（市政工程专业论文）强化混凝工艺提高再生水水质研究.pdf

摘要 摘要 水资源的短缺及污水回用的可行性使再生水处理被提到了日程。由于目前再 生水常规处理技术不能满足部分高水质要求，需要进一步发展降低再生成本和提 高水质的处理技术和方法。从经济和技术上来讲，强化混凝技术是一项简单而有 效的水处理技术，能有效去除水中溶解性有机物、胶体杂质。它是为提高常规混 凝的效果所采取的一系列强化措施，即确定混凝的最佳条件，发挥混凝的最佳效 果 本实验以a 2 o 工艺出水作为原水，聚合氯化铝( p a c ) ，聚合硫酸铁( p f s ) ， 硫酸铝，氯化铁为混凝剂。以浊度为指标，确定每种混凝剂对应的最佳混凝搅拌 参数，研究在不同的混凝剂投加量，不同的p h 值条件下，四种混凝剂对再生水 的处理效果，测定的指标有浊度、u v 2 5 4 ，c o d 、s c o d 、总磷、溶解性磷及细 菌总数。 试验结果表明，四种混凝剂具有不同的最佳投药量范围。其中，聚合氯化铝 的混凝效果优于其它混凝剂，投加量4 0 m g l 时，浊度去除率8 9 3 ，c o d 去除 率4 7 o ，u 5 4 去除率7 2 5 。 p h 值是影响强化混凝的重要因素，通过调节p h 值可以有效节省混凝剂用 量。酸性条件有利于混凝对浊度、有机物的去除。磷及溶解性磷的去除率随着碱 性的增强不断提高，最佳p h 范围1 0 1 1 。通过强化混凝，细菌总数的去除率能 达到9 0 0 以上，而且偏酸性条件更有利于细菌的去除，最佳p h = 5 。 关键词：强化混凝，再生水，混凝剂 a b s t r a c t r i i i _ - _ _ i _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 a bs t r a c t w a t e rr e c l a m a t i o nh a sg a i n e dg r e a ti m p o r t a n c ei nt h ew o r l da sar e s u l to ft h ew a t e r r e s o u r c ec r i s i s i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pt r e a t m e n tp r o c e s sw i t hl o wc o s ta n dh i 曲 q u a l i t yo fr e c y c l e dw a t e r , b e c a u s e t r a d i t i o n a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fw a t e r r e c l a m a t i o nc a nn o tm e e td e m a n do fh i 曲w a t e rq u a l i t ya tp r e s e n t e n h a n c e d c o a g u l a t i o n ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e m o v es o l u b l eo r g a n i c sa n dc o l l i d ，i sas i m p l ea n d e f f e c t i v et r e a t m e n tp r o c e s so fw a t e rr e c l a m a t i o n t h ea i mi st oi m p r o v ec o n v e n t i o n a l c o a g u l a t i o n ，i n c l u d i n gr e s e a r c h e so fo p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o na n d e f f e c t i nt h i ss t u d y , t h ee f f i u e n to fa 2 op r o c e s sw a su s e da sr a ww a t e r , w i t hf e l 矗c c h l o r i d e ，a l u m i n u ms u l f a t e ，p o l ya l u m i n u mc h l o r i d ea n dp o l y f e r r i cs u l f a t ea s c o a g u l a n t s t h eo p t i m a ls e 最n gp a r a m e t e r e sa r ec o n f i r m e db yt h ec o m p a r i s o no ft h e r e m o v a le f f i c i e n c yi nt u r b i d i t y t h et r e a t m e n te f f e c tw a ss t u d i e du n d e rd i f f e r e n t d o s a g eo fc o