（市政工程专业论文）强化过滤改善昆山水厂出水水质的生产性研究.pdf

摘要 摘要 针对昆山泾河水厂滤池出水浊度较高 颗粒数较多的实际情况 我们拟采用二次 絮凝技术来降低浊度和水中颗粒数 作为一个生产性的试验课题 其牵涉水质的多 个方面 本论文主要从实验室模拟试验 滤柱试验和生产性试验三个过程来逐步阐 述二次絮凝对于过滤的强化作用 在实验室里 采用聚合氯化铝和活化硅酸作为絮凝剂 对滤前水进行二次絮凝 观测其对滤后水质及过滤周期的影响 主要以滤柱出水浊度和小颗粒数为主要监控 指标 并观察过滤周期以及出水c o d 等常规指标的变化来确定絮凝剂的种类 滤柱试验作为衔接实验室成果和生产性试验的中间环节 一直受到大家的广泛 重视 本次试验主要考察聚合氯化铝和活化硅酸两者对于昆山水厂沉后水的浊度去 除作用 结果表明p a c 确实可以作为一种有效的二次絮凝剂 生产性试验中 本文首先研究强化过滤对于抑制初滤水浊度过高的作用 本文 运用二次絮凝技术 向反冲洗水中投加絮凝剂 以滤池出水达标时间为主要评判依 据 并得到了很好的试验效果 生产性试验的滤砂采用两种规格的均质滤料 分别进行投加二次絮凝的生产性 试验 并对药剂混合时间 药剂量 混合条件进行试验编组 通过不断的试验 并 结合反冲洗方式和周期变化 对滤池出水浊度以及颗粒数进行监测 摸索出了一定 的规律性 并证明了强化过滤确实可以有效改善昆山水厂出水水质 可以将滤后水 的出水浊度数从原来的0 4 n t u 降n o 1 5 n t u 水平 同时本论文还对昆山水厂的前臭氧和预臭氧的强化作用进行了考察 发现了臭 氧和出水颗粒数之间的关系 关键词 强化过滤 二次絮凝 聚合氯化铝 浊度 颗粒计数仪 颗粒数 a b s t r a c t t h es e c o n d a r yf l o c c u l a t i o nm e t h o dw a sa d o p t e dt od e a lw i t ht h et r e a t e dw a t e rw i t h h i g ht u r b i d i t ya n dp a r t i c l e sa f t e rf i l t e rt r e a t m e n ti nk u n s h a nj i n g h ew a t e rp l a n t a sa l l e x p e r i m e n tf o rp r a c t i c a lw a t e rp r o d u c t i o n m a n ya s p e c t sw e r ei n v o l v e do ft h ew a t e r q u a l i t y t h r e es t e p s al a b o r a t o r ys i m u l a t i o nt e s t c o l u m nf i l t e rt e s ta n dp r a c t i c a lt e s t w e r ec o n d u c t e dt os h o wt h ee n h a n c e dr o l eo ft h es e c o n d a r yf l o c c u l a t i o nf o re n h a n c e d f i l t r a t i o n i nt h el a b o r a t o r y p o l y a l u m i n i u mc h l o r i d e p a c a n da c t i v a t e ds i l i c aw e r eu s e da s f l o c c u l a n tt om a k es e c o n d a r yf l o c c u l a t i o n t h e i re f f e c t so nt h ew a t e rq u a l i t ya f t e rf i l t e r a n df i l t r a t i o n p e r i o dw e r ei n v e s t i g a t e d t h em a j o rm o n i t o r i n gi n d i c a t o r s e f f l u e n t t u r b i d i t ya n ds m a l lp a r t i c l e s w e r ei n t r o d u c e d t h ef i l t r a t i o np e r i o d c o da n do t h e r c o n v e n t i o n a li n d i c a t o r sw e r ea l s oa d o p t e dt od e t e r m i n et h et y p eo ff l o c c u l a n t c o l u m nf i l t e rt e s ti st h ei n t e r m e d i a t ep r o c e s sb e t w e e nl a b o r a t o r ya n dp r a c t i c a lt e s t w h i c