（市政工程专业论文）臭氧—气浮工艺在深度处理中的应用.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 臭氧一气浮工艺在深度处理中的应用+ 专业：市政工程 研究生：胡刚 导师：王晓昌教授 王宝泉教授 摘要 本研究采用臭氧一气浮( d o f ) 工艺在西安市北石桥污水净化中心进行了以污 水再生回用为目的的城市污水深度处理中试实验。臭氧一气浮工艺是臭氧氧化与气 浮过程的有机结合，在一个操作单元内实现了破乳或絮凝、固液分离、除色、嗅、 昧、消毒等多个过程。试验以二级出水为原水，在投加混凝剂后，原水在水力混合 器中得到充分搅拌，然后与大量的微气泡一同进入气浮分离器中进行气浮处理。微 气泡是在溶气泵的作用下，将低浓度臭氧化空气与经处理的工艺出水混合而产生的。 采用自动化全封闭式排渣技术，产生的浮渣周期性的被溢出气浮分离器。工艺处理 水量为l m 3 h ，停留时间为3 0 m i n 。 在臭氧投加量为1 6m g l 的情况下，工艺具有良好的深度处理效果：出水色度 在1 0 c u 左右，去除率为8 0 以上，浊度为o 5 n t u ，去除率达到7 0 ，出水无异味； 反应有机物指标的u v 2 5 4 和t o c 的去除率均在5 5 左右，出水的t o c 达到5 m g l 以下；同时本工艺又有明显的杀菌消毒能力，大肠杆菌数达到各种回用水的水质标 准。与以混凝沉淀为代表的常规回用水工艺相比，工艺在除色除臭方面存在很大的 优势；用臭氧作为消毒剂，在有明显效果的同时，不会产生对人体有害的副产物， 也不会带来刺激性气味；另外，水力停留时间低也是本工艺的优势之一。 在实验研究过程中，也进行了在不同工况条件下的对比实验。结果发现：混凝 条件、气浮条件以及臭氧的投量对工艺的处理效果均有非常重要的影响：混凝条件 是否合适，决定了能否产生足够的絮体与污染物以及微气泡进行粘附；而回流水量、 溶气压力等气浮条件则决定了微气泡的产生，这对工艺的处理效果也是非常重要的； 臭氧在工艺中发挥着很重要的作用，臭氧投加量对色度、u v 2 5 4 和t o c 等指标的去 除效果有不同程度的影响，而工艺的杀菌消毒效果也与臭氧投量之问存在紧密的关 系。通过大量的实验数据，确定了最佳的工况条件。 关键词：污水回用、臭氧、气浮 论文类型：应用基础 国家白然科学基金重点资助项目 西安建筑科技大学硕士学位论文 a s t u d yo nd i s p e r s e d o z o n ef l o a t i o n ( d o f ) f o rw a s t e w a t e rr e c l a m a t i o n s p e c i a l i t y ： a u t h o r ： a d v i s o r ： m u n i c i p a le n g i n e e r i n g h u g a n g p r o f w a n gx i a o c h a n g p r o f w a n gb a o q u a n a b s t r a c t t e r t i a r yt r e a t m e n to fd o m e s t i cw a s t e r w a t e rw a sc o n d u c t e di np i l o t s c a l ea t b e i s h i q i a o w a s t e w a t e rp u r i f i c a t i o n c e n t e r , x i a l l ，c h i n a ，u s i n g a p r o c e s s o f d i s s o l v e d o z o n ef l o a t a t i o n ( d o f ) i ti sa ni n t e g r a t e dp r o c e s sf o rc o a g u l a t i o n ，s e p a r a t i o n a n dd i s i n f e c t i o n o z o n a t i o ni sac o m m o np r a c t i c en o w a d a y sf o rt h er e m o v a lo fo f f e n s i v es m e l l a n do d o u r , a n d d i s p e r s e d a i rf l o t a t i o ni s u s u a l l yu s e d t o s e p a r a t el i g h tp o l l u t a n t s i n w a t e r w a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h ei d e ai nt h i sp a p e ri st oc o m b i n ef l o t a t i o na n do z o n a t i o ni nt h e s a m eu n i t , w h e r eo z o n ei si n t r o d u c e db yap u m