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中山大学硕 论文 硅藻十0 强化混凝联用谯擞污染源水处理中的成用毛l f 究 硅藻土与强化混凝联用在微污染源水处理 中的应用研究 专业：环境工程 硕士生：莫涛涛 糍导老师：孙连鹏 摘要 当前，我国大部分城市的饮用水源都受到了一定程度的污染，常规工艺对此 类水源水处理效果不好，且会生成大量具有“三致”作用的三卤甲烷类物质。硅 藻土以其应用灵活、基建投资省而受到人们的欢迎，尤其适合于季节性变化大的 源水的净化。 本文针对珠江微污染源水较系统地研究了硅藻土与强化混凝在处理微污染源 水中投加条件和处理效果。主要包括四个方面的内容：第一、硅藻土吸附实验； 第二、硅藻土分别与三种不同混凝剂联用效果分析；第三、硅藻土与强化混凝联 用机理分析；第四、硅藻土与强化混凝联用中试模型实验。 论文的成果和结论主要包括以下： ( 1 ) 硅藻土对水体中的t 2 5 4 具有优良的吸附能力，且吸附速度较快，当 硅藻土与水体接触时间为8 - 1 2 m i n 时，就可获得较好的效果；单纯投加硅藻土对 t o c 也有一定的去除作用，当硅藻土投加量为4 0 m g l 时，对t o c 去除率可达 3 0 以上： ( 2 ) 强亿混凝工艺对于去除有机物及降低永体浊度有明显效果，当氯化铁、 硫酸铝、p a c 投加量分别为2 0 m g l 、3 0 m g l 、4 0 m g l 时，对c o d c r 的去除率分 别为6 0 、8 0 及6 0 ； ( 3 ) 硅藻土与氯化铁联用，可形成的絮体大而且密实，沉降性能好，但混 中山大学硕士论文硅藻土与强化混凝联用在微污染源水处理中的应用研究 凝、沉淀出水的色度有所提高，且随着投加量增加，产泥量也明显增加；而硅藻 土与p a c 联用对有机物的去除稍低于硅藻土与硫酸铝联用的效果； ( 4 ) 硅藻土前投加方式主要是以助凝作用为主，对浊度有较高的去除率， 对有机物的去除效果较优于单纯投加混凝药剂，比较适合原水浊度较高，水体中 有机物含量较低的情况；而后投加硅藻土主要是以吸附作用为主，且对水体浊度 要一定的负作用，但对有机物有较高去除效果； ( 5 ) 中试模型实验结果表明：针对珠江微污染源水建议硫酸铝与硅藻土投 药组合为：1 0 m g 肌0 m g l ，此工况条件下，对c o d c r 及u v z 5 4 的去除率分别 为6 0 及3 0 ，对三氯甲烷及t o c 的去除率分别为3 3 及3 8 ，对四氯化碳去 除效果不明显。 关键词：硅藻土、强化混凝、微污染源水、有机污染物、三氯甲烷 中山大学硕i 论文硅藻土与强化混凝联用在微污染源水处理中的应用研究 t h er e s e a r c ho nt h e a p p l i c a t i o no f t h e c o m b i n a t i o no fd i a t o m i t ea n de n h a n c e d c o a g u l a t i o ni nt h et r e a t m e n to f m i c r o - p o l l u t e ds o u r c ew a t e r m 砌o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：m 0 1 h o t a o s u p e r v i s o r ：s u nl i a np e n g a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed r i n k i n gw a t e rs o u r c e so fm o s tc i t i e s i no u rc o u n t r ya r e c o n t a m i n a n t e dt os o m ee x t e n lt r a d i t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sc a n t tm e e tn e d r i n k i n gw a t e rr e q u i r e m e n tw h e np r o c e s s i n gt h i sk i n do fw a t e r a n dm a yc a u s et h e f o r m a t i o no ft h m st h a tm a yr e s u l ti nc a n c e r t 1 1 ed i a t o m i t ei sw e l lr e c e i v e db y p e o p l ew i t hi t sf l e x i b i l i t yo fa p p l i c a t i o n , a n de s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h ep u r i f i c a t i o no f t h ew a t e rt h a tc h a n g i n gs e a s o n a l t h i sa r t i c l es t u d i