强化常规水处理工艺

Posted 2023-01-14 臭氧

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近些年来，随着水源污染严重、水质不断恶化和饮用水质标准不断提高，人们开始研究一些新技术强化常规处理工艺或发展饮用水深度处理技术。目前应用较多给水深度处理工艺有活性炭吸附、臭氧氧化、臭氧和活性炭联用、臭氧高级氧化技术、生物活性炭、膜过滤技术等。在此笔者结合大量的实验研究，仅对强化常规给水处理工艺(包括强化混凝、强化沉淀与气浮和强化过滤)、化学预氧化(预臭氧化)等发展情况作以简要论述。
　　
【强化混凝技术】
　　
常规给水处理工艺中对有机物去除起主要作用的是混凝工艺，其去除有机物的机理主要分三个方面：带正电的金属离子和带负电的有机物胶体发生电中和而脱稳凝聚;二是金属离子与溶解性有机物分子形成不溶性复合物而沉淀;三是有机物在絮体表面的物理化学吸附。影响混凝效果的因素很多：混凝剂的种类、混凝剂的投加量、原水水质、混凝pH值、碱度、混凝搅拌程度以及混凝剂与助凝剂的投加顺序等。强化混凝就是通过采取一定措施，确定混凝的最佳条件，发挥混凝的最佳效果，尽可能地去除能被混凝阶段能够去除的成分，特别是有机成分。
　　
由于近年水源受有机物污染严重，高浓度的有机物对水中胶体产生很强的保护作用，致使常规混凝效果变差，因此为提高常规混凝效果，在保证浊度去除率的同时提高水中有机物的去除率，强化混凝处理无疑是一个首选之法。Joseph等人认为强化混凝是去除水中天然有机物比较经济、实用的一种处理工艺;美国工作者普遍认为，强化混凝是达到"饮用水消毒/消毒副产物(D/DBP)标准"第一阶段要求和控制饮用水中天然有机物(NOM)的最佳方法之一;我们的实验结果也表明，某些强化混凝技术能有效地去除天然水中的有机物和藻类，并可降低水中剩余铝的浓度。
　　
强化混凝技术首先要根据水质情况筛选优化确定混凝剂的种类和投量。目前水厂使用的混凝剂大致有三种：铝盐Al(Ⅲ)、铁盐Fe(Ⅲ)以及人工合成的有机阳离子聚合混凝剂，一般铝盐和铁盐的混凝效果要优于人工合成的混凝剂，原因是这两种混凝剂可以按上述的混凝机理与NOM作用，而人工合成的有机阳离子聚合混凝剂只能通过电性中和与NOM反应，将其去除，对于铁盐和铝盐而言，前者的混凝效果优于后者。尽管各种混凝剂的混凝效果不同，但对于确定的水质，在原水pH值一定的条件下都会存在一个最佳投量，因此应根据具体水质情况优选混凝剂，并利用混凝剂投加量与利用效率之间存在的关系确定最佳投量。投加一定量的助凝剂会强化混凝剂的混凝效果，黄晓东等人在使用PAC混凝同时在水中投加高分子助凝剂，结果表明有机物去除率提高了约10%，藻类去除率也提高了10%～15%。原水pH值也是影响混凝效果的一个重要因素，通常较低的pH值有利于强化混凝对NOM的去除，Robert等人的研究证明，随着pH值的下降强化混凝对NOM的去除率明显升高，Gil等人的研究表明调节水源水的pH值，达到相同的混凝效果可以使混凝剂投量减少50%以上。但并不是pH值越低越好，通常最佳的pH值范围为5.5～6.5。此外，在考虑诸多影响因素的同时，制备化学复合药剂强化混凝处理也是一个新的研究方向，我们利用高锰酸盐复合药剂与强化混凝处理相结合，明显地去除了地表水中的NOM和藻类物质，并降低了处理水的浊度。
　　
【强化沉淀与气浮技术】
　　