pa sd i s p e r s e dg a s d e v i c e ( d o f d ) c a ns e p a r a t e t h es u s p e n d e dm a t t e r st h a tw e r ec o a g u l a t e da n dr e m o v et h eo f f e n s i v es m e l l ，o d o u ra n dc o l o u rb y o z o n a t i o n t h ee f f l u e n tf r o ma na c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sw a sf i r s t l yl e dt oac o n t a c t c o l u m nf o rc o a g u l a t i o nw i t hac o n t a c tt i m ef o r3 0s e c o n d s t h ec o a g u l a t e dw a t e rt h e n f l o w e d i n t oa d o f da t ar a t eo f lm 3 h c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp r o c e s s ( c o a g 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 n + c h l o r i n ed i s i n f e c t i o n ) ，t h ed i s p e r s e do z o n ef l o a t a t i o n ( d o f ) p r o c e s sc o u l da c h i e v ea v e r yh i g hr e m o v a lo fc o l o u r , o f f e n s i v eo d o u r , a n dt o t a lo r g a n i cm a t t e r , a n dr e s u l t e di nh i g h q u a l i t yt r e a t e dw a t e r , a b o u t8 0 o fc o l o u r , 7 0 o ft u r b i d i t y , 5 5 o ft o ca n du v 2 5 4c a n b er e m o v e d i ta l s oa p p a r e n t l ya c h i e v e dar e m a r k e db a c t e r i aa n dc o l i f o n l lr e m o v a l m o r e t h a n9 9 o f b a c t e r i aa n dc o l i f o r mc a nb er e m o v e d i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ra l s oi n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to fd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o no n t h ew a t e rq u a l i t yo fe f f l u e n t i ti sf o u n dt h a tc o a g u l a t i o nc o n d i t i o n ，a i rf l o t a t i o nc o n d i t i o n a n do z o n ed o s ep l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ee f f e c to ft h i sp r o c e s s i naa p p r o p r i a t e c o a g u l a t i o nc o n d i t i o n ，e n o u 【g hc o a g u l a t e ds u b s t a n c ec a na d h e r et ot h es u s p e n d e dm a t t e r s a n dt i n ya i rb u b b l e s f l o t a t i o nc o n d i t i o nd e c i d e dt h ep r o d u c i n go ft i n ya i rb u b b l e s ，a n d 西安建筑科技大学硕士学位论文 t h i si sv e r yi m p o r t a n ti na i rf o t a t i o np r o c e s s a tl o w e ro z o n ed o s e ，o z o n ei nt h ep r o c e s s i st oo x i d i z et h eu n s a t u r