第4章水的预处理及深度处理

1、第4章 水的预处理与深度处理4.1 概述我国经济发展迅速，但环境污染日益严重，尤其是饮用水源污染尤为突出。据我国环境部门统计，82%的河流受到不同程度的污染，七大水系中，不适合做饮用水源的河段接近40%；城市水域中78%的河段不适合作饮用水源。目前，从水中检出的有机污染物已达2000余种，部分对人体有急性或慢性、直接或间接的毒害作用，其中许多是具有或被疑有致癌、致畸、致突变的物质。2004年中国环境状况公报报道，我国湖泊中富营养化水体的已达66%，巢湖、太湖、滇池的总氮、总磷和氨氮的浓度分别是20世纪80年代初的十几倍，蓝藻泛滥日益严重。2002年太湖的20个检测点位中，属类、类、类和劣类水质

2、的位点分别为5%、35%、5%和55%。滇池的外海为类水质，草海为劣类水质。草海和外海的营养状态指数分别为79.0和60.8，平均达72.8，属重度富营养状态。巢湖湖体高锰酸盐指数达到类水质标准，但由于总氮和总磷污染严重，湖体12个检测点位中，类、劣类水质各占一半。表4-1 2002年各湖体主要污染指标浓度值湖区COD总磷/（mg/L）总氮/（mg/L）营养状态质数（平均）太湖4.08.050.050.1681.487.0259.4滇池5.648.160.1211.0661.9411.4872.8巢湖4.625.550.1160.2311.543.2252.42003年我国地下水资源评价结果显

3、示，我国约一半城市市区的地下水污染较严重，地下水水质呈下降趋势。主要污染指标有矿化度、总硬度、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、铁、铁、锰、氯化物、硫酸盐、氟化物、硫酸盐、pH值等。三氮污染在全国各地区均较严重，矿化度和总硬度超标主要分布在东北、华北、西北和西南等地区，铁和锰超标主要在东北和南方地区。同时，各地都不同程度地存在着与饮用水水质有关的地方病区。全国约有7000多万人仍在饮用不符合饮用水水质标准的地下水。常规给水处理工艺，包括混凝、沉淀、过滤、消毒等。主要以去除水中的悬浮物、胶体和细菌等为目的，它对受污染水中的有机物、氨氮等污染物去除率很低。研究表明，水的浊度与有机物密切相关，如将水的浊度降低

4、至0.5NTU以下，有机物可减少80。因此，要提高饮用水水质，必须进行水的预处理或者深度处理。4.2 格栅与筛网4.2.1 格栅1.功能与原理城市污水与工业废水中大多含有大量的漂浮物和悬浮物，不同的行业废水，其污染物含量变化幅度很大，从几十到几千mg/L，甚至达数万mg/L。设置格栅的目的是用以截留较大的悬浮物或漂浮物，如纤维、碎皮、毛发、木屑、果皮、蔬菜、塑料制品等，防止水泵、排水管以及后续处理构筑物的堵塞，保证处理设施和设备的正常运转。同时，也降低了后续构筑物的负荷。格栅每天截留的固体物质量约占污水中悬浮固体质量的10%。格栅多用于废水的前处理，一般安装在污水渠道、泵房集水井的进口处，或者

5、给水处理的取水构筑物的进口处。2. 格栅类型格栅由金属棒或栅条按一定间距平行排列而成。栅条形状有圆形、矩形、方形等。其中圆形栅条的水流阻力小，刚度较好矩形栅条采用较多。表4-2列出了常见格栅栅条断面形式与尺寸。表4-2 格栅栅条断面形式及尺寸格栅按形状可分为平面格栅和曲面格栅，平面格栅由栅条与框架组成，曲面格栅可分为固定曲面格栅与旋转鼓筒式格栅，固定曲面格栅一般利用渠道水流推动除渣桨板；旋转鼓筒式格栅，污水向鼓筒外流动，被格除的栅渣，由冲洗管冲入渣槽内排出。按栅条的间隙，格栅分为粗格栅（50100mm）、中格栅（1040mm）、细格栅（310mm）三种。为了拦截废水中的颗粒物，有时同时采用粗、