沉淀和气浮作为两种传统的水处理工艺，在给水和污水处理领域一直备受关注。从最早使用的自然沉淀，到混凝沉淀，以至今天的平流沉淀池、斜板沉淀池，沉淀作为一种水处理形式不断发展完善。由于近年来水源水质的严重恶化，传统的沉淀处理很难达到理想的出水水质要求，因此各种强化沉淀的措施相继出现：优化斜板间距、优化沉淀区流态、优化排泥，采用斜管代替斜板的斜管沉淀、拦截式沉淀等，即便这样对于某些特殊原水，如低温低浊、高藻水，强化沉淀也难以获得良好的处理效果。
　　
气浮与沉淀是两个相反过程，因此气浮工艺对低温低浊、高藻类水质原水具有良好的处理效果。目前对于气浮也存在许多强化措施，如：优化气浮的接触区和分离区、优化进水和出水、优化个区流态等，此外发展气浮与预氧化结合技术、实现高速气浮与多功能气浮，能够更好地强化气浮处理。但气浮工艺对于高浊度水或水质变化较大的水效果不理想。
　　
沉淀-气浮固液分离工艺就是针对沉淀和气浮两种处理工艺各自存在的弊端，而提出的一种新工艺，以沉淀为主、气浮为辅，发挥了沉淀和气浮各自的优点，工艺的适应性较强，已在国内许多水厂中得以应用，但目前对其机理和设计思想的探讨研究尚没有深入的研究报道。由于沉淀和气浮各自的运行机理截然不同，实践表明，这种工艺也存在很多问题，如：运行过程中的"跑矾花"现象，配水不均，排泥效果差以及工艺构造不合理等等，因此必须对其机理进行深入的分析研究，以达到最佳的处理效果。
　　
我们针对低温低浊、高藻、高色水以及雨季时受地表径流影响出现的突然高浊或持续高浊现象的原水水质问题，对原有的沉淀-气浮处理工艺及其机理进行了系统深入的研究，建立一种新型的气浮-沉淀固液分离处理工艺，来解决原有工艺存在的问题，并获得良好的处理效果。通过与实际工艺系统长期的对比实验研究得出，对于相同或相近的水质原水，新型气浮-沉淀固液分离工艺模型对浊度的平均去除率可提高10～20%;即使对于低温低浊水质原水，实际工艺系统经常出现浊度高于原水的情况下，试验模型也可保证70～80%的浊度去除率;而且对水中有机物的去除率也达到了60～80%，可见新型气浮l沉淀固液分离工艺处理效果要明显优于原有沉淀f气浮工艺系统。
　　
【强化过滤技术】
　　
混凝和过滤是常规给水处理工艺去除原水中有机污染物的两个主要工序。通常混凝沉淀后水的水质与未经处理的原水水质大不相同，混凝沉淀过程去除了大部分的水中天然有机物，与此同时提高了水中溶解性有机物的含量，并使水中残留有少量的混凝剂，出现剩余铝浓度超标问题，可以说过滤是常规净水系统中控制出水水质的关键工序。目前多数水厂采用廉价的石英砂作为滤料对水进行过滤处理，由于石英砂的净水机理主要是采用机械截留作用，对水中的悬浮物具有比较好的去除效果，而对溶解性污染物，如重金属离子、溶解性有机物等几乎没有去除作用，因此为了改善滤池处理效果，确保供水水质，必须对滤池系统进行强化改进。
　　
对于过滤工艺采取强化措施是多方面的，可以对滤速进行控制、使用新型滤池、用多层滤料代替单层滤料以及投加助滤剂等等。由于强化过滤技术的关键是滤料，因此绝大多数工作都是针对强化滤料展开的，研制优于传统滤料的过滤介质，可以改善整个水厂的制水工艺，提高出水水质，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等。
　　
实践表明，改性滤料能充分地发挥在滤料表面增加巨大的比表面积和强化的吸附能力，以及与水中各类有机物、细菌、藻类接触过程中由表面涂料所产生的强化吸附和氧化净化功能，其不但能净化大分子和胶体有机物，同时还可以大量吸附和氧化水中各种离子(包括重金属离子)和小分子可溶性有机物;此外我们的实验研究也表明，采用改性滤料强化过滤，出水水中剩余铝的浓度要远低于国家水质标准0.2mg/L，故可达到全面改善水质的目的。
　　
【臭氧预氧化技术】
　　