e dt h ed o s i n gc o n d i t i o na n de f f e c to ft h ec o m b i n a t i o no f d i a t o m i t ea n de n h a n c e dc o a g u l a t i o ni n t r e a t i n g p e a i lr i v e rw h i c hb e l o n g st o m i c r o - p o l l u t e ds o u r c ew a t e la n d i tm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gf o u r p a r t s ：f i r s t ，t h e r e s e a r c ho nt h ea b i l i t yo fd i a t o m i e sa b s o r p t i o n ；s e c o n d ，t h ee f f e c ta n a l y s i so ft h e c o m b i n a t i o no fd i a t o m i t ea n dt h r e ek i n d so fd i f f e r e n tc o a g u l a n t ；n i r d , t h em e c h a n i s m a n a l y s i so ft h ec o m b i n a t i o no fd i a t o m i t ea n de n h a n c e dc o a g u l a t i o n ；f o u r t h , t h ep i l o t m o d e le x p e r i m e n to ft h ec o m b i n a t i o no fd i a t o m i t ea n de n h a n c e dc o a g u l a t i o n a c h i e v e m e n ta n dc o n c l u s i o no ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed i a t o m i t eh a sag o o da b s o r p t i o no fu v 2 5 4 ( ak i n do fp o l l u t a n ti nt h e w a t e r ) , a n dt h ea d s o r p t i o nv e l o c i t yi sr a p i d as u p e r i o rr e s u l tc a nb ea c h i e v e dw h e n t h ec o n t a c tt i m ei s8t o1 2 r a i n i th a sac e r t a i nr e m o v a lf u n c t i o no n1 d cw h e n m 中山大学硕： 论文硅藻士与强化混凝联用在微污染源水处理中的应用研究 t h r o w i n gt h ed i a t o m i t ea l o n e , a st h ed i a t o m i t e sd o s a g eb e i n g4 0 m 叽i t c a nb em o r e t h a n3 0 o ft o c b e i n gr e m o v e d ； ( 2 ) e n h a n c e dc o a g u l a t i o nw o r k sv e r yw e l li nr e m o v i n gt h eo r g a n i cm a t t e ra n d r e d u c i n gt h et u r b i di nt h ew a t e r w h e nt h ed o s a g eo ff e r r i cc h l o r i d e ，a l u m i n u m s u l p h a t ea n dp a ci s2 0 m 叽3 0 m g la n d3 0 m g 化t h e i rr e m o v a lr a t eo fc o d c ri s 6 0 8 0 a n d6 0 r e s p e c t i v e l y ； ( 3 ) w h e nt h ed i a t o m i t ei nc o o p e r a t i o nw i t hf e r r i cc h l o r i d e , i tc a nf o r mc o a r s e a n dd e n s ef l o cw h i c hi se a s yt os e t t l i n go u t b u tt h ec o l o ro ft h ew a t e ra f t e r c o a g u l a t i o na n ds e d i m e n t a t i o nc a l lb ei m p r o v e dt os o m ee x t e n t , a n dw h e ni n c