（环境工程专业论文）几种强化过滤措施去除水中悬浮颗粒效能研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 本文通过模拟实际生产的中试试验，进行了几种强化过滤手段来控制滤 后水浊度的效能研究。作者简要回顾了过滤技术发展的历史以及当前过滤技 术研究的主要方向和进展，通过试验研究了几种强化过滤措施去除悬浮颗粒 的能力以及其对滤池过滤周期的影响。 由于原水水质的变化，每年的2 5 月份原水有机污染高、胶体稳定性 增强影响过滤效果致使滤池出水浊度明显升高，最高时接近i n t u 。针对此 种现象，试验采用了滤料改性、投加预氧化剂和投加助滤剂三种强化措施降 低滤池出水浊度。 试验结果表明，各种强化措旌在降低滤池出水浊度方面都取得了一定的 效果。其中，以臭氧和高锰酸盐复合药剂为预氧化剂的强化除浊效果最佳， 二者均可使滤池出水浊度降低至0 3 n t u 。并且二者发挥强化作用都存在有 最佳投量，高锰酸盐复合药剂的最佳投量为1 0 m g l ，臭氧的最佳投量为 1 2 m g l 。 以哈尔滨工业大学研制的某种复合改性滤料代替无烟煤组成复合改性滤 料石英砂双层滤料滤池( 简称改性滤池) ，此种滤池出水浊度比普通的无烟 煤石英砂双层滤料滤池要略低，在2 5 月份，改性滤池出水浊度平均可以 低至0 3 5 n t u 。但是此改性滤池压力周期较普通滤池缩短5 8 h 。 在滤前投加0 5 m g l 的聚合氯化铝作为助滤剂，可保证在2 5 月份滤池 出水浊度降低至0 5 n t u ，但助滤剂的投加使得滤池的压力周期有了很大程 度的缩短，仅能保证1 5 h 的压力周期。 综合几种强化手段的强化除浊能力以及其对滤池过滤周期的影响效果， 认为以高锰酸盐复合药剂或臭氧作为预氧化剂的预氧化技术是目前最佳的强 化过滤措施。 关键词强化过滤，高锰酸盐复合药剂，臭氧，复合改性滤料，助滤剂 堕尘兰三些奎兰三兰竺：! ：兰堡丝兰： a b s t r a c t s e v e r a le n h a n c e df i l t r a t a t i o nm e t h o d sw e r es t u d i e df o rc o n t r o l l i n ge f f l u e n t t u r b i d i t yo f f i l t e rb yp l a n te x p e r i m e n t t h ea u t h o r b r i e f l yr e v i e w e dt h eh i s t o r yo f f i l t r a t a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ed i r e c t i o na n d p r o g r e s so f f f l t r a t a t i o nt e c h n o l o g ya t p r e s e n t s e v e r a le n h a n c e df i l t r a t a t i o nm e t h o d sw e r es t u d i e do nt h ea b i l i t yt o r e m o v e s u s p e n d e dp a r t i c l e sa n d e f f e c t so nf i l t r a t a t i o nc y c l e b e c a u s eo ft h ec h a n g e so fr a ww a t e r , e f f l u e n tt u r b i d i t yo ff i l t e r o b v i o u s l y r i s e di nf e b r u a r yt om a y p a a n dt h eh i g h e s tw a sc l o s et o1 n t u c o a t e ds a n d ， a d d i n gp r e o x i d a n t sa n da d d i n gf i l t e ra i dw e r e u s e dt od e c r e a s ee f f l u e n tt u r b i d i t y t h ee x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h e s ee n h a n c e dm e t h o d sw e r ee f f o c o e n t i n d e c r e a s i n g e f f l u e n t t u r b i d i t y e s p e c i a l l y , u s i n g o z o n eo r p e r m a n g a n a t e c o m p o u n da sp r e o x i d a n t sc a ng e tt h eb e s te f f i c i e n c yo fr e m o v i n gs u s p e n d e d p a r t i c l e s ，e f