（环境工程专业论文）引黄供水工程中混凝剂的优化选择及加药间的设计研究.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得凼墓直太堂及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同：1 j 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谢意。 学位论文作者签名：王盛丛 指导教师签名； 期：趁! ! ，厂 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将 学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允 许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。 为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后 使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用 于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 一二名：煎邀垄生 日 期：妇! 厶五。琏 日期：丝! f ：乏：厂 引黄供水工程中混凝剂的优化选择及加药间的设计研究 摘要 本论文旨在通过优化试验来选择引黄供水工程中的混凝处理条件。根据黄 河原水水质特点和水温的变化情况，确定混凝剂的种类，并通过优化试验，确 定混凝剂加入量及其最佳的混凝工艺条件，从而提高原水的混凝处理效果，为 水厂澄清池提供运行参数。 试验分别以黄河原水和低温低浊水两种不同的水质水样进行研究。对聚合 氯化铝、硫酸铝、三氯化铁三种混凝剂进行筛选试验，选择适合处理原水水质 的混凝剂。 设计部分通过参考设计手册并结合试验确定的混凝剂及其投加方案，对加药 间进行设计。 试验结果表明： 1 通过混凝剂的筛选试验确定处理黄河原水的最佳混凝剂为聚合氯化铝。针 对聚合氯化铝进行的单因素试验分别为最佳投加量、速度梯度、p h 、水温。实 验得出混凝的最佳条件是：最佳投加量为3 0 m l ，速度梯度为1 2 0 1 7 0 s 一，p h 控制在6 5 8 o ，水温大于2 0 。 2 低温低浊水试验是在上述试验的基础上进行的，混凝剂依然选用聚合氯化 铝。通过不同混凝反应条件对低温低浊水的试验研究表明：混凝剂投加量、搅 拌强度及p h 值对低温低浊水都有一定的影响，均存在一个最佳范围。当聚合氯 化铝投加量为l o m l 时，可达到较好的去除效果，继续增大聚合氯化铝的投加 内蒙古大学硕士学位论文 摘要 量，对低温低浊水去除效果不明显；当快速搅拌梯度为6 0 0 s ，快速搅拌时间为 5 m i n ，慢速搅拌梯度为2 0 s ，慢速搅拌时间为2 0 m i n 时，出水浊度最好。p h 可 控制在7 o 8 o 。 关键词：引黄供水；混凝剂；低温低浊水；加药间；设计 内蒙古土学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo p t i m i z a t i o na n ds e l e c t l 0 ni nc o a g u l a n tp r o c e ss a n dt h ed e s i g no fc h e m i c a lr o o mf o rt h ey e l l o w r 【v e ri n t a k ea n ds u p p l yp r o 压c t a b s t r a c t t h ep u 印o s eo ft h i sp a p e ri st oo b t a i nt h eo p t i m a lc o a g u l a t i o nc o n d i t i o n sf o rt h e y b l l o wr i v e ri n t a k ea n ds u p p l yp r o je c tt h r o u g ht h ec o a g u l a t i o nt e s t a c c o r d i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dv a r i a b i l i t yo ft e m p e r a t u r eo fr a ww a t e rn 。