r e a s i n g t h ed o s a g eo ff e r r i cc h l o r i d e ，t h em u dy i e l do b v i o u s l yi n c r e a s e st o o a n dt h er e m o v a l o fo r g a n i cm a t t e rb yd i a t o m i t ei nc o o p e r a t i o nw i t hp a ci sl o w e rt h a nt h a to fd i a t o m i t e i nc o o p e r a t i o nw i t ha l u m i n u ms u l f a t e ( 4 ) t h ef o r w a r d w a y o ff e e d i n gd i a t o m i t e i s m a i n l yr e l y o nt h e c o a g u l a t i o n - s u p p o r t i n ge f f e c t , s oi t h a sah i g hr e m o v a lr a t e so ft u r b i d i t y , a n di t s r e m o v a lr a t e so fo r g a n i cm a t t e ri sb e t t e rt h a nt h a to ff e e d i n gc o a g u l a n ta l o n e s oi ti s s u i t a b l ef o rt h ek i n do fw a t e rt h a tc o n t a i n sh i g h e rt u r b i d i t yb u tl o w e ro r g a n i cm a t t e r a n dt h e nt h ea f t e r w a r d - w a yo ff e e d i n gd i a t o m i t ei sm a i n l yr e l yo na d s o r p t i o n ，a n di t h a san e g a t i v ea f f e c t i o no i lt u r b i d i t y , b u tah i g h e rr a t eo fr e m o v i n go r g a n i cm a t t e rt h a n t h ef o r w a r d - w a yo ff e e d i n gd i a t o m i t ed o s e ( 5 ) t h er e s u l to fp i l o tm o d e le x p e r i m e n ts h o w s ：t h ep r o p o s a ld o s a g eo f d i a t o m i t ea n da l u m i n u ms u l f a t ea i ma t t r e a t i n g p e a r lr i v e rw h i c hb e l o n g st o m i c r o p o l l u t e ds o u r c ew a t e ri s ：1 0 m g l + 1 0 m g l u n d e rt h i sc o n d i t i o n s ，t h er e m o v a l r a t eo fc o d c ra n du v 2 5 4i s6 0 a n d3 0 r e s p e c t i v e l y , a n dt h er e m o v a lr a t eo f c h l o r o f o r ma n dt o ci s3 3 a n d3 8 r e s p e c t i v e l y , b u tt h er e m o v a lo f t e t r a c h l o r o m e t h a n ei sn o to b v i o u s l y k e yw o r d s ：d i a t o m i t e ，e n h a n c e dc o a g u l a t i o n , m i c r o - p o l l u t e d s o u r c ew a t e r , o r g a n i cm a t t e r , c h l o r o f o r m i v 中山大学硕 j 论文 硅藻t 与强化混凝联用在微污染源水处理中的应用研究 1 1 引言 第一章概述 人类的生存与活动离不开水。水覆盖着7 1 的地球，因此地球得到了“蓝 色星球”美名。但是在1 3 亿( h n ) 3 的水资源中，9 8 都是含盐的水，淡水只有 3 0 0 0 万( k m ) 3 ，而且其中8 8 呈固态( 冰帽和冰川) ，在1 2 的淡水中多数是 地下水，人们可以直接取用的谈水，即从河流和湖泊中取用的淡水，只占0 0 1 4 。 地球上的水虽然不少，但水的分布却很不平衡。