溶气气浮工艺处理磨盘山水库低温低浊水的研究.pdf

国内图书分类号 TU991 2 学校代码 10213 国际图书分类号 628 1 密级 公开 工工学学硕硕士学士学位论文位论文 溶气气浮工艺处理磨盘山水库低温低浊水 的研究 硕 士 研 究 生 邹景 导 师 马军教授 申请学位 工学硕士 学科 市政工程 所 在 单 位 市政环境工程学院 答 辩 日 期 2011 年 6 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 Classified Index TU991 2 U D C 628 1 Dissertation for the Master Degree in Engineering DISSOLVED AIR FLOTATION PROCESS TO TREAT MOPANSHAN RESERVOIR WATER WITH LOW TEMPERATURE AND LOW TURBIDITY Candidate Jing Zou Supervisor Prof Jun Ma Academic Degree Applied for Master of Engineering Speciality Municipal Engineering Affiliation School of Municipal Environmental Engineering Date of Defence June 2011 Degree Conferring Institution Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 I 摘摘 要要 由于地表河流和地下水源日益污染 越来越多的城市选择受污染少 水质 优良的水库水作为生活饮用水水源 在我国东北广大寒冷地区 作为生活饮用 水水源的水库水多呈现低温低浊 富含腐殖质等特点 采用常规沉淀工艺处理 该水源水体时 普遍存在混凝剂投量大 出水水质不佳 污泥产量大等问题 由于溶气气浮工艺对低温低浊及天然高色水具有良好的净水效果 其日益受到 饮用水处理专家的重视和认可 为了将这一技术应用于哈尔滨市磨盘山净水厂 现有常规沉淀工艺的升级改造 本文对溶气气浮处理磨盘山水库低温低浊水进 行了相关小试及中试试验 在溶气气浮处理磨盘山水库低温低浊水的混凝剂筛选试验中 发现高效液 态聚合氯化铝具有最好的净化效果 其最优投药量 以 Al3 计 为 2 22mg L 在小试中 确定溶气气浮的絮凝强度为 30 200 s 1 最优絮凝时间为 8 10min 最优固液分离时间为 15min 及最优溶气水回流比为 8 10 在强化溶气气浮处 理磨盘山水库水的试验中 认为投加价廉的 Ca OH 2 可以改善出水硬度 碱 度及 pH 值 在中试试验中 发现混凝剂最优投药量随进水流量的增加而相应增加 进 水流量为 7 10m3 h 13 m3 h 时 最优投药量 以 Al3 计 分别为 1 48mg L 2 04mg L 溶气气浮在不同表面负荷下对絮凝时间的要求不一样 表面负荷为 7m h 时 9 1min 的絮凝时间就能达到稳定的溶气气浮出水效果 表面负荷为 10m h 时 出水水质随絮凝时间的延长而变好 需要不少于 14 6min 的絮凝时间 在 9 1min 的絮凝时间 7 16m h 的表面负荷下 溶气气浮净水效果随其表面负 荷的增加而相应降低 在溶气气浮与单独沉淀及沉淀 溶气气浮联用工艺处理磨盘山水库低温低 浊水的对比试验中 发现溶气气浮工艺及两者联用工艺较单独沉淀能大幅降低 混凝剂投药量 提高出水水质 溶气气浮工艺在 14 6min 的絮凝时间 10m h 的表面处理负荷及 1 48mg L 的混凝剂投量 以 Al3 计 下 出水浊度 色度及 CODMn可以分别达到 0 45NTU 5 度及 2 1mg L 在小试及中试试验基础上 针对净水厂实际情况 提出了在絮凝池 沉淀 池及翻板阀滤池分别加入溶气气浮的三套改造方案 水厂经改造后 可以有效 解决水厂现有常规沉淀工艺出水水质不佳 混凝剂投药量大 滤池易堵塞等问 题 经计算 改造后水厂吨水制水成本可以降低 0 0378 元 按 11 25 万 m3 d 的 改造规模计算 水厂一年可以节省运行费用 155 2 万元 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 II 关键词 磨盘山水库 低温低浊 饮用水处理 溶气气浮 小试试验 中试试 验 改造方案 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 III Abstract With the pollution of rivers and underground water more and more cities choose reservoir water as their drinking water supplies which is better protected and less polluted In Northeast part of China a cold region the reservoir water as drinking water supplies has the characteristics of low temperature low turbidity and rich in humus Conventional sedimentation