f l u e n tt u r b i d i t yo f f i l t e rc a r ld e c r e a s et oo _ 3 n t u a n dt h ee n h a n c e d f u n c t i o nn e e dt h eb e s ta d d i n gm e a s u r e ，t h eb e s ta d d i n gm e a s u r eo f p e r m a n g a n a t e c o m p o u n d i s1 o m e g l a n dt h eo z o n ei s1 2 m e g l u s i n gak i n do fc o m p o u n dm e t a lo x i d ec o a t e ds a n dd e v e l o p e db yh a r b i n i n s t i t u t eo ft e c h n o l o g yi n s t e a do fa n t h r a c i t et o m a k e u pad u a l m e d i af i l t e ro f c o m p o u n dm e t a lo x i d ec o a t e ds a n d s a n d ( n a m e dc o a t e ds a n df i l t e rf o rs h o m t h e e f f l u e n tt u r b i d i t yw a sl o w e ri nc o a t e ds a n df i l t e rt h a ni na n t h r a c i t e s a n df i l t e r i n f e b r u a r yt om a y ，t h ea v e r a g ee f f l u e n tt u r b i d i t yo f c o a t e ds a n df i l t e rc a nd e c r e a s e t o0 3 5 n t u b u t t h eh e a dc y c l eo ft h i sc o a t e ds a n df i l t e rw a ss h o r t e r5 - 8 h o u r s t h a l lt h ea n t h r a c i t e s a n df i l t e r b e f o r ef i l t r a t i o n ，a d d i n g0 5 m g lp o l y a l u m i n i u m c h l o r i d ea sf i l t e ra i dc a n d e c r e a s et h ee f f l u e n tt u r b i d i t yo ff i l t e rt oo 5 n t u ，b u tt h ea d d i n go ff i l t e ra i d m a d et h eh e a d c y c l e o fa n t h r a c i t e s a n df i l t e rg r e a t l ys h o r tt ol5h o u r s s oc o m p a r i n gt h e a b i l i t y t or e m o v es u s p e n d e dp a r t i c l e sa n de f f e c t so n f i l t r a t a t i o nc y c l eo fs e v e r a le n h a n c e df i l t r a t a t i o nm e t h o d s ，t h ea u t h o rt h o u g h t p r e o x i d a t i o nt e c h n o l o g yo fo z o n eo rp e r m a n g a n a t ec o m p o u n da sp r e - o x i d a n t sw a s t h eb e s te n h a n c e df i l t r a t a t i o nm e t h o d h 竺玺鋈三些奎兰三兰堡圭耋竺篁兰； k e y w a r d se n h a n c e df i l t e r , p e r m a n g a n a t ec o m p o u n d ，o z o n e ，c o m p o u n dm e t a l o x i d ec o a t e ds a n d ，f i l t e ra i d 一1 1 i 哈尔滨工业大学t 学顽上学位论文 第1 章绪论 1 1 饮用水处理面临的问题 1 1 1 水源污染问题 进入二十一世纪，我国饮用水源的污染状况依然没有得到改善，中国是一 个水资源匮乏的国家，我国平均地下水资源约8 2 8 8 亿吨，平均年径流总量约 2 7 1 1 5 亿吨：扣除重复计算量，我国多年平均水资源总量约2 8 1 2 4 亿吨( 排世界 第六位) ；人均水资源占有量约2 2 6 0 吨( 排世界第1 0 9 位) ，低于世界人均水 平的1 4 。