o n a na m i r t h a r a j a h ，c r o m e l i a m c g r a w - h i l l , i n c ，0 i s a ) 11 9 4 ，1 9 9 0 【3 0 】t h ef e a s i b i l i t yo ff l o c c u l a t i o ni nas t o r a g es e d i m e n t a t i o nb a s i n wd ec o o lpb l o m ，g v a e s ，jb e d a m o n t - w a t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , 1 9 9 9 【3 1 】p o r n t i pc h o k s u c h a n ，m a r ch & a n , a l a i ng r a s m i c k u l t r a f i l t r a t i o ne n h a n c e db yc o a g u l a t i o ni n a l li m m e r s e dm e m b r a n es y s t e m d e s a l i n a t i o n ，2 0 0 2 ，1 4 5 ( 卜3 ) ：2 6 5 2 7 2 【3 2 】r a n d t k e ，s j e ta 1 ( 1 9 9 8 ) “o r g a n i cc o n t a m i n a n t sr e m o v a lb yc o a g u l a t i o na n dr e l a t e d p r o c e s s e sc o m b i n a t i o n s ，j o u r a w 0 8 0 ：5 ：4 0 【3 3 】龚云峰等强化混凝在给水处理工程中的应用【j 1 中国给水排水，2 0 0 0 ，1 2 【3 4 】( 美)