process adopted by drinking water treatment plant usually has the defects of high dosage of coagulants poor outlet water and large amount of sludge to treat the reservoir water As dissolved air flotation technology DAF has been proved to have better effects on purifying the low temperature low turbidity and high color water it began to be accepted by the experts in drinking water treatment In order to apply DAF to the upgrade and modification of the conventional sedimentation process of Mopanshan drinking water treatment plant in Harbin the laboratory and pilot scall experiments were conducted in this paper It was found that polyaluminum chloride PAC had the best purification effects contrasted by other kinds of coagulants The optimum dosage of PAC was 2 22mg L Al3 The optimum condition of DAF was in the flocculation strength of 30 200 s 1 flocculation time of 8 10 min solid liquid separation time of 15 min and reflux ratio of 8 10 In the experiments of DAF treating Mopanshan reservoir water it was found that the hardness alkalinity and pH of outlet water could be greatly ameliorated by dosing Ca OH 2 In the pilot scall experiments of DAF the optimum dosage of PAC increased with the increasing of influent flow The optimum dosages with the influent flow of 7 10m3 h and13 m3 h were 1 48mg L Al3 and 2 04mg L Al3 respectively The optimum flocculating time was different as hydraulic loading rates of DAF were different The outlet water quality of DAF could be stable with only 9 1 min flocculating time as the hydraulic loading rate was 7m h When the hydraulic loading rate was 10 m h the water quality of effluent could be improved with the increasing flocculating time between 9 1 min and 14 6 min When the flocculating time was 9 1min the water quality of DAF got worse with the increase of hydraulic loading rate between 7m h and 16m h Comparative tests of DAF sedimentation and the combination of these two showed that DAF and sedimentation DAF could cut the dosage of PAC and improve the water quality dramatically With the flocculating time of 14 6min hydraulic loading rate of 10m h and PAC dosage of 1 48mg L Al3 the effluent water turbidity chromaticity and CODMn of DAF achieved 0 45NTU 5 2 1mg L 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IV respectively On the basis of laboratory and pilot scale experiment