a g u l a n t sa n dp h ，w i t he v a l u a t i o ni n d e x e si n c l u d i n gt u r b i d i t y ，u v 2 5 4 ， c o d ，s c o d ，t p ，s o l u b l ep h o s p h o r u sa n dt o t a lb a c t e r i a r e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r ed i f f e r e n to p t i m a lr a n g e so fd o s a g et ot h ef o u r c o a g u l a n t s p a ci sp r e c e dt oo t h e r s ，w i t hi t sd o s a g eo f4 0 m g l ，t h et u r b i d i t yr e m o v a l i s8 9 3 a n dc o dr e m o v a li s4 7 0 w i t hau v 2 5 4r e m o v a lo f7 2 5 p hi sa ni m p o r t a n tf a c t o rr e l a t i n gc o a g u l a t i o ne f f e c t t h ed o s a g eo fc o a g u l a n t sc a l l b ee f f e c t i v e l yr e d u c e db ya l t e r i n gp h a c i d i cc o n d i t i o n sh e l pt h er e m o v a lo ft u r b i d i t y a n do r g a n i c s r e m o v a lr a t e so fpa n ds o l u b l ep h o s p h o r u sa r ee n h a n c e da sp h i n c r e a s i n gw i t ht h eo p t i m a lp h1 0 1 1 b ye n h a n c e dc o a g u l a t i o n ，t h er e m o v a lr a t eo f t o t a lb a c t e r i ac a nr e a c ht oo v e r9 0 o a l s o a c i d i cc o n d i t i o n si si nf a v o ro fi t s r e m o v a lw i t ht h eo p t i m a lp h5 k e yw o r d s ：e n h a n c e dc o a g u l a t i o n , w a t e rr e c l a m a t i o n , c o a g u l a n t i i 独创性说明 本人声明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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工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了谢意。 签名：毯笙日期：幽：墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 签名：鍪垡导师签名：三数日期：塑丝： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 城市污水再生利用现状 我国是世界上1 3 个贫水国之一，人均占有水资源量2 3 5 0 m 3 ，仅为世界平均 水平的1 4 t 1 1 。在全国6 0 0 多个城市中，有一半的城市缺水。而城市工业用水重 复利用率不足5 0 ，远低于发达国家水平，使得1 3 的城市成为水质型缺水城市 2 1 。水资源时空分布亦很不均衡，长江流域及其以南地区人均水资源量为3 4 9 0 m 3 ， 北方人均水资源量为7 7 0 m 3 。根据水利部2 1 世纪中国水供求分析，我国2 0 1 0 年后将开始进入严重的缺水期，其中北方地区的水资源形势将尤为严峻。到2 0 3 0 年全国总需求水量将达1 0 0 0 0 亿m 3 ，缺水4 0 0 0 , - - , 5 0 0 0 亿m 3 【3 1 。 随着经济发展和城市化进程的加快，城市缺水问题日益突出。当前相当一部 分城市水资源短缺。据统计，全国6 6 9 个城市中4 0 0 个城市常年供水不足，其中 1 1 0 个城市严重缺水。水资源短缺问题直接影响了人民群众的生活和社会的可持 续发展。近十多年来，随着城市水荒的加剧，水资源短缺逐渐引起人们的重视【4 1 。 针对水资源匮乏这一严峻的现实，本着“开源与节流 并重的原则，在加强节水 和组织实施力度的同时，开辟城市供水的第二水源，即污水回用，有着十分重要 的意义。 