hf o c u so fr e s e a r c h e s t h er e m o v a le f f e c t so fp a ca n da c t i v a t i o na c i dt oe f n u e n t t u r b i d i t yo fs e t t l i n gt a n ka r et h ep o i n to ft h i se x p e r i m e n ti nk u n s h a nj i n g h ew a t e rp l a n t t h er e s u l t ss h o wt h a tp a ci n d e e ds e r v e sa sa ne f f e c t i v es e c o n d a r yf l o c c u l a n t i nt h ep r a c t i c a lt e s t t h ei n h i b i t o r ya c t i o no fe n h a n c e df i l t r a t i o nt ow a ss t u d i e d f i r s t l y a c c o r d i n gt o t h es e c o n d a r yf l o c c u l a t i o nl a w t h ec o a g u l a t i o nw a sa d d e dt ot h e b a c k w a s h i n g w a t e r t h ej u d g i n gi t e m r e q u i r e dt i m eo fq u a l i f i e de f f l u e n tf r o mf i l t e rt a n k w a sa d o p t e d w h i c hm a d eag o o dt e s tr e s u l t s t w ok i n d so fu n i f o r mm e d i aw e r eu s e di nt h ep r a c t i c a lt e s t t h em i x i n gt i m e t h e r e a g e n td o s e a n dm i x e dc o n d i t i o n sw e r et h ep a r a m e t e r so ft h ee x p e r i m e n t c o m b i n i n g t h eb a c k w a s hm o d ea n dt h eb a c k w a s hp e r i o d w a t e rt u r b i d i t ya n dp a r t i c l e sn u m b e rw e r e m o n i t o r e d a n dac e r t a i nr e g u l a r i t yw a sf o u n d t h er e s u l t sp r o v et h a te n h a n c e df i l t r a t i o n c a ni m p r o v ew a t e rq u a l i t yi nk u n s h a nj i n g h ew a t e rp l a n t t h eo r i g i n a lf i l t e rw a t e r t u r b i d i t y 0 4n t u c a nb er e d u c e dt o0 15n t u 1 1 t h i sp a p e ra l s oi n v e s t i g a t e de n h a n c e db e f o r e o z o n ea n do z o n e se f f e c t a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e no z o n e a n dp a r t i c l e sn u m b e rw e r ef o u n d k 吖w o r d s e n h a n c e df i l t r a t i o n s e c o n d a r yf l o c c u l a t i o n p a c t u r b i d i t y p a r t i c l e c o u n t e r p a r t i c l e i i i 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 学位论文作者签名 妒 月 经指导教师同意 本学位论文属于保密 在年解密后适用 本授权书 一纽d 弼 孙 月 签 厂 者 e 作护i 栌 论 内 墓 w 键日 移 乙静胆 j 各之一 奎 年 刻 加 导 指 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 均己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 学位论文作者签名 月 