6、中两道格栅，或者粗、中、细三道格栅。格栅清渣方式分人工清渣和机械清渣。图4-1为人工清除格栅。人工清除的格栅用于小型处理站，需要截留的污染物量不应大于0.2m3/d。对截留污染物较多的处理站，多采用机械清渣的格栅。我国常用机械格栅有圆周回转式、钢丝绳牵引式、移动式、链条式等。圆周回转式的构造简单，运行可靠，容易检修，但占地面积较大；钢丝绳牵引式机械格栅的适用范围广泛，但钢丝绳易腐蚀，一般采用不锈钢丝绳。图4-1 人工清除格栅示意图3. 几个主要参数栅距、过栅流速和水头损失是格栅主要的工艺参数。废水来源不同，废水水质及所含栅渣的尺度也不同，栅距的选择可根据废水中污物的组成、含砂量等实际水质情况而

7、定。在运行管理中，运行人员可根据所测数据及管理经验摸索出适合废水处理的栅距。过栅流速的控制。污水在栅前渠道流速一般应控制在=0.40.8m/s，过栅流速应控制在0.61.0m/s。过栅流速太大，容易把需要截留下来的软性栅渣冲走；过栅流速太小，污水中较大的粒状物质则可能在栅前渠道内沉积。栅前流速和过栅流速可按下式估算栅前流速 （4-1）过栅流速 （4-2）式中 Qmax入流污水流量（m3/s）；B栅前渠道的宽度（m）；h1栅前渠道的水深（m）；h2格栅的工作水深（m）；格栅的栅距（m）；n格栅栅条数。4.2.2 格栅维护管理格栅除污机是污水处理站最易发生故障的设备之一。格栅日常管理主要是及时清运

8、栅渣，保持格栅通畅。平时加强检查维修，对格栅应定期油漆保养。日常巡检时，认真检查格栅各部分的运行状况，注意有无异常声音，及时调换与调整，并进行记录。对每天截留的栅渣量进行分析，一般用容量表示。可根据栅渣量的变化，间接判断格栅的拦截效率。检查包括电动机的绝缘性，轴承、齿轮的发热情况，传动件的张紧度、磨损程度；主体构件的变形、磨损、振动情况；钢丝绳的损伤程度等。应及时查清故障原因，进行处理。在格栅运行时，当过栅流速过高时，增加投入工作的格栅台数，将其降至要求的范围内；当过栅流速低于最低值时，减少工作的格栅台数。同时，要经常检查并调节栅前的流量阀门，保证过栅流量的均匀分配。一般可以通过过栅水头损失来

9、自动控制清污，必要时进行人工清污，及时清砂并排除集砂故障。水头损失的控制栅渣清除。格栅前后水位差为过栅水头损失，与过栅流速有关，一般为0.20.5m。若过栅水头损失增大，说明污水过栅流速增大，可能是过栅水量增加，或者格栅局部被堵死。如过栅水头损失减小，说明过栅流速降低，很可能是由于较大颗粒物质在栅前渠道内的沉积，需要及时清除。格栅与后续单元的联动。格栅的截污效率直接影响到后续处理过程的运转，对格栅的运转要引起足够的重视。格栅的不良运转，将对后续处理单元产生一系列的影响，在碰到后续单元的堵塞、积砂、大量浮渣、设备磨损等问题时，应从预处理单元找原因。当格栅出现问题时，将可能对后续处理单元产生以下影

10、响：1）流走的栅渣太多，初沉池浮渣量增多，难以清除，挂在出水堰板上影响均匀出水，增加恶臭；如采用链条式刮泥机，丝状物将在链条上缠绕，阻力增大，损坏设备。2）大量栅渣进入曝气池会在表曝机或水下搅拌设备桨板上缠绕，阻力增大；二沉池浮渣增加，挂在出水堰板上影响均匀出水；生物滤池配水管堵塞严重，或生物转盘上栅渣缠绕。3）极易从格栅流走的常是破布条、塑料袋等，它们进入浓缩池将在浓缩机栅条上缠绕，增加阻力，影响浓缩效果；在上清液出流堰板上缠绕，影响出流均匀，还可能堵塞排泥管路或排泥泵。进入消化池，极易堵塞的是换热器，一旦堵塞，清理非常困难。杂物如进入离心脱水机，会使转鼓产生振动或噪声，破布片、毛发有时会塞