世界上每年约6 5 的水资源 集中在不到1 0 个国家里，而人口占世界总人口的4 0 的8 0 个国家( 其中9 国在 近东和中东) 却严重缺水，另外2 6 个国家( 共有人口2 3 2 亿) 的水资源也很少。 1 9 9 8 年3 月2 2 日值“世界水日”之际，各国报纸都刊登了有关水资源的问 题。且以“水荒”、“水战”、“水危机”、“水冲突”等显著的标题引起读者的注意。 法新社报导，到2 1 世纪，在这个人口过剩的地球上，围绕淡水进行的频繁争夺 将比以往任何时候都更加残酷无情。联合国1 9 9 7 年就提醒人们，水资源缺乏很 可能引发“地方的或地区的灾难”，还可能引发“能导致世界危机的对抗”。1 9 9 7 年6 月在依斯坦布尔签约的联合国人类住区会议，会议秘书长沃利恩多警告说： “据我的推断，在未来5 0 年我们会看到，导致国与国之间，人与人之间剧烈冲 突的诱因不再是石油，而是水”。1 9 9 7 年3 月在摩洛哥的马拉咳什签约的世界水 资源研讨会预测，2 0 5 0 年以前将发生一次水危机。世界银行官员们主张把水作 为一种稀有资源来管理。随着越来越多的人认识到淡水是一种稀有资源，认为水 理所当然是取之不尽的时代将一去不复返【1 1 。 目前中国被列为世界2 1 个贫水国家之一，人均占有量仅为世界人均占有量 的1 4 ，加上时空分布不均和污染严重，犹如“雪上加霜”，缺水问题十分突出， 严重影响了社会和经济的持续发展。在国家统计局最近发布的2 0 0 4 年中国国民 经济和社会发展统计公报中，2 0 0 4 年我国人均水资源2 0 0 0 余立方米，较2 0 0 3 年下降4 ；总用水量达5 5 0 0 0 亿立方米，较上年增长3 4 ，人均用水量超过 4 2 0 立方米，增长3 ，全国7 9 个城市缺水，超过2 3 0 0 百万人口。目前，全国 3 0 0 多个城市中，1 0 8 个城市严重缺水，4 0 多个城市进入世界严重缺水之列。 中山大学硕 论文硅藻土与强化混凝联用在微污染源水处理中的应用研究 水资源的缺乏的状况要求合理使用水资源，加强管理。但由于地区利益的驱 使，使得中国水污染情况是十分严重的，有四分之一的人口在饮用不符合卫生标 准的水。“水污染”已经成为中国最主要的水环境问题。中国水污染情况有这样 一个特点，随着中国工业化的进程和区位转移，水污染正从东部向西部发展，从 支流向干流延伸，从城市向农村蔓延，从地表向地下渗透，从区域向流域扩散。 根据上世纪末中国水利部对全国7 0 0 余条河流约1 0 万公里河长的水资源质量调 查，目前已有4 6 5 的河长受到污染( 相当于四、五类水质) ；1 0 6 的河段严重污 染( 已超五类水质) ，水体己丧失使用价值；9 0 以上的城市水域污染严重。在全 国七大流域中，太湖、淮河、黄河流域都有7 0 以上的河段受到污染；海河、松 辽流域污染也相当严重，污染河段占6 0 以上闭。 1 2 研究背景 1 2 1 微污染源水中的污染物质及其危害 在受污染的水体中，其分散相的情况比较复杂，般同时存在胶体颗粒、无 机离子，藻类个体，溶解性有机物，不溶性有机物等。而且它们之间并不是一个 个完全独立的子系统，而是相互联系，密不可分的一个污染物复杂体。 1 胶体 胶体主要是指水中存在的细菌、藻类、无机颗粒物( 如粘土、氧化铝) 、大分 子有机化合物( 如蛋白质、碳氢化合物) 等悬浮颗粒，尺寸在h u n m m 之间。对于 未受有机污染的天然地表水，胶体主要为无机粘土及其它无机成分；当水体受到 有机污染时，胶体的性质将发生一些变化，使其不同于前一种类型。无机胶体有 较大的比表面积，对于水中有机物有一定的吸附作用，同时具有离子交换能力。 大分子有机物如富里酸的交换能力更强。由于水体中无机胶体颗粒表面对有机物 的吸附作用，使无机胶体颗粒的带电性质发生变化，从而增加了胶体的；电位， 使胶体的稳定性增强。 2 有机物 水源水中的有机污染物可以分为以下两类：天然有机物( n o m ) 和人工合成有 机物( s o c ) 。天然有机污染物是指动植物在自然循环过程中经腐烂分解所产生的 2 中山大学顾t z 论文硅美士与强化混凝联用在微污染源水处理中的应用研究 物质，包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的动物组织及动物的废弃物等，也称为 耗氧有机物或传统有机物。人工合成有机物大多为有毒有机污染物，其中包括“三 致”有机污染物。 ( 1 )传统有机物 传统有机物也称为自然环境的代谢物，如水生生物及其分泌物，腐殖质等。 典型的传统有机物在1 0 - 2 0 种之间。天然水体中的传统有机物一般是指有机腐殖 质。这些有机物大部分呈胶体颗粒状，部分呈真溶液状，部分呈悬浮物状。 1 ) 腐殖质 腐殖质是土壤的有机组分，是由动植物残体通过化学和生物降解以及微生物 的合成作用而形成的。腐殖质来自动植物残骸腐烂过程的中间产物和微生物的合 成过程。腐殖质是一类亲水的、酸性的多分散物质，其分子量在几百到数万之间。 其组成可根据溶解性的不同分为三类，如腐殖质、富里酸及富里黑等物质。 天然水体中的腐殖质来源于土壤腐殖质低分子量组分以及水生植物的分解 和低等的浮游生物，是天然水体中有机物的主要组成部分。一般认为水生腐殖质 的分子量在5 0 0 - 1 0 0 0 0 ，主要分布在5 0 0 - 2 0 0 0 0 t ”。 