而水资源可供量约为6 6 0 0 6 7 0 0 亿吨，且时空分布极不均匀，南多 北少，东部潮湿，西部干旱，开发利用的难度加大，使得许多城市和地区严重 缺水，华北、西北地区和部分沿海城市尤为突出。在我国大部分城市和地区， 本已极有限的水资源却还遭受水污染的冲击，致使水资源的水质恶化和水生态 系统破坏。由于近8 0 污水未经有效处理就直接排入自然水体，已造成了全 国近5 0 的河段遭受污染，9 0 阱上的城市水域严重污染，近6 0 的重点城镇 水源不符合饮用水标准。据调查统计，全国设有监测系统的1 2 0 0 多条河流中 已有8 5 0 条遭受不同程度的污染。全国约有7 8 亿人饮用污染超标水。虽然 淮河、滇池现在正在治理过程中，取得了一定效果，但由于缺乏严格的法规制 度，排水未从根本上治理，加上资金短缺，情况更为严重【2 j 。 我国水环境污染形势是十分严峻的，水资源总体质量较差，已经发展到直 接威胁水源水质安全的程度。据近年环境公报和相关研究提供的数据，全国年 排污染物总量约为3 0 0 0 1 0 4 4 0 0 0 1 0 4 t ，年排污水约为4 0 0 x1 0 8 4 5 0 x 1 0 8 m 3 ，污水占径流总量的1 0 1 2 ，辽宁在1 9 9 9 年高达1 8 7 1 。全国主要 地面水体( 7 大水系和主要湖泊) 有5 0 以上多为i v 类以上水质1 3j 。近城地区 饮用水源已基本遭到破坏，上游水源正面临严重威胁。全国河流近城市段水质 几乎全部为v 类或超v 类，已丧失作为生活饮用水水源的使用功能，同时严 重污染的河水又通过补给地下水的方式污染两岸地下水，破坏了城市生活饮用 哈尔滨丁业大学工学硕上学位论文 水源，导致许多城市地下水源被迫废弃。如辽宁地区约有3 0 左右的地下含水 层水质受到了严重污染，污染区域主要分布在各市市区内、近郊区、近城河流 谷地或地下水位降落较深之处，其主要为沈阳浑河两岸、鞍山西部、辽阳首山 水源地、锦州女儿河沿岸、阜新市区细河沿岸、抚顺市区及西部地区等。水源 中的主要污染物为有机物、氨态氮、挥发酚等【4 j 。 饮用水水源的有机污染物是城镇水质安全保障所存在的最大问题，办是对 饮用者健康与安全的最大威胁。据报道 5 1 采用现有的检测分析技术，已经发现 水源水中有2 2 2 1 种有机物，饮用水中有7 5 6 种，其中2 0 种为致癌物，2 3 种为 可疑致癌物，1 8 种为促癌物，5 6 种为致突变物。 1 1 2 水质标准的提高 我国现行的水质标准是国家卫生部于2 0 0 1 年6 月7 日印发的生活饮用 水水质卫生规范( 简称“水质规范”) ，从2 0 0 1 年9 月1 日执行。此“水质规 范”较g b 5 7 4 9 8 5 ，项目多、指标值严格【6 l ，接近或达到了w h o 、美国和欧 盟国家标准的水平 7 , - - 9 1 。新的“水质规范”分为常规检验项目和非常规检验项 目。常规检验项目有3 4 项，非常规检验项目有6 2 项，共计9 6 项。新的“水 质规范”的特点：对以浑浊度为代表的感官性状指标和大肠杆菌为代表的细 菌学指标提出了严格的限值，浊度1 n t u ，总大肠杆菌和粪大肠菌1 0 0 m l 水 样不得检出。在化学性状指标中增加耗氧量，并规定c o d r “3 m g l 。在 非常规检验项目中增加了7 项重金属等毒理学指标。更为突出的是在非常规 检验项目中增加了4 8 项有机污染物毒理学指标。重视对消毒副产物的控 制，除了在常规检验项目中规定了2 项消毒副产物指标外，又在非常规检验项 目中增加了4 项指标。此“水质规范”对生活饮用水水源水质也做了严格的限 定。该“水质规范”的出台为提高生活饮用水水质安全性提供了有利的技术法 规依据，同时也对供水企业提出了更高和更严格的要求。对照该“水质规 范”，全国供水水质差距较大，据初步估计全国供水水质达标率将降低3 0 6 0 个百分点i l ”。随着国人法律意识的增强，特别是加入w t o 后，对于外商、外 企和其他形式进入的外国人，这种低合格率的供水水质将会引起法律纠纷。因 此，我们供水企业都面临水质达标这一迫在眉睫的现实问题。 哈尔滨工业大学t 学硕上学位论文 1 1 3 常规处理工艺的局限 目前我国所采用的饮用水净化方法基本为传统水处理工艺，其仅适用于处 理未受到污染的天然水源水，难以去除水中的有机物、氨态氮、挥发酚等溶解 性污染物，不适用于受到不同程度污染的地下和地面水源水的处理【”】。 面对水源水质的变化，常规饮用水处理工艺已显得力不从心。目前我国自 来水处理工艺9 9 以上为混凝、沉淀、过滤、加氯消毒的传统工艺，这种工艺 以除去水中浊度、悬浮物、胶体、色度、微生物等为目的，它对水中有机物尤 其是溶解性有机物去除能力很低【12 1 。由于溶解性有机物的存在，不利于破坏胶 体的稳定性而使常规工艺对原水浊度去除效果也明显下降( 仅为5 0 6 0 ) 。 用增加混凝剂投量的方式来改善处理效果，不仅使水处理成本上升，而且可能 使水中金属离子增加，也不利于居民的身体健康。地面水源中普遍存在的氨氮 问题常规处理也不能有效解决。目前国内大多数水厂都采用折点加氯的方法来 控制出厂水中氨氮浓度，以获得必要的活性余氯，但由此产生的大量有机卤化 物又导致水质毒理学安全性下降。 