11、满转鼓与蜗壳之间的空间，使设备过载。应该注意的是，当除污机的齿耙或链条倾斜或搁煞时，不要强行开机，以免损坏机器。污水在输送过程中腐化，特别在夏季，会产生一些恶臭有毒气体，将会在格栅间大量释放，不仅恶化环境，且会危及值班人员的安全。栅渣要及时运走处理，栅渣堆放处应经常清洗，以防止腐败产生恶臭，格栅间必须有通风措施。4.2.3 筛网污、废水中含有较细小的难以去除的悬浮物，尤其是工业废水中的纤维类悬浮物、食品工业的动植物残体碎屑，它们不能用格栅截留，也难以沉淀去除，或者给水处理水库水、湖泊水中的藻类，常用筛网进行分离。筛网具有简单、高效、运行费用低廉等优点。一般由金属丝或纤维丝编织而成。选择不同尺寸

12、的筛网，能去除和回收不同类型和尺度的纤维、纸浆、藻类等悬浮物。筛网对污水BOD的去除效率与初次沉淀池差不多。筛网分离装置有多种，如振动筛网、水力筛网、转鼓式筛网、转盘式筛网、微滤机等。振动筛网由振动筛和固定筛组成。污水通过振动筛时，悬浮物等杂质被留在振动筛上，通过振动卸到固定筛网上，以进一步脱水。水力筛网由运动筛网和固定筛网组成。运动筛网一般水平放置，呈截顶圆锥形。进水端在运动筛网小端，废水在由小端到大端流动过程中，纤维等杂质被筛网截留，沿倾斜面卸到固定筛以进一步脱水。水力筛网的动力来自进水水流的冲击力和重力作用。因而水力筛网的进水端必须保持一定压力，一般由不透水的材料制成。微滤机多用于给水处

13、理中藻类去除率大于60%，造纸废水回收纤维，SS回收率大于80%。4.2.4 格栅与筛网的设计格栅与筛网的设计方法基本相同，筛网的设计主要是选型。格栅一般设计为两个平行格栅，应该防止栅前垒水，栅后渠底应比栅前渠底低，栅前渠道的断面尺寸由栅前流速与栅前水深确定。1.设计参数过栅流速：0.61.0m/s，栅前渠道内流速：0.40.9m/s，栅前倾角：45° 75°，90°，水头损失一般为：0.080.15m。栅渣量标准与格栅间隙大小有关。当栅条间隙e =1625mm时，栅渣量为0.100.05m3渣/103m3污水；当栅条间隙e =3050mm时：栅渣量为0.030.

14、01 m3渣/103m3污水。栅渣含水率约80%，容重约960kg/m3；当栅渣量>0.2m3/d，则应采用机械清渣。2.设计计算1）栅槽宽度BB=S（n-1） en （4-3） （4-3）式中 B栅槽宽度（m）；n格栅间隙数（个）；e栅条净间隙（m）；Qmax 最大设计流量（m3/s）；格栅倾角（°）；h栅前水深（m）；v过栅流速（m/s）。2）过栅水头损失 （4-4）式中 h1过栅水头损失（m）；h0计算水头损失（m）；k水头损失增大系数，k=3；阻力系数，；栅条为矩形断面=2.42；栅条为圆形断面=1.79。3）栅槽总高度 H=h+h1+h2 （4-5）式中 H栅槽总高度

15、（m）；h栅前水深（m）；h2栅前渠道超高（m），一般h2=0.3m。4）栅槽总长度 （4-6） 式中 L栅槽总长度（m）；l1渐扩部分长度（m）；（m）；B1进水渠道宽度；1进水渠道展开角；l2渐缩部分长度（m）；l2=l1；H1栅前槽高（m），H1=hh2。5）栅渣量 （4-7）式中 栅渣量（m3/d）；栅渣量标准（m3/d或m3/103 m3污水）；总变化系数。4.3 水的调节4.3.1 概述工业废水与城市废水的水量、水质都是随时间的变化而变化的，有高峰和低峰流量之分，也有高峰和低峰浓度之别。流量和浓度的变化往往给处理设施带来不少困难，或者使其无法保持在最优的工艺条件下运行；或者短时无法