three retrofit shemes were proposed which were applying DAF to flocculation tank sedimentation tank and filter tank with flap valve respectively The problems of low quality of effluents high dosage of PAC and blockage of filter could be solved effectively after the transformation of drinking water treatment plant By calculation the unit water production cost could decrease by 0 0378 yuan With the retrofit scale of 1 125 105 m3 d 1 552 106 yuan can be saved for the Mopanshan drinking water treatment plant every year Keywords Mopanshan reservoir low temperature and low turbidity drinking water treatment dissolved air flotation bench scale tests pilot scale tests retrofit sheme 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 V 目 录 摘 要 I ABSTRACT III 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题背景及研究的目的和意义 1 1 1 1 课题背景 1 1 1 2 课题研究的意义 1 1 1 3 课题研究的目的 2 1 2 水库水源水的水质特性 2 1 2 1 低温低浊 2 1 2 2 偏酸性 3 1 2 3 富含腐殖质 4 1 2 4 富营养化 4 1 3 水库水源水的净水处理工艺 5 1 3 1 混凝沉淀处理工艺 5 1 3 2 直接过滤处理工艺 5 1 3 3 溶气气浮处理工艺 6 1 3 4 其它组合处理工艺 7 1 4 溶气气浮净水工艺研究现状 7 1 4 1 溶气气浮净水工艺概述 7 1 4 2 溶气气浮净水工艺发展概况 8 1 4 3 溶气气浮净水工艺研究进展 10 1 5 课题的主要研究内容 11 第 2 章 实验材料与方法 12 2 1 原水水质 12 2 1 1 小试原水水质 12 2 1 2 中试原水水质 12 2 2 实验装置及方法 13 2 2 1 小试试验装置及方法 13 2 2 2 中试试验装置及方法 14 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 VI 2 3 实验药品及仪器 16 2 3 1 实验试剂 16 2 3 2 实验仪器 16 2 4 主要分析指标的测定 17 2 4 1 UV254的测定 17 2 4 2 DOC 的测定 17 2 4 3 其它常规指标的测定 17 第 3 章 溶气气浮处理磨盘山水库水的小试研究 18 3 1 引言 18 3 2 溶气气浮混凝剂的筛选 18 3 2 1 混凝剂投药量的优化 19 3 2 2 最佳混凝剂的确定 23 3 3 溶气气浮混凝条件的优化 25 3 3 1 絮凝搅拌强度的优化 25 3 3 2 絮凝反应时间的优化 26 3 4 溶气气浮条件的优化 26 3 4 1 溶气气浮回流比的优化 27 3 4 2 溶气气浮分离时间的优化 27 3 5 强化溶气气浮处理 28 3 5 1 投加粉末活性炭吸附强化处理 29 3 5 2 投加高锰酸钾预氧化强化处理 30 3 5 3 投加高岭土强化处理 31 3 5 4 投加 CaCl2强化处理 32 3 5 5 投加 NaHCO3强化处理 32 3 5 6 本节小结 33 3 6 溶气气浮与单独沉淀及两者联用工艺净水效果的对比 34 3 7 本章小结 36 第 4 章 溶气气浮处理磨盘山水库水的中试研究 38 4 1 引言 38 4 2 不同进水流量下的溶气气浮净水效果 38 4 2 1 进水流量 Q 7m3 h 下溶气气浮净水效果 38 4 2 2 进水流量 Q 10m3 h 下溶气气浮净水效果 40 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 VII 4 2 3 进水流量 Q 13m3 h 下溶气气浮净水效果 42 4 2 4 进水流量 Q 16m3 h 下溶气气浮净水效果 44 4 2 5 本节小结 46 4 3 溶气气浮净水效果的影响因素 47 4 3 1 絮凝时间 47 4 3 2 水力负荷 49 4 4 溶气气浮与单独沉淀及沉淀 溶气气浮联用工艺对比 49 4 5 本章小结 51 第 5 章 磨盘山净水厂净水工艺升级改造方案 52 5 1 引言 52 5 2 改造概况 52 5 2 1 水厂改造背景 52 5 2 2 水厂水源水质 53 5 2 3 水厂现状分析 54 5 3 改造方案设计 54 5 3 1 改造方案的提出 54 5 3 2 絮凝池改造方案 55 5 3 3 沉淀池改造方案 57 5 3 4 滤池改造方案 59 5 3 5 改造方案比较 