（市政工程专业论文）絮凝体形态控制对污染物去除影响及地表水中有机锰去除.pdf

仅 ，00、，o啦。0，：。 独创性声明 i i i ii i ii i ii iii ii i iii i y 17 8 9 0 7 2 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j e 宝王些太堂或其它教育机构 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：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 宝王些太堂有关保留、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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：术器撵硷日期： “ 矿 多 摘要 摘要 本课题分别针对东北微污染地表水和南方含锰地表水的水质特点，采用预氧 化、强化混凝和膜组合工艺，开展了絮体形态控制对污染物去除影响及地表水中 有机锰去除的试验研究。 研究发现，通过剪切力使絮凝体破碎并再絮凝的改变絮凝体形态方式可以强 化混凝过程，有助于污染物的去除，改善出水水质。混凝剂种类和投量、水力条 件、初始颗粒大小、有机物含量、碱度、离子强度等条件都会影响絮凝体的形态。 当电中和机理占主导地位、混凝剂投量较低、水温较高、初始絮凝时间较短、剪 切力强度较低时，破碎后絮凝体颗粒有良好地再生特性，形成的絮凝体更密实， 沉降性能更好，出水浊度更低，可大幅度节省投药量，铝和有机物去除率也得到 不同程度提高。较高的原水浊度、较大的初始颗粒、较少的腐殖酸含量有利于破 碎絮凝体的再生长；增加碱度可降低絮凝体强度因子和再生因子，但一定的离子 强度却可以改善絮凝体强度因子和再生因子。 高锰酸钾预氧化混凝超滤组合工艺和混凝超滤组合工艺处理某北方微污 染地表水的对比研究结果表明，高锰酸钾预氧化能提高有机物的去除效率， c o d m n 、d o c 和u 5 4 也得到了较好去除。高锰酸钾预氧化可以打碎溶解性有 机物的分子链，使得分子量分布在相对较小分子量区域；高锰酸钾可以使再形成 的絮凝体颗粒分形维数更大，形成的滤饼层可全部冲洗掉，使跨膜压差增加的比 较缓慢。 采用一体化全自动微型试验平台，对南方受污染含锰地表水进行了动态平行 对比试验研究。通过多种药剂的单独和联合应用，确定出最适用的药剂组合和处 理工艺。结果表明，采用高锰酸钾预氧化与常规处理工艺相结合，可以有效去除 水中的有机锰和有机物。采用本试验研究的结果和技术方案，经过水厂实际工程 的改造和工艺优化，证实了选定的处理技术和工艺的有效性和经济性，完满地解 决了水厂的技术难题。 关键词：微污染，絮凝体形态，预氧化，超滤，有机锰 北京工、l k 大学硕士学位论文 一一 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i ss t u d yi n v e s t i g a t e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fm i c r o - p o l l u t e ds u r f a c ew a t e ri nt h e n o r t h e a s ta n dm a n g a n e s ep o l l u t e ds u r f a c ew a t e ri nt h es o u t ho fc h i n a p r e - o x i d a t i o n ， e n h a n c e dc o a g u l a t i o na n du l t r a - f i l t r a t i o nm e m b r a n ec o m b i n e dp r o c e s sw a sd i d a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tw a t e rs oa st oi m p r o v et h er e m o v a lr a t eo ft h eo r g a n i c sa n d t h eo r g a n i cm a n g a n e s eb ym e a n so fc o n t r o lt h em o r p h o l o g yo ft h ef l o e s t h er e s u l t ss h o wt h a tc h a n g e st h em o r p h o l o g yb yb r e a k i n gt h ef l o e sw h i l et h e y g r o w i n gi n t ot h