再生水( r e c l a i m e dw a t e r ，r e c y c l e dw a t e r ) 是指生活污水和工业废水经处理后达 到一定的水质标准，可在一定范围内重复使用的水的总称。处理的程度取决于特 定用途的水质要求和公众健康考虑。 国外从2 0 世纪2 0 年代开始实践城市污水回用技术，目前很多国家的城市都 有污水回用工程【5 】。二级污水处理厂普遍增加了三级处理工艺流程，以便于实现 再利用目的 6 1 。美国7 0 年代初开始大规模污水处理厂建设后即开始回用污水。 现已有再生回用点5 3 6 个，全国城市再生水回用总量约为9 4 亿m 3 a 。再生水利 用模式的突出特点是集中处理回用，主要用于风景灌溉和回灌地下水含水层。很 少直接用于城市生活杂用。日本在1 9 9 0 年就遍及全国建立了1 3 6 9 个回用工程， 回用水量为2 2 8 万t d 。对再生水利用在本国的可行性进行研究和工程示范，其 最突出的特点有两个：分散处理并回用于城市生活杂用的再生水所占的比例很 大；独特的工业水道。对工业用水道的水质各个城市都有不同的标准。在严重 缺水的地区广泛推广污水回用技术，使日本近年来的取水量逐年减少。以色列是 在再生水利用上最具特色的国家，它地处干旱和半干旱地区。人均水资源占有量 仅为4 7 6 m 3 ，其主要对策是农业节水和城市再生水利用，占全国污水处理总量 北京工业大学硕士学位论文 4 6 的再生水直接回用于灌溉，其余回灌于地下或排入河道。其再生水利用程度 之高堪称世界第一。南非共和国的约翰内斯堡供水量为1 1 3 万抛。其中8 5 是 利用城市污水作水源。南非和纳米比亚等国还建立了饮用再生水制造工厂，其水 质达到世界卫生组织和美国环保局公布的标准。这更进一步论证了再生水不仅在 水量上可以补充水资源的不足，在水质上也可以通过先进的处理技术来满足不同 的需求。同时，俄罗斯、西欧各国、印度的再生水利用也很普遍【7 1 。 国外多年的实践经验证明城市污水再生利用是解决供水需求、减轻水体污 染、改善生态环境的有效途径，是解决城市供水严重紧缺问题和走水资源可持续 利用之路的客观要求。我国已大力研究城市污水再生利用技术，在大连、天津等 城市开展了城市污水回用于工业的研究和工程实践，最近几年，北京、青岛等城 市己陆续建立了污水再生利用工程。我国城市污水再生利用的总体目标是充分利 用城市污水资源、削减水污染负荷、节约用水、促进水的循环利用、提高水的利 用效率。到2 0 1 0 年，北方缺水城市的再生水直接利用率要达到城市污水排放量 的15 ，南方沿海缺水城市达到5 ，到2 0 15 年北方地区缺水城市要达到2 0 ， 南方沿海缺水城市要达到1 0 ，其他地区城市也应开展此项工作，并逐年提高利 用率【8 】。总体来说，我国污水回用才处于起步阶段。城市污水再生利用规模较小， 2 0 0 2 年城市污水日排放量约1 o l 亿t ，回用率仅占全国污水处理量的4 9 t 9 1 。 工艺基本套用常规给水处理工艺，再生利用局限在局部，与当前城市污水再生利 用的多元化需求不相称，缺乏相应成熟的产业、技术和政策，有关部门水质标准 与工程技术规范不完善。这些都限制了我国城市污水再生利用的发展【l o 】。 1 2 再生水回用评述 随着天然水资源短缺问题越来越严重，污水的资源化也日益受到人们的重 视。目前，城市污水二级处理厂出水的直接利用主要有三个方面：农业灌溉和 水产养殖；工业回用于冷却水和低质用水；城市生活用水( 市政用水和建筑 中水) 。但是由于缺少相应的政策法规推动和应用规范的保障，大规模、有组织 的回用还很少，大多数污水经处理后仍直接排入受纳水体【l l 】。 1 2 1 城市污水再生利用的意义 城市污水再生利用是将污水化为水资源予以科学利用，也就是将城市污水加 以处理再生后用于可利用再生水的地方去。 ( 1 ) 城市污水再生利用是解决城市水资源紧缺的重要途径 城市污水为城镇开发了稳定的第二水源，世界上许多国家在城市污水开发利 第1 章绪论 用方面已取得了成功经验。在我国，为缓解全国3 0 0 多个城市不同程度的缺水状 况，正着手大力开发城市污水，为城市开拓了几乎一半的水量，在很大程度上解决 了水资源紧张的局面。 ( 2 ) 城市污水再生利用是解决水污染问题的根本措施 城市污水通过下水道排入江河湖泊，造成地表水系和沿途地下水的污染，如 果超过水环境容量，则污染问题就更为严重。国内外，因为水污染而有水不能用 的现象日益严重，因此都重视污水的处理及回用，使大量净化污水多次再生利用， 少进入环境，大大减轻了水环境的污染负荷，保证了水环境的清洁。另外，水质 二旦被污染，要恢复到原有的清洁程度，需要花费大量的资金和很长的治理时间， 特别是地下水的污染更难治理，所以推行污水再生利用，以控制地表水、地下水 免受或少受污染，可从根本上解决水污染问题，提高环境质量。 ( 3 ) 城市污水再生利用有利于建设经济效益型城市 城市污水再生利用既减少了排污量又减缓了市政排水系统的压力，其社会经 济效益十分明显。简单的说，开发再生利用l m 3 污水等于开发l m 3 清水，因为开 发新水源对北方不少水资源紧缺的城市几乎没有条件了，而远距离跨流域调水一 时又难于实现，而污水水量稳定可靠，就近可得，可以开发为城市第二水源。 ( 4 ) 城市污水再生利用是进行水资源养蓄行之有效的途径 城市污水再生利用，从水资源量上节约了优质水，少取新水，水源得以养蓄。 