o mt h ey e l l o w 砌v e r c o a g u l a n t si ss c r e e n e do u t t h eo p t i m a ld o s a g ea n dd o s i n gc o n d i t i o n so fc o a g u l a n t si s a l s od e t e m l i n e dt h r o u g ht h ee x p e n m e n t s a l lo fm e s ea i m sa r et oo p t i m i z et h ee f r e c t o fc o a g u l a t i o no fr a ww a t e r t h ep r o v i d i n go p e r a t i n gp a r a m e t e r sf o rt h em n n i n go f c l a r i f i e rt a n k t h e s t l l d y i m i t a t e dw a t e r p u r i f i c a t i o nt oc a r 巧o ne n h a n c e dc o a g u l a t i o n t r e a t m e n t so nt h ey e l l o wr i v e rr a wa n dt h ew a t e ro fl o wt e m p e r a m r ea n dl o w t u r b i d i 吼a n a l y z i n gw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r sa n d如l l s c a l ee x p e r i m e n ts t l l d y i n c l u d i n gp a c 、a s 、f e r r i ct r i c h l o r i d ei n o r d e rt os e l e c tt h ef i t t e s tc o a g u l a t i o nt o m i c r o - p o l l u t e dr a 、w a t e r i i i a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nm a n u a la n dt h er e s u l t so fo u re x p e r i m e n t s ，t h ec h e m i c a l r o o mw a sd e s i g n e d t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t sa r ea sf o l l o w s 1 t h eo p t i m a lc o a g u l a n tf o rt h ey e l l o wr i v e rr a wi s p o l y a l u m i n i u mc h l o r i d e e n h a n c e dc o a g u l a t i o n se f i f e c tf a c t o r sa r e ：f l o c c u l a n t sc a t e g o 叮、t h ed o s e 、p hv a l u e 、 t h er e s u l to f m i x i n g 、t e m p e r a t u r ea n ds oo n t h er e s u l to fe n h a n c e dc o a g u l a t i o n s h o w st h a tt h eb e s tc o n d i t i o ni s ：p a c sd o s ei s 3 0 m g l ，t h eg r a d i e n to fs p e e di s 1 2 0 1 7 0 s ，c o n t r o l i n gp h6 5 8 o c o n t r 0 1 i n gt e m p e r a t l l r ea b o v e2 0 2 t h et e s to fl o wt e m p e r a t u r ea n d1 0 wt u r b i d i t yw a t e rw a sb a s e do nt h ea b o v e e x p e r i m e n t s t h ep a cw a sc h o s ea st h ec o a g u l a n t t h et e s tb yu s i n gd i f f e r e n t c o a g u l a n tr e a c t i o nc o n d i t i o n so f1 0 wt e m p e r a t u r ea n d l o wt l l r b i d i t yw a t e rs h o w e dt h a t t h ec o a g u l a n td o s a g e ，p h ，s t i 币n gi n t e n s i t yh a sac e r t a i ni n n u e n c e ，a r et h e r ei s a n o p t i m u mr a n g e w h e nt h ep a cd o s a g ew a s1o m l ，i tc a na c h i e v eb e t t e rr e m o v a l ， c o n t i n u et oi n c r e a s et h ed o s a g eo fp a c ，t h er e m o v a lo fl o wt