腐殖质作为自然胶体而具有大量功能团或吸附位。在腐殖质中有一系列的官 能团，它们能对各种阳离子或基团存在极强的吸附能力或结合反应能力，尤其对 一些极性有机化合物或极性基团在水环境中行为产生重要影响，同水中有机微污 染物形成“络合体”，成为有毒、难溶解于水的元素及有机微污染物在水环境中 的“增强剂”和运载工具，使其在水中溶解度增大、迁移能力增强、分布范围更 广、毒性减弱、隐蔽性更强。通过离子交换、表面吸附、鳌合、胶溶和絮凝等反 应，永生腐殖质与水中各种金属离子、黏土颗粒以及铁、铝的非晶体态氧化物结 合在一起，形成化学和生物稳定性完全不同的水溶性或非水溶性的化合物。 2 )耗氧有机物 耗氧有机物包括蛋白质、脂肪、氨基酸、碳水化合物等。一般生活污水和工 业废水中包含较多的耗氧有机物，而污染源也给水体带来大量的耗氧有机物。耗 氧有机物来源多，排放量大，污染范围广，是一种普遍性的污染。 耗氧有机物一般不具有毒性，易为微生物分解。这类有机物通过消耗水中大 量的溶解氧恶化水质，破坏水体功能：水中耗氧有机物的分解常释放出营养物质 3 中山大学硕士论文硅藻土与强化混凝联用在微污染源水处理中的应用研究 一一氮、磷、硫等会引起水体中水生植物与藻类的大量繁殖，容易引起水体的富 营养化。 3 )藻类有机物 藻类有机物是藻类的分泌物及藻类尸体分解产物的总称。类在其生长过程中 由于新陈代谢作用从体内排出的一些代谢残渣以及细胞的分解产物，即藻类分泌 物，是从藻类中分离出来的一类有机物，其中一部分溶于水中，另一部分仍吸附 在藻类的表面。藻类在新陈代谢和细胞分解过程中产生的溶于水的物质中糖类物 质约占6 0 左右，主要是葡萄糖、半乳糖、木糖等，其余4 0 的化合物中还可 能含有氨基酸、有机酸、腐殖质类物质等。 4 )非溶解性有机物 水中的颗粒态有机物主要是被大分子有机物包裹的颗粒以及生物态颗粒有 机物和油的乳浊液。生物态颗粒有机物主要是一些微生物( 细菌、藻类) 及其尸体 ( 细胞碎片) ，也可能有其它有机碎片、原生动物及后生动物。 ( 2 )有毒有机污染物 有毒有机污染物即人工合成有机物( ( s o c s ) ，具有以下特点：难于降解，在 环境中有一定的残留水平，具有生物富集性、三致作用和毒性。相对于水体中的 天然有机物，他们对公众的健康危害更大。 有毒有机污染物的种类成千上万，而且人工合成有机化学品的不断问世，使 这类污染物的种类还在不断上升。这些有毒化学物质往往吸附在悬浮颗粒物上和 底泥中，成为不可移动的一部分。它们对水环境的影响时间可能会很长，例如 p c b s ( 多氯联苯_ ) 在水环境中的停留时间可长达几年。有毒有机污染物一般难于被 水中微生物降解，但却易为生物吸收，通过生物的食物链过程，逐渐富集到生物 体内，从而对人体健康造成危害。 业已查明，许多痕量有毒有机物对综合性指标b o d 5 ，t o c 等贡献极小，但 却具有更大的潜在威胁。医学中流行病已查明，8 0 - 9 0 的癌症与环境因素有 关，而绝大多数致癌物则是有毒有机物，如三氯甲烷等。 3 微污染源水对给水工艺及水质的危害 ( 1 )增加制水成本：水中有机物使水中无机颗粒的z e t a 电位升高，增加了 水处理的难度，导致常规处理出水水质下降。为保证一定的出水水质，需投加过 4 中山大学硕i ：论文硅藻十与强化混凝联用在微污染源水处理中的应用研究 量的混凝剂和加氯，增加了水处理的成本，对人民健康造成极大危害。但在某些 情况下即使增加混凝剂和加氯也不能保证出水水质。 ( 2 ) 溶解性有机物不能被有效去除，氯消毒后，致突变物质含量增加： 现有的常规处理工艺对有机物f i i c ) 的去除率比较低，出水中有机物含量仍然较 高，且其中含有有毒有害物质，加氯消毒使水中致突变物质和消毒副产物含量增 加，对人体健康造成危害。据世界卫生组织( w a o ) 调查结果，8 0 的人类疾病与 水有关，在发展中国家，每年因缺乏清洁的饮水而造成死亡人数达1 2 4 0 万f 4 j 。 ( 3 )出厂水生物稳定性难以保证；减少管网使用寿命，增加输水能耗。 1 2 2 微污染源水净水技术概述 1 常规工艺及其局限性 给水处理的主要任务和目的是通过必要的处理方法去除水中杂质，以价格合 理、水质优良安全的水供人们使用，并提供符合质量要求的水用于工业。饮用水 的常规处理工艺方法为：混凝、沉淀或澄清、过滤和消毒，其主要去除对象是水 源水中的悬浮物、胶体杂质和细菌。 但面对受污染水源，常规饮用水处理工艺已显得力不从心。国内外的试验研 究和实际产生结果表明【5 1 ，受污染水源水经常规的混凝、沉淀及过滤工艺只能去 除水中有机物2 0 - 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( 仅5 0 - 6 0 ) 。目前国内大多数 水厂仍采用液氯消毒法，液氯很容易与原水中的有机物结合产生消毒副产物 ( d b p s ) 和三卤甲烷( th m s ) ，直接威胁饮用者的身体健康嗍。 2 微污染源水预处理工艺技术新进展 微污染饮用水源水的预处理技术包括生物氧化法、投加化学氧化剂法及投加 吸附剂法。 ( 1 ) 生物氧化法 生物氧化法是一种借助微生物群体的新陈代谢作用，有效去除或减少可能在 加氯后生成致突变物质的前体、一些可生物降解的有机物、氨氮、亚硝酸盐、硝 酸盐的处理技术。