从水质上少排有害污染物废水，治理了污染源，减轻和消除废水对水体的污染， 使水环境得以改善，保护了水资源，有利于提高水源水质【1 2 】。 1 2 2 再生水处理技术工艺 再生水是指工业废水与生活污水进入城市污水处理厂经二级或二级以上处 理后排放的水的总称，在此基础上加以适当的补充处理便可回用。目前我国城市 污水在深度处理上有混凝一沉淀一过滤、微絮凝过滤等常规工艺以及生物接触氧 化、纤维过滤、生物活性碳过滤等方法f l 引。 再生回用水处理工艺从工艺流程上可以分为预处理工艺、主处理工艺及后处 理工艺三个阶段。其中预处理工艺包括格栅、调节池；主处理工艺单元包括混凝 沉淀、气浮、活性污泥法、生物膜法、膜分离技术、活性炭技术以及土地处理技 术等；后处理工艺包括过滤、活性炭吸附及消毒等处理技术等u 4 1 。 根据处理工艺划分，再生回用水的处理工艺可分为以物化方法为主的处理工 艺、以生化方法为主的处理工艺、生化与物化联合的处理工艺、自然处理( 如土 地处理) 等几种工艺。我国城市污水经二级处理后用作回用水时，深度处理工艺 多采用混凝一沉淀一过滤一消毒工艺或膜处理工艺【1 5 】。 北京工业大学硕士学位论文 不同水源的再生回用水处理工艺如下： a 以优质杂排水、生活污水为原水的工艺流程： ( 1 ) 以生物接触氧化为主的工艺流程： 预处理后出水一生物接触氧化一沉淀一过滤一消毒一回用 ( 2 ) 以混凝沉淀为主的工艺流程： 预处理后出水一混凝沉淀( 或混凝气浮) 一过滤一活性碳( 或其它精密过滤) 一消 毒一回用 ( 3 ) 以物化处理一膜分离为主的工艺流程【l6 1 。 预处理后出水一混凝沉淀过滤( 或微絮凝过滤) 一精密过滤一膜分离一消毒一回用 b 以城市污水处理厂出水为原水的回用工艺流程： 二级处理出水一混凝、沉淀( 澄清) 一过滤一消毒一回用【1 7 】 二级处理出水一膜过滤一消毒一回用 再生水回用多采用在二级处理的基础上进行深度处理，处理后的水质符合生 活杂用水标准，可以作为市政和生活用水使用。对于大型污水处理厂和工业企业 的再生回用水则多是在二级处理后采用混凝沉淀过滤的方法。在运行中混凝沉淀 过滤工艺存在一定限制，如滤料上易生长生物膜，堵塞滤床，而膜处理工艺投资 运行成本较高。 如上文中提到，传统的再生水回用工艺在运行、投资中有诸多限制，本试验 旨在以强化混凝为处理工艺，研究其对再生水的处理效果，为污水处理厂再生水 回用工艺提供参考。 1 3 强化混凝研究综述 1 3 1 混凝剂的发展简介 混凝剂在水的处理过程中起着极为重要的作用。在人类文明的发展史上，最 早使用混凝剂净化饮用水的历史追溯至公元前1 6 世纪古埃及人采用扁桃汁净化 饮用水的例子。随着社会的进步，人们对生活水平也提出了更高的要求。我国早 在明代便有使用明矾净水的记录，西方国家在公元1 8 2 7 年第一次利用硫酸铝进 行水的混凝试验。在1 8 8 4 年，美国人海亚特取得了滤池处理水以硫酸铝预处理 的专利权，在1 8 6 5 - - 1 8 7 2 年曾推荐实际应用氧化铁盐，并在1 8 8 7 年对预分离出 氢氧化铁沉渣箱形过滤装置颁发了专利。在水处理实践中，系统的采用硫酸铝是 在二十世纪八十至九十年代开始的，正是这一时间内进行了混凝工艺的可行性研 究，发表了关于利用混凝剂处理泥炭水和污水的报导。 在二十世纪初，用混凝剂进行工作的快滤池进入给水的实践中。其运转经验 第1 章绪论 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 1 c 1 3 、 f c s 0 4 及硅系列混凝剂，再到现今的高聚合类混凝剂如p a c 、p f s 、p a s s 、p a l 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、混凝剂最适应的环境，进而形成许多的混凝理论，在水的净化处理过程中都 起着重要的指导作用【l 引。 目前关于混凝剂的定义有两种方法。一种是根据胶体粒子聚集阶段的不同， 即胶粒的表面改性及胶粒的粘连，将胶粒表面起改性作用的药品称为凝聚剂，使 胶粒粘连的药品称为絮凝剂，兼有上述各种功能的药品为混凝剂。另外一种定义 比较简单，将混凝剂与絮凝剂不加区分，因为从机理上区分凝聚与絮凝有时很困 难【l9 1 。混凝剂的品种目前不下二三百种，按其化学成分可分为无机与有机两大类。 无机类主要以铝盐、铁盐及其水解聚合物为主，在给水与废水处理中用量很大； 有机类品种较多，主要是高分子化合物，分为天然和人工合成两部分。近4 0 年 来，我国在混凝剂的品种开发方面进行了大量工作，取得了不少的成绩，已经能 满足国内市场的需求，自主经营开发形成了一整套独立的运作体系。 随着2 0 世纪7 0 年代以来环境保护在世界范围内的兴起，废水处理得到的重 视日益增大，相应也促进了混凝剂的研究。我国近十年来研制开发了不少新型混 凝剂，例如，利用硫酸亚铁和废酸生产聚合硫酸铁，w a b 淀粉接枝阴离子改性 天然高分子絮凝剂的研制，用睛醛树脂初缩体和z n 2 + 、c u 2 + 、c 0 2 + 、f e 2 + 等金属 离子反应制成的鳌聚合高分子絮凝剂，以及人工合成有机高分子絮凝剂聚二甲基 胺甲基丙烯酞胺( p d m a m ) 等。