a b l es t r u c t u r eo fo r g a n i cm a t t e r st os a t u r a b l eo n ea n dh e n c et o r e m o v et h eo d o u ra n dc o l o u rf r o mt h et r e a t e dw a t e r a th i g h e ro z o n ed o s e ，t h eb a c t e r i a a n dc o l i f o r mn u m b e ri sd r a m a t i c a l l yd e c r e a s e d t h er e m o v a lo ft o ca n du v 2 s 4a l s oc a l l b ec h a n g ew i t ht h eo z o n ed o s e f r o ml o t so fe x p e r i m e n t a ld a t a s w ec a l la s c e r t a i nt h e b e s to p e r a t i o nc o n d i t i o ni nd o f k e y w e r d s ：w a t e rr e c l a m a t i o n ，o z o n e ，f l o a t a t i o n p a p e rt y p e ：b a s i ca p p l i c a t i o n 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 朔刚 关于论文使用授权的说明 日期：z 。口厂3 f 2 ； 论文作者签名：古日刚导师签三妄壶毖日期：加口f ，昭 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 概述 1 1 污水回用处理现状 1 1 1 水资源状况及污水回用的必要性 水以液态或固态的形式覆盖了地球表面的3 4 ，但这并不代表着人类所拥有的 可利用水资源取之不竭，用之不尽。广义水资源是指地球上水的总体1 1j 。水以固态 和气态的形式存在于地球表面和地球岩石圈、大气圈、生物圈之中。地球水的总储 量约1 3 9 亿k m 3 ，其中，以海水为主的咸水将近占到9 7 5 ；淡水储量仅为总储量 的2 5 3 ，约o3 5 亿k m 3 ，淡水储量中绝大部分为冰盖、冰川和深层地下水，与人 类关系密切的河川槽储量约o 2 1 2 万k m 3 ，为淡水蓄量的0 0 0 6 ，因此，能够为人 类生存及生产所用的水资源及其有限【2 j 。又由于地理因素，地球上各地的水资源分 别也及其不均，在一些缺水地区水资源的极度短缺成为了当地经济社会发展的一大 障碍。2 0 世纪6 0 年代以来，世界上许多国家和地区相继出现了“水资源危机”，据 专家预测，2 1 世纪水资源危机将是世界各类资源危机之首。到上世纪末，东亚、南 亚、欧洲和非洲对水资源的需求都超过各地陆地径流量的2 0 ，水资源危机将普遍 出现。 水资源是社会经济可持续发展中至关重要的基础资源。我国平均年降水量 6 1 8 8 9 亿订，全国年平均水资源量2 8 1 2 4 亿i n 3 ，按1 9 9 7 年人口统计。我国人均占有水 资源量约2 2 2 0 m 3 ( 随着人口的增长还会不断减少) ，约为世界人均水资源量的l 4 ，按 l t n d d s m s 分类，其排位在世界1 0 0 n l l 7 位之问，相当于美国的1 4 ，日本的1 2 ，加 拿大的1 4 4 ，为水资源脆弱的国家之一p 】。目前，我国已有3 0 0 多个城市因多种原因 严重缺水，有o0 6 7 亿h m 2 农田得不到灌溉。据有关部门测算，至2 0 0 0 年，全国总缺水 量将达7 7 8 亿1 1 1 3 。与此同时，在近几年来由于经济的快速发展所带来的水环境问题 则加剧了水资源的短缺，并影响到水资源的有效利用。我国水资源的时空分布极不 平衡，水资源的数量相差十分悬殊，水土资源的组合、人均水资源的分配在地区上极 不平衡。水资源分布与降水分布是东南多、西北少，由东南沿海地区向西北内础地 区递减，分布不均匀。若按年降水量4 0 0 m m 等雨量线划分，我国约肓4 5 的国土处 于干旱半干旱少水和缺水的地区。长江流域及其以南的珠江流域、浙闽台诸河、西 南诸河等四片，面积占全国的3 6 ，5 ，耕地占全国3 6 ，但水资源量占全国水资源总量 的8 1 。而在北方地区尤其是西部干早缺水地区，水资源严重短畿”j 。以陕西天中 的8 l 。而在北方地区尤其是西部干旱缺水地区，水资源严重短缺1 4j 。以陕西关中 西安建筑科技大学硕士学位论文 地区为例，这地区人均占有水资源量小于5 0 0 m 3 ，而水资源利用率极高，属于水资 源贫乏地区，为资源型缺水区。我国水资源的这种时间、空间上分布不平衡，水资 源的分布与人口分布、经济发展程度的不匹配，促成和加剧了我国水资源供需间的 矛盾。我国持续的人口增长地表水和地下水的污染、水资源空间上和时间上的分布 不均匀、周期性的干旱。以及经济发展和城市化进程的加快使得城市缺水问题尤为 突出。