生物处理单元可设在传统净水工艺的不同位置，以发挥不同的 作用。饮用水生物氧化法主要有生物接触氧化池法川、生物陶粒滤池法旧、生物 5 中山大学硕士论文硅藻? c - j 强化混凝联用在微污染源水处理中的麻用研究 流化床1 9 1 、粗滤慢滤工裂圳。 虽然生物接触氧化工艺能有效地去除源水中的氨氮和有机物等，但要获得安 全的饮用水，有时还必须与传统净化工艺或深度处理方法相结合。此外，生物接触 氧化工艺存在运行效果影响因素多、操作管理难以规范、随意性大、出水水质的 卫生安全性和工艺机理的研究不充分等局限性，这些问题尚待进一步研究和探 讨。 ( 2 ) 化学氧化剂法 化学氧化法近期研究较多的主要有高锰酸钾法【1 1 l 、过氧化氢法【1 2 1 、过碳酸 钠法【1 3 1 、氧化偶合絮凝剂法1 1 4 1 。基于成本或面对多变水质化学氧化法的效果稳 定性的考虑，化学氧化剂法目前还没有在全国的中、大型自来水厂中推广使用。 ( 3 ) 粉末活性炭吸附法 将粉末活性炭制成炭浆【1 5 l ，投加在常规净化工艺之前，与受污染的原水混合 后，在絮凝沉淀池中吸附污染物，并附着在絮状物上一起沉淀去除，少量未沉淀物 在滤池中去除，从而达到脱除污染物质的目。 3 微污染源水深度处理工艺技术新进展 深度处理通常是指在常规处理工艺以后，采用适当的处理方法，将常规处理 工艺不能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，提高和保证饮用水 质。应用较广泛的深度处理技术有活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性炭、膜技术 等。 ( 1 )活性炭吸附 在各种改善水质处理效果的深度处理技术中，活性炭( g a c ) 吸附是完善常规 处理工艺以去除水中有机污染物最成熟有效的方法之一1 6 1 。活性炭对有机物的去 除主要靠微孔表面吸附作用。蒋峰等【1 7 l 的研究表明粉末活性炭对三卤甲烷有较好 的去除效果，去除率随投炭量增加而上丹，可达到5 0 以上。 ( 2 ) 臭氧活性炭 臭氧活性炭采取先臭氧氧化后活性炭吸附，在活性炭吸跗中又继续氧化，该 工艺可以使活性炭的吸附作用发挥得更好1 1 8 】。在炭前和炭层中投加臭氧后，一方 面可使水中大分子转化为小分子，改变了其分子结构形态，提供了有机物进入较 小孔隙的可能性；另一方面使大孔内与炭表面的有机物得到氧化分解，减轻了活 6 中山大学硕l 论文硅藻七与强化混凝联用在微污染源水处理中的戍用研究 性炭的负担，使活性炭可以充分吸附未被氧化的有机物，从而达到水质深度净化 的目的。 ( 3 ) 生物活性炭 活性炭是微生物生长的良好载体，只要合理运作，活性炭上的微生物对提高 水处理效果，特别是延长活性炭使用周期都会起到积极的作用。所以，活性炭用 于水处理不单纯是吸附剂，还应利用活性炭吸附与微生物降解的协同作用，以取 得技术经济上的良好效果，这种协同作用技术称为生物活性炭( 嘲【1 9 1 ，与吸附 剂型活性炭相区别。通常，采用生物活性炭技术时应避免预氯化处理，否则微生 物就不能在活性炭上生长，因而失去生物活性炭的生物氧化作用。 ( 4 ) 光催化氧化 光催化氧化是以n 型半导体为敏化剂的一种光敏化氧化【捌。光催化氧化的突 出特点是氧化能力极强，能将水中常见的有机污染物，包括难被臭氧氧化的六六 六、六氯苯等氧化去除。经持续反应，可将有机物矿化为c 0 2 和h 2 0 等简单无机 物，使水质大为提高。 ( 5 ) 膜过滤 膜过滤法是新兴的高效分离、浓缩、提纯、净化技术【2 ”，系用高分子薄膜作 介质，以附加能量为推动力，对双组分或多组分溶液进行表面过滤分离的物理处 理方法。膜滤技术是解决目前饮用水水质不佳的有效途径之一，但在目前情况下， 其高成本、高操作维护费用限制了推广使用。 ( 6 ) 其他技术 其他开展研究的微污染水源水处理技术主要有吸附和离子交换 2 2 - 2 3 1 、固定化 微生物刚、超声波等嘲。 ( 7 ) 强化混凝 强化混凝处理是强化常规处理中非常关键的环节，通过强化混凝，可去除原 水中绝大部分浊度物质和大部分有机物，其中不少是消毒副产物 d b p s ) 前驱物 质。因此，改造常规的给水处理工艺、强化混凝处理过程、联系实际地充分挖掘 己有设备的潜力，成为适合我国国情的微污染水源水处理技术的一个主要技术选 择方案和重要发展方向。 混凝是去除胶体物质，强化固液分离的主要手段之一；因其操作简便、适应 7 中山大学硕e 论文硅藻土与强化混凝联用在微污染源水处理中的应用研究 性好、费用低廉，我国的各大自来水水厂无一例外的使用混凝作为饮用水的主要 净化工艺。 影响混凝的因素有混凝剂种类、混凝剂投加量、p h 值、搅拌程度、原水水 质、混凝剂和助凝剂投加顺序等。所谓强化混凝是指为提高常规混凝效果所采取 的一系列强化措施，即是确定混凝的最佳条件，发挥混凝的最佳效果，通常包括 二个方面：无机或有机絮凝药剂性能的改善；强化颗粒碰撞、吸附和絮凝长大的 设备的研制和改进；絮凝工艺流程的强化，如优化混凝搅拌强度、缩短流程反应 时间、确定最佳反应p h 等。由于强化混凝不需要新的构筑物，初期资金投入较 小，工艺比较简单，日常运行维护费用较低，被国内外专家学者所看好。