此外，对继续开发植物胶、纤维素衍生物类等天 然高分子絮凝剂及聚丙烯酸钠等人工合成聚合高分子也表现出兴趣。 2 0 世纪8 0 年代及9 0 年代，我国水处理界絮凝剂的开发主要集中在无机高 分子絮凝剂( i p f ) 的复合与混凝机理的研究方面，并提出了自己的某些理论，在 指导新型混凝剂的开发上起到了一定的作用。如汤鸿霄在结构模型方面所做的研 究1 2 0 与李圭自在利用高锰酸钾e 2 1 去除微污染水中的腐殖质方面的研究都在 国际上有一定的影响。目前我国无机混凝剂的品种比较齐全，但天然与人工合成 有机高分子絮凝剂相对国外而言品种较少。例如，我国常用的聚合高分子主要是 聚丙烯酞胺系列化合物，电荷基本局限于阴离子型及非离子型。而一些发达国家 无论在给水还是在废水处理中，阳离子型不同种类的聚合高分子的应用均明显超 过阴离子型及非离子型聚合高分子，我国水处理混凝剂的研制工作还有待加强。 北京工业大学硕士学位论文 1 3 2 混凝剂的分类 1 3 2 1 无机混凝剂 硫酸铝是给水和废水处理中使用最广泛、用量最大的混凝剂，其分子式为 a 1 2 ( s 0 4 ) 3 1 8 h 2 0 ，其中a 1 2 0 3 质量占1 5 3 ，工业品的分子式为a 1 2 ( s 0 4 ) 3 1 4 h 2 0 ， 其中a 1 2 0 3 质量占1 7 3 。自1 9 世纪末美国最先将硫酸铝用于给水处理并取得 专利以来，硫酸铝就以其卓越的混凝沉降性能被广泛采用。2 0 世纪9 0 年代初， 全世界的硫酸铝年产量己达到4 0 0 - - 5 0 0 万吨，其中很大一部分用于给水和废水 处理 1 9 1 。市售硫酸铝有固、液两种形态，前者又按其杂质含量不同分为精制与粗 制两种，国内产品多为固态。 聚合氯化铝( p a c ，又名碱式氯化铝) 于2 0 世纪6 0 年代在日本首先进入实用 阶段。7 0 年代中期以后，日本给水处理中p a c 的使用量超过了硫酸铝，但在废 水处理中还是使用硫酸铝为多。p a c 的出现是对于硫酸铝水解物种深入理解的结 果，其分子式一般表示为( a 1 2 ( o h ) n c l 佃) m ，其中n 可取l 到5 中间的任何整 数，m 为小于等于1 0 的正整数。我国是研制p a c 较早的国家之一，主要力量放 在就地取材生产p a c 及试验其在水处理中混凝性能两个方面。实际应用表明， p a c 在水处理中的效能在许多方面优于硫酸铝，如使用剂量小，对原水水温及 p h 的变化适应能力较强等【2 2 1 。 常见的铁盐混凝剂包括三氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铁和新出现的聚合铁。三 氯化铁有固体和溶液两种形式的产品，里粉状的无水三氯化铁含f e c l 3 大于等于 9 8 ，三氯化铁溶液含f e c l 3 应大于等于4 1 ，另外以f e c i r 6 i - 1 2 0 化学式存在 的结晶，含f e c l 3 约为6 0 。聚合铁混凝剂有聚合氯化铁( p f c ) 和聚合硫酸铁( p f s ) 两种，首先出现的是p f c ，其生产与p a c 类似。是在适当的温度和压力下，用 碱中和氯化铁溶液得出。 1 3 2 2 有机混凝剂 水处理中虽然使用天然聚合物，如藻肮酸钠、动物骨胶、明胶、马钱树种子 等，但大量使用的仍是人工合成的聚合物1 2 3 ，用天然原料合成的聚合物产品有待 进一步的研究与开发。自2 0 世纪6 0 年代以来，人工合成的有机高分子混凝剂已 在给水和废水处理及污泥调理中得到广泛应用，它们都是水溶性聚合物，重复单 元中包含带电基团，因而被称为聚合电解质，有阳离子型、阴离子型、非离子型、 两性型等，在给水与废水处理中常用的是前三类。有机高分子絮凝剂同无机高分 子絮凝剂相比，具有用量少、絮凝速度快、受共存盐类、p h 值、温度影响小、 生成污泥量少、并且容易处理等优点【1 7 】。 阳离子型高分子聚合物主要是分子重复单元中含有带正电的氨基、亚氨基或 第1 章绪论 季氨基的水溶性聚合物，主要品种有二甲基二烯丙基氯化胺、丙烯酸胺的共聚物 与聚乙烯基咪哇琳等。高分子量的阳离子型聚合高分子由自由基加聚反应合成， 低分子量的则由自由基缩聚反应合成，由于水中的胶体粒子一般都带负电，所以 阳离子型聚合高分子不论分子量的高低，均起絮凝作用。但阳离子单体的价格较 高，因而在合成阳离子型聚合高分子时引入的带正电的单体数目较少，正电荷密 度有限。 阴离子型聚合高分子主要是重复单元中包含c o o m ( 其中m 为氢离子或金 属离子) 基团或s 0 3 h 基团的水溶性聚合物，主要品种有部分水解的聚丙烯酞胺 ( 含聚丙烯酸钠) 和聚磺基苯乙烯。阴离子型聚合高分子由自由基加聚反应合成， 分子量因反应条件不同而异。作为水处理絮凝剂的阴离子型聚电解质分子量必须 大于1 0 6 ，否则是胶体稳定剂。由于氨基电离度不大，己水解的聚丙烯酞胺中的 c o o 一基含量不高( 低于水解c o o n 基团含量) ，负电荷密度不大，聚丙烯酞胺 ( p a m ) 在碱性条件水解后，即可在_ 部分的构造单元中引入了梭基，水解后的 p a m 分子带有负电基团c o o ，由于负电荷相斥作用，使p a m 的分子展开，有 利于与其它微粒的接触，产生架桥作用【2 4 1 。 