61 5 4 改造效益分析 61 5 5 本章小结 62 结 论 63 参考文献 64 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 69 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 70 致 谢 73 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 1 1 1 课题背景 1 课题来源课题来源 本课题来源于国家 十一五 水体污染控制与治理科技 重大专项 饮用水安全保障技术研究与示范 主题下的典型城市饮用水安全保 障共性技术研究与示范 北方寒冷城市饮用水安全保障共性技术研究与示范 中溶气气浮处理技术研究 课题编号 2009ZX07424 005 01 2 磨盘山水磨盘山水库简介库简介 由于一直作为哈尔滨市生活饮用水水源的松花江 水受到严重污染 为保障全市 400 万市民的生活饮用水供水安全 哈尔滨市于 1999 年提出建设磨盘山水库 进行异地取水 磨盘山水库位于哈尔滨市五常市 沙河子镇 于 2004 年开始蓄水 总库容为 5 23 亿 m3 磨盘山水库的功能以城 市供水为主 兼顾下游防洪灌溉 3 磨盘山净水厂简介磨盘山净水厂简介 磨盘山净水厂主要为哈尔滨市 400 万市民提供 生活饮用水 总设计处理规模为 90 万 m3 d 工程分为两期 一期及二期净水 规模均为 45 万 m3 d 磨盘山净水厂进厂水经总长度为 176km 直径为 2 2m 的 两根输水管线取自磨盘山水库 磨盘山净水厂采用的净水工艺为机械混合 机械絮凝 斜管沉淀 翻板阀滤池过滤 液氯消毒的常规处理工艺 4 中试试验现场中试试验现场 中试工艺流程为静态混合 网格絮凝 侧向流 斜板沉淀 溶气气浮 石英砂滤池过滤 中试装置位于哈尔滨市平房区磨 盘山净水厂污泥处理间旁 1 1 2 课题研究的意义 当前 我国东北地区生活饮用水水源主要具有如下特点 1 东北地区很多城市的生活饮用水水源不达标 地表水有机污染严重 地下水中铁锰含量超标 而且近期内也很难得到大幅改善 随着新的生活饮用 水卫生标准在 2012 年开始全面实施 当前很多净水厂采用的常规净水处理工艺 出水水质将很难满足新标准的要求 1 2 2 东北地区属于寒冷地区 地表水在冬季多为低温水 不少水源水尤 其水库水还同时兼具低浊 富含腐殖质的特点 磨盘山净水厂采用的磨盘山水 库水源水就属于该类低温低浊水 3 3 东北地区生活饮用水采用常规净水处理工艺处理时 具有设计处理 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 负荷低 停留时间长 净水设施占地面积大等特点 导致净水厂基建费用高 采用溶气气浮工艺处理东北寒冷地区低温低浊水源水时 一方面能有效缩 短絮凝时间 提高处理负荷 大幅降低净水工艺占地面积 节省水厂初期投资 能在提高出水水质的基础上降低混凝剂投药量 降低工艺运行药剂费用 减少 净水工艺污泥产量 另一方面 溶气气浮净水工艺存在溶气系统操作复杂 需 要额外增加运行电耗 形成的浮渣浮在液面影响水厂整体环境等缺点 总之 对溶气气浮工艺处理我国东北地区低温低浊水库水进行研究 将有 利于推动其在我国东北寒冷地区饮用水处理中的应用及解决该类型水源水的饮 用水处理难题 1 1 3 课题研究的目的 本课题研究的目的 1 通过对溶气气浮净水工艺处理磨盘山水库水的小试研究 完善该净水 工艺处理低温低浊水的相关理论 同时为中试试验研究提供相关试验参数 2 通过溶气气浮净水工艺处理磨盘山水库水的中试研究 进一步考察该 处理工艺的净水效能 为将来磨盘山净水厂常规处理工艺的升级改造提供理论 及技术支持 3 在溶气气浮小试及中试试验的基础上 结合磨盘山净水厂的实际情况 提出磨盘山净水厂常规处理工艺的升级改造方案 1 2 水库水源水的水质特性 随着我国经济的快速发展 长期作为城市生活饮用水水源的河流受到的生 活及工业污染越来越严重 难于满足人们对饮用水水质越来越苛刻的要求 同 时 我国很多河流流量季节性变化很大 枯水期时水位低 水量少 已严重威 胁城市居民的生活饮用水安全 为了解决这些供水难题 许多城市开始选择库 区森林覆盖率高 受人类活动影响小及水量常年稳定的水库水作为理想的替代 水源 在我国 作为城市生活饮用水水源的水库水普遍具有低温低浊 偏酸性 富含腐殖质及富营养化的特征 4 1 2 1 低温低浊 作为城市居民生活饮用水水源的水库水 其库区植被保护的较好 森林覆 盖率高 水土流失少 流入水库的水经过地层植被的多次截留 过滤 水中胶 体等颗粒性物质很少带入水库内 同时 水库内水流稳定 进入水库内的部分 颗粒性物质还能得到沉降去除 使得水库水浊度低 水库水深 水量大及水流 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 稳定的特点使水库水与周围环境热交换活动较弱 加之水的比热容大 水库水 具有水温低且常年稳定 接近地层温度的特点 刘洋等人 5 对作为北京城市居民生活饮用水水源的密云水库进行研究发 现 密云水库水浊度低 水温低 尤其在冬季 其浊度小于 2NTU 水温为 2 8 5 0 陈牧民等人 6 对广东省开平市龙山水库水进行调查研究发现 龙山 水库水具有常年低浊的特点 一年内大部分时间浊度低于 10NTU 尹军等人 7 对东北地区两座水库水进行分析发现 两座水库均为低温低浊水 一年有大约 半年的时间浊度小于 15NTU 