e m p e r a t u r ea n dl o w t u r b i d i t yw a t e ri sn o to b v i o u s w h e nr a p i dm i x i n gg r a d i e n tt o6 0 0 s ，r a p i dm i x i n g t i m eo f5 m i n ，s t i 耐n gs l o wg r a d i e n to f2 0 s ，t h es l o wm i x i n gt i m eo f2 0 m i n ，t h e e f n u e n t t u r b i d i t yw a st h e b e s t p hv a l u ec a nb e l 8 0 时，f e 2 + 易被水中的溶解氧氧化成f e 3 + ， 当p h 8 o 时，可适当加些石灰，以提高碱度【8 1 。 ( 2 ) 聚合无机盐类 聚合铝盐 聚合氯化铝是当前国内外研究与应用较广泛的一种无机高分子絮凝剂。聚合氯化铝对高 浊度、低浊度、高色度及低温水都有较好的混凝效果，p a c 的效能在许多方面优于明矾等传 统铝盐，最明显的特点是投加量小、絮凝体形成速度快且颗粒大而重、易沉淀、反应沉淀时 间短、对原水水温适应范围广、脱色能力强；聚合氯化铝药剂本身呈酸性的，对投药设备腐 蚀性小，对水的p h 值适应范围宽，并且对处理后水的p h 值改变不大；处理后水中铝残留量少。 同本在给水处理中使用p a c 的普遍程度已超过了硫酸铝【9 1 2 】。据有关资料介绍我国也有部分水 厂应用。 除p a c 外，又出现了聚合硫酸铝( p a s ) 、聚合磷酸铝( p a p ) 等高分子铝盐，以及含铝 复合型混凝剂，如聚硫酸氯化铝、聚磷酸氯化铝等。 聚合铁盐 铁盐和铝盐均是传统的无机絮凝剂，且具有相似的水解一沉淀行为，在聚合铝的启发下 日本于上世纪7 0 年代开始研究了聚合铁混凝剂，如今已应用于实践。铁系无机高分子混凝剂 主要有聚合硫酸铁和聚合氯化铁，其中聚合硫酸铁是主要的品种。聚合铁是一种多核多羟基 络合物，是一定条件下铁盐的水解一聚合一沉淀过程的中间产物。 聚铁是在硫酸铁分子族的网络结构中插入了羟基，结果就以o h 一作为架桥形成多核配离 子。聚铁的盐基度越高，其分子聚合度越大，形成的羟基配合物就具有更多的电荷和更大的 表面积，其絮凝性能也就更好。因此，在聚铁生产基础上，加入少量改性剂，使羟基更易插 入硫酸铁的网状结构中，就可制得改性的聚铁，其盐基度和聚合度更耐1 2 q 钔。 聚铁同传统的硫酸亚铁、三氯化铁、硫酸铝等混凝剂相比较，聚铁具有优良的凝聚性能， 絮凝体形成速度快，密集且质量大，沉降速度快，尤其对低温低浊水有优良的处理效能；适 用水体p h 值范围广，p h 在4 o 1 1 o 范围内均能形成稳定的絮凝体；具有较强的去除水中b o d 、 c o d 及重金属离子的能力，并且有脱色、脱臭、脱水、脱油等功效。残留的铁离子少；使用 时腐蚀性小。 5 内蒙古大学硕士学位论文第一章引言 聚合硅酸 聚合硅酸是用酸或酸性反应的盐或气体，对水玻璃的稀溶液进行部分中和而制成的，是 硅酸聚合到一定程度的中间产物。聚硅酸在通常条件下组分带负电荷，属阴离子型无机高分 子物质，而水中胶体粒子表面一般也带有负电荷，因而聚硅酸对水中的胶粒不具有电中和作 用，它对胶体的絮凝是通过吸附架桥使粒子粘连完成的【1 5 ，1 6 1 。 聚硅酸盐类混凝剂若按盐基度进行分类，可将其分为碱式聚硅酸盐和聚硅酸盐，如聚合 碱式硅硫酸铝( 铁) 和聚硅酸硫酸铝( 铁) 等。 1 2 2 2 有机混凝剂 有机高分子絮凝剂有天然高分子和人工合成高分子两大类。 ( 1 ) 人工合成有机高分子混凝剂 人工合成有机高分子混凝剂为克服无机混凝剂的不足，如其使用受p h 值的影响较大，生 成的絮体易碎、处理后的水中仍含有较高浓度的金属离子、产生大量的含金属污泥等，人们 开发了一些合成有机高分子混凝剂，主要有聚乙烯吡啶、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺等【1 7 】。其 中，最常用的是聚丙烯酰胺以缩写p a m 表示，代表一类线性高分子化合物的总称。在各类高 分子絮凝剂中，p a m 及其衍生物在实际中得到了最为广泛地应用，因为其可以比较容易的制 造出超高分子量的聚合物，通过高分子反应或共聚反应可以比较容易的制得适用于不同废水 的产品；其支链上有酞胺基，而该基团对悬浮粒子具有较强的吸附能力，所以表现出较强的 絮凝能力；其相对于其它大多数阳离子单体，价格较低。 但不足之处是目前所使用的p a m 还存在残留单体的毒性问题，使其应用正在受到越来越 多的限制。 ( 2 ) 天然高分子混凝剂 在有机高分子絮凝剂中，合成有机高分子絮凝剂由于制作成本高，且存在着一定量的残 余单体，不可避免地带来了毒性，故其应用也受到一定的限制。而天然高分子絮凝剂原料来 源丰富，价格低廉，选择性大，投药量小，絮凝速度快，不受共存盐类、p h 值和温度变化的 影响，污泥量少，且安全无毒，可以完全生物降解，容易处理，无二次污染。在2 0 世纪7 0 年 代以后，它的研究开发备受关注。