eb i go n e s f l o e sw h i c hw e r er e f o r m e da f t e rb r e a k a g ei sh e l p f u lt o e n h a n c ec o a g u l a t i o n , r e m o v em o r eo r g a n i c s m o r p h o l o g yo ft h ef l o e si sd e t e r m i n e d b ym a n yf a c t o r s ，s u c ha sc o a g u l a n tt y p ea n dd o s a g e ，h y d r a u l i cc o n d i t i o n s ，s i z eo ft h e i n i t i a l p a r t i c l e s ，o r g a n i cc o n c e n t r a t i o n ,a l k a l i n i t ya n di o n i cs t r e n g t h f l o e sa r e r e v e r s i b l ew h e nl o wc o a g u l a n td o s a g ew a sa d d e da n dt h ec h a r g en e u t r a l i t yd o m i n a t e t h ec o a g u l a t em e c h a n i s m a l s o ，o t h e rc o a g u l a t i o nc o n d i t i o n sa f f e c tt h ep r o c e s so f f o r m a t i o n ，b r e a k a g ea n dr e - g r o w t h f l o e sd e n s i t yw i l lb ei m p r o v ei f b r e a k a g eh a p p e n s a th i 曲t e m p e r a t u r e ，s h o r t e ri n i t i a lc o a g u l a t i o nt i m ea n dl o w e rs h e a rr a t e ，t h a ti s w h ym o s to ft h ep a r t i c l e sa r ee a s yt os e t t l e m e n ta tl o wd o s eo fa l u m m e a n w h i l e ，b o t h r e s i d u a la l u ma n do r g a n i c sa r er e m o v e da td i f f e r e n td e g r e e t h er e v e r s i b i l i t yi sq u i t e 1 l i g hi fh i g ht u r b i d i t ye x i s ti nt h er a ww a t e ra n dl a r g ei n i t i a lp a r t i c l e sp a r t i c i p a t ei nt h e p r o c e s so fc o a g u l a t i o n i ti sf a v o r a b l ef o rb r e a kf l o e st og r o wi n t ol a r g eo n ew h e nl e s s c o n t e n to fh u m i ca c i di n c l u d e di nt h ew a t e r i n c r e a s et h ea l k a l i n i t yc a nr e d u c et h e s t r e n g t hf a c t o ra n dt h er e g r o w t hf a c t o ro ft h ef l o e s ，w h i l et h et w of a c t o r sc a nb e i m p r o v e di f i o n i cs t r e n g t hi n c r e a s e dw i t l lac e r t a i nr a n g e p o t a s s i u m p e r m a n g a n a t e o x i d a t i o n c o a g u l a t i o nu l t r a - f i l t r a t i o n ( k u c f ) a n d c o a g u l a t i o nu l t r a - f i l t r a t i o n ( c u f ) w e