更为严重的是近年来饮用水中的寄生原虫引起的传染性疾病开始引起人们 的重视，主要是贾第鞭毛虫病( g i a r d i a s i s ) 和隐孢子虫病( c r y p t o s p o r i d i o s i s ) 。贾 第鞭毛虫病由兰氏贾第鞭毛虫( g i a r d i a l a m b l i a ) 弓l 起，其临床症状主要是腹泻、 腹病、上腹部不适和厌食等。隐孢子虫病由隐孢子虫( c r y p t o s p o r i d i u m ) l 起， 主要症状是腹泻。对于免疫功能正常的人患隐孢子虫病时，表现为急性水样腹 泻，并伴有痉挛、恶心：对于免疫功能缺陷者而言，多为持续性霍乱样水泻， 其病情长，并会危及生命。隐孢子虫具有较高的耐灭活性，传统消毒方法不能 对其有效地灭活。研究资料【l3 1 “j 表明，传统的氯化消毒对灭活隐孢子虫的效 果较差，二氧化氯在1 3 m g l 接触6 0 m i n ，或者自由氯或氯胺，在8 0 m g l 接 触9 0 m i n 条件下，对隐孢子虫卵囊的灭活率仅为1 一l 甙9 0 ) 。显然仅仅使用传 统的氯化消毒工艺不能提供足够的杀死隐孢子虫的剂量，特别当原水的水质比 较差时更是如此。介水隐孢子虫病暴发流行及其造成的危害，不但对饮用水安 全构成了严重威胁，而且也对传统的饮用水处理工艺系统及消毒方法提出了严 峻的挑战。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 2 水处理工艺的改进方法 在水源受污染情况下，由于常规净化工艺的局限性，处理后的生活水质安 全性难以保证。但是，人类在挑战面前并不是束手无策。为了去除饮用水中的 污染物质，尤其是有机污染物和新型病原微生物，水处理研究人员已研究出许 多饮用水净化新技术，有的已在实际中得到应用，取得较好效果。 1 2 1 预处理 1 2 1 i 化学预氧化化学预氧化是通过在水处理工艺前端投加氧化剂强化其处 理效果的一类预处理措施。化学预氧化目的可主要分为以下几方面：1 ) 去除微 量有机污染物；2 ) 强化除藻；3 ) 除色、嗅、味；4 ) 控制氯化消毒副产物；5 ) 氧 化助凝；6 ) 去除铁锰。化学预氧化法是一类适用面较广的预处理除污染技术， 根据采用的氧化剂不同有多种预氧化除污染技术，具有运行灵活方便等特点， 针对不同的源水水质可以运用不同的氧化技术，并可以发展与其他水处理工艺 联用技术。传统的氧化剂主要有c 1 2 、0 3 、k m n 0 4 、和c 1 0 2 等，近年来在 k m n 0 4 氧化剂的基础上开发研制的高锰酸栽复合药剂应用前景良好 1 ”1 9 j 。 1 2 1 2 生物预处理现今，采用生物法处理污染原水的方法主要有生物接触氧 化法、生物滤池氧化法、生物转盘、生物流化床、生物活性炭滤池、膜生物反 应器、生物陶粒技术、电生物反应器等工艺【2 0 】。虽然这些池型外观结构、填料 形式及其相关的工艺参数不同，但是都是利用微生物来去除有机污染物。 生物预处理的原理为：在水处理的过程中，水与生长在生物填料表面的好 气性生物膜相接触，由于水和生物膜之间的分子扩散和物质传递，以及好气性 微生物的吸附作用，使水中溶解有机物质透过细菌的细胞壁、细胞膜被细菌而 吸收，通过胞内膜完成氧化过程【2 1 j 。 各种生物预处理工艺常选用不同的惰性介质( 如石英砂、陶砂、粒状活性 炭、塑料蜂窝管填料和弹性立体填料等) 作为生物载体。采用生物与处理技术 主要目标是去除水中的有机物质，一般c o d m 可除5 一1 8 ；n h ”一n 可去除 7 0 9 0 ：同时对铁、锰、色、嗅、味都有不同程度去除。但其在运行过程中 也存在一定的问题，比如需较长的成熟期，各种微生物或代谢产物能进入处理 堕堡堡三些奎兰三耋堡! ：兰堡尘兰 后的水，对难降解的优先污染物无效，对t h m s 有少量去除，运行受原水水 质、水量、水温变化影响较大【2 2 1 。 1 2 2 强化常规工艺 改进和强化传统的常规水处理工艺是当前控制水厂出水有机物含量最经 济、最具实效的手段。 强化常规水处理工艺是指在常规水处理工艺中，通过改变水的化学条件 ( 调整p h 值，提高絮凝剂剂景或投加高分子絮凝剂或助滤剂) 以提高水中无 机和有机物的去除效率，减少消毒副产物b p s ) 。 目前的强化方法有水源水的预处理、强化混凝、气浮替代沉淀强化除藻、 强化过滤以及臭氧消毒等1 2 6 1 。 絮凝池中进行的絮凝作用、沉淀池中的凝聚沉淀作用、过滤池中的凝聚沉 淀作用和接触凝聚作用，均取决于采用的混凝剂与水的混合程度。因此絮凝阶 段控制手段主要包括采用新型混凝剂，改变投药方式和条件等。目前水厂沉淀 池出水一般浊度为3 - 5 度，采用高效的斜板或斜管沉淀是强化沉淀效果的有利 措旌，在传统沉淀工艺基础上应用和开发气浮工艺效果更佳2 7 1 。 过滤除采用双层、多层过滤形式外，可采用象硅藻土等新型过滤材料，增 加助滤剂也是降低滤池出水浊度的有效途径。 在加氯消毒方面，以前常采用泵前加氯甚至所谓大剂量消毒，折点加氯 等，导致出厂水三卤甲烷超标 2 8 】，强化加氯点的选择与加氯量的控制能够改变 三卤甲烷的生成，改变原有加氯点，降低加氯量以及近年来研究的氯胺消毒代 替氯消毒能有效控制出厂水中三卤甲烷的含量【2 9 l 。 