当前相当部分城市水资源短缺，城市缺水范围不断扩大，缺水程度日趋严重。 据估计”，到2 0 1 0 年、2 0 3 0 年和2 0 5 0 年，我国的城市供水分别达到4 3 0 、8 7 0 、和 1 2 1 0 亿立方米，而这么大的水量从传统的水源中是不可能取得的。另外污水排放量 又会大大增加，由于没有足够的污水处理厂，新增污水将会加重水环境的污染。因 此，为了解决我国现在和将来逐渐加剧的水资源缺乏问题并加强水资源的保护，污 水回用是非常必要的。 1 1 2 国外污水回用处理现状 为了缓解全球水资源匮乏现状，将污水作为一种可再生利用的资源成为当今解 决水危机的重要途径。污水资源化就是将城市生活污水进行深度处理后作为再生资 源蘧用到适宜的位置。城市污水是水量稳定、供给可靠的一种潜在水资源，因此 许多国家都将城市污水作为解决缺水问题的选择方案之一，城市污水回用处理在国 外尤其是发达国家已经积累了丰富的经验。 1 美国美国污水再利用范围很广，涉及了城市回用、农业回用、娱乐回用、环 境回用、工业回用回灌地下水等各个方面。据报道【_ ”，美国现在有3 5 7 个城市实行 了污水回用，其中用于农业占5 5 3 ，弱用水量为2 9 亿m 3 ，a ，而4 0 5 的污水经处 理后回用于工业，回用水量2 亿m 3 a 。 2 日本日本由于国土狭小，人口众多，水资源严重短缺，污水回用起步较早。 1 9 6 2 年开始污水回用实践。1 9 9 1 年日本有8 7 6 个公共污水处理厂在运行，其中每年 大约有四个污水处理厂出水得到再利用，其中工业用途占4 1 、环境用水或增加流 量占3 2 ，农业灌溉占】3 、非饮用市政用水如冲厕等占8 ，季节性融雪和清雪 占4 。 3 以色列以色列是个严重缺水的国家，7 0 的国土为沙漠，由于水资源的紧缺， 早在2 0 世纪6 0 年代以色列便把污水回用作为一项国家政策。1 9 8 7 年以色列全国己 有2 1 0 个市政污水回用工程，城市污水回用率达到7 2 ，回用最小规模为2 7 k i n 3 d ， 最大的为2 0 0 k m 3 d ，大多为1 3 7 2 7 3 k m 3 d 1 8 】| 9 。 4 俄罗斯俄罗斯是水资源比较丰富的国家，但他们的污水回用规模也很大，莫 斯科东南区设有专用的工业水系统，有3 6 家工厂用处理后的城市污水，回用水量达 西安建筑科技大学硕士学位论文 5 5 1 0 5 m 3 l d 。 s 南非南非不但工业使用再生水，而且在约翰内斯堡市，8 5 的自来水使用的 是城市再生水，开创了污水回用到饮用水的先例。 6 纳米比亚纳米比亚的温得和克市将污水深度处理后，直接作为生活饮用水 源，1 9 9 6 年纳米比亚温得和克市污水回用率达到2 1 0 0 0 m 3 d 1 1 0 1 。 1 1 ，3 国内污水回用处理现状及发展趋势 我国城市污水年排放量已经达到4 1 4 亿m 3 ，“十五”计划初步安排中，国家要 求城市污水处理量的1 0 做进一步处理后回用，建立中水道，至2 0 1 0 年城市排水 量将达到6 0 0 亿m 3 。如果回用量达到3 0 亿m 3 ，按我国正常年份全国城市缺水6 0 亿0 计，污水回用量相当予全国城市缺水量的一半，回用规模潜力之大，足可以 明显缓解一大批城市的供水紧缺。经过几十年的实践表明，中水回用已具备成熟的 处理技术，且处理费用较低，作为第二水源要比长距离引水、海水淡化和人工降雨 更具实际意义。对缓孵水资源危机将发挥重要作用，甚至可以缓建南水北调工程。 目前城市污水处理( 二级处理) 投资大约在9 0 0 1 4 0 0 元m 3 ，在此基础上的再生 处理约4 0 0 6 0 0 元抽3 。到2 0 1 0 年，如果回用量按，8 0 0 万m 3 d 计算，则回用投资 大约在4 0 亿元，加上管网配套共计6 0 亿元左右，到2 0 1 0 年即可形成3 0 亿m j 的 新水源供给城市。 我国中水利用起步较晚，1 9 8 5 年北京市环境保护科学研究所在所内建成了第一 项中水工程。此后，我国天津、大连、青岛、济南、深圳、西安等缺水的大城市相 继开展了污水回用的试验研究，有些城市已经建成或拟建一批中水回用项目i l l j o 北京是我国中水回用发展较快的城市，现已拥有中水处理能力7 0 0 0 m 3 ，还将新 建l o 座中水设施，中水日处理量将增加3 3 0 0 m 3 ，达到1 0 3 0 0 m 3 ；年处理能力将增加 1 0 0 万m j ，达到3 5 0 万m 。 大连是我国严重缺水城市之一，目前大连市日供水量仅为7 7 5 万m 3 ，而该城 市1 8 5 0 万m 2 的公共绿地每天浇灌一次就需要用水3 3 5 万r n 3 。从2 0 0 2 年起大连市 用经过3 级处理的污水进行绿地灌溉，该水符合i i 级水指标，而该水l m 3 成本为0 8 元，比用地下水灌溉节省0 2 元左右，据初步估算，使用这种经过处理过的污水进 行1 8 5 0 万m 2 公共绿地的灌溉，每天节约成本8 万元。 青岛市海泊河污水处理厂的中水回用试点项目已经启动。