在生活饮用水处理领域 低温低浊虽还没有明确 的定义 但一般把浊度不高于 30NTU 水温不高于 10 的统称为低温低浊水 8 据此定义 我国水库水一般都有低温低浊的特性 在冬季低温低浊现象尤为明 显 低温低浊水中的胶体颗粒细小而均匀 带有负电荷 动力学及静电稳定性 强 胶体颗粒很难碰撞聚合脱稳 低温低浊水中胶体颗粒数较少 Zeta 电位较 高 水的粘性较大及颗粒表面水化膜较厚 导致水中胶体发生碰撞的概率小 碰撞成功率低 同时 水温低也导致混凝剂水解产物的形态不利于与水中胶体 絮凝沉淀 所以 低温低浊水的处理一直是饮用水处理中的一个难题 9 1 2 2 偏酸性 水库库区植被保护好 水库位于整个库区地势最低处 降雨产生的雨水是 水库水最主要的补充水源 大气降雨在形成过程中溶入大量二氧化碳等酸性气 体 降雨形成的雨水 pH 值小于 7 通常不大于 5 为偏酸性水 4 尽管库区表 面地层中的碱性物质会对降至其上的偏酸性雨水进行一定程度的中和 但由于 库区植被保护好 能渗入地层被中和的雨水很少 大部分雨水形成径流直接经 地面汇入进入水库内 雨水 pH 值仍然小于 7 使水库水整体上都呈现偏酸性的 特征 水库水偏酸性的特征 表明水库水中碱性物质浓度低 水体酸碱缓冲能 力弱 水质稳定性差 甚至严重影响到水库内的水生生态环境 我国以水库水作为居民生活饮用水水源的城市 水库距离城市较远 需要 长距离输水 输水管道很多采用铸铁管 城区配水管道也大部分采用铸铁管 偏酸性的水库水进入管网 如不加以中和 提高其 pH 值 必然会腐蚀城市输 配水管网 最终恶化输送的饮用水水质 10 为了避免偏酸性水库水对输配水管 网及饮用水水质造成的不利影响 在净水过程中 需要投加石灰或氢氧化钠进 行 pH 值的调节 陈义标等人 11 对浙江省绍兴以汤浦水库水为水源的某供水工程管网中出现 黄水 的原因进行分析发现 偏酸性的水库水源水是该现象发生的主要原因 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 笔者对哈尔滨磨盘山净水厂 2010 年一期进水原水进行分析发现 进水原水中铁 含量高达 0 6mg L 输水管中水质偏酸性 pH 值 6 5 6 7 是导致铸铁输水管腐 蚀的主要原因 1 2 3 富含腐殖质 水库水体中含有较高浓度的天然腐殖质 其主要有以下两个方面的来源 一方面 水库库区森林覆盖率高 土壤表层及土壤中均存在大量树枝及落叶腐 烂形成的腐殖质 降雨形成的表面径流携带大量腐殖质进入水库水体中 另一 方面 水库水清澈透明 水流流态稳定 水库水中死亡的生物残骸静沉至库底 在库底淤积形成大量腐殖质 随水库内水流的扰动泛起进入水库水体中 沈吉敏等人 12 利用分子截留膜及荧光光谱技术手段对哈尔滨市磨盘山水 库水中的有机物进行了分子量分级及表征 发现磨盘山水库水体中有机物浓度 高达 5 7mg L 有机物主要为天然腐殖质 分子量大于 3000Da 的天然腐殖质占 总量的 70 同时发现 水库水中存在的天然腐殖质是生活饮用水中氯化消毒 产生的氯代副产物的主要前质 水体中的天然腐殖质不仅是水中色度形成的主要原因 而且其在生活饮用水 处理中还会引起混凝剂投药量的大幅增加等不利影响 13 在饮用水处理中 水 体中存在的带负电天然大分子腐殖质 需要投加大量的混凝剂通过压缩双电层 电性中和及吸附架桥作用对其进行去除 导致水处理过程中需要投加的混凝剂 大幅增加 另一方面 饮用水处理中残存的腐殖质经氯化消毒后 会产生大量 对人体有害的氯代消毒副产物 14 1 2 4 富营养化 水库水水流流态稳定 水体清澈透明 这些都有利于水中浮游植物尤其是 藻类的生长繁殖 水库水温升高时 水体很容易出现富营养化的现象 甚至出 现水库水体中藻类大量繁殖 一般而言 水库水体中富营养化出现的原因除向 水体中排入大量有机及氮磷污染物外 主要为水库水体中可供浮游植物繁殖的 时间较长 水库自净能力下降 水库水温分层及水温季节性变化 4 水库水体富营养化引起的藻类大量繁殖 一方面使水库水体颜色变深 影 响水库水体景观 另一方面水库水体藻类大量繁殖时 大量的藻类会导致饮用 水净水处理过程中混凝剂投药量大幅增加 滤池堵塞 氯化消毒产生大量对人 体有害的消毒副产物 藻类通过自身分泌排泄等产生大量具有强烈 三致 作 用的藻毒素 影响饮用水净水处理产量及出水水质 15 潘小川等人 16 对北京市密云水库水体富营养化的现状进行了分析 水体中 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 浮游植物以绿藻及硅藻型为主 浮游藻类群落结构稳定 浮游藻植物的浓度及 种类随季节性变化显著 徐宁等人 17 对广东各大中型水库富营养化状况进行调 查发现 磷污染为水库水体富营养化的主因 同时发现在低温及磷控制条件下 硅藻较绿藻为优势生长藻类 1 3 水库水源水的净水处理工艺 当以水库水作为城市生活饮用水水源水时 针对其不同的水质特点 采用 的净水处理工艺主要有混凝沉淀 直接过滤 溶气气浮及以它们为核心的联用 工艺 18 20 1 3 1 混凝沉淀处理工艺 混凝沉淀处理工艺是通过投加混凝剂使水中带负电的胶体颗粒脱稳絮凝 相互碰撞形成比重大于 1 的颗粒 通过重力作用将其沉淀下来 由于水库水普 遍具有低温低浊 偏酸性 富含腐殖质及富营养化的特征 采用常规的混凝沉 淀处理工艺很难达到理想的处理效果 为了达到较好的处理效果 许多专家学 者从强化混凝及混凝剂筛选的角度对其进行了优化研究 苑宝玲等人 21 