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 项目背景及研究意义 江苏省昆山市地处长三角地区 接壤上海 近年来随着其经济水平的不断提高 城市建设规模日益扩大 工业的发展也带来一定的环境问题 作为饮用水水源的阳 澄湖近年来就不断遭受到轻度污染 为了应付严重的污染问题 同时也为了提高人 民的生活水平 昆山市供水集团有限公司决定加大处理力度 逐步提高出水水质 截止今年2 月 集团下属泾河水厂和第三水厂已全面启用了臭氧 生物活性炭深 度处理技术和预臭氧的前处理工艺 但由于其水源来自于阳澄湖 上接太湖 太湖 流域内近年工业污染严重 水体也从先前的i i 类水质降至 水质 冬季低温低浊 夏季高藻 常年的原水浊度在l o n t u 下 这样的水源水质使得昆山水厂的处理效率一直无法提高 尤其是在浊度的控制 方面 其水浊度基本保持在0 4 0 6 n t u 左右 有时高达0 7 n t u 目前水厂虽然 采用了相对先进的预臭氧 常规处理 深度处理的方法 但其常规处理后出水浊度依 然较高 运行滤池的滤后水浊度一般在0 4 n t u 左右 2 i lm 以上颗粒数甚至达到 1 8 0 0 个 m l 昆山市供水集团为了配合深度处理工艺的生产运行 提出了将出水浊度控制到 0 1 n t u 的技术目标 并联合同济大学环境学院在昆山泾河水厂开展了一系列强化 过滤生产性试验 在分别对水源水水质 混凝工艺 沉淀情况 滤池性能进行考察后 同时结合 对周边地区的相似规模水厂的调查情况 我们将目前昆山泾河水厂出水浊度高的可 能原因列举如下 l 庙泾河的外部环境不利 水源水来自于庙泾河 上接傀儡湖 阳澄湖 该河 作为昆山水源河 已被有效保护起来 两侧分别做了引河 截留了所有排向该水体 的其他河水 目的是保护其免受污染 但缺点是失去了外河的冲刷 其河水浊度进 一步降低 不利于水的常规处理 2 进厂水浊度偏低 导致混凝时缺乏凝聚核心 形成的矾花较轻 易碎 沉淀 第l 章绪论 池出水堰附近有许多小矾花流出 进入滤池 加剧了滤池负担 3 网格式絮凝池的反应效果 我们考察了附近多家水厂 主要以折板絮凝池居 多 从效果来看 多数水厂及市政设计院认为网格式絮凝池效率相对偏低 但究近 其两者对比情况 目前尚无定论 4 v 型滤池过滤性能不佳 通常意义上 滤池对于1 5pm 以上颗粒的去除率 应该达到1 0 0 但我们的监测显示了昆山泾河水厂v 型滤池对1 5 肛m 甚至2 5 i m 颗粒的去除都达不到1 0 0 针对上述情况 我们制定了强化混凝和强化过滤降低滤池的出水浊度 强化过 滤选用了已经相对成熟的二次絮凝技术 这样做的优点在于 l 可以和前人做过的试验进行横向比较 2 改造成本低 有利于生产的连续性 2 第l 章绪论 1 2 过滤理论简介 1 2 1 过滤发展史及过滤机理 常规的饮用水处理工艺中 过滤作为最后一道工序来保证出水水质的稳定性 它对水中悬浮物和胶体物质的去除十分有效 同时它能去除水中浊度 细菌 藻类 病毒 色度 铁和锰 放射性物质 某些溶解度低的重金属和有机物 随着浊度的 降低 细菌和病毒也在相当程度上随浊度的去除而去除 至于残留在滤后水中的细 菌 病毒等在失去浑浊物的保护或依附时 在滤后消毒过程中也容易被杀灭 生活 饮用水的净化过程中 沉淀或澄清有时可省略 但过滤是不可缺少的 是对出水质 量的重要保证 追溯到远古时期 古印度和中国人就已经懂得了用过滤来提高饮用水水质 从 1 9 世纪起 英国人开始把砂滤应用到给水处理中 并且成功的降低了水的浊度 这 种滤池滤速只有0 1 0 3 m h 称为慢滤池 它占地面积大 基建费用高 而且产水 率过低 这种天生的局限性决定了它注定得不到大规模的发展 g a ll e r g w 在1 9 0 9 年建造了世界上第一座快滤池 这种滤池 滤速高达2 5 1 0 m h 经过了混凝沉淀 预处理 克服了慢滤池只能在表面截污的不足 具有很大的优越性 从而也得到了 迅速的推广 到目前为止 世界上多数给水处理厂的滤池都是快滤池 不同的只是 滤池的型式 对于过滤机理的认识也是一个不断发展的过程 其中很长一段时间内存在着一 些认识上的误区 认为快滤池截留水中的悬浮物是借筛除作用 把滤池反冲洗过程 中出现滤料分级绝对化等等 这些都是一些常见性的概念性错误 所以有必要对其 工作的机理做一个相对全面的阐述 过滤是一个胶体物理化学作用和水动力学作用共同作用的复杂过程 杂质在滤 层中的去除受杂质和滤料的物理化学性质 水的化学特性 滤速以及滤池运行方式 的影响 其去除过程至今仍未被完全了解 但多数研究学者认为悬浮颗粒必须经过 迁移和附着两个过程才能完成去除嘲 当水流通过滤层的孔隙时 其悬浮颗粒是如何从水中运动到滤料表面 并附着 在上面 这就是过滤去除机理所研究的问题 因此 完整的去除机理也必须要包括 3 第1 章绪论 这两个过程的定量描述 滤池去除机理的发展大致可分为三个阶段 第一阶段是定性的把滤层的孔隙当 作一个微型沉淀池 把悬浮颗粒的沉淀作用作为去除的机理 就属于这个阶段 第 二个阶段主要是对迁移过程的数学描述 得出在去除过程中各种作用于悬浮颗粒的 因素和粒径大小之间的关系 第三个阶段是把胶体和表面化学以及物理化学 流体 力学的理论应用到迁移和附着两个过程中 