r ea d o p t e dt od i s p o s a lt h em i c r o - p o l l u t e ds u r f a c e w a t e ri nt h en o r t ho fc h i n ai nt h i sr e s e a r c h c o m p a r e dk c u fa n dc u f , i ti sf o u n d t h a tp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ep r e o x i d a t i o nc a ni n c r e a s et h er e m o v a le f f i c i e n c yo f n o m ，c o d m n , d o c ，a n du v 2 5 4i nk c u et h em o l e c u l a rc h a i no ft h ed i s s o l v e d o r g a n i cm a t t e rc a nb eb r e a ki n t oar e l a t i v e l ys m a l lo n eb yp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t e p r e - o x i d a t i o na n dt h em o s to ft h e i rm o l e c u l a rw e i g h tw e r es m a l l f r a c t a ld i m e n s i o no f t h er e f o r m e df l o e sw e r ei n c r e a s e db yp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ei nk c u et h e t r a n s m e m b r a n eg r o w ss l o w l ya n dt h el i f eo ft h em e m b r a n ei sp r o l o n g e di nk c u fa s ar e s u l to ft h a tc a k e sa r ep r o n et ob er e m o v e do nt h em e m b r a n ed u r i n ga e r a t i o n t t t i n t e g r a t i o na u t o m a t i cm i n i a t u r et e s tp l a t f o r mw a s i n t r o d u c e do nt h e 骶a 伽e n to t m es u r f a c ew a t e rc o n t a m i n a t e db ym a n g a n e s ei nt h es o u t ho fc h i n a p a r a l l e l t e s t s w e r eu s e dt oc o n 仃a s tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fo r g a n i cm a n g a n e s eb ym a n yr e a g e n t s n 帅u g hav a r i e t y t e s t su s i n ga g e n t sa l o n eo rc o m b i n a t i o n ，w eg o tt h e m o s t a ：p p l o p r i a t ec o m p o s i t i o na n dt r e a t m e n tp r o c e s s t h er e s u l t ss h o w e d t h a tp o t a s s i u m p e r m a n g a n a t ep r e o x i d a t i o n c o m b i n e dw i t hc o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp r o c e s sc a n e f f e c t i v e l yr e m o v et h eo r g a n i cm a n g a n e s ea n do r g a n i cm a t t e ri nw a t e r r e s u l t s a n d t e d m i c a ls 0 1 u t i o n sb a s e do nt h er e s e a r c hw e r ea d o p tb yw a t e rp l