通过该项目，还将逐 步开发青岛市另外3 个污水处理厂的中水回用项目，并对青岛的中水管网进行总体 规划，使青岛的中水供水能力由目前的日供4 万r g 3 逐步达到日供2 0 万矗，通过管 网广泛回用于景观用水，城市绿化、道路清洁、汽车冲洗、居民冲厕及施工用水、 西安建筑科技大学硕士学位论文 企业设备冷却用水等领域，以缓解青岛城市用水供需矛盾。 济南市位居全国4 0 个严重缺水城市之列，水资源形势非常严峻，已影响到城市 经济、城建、生活等各个方面。为了解决缺水问题，济南市于1 9 8 8 年开始中水工程 建设试点工作，先后建设了一批中水示范项目。目前，已建成并投入使用的中水工程 单位有2 0 余家，日处理能力达到l 万1 1 3 3 。南郊宾馆中水工程是1 9 9 1 年投入使用的， 每年节省水费3 0 多万元，现已完全收回了投资成本并有超额节支。玉泉森信是济南 首家主体工程与中水工程同时设计、施工、使用的项目。中水工程有效地降低了酒 店的用水量，目前酒店每季度用水量仅为3 万m 3 左右，不到同等规模酒店用水量的 4 0 。仅使用中水，玉泉森信每月便可节省开支2 万多元，一年便节省2 5 万多元。 这些实践表明，城市中水回用利益巨大。 我国其他一些城市，如天津、石家庄也在尝试利用中水清洗汽车或建立建筑小 区的中水系统。尽管试点单位尝到了中水带来的甜头，但因种种原因，中水项目在 我国一直没有得到大面积推广，中水利用的范围及规模普遍发展缓慢。 在我国污水回用议程已付诸实施，并取得了一定的社会和经济效益。一些大中 型城市的污水回用也取得了相当可喜的效果。这些典型的事例为我国中水回用的进 一步开展奠定了一定的理论支持和经验参考。从整体上看，我国水资源比较贫乏的 北方地区，污水回用实施的比水资源相对富裕的南方要好，工作进展也较明显。这 说明污水回用是解决当前用水紧张，水资源贫乏的一种切实有效方法。 1 2 臭氧氧化和气浮分离工艺在水处理中的应用 臭氧一气浮工艺是将臭氧氧化技术与气浮分离技术相结合的一种新型深度处理 工艺。由于采用臭氧化空气为气源，对有机物的去除较为彻底，有明显的杀菌消毒 作用，同时臭氧又有较强的助凝作用，能够促进气浮工艺的处理效果；气浮工艺则 在具有去除悬浮颗粒物能力的同时又比混凝沉淀工艺减少了水力停留时问，而溶气 泵良好的混合效果又为充分发挥臭氧的氧化作用创造条件。 1 2 1 臭氧氧化技术发展概况 人类发现臭氧已经有一百多年的历史。欧洲的科学家率先发现了臭氧的存在， 并开始研究臭氧的特性和功用。发现它的广谱灭菌效果后，开始了工业生产应用。 臭氧首先被用于肉类存储的保鲜，自1 8 6 0 年开始，一直沿用至今1 2 】。臭氧被广泛 应用于水的消毒、空气的消毒、物体表面的消毒、消毒水及环境的除臭除异味等领 域。随着臭氧技术的发展，臭氧技术的研究及应用在国际上已形成独立产业，发展 西安建筑科技大学硕士学位论文 前景十分广阔。 随着经济的快速发展，环境污染问题臼益严重，对水资源的威胁也目趋加剧， 而对水质的要求也越来越高，这些促进了水处理技术的进步，出现了许多新的物理、 化学和生物处理方法。在这些方法中，对于那些难于生物降解的或对生物有毒有害 物质的前处理、处理和后处理，化学方法显示了独特的优势。 对于具有稳定化学结构的难生物降解的污染物来说，常用的氧化剂很难对其完 全氧化，这就要求所采用的氧化剂具有很强的氧化性以彻底破坏有机物的结构。这 样，以产生羟基自由基( 0 h ) 为主要特点的高级氧化技术得到迅速的发展，出现 了臭氧氧化技术，臭氧与紫外线联用( 0 3 u v ) ，f e n t o n 试剂氧化法，及其它各种催 化氧化法。在有机废水处理中，这些方法均有应用。 臭氧( 0 3 ) 是氧的同素异形体，在室温下为无色气体，具有特异臭味，在标准 压力和常温下，它的溶解度是氧的1 3 倍；臭氧具有很强的氧化力，是已知最强的氧 化剂之一，正常情况下，臭氧极不稳定，容易分解成氧气。臭氧氧化技术具有反应 速度快、脱色效果好、可以处理水溶性高分子等难生物降解物质、以及可杀菌除臭 等特点。 目前，臭氧技术在饮用水领域的应用主要有：消毒作用、脱色除臭以及助凝作 用。 无论在酸性还是碱性条件下，臭氧都有很强的杀菌消毒作用，其杀菌速度是氯 的6 0 0 3 0 0 0 倍，甚至在几秒内就可致死细菌；臭氧在水中被还原的产物是氧气， 不会像其它的消毒剂那样带来很多副产物，对环境不会带来二次污染 】4 】。 水中色度一般认为是由一c = c 一、苯环物质及金属离子等引起的。臭氧可以与 一c = c 一作用，对苯环有破坏力；同时可以氧化铁、锰等无机金属成色离子，因而 臭氧具有良好的脱色能力。同样臭氧也具有比其它氧化剂更强的除臭功效1 1 5 】。 采用臭氧作为预处理，可以提高浊度的去除率，减小混凝剂的投加量，当水体 中藻类较多时更是如此。对于氯、二氧化氯及臭氧对微小藻类混凝的影响，研究结 果表明，经臭氧化处理的水所需的混凝剂量最小。 在工业废水的处理上，臭氧也被广泛的采用： 用臭氧氧化法代替化学药剂法处理循环冷却水，不会带来对人体有害的格兰氏 病原体，也不会降低设备的使用寿命，运行费用也大大降低。 臭氧氧化法处理印染废水，能将染料的不饱和键打开，最后生成有机酸和醛类 等分子较小的物质，使之失去显色能力，而达到脱色的目的。 臭氧用于含氰废水的处理，不需加入其他化学物质，处理后的水质好，操作简 单。尽管由于臭氧的设备投资较大，但从总体的综合经济效益上讲，臭氧氧化法优 西安建筑科技大学硕士学位论文 子氯氧化法。 