16、工作，在过大的冲击负荷条件下甚至遭受破坏，为了改善废水处理设施的工作条件，在多数情况下需要对水量进行调节，对水质进行均和。调节和均和的目的是为处理设备创造良好的工作条件，使其处于最优的稳定运行状态，同时减小设备容积，降低成本。一般工业企业排出的废水，其水质、水量、水温、酸碱度等指标随时空波动较大，中小企业的水质水量的波动更大。为了保证水处理构筑物或设备的正常运行，提高处理工艺的效果，一般设计调节池对废水的水量、水质进行调节。调节池对后续处理单元稳定运行有重要作用。有些水处理设施，未设调节池或调节池容积太小，严重影响了后续处理构筑物及其设备的正常运行。对水质或者水量的调节，可以降低或防止冲击负荷

17、对处理设备的影响；使被处理废水的pH值保持稳定，水温得到调节；当处理设备发生故障时，还可调节来水量，起到临时贮存的作用，水量均衡可以避免水泵频繁启动。调节池按功能分为水量调节池、水质调节池和同时兼具部分预处理作用的调节池。其形状有圆形、方形、多边形等，根据地区和当地地形，可建在地下或地上。通常，调节池设置在一级处理之后二级处理之前。当设在一级处理之前时，设计中必须考虑足够的混合设备，以防止悬浮物沉淀和废水浓度的变化，有时还应曝气以防止产生气味。调节池中的废水常需经污水泵提升达到后续单元要求的高度，实现重力自流。集水调节池的作用是配合泵组的运行调度，实现来水量与抽水量一致。保持集水池高水位运行，

18、可减少水泵的扬程，降低能耗。泵组内每台水泵的投运次数及时间应基本均匀，水泵的开停次数不可过于频繁，否则易损坏电动机。污水进入调节池后，泥砂沉积会降低调节池有效容积，影响水泵的正常工作。为了保护水泵叶轮不受损坏，避免污水管道和构筑物堵塞，减少因垃圾过多造成阻力增加、流量减少等问题，应该及时捞清格栅垃圾，定期彻底清洗集水池。有条件的集水池可安装曝气管，减少沉降物，减少清洗集水池的次数。集水池四周及格栅平台应保持清洁。腐败的废水会带入有毒气体，在池内沉积的污泥也会厌氧分解产生出有毒气体，清池时一定要注意人身安全。调节池一般设置在各车间排出点，处理厂进口、集中调节，处理流程中，对水质水量要求严格的操作

19、之前。4.3.2 水量调节1 按水质水量变化曲线根据水质水量变化最不利情况及所要求的调节程度选定调节时间T。水量调节池的主要作用是调节来水量，起临时贮存、均衡水量的作用，如图4-2所示，它是一座变水位的贮水池，贮存盈余，补充短缺。设计时要保证必要的调节容积，出水均匀。进水一般为重力流，出水用泵抽升，池中最高水位低于进水管的设计水位，有效水深一般为23m，最低水位一般为死水位。图4-3所示为某废水流量变化曲线；图4-4所示为废水流量累积曲线，其中OA为出水累计曲线，其斜率为出水流量。虚线为池中水量变化曲线。（1）生产周期T内废水总量 （4-8）式中 WT废水总量（m3）； qiti时段内废水的平

20、均流量（m3/h）；ti时段（h）。（2）在周期T内废水平均流量Q（m3/h） （4-9）式中 Q平均流量（m3/h）。2. 水量调节池的容积为V=DB+CE式中 V调节池的容积（m3）。图4-2 水量调节池示意图 图4-3 某厂废水流量曲线图4-4 某厂废水流量累积曲线4.3.3 水质调节水质调节通常由水质调节池来完成，调节池不仅要求有足够的池容，且要求实现随时流入池内的废水能达到完全混合，使废水水质均和。水质均和分两种情况：一种是进水水量均匀，水质不均匀；另一种是水质、水量都不均匀。第一种情况的水质均和比较容易，后一种情况的水质均和就较困难。均和水质可以利用压缩空气、叶轮搅拌和水泵循环的强