1 2 3 深度处理 想要得到更加优质的饮用水，仅仅依靠常规工艺难以实现，目前许多学者 把目光集中到了给水深度处理上。 采用活性炭为吸附材料的吸附工艺，对色、嗅味、农药、氯化物等其它有 机物有良好的去除率，但是活性炭吸附对多数极性有机物，特别是危害较大的 卤代烃的吸附效果不太好，而且活性炭吸附后的再生问题一直难以得到满意的 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 解决，所以目前正在开发多孔合成树脂、活性纤维等新型吸附材料【3 叭。 臭氧生物活性炭是当前去除水中有机物质的一种较为有效的深度处理方 法。臭氧生物活性炭工艺是将臭氧化学氧化、臭氧灭菌消毒、活性炭物理化 学吸附、生物降解四种技术结合为一体的工艺1 ”j 。它是利用臭氧预氧化作用， 初步氧化分解在水中的有机物及其它还原性物质，以降低生物活性炭滤池的有 机负荷，同时臭氧氧化能使水中难以生物降解的有机物断链、开环，将大分子 有机物氧化为小分子有机物，提高原水中有机物的可生化性和可吸附性，从而 减小活性炭床的有机负荷，延长活性炭的使用寿命。另外，由于臭氧在水中自 行分解为氧，活性炭柱进水含有较高浓度的溶解氧，因此促使好氧微生物在活 性炭表面繁殖。好氧微生物以活性炭表面吸附的有机物为养料，将它们转化为 二氧化碳和生物量，从而不仅去除了原水中的有机物，而且在一定程度上使活 性炭再生，从而具有继续吸附有机物的能力，即大大地延长了活性炭的使用寿 命和再生周期。 但臭氧生物活性碳的使用要严格控制氧化副产物的产生，更要关注生物 活性碳出水中的微生物学指标。 另外，臭氧生物活性炭工艺的基建投资特别大，在我国这个发展中国家 大规模推广应用尚存一定的难度 3 “。 膜分离技术也可以作为一种深度处理的手段1 4 ”。 膜分离技术有反渗透( r e v e r s e o s i m o s i s ，r o ) 、纳滤( n a n o f i l t r a f i o n ，n f ) 、 超滤( u - t r a f i l t r a t i o n ，u f ) 和微孔过滤( m i c r o f i l t r a t i o n ，m f ) 。 近年来发展很快的膜处理技术已经逐步应用于饮用水处理领域。反渗透 膜、超滤膜、微滤膜和纳滤膜最初应用于工业用水、海水苦咸水等的淡化和脱 盐处理等，现在已经广泛地应用于去除水中的浊度、色度、嗅味、消毒副产物 前驱物质、微生物、溶解性有机物等。选择合适的膜技术或膜技术组合，可以 对饮用水进行深度净化处理，甚至可以将原水处理到所希望的任何水质水平。 纳滤( n f ) 膜技术是近十几年来发展起来的一种新型的膜分离技术，n f 膜的 “膜孔”介于超滤膜和反渗透膜之间，膜的表面一般荷负电，其特点是可以截 留分子量为2 0 0 1 0 0 0 的有机物，并对二价和多价离子具有很高的截留率，而 对一价离子的脱除率适中，且操作压力较低( 在0 4 2o m p a ) 。 吩尔滨t = 业大学工学硕上学位论文 膜技术的应用主要是去除水中胶体，微粒，细菌和腐殖酸等大分子有机 物。但其一般对低分子量含氧有机物( 如丙酮、酚类、酸) 几乎无效。而且基 建投资和运行费用高，易发生堵塞，需要较高水平的预处理和化学清洗，一般 仅适用于集团用水的深度处理。 1 3 强化过滤技术 1 3 1 过滤技术的发展 过滤是水处理工艺程序之一。过滤的目的在于从水中去除杂质，得到质量 清洁卫生安全的水一般所指的杂质包括水中形成浊度的悬浮物质、胶体物质， 形成色度的物质，还包括细菌、藻类、病毒、铁和锰的化合物以及放射性颗 粒。般给水厂过滤的任务是从水中除去形成浊度的固体粒子。 在给水处理技术上，当前还是以常规水处理即混凝一沉淀( 气浮卜一过滤处 理为主，滤池是给水处理最后的一个程序( 不包括消毒) ，尤其是处理饮用水 更是最重要的一个关键环节，因此滤池处理始终是放在一个核心位置上。 过滤技术发展的过程经历了两个主要阶段：慢滤和快滤【4 8 j 。 在1 8 8 4 年之前的相当长的时间内给水处理中都是采用慢滤。慢滤技术的 主要特点是滤速慢。由于滤速慢，池体占地面积大，基建费用高，这是制约慢 滤池发展的主要因素。慢滤池的优点在于由于滤速慢，水力停留时间长，有利 于滤池内部微生物的生长和发挥作用，对有机物和氨氮等物质的去除率较高。 快滤法自1 8 8 4 年投入生产使用以来已有百年历史了。在此期间略有改 良，与初型相比至今没有多大变化。现今所谓的新的过滤方法，实质上基于新 原理的极少，大多数不过是把原型部分改良而已。 滤池在类型上大体分为两大类，即自上向下流动的重力式过滤池和自下向 上流动的上向式过滤池，及另外些其他类型的过滤池【4 。 ( 1 ) 重力式滤池： 单层滤池包括砂滤池、深床滤池、均质滤池、煤滤池、硅藻土滤池、低水 头滤池、移动罩滤池、无阀滤池、虹吸滤池、连续过滤滤池等。 多层滤池包括双层滤池、三层滤池、混合滤池、臭氧一活性炭生物滤池、 哈尔滨= 【业大学t 学硕士学位论文 陶粒滤池、煤铝滤池等。 单层滤池或多层滤池都可应用的有两级过滤滤池、直接过滤滤池、压力滤 池等。 ( 2 ) 上向流滤池有反粒度滤池( 接触滤池) 、双向滤池等。 ( 3 ) 其它类型滤池水平式过滤式的幅射式滤池、磁力分离过滤器等。 1 3 2 滤层过滤机理 滤层快速过滤的机理被公认是粘附作用，而不仅仅是机械筛滤作用。对于 单层滤料滤池，滤料粒径通常为0 5 1 2 m m ，双层滤料滤池，滤料粒径通常为 0 5 2 o m r n ，经过反冲洗水力分选后，滤料粒径自上而下按由细到粗依次排 列，滤层中孔隙尺寸也由上而下逐渐增大。若最小粒径为o 5 m m ，按球体计， 滤料颗粒孔隙尺寸约为8 0 “m ，滤层内部孔隙更大。而进入滤池的悬浮颗粒尺 寸大部分小于3 0 1 t m ，仍然能够被滤层截留下来，说明滤层过滤不是机械筛滤 作用的结果。因此人们普遍认为过滤主要是悬浮颗粒与滤料之间的粘附作用的 结果。 水流中的悬浮颗粒粘附在滤料表面上，主要包括两个过程：水流中的悬浮 颗粒向滤料表面靠近和发生碰撞的迁移过程，以及悬浮颗粒与滤料表面之间接 近到一定距离时悬浮颗粒在滤料表面上的粘附过程。迁移过程是由一些物理一 力学作用引起的，其中包括拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力作用等。粘附过 程是在范德华引力、静电作用和化学键力的作用下完成的【”j 。 1 3 3 强化过滤技术介绍及其应用 近年来，随着人们对贾第虫和隐孢子虫等难以用氯灭活的微生物的认识的 逐渐提高，强化过滤技术逐渐地成为人们所关注的重要手段，强化过滤作用已 经成为给水处理工艺的关键问题之一。通过强化过滤，提高过滤对水中有机 物、无机物、微生物等的去除效率，保障良好的饮用水水质。 强化过滤的方式可以有以下几种：1 ) 合理地选择滤料级配；2 ) 降低滤 速、稳定滤速；3 ) 采用预处理措施；4 ) 投加助滤剂；5 ) 提高滤料性能( 对 滤料进行处理或增大滤料的比表面积) 。 哈尔滨丁= 业大学t 学硕l 学位论史 1 1 滤料级配 滤料级配的选择应是强化过滤首先需要考虑的内容，最早水厂应用单层滤 料( 石英砂) ，随后为了提高滤层的含污能力，采用双层滤料( 无烟煤，石英 砂) 和多层滤料( 无烟煤石英砂磁铁矿) 。滤料级配的选择直接影响过滤后水 质和过滤工艺特性。影响滤池水质的是最小粒径( d 。m ) ，其数值越小越有利于 出水水质，但过滤的压力周期会缩短，因此，对于给定的水质要求，过滤的出 水水质和过滤的压力周期之间有优化的数值。目前采用滤料的最小粒径一般是 o 5 0 6 m m 。但随着人们对过滤工艺要求不断提高，最小粒径可能需要迸一步 降低。 目前，国外的研究趋势是进一步降低滤料的有效粒径，从而达到通过过滤 去除水中寄生虫卵囊的效果。根据2 0 0 0 年t a k u y ao d a 的研究结果表明，当滤 池内部孔隙尺寸为3 1 0 舯时，滤池对贾滴虫和隐孢子虫都能够有效截留。 2 0 0 1 年a n d r e wj l o g a n 的研究结果表明，当d 5 0 = 0 3 l m m 时，滤池能够有效去 除各种浓度的隐孢子虫卵囊。 2 ) 降低滤速、稳定滤速 普通快滤池通常采用的滤速为8 - 1 0 m h ，但该滤速高对水质的影响很大， 特别是过滤后期水在滤料孔隙中的流速增加会使沉积的杂质剪切下来，影响水 质。以前由于对过滤后的水质要求不很高，滤速可以采用较高数值，但随着人 们对过滤后水质要求的不断提高，滤速势必降低，如4 - 6 m h 。降低滤速的代价 是增加滤池面积，提高了基建投资，但如果需要严格控制水质，滤速势必要降 低到某一定的数值。 3 ) 预处理措施 过滤的预处理措旋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。 4 ) 投加助滤剂 助滤剂一般为无机混凝剂( 如硫酸铝、聚合铝、三氯化铁、聚合铁) 、无 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 机阳离子( 如钙、镁) 、有机高分子( 如聚丙烯酰胺) 、助滤剂也可以是一些氧 化剂( 如高锰酸赫、高铁酸盐、氯、过氧化氢、臭氧) 等。助滤剂可以单独投 加，也可以复合投加。助滤剂的投加量一般很少。投加助滤剂能够显著地提高 滤后水的水质，助滤剂的投加也能够显著地提高滤层过滤的稳定性，特别是提 高了对滤速变化的适应性。 使用助滤剂以提高过滤效果在国外已有较长的研究历史。1 9 6 8 年， t u e p k e r 和b u e s c h e r 研究发现采用聚电解质( 0 0 0 3 m g l ) 作为助滤剂可明显 改善常规过滤出水水质，并能有效阻止由于滤速突然改变而引起的悬浮颗粒穿 透；c o n e l ya n dh s i u n g 于1 9 6 9 在滤池前加入阳离子型聚丙烯酰胺，即使是 在高滤速下也能取得很好的出水效果。1 9 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o 0 5 o 4 m g l 的阳离子聚电解质可有效降低滤后水浊度，提 高周期产水量【52 。在我国，一些单位和个人也研究了高分子助滤剂活化 硅酸( 4 5 m g l ) 或聚丙烯酰胺( o 1 o 1 5 m g l ) 对直接过滤的影响。