研究了高锰酸钾对某受污染水库水的强化澄清处理效果 从 出水浊度 颗粒物去除率及藻类去除率的效果来看 高锰酸钾能有效地强化其 处理效果 大大提高出水水质 徐锰等人 22 通过杯罐试验比较了四种聚合氯化铝铁及两种聚合氯化铝共 六种混凝剂对东北某低温低浊水库水的混凝沉淀处理效果 从对浊度及色度的 去除来看 盐基度为 75 的聚合氯化铝及聚合氯化铝处理效果最佳 出水浊度 降至 1 04NTU 同时还节约了 30 的混凝剂 武道吉等人 23 利用微砂进行了强化混凝处理具有低浊 高藻及微污染特性 的某水库水的试验研究 该水库水通过微砂 氯化铁及聚丙烯酰胺强化混凝沉 淀后 水中藻类 UV254 CODMn的去除率分别达到了 92 6 68 8 67 8 强化混凝沉淀效果显著 1 3 2 直接过滤处理工艺 直接过滤工艺是在原水中投加混凝剂后不经过沉淀直接进行过滤 低温低 浊水库水采用直接过滤工艺进行净化处理时 具有混凝剂投药量少 工艺流程 简单的优点 但也存在滤池易堵塞 反洗周期短的缺点 通过对混凝剂及滤池 滤料进行筛选 能显著提高直接过滤工艺处理低温低浊水库水出水效果 延长 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 6 滤池反洗周期 赵奎英等人 24 对直接过滤处理大浪淀水库水的硫酸铝 聚合铝 聚合氯化 铁及聚硅铝四种混凝剂 通过滤池进水中的颗粒粒度的分布 出水浊度及滤池 过滤水头的变化进行了筛选 发现聚合氯化铁为直接过滤的最优混凝剂 包晨雷等人 25 对微絮凝直接过滤处理低温低浊水库水进行了论述 认为滤 前水水质较差时需要采用生物或化学方法进行预处理 严格控制进水浊度不高 于 30NTU 絮凝剂采用聚合氯化铝出水效果较佳 投加量为 10mg L 左右 絮 凝时间不应超过 10min 同时还应选择空隙率大 吸附能力强的滤料 任芝军等人 26 考察了生物活性炭滤池直接过滤处理低温低浊水库水的试 验 发现在原水浊度不高于 10NTU 水温不高于 5 的条件下 不投加任何混 凝剂 生物活性炭滤池的出水有机物 浊度及氨氮均能达到国家生活饮用水标 准 大大降低了低温低浊水库水的处理费用 1 3 3 溶气气浮处理工艺 溶气气浮通过加压溶气释放系统向水体中产生大量微气泡 与水体中的絮 体颗粒进行碰撞粘附形成密度小于水的微气泡 絮体 利用浮力将其上浮至液 面形成浮渣而得到去除 溶气气浮特别适用于处理低温 低温低浊 高色及含 藻水 27 29 作为生活饮用水源水的水库水一般具有上述全部或部分特性 所以 采用溶气气浮处理水库水得到越来越广泛的运用 溶气气浮处理工艺中 影响其处理效果的主要因素有原水水质 溶气释放 系统 溶气水回流比 混凝剂种类及投量 处理负荷等 针对溶气气浮处理不 同特性的水库水 很多水处理同行做了大量研究工作 以期提高其处理出水效 果 王毅力等人 30 通过溶气气浮处理北京市低温低浊密云水库的中试试验 对 四种不同碱化度的聚合氯化铝混凝剂通过中试出水浊度的变化进行了筛选 发 现碱化度高的聚合氯化铝 出水浊度去除率最好 可以达到 75 85 的除浊率 刘洋等人 31 同样利用溶气气浮工艺对密云水库水进行了中试试验 采用 10 的气浮回流比 在 13 8m h 的水力负荷下 溶气气浮工艺不仅对低温低浊 时期的水库水具有显著的除浊 除色 除有机物的效果 而且对夏季高藻水也 有很好的除藻效果 藻总数去除率高达 92 6 胡澄澄等人 32 利用溶气气浮工艺与沉淀工艺处理太湖原水的处理效果进 行了比较 夏季时 太湖水为高温高藻 溶气气浮工艺出水中 UV254及浊度的 去除率均比沉淀工艺高 5 6 冬季时 太湖水为低温低浊水 溶气气浮工艺 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7 出水中 UV254 浊度的去除率分别比沉淀工艺高 14 94 7 51 同时发现 溶气气浮处理工艺能更有效的去除原水藻类及其产生的藻毒素 1 3 4 其它组合处理工艺 对于水质随季节性变化及降雨变化很大的水库水体 尤其是水库水体浊度 随降雨剧烈变化时 采用单独的沉淀或溶气气浮工艺出水水质都不能达到生活 饮用水水质标准 为了解决这一难题 可以采用浮沉池或沉淀 气浮耦合池取 代原有的单独沉淀或气浮工艺 33 另一方面 由于城市土地成本的增加 为了 节省净水处理设施用地 降低土地成本及初始基建费用 出现了将气浮池与滤 池组合为一体的浮滤池 34 为了达到更好的出水效果 可以利用超滤膜或深度 处理技术对水库水进行进一步处理 1 4 溶气气浮净水工艺研究现状 1 4 1 溶气气浮净水工艺概述 溶气气浮净水处理工艺是水处理中一种高效的物理化学固液分离方法 气 浮净水工艺的是通过各种方式向水中产生大量微米级的小气泡 产生的微气泡 与水中的胶体颗粒碰撞粘附形成密度小于水的微气泡 絮体 通过浮力作用将 其上浮至液面形成浮渣而将其去除 在溶气气浮净水处理过程中 水中存在许 多各类有机及无机胶体颗粒 加入混凝剂混凝而形成的絮体颗粒及产生的大量 微气泡 三者之间通过颗粒碰撞 粘附及气泡合并 破裂等复杂的物化过程进 行作用 影响微气泡 絮体的形成及溶气气浮净水处理效果 35 37 溶气气浮净水处理技术按其中微气泡的产生手段的不同 可以分为电解凝 聚气浮 生物化学气浮 分散空气气浮及溶解空气气浮 27 38 饮用水净水处理 中采用的是溶解空气气浮中加压溶气气浮处理工艺 该工艺主要通过加压溶气 及释放系统产生大量平均直径仅为 30 50 m 的微气泡 微气泡再与水中胶体颗 粒进行碰撞粘附 