经过二十多年的发展，已经出现了大量性能、用途不同的 天然高分子絮凝剂，如淀粉类、壳聚糖类、木质素类、植物胶类、蛋白质类、藻类等【1 8 】。 但不足之处是目前天然絮凝剂性能还不够稳定，价格较高，不能完全替代无机和合成有 机絮凝剂，使其应用正在受到越来越多的限制。 6 内蒙古大学硕士学位论文第一章引言 1 2 3 混凝的影响因素 影响混凝的因素比较复杂，其中主要包括：水温、p h 值、水质、水力条件和混凝剂的投 加量等。 1 2 3 1 水温 水温对混凝效果有明显的影响，水温直接影响到胶体颗粒的水化作用、布朗运动，从而 对混凝过程产生较大影响。如在冬季，我国寒冷地区的地表水有时低达o 2 ，此时尽管投 加大量混凝剂也难获得良好的混凝效果，通常絮凝体的形成较缓慢，絮凝颗粒细小、松散【1 7 】。 产生这种结果的主要原因是无机盐混凝剂水解是吸热反应，低温水混凝剂水解困难；低温水 的粘度大，使水中杂质颗粒布朗运动减弱，碰撞机会减少，不利于胶体脱稳；同时水的粘度 大时，水流剪力增大。影响絮凝体的成长；水温低时，胶体颗粒水化作用增加，妨碍胶体凝 聚。 1 2 3 2p h 值 溶液分为中性溶液、酸性溶液和碱性溶液，我们把p h 值为7 o 的溶液叫中性溶液。他表 示氢离子和氢氧根离子的活度相等，p h 的大小反应着水的酸性或碱性。但不能直接表明水的 酸度或碱度。以p h 值等于7 0 为界，小于7 o 为酸性，大于7 o 为碱性。p h 值受二氧化碳、 重碳酸盐、碳酸盐平衡的影响，处于4 5 8 5 之间，黄河水样( 以平流池为主) 一般在7 2 8 5 之间，所以为碱性。实验室中用p h 决定某些分析项目，当p h 较低时，可使各种金属元 素溶解，p h 较高时又易产生沉淀物，使水质浑浊。 水的p h 值对混凝效果的影响程度，视混凝剂的种类而言。对于聚合态的混凝剂，如聚合 氯化铝和有机高分子混凝剂，其混凝效果受水体p h 的影响较小。铝盐和铁盐混凝剂投入水中 后的水解反应过程，其水解产物直接受到水体p h 的影响，会不断产生h + ，从而导致水的p h 下降。水的p h 直接影响水解聚合反应，亦即影响水解产物的存在状态【l9 】。只有在一定的p h 值范围内，混凝剂才能发挥最佳作用。如常用的无机混凝剂：硫酸铝，最佳p h 范围6 o 7 8 ； 三氯化铁，最佳p h 范围6 o 8 4 ；聚合氯化铝，最佳p h 范围为5 o 9 o ；聚合硫酸铁，最佳p h 范围5 o 1 1 o 等等。所以p h 值是影响混凝效果的一个主要影响因素【2 0 1 。 7 内蒙古大学硕士学位论文第一章引言 1 2 3 3 浊度 对于处理以浊度为主的地表水，主要的水质影响因素是水中悬浮物含量和碱度，水中电 解质和有机物含量对混凝也有一定影响。浊度反映水中悬浮颗粒物的浓度，是反映水质的重 要因素，决定混凝剂的投加量，单位是n t u 。水中悬浮物含量很低时，颗粒碰撞机率大大减 小。混凝效果差，通常采用投加高分子助凝剂或矾花核心类助凝剂等方法来提高混凝效果。 去除浊度的p h 范围在6 5 7 5 时为佳。 1 2 3 4 水力条件 混凝过程中的水力条件对絮凝体的形成影响很大。投加混凝剂后，混凝过程可分为两个 阶段：混合和反应。这两个阶段在水力条件上的配合非常重要。 混合阶段的要求是使药剂迅速均匀地扩散到全部水中以创造良好的水解和聚合条件，使 胶体脱稳，并借颗粒的布朗运动和紊动水流进行凝聚。在此阶段，并不要求形成大的絮凝体 【2 2 1 。混合要求快速和剧烈搅拌，一般在几秒钟或一分钟内完成。对于高分子絮凝剂，由于它 们在水中的形态不像无机盐混凝剂那样受时间的影响，混合的作用主要是使药剂在水中均匀 分散，对“快速”和“剧烈”的要求并不重要。 反应阶段的要求是使混凝剂的微粒通过絮凝形成大的具有良好沉淀功能的絮凝体。反应 阶段的搅拌强度或水流速度应随着絮凝体的增大而逐渐降低，以免形成的絮凝体被打碎而影 响混凝沉淀的效果。如果在化学混凝以后，不经过沉淀处理而直接进行接触过滤或者进行气 浮处理，反应阶段可以省略【2 3 】。 1 2 3 5 混凝剂投加量 混凝剂投加量在实验过程中起到举足轻重的作用，混凝剂投加量不足，几乎没有形成凝 聚，水中的杂质甚至保持原有的状态存在；投加量过多造成水中混凝剂j 下电荷过多，同杂质 不吸附结合，互相以分散状态存在。因此确定混凝剂投加量很关键【1 7 】。 1 2 4 混凝动力学 混凝动力学研究的是混凝速度问题，即在混凝过程中，单位体积水体中悬游颗粒数( 包 括胶体和混凝剂等在内) 的减少速率。悬游颗粒数的减少是由于小颗粒相互聚结成大颗粒， 8 内蒙古大学硕士学位论文 第一章引言 并非由于颗粒的去除。因而，混凝时颗粒总数虽然减少，但水中颗粒总量未变。单位体积水 中所含悬游颗粒数称颗粒的数量浓度【2 。 混凝速度取决于颗粒间相对运动所引起的碰撞速度( 单位时问内，单位体积水体中颗粒 碰撞次数) 。颗粒相互碰撞主要造成的原因：颗粒布朗运动；水流速度差及水流的紊动性( 借 助于机械搅拌或水力搅拌) 。由布朗运动引起的碰撞凝聚称“异向凝聚 ；由水流速度差及 水流的紊动性引起的碰撞凝聚称“同向凝聚”。这里所称的混凝速度，泛指上述两种凝聚速 度。异向凝聚速度理论由斯莫鲁荷夫斯基( s m o l u c h o w s l 【i ) 曾在1 9 1 8 年提出。