a n t s ，t h e a c t u a l o p e r a t er e s u i t sp r o v e dt h a tp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ep r e - o x i d a t i o n i st h ek e yo ft h i s c r a f t ，i th e l p f u lt op r o l o n gt h ep r e o x i d a t i o nt i m eb e f o r ec o a g u l a t i o n b e g a n k e yw o r d s ：m i c r o - p o l l u t e d ，m o r p h o l o g y , p r e - o x i d a t i o n ，u l t r a - f i l t r a t i o n ，o r g a n i c m a n g a n e s e 一一 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 第l 章绪论l i i 我国水源水污染现状1 i i 1 有机物污染1 l 1 2 无机物污染2 1 1 3 颗粒物污染2 1 2 水质标准的发展3 1 3 常规水处理工艺的局限性3 1 4 国内外饮用水处理技术及发展现状4 1 4 1 强化混凝技术4 1 4 2 预处理技术5 1 4 3 深度处理技术7 1 5 课题的提出。1 0 第2 章絮凝体形态对水处理效果的影响1 3 2 1 试验材料和试验方法1 3 2 1 1 试验材料l3 2 1 2 试验配水1 4 2 1 3 试验方法1 4 2 2 试验结果及分析讨论1 5 2 2 1 分析方法1 5 2 2 2 絮凝体形态的影响因素1 6 2 2 3 原水水质对絮凝体形态的影响2 l 2 3 絮凝体形态对出水水质的影响。3 3 2 3 1 对浊度的影响3 3 2 3 2 对铝含量的影响3 3 2 3 3 对有机物含量的影响3 4 2 4 本章小结。3 4 第3 章絮凝体形态对超滤组合工艺处理效果影响试验研究3 7 3 1 试验材料和试验方法3 7 3 1 1 试验设备3 7 3 1 2 试验原水3 8 3 1 3 试验分析方法和试验过程3 9 一v 一 北京工业大学硕士学位论文 3 2 结果和讨论4 0 3 2 1 浊度的去除4 0 3 2 2 有机物的去除4 0 3 2 3k c u f 工艺和c u f 工艺中跨膜压差对比4 3 3 2 4k c u f 工艺和c u f 工艺中颗粒对比4 4 3 3 絮凝体特性对膜污染影响的机理探讨4 5 3 4 本章小结4 8 第4 章组合处理工艺去除地表水中有机锰试验研究5 l 4 1 简介5l 4 2 试验材料和试验方法5 2 4 2 1 试验材料5 2 4 2 2 试验原水5 4 4 2 3 试验方法5 4 4 3 试验结果与讨论5 4 4 3 1 混凝工艺对锰的去除5 5 4 3 2 预氧化与混凝工艺对锰的去除5 7 4 3 3 复合预氧化与混凝工艺对锰的去除5 8 4 3 4 复合预氧化方式与混凝工艺对锰的去除6 0 4 3 5 活性炭吸附、复合预氧化与混凝工艺对锰的去除6 0 4 4 水厂改造建议及改造后运行情况6 2 4 5 本章小结6 3 结论。6 5 参考文献6 7 攻读硕士学位期间所发表的学术论文。7 3 j l j 【谢7 5 一一 第1 章绪论 第1 章绪论 水资源是一种宝贵的自然资源，是人类生存和经济发展不可替代的物质基 础。随着人口增加，工业和城市的迅速发展，水资源不断受到严重的破坏，饮用 水水源受到越来越多的城市污水和工业废水的严重污染，带来的难以或不能生物 降解的有机物和有毒有害的无机物日益增多。保护水资源，解决水危机是当今社 会经济快速发展的前提条件。 1 1 我国水源水污染现状 目前，我国的水源水绝大部分受到了不同程度的污染。在受污染的水体中， 同时存在各种各样的污染物，概括起来主要包括胶体颗粒、无机离子、藻类个体、 溶解性有机物、不溶性有机物、病原体等。这些污染物之间有着密切的联系而形 成一个复杂的体系，根据国际上通行的分类标准，从污染物的性质上又可以分为， 有机物、无机物和颗粒物。 1 1 1 有机物污染 水体中的有机物是无处不在的，在整个水处理流程中也不能完全去除，其来 源主要有三个方面：1 自然有机体的分解和溶解；2 生活污水和工业废水的大量 排入；3 水处理过程中的反应与转化。 一方面，动植物在自然循环过程中经腐烂分解所产生的天然有机物( n o m ) ， 一般称腐殖质，占有机物总量的6 0 9 0 t ，其分子量在3 0 0 3 0 0 0 0 d a 之间，主要 分布在3 0 0 2 0 0 0 d a 之间。