在臭氧一气浮工艺中，臭氧的氧化是非常重要的环节。在经过生物处理以后， 原水中还存在大量的难生物降解的有机物，用常规的工艺很难对其进行处理，而臭 氧的强氧化性可使有机物的结构发生显著变化，非饱和构造的有机物转化为饱和构 造有机物，大分子有机物转化为小分子有机物【1 6 】，因此，由于采用臭氧化空气作为 气浮工艺的气源，虽然只是低浓度臭氧，但也具有了在脱色、除臭和有机物去除方 面的优势。对于回用水工艺来说，消毒是非常关键的部分，臭氧在本工艺中也发挥 了较强的消毒作用，出水的细菌和大肠杆菌指标均达到回用水水质指标。在臭氧化 处理水中，很多研究者发现，臭氧能够改变水中悬浮颗粒物的性质，从而改变絮凝 操作单元的去除效果，这样在本工艺中，臭氧又对混凝气浮工艺有了一定的促进作 用。 1 2 2 气浮工艺的发展及应用 传统的重力沉淀法对水中大的悬浮物可粒有明显的去除效果，但是，当分离水 中的油类、纤维和藻类等轻质物质时，这种方法很难达到满意的净水目的，就需要 采用气浮的分离方法。 气浮最早用于选矿的工艺中l ”，称为浮选法。由于难以对气泡的尺寸进行控制， 气浮法净水从2 0 世纪2 0 年代开始进行小试以来，一直没有很大的进展。传统的减 压阀存在最佳开启度的问题，由于难于调节控制，释放的气泡大小不一。后来在国 外出现专用释放器，有各种形式的喷嘴、针形阀等，在国内也有应用。1 9 5 9 年，s e b b a 提出将气浮分离技术应用于分析分离技术【1 引。在7 0 年代，人们改善了溶气方法， 解决了溶气释放中气泡尺寸及其数量方面的关键性难题，气浮法在水处理中才得到 广泛应用。传统的气浮分离技术有以下弊端：一是减压释放设备细孔容易被堵塞； 二是气浮设备多为敞开式，浮渣刮除过程中易受大气风力的影响，造成泡沫飞扬以 及使污染物返回到设备中。近年来，随着水泵生产技术的发展，美国、日本等发达 国家生产出专用的溶气泵，能在原水加压过程中溶入一定比例的空气，产生微米量 级微气泡，无须使用专门的释放装置。这一成果给加压溶气气浮法带来了革新。国 外出现了以溶气泵代替空压机、溶气罐的气浮装置，这样使系统得到简化，大大提 高了设备运行的可靠性。另外，全封闭式溶气气浮工艺的出现则克服了传统气浮工 艺在排渣方面的弊端1 1 。 目前，气浮分离工艺在水处理方面得到了广泛的应用。在给水方面，气浮法适 用于处理腐殖质含量较高或天然色度较高、富营养化、藻含量较高、浊度较低甚至 是低温低浊原水f 2 。在废水处理领域，气浮法的应用则更广。由于在处理轻质污染 西安建筑科技大学硕士学位论文 物上存在很大优势，气浮法被广泛的应用于炼油厂含油废水的处理【2 1 1 。在处理造纸 废水的处理上，与其它工艺相比气浮工艺具有处理时间短、去除率高、对废水中纤 维物质特别有效、工艺流程和设备构造简单、对大多数纸类都很适用。气浮法处理 染色废水中的合成洗涤剂和比重较小难于沉淀的絮凝物效果较好。处理水量在 1 0 0 0 m 3 d 以上时采用部分加压溶气气浮法较多，水量小于1 0 0 0 m 3 d 时，为操作管 理方便。多采用全部进水加压溶气气浮法。另外，气浮法也用于处理电镀废水、含 重金属离子废水 2 引、洗毛废水处理、制革废水、城市生活污水以及富营养化前驱物， 在生活污水的二级处理和深度处理方面，气浮工艺也同样得到应用f 2 3 】f 2 们。 与沉淀分离技术相比，气浮法具有以下特点： 1 ，由于气浮法中气泡上升速度快，所以使得气浮法工艺的停留时间不到沉淀工艺 的一半，故占地少，节省基建投资； 2 ，气浮法具有预曝气作用，出水和浮渣均带有一定量的氧，有利于后续处理和再 用，泥渣不易腐化： 3 对那些很难用沉淀法去除的低温低浊含藻水1 2 5 1 ，气浮法絮凝时间短，处理效果 高，甚至可去除水中的浮游生物，出水水质好； 4 浮渣含水率低，一般在9 6 以下，比沉淀法少2 1 0 倍，这对污泥的后续处理 非常有利，而且表面排渣远比池底排泥方便； 5 可以回收利用有用物质； 气浮法所需药剂量比沉淀法少。但是，气浮工艺电耗较大，处理每吨废水比沉 淀法多耗电约o 0 2 o 0 4 k w h 。此外，目前使用的溶气水减压释放器容易堵塞，强 风天气浮渣飞扬也是气浮工艺常见问题之一。 1 2 1 3 臭氧氧化技术与气浮分离工艺的结合 目前水处理中所用到的气浮方法绝大多数是采用空气作为气源，美国加利福尼 亚的一家污水厂中的三级处理工艺中采用了臭氧为气源的气浮分离处理1 2 “。 本工艺将臭氧氧化与高效气浮有机结合起来，能在一个操作单元内同时完成 破乳或絮凝、固液分离、除色、嗅、味、消毒等多个过程。 两个环节所发挥的作用都有其侧重面，臭氧氧化的主要作用就是对水中的有 机物和细菌等物质进行氧化从而使工艺具有良好的除色、嗅、昧、消毒等效果： 气浮分离的作用则是对污染物作用，使其脱稳、絮凝，最终完成固液分离。 在发挥各自作用的同时，双方由于重要的联系。很多研究表明，臭氧能够改变 水中悬浮物的性质，主要体现在：将悬浮物颗粒粒径变大，使处于溶解状态的有机 物变成可絮凝的胶体颗粒等方面。这样臭氧具有一定的助凝作用。而另一方面，臭 西安建筑科技大学硕士学位论文 氧与水的混合效果又对工艺的处理效果有非常重要的影响，溶气泵良好的混合效果 能够使臭氧与水充分、均匀的混合，有利于臭氧各种作用的发挥。 