同向凝聚速度 则由甘布( c 锄p ) 和斯泰因( s t e i n ) 在斯莫鲁荷夫斯基理论基础上提出来。同向凝聚无论在 理论或实践上，均起着主要作用，特别是絮凝阶段，它对絮凝体的形成至关重要，因而更受 重视。 假定水中悬游颗粒为球体，且粒径均匀，则在布朗运动所引起的碰撞凝聚下，颗粒浓度 减少速度按s m o l u c h o w s k i 的理论推导为： o = 警= 一三旅刀v 2 c 小 式中：v 广颗粒异向凝聚速度，个( m 3 s ) ； n - 一水中颗粒浓度，个m 3 ； k 波兹曼( b o l t z m a n n ) 常数，1 3 8 l o 2 3j 服： 卜水的绝对温度，k ； i i 一水的动力粘度，k ( m s ) ； 卜凝聚时间，s ； 卜颗粒有效碰撞系数。 式中的负号，表示颗粒浓度随凝聚时间而减小。由公式可知，异向凝聚速度与水温及颗 粒有效碰撞系数有关，与颗粒浓度的平方成正比，而与颗粒粒径无关。因为粒径大，虽然碰 撞速率有增加趋势，但颗粒的布朗运动速度减慢，又使碰撞速率减小，由此，两者作用相互 抵消。 颗粒有效碰撞系数a 值反映颗粒脱稳程度。设颗粒完全脱稳，颗粒间不存在排斥作用，则 每次碰撞均会导致凝聚，此时a = 1 ；若颗粒间存在排斥作用，碰撞时仅引起部分凝聚，则a 1 。 在水处理中，a 值变化幅度很大，它与原水中悬游颗粒性质，使用的混凝剂种类和投加量等因 素有关，一般约为o 0 1 0 5 0 。 但应指出，当颗粒粒径大于5 “m 时，布朗运动几乎消失，异向凝聚随之停止。因此，要 9 j 内蒙古大学硕士学位论文第一章引言 使较大的颗粒进一步碰撞聚集，还需要靠流体运动的推力来保证颗粒碰撞，即同向絮凝。 1 9 4 3 年，c 锄p 和s t e i n 按水流在层流条件下，推导出由流速梯度所引起的颗粒碰撞速率。 按s m o l u c h o w s k i 理论，均匀粒径悬浮颗粒的凝聚速度为： = 警一萼删2 ( 1 - 2 ) 式中：v 。广一同向凝聚速度，个( m 3 s ) ； g _ 一速度梯度，s ； 卜- 颗粒半径，m ； n - 一颗粒浓度，个m 3 ； 卜颗粒有效碰撞系数。 由上式可知，同向凝聚速度同样与颗粒有效碰撞系数和颗粒浓度平方成f 比：与颗粒粒 径关系更大；与流速梯度成f 比，但于水温无关。在凝聚过程中，随着凝聚时问的增长，由 于颗粒浓度逐渐减小，凝聚速度将逐渐减慢。但由于粒径逐渐增大，颗粒间碰撞半径也逐渐 增大，故在一定程度上又抵消了凝聚减慢的速度。 上述同向凝聚速度方程是按水流为层流条件下推导的。实际絮凝池中，水流并非层流， 而是紊流状态。在紊流状态下，颗粒碰撞不能完全归因于流速梯度g 值，还有水流的脉动以 及微小涡流等。因此，c a n l p 和s t e i n 提出用水流所耗功率计算g 值，以代替层流时的流速梯度： g = 岳 式中：p - _ 拌时水流所耗功率，p a ； 卜水的动力粘度，k ( m s ) ； v 二一絮凝池体积，m 3 。 ( 1 3 ) 在机械搅拌絮凝池中，功率p 可通过搅拌桨旋转时克服水的阻力计算求得。 在工程实际中，并不应用动力学方程，而是以流速梯度g 值及流速梯度与絮凝时问的乘 积g t 值作为指标。根据经验，在给水处理上通常采用g = 2 0 7 0 s 一，g t = 1 0 4 1 0 5 。 1 3 低温低浊水的处理 在北方气候严寒地区，由于每年冬季到次年春木季节，原水水温有半年左右处于低温低 浊状态，一般水温为o 4 ，浊度为2 0 5 0 n t u ，最低浊度有的为1 0 2 0 n 1 u 【3 2 1 。长期处 于低温低浊状态给水处理带来了很大困难。因此，要明确低温低浊水质的特殊性、复杂性， 1 0 内蒙古大学硕士学位论文 第一章引言 有针对性地采取水处理技术，才能切实有效解决低温低浊水质难于处理的问题。 1 3 1 低温低浊水质特征 低温低浊水并无严格定义，一般把水温低l o 左右、浊度低于3 0 n t u 的地表水称为低 温低浊度水。我国北方广大地区地表水源在寒冷冬季都处于低温低浊期，甚至长江中下游干 流最寒冷的时候也是如此。我国北方河流水体，水质条件随季节变化很大，不同季节的水质、 不同的混凝特性和絮凝体分离特性给供水处理系统增加了较大难度【3 3 1 。 1 3 2 低温低浊水难处理原因分析 冬季水质的物理化学特性具有温度低、浊度低、耗氧量低、碱度低、水的粘度大等特点， 水中微粒尺寸小且粒径分布均匀，絮凝反应慢，生成的絮凝体小而不易沉降，影响低温低浊 水混凝效果的主要因素有水温和水中微粒浓度两个方面【3 4 1 。 1 3 2 1 水温的影响 ( 1 ) 水温对混凝剂的水解反应有明显的影响：无机盐混凝剂水解是吸热反应，低温水混 凝剂水解困难，特别是硫酸铝，水温降低1 0 ，水解速度常数约降低2 4 倍；当水温在5 左右时，硫酸铝水解速度已极其缓慢。这主要是由于低温条件下，气体溶解度增加，混凝剂 水解过程产生的c 0 2 难以及时散出，水解就进行得不彻底【3 5 3 6 1 。 ( 2 ) 水温对絮凝效果的影响：温度降低，水的黏度增大，增大了水流的剪切力，从而增 加水对絮凝体的撕裂作用，使絮凝体变得细小，絮凝体含水率上升，絮凝体变得疏松，密度 下降，絮凝体沉降速度减慢，颗粒絮凝速度大大降低，不易沉淀，故混凝效果型3 7 1 。 ( 3 ) 水温对絮凝体形成的影响：微粒的布朗运动是水中胶体微粒的稳定因素，但也是微 粒的不稳定因素，微粒的布朗运动可促使微粒间相互接触碰撞，从而使彼此吸附凝聚，而低 水温减弱微粒的布朗运动，不利于微粒间碰撞凝聚。同时，低温时，胶体颗粒水化作用增强， 妨碍胶体絮凝。而且水化膜内的水由于黏度和重度增大，影响了颗粒之间黏附强度，影响絮 凝体的成型【3 8 】。 1 3 2 2 水中微粒浓度的影响 良好的混凝处理效果是基于混凝过程中微粒具有较多的碰撞机会，提高了碰撞机率，也 内蒙古大学硕士学位论文第一章引言 就提高了微粒i 日j 的凝聚机会，促进微粒的凝聚成长。低浊水中微粒浓度太低，势必影响混凝 处理过程的j 下常进行。 1 3 3 低温低浊水处理技术研究应用现状 低温、低浊水的处理问题一直是给水行业中备受关注的难题之一。目前国内外开辟的气 浮、泥渣回流、微絮凝等低温、低浊水处理技术往往因工艺复杂或成本过高而不能在国内推 广使用。通过优选受水温影响较小的混凝剂以及添加合适的助凝剂等方法来改善混凝效果是 较为经济有效的途径【3 9 】。 1 3 2 1 气浮法 气浮工艺净化水质的原理是利用压力溶气水骤然减压释放大量的微细气泡与原水加药混 凝产生的絮体粘附在一起，使其整体密度小于水的密度，使带气絮体浮至水面，形成浮渣， 从而实现悬浮胶体杂质的去除及水质的净化。王毅力等【删采用絮凝一溶气气浮( d a f ) 工艺 处理密云水库低温、低浊水的中试结果表明碱化度b 值越高的p a c ，其电中和能力越强，而且 在相同的除浊效果下絮凝剂投量也越少。该工艺对于不同浊度的原水可达到7 0 8 5 的除 浊率，且原水浊度越高，除浊率也越高。但该工艺最大的弊端是需要增加溶气设备。上海市 政工程设计院的熊长学【4 i 】将北方某水厂处理工艺进行改造，将浮沉池改为斜管沉淀池，而普 通快滤池增加气浮系统，研究表明出厂水浊度可以降到0 5 n t u ，但该工艺出水水质受到气浮 滤池回流比的影响较大，回流比越大，出水浊度越低，但增加了动力能耗。 1 3 2 2 泥渣回流技术 在低温季节处理低浊度水时，提高混凝反应效率途径之一是人为提高原水中固相物质的 浓度。可向水中不断地投加机械杂质( 如粘土或黄土等) ，或采用连续回流泥渣的方法。投 加机械杂质较难实现，因为它不但需要很大的泥量造浊，而且要求配制和投加的悬浮物应具 有和水中天然悬浮杂质相同的粒度为好。而泥渣回流法较易实现，也比较经济。 泥渣回流技术的原理是：利用机械搅拌加速澄清池的泥渣回流特点来增加原水浊度，以 弥补冬季原水浊度低问题。即在原水中投加少量的药剂后，在搅拌叶片的作用下，进行充分 混合、反应，生成的颗粒被紧密地吸附在活性泥渣的表面上，形成较大的絮凝体，通过分离 室的悬浮细小泥渣层的接触、吸附、分离，达到除浊净化的效果【4 2 】。 1 2 - 内蒙古大学硕士学位论文 第一章引言 1 3 2 3 微絮凝直接过滤技术 即原水投加混凝剂后经过混合直接进入滤池过滤，滤料成为絮凝中心。在低温低浊水 t 1 0 ，浊度小于1 0n t u 采用常规强化处，理流程的处理效果不理想，采用微絮凝一深床直 接过滤工艺技术，针对过滤过程中一些参数：滤料粒径、原水浊度、原水温度、水处理剂种 类、投药量等，比较各种情况下的直接过滤效果，为低温低浊水难净化的问题提供了一条有 效途径【4 3 1 。 1 3 2 4 混凝剂的研制开发 复合型混凝剂的研制开发一直是近年研究的热点。随着水处理技术的深入研究，铝盐的 应用受到了一定限制，主要因为铝盐的水解是吸热反应，温度低( 5 ) 时投药量较大，其 次，铝对人体有毒害作用，我国在2 0 0 0 年暂行水质目标中增加了铝的标准值为o 2 m l 。为减 少铝盐混凝剂对出水残留铝的影响，可通过复合的方法降低铝盐的用量，还可以无铝混凝剂 ( 如铁盐) 代替。例如，聚硅酸铁混凝剂( p s i f ) 的问世，集混凝与助凝于一体，既减轻药 剂投加工作量，又可解决投加铝盐水中残余铝超标的问题，对低温低浊水质有较好的絮凝效 果，因此，在处理低温低浊水质时，聚硅酸铁盐的受到了广泛重视【4 4 ，4 5 1 。 1 3 第二章试验方案与装置 2 1 试验原水水质 该工程所选用的原水直接来自黄河，试验采用经平流池沉淀的黄河水样作为试验用水。 试验水质指标见表2 1 。 表2 1 黄河原水水质 t a b2 1r a ww a t e rq u a l i t yo fy e l l o wr i v e r _ ：二一 水质指标 数值 平均值 c o d ( m l ) 2 7 4 8 3 8 17 p h ( 无量纲) 7 0 5 8 2 9 浊度( n t u ) 水温( ) 3 4 4 l 3 6 7 3 1 8 3 0 3 2 0 7 7 2 3 6 0 4 2 4 氨氮( m g l ) 0 9 1 7 1 1 0 4 6 0 9 2 2 9 低温低浊水样根据原水水质分析报告，通过实验室配水或现场取水获得。试验水质指标 见表2 2 。 