27 39 溶气气浮净水工艺在低温低浊 富营养化高藻水体的处 理中已得到较广泛的应用 同时 溶气气浮工艺在城市污水的污泥脱水处理及 石油工业废水的处理中也得到迅速发展 溶气气浮净水工艺中 影响其对水中 胶体颗粒去除效能的主要有胶体电位能 水合作用力 双电层作用力及憎水作 用等界面效应的影响 40 42 溶气气浮处理工艺运行过程中 需要先向待处理水中加入各类絮凝剂进行 混凝作用 压缩水中带负电性的胶体颗粒 使其形成易与微气泡粘附作用的疏 水性絮体颗粒 然后通过加压溶气回流水经微气泡释放器向水中产生大量微气 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 泡 微气泡与疏水性絮体颗粒碰撞粘附形成密度小于水的微气泡 絮体 微气 泡 絮体通过浮力作用上浮至液面形成浮渣进行排除 溶气气浮工艺池体可分 为气浮接触区及气浮分离区两个区域 同时包括加压溶气系统 微气泡发生系 统 颗粒分离系统及表面浮渣排除系统 溶气气浮处理工艺中加压溶气系统的溶气方式主要有溶气泵溶气及空压机 供气经加压溶气罐溶气两种溶气方式 溶气系统在整个溶气气浮系统的基建费 用及运行能耗中占有很大的比例 43 空压机供气经加压溶气罐溶气的方式在净 水处理过程中得到广泛的应用 采用该方式溶气时 能耗较小 但操作较复杂 溶气效果较差 可以通过向压力溶气罐中加入填料增加气液两相接触面积 提 高溶气效果 针对采用空压机供气溶气的方式操作复杂 溶气效果不佳的不足 日本尼可尼公司及德国埃杜尔公司开发研制成功了一种高效的气液两相流溶气 泵 该溶气技术将要溶解的空气及回流水同时吸入溶气泵中 吸入的空气经叶 轮的高速旋转将其破碎高效的溶入回流水中 采用溶气泵溶气时具有操作简单 运行稳定 占地面积小 基建投资少的优点 但同时电耗相当较高 44 45 溶气气浮处理工艺中的微气泡发生系统采用的是释放器 释放器的选择关 系到产生的微气泡尺寸 数量及分布的均匀性 目前 在溶气气浮处理系统中 采用的释放器主要有普通阀门 针形阀及各类专用释放器等 27 在我国 溶 气气浮处理饮用水中运用的较多专用释放器是同济大学研制成功的 TS TJ 及 TV 型释放器 其可以有效避免微气泡合并破裂 溶气气浮颗粒分离系统的设施主要为气浮池 其主要有圆形及矩形两种布 置形式 其中 矩形池具有结构简单 施工方便 便于与絮凝池合建的特点 使其得到广泛运用 通过在气浮池中设置隔板将其分为接触区和分离区 产生 的大量微气泡在接触区与经絮凝形成的胶体颗粒碰撞 粘附形成微气泡 絮体 再通过分离区将微气泡 絮体从水中分离出来 溶气气浮的表面排渣系统主要有水力溢渣及机械刮渣两种方式 采用水力 溢渣时 不需要增加刮渣的运行电耗 但增加了排渣的水量损失 同时造成浮 渣含水率增大 增加污泥总量 基于水力溢渣的不足 大型溶气气浮处理系统 中一般采用机械刮渣定期排渣 但相应增加了刮渣的电耗 27 1 4 2 溶气气浮净水工艺发展概况 溶气气浮工艺很早就作为一种取代常规沉淀的分离技术应用于饮用水处 理中 早在 20 世纪 20 年代 瑞士就有采用真空溶气气浮净水工艺处理生活饮 用水的应用实例 并且一直到 20 世纪 70 年代乃有至少两座以该工艺作为主要 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 9 处理工艺的水厂在稳定运行 46 部分回流式加压溶气气浮法是现在生活饮用水 溶气气浮处理工艺中运用的最普遍的形式 早在 20 世纪 60 年代 其就在北欧 的芬兰及瑞士得到试验 该工艺的水力处理负荷达到了 5 10m h 远远高于之 前的真空溶气气浮工艺 2 3m h 的水力处理负荷 1960 年 瑞士就将该加压溶 气气浮净水工艺运用到实际水厂中 芬兰也在 1965 年建立了第一座以加压溶气 气浮为核心处理工艺的生活饮用水水厂 到了 20 世纪 70 年代 溶气气浮净水 工艺就取代沉淀工艺成为芬兰最主要的地表水净水处理工艺 从 20 世纪 60 年 代末开始 北欧的瑞士 芬兰及挪威等国家兴建了大量以溶气气浮作为主要净 水工艺的生活饮用水净水厂 46 47 从 20 世纪 60 年代开始 纳米比亚 南非等非洲国家就开始对溶气气浮净 水工艺进行了相关研究 48 51 早在 1968 年 纳米比亚就将溶气气浮应用到污 水处理厂出水回用为饮用水的处理工艺中 20 世纪 80 年代 南非也建立了大 量运用溶气气浮工艺处理生活饮用水的净水厂 南非开普敦大学的 Haarhoff 等 人在溶气气浮理论方面做了大量研究 并总结了处理溶气气浮净水工艺的主要 设计参数 为该工艺的设计提供了可靠依据 20 世纪 70 年代早期 英国的水处理研究中心就进行了溶气气浮净水处理 工艺的中试研究 并将得出的设计及操作参数运用中实际净水厂中 52 他们发 现 相比沉淀处理工艺 利用溶气气浮净水工艺处理实际含藻及低浊高色水体 能大幅提高出水水质 2007 年 在韩国首尔召开的第四届国际气浮处理大会来看 溶气气浮净水 处理工艺在各国生活饮用水处理行业中得到了广泛的认可 53 Haarhoff 等人总 结发现 美国 加拿大等 18 个国家至少有 60 个大型净水厂 处理水量大于 5 万 m3 d 的处理工艺采用了溶气气浮处理工艺 美国运用溶气气浮处理生活饮 用水始于 20 世纪 80 年代 第一座运用该技术的净水厂于 1982 年在马赛诸塞州 建成 截止到 2009 年 美国建成了大约 150 座采用溶气气浮工艺的净水处理厂 其中 至少有 16 座得处理规模大于 