对去除过程进行数学的描述 这就涉及 了表面双电层的电动力 范德华吸引力以及化学键等的作用 可以看出 后两个阶 段是相互交叉的 对滤层孔隙中滤料去除悬浮颗粒的迁移和附着过程的数学描述 实际是过滤过程的微观理论 也是更完整的理论 不过目前对于第三阶段的研究还 是处于起始阶段口 1 2 2 过滤的影响因素 过滤过程受到诸如滤料级配 滤层厚度 滤速 过滤方式 滤前水质及其预处 理程度 水温 p h 值 滤料不均匀系数等诸多因素的影响 其中助滤剌 滤速和l d 比值 l 为滤层厚度 d 3 0 滤料粒径 被认为对过滤性能影响较大 1 滤料级配的影响 滤层是一个滤池的核心部分 快滤池通常被定义为利用滤层中性状材料提供的 表面积 截留水中混凝处理后悬浮固体的设备 那么对于滤池的研究必然要从滤层 开始 而石英砂依然是目前多数水厂滤料材料的首选 当石英砂新装入滤池时 这种滤层称为均质滤层 滤料称为均质滤料 其特点 是在整个滤层内 滤料的级配都是一样的 如图1 2 1 a 所示 沿滤层厚度的每 一点滤料粒径间所形成的空隙大小的分布都是一样的 在沿均质滤层厚度的每一点 都具有容纳相同杂质的能力 在反冲洗时 向上流动的水流速度足以把滤层托起来 使砂粒处于悬浮状态 处于悬浮状态的砂粒就会自动地重新按小颗粒在上 大颗粒在下的顺序排列 这称 为水力分级现象 冲洗完毕后 滤层虽恢复到原来的厚度 但滤料的水力分级作用 却遗留下来 在沿滤层的厚度方向上 滤料是按从小到大的顺序排列的 这样的滤 层称为分级滤料滤层 如图1 2 1 b 所示h 1 4 第1 章绪论 可以看出如果保持滤料在过滤过程中仍是均质滤料 它将比分级滤料好一些 另外如果用颗粒大小完全一样的滤料 不存在水流水力分级的问题 同样具有均质 滤料的优点 这种滤料称为均匀滤料 均匀滤料难于在生产中使用 而且用均质滤 料和均匀滤料所构成的滤层对过滤仍然是不理想的 均质滤层 铽 1 幡 醐 堪 袋 茫 黧 g 导 嗵 燃 牛 捌 b 分级滤层 罂 鼎 蟹 椒 泳 啦 船 搿 黧 蒸 麓 图i i 2 滤层形态示意图 c 理想滤层 滤层是滤池的关键组成部分 滤层由滤料组成 滤料最基本功能是提供截留水 中悬浮固体所需要的面积 合适的滤床和滤料是滤池实现经济高效运行的关键 在 水处理工程中 天然石英砂廉价易得 操作管理方便 至今仍被世界广泛采用作为 滤料 理想的滤层应该是沿着过滤的水流方向 滤层中滤料的粒径是从大到小递减的 由于滤料颗粒间空隙也沿水流方向从大到小递减 这就创造了下列两方面的有利条 件 一方面是进入滤池的水先接触到的那部分滤层能够比后接触到的那部分滤层多 容纳悬浮固体 另一方面是这部分的空隙本来就较大 在容纳更多的悬浮固体后 仍 然保留了一定的空隙大小 允许水中的悬浮物进入滤层内部 从而在过滤的水头损 失达到最大允许值的时候 整个滤层的截污能力都得到充分的利用 理想的滤层如 图1 2 1 c 所示 这种滤层反冲洗后 仍然保持图中所示的滤料大小排列顺序 然而 这样的理想滤层只能是合成材料才可能实现 其要求是从滤层顶到滤层底 5 第1 章绪论 滤料的粒度从最大递减到最小 而滤料的密度则相应从最小递增到最大 但是非常 理想的滤层在实际工程中难于实现 也是在基于上面理论的阐述 产生了双层滤料和三层滤料滤层 但双层或三层 滤料是由两层或三层分级滤层所构成 它们只是在整休上比较合理 但每单层仍是 级配滤料 且在反冲洗时容易跑掉上层的无烟煤 容易混层 不过混层对于水质对 过滤的影响目前依然没有定论 昆山泾河水厂目前有三种滤料在使用 第一种是主要使用的0 9 5 m m 1 3 5 m m 的石英砂 第二种和第三种是水厂自行试验使用的 分别为0 8 0 m m 1 o m m 0 6 m m 一 0 8 r a m 级配的石英砂 图1 2 2 为水厂三种不同粒径滤料的过滤效果 从实际运行 效果来看 第二种滤砂的过滤效果略好于第一种 但第三种粒径明显偏小 反冲洗 时跑沙十分严重 建议调整第三种滤砂的冲洗强度 o z 赵 爱 羽 0 6 0 8 m 砂 畸p 芦 芦 试验时间 图1 2 2 不同粒径石英砂过滤效果比较 2 l d 的影响 按唯象观点认为过滤是水中悬浮物被截留在滤层滤料空隙中的过程 滤层空隙 尺度以及空隙率的大小 在同种滤料相同反冲洗条件下 随滤料粗度的加大而增大 滤料粒径愈粗可容纳悬浮物的空间愈大 其表现为过滤能力增强 截污能力增大 6 第l 章绪论 同时滤层空隙越大水中悬浮物的穿透浓度越大 在有足够保护厚度的条件下 悬浮 物可更多地被截留 滤池截污量增加 但同时为保证水质 需要增加滤层厚度 粒 径越细 需要的层厚越小 但太细的滤料将导致滤层很快堵塞 大大降低滤层含污量 及缩短过滤周期嘲 1 9 9 5 年 g r e e l e y 和h a n s e n 通过传统过滤试验研究了不同l d 值对滤后水浊度 的影响 在过滤过程中 快滤池的过滤能力来自滤料颗粒表面吸附作用 滤料所提 供的颗粒表面积越大 对水中悬浮物的附着力越强 s u s u m ak a w a m u r a 得出如下数 学表达式 射 s 6 1 s 一l y d 式中 s 一滤料比表面积 占一滤层孔隙率 l 滤层厚度 沙一滤料球形度 卜滤料粒径 从式中可知 当其他条件相同时 l d 值越大 