表2 2 低温低浊水水质 噬塑重量叁鲎塑主堂堡垒墨篁三童堕堕銮窒兰鉴垦 2 2 试验试剂与装置 试验所用的主要试剂见表2 3 。 表2 3 试验所h ；j 主要试剂 t a b2 3n em a i nr e a g e n t su s e di nt h ee x p e r i m e n t 试剂名称相关参数 聚合氯化铝 a 1 2 0 3 含量：3 1 ；盐基度：8 0 ；水不溶物：0 5 硫酸铝锅含量：1 6 ；水不溶物：0 0 2 三氯化铁 密度1 4 6 咖m 3 ：f e c l 3 ：4 1 ；水不溶物：o 0 1 梅宇牌m y 3 0 0 0 6 混凝试验搅拌机1 台，c o d 多参数速测仪5 b 3 b ( h ) 型1 台，雷磁 p h s j - 3 f 实验室p h 计1 台，6 个1 0 0 m l 烧杯、3 个l o o m l 容量瓶、天平、蒸馏水、吸管。 试验地点：阿拉善盛世水务公司加药i 日j 化验室。 2 3 试验方法 混凝剂投加量的控制已经有多种方式：数学模型法、烧杯试验法、模型滤池法等等。烧 杯搅拌试验法是模拟混合、絮凝、沉淀三个净水工艺参数过程，是评价混凝剂混凝效果最通 用的一种方法。因而广泛应用于给水厂的同常运行管理、技术改造、产品开发和科学研究。 在混凝剂性能评价、混凝剂品种的筛选、混凝条件的选择、混凝效果确定等方面，烧杯试验 仍然是一种很有效的手段。经试验验证，找出与水厂实际生产情况相接近的搅拌条件，针对 各季节的浊度变化，分别投加各种混凝剂，观察投加率，沉淀后水的浊度、p h 值的变化情况， 进行对比，从而做出客观的分析。 混凝搅拌实验是按照国家标准水的混凝、絮凝杯罐试验方法( g b t 1 6 8 8 1 1 9 9 7 ) 在 黄河水样及低温低浊度的情况下进行试验，确定水的混凝过程的工艺参数，包括：混凝剂的 种类、用量、水的p h 值、以及搅拌强度等。 混凝剂种类是影响混凝效果的一个主要因素之一，不同的混凝剂处理同样的水会产生不 同的处理效果。为选择对原水处理效果最好的混凝剂，首先进行混凝剂的筛选试验研究。 2 3 1 单因子混凝剂筛选试验 针对黄河水质的特性及混凝剂产品是否易于购买、投加费用是否合理等因素综合考虑， 本试验选择聚合氯化铝( p a c ) 、硫酸铝( a l 2 ( s 0 4 ) 3 ) 、三氯化铁( f e c l 3 ) 三种混凝剂进行 1 5 鲎鱼耋兰查鲎塑堂垡垒叁笙三童堕竺查窒兰茎垦 单因子混凝剂筛选试验。 2 3 1 1 试剂的配置 ( 1 ) 聚合氯化铝( p a c ) 溶液：称取6 1 0 9 聚合氯化铝，溶解于l o o m l 水中，得到5 l ( 以a l 计) 的聚合氯化铝溶液。 ( 2 ) 硫酸铝溶液：称取3 1 3 9 硫酸铝，溶解于1 0 0 m l 水中，得到5 l 的硫酸铝( 以a l 计) 溶液。 ( 3 ) 三氯化铁溶液：称取2 4 3 m l 三氯化铁，溶解于1 0 0 m l 水中，得到5 l ( 以f e 计) 的三氯化铁溶液。 2 3 1 2 试验内容 采用m y 3 0 0 0 6 混凝试验搅拌机，进行烧杯试验，对聚合氯化铝( p a c ) 、硫酸铝 ( a l 2 ( s 0 4 ) 3 ) 、三氯化铁( f e c l 3 ) 三种混凝剂进行混凝试验比较。其投加量分别选择l o 、 2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 m l 。烧杯搅拌试验是国际上通用的考察混凝过程及影响因素的试验手 段，目前国内外在该方法中选取的工艺参数尚不统一【州。本试验选取参数为：水样l 0 0 0 m l ， 快速搅拌为3 0 叽，m i n ，搅拌时间l m i n ；中速搅拌1 2 0 r m i n ，搅拌时间1 0 m i n ；慢速搅拌为 6 眦m i n ，搅拌时间1 0 m i n ，然后将溶液沉淀3 0 m i n 后，采用虹吸法取上清液进行水质分析。 每个水样测试三次，取平均值。通过研究观察各混凝剂对原水中浊度、c o d 的去除效果，确 定针对该原水处理的最佳混凝剂。 2 3 2 混凝影响因素的研究 通过试验研究不同混凝剂的投加量、不同p h 值、搅拌梯度、温度对混凝的效果影响， 选择最佳的混凝剂投加量、最佳p h 范围、最佳搅拌梯度和最佳反应温度条件，对混凝条件 进行优化。 2 3 2 1 不同投加量的影响 通过投加不同量的上述试验确定的最佳混凝剂进行试验，研究其对原水的去除效果，选 择混凝剂的最佳投加量。 采用m y 3 0 0 0 6 混凝试验搅拌机，进行烧杯试验，混 1 6 燮塑董兰叁鲎塑鲎堡垒叁笙三童堕丝銮窒竺鍪篁 2 5 、3 0 、3 5 m l 。快速搅拌为3 0 0 r m i n ，搅拌时间l m i n ；中速搅拌1 2 0 r m i n ，搅拌时间l o m i n ； 慢速搅拌为6 0 r m i n ，搅拌时间1 0 m i n ，然后将溶液沉淀3 0 m i n 后，采用虹吸法取上清液进行 水质分析。每个水样测试三次，取平均值。观察不同投加量对出水浊度、c o d 的影响。 2 3 2 2p h 的影响 本实验所用原水和最佳投药量实验时相同。