美国环 保局( u s e p a ) 推荐强化混凝为控制水中天然有机物的最好方法【冽，比较了三 种主要的天然有机物去除工艺( 强化混凝、颗粒活性炭吸附、纳滤) 的特征( 对 有机物的去除效果、工艺复杂性、工艺成本) 。认为强化混凝是去除水中天然有 机物较经济、实用的一种工艺。 但是，单纯依赖提高药剂投加量来实现强化混凝，会使污泥产量大幅度升高， 这对已有的污泥处理单元将是一种挑战。而调节p h 值，则需要增加药剂费用， 使成本费升高。因此，出现了“吸附剂与强化混凝联用”来处理微污染水源水。 目前，研究得比较多的是粉末活性炭与强化混凝联用。然而，粉末活性炭价格比 较昂贵，不能持续投加，仅在作为应付突发事件时经济上比较合理。所以，寻找 一种廉价、吸附性能高的吸附剂与强化混凝联用成了需要解决当前的实际问题。 而硅藻土的性能和结构使其完全具备担任此角色的能力。 1 3 硅藻土及其应用概述 1 3 1 硅藻土概述 硅藻土【卅是一种十分重要的非金属矿产，由于其具备特殊的理化性能而广泛 应用于化工生产中的触媒载体，油漆、橡胶、造纸中的填充料，食品工业中的过 滤、漂白剂，隔热、隔音材料，以及石油精炼、陶瓷、玻璃、钢铁、冶金热处理 和环境保护方面等 1 硅藻土的化学成分 8 中山大学硕i ：论文硅藻七与强化混凝联用在微污染源水处理中的应用研究 硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，主要由古代硅藻遗体组成，其化学成 分主要是s i 0 2 ，还含有少量的a 1 2 0 3 ，f e 2 0 3 ，c a o ，m 【g o ，k 2 0 、n a 2 0 ，p 2 0 5 和有机 质，硅藻土中s i 0 2 的含量变化较大。优质硅藻土s i 0 2 通常占8 0 以上，最高可 达9 4 。氧化铁含量一般为1 - 1 5 ，氧化铝含量为3 - 6 。一般工业要求分析四个 项目( s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 哂、烧失量) ，根据需要可作m g o 、c a o 测定。 2 硅藻土的特殊结构及特性 硅藻土是一种具有生物结构的岩石，主要由8 0 9 0 ，有的达9 0 以上的硅 藻壳组成。海水、湖水中的氧化硅的主要消耗者就是硅藻，构成硅藻软泥。在成 岩过程中经石化阶段形成硅藻土。 硅藻壳由蛋白石组成，硅藻在生长繁衍过程中，吸取水中胶态二氧化硅，并 逐步转变为蛋白石。在地质历史中硅藻种类达一万余种，现存的有五千余种。从 我国己发现的硅藻土矿床中，硅藻主要有如下几种：直链藻( m e l o s i r a ) 、颗粒直 链藻( m e l _ m i r ag r a n u l a t a ) 、幅环藻( a c t i n c y l u s ) 、圆筛藻cc o s c i n d i s e u s ) 、具缘园 筛藻( c o s c i n d i s e u sm 啦t u s ) 、舟形藻( n a n i c u l a ) 、冠盘藻( s t e p h a nc o d i s c u s ) 、 棒杆藻( r o p a l o i l a ) 。 硅藻颗粒大小为0 0 0 1 n 5 m m ，硅藻壳面上的孔洞呈有规则的排列，如：具 缘圆筛藻直径约0 1 4 r a m ，壳面网孔成正六边形，中心孔径5 微米，边缘2 微米。 颗粒直链藻，链长0 2 6 r a m 具1 6 个藻胞，藻胞似圆柱形，直径1 2 微米，长1 5 微米，胞壁厚0 5 微米，并易脱落成单体( 见图1 1 ) 。 硅藻土的颜色为白色、灰白色、灰色和浅灰褐色等，由于硅藻颗粒细小，使 硅藻土有细腻、滑润、松散、质轻、多孔、吸水和渗透性强的特性。硅藻土松散 密度为0 3 - 0 5 9 e r a 3 ，莫氏硬度为1 - 1 5 ( 硅藻骨骼微粒为4 5 - 5 。u m ) ，孔隙率达 8 0 9 0 ，能吸收其本身重量1 5 - 4 倍的水，是热、电、声的不良导体，熔点 1 6 5 0 1 7 5 0 ，化学稳定性高，除溶于氢氟酸以外，不溶于任何强酸，但能溶于 强碱溶液中。硅藻土的二氧化硅多数是非晶体，碱中可溶性硅酸含量为5 0 - 8 0 。 非晶型s i 0 2 加热到8 0 0 - 1 0 0 0 时变为晶型；碱中可溶性硅酸可减少到2 0 - 3 0 。 硅藻土的许多特性和用途都与其特殊的矿物结构和独特的氧化硅形成的硅藻土 壳的特殊结构有关。 9 中山大学项士论文 硅藻土与强化混凝联用在微污染滴水处理中的应用研究 图1 - 1 硅藻土的种类 硅藻土呈弱酸性，其表面吸附性质与其表面结构有关。硅藻土表面为大 量硅羟基所覆盖，并有氢键存在，o h 基团也在硅藻土细孔内表面分布，其结构 如下所示： hh h o 。 藏 oo l s is l li o i 这些o h 基团是使硅藻土具有表面活性、吸附性以及酸性的本质原因。硅羟 基在水溶液中离解出h + ，从而使硅藻土颗粒表现出一定的表面负电性，常用芎 电位来表示。该电位与硅藻土的比表面积和孔径大小有关，通常比表面积越大， 孔径越小，三电位越大嘲。 1 ) 硅藻土的物理特性 硅藻土是由胶体矿物蛋白石组成，胶体质点小，具有大的比表面积。