即滤料的表面积越大 滤层对水 中悬浮颗粒的截留作用越强 从技术角度讲 l d 值越大越好 但l d 过大可能增加 滤池深度和造价 增大滤层水头损失和反冲洗难度 工程中应以最d l d 值满足提供 最低量值的滤料表面积以达到预期过滤出水水质要求 s u s u m ak a w a m u r a 的研究表 明 对于常规滤池和双层滤池 l d 值宜大于1 0 0 0 对于三层滤料滤池 l d 值应大 于1 2 5 0 而对于d 在1 2 1 4 m m 之间的滤池 l d 值宜大于1 3 0 0 大多数粗滤料深层 滤床 d 1 5 m m l d 值通常大于1 5 0 0 如要达到出水浊度小于0 1 n t u l d 值至少应 大于1 0 0 0 忉 同时进一步的研究得出l d 值对过滤的影响可通过下式来反映 n 百c 一扣门砝专 c c o 分别为滤池出水和进水的悬浮颗粒浓度 f 为滤层孔隙率 口为颗粒碰撞 效率因素 五为捕获效率 可见 在其他因素相同时 l d 值越大 滤池对悬浮颗 粒的去除效率越高 3 滤速的影响 一般来说 滤速大 需要的滤层厚度也会随之变大 不然极易导致水质穿透 1 9 7 8 7 第1 章绪论 年 t a t e 等人报道在其他过滤条件相同的情况下 增加滤速将导致滤后水中杂质颗 粒的增加n m l 1 9 9 2 年c l a r k 等人发现随着滤速的增加 水中杂质颗粒的去除率下 降 1 9 9 3 年m o r a n 等人的研究也得到了同样的结果 但如果采取其他辅助措施 将减弱上述因滤速加大而带来的负面影响 s u s u m ak a w a m u r a 在1 9 7 5 年对生产性 滤池作了滤速对比试验 d 0 5 5 m m l 0 7 5m 滤前水浊度1 2 n t u 采用的滤 速分别为1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 m d a y 结果表明 在各滤速下 滤池出水浊度几 乎相同 而且浊度较低 但滤池的性能 反冲洗水量与周期产水量之比 在v 1 4 0 1 6 0m d a y 时效果更佳 另外一组 d o 5 8 m m l 0 7 5 m 滤层试验结果表明 滤速 分别为1 2 0 1 4 0 1 6 0m d a y 时 在同样季节里 不同滤速下 出水浊度也无明显差 别 但就过滤性能而言 夏季时反冲洗水量比冬季少 随着双层和多层滤料的发展 通过采用聚合电解质对混凝过程进行控制 以及对水质实时监测 滤速达到3 0 0 3 6 0 m d a y 时仍能获得安全的出水 如果滤层结构合理以及适当采用助滤剂 滤速高 达6 0 0 一1 2 0 0 m d a y 时 仍能达到较好的出水效果 但多数研究认为 滤速大于6 0 0 m d a y 时 带来优势将不再明显 因滤池的反冲洗会因此而频繁 且会导致冲洗水 量增加 带来滤池管理工作上的麻烦 1 9 9 9 年 s u s u m ak a w a m u r a 认为如果前处 理适当 普通快滤池的出水浊度受滤速影响并不大 滤速达到2 5 m h 时 仍能达到 较好的出水水质 然而 高滤速带来的问题必然是水头损失的增长迅猛 上述三种因素通常被认为是影响过滤效果的关键所在 近年来也不断的有新的 关于影响过滤因素的论文出现 因缺乏广泛的认同 在此我们不做评述 1 2 3 强化过滤技术的发展 强化过滤技术属于强化常规技术的一种 该技术不同于预处理和深度处理的好 处在于它可以不需要大规模改动现行工艺 主要是通过调整工艺运行的参数和投加 一些化学物质 从而强化工艺运行处理的效果 经常使用的工艺为强化混凝和强化 过滤两种 强化过滤的方式主要有以下几种 1 合理选择滤料级配 2 降低滤速 3 采用预处理措施 4 投加助滤剂 5 提高滤料性能 主要是改性滤料的使 用e 9 8 第1 章绪论 下面分别简要介绍这几种强化过滤措施旧1 1 合理选择滤料级配 人们对滤料级配的使用是一个不断认识的过程 从一开始的单层滤料 石英砂 随后为了提高滤层的含污能力 采用了双层滤料和多层滤料 这些滤料的使用直接 影响了滤后水的出水水质 一般意义上来说 对滤后水质影响最大的是滤料的最小 粒径 该数值越小则相对出水水质较好 该随之其过滤周期也会缩短 目前水厂使 用的滤料的最小粒径一般为0 5 0 6 m m 2 降低滤速 一般快滤池的滤速为8 一1 0 m h 滤速的大小对于水质有影响 一般认为成反比 关系 同时由于过高的滤速在过滤后期可以使得沉积在滤池深层的杂质剪切出来 导致水质变差 因此降低滤速被广泛认为可以提高过滤周期 改善出水水质的有效 途径 3 预处理措施 过滤的预处理措施主要是氧化剂的投加 氧化剂可投加到混凝之前 也可以投 加到过滤之前 氧化剂对混凝和过滤的强化作用机理在于改善悬浮物的凝聚特性和 在滤料表面的沉积特性 一般有机类的悬浮物不利于混凝 也不利于在滤料表面沉 积 氧化剂的加入有利于灭活藻类 微生物从而改善混凝 也有利于改善水中悬浮 物的混凝和沉积特性 一般认为对过滤有效的氧化剂包括高锰酸钾 氯气 臭氧等 4 投加助滤剂 目前经常被使用的助滤剂包括无机混凝剂 硫酸铝 聚合氯化铝 三氯化铁等 有机高分子 p a m 氧化剂 高锰酸钾 氯 臭氧 等 