21、制混合和均化，或者利用差流方式使不同时间不同浓度的废水混合而进行的自身水力混合两种基本方法。前者的设备较简单，运行费较高，后者需要复杂的池型，运行费用较低。如设计原形曝气池，池底设有曝气管，在其搅拌作用下，使不同时间进入池内的废水得以互相混和。这种均和池构造简单，效果良好，并可防止污物沉积。适宜在流量不大、处理工艺中需要预曝气的情况下采用，所需空气量约为35m3/（m2·h）。但在废水中含有有害的挥发物或溶解气体，废水中的还原性污染物能被空气中的氧氧化成有害物质，或者空气中的二氧化碳能使废水中的污染物转化为沉淀物或有毒挥发物时就不宜选用。进入调节池的废水，由于流程长短不同，使前后进入

22、调节池的废水相混合。混合方式有水力混合和动力混合。如在调节池内增设空气搅拌、机械搅拌、水力搅拌等设备。机械搅拌设备混合效果好，占地小，但动力消耗大。水力混合可采用穿孔导流槽式调节池。如在调节池底设穿孔管，穿孔管与水泵压水管相连，用压力进行搅拌。在池底或池一侧装设空气曝气管，起混合作用以及防止悬浮物下沉，还有预除臭作用以及一定程度上的生化作用。水力搅拌简单易行，但能耗较大。1.普通水质调节池调节池物料平衡方程C1QT+CoV=C2QT+C2V （4-10）式中：Q时间内的平均流量（m3/h）；Co开始时调节池内污物浓度（mg/m3）；C1进入调节池污物浓度（mg/m3）；C2调节池出水浓度（mg

23、/m3）；V调节池容积（m3）；T取样间隔时间（h）。当在一个取样间隔时间内出水浓度C2不变，则（4-10）式为： （4-11）而调节池容积V=Q平均·t停留。，2. 穿孔导流槽水质调节池同时进入调节池的废水，由于流程不同，应使先后进入调节池的废水充分混合，均和水质。调节池的容积 （4-12）实际要求的池容 （4-13）式中 =0.7，为容积放大系数。从废水的水量水质曲线图表上选择其流量和水质浓度较高的时段。求该时段的废水平均浓度与废水累计量。穿孔导流槽式调节池，如图4-5所示，池容工艺尺寸的确定：如取有效水深1.52.0m，则按照下式求池面积F，定池宽、池长。图4-5 穿孔导流槽式

24、调节池3. 均质沉淀池当废水中SS高时，则可采用均质沉淀池。均质沉淀池池侧沿程进水，使同时进池的污水转变为前后出水，达到与不同时序的污水混合的目的。4. 分流贮水池如果有偶然泄漏或周期性冲击负荷，可设分流贮水池。5. 均量均质调节池均量池中水位应变化V池；均质池中水应混合V池。二者之中取其大者。4.3.4 水量水质调节水量水质调节池兼有调节水量和水质的作用，设计时考虑如下：均量池中水位应变化V池均质池中水应混合V池。二者之中取其大者。图4-6 同心圆型调节池 图4-7 水量调节池图4-8 水泵强制循环搅拌4.4 水的预处理技术水的预处理方法主要有物理方法、物理化学和生物方法。预处理方法也可以分

25、为氧化法和吸附法等。氧化法又可分为化学氧化法和生物氧化法。利用强氧化剂的氧化能力，去除水中的有机物，提高混凝沉淀效果称为化学预氧化，它可以大大降低后续传统工艺处理污染物负荷，提高整体工艺对污染物的去除效率。常规的预处理方法有时难以满足遭受严重污染的水的处理，必须寻求更好的预处理技术来达到预处理的目的。4.4.1 氯化预氧化 它是应用最早、最广泛的方法之一。常用的氧化剂有氯气、臭氧和高锰酸钾等。它可以用于控制因水源污染产生的微生物和藻类在管道或构筑物内的生长，也可以氧化一些有机物，提高混凝效果并减少混凝剂用量；如高锰酸钾氧化预处理的组合工艺能有效地降低水的致突变活性，对致突变物前体物也有较好的去