湖南 大学的研究人员对比了三种助滤剂：阳离子型聚丙烯酰胺、聚合硫酸铁和聚合 氯化铝的助滤效果，研究发现作为助滤剂，阳离子型聚丙烯酰胺的助滤效果最 优【5 3 l 。当前，面对水源污染严重、水质标准提高的现实，投加助滤剂来提高给 水厂出厂水水质不失为一个新的方法。 5 ) 改善滤料性能 过滤过程中滤料截留杂质的主要作用在于滤料的表面特性。滤料表面吸附 性能增强可以显著地提高滤料对水中杂质的吸附能力，提高滤层的除污染能 力。 目前，国内外研制的各种新型滤料都是朝着改善滤料表面特性的方向努 力，用物理或化学方法对传统滤料进行改性，改善其表面结构和性能，来提高 滤料的截污能力。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。 与传统滤料除污染机理不同，改性滤料除能够充分发挥改性后滤料具有的 巨大比表面积，除了通过吸附去除水中的离子和杂质之外，最主要的是滤料表 面的改性剂可在溶液中水解，在适宜的p h 时发生矿物表面羟基化，形成一系列 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 金属氢氧化物以及多羟基金属水合氧化物，表面羟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。 大量文献f ” 57 j 表明，改性滤料在与水中各类有机污染物、细菌、藻类及杂 质离子接触过程中，表面涂料会产生极强的吸附和氧化净化功能，其不但能净 化大分予和胶体有机物，同时还可以大量吸附与氧化水中各种离子( 包括重金 属离子) 和小分子可溶性有机物，从而获得令人满意的处理效果。 同济大学采用改性滤料去除铁离子的实验取得成功，并已在乌克兰得到应 用。另外利用滤料改性的方法去除水中的有机物、氟、铁、藻类的实验也取得 了成功。 1 4 课题的来源与研究内容 1 4 1 课题的来源 本课题来源于国家“十五”8 6 3 重大专项“北方地区安全饮用水保障技 术”。 “北方地区安全饮用水保障技术”以天津市某水厂技术改造工程项目为 示范工程，针对天津市的水源水质特点，开发涵盖从水源、水厂净化工艺一直 到管网术梢全过程的技术集成系统，建立完善的饮用水水质安全保障体系，有 效地解决天津市饮用水安全问题。 “北方地区安全饮用水保障技术”根据供水工艺的特点，以水质保障技 术为核心，以示范工程为依托，从水源水质改善技术、水厂常规工艺强化技术 和深度处理技术、新型安全消毒技术、浮游动物灭活技术、出厂水安全输配技 术、饮用水安全评价体系、示范工程建设等7 个方面开展本课题的研究，在此 基础上，进一步形成系统化的集成技术方案。 强化过滤专项课题属于七个子课题之一一水厂常规工艺强化技术和深度处 理技术中“水厂去除微量有机物、氨氮、藻和藻毒素的技术与工艺”的一部 分。 哈尔滨工业人学工学硕士学位沦文 1 4 2 课题的研究内容 在充分考虑我国水污染现状及给水处理的发展情况，研究开发在现有给水 厂工艺条件下，如何经济、有效地提高滤池的处理效率进而提高出厂水的水 质，在实际水厂中展开生产性试验研究，以便为天津市示范工程提供参数和技 术支持。 试验中的研究工作： 1 针对天津市为典型的北方地区的原水水质，考察迸水浊度、进水有机物 含量以及温度等因素对过滤出水浊度的影响。 2 研究在迸水中有机物含量高、滤池出水水质变差的时期，通过投加预氧 化剂、滤料改性、投加助滤剂等一系列强化过滤手段降低滤池出水浊度、保证 滤池出水水质的可能性。 3 研究所采用的投加预氧化剂、滤料改性、投加助滤剂等强化过滤手段对 滤池过滤周期的影响。 篁尘篓三兰查兰三耋堡圭兰堡篓塞 2 1 试验条件 2 1 1 水源条件 第2 章试验条件和方法 天津市的原水夏季( 一般是5 1 0 月份) 为引滦水，冬季( 1 1 4 月份) 为 引黄水，无论哪种水质，都具有北方地区原水低温低浊的特点。 自2 0 世纪7 0 年代开始，由于上游拦蓄，天津市和上游地区工农业生产迅 速发展，人口快速增加，持续干旱少雨等原因，天津城市供水形势日益紧张。 特别是8 0 年代初，天津的水源几近断绝，用水陷于困境，庞大的工业生产和 3 5 0 万人民生活受到严重威胁，经济发展和社会稳定面临严峻考验。引滦入滓 工程的建成，在很大程度上扭转了天津的缺水局面。2 0 年来，引滦入津工程累 计向天津供水1 6 0 亿立方米，为天津的发展提供了重要的物质基础，创造出巨 大的经济效益、社会效益和环境效益【5 8 】。 引滦入滓工程是一个包括跨流域引水、输水、蓄水、净水和配水等综合性 水资源开发利用的城市供水系统。引滦入津工程自大黑汀水库坝下至天津全长 2 3 4 公里，它把潘家口水库经大黑汀水库调蓄的水经干渠引出，穿燕山山脉， 循黎河西行入于桥水库，经州河，蓟运河注入输水明渠、尔王庄水库调蓄，经 三级泵站提升或从明渠经新引河输入海河干流，或从暗涵进入市内水厂。引滦 入津工程包括引水隧洞、黎河整治、于桥水库大坝加固、州河整修、专用明 渠，尔王庄水库，暗渠暗涵、新开河水厂、通讯电力等配套工程，全部工程从 1 9 8 2 年5 月1 1 日开工，1 9 8 3 年9 月1 1 日竣工通水。引滦入津输水工程的设 计引水量为每年输水1 0 亿立方米。