助滤剂的投加量小 即 可以单独投加也可以复合投加 它对过滤的改善性能是显而易见的 可以明显的提 高出水水质 其中包括降低出水浊度 减少水中小颗粒物质 提高过滤周期等 目前国外对于助滤剂的研究比较成熟 1 9 6 8 年 t u e p k e r 和b u e s c h e r 研究发现 了聚电解质 0 0 0 3 m g l 作为助滤剂可以提高滤后水水质 同时可以有效阻止因滤 速改变而导致的小颗粒穿透n 0 1 19 7 4 年 a d i n 和r e b h u m 研究发现在直接过滤前投 加0 0 5 0 4 m g l 的阳离子聚电解质可有效降低滤后水浊度 提高产水量n 哈尔滨工业大学的俞云等人在深圳笔架山水厂的中试试验表明投加微量的 9 第1 章绪论 p a m 可以将其水厂的滤后水浊度降低到0 1 n t u 以下n 羽 5 改善滤料性能 对于滤池过滤理论的研究表明 滤料的表面特性是决定过滤性能好坏的一个关 键因素 改善其表面特性 能够增强滤料对于颗粒的吸附功能 因而目前对于改性 滤料的研究方兴未艾 常用的改性剂多为铝盐 铁盐 锰盐以及这几种金属的氧化 物 载体主要采用硅酸盐类矿物 如 石英砂 天然沸石 海泡石 凸凹棒石以及蒙 脱石等 改性滤料一般具有较大的比表面积 除了可以吸附去除水中的离子和杂质外 它表面的改性剂可以在溶液中水解 在一定的p h 条件下发生矿物表面羟基化 形 成一系列金属氢氧化物以及多羟基金属水合氧化物 表面经基官能团的存在使之具 有强大的亲和力 通过共价键化学吸附 静电吸附和离子交换吸附等作用发挥羟基 的交换作用 吸附 去除水中的污染物 有资料表明n 3 1 研 改性滤料有着强大的吸附以及氧化功能 它可以除去水中的胶 体物质 也可以氧化各种离子和可溶性有机物 1 3 本课题的研究内容 过滤是饮用水处理中极为重要的一个环节 它担负为水质把关的重任 虽然国 内外研究者对影响过滤的许多因素都进行了研究 也取得了许多成果 为提高过滤 性能 降低滤后浊度提供了理论和实践的依据 由于各个水厂所选择的滤池类型 滤砂类型不同 原水水质和沉淀工艺也不尽相同 所以针对具体目标进行常规强化 时 应针对具体情况进行分析 对症下药 本课题是生产性改造项目 基本工艺流 程是无法改动的 这对很多参数的研究有了基本的限定作用 整个试验的思路必须 是在这个限定的条件下来完成 在对昆山泾河水厂工艺和水源水质进行分析后 开展了下列几方面的强化过滤 研究 1 在试验室进行不同混凝剂的对比试验 寻找适合昆山水源水质的混凝剂 并配以小型滤柱的过滤试验 得到强化过滤的初步效果 2 选用不同的助滤剂 在水厂内展开过滤的中试试验 确定生产性试验使用 1 0 第1 章绪论 的助滤剂 3 针对目前昆山水厂所采用的两种滤料级配 分别进行强化过滤试验 4 在上述试验的基础上 分析总结出试验结论 并提出可行性报告 第2 章关于助滤剂优选的研究 第2 章 关于助滤剂优选的研究 2 1 助滤剂种类的确定 目前对于助滤剂的选择有很多种 其中包括了铝盐 铁盐等常规无机絮凝剂 以及各种类型的p a m 活化硅酸等 不同的滤前水水质对应了不同的最佳助滤剂 同时它的投加量将决定着形成絮体的大小 投加量过多 形成的絮体较大 会导致 滤层孔隙的阻塞 而投加量偏小 则会导致形成絮体过小 容易形成穿透 影响滤 后水质 当比较各种絮凝剂的助滤作用时 不考虑价格因素 阳离子型聚合物应该是效 果优越的 它可以起到架桥或电中和以及两者皆有的作用 一般来说 选择了正确 的助滤剂 可以在三个方面改进滤池的工作性能 1 增加滤层内絮体的沉积速度 2 增加滤层内絮体的穿透深度 3 使水头损失最小 并可以有效防止滤池过早的发生阻塞 本次试验我们主要考虑使用p a c 和活化硅酸来作为助滤剂 一些资料显示n 6 埘 n 2 1 要保证滤后水浊度小于0 1 n t u 待滤水浊度应小于3 n t u 投加絮凝剂后进行 快速混合 混合时间3 0 一6 0 秒 絮凝剂与滤前水的接触絮凝时间与药剂类型有关 如果采用传统絮凝剂 一般滤前停留时间控制在3 7 m i n 聚合絮凝剂具有较强的 电中和脱稳能力 快速的絮凝反应动力学及结团絮凝反应特征 因此微絮凝反应停 留时间一般只需1 2 m i n 停留时间延长将导致水头损失大 过滤周期短的现象出 现 一些水厂的运行经验表明 p a c 的接触停留时间应控制在1 8 m i n 最常采用的 是3 4 m i n 用活化硅酸作为助滤剂的报道并不多 但考虑到活化硅酸作为一种高效的助凝 剂n 明并结合昆山水厂滤前水中小颗粒过多的基本事实 我们本次试验也将其作为一 种助滤剂的备选 尽管有研究表明p a m 也是一种有效的助滤剂r 1 2 但考虑到p a m 可能存在的 毒理学因素 不作为试验的助滤剂 1 2 第2 章关于助滤剂优选的研究 2 2 实验室助滤试验 2 2 1 投加p a c 助滤试验 作为生产性技术改造的第一步 我们采用了实验室模拟试验来验证投加助滤剂 是否可以改善过滤性能 2 0 0 6 年底 在实验室完成了对昆山水源水混凝试验的基础 上 我们开展了模拟强化过滤试验 选用了一根2 m 的内径3 0 c m 小型滤柱 滤砂采 用与泾河水厂生产滤池较为接近的0 8 r a m 1 2 m m 的石英砂 使用前 