非离子型聚合高分子的主要品种为未水解的高分子p a m 和聚氧化乙烯。这 里的未水解是指在这些分子量重复单元中己水解的酞胺占全部酸胺的比例低于 3 ，而不是指完全没有水解。p a m 即是其典型代表，它是由1 1 个丙烯酞胺分子 聚合而成。非离子型的聚合物分子在水中呈螺旋状，其长度展开较阴离子型聚合 物差。 目前，我国有机高分子絮凝剂的技术与国际水平相比差距较大，主要表现在： ( 1 ) 系列化水平低，专用品种少，商品化的产品仅有p a m 和聚丙烯酸盐两大类； ( 2 ) 产量低，未形成规模经营，某些国外己工业化的品种，至今我国仍不过关； ( 3 ) 工业设备和单体生产落后，整体质量水平不高。 1 3 2 3 生物混凝剂 8 0 年代后期，研究和开发的第三代絮凝剂称为生物絮凝剂。该絮凝剂是利 用生物技术，通过微生物发酵抽提、精制而得到的一种新型、高效的水处理剂， 但目前仍然相当昂贵【2 5 】。2 0 世纪7 0 年代，日本学者在研究酞酸脂生物降解过程 中，发现了具有絮凝作用的微生物培养液，8 0 年代后期，制成了命名为n o c 1 的第一种生物絮凝剂【2 6 1 ，我国研究人员也已经涉足这一领域的开发。 生物絮凝剂与普通絮凝剂相比，其优越性有：( 1 ) 易于固液分离，形成沉淀 物少；( 2 ) 易被微生物降解，具有无毒、无害等安全性；( 3 ) 无二次污染；( 4 ) 适 用性广；( 5 ) 具有除浊和脱色性能。近期在继续深入研究应用对象的同时，更主。 要是研究采用廉价的培养基以降低成本，缩短培养时间和提高絮凝活性，并使之 进入大规模生产的实用阶段。 北京工业大学硕士学位论文 此外，还有一些化学药品，在混凝过程中经常使用，称之为助凝剂，如石灰、 烧碱、盐酸、硫酸、氯气、粘土等。它们的作用，或是调节水的p h 值，或用来 加聚核心物质，或有降低水中有机物含量，以强化混凝剂效果。 1 3 3 强化混凝机理与应用现状 1 3 3 1 强化混凝机理 许多专家学者对常规水处理工艺中的混凝工艺进行了新的审视，提出了强化 混凝( e n h a n c e dc o a g u l a t i o n ) 技术。强化混凝技术通过药剂的匹配、改善和混凝 工艺的优化，增大絮体对水中超微细颗粒的碰撞、吸附和脱除作用，降低出水浊 度，同时提高有机物及其它污染物质的去除率，广义上就是通过改善混凝条件提 高出水水质。常用的强化混凝方式包括： ( 1 ) 选择正确有效的混凝剂 ( 2 ) 增加混凝剂的投加量 ( 3 ) 改变p h 值【2 7 2 8 1 ，p h 值是一个重要的水质参数，也是影响混凝效果的重要 指标。在不同的p h 值下，混凝剂会发生不同类型的水解反应，生成不同的水解 产物。 ( 4 ) 投加助凝剂【2 9 】 ( 5 ) 改进混凝反应器，改善沉淀和澄清效果，从水利条件上加以改进，使混凝 剂能够充分发挥作用。 本文通过一些对比实验探讨混凝剂量和p h 变化对浊度、有机物、微生物、 磷去除的影响。其混凝机理如下： ( 1 ) 混凝工艺去除有机物的机理主要有三个方面：带正电的金属离子与带负电 的有机物胶体发生电中和而脱稳凝聚；金属离子与溶解性有机物分子形成不溶性 复合物而沉淀；有机物在矾花表面的物理化学吸附。p h 在很大程度上影响有机 物的去除掣3 0 1 。g i lg r o z e s 等人发现p h = 6 + o 2 时可使有机物去除率达到6 5 t 3 1 1 。 因为在低p h 条件下，离子态有机物减少，而分子态有机物增多，有机物溶解度 下降，它们相对容易吸附到大量存在的f e ( o h ) 3 或a i ( o h ) 3 等颗粒上，发生共沉 淀，导致有机物去除率有较明显的上升【3 2 】。r a n d t k e 认为强化混凝去除有机物的 机理主要包括胶体状有机物的电中和作用以及吸附于金属氢氧化物表面上的共 沉作用【3 3 1 。水中有机物一般以三种形态存在：悬浮态、胶体、溶解态。混凝对悬 浮固体和胶体的去除效果较好，对溶解态有机物的去除效果相对较低。 ( 2 ) 据有关资料认为：“微生物吸附在混凝剂水解产物上是混凝过程中微生物 去除的主要原因 。二级出水中含有一些游离细菌，这些游离细菌形不成可沉生 物絮体，在水中以负电荷亲水胶体的状态存在，相对稳定【3 4 1 。细菌被混凝剂水解 第1 章绪论 产物吸附的先决条件是脱水( 脱稳) 。电解质使细菌脱水是和其中的高分子有机物 脱水分不开的。向高分子有机物溶液中加入电解质，达到一定程度时，溶质便沉 淀析出，这种作用可以看作是电解质对高分子溶液的聚沉作用。但是这种聚沉作 用与溶胶( 无机胶体) 的聚沉作用不同。首先，电解质的用量，前者较大，后者用量 较小。第二，电解质离子的价态对前者影响较小，对后者影响较大。第三，高分 子溶液的聚沉与电解质离子的电荷符号无关，即阴阳离子都有作用。总的说来， 净化过程中细菌的去除主要是电解质脱水凝聚的结果。这里并不排除细菌粘附于 悬浮物并随悬浮颗粒去除而去除的可能性，但不是主要的【3 5 】。m a s s a c h u s e t t s 大 学研究表明：严格控制p h 及混凝剂a l 的投加量，可以降低浊度、u v 2 5 4 、有效 地去除颗粒物和致病菌【3 6 】。 ( 3 ) 生活污水中的磷大部分是溶解状的无机化合磷踟，采用铝盐和铁盐除磷， 一方面生成相应的磷酸盐沉淀，另一方面在部分胶体状的氧化铁( 铝) 或氢氧化 铁( 铝) 表面上可吸附一部分的磷酸盐，同时多核的氢氧化铁，( 铝) 悬浮体通过 凝聚作用生成不溶于水的金属聚合物的过程中亦能够促进水中磷酸盐浓度的降 低，磷酸盐沉淀中化学剂的水解产物可与磷酸盐发生化学吸附并进行络合反应形 成络合物共同沉淀【3 8 1 。研究表明，氢氧化铝对各种形态的磷都有很强的去除能力， 正磷酸盐也可以通过氢氧化铝的吸附去除【3 9 。对p 的处理效果依赖于趾絮体的 吸附能力和絮体的分布【4 0 1 。由于p f s 在合成过程中预先形成了一系列具有较高 电荷的羟基多核络合物，所以具有很强的电中和能力和吸附架桥作用【4 1 1 。通过测 定水中不同形态磷的变化，可以了解磷的去除机理【4 2 】。由于聚合物的形态及所带 电荷数目受溶液的p h 影响较大，所以采用强化混凝工艺会有更好的除磷效果。 国内外的实际运行经验表明，化学法除磷效率较高，将高于生物除磷，可达7 5 8 5 ，且稳定可靠【4 3 】。 1 3 3 2 城市污水处理中的应用 美国对于强化混凝技术在给水处理中的研究和应用较多，在城市污水处理中 也有报谢矧。美国落杉矶市的h y p e r i o n 污水处理厂采用一种阴离子高聚物( o 1 5 m g l ) 与1 0m g n 的f e c l 3 复配处理城市污水，连续运行6 a ，s s 和b o d s 的一 级处理去除率稳定在8 3 和5 1 左右，同时对磷和重金属的去除效果也很好， 而其基建费和运行费却只有二级处理厂的3 0 左右。南加利福尼亚4 大污水处理 厂通过对传统一级处理的工艺进行改进，投加f e c l 3 混凝剂和部分助凝剂，处理 效果大幅度提高。改进后的一级处理工艺，s s 去除率达到了8 5 ，b o d s 的去除 率增加到5 0 以上。m e t e t 4 5 】等认为，从经济和技术上来讲，强化混凝技术是一 项简单而有效的水处理技术，能有效去除水中溶解性有机物、胶体杂质等。 此外，以色列、埃及、日本、挪威、南非等国对强化混凝的研究和应用均有 较多成功的实例【4 5 1 。t h o m a srh u n d t 等人的研究表明，水里的富里酸类有机物 北京工业大学硕士学位论文 主要通过电性中和、吸附共沉淀得以去除，且主要与铝盐的水解形态有关。 h 矾e m a n 【4 6 】等曾做了强化混凝工艺和常规一级处理工艺的比较试验。试验表明， 1 0m g l 的f e c l 3 和o 1 5m g l 的聚合物能使s s 的去除率从7 1 提高到9 1 ， b o d 5 的去除率从4 2 提高到8 0 ，且可节省3 0 沉淀池体积。利用石灰调节p h ， 混凝沉淀后出水中z n 、c d 、m n 、m g 的浓度均能达到排放标准【4 7 】。g h o s he ta 1 采用优化化学混凝进行污水的三级处理，确定最佳出水水质的混凝剂最低用量， 测定指标有浊度、b o d 5 、t o c 、总p 【4 8 1 。近年来，随着环境保护力度的加强， 强化混凝技术在我国也得到一定的发展。台湾的c h e nc 1 1 i u y a l l g 研究了城市污水 排海前的强化混凝处理，投加硫酸铝和p a c 各3 0m g l ，沉淀1h ，s s 和b o d 5 的去除率分别为7 0 和6 0 ，比强化处理前提高了2 5 和3 5 个百分点。上海市 在建的两个超大型污水处理厂：竹园污水处理厂( 一期) 与白龙港污水处理厂( 设 计日处理能力分别为1 7 0 万m 3 与1 3 0 万m 3 ) 也采用以强化混凝为主的处理工艺 流程。 强化混凝处理生活污水在国内外的成功实例表明，强化混凝技术对于改善我 国城市生活污水由于资金不足而处理率低下的现状具有重要的实用价值。 1 3 3 3 工业废水处理中的应用 混凝处理是工业废水处理工艺最基本的单元之一。强化混凝技术的应用将会 提高废水处理率、降低后续处理工艺的负荷、减少基建费用。阮湘元等用p a c 、 p a m 预处理富含有机染料的废水，联合氧化絮凝床，出水可达工业污水排放标 准【4 明；朱虹等研究表明，新型絮凝剂聚磷硫酸铁是一种更为有效的废水处理絮凝 剂【5 0 1 。姚文娟等研究表明，p a c 、壳聚糖和p a m 等絮凝剂对酒精槽的离心废液 有较好的絮凝效果，s s 去除率为8 6 5 7 8 9 6 2 ，c o d 去除率为5 8 2 - - - - 5 9 2 t 5 1 】。另外，强化混凝在印染废水的脱色处理中应用较多，这方面，李春华 等做过比较详细的综述【5 2 1 。 与城市生活污水的强化混凝技术相比，工业废水处理中的强化混凝技术更注 重针对不同种类的废水与污染物，开发处理效果更佳的新型混凝剂或新型复合混 凝剂。因此，研究新型高效混凝剂将是强化混凝技术在工业废水处理中广泛应用 的关键。 1 3 3 4 微污染源水处理中的应用 中科院王曙光等【5 3 】采用聚合氯化铁( p f c ) 为混凝剂，对深圳市的龙岗河、观 兰河、燕川河、大茅河水体进行了强化混凝处理的试验研究。