现通过调整原水p h 值，研究其对原水混凝 的影响作用，选择最佳p h 范围。向各烧杯中加入相同剂量的混凝剂，该混凝剂的投加剂量 按照最佳投药量实验中得出的最佳投药量而确定。 采用m y 3 0 0 0 6 混凝试验搅拌机，进行烧杯试验，分别选择p h 值为5 0 、6 0 、6 5 、7 0 、 8 0 、8 5 时进行试验，用1 m o l l 的h c l ( 分析纯) 和n a o h ( 分析纯) 调节试验水样p h 值。 快速搅拌为3 0 m i n ，搅拌时间l m i n ；中速搅拌1 2 0 r m i n ，搅拌时间l o m i n ；慢速搅拌为 6 眦m i n ，搅拌时间1 0 m i n ，然后将溶液沉淀3 0 m i n 后，采用虹吸法取上清液进行水质分析。 每个水样测试三次，取平均值。观察不同p h 对出水浊度的影响。 2 3 2 3 速度梯度的影响 按照最佳p h 值试验和最佳投药量试验所得出的最佳混凝p h 值和投药量，分别向6 个装 有1 0 0 0 m l 水样的烧杯中加入相同剂量混凝剂并调节相同的p h 值。启动搅拌机快速搅拌1 分 钟，转速约3 0 叽m i n 。之后1 号烧杯以2 叫m i n 转速搅拌2 0 分钟。其它各烧杯分别用5 5 r m i n 、 9 0 r m i n 、1 2 5 r m i n 、1 6 0 r m i n 、2 0 ，m i n 搅拌2 0 分钟进行试验1 4 6 4 7 】，然后将溶液沉淀3 0 m i n 后，采用虹吸法取上清液进行水质分析。每个水样测试三次，取平均值。观察不同搅拌强度 对出水浊度的影响。 2 3 2 4 水温的对混凝效果的影响 水温是影响强化混凝的重要因素之一，现考查不同的水温对原水混凝效果的影响，按照 最佳p h 值试验、最佳搅拌强度和最佳投药量试验所得出的最佳混凝p h 值、搅拌强度和投药 量，分别向6 个装有1 0 0 0 m l 水样的烧杯中加入相同剂量混凝剂并调节相同的p h 值及搅拌强 度。分别在水温为5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 时进行试验，然后将溶液沉淀3 0 m i n 后，采用 虹吸法取上清液进行水质分析。每个水样测试三次，取平均值。观察不同水温对出水浊度的 影响。 1 7 燮塑鲎量叁堂塑主堂堡垒叁笙三童壁竺查窒兰茎篁 2 3 3 低温低浊水最佳混凝工艺 目前低温低浊水处理的混凝剂一般可采用聚合氯化铝或硫酸铝。张海龙等【3 7 】通过试验比 较了聚合氯化铝与硫酸铝对低温低浊水的除浊效果，结果表明：用聚合氯化铝代替硫酸铝处 理不仅除浊效果好，可明显延长滤池的工作周期、节省自用水量，并且对净水p h 值及剩余 铝均有好处【4 9 1 。因此，选用聚合氯化铝作为处理低温低浊度水的混凝剂。 对浊度、混凝剂加入量、水力学条件( 搅拌强度) 和p h 值等因素进行试验分析，优选 最佳混凝工艺条件。 2 3 3 1 低温低浊水混凝加药量试验 采用m y 3 0 0 0 6 混凝试验搅拌机，进行烧杯试验，混凝剂的投加量分别选择2 5 、5 、7 5 、 1 0 、1 2 5 、1 5 m l 。快速搅拌为3 0 0 n ，m i n ，搅拌时间l m i n ；中速搅拌1 2 0 r m i n ，搅拌时间1 0 m i n ； 慢速搅拌为6 洲m i n ，搅拌时间1 0 m i n ，然后将溶液沉淀3 0 m i n 后，采用虹吸法取上清液进行 水质分析。每个水样测试三次，取平均值。观察不同投加量对出水浊度的影响。 2 3 3 2 低温低浊水混凝水力学条件试验 按照最佳投药量试验所得出投药量，分别向6 个装有1 0 0 0 m l 水样的烧杯中加入相同剂 量混凝剂。快速搅拌梯度( g 值) 选择1 5 0 s 、3 0 0 s 、4 5 0 s 、6 0 0 s 、9 0 0 s 、1 3 5 0 s 1 6 个数 值；快速搅拌时间选择1 m i n 、3 m i n 、5 m i n 、7 m i n 、9 m i n ；慢速搅拌时间选择5 m i n 、1 0 m i n 、 1 5 m i l l 、2 0 m i n 、2 5 m i n 、3 0 m i n ；慢速搅拌梯度( g 值) 为2 0 s ；静止沉淀时间为3 0 m i n ；混 凝试验结束后，取上清水样进行各项水质分析。 2 3 3 3p h 对混凝效果的影响 按照最佳投药量试验所得出的最佳投药量，分别向6 个装有1 0 0 响l 水样的烧杯中加入 相同剂量混凝剂并按上述试验得出的搅拌参数进行调节。p h 选择5 5 、6 0 、6 5 、7 o 、7 5 、 8 o 等6 个数值，用l m o l l 的h c l 和n a o h 调节试验水样的p h 。静止沉淀时间为3 0 m i n 混 凝试验结束后，取上清水样进行各项水质分析。 1 8 内蒙古文学硕士学位论文第二章混凝处理试验结果与分析 第三章混凝处理试验结果与分析 对试验所得数据用e x c e l 进行处理作图，进行分析。 3 1 1 结果分析 3 1 单因子混凝剂筛选试验分析 三种混凝剂对原水浊度的去除效果见图3 1 。 1 0 0 8 0 琶6 0 鼯 嚣4 0 2 0