据研究报道【2 卅，腐殖质大都含有大量的官能团和吸附 位( 酚羟基、醇羟基等) 、羧基、醌、醚等。它们对各种阳离子或有机活性基团 有着极强的吸附能力和结合反应能力，特别是对一些极性有机化合物或极性基团 在水环境中的行为产生重要影响。另一方面，生活污水和工业废水给水体带来大 量的耗氧有机物，与水中原有的有机污染物形成络合体，形成有毒、更易溶于水 的元素，使其在水中溶解度增大、迁移能力增强、分布范围增广、毒性增强、隐 蔽性增强，给水处理工作带来更大困难。通过离子交换、表面吸附、螯合、胶溶 和絮凝等反应，水中腐殖质与金属离子、粘土颗粒以及铁、铝等非晶态氧化物结 合在一起，形成化学和生物稳定性完全不同的水溶性或非水溶性的化合物。另外， 人工合成有机物( s o c s ) 中相当一部分更是有毒有害的有机污染物，相对水体 中的天然有机物，它对公众的健康有着更大的危害。 北京工业大学硕士学位论文 1 1 2 无机物污染 天然水体中所含的无机物主要是溶解的离子、气体和悬浮的泥沙。运动的水 体促使大量的金属元素和非金属元素溶解其中，如钙离子、镁离子、铁离子、硫 酸根离子、硅酸根离子等；工业废水的排放也使得某些金属离子的浓度大大增加， 如锰离子、镉离子等，它们不仅影响水的感官指标( 色、味等) ，更与水中含有 有机物络合形成复杂的络合物，给水处理增加更大的困难。常规水处理工艺对可 溶性离子的去除是有限的，主要是对依附在颗粒物和有机物的重金属和营养元素 有一定的去除效果。 1 1 3 颗粒物污染 水体颗粒物实际上包括了粒度大于l n m 的所有微粒实体，其上限可以达到数 十至上百微米，亦即包括胶体、高分子物质和细菌、藻类等。众多的水体颗粒物 或分散悬浮，或聚集沉降成为水底沉积物，并在一定条件下可以重新悬浮、迁移 转化。一些颗粒物本身不对人体造成危害，但对感官造成影响，一些颗粒物会成 为微生物、重金属、杀虫剂的载体，可能间接对人体造成危害。因此，随着人们 对饮用水水质标准的要求越来越高，环境质量标准对颗粒物的限制也越来越严 格，有人认为只有颗粒物的深度去除才能实现有机有毒物质的彻底净化【卯。 水中较大的颗粒物处于不稳定的状态，通过重力沉降就可实现与水体的分 离；但粒径较小的胶体颗粒物( 1 1 0 0 n m 左右) ，其表面通常通过某种途径而带 着负电，由于水化作用和微粒之间的静电斥力作用的存在使得这些胶体颗粒在水 中长期保持稳定悬浮状态，不能用重力沉降直接分离。 胶体、颗粒物的稳定性是胶体化学最重要的研究内容之一【6 。胶体的稳定 性可以用d l v o 理论加以解释【8 一。d l v o 理论在扩散双电层模型的基础上，发 展了胶体稳定性机理。在d l v o 理论中，利用统计方法综合计算胶体微粒间相互 作用的能量，并认为胶体的稳定与否取决于胶粒间的相互引力和静电斥力。这两 种力量彼此的消长取决于胶粒间的距离。水处理技术中的许多单元操作就是利用 这些微界面过程加以人工强化达到除污染的目的。 总体来说，以上污染物在性质和行为上互相渗透、互相影响，在水处理过程 中需要作为一个整体来对待。 1 2 水质标准的发展 在水源水质日益恶化的同时，我国的饮用水水质指标在不断的发展与完善。 卫生部于2 0 0 1 年6 月7 日正式发布了生活饮用水卫生规范，根据我国饮用水 第1 章绪论 现状及当时饮用水水质检测水平，水质标准由( g b 5 7 4 9 1 9 8 5 ) 3 5 项增加到9 6 项。2 0 0 6 年1 2 月国家标准委和卫生部修订了生活饮用水卫生标准和1 3 项生活饮用水卫生检验方法国家标准，并联合发布了生活饮用水卫生标准 ( g b 5 7 4 9 - - 2 0 0 6 ) 强制性国家标准。新标准已于2 0 0 7 年7 月1 日开始分步执行， 全部指标最迟于2 0 1 2 年7 月1 日实施，其中规定指标由原标准的3 5 项增至 1 0 6 项。新标准针对我国地面水污染状况，水质指标中增加了有机物及藻类污染 等项目。由于常规工艺对各重点指标，尤其是微污染水源水中有毒有害有机物等 的去除效果不佳，水质标准的提高迫切需要对原有工艺改造和强化，对新工艺研 究和开发。 1 3 常规水处理工艺的局限性 由浪凝、沉淀、过滤和消毒组成的传统水处理工艺主要去除对象是水源中的 悬浮物、胶体杂质和细菌，已不能应对水源水质的变化，水处理效果已不能满足 饮用水标准的需要，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 有机物的污染增加使得水中带负电化合物增多，z e t a 电位升高，所需 的混凝剂投加量也相应增加，不仅增加了制水成本，同时也可能使水中残余金属 离子弄得增加，不利于人体的健康。 ( 2 ) 水中大分子有机物憎水性较强，混凝剂易与其鳌合发生电性中和和吸 附架桥作用，使其得到有效的去除；而小分子有机物亲水性较强，在水中接近真 溶液状态存在，不易与混凝剂结合或絮体吸附，去除效果不佳。