用高锰酸钾 溶液浸泡4 8 小时 去除表面的有机物质 随后用清水反复冲洗后投入滤柱中 滤料 层厚度7 0 c m 滤速通过小流量计控制 虹吸进水 进水选用昆山水源水混凝沉淀半 小时后的上清液 进水浊度小于i n t u 把沉后水放入大容器中再加入助滤剂进行l m i n 人工搅拌后进行过滤 选用8 m h 和1 0 m h 两个滤速水平来进行试验 试验结果见下图 其中p a c 为8 原液 本文 中所有p a c 的质量均为其原液质量 4 直接过滤 一 一p a c 3 m g l o z 瑙 魍 苌 弭 12345681 0 过滤时间 h 图2 2 1 滤速为 m h 情况下 投加不同p a c 量的过滤效果 1 3 沥卫 屿j o o n 0 n 0 m 第2 章关于助滤剂优选的研究 0 3 o 2 5 o 复0 2 型0 1 5 受o 1 n 丑0 0 5 o 一直接过滤 4 1 p a c 3 m g l 1 2345681 0 过滤时间 h 图2 2 2 滤速为1 0 m h 情况下 投加不同p a c 量的过滤效果 由图2 1 1 和图2 1 2 可以看出 在滤速为8 m h 的情况下 投加4 m g l 的p a c 可以将滤后浊度降至0 i n t u 当投药量增至5 m g l 时 过滤初期的浊度有明显的 下降 但过滤周期缩短到6 小时 可见 出水水质随着投药量增加有改善的趋势 但投药量过大会引起水头损失的急剧增长 从而导致过滤周期的缩短 滤速1 0 m h 的情况和8 m h 时相类似 也是随着加药量增加 滤后浊度降低 同时滤速增加降低了助滤剂的效果 同等4 m g l p a c 投药量下 8 m h 滤速滤后浊度 为0 1 n t u 而1 0 m h 滤速时则增至0 1 5 n t u 该试验中的不可忽视的一个重要因 素是试验滤柱的直径较小 过滤周期最长只有1 2 h 1 2 h 小时后 滤柱水头损失增加 剧烈 不宜继续试验 由于该柱过小 无法实现反冲洗条件 每次试验完成后都需 即时将石英砂移出进行清洗重装 试验结果显示了和有关论述的相同性 即滤速和助滤剂是影响出水水质的重要 因素 本次试验中 有两个不利因素会对试验产生负面影响 l 人工搅拌的g 值和要求的值有出入 2 试验滤柱内径过小 内壁光滑 可能会存在水质穿透现象 1 4 第2 章关于助滤剂优选的研究 2 2 2 投加活化硅酸助滤试验 在p a c 助滤试验的基础上 我们又选用活化硅酸单独作为助滤剂进行试验 我 们参考了上海杨树浦水厂的生产性试验和目前生产运行中的投加量选定了试验投加 量的范围 试验结果如图2 1 3 所示 o z 瑙 羁 弓了 12345678 过滤时间 h 图2 2 3 滤速为8 m h 情况下 投加不同量的活化硅酸的过滤效果 由图2 2 3 可知 活化硅酸的助滤效果不明显 投加量从0 5 m g l 增加到l m g l 时依然没有良好的效果 其原因可能在于原水的水质或活化硅酸与水混合的最佳时 间没有把握准确 基于试验时间的紧迫性 我们没有在实验室对活化硅酸进行进一 步的投加量试验 但初步的结果已表明 对于昆山水源水 活化硅酸的助滤效果不 如p a c 明显 2 2 3 试验小结 通过简单的实验室模拟过滤试验 忽略过滤周期 滤池反冲洗等因素情况下 仅从助滤剂角度考虑 得出如下结论 l 模拟强化过滤试验证实了p a c 对降低滤后水浊度有着较为明显的作用 并 且在适当的投加量范围内可以将滤后水浊度控制在o 1 n t u 左右 但随着投药量的 加大 过滤周期将缩短 2 滤前的p a c 和滤前水的混合需要达到一定的强度和停留时间 为保证强 1 5 o 筋心 垢j o o m o m 0 n 第2 章关于助滤剂优选的研究 化过滤的效果 在p a c 与滤前水搅拌到出现一些小矾花为宜 时间大概i m i n 2 m i n 左右 3 活化硅酸单独投加对于滤后水水质没有明显的改善作用 4 滤前水的浊度控制到1 0 n t u 以下时 有利于助滤的进行 5 模拟试验采用的设备和过滤条件与实际生产相差较大 其结论性数据不可 直接作为生产性试验的依据 但具有指导意义 2 3p c 中试试验 2 3 1 试验装置及监测设备 作为一项直接应用于生产的研究性课题 时间和目的性成为我们在该项试验中 需要严格遵守的条件 因此 2 0 0 7 年3 月 在顺利完成了试验室小试后 进入昆山 泾河水厂进行中试 由于工作非常紧迫 重新设计生产新的中试设备需要一定时间 与自来水公司进行协商后 决定利用中南市政设计院留下的中试装置进行改装使用 三个2 m 高的过滤柱 内径2 0 c m 同时我们将再配置反冲洗水泵一台 蠕动泵两台 三台l z b 1 5 玻璃转子流量计 两台l z b 4 0 玻璃转子流量计 l 撑柱内填充1 2 0 c m 高 粒径0 6 o 8 m m 滤砂 2 撑 3 拌滤柱填充1 2 0 c m 高的粒径为0 9 1 3 5 m m 滤砂 滤料组成和高度均和生产滤池保持一致 分析仪器主要有美国i b r 公司生产的颗粒计数仪和以及美国h a c h 公司的浊度 仪 分析项目包括 水中颗粒数 浊度 c o d u n 余铝等主要指标 整个试验过程 中 颗粒数和浊度是我们考察和研究的主线 