5 万 m3 d 纽约正在建立的一座采用该技 术的净水厂 其处理规模达到了 110 万 m3 d 54 55 溶气气浮净水工艺在我国发展的比较晚 1978 年 武汉东湖水厂将失效的 沉淀池改造为溶气气浮池 并取得了良好的处理效果 成为我国第一座运用溶 气气浮工艺的成功的案例 此后 该工艺在我国的应用得到了很大推广 我国 相继建成了苏州新加坡工业园区净水厂 苏州吴县新水厂 秦皇岛海港净水厂 潍坊梅村净水厂 天津芥园水厂等大规模溶气气浮净水工程 据不完全统计 截止到 2009 年 我国已有上千座气浮净水装置在运用 56 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 10 1 4 3 溶气气浮净水工艺研究进展 溶气气浮净水处理工艺已广泛运用于低温低浊水 富营养化高藻水及有机 物微污染水的处理 与净水厂普遍采用的常规混凝沉淀工艺相比 溶气气浮净 水工艺具有水力处理负荷高 混凝剂投药量少 出水水质好及污泥含水率低的 优点 57 59 目前 已建成的采用溶气气浮净水技术净水厂的各项设计及运行参 数都是凭设计人员的经验进行确定的 近些年来 关于溶气气浮净水技术在生 活饮用水处理中的研究 主要集中在于其预处理参数的优化 高速气浮池的研 制开发及气浮池内流场的模拟 采用溶气气浮净水技术处理生活饮用水时 跟沉淀工艺类似 需要投加混 凝剂进行预处理 良好的混凝预处理是保证溶气效果的重要因素 溶气气浮净 水技术对混凝预处理中形成的絮体尺寸 反应搅拌强度 絮凝时间有一定的要 求 一般认为 但经混凝形成的絮体尺寸与产生的微气泡尺寸接近时 两者碰 撞 粘附效率最高 即控制絮体尺寸为 10 30 m 时 溶气气浮净水处理效果最 好 溶气气浮对絮凝搅拌强度的要求不高 甚至认为 G 值的高低对溶气气浮处 理效果的影响不大 与沉淀工艺相比 溶气气浮净水处理工艺可以明显缩短絮 凝反应时间 一般仅需 10 15min 絮凝反应时间即可 60 61 为了进一步减少气浮池的占地面积及基建费用 人们对高速气浮技术进行 了相关研究 通过改变气浮池池体水深及池内的流态 溶气气浮净水技术的表 面水力处理负荷由 20 世纪 60 年代的 2 3m h 70 年代的 5 7m h 90 年代的 10 15m h 一步步成功试验提高至 25 40m h 一般认为在溶气气浮处理过程中 单个絮体颗粒同时会和好几个微气泡进 行碰撞 粘附 为了从理论上论述絮凝颗粒与微气泡的作用机制 Haarhoff 等 人建立了各种微气泡与絮体的碰撞形成微气泡 絮体及其分离模型 Fawceet Lundh等人分别通过CFD模拟方法及多普勒声波测试仪对不同的溶气气浮池内 的流场进行了模拟 发现池体水流结构及微气泡的加入都极大的改变了池内水 体水流的循环形式 62 64 从上世纪 80 年代开始 人们已对溶气气浮工艺处理生活饮用水的理论研究 及实际运用做了大量工作 但关于如何更节能的产生满足要求的微气泡 微气 泡之间及其与絮凝颗粒的相互作用机理 气浮池内流体流态模型的模拟及如何 更好的将溶气气浮工艺与其它净水处理工艺如膜滤等进行联用运用于实际水体 的处理还需进一步的研究 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 11 1 5 课题的主要研究内容 本课题采用溶气气浮净水工艺处理磨盘山水库水进行了相关理论及应用研 究 主要研究内容包括 1 通过实验室小试试验 研究溶气气浮处理磨盘山水库水在不同混凝 剂 在不同投药量下的出水水质 确定最优混凝剂及其最佳投药量 2 在筛选出最优混凝剂的基础上 对溶气气浮混凝预处理的搅拌强度 絮凝反应时间等参数进行优化 以提高混凝预处理效果及溶气气浮出水水质 3 对溶气气浮处理磨盘山水库水的气浮回流比 气浮分离时间等参数 进行优化 从出水水质及经济性两方面确定气浮最优回流比及分离时间 4 研究投加高岭土 高锰酸钾 粉末活性炭 CaCl2等强化溶气气浮 工艺处理磨盘山水库低温低浊水 5 通过小试试验对比研究混凝沉淀 溶气气浮及混凝沉淀 气浮联用 三套净水工艺对磨盘山水库水的除污效果 确定最优净水处理工艺 6 通过总流程为静态混合器混合 侧向流斜板沉淀 加压溶气气浮 石英砂滤料罐过滤的中试工艺 进一步研究确定最优混凝剂的最佳投药量及最 佳处理工艺 为磨盘山净水厂的升级改造及生产性试验提供有利依据 7 针对磨盘山净水厂现有工艺的特点 在溶气气浮处理磨盘山水库水 的小试及中试试验基础上 提出三套升级改造方案 并进行经济技术比较以确 定最佳改造方案 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 12 第第 2 章章 实验材料与方法实验材料与方法 2 1 原水水质 磨盘山水库水为低温低浊 天然高色水 常年水温为 5 12 浊度不高于 3NTU 色度最高可达到 35 度以上 其经长距离输水管道输送至磨盘山净水厂 小试及中试均采用该水库水作为试验原水 原水取样口设在磨盘山净水厂二期 稳压井前 2 1 1 小试原水水质 小试试验在 2010 年 3 月份进行 原水取自磨盘山净水厂二期稳压井前 其 水质基本参数见表 2 1 表 2 1 小试试验原水水质指标 水质指标 数值 水质指标 数值 水温 6 10 UV254 cm 1 0 1565 0 1723 pH 值 6 78 6 88 碱度 以 CaO 计 mg L 11 57 13 38 浊度 NTU 0 91 1 95 Ca2 mg L 11 35 12 5