国内外的试验研 究和实际生产结果表明，受污染水源水经常规的混凝、沉淀及过滤工艺只能去除 水中有机物2 0 一3 0 。 ( 3 ) 为抑制藻类和微生物在水处理构筑物中的生长，大多数水厂采取预加 氯措施，并且采用折点加氯法控制出厂水中氨氮浓度及获取必要的余氯，氯与水 中有机物反应产生的大量有机卤化物导致水质毒理学安全性明显下降。 ( 4 ) 有机污染物进入输水管后，会被管壁上附着的氯化后未被杀死的微生 物所利用，引起二次污染，降低了水的生物稳定性。同时，这些微生物会腐蚀管 道，缩短了管网的使用寿命。 因此为满足不断提高的饮用水水质标准的要求，确保饮用水的安全性，研究 开发新的水处理工艺势在必行。 一氯 ，主要用以去除原水的浊度和病原菌。第二次世界大战以后，尤其是2 0 世 纪6 0 年代以来，不少地区饮用水水源水质日益恶化；同时，随着水质检测技术 逐渐改进，水源水和饮用水中能够测得的微污染物质的种类日益增多，使人们在 饮用水的水质净化中碰到了新的问题。应对水源水质的变化，常规饮用水处理工 艺已显得力不从心。因此，第二代城市饮用水净化工艺“臭氧活性炭 深 度处理技术应运而生。但是，近年来，伴随经济的快速发展，一方面由有机物、 生物等不同繁杂污染物带来的各种难处理的污染对象使得饮用水生物安全性又 受到威胁；另一方面膜性能的不断提高，膜价格的不断降低为新的水处理技术的 发展提供新的契机。从而以超滤为核心的第三代城市饮用水净化- r j e 逐步走上供 水净化的历史舞台【l o l 。 由于经济发展的区域不平衡性和各种水处理工艺的成本不同，使得我国出现 三代工艺同时并存的局面。概括来讲，目前国内外已开发或正在开发的水处理技 术主要包括四个方面：一是强化混凝技术：二是预处理技术，包括物理化学预处 理，生物预处理技术等；三是深度处理技术，包括活性炭吸附技术，臭氧氧化技 术和膜法等；包括氧化法、吸附法、膜分离等，四是组合工艺。其中尤以生物预 处理技术和膜技术倍受水处理工作者关注【1 1 , 1 2 】。 1 4 1 强化混凝技术 强化混凝是通过改善混凝处理条件，如投加适量的混凝剂、助凝剂，调节投 药比例、p h 值大小选择合适的水力条件等，达到多目标混凝的目的。凡是针对 水源污染特性通过修正优化传统机理和混凝条件，以增强除浊、除臭、除藻、除 有机物、除消毒副产物等效果的混凝技术均可列为强化混凝范畴。主要包括有机 或无机混凝剂性能的改善；增强颗粒碰撞、吸附效果和絮凝设备的改进；絮凝工 艺流程的强化，如确定最佳反应p h 值和最适混凝搅拌强度【1 3 - 1 6 】。与常规饮用水 处理工艺相比，强化混凝过程中总有机碳( t o c ) 、溶解性有机碳( d o c ) 和可 生物降解有机碳( b d o c ) 的去除率分别提高了1 8 、3 2 和2 0 。另外，强化 混凝具有1 3 的芳香族化合物( u v 2 5 4 ) 【l 刀和3 0 7 0 的t h m p p 去除效果【1 8 】。强 化混凝是去除天然有机物的有效和经济的方法。1 9 9 5 年，美国环境保护局 ( u s e p a ) 颁布消毒消毒副产物条例，把强化混凝法列为第一实施阶段控制 n o m 的最佳方法【1 9 1 。强化混凝工艺流程简单，处理单元少、操作管理方面，是 适合我国国情，有效处理微污染水源水的技术选择和发展方向。 第1 章绪论 絮凝体形态不仅影响絮凝过程中对水中污染物的吸附效果，还影响沉淀池中 固液分离的效果，从而影响出水水质。有研究表明，随着投药量增大，絮凝体开 始迅速增大，当投药量增大到一定水平时，絮体粒径逐渐减小，当继续增加投药 到一定值时，絮凝体粒径又重新稳定在某个大小。与此同时，颗粒的密度和形态 也不断的变化。同样，通过改变絮凝过程中的剪切力大小，选择絮凝体有效碰撞 的合理水力条件，也可以改变絮凝体的颗粒大小、形状和结构。因此，采取某种 手段强化混凝来改变絮凝体的形态，不失为一种行之有效的方法。 1 4 2 预处理技术 通常预处理技术是指在常规处理工艺前面，采用物理、化学或生物的方法， 对水中的污染物进行初级去除，以减轻常规处理和深度处理的负担，提高整个流 程的处理效率，改善水质。其中包括物理化学预处理和生物预处理。 1 物理化学预处理 物理化学预处理包括化学氧化预处理和吸附法预处理技术。化学预处理是向 原水中投加强氧化剂，如氯气、臭氧、高锰酸钾等，利用强氧化剂的氧化能力与 水中有机或无机污染物作用，使之分解破坏或转化成其它形态，降低其危害性或 更易于被去除。衡量一种氧化剂氧化能力的大小是氧化还原电位，比较以上氧化 剂的氧化还原电位可以发现，其氧化能力由强到弱的排序为：臭氧( e o = 2 。0 7 ) 高 锰酸钾( e u = 1 6 8 ) 氯( e u1 3 6 ) 。 高锰酸钾预氧化：高锰酸钾是一种强氧化剂，最早( 1 9 1 3 年) 被a l e x a n d e r h o u s t o n 用作城市给水的化学药剂。