其中目前过滤强化过滤研究都是依存 于浊度的控制 但滤后水的浊度一般是在波动的 颗粒无疑可以更好地判定滤池的 工作性能 滤柱放置在2 期滤池东边 接2 期滤前水作为试验用水和反冲洗用水 由于没 空压机 反冲洗采用最基本的水冲洗 1 6 第2 章关于助滤剂优选的研究 图2 31 强化过滤中试试验装置 网2 32 i b r 颗粒计数器 2 32 滤速8 m h 情况下 不同p c 投量的试验效果对比 在前一章我们曾提殷滤速 l i d 助滤剂足影响过滤最书要的因素 因此在试验 第2 章关于助滤剂优选的研究 中我们充分对这些因素进行考虑 并制定了试验方案 滤速定为8 m h 和1 0 m h 主 要考察0 9 5 m m 1 3 5 m m 粒径的石英砂 参照有关二次絮凝投加量论述的资料 2 0 1 2 p a c 助滤剂投加量也分别设定为0 8 1 0 2 0 m g l 在滤前水浊度相对稳定在2 5 n t l i 3 0 n t u 时 进行了不同投加量和过滤滤速 的试验 j 皇 型 魍 羽 1 崾 煺 l245671 01 22 22 4 过滤时间 h 图2 3 3 p a c 投量为0 8 m g l 时的浊度变化曲线 1245671 01 22 22 4 过滤时间 h 图2 3 4 p a c 投量为l m g l 时的浊度变化曲线 1 8 6 4 2 l 8 6 4 2 o 6 4 2 1 8 6 4 2 0 1 l l o 0 0 o 一昌弓越羁 ffj皿爨 第2 章关于助滤剂优选的研究 1 4 兮1 b z 冀o 0 丑 妲0 煺0 o 1245671 01 22 22 4 过滤时间 h 图2 3 5 p a c 投量为2 m g l 时的浊度变化曲线 图2 3 3 图2 3 5 表明 滤后水浊度是随着助滤剂投加量增加而递减 投加 p a c 2 0 m g l 助滤效果明显 滤后浊度相对较低 在0 2 5 n t u 左右 中试过滤周期 与目前泾河水厂的生产周期相一致 即2 4 小时 尽管如此 滤后浊度仍然较高 未 达到目标值0 1 n t u 考虑到过滤周期和整个试验过程的安排 没有进一步增加投 加量 然后我们从颗粒数上来看不同量助滤剂下的颗粒数变化情况 投加助滤剂对颗 粒数的效果如图2 3 6 所示 1 9 第2 章关于助滤剂优选的研究 滤前水 投j j 口20 m g l p a c 口末投加 i 坐 警 2u 5 7um 1 0 um 1 5um2 5u 5 0 um 颗粒粒径 圈2 36 p a c 投最为2 m 曲时的颗粒数比较 图2 36 是滤速8 胁情况下 投加20 m g l p a c 助滤剂时的颗粒数对比情况 其中2 p m 颗粒数的去除最为明显 从7 8 0 0 降至1 6 1 4 击除率达到7 9 5 帅颗粒 数去除率是9 2 7 p m 颗粒去除率是9 5 1 0 p m 颗粒去除率为9 6 2 5 n m 以卜的 颗粒圭除数是1 0 0 相比之下 不加p a c 时各种颗粒的对应去除牢分别为 5 0 8 5 9 1 9 4 9 6 由此可见加入p a c 助滤后 1 0 u m 及以下的小颗粒去除率明显提高 而1 0 p m 咀上颗粒数的七除情抛相当 2 5 a n 咀上颗粒皆能全部被去除 我们再研究不同p a c 投加量下颗粒数去除的对比情况 由图237 可以看出 随着p a c 投加量的增加 水中2 m 5 9 m 7 9 m 颗粒的去除效果明显 日1 0 n m 1 5 m m 的颗粒去除情况不如上述小颗粒明显 而大于1 5 m m 的颗粒则被全部去除 这 也符合滤池本身的工作情况 黜黜黜黜w 一名 一赫梨氍 第2 章关于助滤剂优选的研究 2 571 0 颗粒粒径 i i m 图2 3 7 不同p a c 投量下的颗粒数去除比较 2 3 3 滤速1 0 m h 情况下 不同p a c 投量的试验效果对比 12 45671 01 22 22 4 过滤时间 h 图2 3 8 p a c 0 8 m g l 投量下的出水浊度曲线 2 l 4 2 1 8 6 4 2 o 1 l o o 0 0 n工弓巡熙 丑 第2 章关于助滤剂优选的研究 1 4 1 2 昌 1 z 0 8 瑙nc 鄹u b 着叫 0 2 0 1 4 1 2 昌 1 z o 8 簧吣 喜叫 0 2 o l245671 01 2 2 22 4 过滤时间 h 图2 3 9 p a c l o m g 1 投量下的出水浊度曲线 1245671 01 22 22 4 过滤时间 h 图2 3 1 0 p a c 2 0 m g 1 投量下的出水浊度曲线 从图2 3 8 图2 3 1 0 可以看出 在滤前水浊度变化不大的情况下 滤速增加到 1 0 m h 虽然可以提高产水量 也对额定的过滤周期 2 4 h 没产生影响 但相应的 浊度都有所上升 投加2 m g lp a c 条件下 滤后水浊度保持在0 3 2 n t u 左右 而 在滤速8 m h 时 同样的滤前浊度水平和p a c 投加量下 滤后水浊度保持在0 2 5 n t u 左右 第2 章关于助滤剂优选的研究 图2 3 1 1 的数据显示 滤速1 0 m h 情况下 投加p a c 助滤剂后 小颗粒数降低 情况非常明显的 2 1 x m 颗粒