自1 9 8 4 年又先后完成了引滦入塘、引滦入 港、引滦入开发区、引滦入汉、引滦入杨等供水工程，目前正在建设2 0 万吨 聚酯供水工程，筹建6 0 万吨乙烯供水工程。 随着城市的飞速发展、人口急剧膨胀，对城市给水的需求量不断增长， 天津市给水水源紧张的问题仍然比较突出，为解决天津市严重缺水问题，1 9 7 2 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论史 年以来，国家曾9 次引黄河水接济天津( 截至2 0 0 5 年1 月份) 5 9 1 。 黄河水进入天津市区安排了两条输水线路，线路全长1 4 0 公罩：一是南运 河一子牙河输水线路，经由九宣闸沿着南运河和子牙河，通过西河闸进入海河 干流向市区供水，输水线路长6 0 公旱；另一部分经由马厂减河进入北大港水 库存蓄，等引黄济津调水结束后，再由北大港水库放水，横穿独流减河、十里 横河，经洪泥河进入海河向市区供水，线路长8 0 公里。 水的混浊度是指水体中除了极粗易沉物外所含有的不同大小、形态、比重 的悬浮物质、胶体物质、溶解物质、浮游生物和微生物等杂质，这些物质能对 光线的散射和吸收产生光学反应。对于天津市的原水情况而言，可将原水分别 归类为低温水、低浊水高温水、常浊水。见下表。 表2 - 1 根据水温、浊度划分水质类型 根据2 0 0 3 年7 月份2 0 0 5 年3 月份的试验结果，可以总结出天津市原水 的水质情况，对原水浊度、有机物含量的分析统计结果见图2 - 1 、2 - 2 、2 - 3 。 从天津市原水浊度在一年中的变化趋势来看，天津市原水全年浊度较低， 最低2 6 4 n t u ，最高2 6 4 n t u 。其中2 8 月份原水的平均浊度都低于8 n t u ， 9 1 2 月份原水浊度在8 1 4 n t u 之间， 的情况。 从天津市原水中u v 2 5 4 含量来看， 天津市的原水基本上不会出现浊度过高 原水中有机物的含量变化规律为：6 - 8 月份相对比较低，9 月份、1 0 月份、1 1 月份有机物含量较高但比较平稳。1 2 月份、1 月份，u v 2 5 4 含量比前三个月有所下降，从2 月份到5 月份，原水中 u v 2 5 4 含量不断升高，其中4 月份升至最高，比全年u v 2 5 4 含量最低的8 月份 增长了近一倍。 堕玺篓三些奎兰三兰堡圭兰堡耋三 1 4 1 2 l o l s 篓s 4 2 0 l234567891 0l l1 2 月份 图2 - 1 一年中天津市原水浊度变化趋势( 2 0 0 3 年1 2 月份2 0 0 4 年1 1 月份) 0 1 加 0 1 2 0 0 1 0 0 n 0 3 0 o 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 0 l23456789 1 0l l1 2 月份 图2 - 2 天津市原水u v 2 5 4 一年中变化趋势 1 5 龟u 专暑j 竺玺堡三些查兰三兰堡圭兰堡丝兰 12345678 91 01 l1 2 月份 图2 - 3 一年中天津市原水c o d 变化趋势 从c o d r 。h 含量来看，原水中有机物含量并不特别大，但也呈现一定的规 律：在低温季节( 1 月份、1 1 月份、1 2 月份) ，原水中c o d r c t n 含量很低，处于 3 , - , 4 m g l 之间；2 月份5 月份，原水中c o d m n 含量不断上升，5 月份升至最 高，约为6 4 m g l ；6 , 。1 0 月份，原水中c o d m 的含量基本稳定在4 5 m g l 之 间。 由此可知，天津市的原水水质有三个典型时期：2 5 月份为常温低浊高有 机物期；6 1 0 月份为高温低浊高藻常有机物期；1 1 1 月份为低温常浊低有机 物期。 2 1 2 试验设备 2 1 2 1 工艺流程试验采用的工艺流程为：原水、预氧化、混凝、气浮、过滤 以及后续处理，具体见图2 - 4 。 其中，试验设计两套系统，每套系统设计流量为5 m 3 h 。 预氧化器两个，停留时问为2 0 m i n ，有效容积o 8 3 m 3 ，搅拌转速 2 0 0 3 0 0 r p m 。 混合池一组，停留时间l m i n ，转速为1 0 0 1 3 0 r p m 。 7 6 5 4 3 2 ， o 一备ii：舌ou 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 上 匝b 区丑囤 图2 - 4 试验工艺流程图 絮凝池一组，两级反应，每级停留时间为9 r a i n ，搅拌转速1 5 - - 4 0 r p m 。混 凝剂为f e c l 3 ，投加量按实际出水效果调整，在3 3 0 m g l 之间不等。 气浮池一组，回流比1 0 ，溶气压力0 4 - 4 ) 6 m p a ，接触室上升流速 1 9 1 m m s ，接触室停留时间1 2 6 s ，分离池水力负荷1 0 5 5 m h ，分离室停留时间 1 3 5 m i n 。 沉淀池一组，为斜管沉淀池。清水区上升流速3 3 r r g s ，清水区高0 5 3 4 m ， 协管斜长1 o m ，斜管倾角6 0 0 ，停留时间2 8 m i n 。 砂滤池两套系统共计三组，1