后来( 1 9 2 7 年) 被美国的r o c h e s t e r 用作灭 藻剂。近些年来，哈尔滨工业大学的李圭白院士和马军教授在高锰酸钾去除水中 微量有机污染物、控制氯化消毒副产物和高锰酸钾的助凝作用等方面做了深入的 研究并取得了重大进展，且已形成了成熟的高锰酸钾预氧化技术。研究发现 2 0 - 2 3 1 ， 高锰酸钾除了具有强化除藻，除色、除味除铁锰、减少混凝剂投加量、提高有机 物的去除率等效能外，还具有以下作用：1 ) 减少水中卤代有机副产物的产生并 实现有效除味；2 ) 氧化一部分有机物，改变有机物的结构形态，与活性炭滤池 连用时改善活性炭对有机物的吸附性能；3 ) 具有显著强化混凝和助凝作用【2 4 1 ， 减少絮凝剂的投加量。马军等人【2 5 ，2 6 】以微污染松花江原水为研究对象，采用色质 联机( g c m s ) 检测手段，研究高锰酸钾除微污染的效能与机理时发现，高锰酸 钾在中性条件下对水中有机物的去除效果优于酸性和碱性条件。在对水中锰的去 除试验中，曲久辉在用高锰酸钾氧化地下水中的有机物时取得较好效果，认为是 水和二氧化锰的吸附作用的结果。马军利用高锰酸钾氧化水中的丙烯酰胺和微量 酚取得了良好的效果【2 7 】。李圭白等人用高锰酸钾去除饮用水中微量有机物时发 现，由于锰的存在而影响了环己烷的去除效果。徐学等人采用高锰酸盐预氧化去 北京工业大学硕士学位论文 除洞庭湖藕池河地表示中稳定性铁锰时，结果表明，高锰酸盐对地表水的中稳定 性铁锰的去除效果好，其影响因素主要有预氧化时间、p h 值、水中本底物质浓 度等的影响【2 8 】。 氯预氧化i 氯不仅有较强的杀菌效果，而且价格低廉，原料丰富易得，在水 中有持续杀菌的作用，是人们最早使用于水处理工艺也是使用最多的氧化剂。它 可氧化水中的h 2 s 、铁、锰硝酸盐等，控制水中有机物、藻类及浮游生物的生长， 与氨反应生成氯胺。预氯化可以控制管道和水处理构筑物内壁上微生物和藻类的 生长，也能氧化一部分有机物提高混凝效果。但是美国环保署发现，氯气能与水 中有机污染物反应生成高浓度的氯仿、一溴二氯甲烷等7 0 0 多种有机化合物，即 消毒副产物，也是“三致 物质，造成饮用水的毒理安全性下降。水源水中总有 机碳含量越高，铝的投放剂量越大，接触时间越长，越利于t h m s 的生成。此外， 当水中含有剩余氯气时，易使活性炭吸附过早地出现饱和现象，影响生物活性炭 的生物降解作用。所以在水处理工艺中应该慎重考虑预氯化的使用。 臭氧预氧化：臭氧是一种优良的强氧化剂，在给水处理的几种氧化剂中具有 最高的氧化还原电位，因而具有最强的氧化性。对水质的适应能力强，它能灭活 其他氧化剂难以去除的致病微生物，其杀菌能力约是氯的几百倍【2 9 1 。臭氧能选 择性地与水中带有不饱和键的多种有机污染物作用，使之降解为分子量较小的有 机物或部分无机物，相当多的稳定性有机污染物( 如农药、卤代有机物和硝基化 合物等) 可以以被臭氧氧化分解。臭氧一般能够使水中有机物的可生化性增强， 因而与生物活性炭结合使用能够显著地提高对水中有机物的综合去除效率 3 0 , 3 1 l 。 预臭氧可以显著地提高浊度的去除率，减低混凝剂的投加量，延长滤池运行时间 【3 2 】。目前预臭氧已被发达国家较多地应用于给水处理中。如美国的洛杉矶水厂， 预臭氧投加量0 8 m g l ，预氧化时间5 m i r a 美国湖泊水厂，预臭氧投加0 5 - 4 m g l ， 预氧化时间为4 - - 一9 m i m 其他如法国、加拿大、德国等也建有预臭氧处理工艺的 水厂。虽然臭氧氧化技术在我国也进行了多年的研究工作，但由于投资很大、运 行管理费用很高，故一直难以推广应用。 活性炭吸附：吸附法预处理技术是指利用物质巨大的比表面积吸附水中的有 机污染物，是完善常规处理工艺的有效方法之一。活性炭吸附是一种较早应用于 生产的饮用水处理技术。水处理中所用到的活性炭具有发达的孔隙结构，直径 4 n m 的微孔表面积占整个表面积的9 5 以上，具有约为5 0 0 1 5 0 0 m 2 g 的比表面 积 3 4 1 。国外的一些水厂很早就开始使用活性炭去除嗅味，且主要以颗粒活性炭 为主，是目前去除水中广谱微量有机物最为有效的处理工艺之一【3 5 】。研究表明， 即使对t o c 失去活性的颗粒活性炭仍有能力降低水中微量有机污染物的能力 【3 6 】。然而，活性炭的吸附能力也是有限的，特别是污染物种类、工艺运行条件、 活性炭类型、污染物浓度是其主要制约因素鲫。由于我国水源污染较重，活性 第1 章绪论 炭使用不久便饱和、失效，水体污染严重时活性炭只能运行几周时间。虽然活性 炭的吸附性能可以通过再生得到恢复，但更换活性炭频繁、再生费用增高。粉末 活性炭在应用中基建与设备投资成本低，使用灵活方便，但难以回收，使用过程 中运行费用较高，只是在污染严重时期使用。