臭氧自1876年被发现具有很强的氧化性之后，就得到了广泛的研究和应用，尤其是在水处理领域。早在1893年荷兰就使用臭氧进行消毒，1905年法国开始使用臭氧对饮用水进行消毒，到20世纪60年代末臭氧开始用于饮用水原水预氧化，发展到今天臭氧预氧化用于水处理过程已是比较成熟的技术，但在使用过程中仍存在很多问题，且单独氧化处理效果不是十分理想，仍需同其它工艺进行结合，以体现其优势。
　　
通常臭氧作用于水中污染物有两种途径，一种是直接氧化，即臭氧分子和水中的污染物直接作用。这个过程臭氧能氧化水中的一些大分子天然有机物，如腐殖酸、富里酸等;同时也能氧化一些挥发性有机污染物和一些无机污染物，如铁、锰离子。直接氧化通常具有一定选择性，即臭氧分子只能和水中含有不饱和键的有机污染物或金属离子作用。另一种途径是间接氧化，臭氧部分分解产生羟基自由基和水中有机物作用，间接氧化具有非选择性，能够和多种污染物反应。
　　
臭氧的强氧化性决定其与水中的污染物作用后可获得不同的处理效果，因此使用臭氧预氧化的目的依水质而异，也与使用情况有关。研究表明，臭氧预氧化对水质的综合作用结果取决于臭氧投量、氧化条件、原水的pH值和碱度以及水中共存有机物与无机物种类和浓度等一系列影响因素。
　　
首先，臭氧预氧化可破坏水中有机物的不饱和键，使有机物的分子量降低，可溶解性有机物DOC的浓度升高，具体表现为AOC和BDOC的浓度升高，从而提高有机物的可生化性，但Ames实验表明部分氧化中间产物具有一定的致突变活性，需要提高臭氧投量来降低这些产物的毒性活性，此外臭氧也会将氨氧化成硝酸盐，但中性条件下氧化速度极慢，控制溶液的pH值可以提高反应速度。
　　
其次，对于具有较高硬度和较低TOC的原水，通常在TOC含量为2.5mg/L左右、硬度与TOC比值大于250mg/LCaCO3/mgTOC时、低的臭氧投量(0.5～1.5mg/L)等条件下可起到助凝作用，提高混凝效果，但由于臭氧预氧化会提高水中有机酸的浓度，而部分有机酸会与混凝剂中的铁、铝离子络合，从而使得滤后水中铁或铝的总浓度升高，故需对其采取一定措施进行处理，以达到国家制定的生活饮用水水质标准;此外，臭氧氧化能够灭活水中的一些致病微生物，如细菌、病毒、孢子等，也能够强化去除藻类物质及其代谢产物，进一步提高常规给水处理的除藻效果，并且还可去除水中含有不饱和键的嗅味物质。
　　
再者，对于氯化消毒副产物前质，臭氧预氧化可对其进行一定程度的破坏，或使之转化成副产物生成势相对较低的中间产物，但不可避免地也会升高一些其它物质的副产物生成势，同时产生一些臭氧副产物。实验表明，当水中溴离子浓度高时，采用臭氧预氧化工艺的水厂出水溴酸盐浓度普遍升高，臭氧氧化可将原水中的溴离子氧化成溴酸盐和次溴酸盐，溴酸盐本身具有致癌作用，而次溴酸盐与氯化消毒副产物前质作用，会生成毒性更强的溴代三氯甲烷，对人类造成更大的威胁。一些欧美发达国家，已经开始对溴酸盐生成量进行限定，1993年世界卫生组织规定溴酸盐最大允许浓度为25g/L，美国环保局则将其最大允许浓度限定为10g/L。
　　
上述作用结果表明，单纯使用臭氧氧化，出水水质并不十分理想，特别是对于氨氮的去除以及出水生物稳定性控制等，因此必须将臭氧预氧化与其它水处理工艺结合起来，如滤后采用活性炭吸附，或发展臭氧预氧化与生物活性炭联用技术，以进一步强化处理效果。
　　
虽然臭氧具有比较强的氧化性，但是其设备投资大、运行费用高，即使在发达国家，臭氧仍是一种昂贵的水处理技术。我国关于臭氧预氧化方面已经进行了20多年的研究工作，但目前此工艺在水厂中的应用仍十分有限。结合我国水源污染状况，研究经济有效可行的除污染技术是十分必要的。