结果表明，当p f c 投加量为5 0m g l 时，。观兰河( 原水c o d - 4 8 m g l ) 的c o d 去除率达7 0 以上， 浊度去除率为9 1 ，t p 的去除率达到9 5 ，t n 的去除率达4 1 ；大茅河( 原水 c o d ：8 4 m g l ) 的c o d 去除率达到5 0 以上，浊度去除率达7 8 ，t p 的去除率 第l 章绪论 达9 6 5 ，t n 的去除率达4 1 6 ，对重金属也有一定的去除效果。处理后水质 达到或接近地表水水质标准。c h e n g 等 5 4 】用a 1 2 ( s 0 4 ) 3 、p a c 、f c c l 3 和p f s 等混 凝剂处理水库水。结果表明，p f s 比f e c l 3 有更高的溶解性有机物( d o c ) 去除率 和更少的铁残留，a 1 2 ( s 0 4 ) 3 对浊度、色度和细菌的去除效果最好，但是对d o c 的去除效果不够理想。当p f s 和a 1 2 ( s 0 4 ) 3 联合使用时，处理效果最佳，d o c 、 浊度、色度都能得到很好的去除。 肖锦【5 5 】等采用p a c 为混凝剂，c g a ( 自制) 为助凝剂，对珠江广州河段原水、 深圳水库原水进行了室内静态试验并对某水厂原水进行了动态试验，结果表明， p a c 联合c g a 强化混凝对降低高锰酸钾指数、出水残留铝、浊度以及提高藻类 的去除率均优于传统混凝工艺。 1 4 本课题来源和意义 ( 1 ) 课题来源 本课题来自国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目( 2 0 0 3 a a 6 0 1 0 1 0 ) 和北京市 优秀人才培养资助项目( 2 0 0 6 1 d 0 5 0 1 5 0 0 2 0 7 ) 。 ( 2 ) 课题意义 ( 1 ) 与常规处理工艺相比，能进一步提高再生水水质 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，即确定混凝的 最佳条件，发挥混凝的最佳效果，包括混凝剂性能的改善，混凝工艺流程的强化。 由于目前再生水常规处理技术不能满足部分高水质要求，需要进一步发展降低再 生成本和提高水质的处理技术和方法。 ( 2 ) 获取最佳运行条件，为进一步的研究及实际生产积累经验。 强化混凝作为一种经济有效的水处理技术，通过在不同条件下，对二级生物 处理的出水进行混凝试验，以浊度、u v 2 5 4 、c o d 、s c o d 、总磷、细菌总数为 指标对试验效果进行评价，得出对各类污染物质去除效果的最佳组合条件。 1 5 本课题的研究内容 通过混凝去除常规测定的浊度以外，如何有效控制混凝的物理化学条件，还 能对水中有机物、磷、细菌有较好的去除效果，本课题以此作为目标，针对a 2 o 处理工艺出水，确定： ( 1 ) 不同种类混凝剂对应的实验条件； ( 2 ) 不同混凝剂投加量对再生水的处理效果； ( 3 ) p h 对再生水的处理效果的影响； 北京工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 强化混凝对各类污染物质去除效果的最佳组合条件。 第2 章试验材料和方法 2 1 实验材料 第2 章试验材料和方法 有机混凝剂的单体有毒性，出水中往往会有单体被检测出，目前我国大部分 自来水厂仍使用铝盐和铁盐这类无机混凝剂，其价格低廉，应用普遍，积累了相 当多的操作经验，而生物混凝剂尚处于研究初创时期，综合考虑以上因素，使用 最常见的无机混凝剂。为讨论不同混凝剂对再生水处理效果的影响，最终确定选 用以下四种无机混凝剂进行试验，分别为： 硫酸铝：分析纯，配成浓度为1 0 9 l 的溶液备用； 氯化铁：分析纯，黄色粉末，配成浓度l o l 的溶液备用； 聚合氯化铝( p a c ) ：浅黄色粉末状工业品，配成浓度1 0 9 l 的溶液备用； 聚合硫酸铁( p f s ) ：固体粉末状工业品，配成浓度1 0 l 的溶液备用。 其它药品包括： 重铬酸钾：优级纯，配成浓度0 2 5 m o l l 和0 0 2 5 m o l l 溶液备用； 邻菲哆琳：分析纯，1 4 8 5 9 邻菲哆琳与0 6 9 5 9 硫酸亚铁溶于水中，稀释至 1 0 0 m l ，贮于棕色瓶内备用； 硫酸亚铁铵：分析纯，3 9 5 9 硫酸亚铁铵溶于纯水中，加2 0 m l 浓硫酸，冷 却后移入1 0 0 0 m l 容量瓶中，稀释至刻度备用；另配1 1 0 上述浓度溶液备用： 实验还需n a o h 、浓h 2 s 0 4 、h 9 2 s 0 4 、a 9 2 s 0 4 等，均为分析纯。 2 2 试验水样 试验水样为北京工业大学校园西区生活污水经a 2 0 工艺处理后二沉池出 水，各指标测定如表2 1 所示： 表2 1 原水水质 ! 垫：兰：! 垦垒型塑笪q 旦坐壁 项目范围单位 水温1 6 - - 1 8 p h 7 5 8 、 t p3 8 m g l 溶解性磷 5 - 6 5 m g l c o d c r 8 5 1 2 0 m g l 北京工业大学硕士学位论文 以污水处理厂二级生物处理出水作为再生水厂的原水，它与净水厂