近些年来，人们将粉末活性炭预涂 到某些载体上，不仅提高了粉末活性炭利用率，也同时提高了有机污染物的去除 效率【3 8 ，3 9 1 。 2 生物预处理技术 生物预处理是指在常规的水处理工艺之前增设生物处理工艺，利用微生物群 体的新陈代谢活动，将水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐，以及铁、锰等无机 污染物进行初步去除，这样不仅改善了水中污染物的混凝沉淀性能，还减轻了常 规处理和后续处理工艺的负荷。从国内外的研究和相关的工程实践中可以看出， 生物预处理大多采用的是生物膜法，用于微污染原水的生物预处理工艺主要是陶 粒生物滤池和生物接触氧化等技术。生物预处理的优点主要是有效降低混凝时所 需混凝剂投加量m 】，延长过滤等物化处理单元的使用周期和使用量，降低水处理 费用。缺点是基础建设一次性投资大，占地面积大，微生物群体的新陈代谢受温 度影响大，在我国的北方难以推广使用。 1 4 3 深度处理技术 深度处理通常是指在常规处理工艺之后，运用适当的处理方法，将常规处理 工艺中不能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，改善并保证饮用 水质量。显而易见，相比传统工艺而言，深度处理工艺的成本高，代价高。因而 在国外较发达国家应用较为普遍，在我国的应用尚处于起步阶段，大部分老水厂 均未采用深度处理工艺，只有部分新建水厂采用了活性炭吸附处理技术。常见深 度处理技术主要有：膜分离技术，化学氧化、生物法及新型合成吸附剂吸附等。 饮用水深度处理技术的发展，将有可能从水的微观状态，到水对人体的生命、细 胞、生殖、遗传、营养等学科进行更为深入的研究，以求获取更能适合人体健康 需要的饮用水。 1 膜分离技术 膜分离技术是以高分子分离膜为代表的一种新型的流体分离单元操作技术， 早在2 0 世纪8 0 年代就已经发展成为饮用水深度处理的核心技术。其特点是能有 效地去除水中的臭味、色度、消毒副产物前体及其他有机物和微生物【4 h 3 1 ，去除 污染物范围广，且不需要投加药剂；工艺适应性强、设备紧凑、处理规模可大可 小、操作维护方便，容易实现自动控制【删。是一种仅靠一定的驱动力，利用膜的 透过性能就能获得很高分离效果，非常节省能源的分离技术。 膜技术作为一种分离、提纯、浓缩、净化技术，其应用于饮用水处理中的技 北京工业大学硕士学位论文 术特点是【4 5 。4 7 】： 出水水质好，水质稳定，几乎与原水水质好坏无关； 由于是物理截留细菌和病毒，消毒剂投量减少，产生的消毒副产物的含 量也随之大为降低； 去除水中贾第虫和隐孢子虫( 两虫) 效果很好，这一点也引起了水处理 工作者的极大兴趣； 膜分离技术分离范围广泛，从无机物，有机物、病毒、细菌、胶体等与 水的分离到特殊溶液体系的分离，如大分子与无机盐的分离，共沸物或近沸物的 分离等都能实现。 膜分离技术只需压力做驱动力，所以分离装置简单，便于操控，易于自 控和维护。 膜分离技术主要包括微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 、反渗透( i 的) 等，各种膜的特点简述如下： 微滤和超滤膜是低压驱动膜，微滤孔径范围为o 1 l o u m ，是所有膜技术中 应用最广泛的一种分离技术，主要用于过滤颗粒、细菌、胶体等；超滤的孔径范 围为o 0 5 l n m ，主要用于去除国体颗粒、悬浮物、大分子有机物和胶体。但两 种膜的明显不足之处在于对有机物的能力较低，因此，在给水处理中必须与其他 工艺相结合，如混凝预处理、活性炭吸附、纳滤或反渗透等，才能保证出水水质 的安全。 纳滤的孔径介于反渗透和超滤之间，其操作压力通常较大( 0 5 - - 1 0 m p a ) ， 纳滤膜是一种具有离子选择性的膜，对二价离子有着高达9 5 以上的去除率，而 对一价离子的去除率在4 0 - 8 0 之间的水平【4 8 】。纳滤工艺主要应用于水中三卤 甲烷潜体、低分子有机物、农药、藻、藻毒素、硝酸盐、硫酸盐、氟、硼、砷等 有毒有害物质的去除。纳滤技术在我国还处于起步阶段，主要用于苦咸水的淡化 和水的软化( 如山东长岛南隍城纳滤工程) ，对饮用水的处理还未见报道。 反渗透膜的截留性能最好，几乎对所有的溶质都有很高的脱除率，出水为纯 水或超纯水。其所需的运行压力很大，成本较高，在海水淡化方面应用比较广泛。 还由于反渗透在去除水中污染物的同时，也会将水体中对人体有益的无机离子和 矿物质去除，因此不宜作为饮用水的深度处理。 2 超滤膜分离技术 超滤膜的分离技术在市政给水处理中的应用已经有2 2 年之久。1 9 8 8 年，世 界上第一座膜分离水厂在美国科罗多拉州的克斯顿建成运行，日产水量为1 0 5 m 3 ， 采用o 2i lm 孔径的中空纤维微滤膜。目前全世界已有几百座膜分离水厂在运行。 j o s e p hq ，j a c a n g e l o 等人f 4 9 j 采用截留分