1 3 研究背景与课题来源 1 3 1 研究背景 i 工艺原水水质 城市污水经二级处理后，达到排放标准，但一般情况还会含有相当数量的污染 物： b o d 5 和c o d 分别在2 0 3 0 m g l 和6 0 10 0 m g l ，有机物主要是经生物处理 后残留的难生物降解的物质，这些是构成原水色臭味主要物质，常规的回用水工艺 以及普通的氧化剂无法对其进行有效的降解； 原水中还大量含有细小的颗粒物悬浮在水中，s s2 0 3 0 m g l ； n h 3 一n1 5 2 5 m g l ；p6 l o m g l 。此外，还存在大量的细菌和重金属等有 毒有害物质。 要想使二级出水经过处理后，达到杂用水口7 1 ( 浇洒道路、厕所冲洗、洗车以及 消防等用水项目) 的水质，原水的色臭味以及浊度等表观指标要达到标准，水中细 菌、大肠杆菌数必须得到有效的去除。 2 目前常规污水回用工艺及存在的问题 常规的污水回用处理工艺多为混凝沉淀过滤工艺，混凝沉淀工艺对污水中存在 的呈胶体或悬浮态的污染物有明显的效果，出水浊度较低。但是由于没有强氧化剂 的存在，无法去除污水中残留的难生物降解有机物口8 1 ，因此常规工艺对色度的去除 局限在对表观色度( 不溶解性物质构成的色度) 的作用，无法去除溶解性的真实色 度；同样对臭味的去除也很有限。 另外常规工艺又具有以下弊端： 1 ) 生活污水经二级处理后，多为粒径小、密度低的杂质，增加了用沉淀工艺对其 进行处理的难度【2 9 】。 2 1 由于絮体沉降速度较慢，造成这种工艺停留时间长、占地面积大，从而提高了 基建和维修费用。 3 1 目前的常规回用水工艺多采用加氯的方式进行消毒，这种方法会在其出水中引 入刺激性气味，从而降低了出水水质；另外又会带来对人类及动物有害的影产 物，如：三氯甲烷、氯乙酸等【3 0 。混凝沉淀工艺中的沉淀物含水率高，这不仅 降低了产水率，而且对沉淀物的处理难度较大。 西安建筑科技大学硕士学位论文 由以上分析可知，常规工艺不仅在处理效果上非常有限，而且在工艺上也存在 弊端，这样需要新型工艺在以上两个方面都能有较大的改善，使得处理效果和工艺 特性上都能够满足需要。 1 3 2 课题来源 本瀑题是国家自然科学基金重点资助项目( s 0 1 3 8 0 2 0 ) 西部干旱缺水地区永资 源再生利用研究的部分内容，同时也是陕西省自然科学基金资助项目，以西妥市北 石桥污水净化中心的出水为处理对象，研究臭氧一气浮工艺在污水深度处理中的应 用。 1 , 3 3 研究内容 本实验的主要研究内容如下： 1 主要从工艺的脱色除臭、杀菌消毒以及对有机物的降解作用来考察臭氧一气浮 工艺对污水厂二级出水的处理效果，对臭氧一气浮工艺进行评价； 2 混凝条件对工艺处理效果的影响，确定最佳混凝剂投量； 3 ，气浮条件对工艺处理效果的影响，考察回流水量与进气量之间的内在关系，确 定最佳的回流水量与溶气压力，进而确定最佳的微气泡形成条件； 4 通过对不同臭氧投量下工艺处理效果的对比，了解臭氧在处理过程中所起到的 重要作用。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 臭氧一气浮处理工艺及其原理 本实验中包括臭氧氧化和气浮分离两个重要环节，臭氧的主要作用是对水中的 某些有机物进行氧化，对色臭有明显的去除效果，还可以起到杀菌消毒的作用。而 气浮的作用则是去除水中的颗粒物。在发挥各自作用的同时，它们之间又有非常重 要的联系，所以从以上两个方面来分析本实验的理论基础。 2 1 气浮的基本理论 气浮法是固一液和液一液分离的一种方法。是通过某种方式产生大量的微气泡， 使其与污水中的固体和液体微粒粘附，形成密度小于水的气浮体，在浮力的作用下 上浮至水面，从而进行固一液和液一液分离【3 l 】。 气浮过程大体上通过下列四个步骤来完成：( 1 ) 在原水中投加混凝剂或气浮剂， 使原水脱稳并形成大量的絮体；( 2 ) 产生尽可能多的微气泡；( 3 ) 形成良好的气泡 一絮凝体颗粒结合体；( 4 ) 使结合体与废水分离。要实现气浮分离必须，必须具备 以下两个条件【豫l ：一是必须向水中提供足够数量的微气泡：必须使要分离的物质呈 悬浮状态或具有疏水性质，有利于与气泡结合并上浮。 2 1 1 水中气泡的形成及其特性i 玎1 6 二j 极性水分子缔合体 附着层流动层 图2 1 微气泡构造示意图 西安建筑科技大学硕士学位论文 在溶气泵的作用下，工艺回流水与臭氧化空气一同进入稳压罐中，形成压力溶 气水，通过溶气释放器减压释放形成大量的微气泡。这些微气泡在其气泡外层包围 着一层透明的水膜，且富有弹性。为了不让气体分子逸出气泡膜，组成次膜的水分 子既紧密又稳定。在范得华力和氢键得作用下，它们作定向有序排列( 如图2 1 ) ， 使微气泡具有一定得牢度。除排列松散的外层( 流动层) 泡膜在上浮过程中受浮力 和阻力的影响而流动外，其内层( 附着层) 泡膜与空气一起构成稳定得微气泡而上 浮。 2 1 2 水中颗粒与气泡粘附条件 在水、气、粒三相混合系中，不同介质的相表面上都因受力不均衡而存在表面 张力( o ) ，如图2 2 ，现将水、气、粒三相分别以l ，2 ，3 表示。