硅藻土 松散密度为0 3 - 0 5 9 e r a 3 ，莫氏硬度为1 - 1 5 ( 硅藻骨骼微粒为4 5 5 口m ) ，孔隙 率达8 0 - 9 0 ，能吸收其本身重量1 5 4 倍的水，是热、电、声的不良导体，熔点 1 6 5 0 - 1 7 5 0 。 2 ) 资源状况和特点 世界硅藻土资源十分丰富，分布范围很广泛，已知全球共有硅藻土1 8 4 2 2 0 中山大学硕l ：论文辞藻七与强化混凝联用在微污染源水处理中的戍用研究 亿吨，远景储量3 5 7 3 亿吨。其中亚洲居第一位，约1 0 亿吨，欧洲5 亿吨，美 洲，非洲和大洋洲共5 亿吨。 目前我国已有1 4 个省市自治区发现硅藻土矿7 0 余处，已探明储量4 0 6 亿 吨，中国硅藻土矿资源较丰富，远景储量在2 0 亿吨以上。在吉林长白，内蒙， 广东徐闻和云南腾冲发现了优质硅藻土，其中吉林长白是世界上储量达上千万吨 的优质硅藻土产地之一s 她含量是硅藻土矿石中硅藻含量量度标志之一，s 她 高则质优。在大型矿床中吉林省长白县外围普查区s 她含量较高，达到8 0 6 9 ； 其次是吉林省长白县西大坡详查区，s i 0 2 7 5 4 6 。中型矿床以吉林省长白县马鞍 山号矿段最高，s i o z8 3 4 6 ；其次是吉林省临江市西小山矿床，s i 0 28 1 3 9 。 6 个大型矿床平均s 她含量6 4 6 4 ，1 9 个大、中型矿床平均s j 0 2 含量6 7 9 0 ， 即矿石质量多数属中等。6 个大型矿床共计保有储量3 0 3 2 0 万吨，占全国保有储 量的7 9 。其中以吉林省长白县西大坡矿规模最大，详查区及外围普查区合计保 有储量1 6 2 0 7 万吨；其次是云南省寻甸县先锋矿区，保有储量为7 7 6 0 万吨；第 三位是浙江省浦义矿区，保有储量3 5 8 0 万吨。全国发现的硅藻土资源占世界探 明储量的1 9 1 1 ，仅次子美国。 我国硅藻土资源有以下特点： ( 1 ) 产地和储量均高度集中，有利于建设大型硅藻土开发应用基地； ( 2 ) 以大中型矿为主，利于规模经营； ( 矿石以含粘土硅藻土和粘土质硅藻土为主，质量差，一、二级品极少， 国外主要矿床矿石类型以硅藻为主，一、二级品为主，而我国硅藻土矿粘土含量 较高，含s i 0 2 多在8 0 ，一、二级品占少数； ( 4 ) 我国的硅藻土以适于作催化剂的直链藻较多，适于作助滤剂的圆筛藻较 少。我国硅藻土矿的主要类型见图1 - 2 。 球形藻小环藻豳筛藻直链藻立体小环藻 图1 - 2 我国硅藻土矿的主要类型 因此，虽然我国的硅藻土资源和储量都大，但总体质量欠佳，成品矿产率较 中山大学硕士论文 硅藻土与强化混凝联用在微污染源水处理中的应用研究 低，采选和加工成本较高，在工业使用方面也与国外有所差别i 柳。 1 3 2 硅藻土在水处理中的应用现状 由于硅藻土特殊的理化特性和构造，使得它具有许多特殊的物理性能，如较 大的孔隙度，较强的吸附性，质轻、隔音、耐磨、耐热并有一定的强度，近年来 在环保领域的应用也引起人们的关注，其主要的用途为： 1 助滤剂 在硅藻土制品中，助滤剂品种最多，用途最广。在国外硅藻土制品中助滤剂 占6 4 6 6 ，品种达1 5 0 余种，广泛用于酒饮业，医药业，油脂业，生活用水 和工业用水过滤，工业废水处理，肥料，精细化工产品，糖类及调味类的过滤等 1 3 0 - 3 2 1 。 硅藻土助滤剂是以优质硅藻土为基本原料，加工制成的粉状产品，在过滤过 程中提高过滤速度和澄清度的过滤材料。由于硅藻土具有独特的孔结构，不同的 粒度分布范围和稳定的化学性质，因此可使被过滤液体获得高流速比并能滤除细 微的固体悬浮物，最小可截留0 1 m 的杂质粒子。硅藻土过滤的基本原理如图 1 3 所示【3 3 1 。实际应用证明，硅藻土助滤剂可滤除水中的固体悬浮物、胶体物质、 细菌病毒等，其过滤作用主要是对杂质的机械截留作用。 早在二战期间，美国的军队工程研究和开发实验室就研制了能够现场生产纯 净饮用水的硅藻土过滤单元。后来硅藻土过滤技术逐渐被应用到民用领域和工业 领域，包括饮用水、游泳池水、浴室用水、工业用水、锅炉循环水和工业废水的 过滤和处理等。1 9 4 8 年，美国建成最早的城市水处理硅藻土过滤装置，每天可 以处理7 5 0 0 0 加仑水。到1 9 7 7 年，已经有1 4 5 个硅藻土过滤厂在运行，到今天 共有2 0 0 个硅藻土过滤工厂成功运行。 同济大学对硅藻土过滤技术进行了较全面的研究并己用于生产实践。孟建 平、范瑾初等用硅藻土过滤( d e f ) 技术处理饮用水源水f 孟建平，范谨初等，硅藻 土过滤( d e d 技术的研究【划，据报道，硅藻土不仅可滤除水中的固体悬浮物、胶 体物质、细菌病毒，还可去除藻类、腐植酸、色度及有机物等。李忆用硅藻土过 滤( d e f ) 处理游泳池循环水f 矧，金伟、纪任旺用粉末活性炭与硅藻土联用( p d f ) 技术深度净化饮用水，挥发性卤代烃去除率达到7 0 以上，t o c 去除率为 中山大学硕士论文 硅藻士与强化混凝联用在礅污染源水处理中的应用研究 2 0 - 3 0 ，u v 2 5 4 达9 0 以上l 雏明。 图卜3 硅藻士过滤机理 2 载体 神笠谕【蚓报道了高性能的二氧化钛负载于多孔性玻璃质硅藻土上的固定化 光催化剂，及其在水处理中的应用初探。负载于硅藻土上的光催化剂，可以保持 硅藻土