26、除效果；紫外光氧化预处理组合工艺能有效降低水中的有机物数量；臭氧预处理对水中的移码突变物有部分去除效果。但预氯化可能造成出水的毒理学安全性下降，有些氧化产物不易被常规处理去除，有的甚至可导致水的致突变活性增高。4.4.2. 吸附预处理吸附预处理指利用物质的吸附性能或交换作用，或改善混凝沉淀效果来去除水中污染物的技术，常用的吸附剂主要有粉末活性炭、粘土等。研究表明，当粉末活性炭投加量为20mg/L时，可使常规处理工艺的CODcr去除率增加20.839.6。由于粉末活性炭参与混凝沉淀过程，残留于污泥中，当前还没有很好的回收利用方法，处理费用较高，难以推广。粘土矿物类吸附剂具有很好的吸附性能，货源充

27、足，价格便宜，但粘土大量投入增加了沉淀池的排泥量，给运行带来困难。这类吸附剂多数处于研究阶段，重点放在其吸附性能、加工条件、表面改性等方面，以期提高吸附容量和吸附速率。沸石作为一种极性很强的吸附剂，对氨氮、氯化消毒副产物、极性小分子有机物均具有较强的去除能力，将沸石和活性炭吸附工艺联合使用，有望使饮用水源中的有机物得到较彻底的去除。4.4.3. 生物预处理生物预处理是利用微生物的生物氧化作用，达到去除水中的有机物、氨氮等污染物的目的。生物预处理工艺主要有生物接触氧化、曝气生物滤池、生物转盘、生物流化床等。目前，生物接触氧化和曝气生物滤池应用较普遍。有机污染物氧化反应可以表示为4CxHyOz（4

28、x y-2z）O24xCO22yH2O4.4.4. 强化常规工艺强化常规工艺是指在传统工艺流程中，对其中任一工艺环节进行强化或优化，进一步提高它对水中有机污染物的去除效果。在常规给水处理工艺的混凝、沉淀、过滤、消毒单元中，主要采用强化混凝技术、强化过滤技术、改进消毒方法等。强化混凝技术是通过改善絮凝条件，如加大混凝剂的投加量，投加絮凝剂，增强吸附、架桥作用，改善常规处理工艺对有机物的去除效率。如投加助凝剂聚丙烯酰胺（PAM）、高分子絮凝剂等。或者通过氧化、混凝的综合作用。如高效脱色除臭剂、高铁酸盐复合药剂和高锰酸盐复合药剂等。我国近年给水处理技术中引进的高密度澄清池。改进消毒工艺。消毒工艺与T

29、HMs关系密切。报道较多的是臭氧、二氧化氯，也有使用氯胺或高锰酸钾的报道。4.5 水的深度处理技术预处理方法加常规水处理方法，对于遭受严重污染的原水处理有时还难以满足用水要求，必须进行水的深度处理。深度处理技术通常指在常规处理工艺后，对不能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，提高饮用水的质量。应用较为广泛的有臭氧氧化、活性炭吸附、臭氧活性炭、膜技术、光催化氧化技术等。4.5.1 臭氧氧化臭氧是一种强氧化剂，在给水处理中应用历史悠久，最初用作消毒剂，控制色度或嗅味，现在又用于去除水中有机物。由于臭氧浓度的限制，不能将水中有机物全部无机化，但可将大分子有机物分解成小分子的中间产物。臭氧预

30、处理的水经氯化消毒后，醛、酮、醇、过氧化物氯化可能产生三卤甲烷（THMs）等“三致”物质。4.5.2 活性炭吸附和臭氧活性炭活性炭是一种良好的吸附剂，在给水处理中，主要去除溶解性有机物、嗅味等。活性炭可使Ames试验阳性的水变为阴性。但活性炭吸附受其本身特性和吸附质性质的影响，炭的使用时间延长，吸附效果降低。活性炭虽对水中氯产生的致突物质有去除作用，但并不能有效去除氯化致突物质的前体物。臭氧活性炭联用深度处理技术，先臭氧氧化后活性炭吸附，在活性炭吸附中又继续氧化的方法，在炭层中投加臭氧，可使水中的大分子转化为小分子，改变其分子结构形态，增加了有机物进入较小孔隙的可能性，使大孔内与炭表面的有机物得到氧化分解，充分发挥活性炭的吸附作用，实现