气泡与颗粒，由 于界面张力会产生表面吸附作用。在三相混合液中，存在着体系界面自由能( w ) 。 w 存在着力图减至最小的趋势，使分散相总表面积减小【3 。 液体 己知，界面能( w ) ： 固体 图2 2 三相间的吸附界面 w = 口s 式中s 一界面面积，c m 2 。 如图2 _ 3 ，当颗粒与气泡粘附前，颗粒和气泡单位面积上的自由能之和为： ( 3 1 ) ( 3 2 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 图2 3 亲水性和疏水性物质的接触角 当颗粒与气泡粘附后，界面能减少了。此时粘附面上单位面积的界面能为： = 盯 ( 3 3 ) 因此，界面能的减少值( w ) a w = 一= 盯2 十盯j ，一盯2 3 ( 3 4 ) a w 值越大，推动力越大，易于气浮处理：反之，难以处理。 由于水中颗粒表面性质的不同，所构成的气一粒气浮体的粘附情况也不一样。 亲水性颗粒润湿接触角小，气粒两相接触面积小，气浮体结合不牢易脱落；而疏水 性颗粒则相反，气浮体结合牢固不易脱落。 平衡时，三相界面张力关系式为： 盯，j = 盯，? c o s ( 1 8 0 。一国+ 盯j3 ( 3 5 ) 带入前式，可得： w = 仃，( 一c o s 0 ) ( 3 6 ) 从式中可知，0 越大w 越大，这种物质就越易于与气泡粘附，越适合气浮处 理；而亲水性颗粒的0 小，不易于与气泡粘附，不适合用气浮法处理。 2 1 3 界面电现象与混凝剂脱稳原理 污水中的一些疏水性颗粒，按道理是应该能够相互附聚，兼并为较大颗粒，并 与气泡粘附进行处理。但由于水中含有两亲分子组成的表面活性物质，它们的非极 性端吸附在颗粒内，而极性端则伸向水中，在水中进一步电离，从而导致颗粒界面 1 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 m i 被包围了一层负电荷。由此产生双电层现象，提高了粒子的表面电位，不仅阻碍细 小颗粒的相互兼并，而且影响颗粒与气泡表面的粘附。使原水呈稳定体系。例如在 水中与油珠结合的皂类和酚类物质，它们的极性端羧基c o o h 和羟基o h 伸入水中 电离后的情况就是这样【3 i 】( 见图2 4 ) 。 图2 4 表面活性物质在水中与油珠的粘附 为此，水中荷电污染物粒子在气浮前最好采取脱稳、破乳措旌。有效的方法是 投加混凝剂，使水中增加相反电荷胶体，以压缩双电层，降低表面电位，使其达到 电中和，还可以通过吸附架桥以及网捕和卷扫作用来发生凝聚。 水中胶体可分为亲水胶体和憎水胶体。亲水胶体一般为大分子有机化合物，如 染料、蛋白质和碳水化合物等。憎水胶体通常指水中粘土、硅酸盐等刚性物质。若 亲水的大分子有机物附着在粘土和硅酸盐等物质上，将亲水性质传给憎水胶体，这 类胶体被称为亲水化胶体。就亲水胶体来说，它们的可电离基团与水解的多价金属 离子结合形成络合物而脱稳并通过金属氢氧化物的化学架桥而发生凝聚。憎水胶体 则由于粘土和硅酸盐具有很大的活性，在吸附了水解的金属离子后，发生双电层压 缩而脱稳，或通过铁、铝氢氧化物的架桥作用而发生凝聚。当铝盐投加量大到超过 氢氧化铝溶解度而产生大量氢氧化铝沉淀物时，则会存在网捕和卷扫作用，在本实 验中，原水为污水厂二级出水，水中胶体含量较低，需投加大量的混凝剂使之产生 卷扫作用才能发生凝聚作用。 氢氧化铝、铁胶粒的憎水基团可在水中相互吸附形成网状絮凝结构，这种网状 结构起化学架桥的作用。脱稳的粘土由于恢复了憎水性，能吸附在氢氧化铝、铁胶 西安建筑科技大学硕士学位论文 粒的耒饱和基团上，形成絮粒。絮粒内网围了大量的自由东，受挤压后可脱落絮粒。 氢氧化铝、铁胶粒两侧具有亲水性能，吸着较厚的水膜使之粘附粘土的性能减弱。 由于相同的絮粒，若粘附脱稳颗粒越多( 尤其是比重较大的粘土、硅酸盐等刚 性颗粒) ，则其密实性和容重越大，气浮时需要粘附的微气泡就越多。同时，粘附的 脱稳颗粒越多，则剩余的憎水基团就越少，相对的其憎水性能越差；这对气浮分离 不利。因此，絮体中粘附的颥粒不宜过多，以保持剩余的僧永基团，使其具有较强 的与气泡吸附的能力，使粘附的气泡数量更多、更牢，带气絮粒的上浮性能也更好。 混凝剂的投加量要视污水的性质不同而异，投加量低，混凝效果不理想，同时存在 上述絮粒与气泡之问吸附的问题；但投加量太高也会起到相反的作用，过量的混凝 剂会使原本带负电的颗粒带相反电荷，发生“胶体保护”作用【3 ”，从而再次使污水 呈稳定体系，影响处理效果，另外混凝剂投量过大同样会带来微气泡相对不足的问 题。所以，混凝剂的投加量要在具体情况下，根据试验来确定。 2 1 4 各种气浮法的原理及其特点 根据产生微气泡的方式不同，气浮法可分为以下三种：电解气浮法、散气气浮 法和溶气气浮法【3 。 1 电解气浮法 电解气浮法是在直流电的作用下，用不溶性阳极和阴极直接电解废水，正负两 极产生的氢和氧的微气泡，将废水中呈颗粒状的污染物带至水面以进行固液分离的 一种技术。 电解法产生的气泡尺寸远小于溶气法和散气法。电解气浮法除用于固液分离外， 还有降低b o d 、氧化、脱色和杀菌作用，对废水负荷变化适应性强，生成污泥量少， 占地少，不产生噪声。 2 散气气浮法 目前的教气气浮法有扩散板气浮法和叶轮气浮法