给水处理理论与工艺

给水处理理论与工艺市政环境工程学院张立秋主要内容•世界与我国水资源现状•我国饮用水源水质与饮用水水质标准之间的矛盾•常规处理工艺的强化•给水深度处理技术•消毒技术与管道卫生学•展望地球上水的总量1.361018m3淡水储量仅为3.51016m3不足全球总水量的3%易开发利用的淡水储量为4.01015m3，占淡水的11%世界水资源概况世界水资源研究所：全世界有26个国家2.32亿人口面临缺水的威胁联合国发出警报：世界范围内的缺水问题将严重制约本世纪的经济发展，并有可能导致国家和地区间发生冲突和战争我国水资源现状人均水资源占有量2200立方米约为世界平均水平的1/4排名世界第112位每年因缺水而造成的经济损失约2000~3000亿元饮用水源水质与饮用水标准我国水资源特点我国水资源特点水资源危机与水质灾害水资源短缺水质污染时空分布不均匀人均水资源拥有量仅为世界平均值1/490%以上的城市水源受到不同程度污染饮用水水质问题•微量有机污染物•藻类及其代谢产物（藻毒素）•嗅味•氯化消毒副产物•致病微生物•有机物对胶体的保护作用•稳定性铁锰、色度•氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐等•管网微生物再繁殖（二次污染）•重金属•微量有机污染物—浓度低、毒性大，“致癌、致畸、致突变”，有些是“内分泌干扰物质”,特别是由于面源污染引入的农药等污染物—杀虫剂、塑化剂、双酚树脂组分、酞酸酯（玩具、乙烯地板、清洁剂、PVC制品）、表面活性剂（烷基酚）等—危害：破坏人类的生殖系统，会提前或延迟青春期的时间。•藻类及其代谢产物—我国水体富营养化，藻类过量繁殖，有些水体几千万个/L—藻类在代谢过程中产生的藻毒素直接危害人体健康—藻类影响常规水处理工艺，而且在消毒过程中会与氯作用生成氯化消毒副产物•嗅味—化学污染物引起的嗅味，如氯酚、硫化物等—藻类代谢产物—很多嗅味有机物浓度很低(ng/L级),难于被现行的常规给水处理工艺去除•有机物在消毒过程中与氯作用生成有害副产物HOCl+天然有机物及有机污染物副产物前质!氧化的NOM醛、酸等卤代有机物•TOX•THMs•HAAsClClClCHBrClClCHBrClBrCHBrBrBrCHChloroformBromodichloromethaneChlorodibromomethaneBromoformTheTHMs氯仿一溴二氯甲烷溴仿二溴一氯甲烷•致病微生物—贾第虫(包囊，长9-12μm),宿主有哺乳动物、两栖动物、鸟类—隐孢子虫(包囊，长4-6μm),寄生于哺乳动物、鸟类、鱼类、—难以被水厂现行的氯消毒工艺灭活—引起流行病爆发（如美国）•有机物对胶体的保护作用—水中有机物浓度偏高—天然有机物浓度增加3mg/L(以TOC计)，投药量需要增加约5倍—水厂药耗很高,铝浓度偏高（老年痴呆症）—我国水土流失严重，流失率高达30%—有机物在无机胶体表面形成高负电保护层•与地下水中的铁锰不同，地表水中的铁锰与有机物络合，难于去除•在给水厂中剩余的微量铁锰，会使水的色度增加，影响水的感官指标有机络合性铁锰•氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐—在一定条件下氨与氯作用生成氯氨，消耗氯，影响消毒效果—在一定条件下氨被转化成亚硝酸盐，对人体有害—硝酸盐的浓度一般不高可生物同化有机物•水消毒以后，细菌在水输配过程中仍会再度繁殖，这种水在生物学上认为是不稳定的。将水中能为细菌繁殖提供条件的有机物去除，使细菌不能再度繁殖，认为水已具有生物稳定性•去除水中可生物同化有机物，有利于保障管网水质饮用水标准•1976-1984我国23项指标•1985年35项指标，增加了某些农药和消毒副产物等•2000年建设部行业标准—88项指标•2001年9月1日卫生部规范—96项指标•2003年建设部行业标准—101项指标卫生部规范-饮用水标准新增加指标（2001年9月1日）浊度1度（原标准3度）Al0.2mg/L耗氧量3mg/L常规指标非常规指标农药等有机物及消毒副产物50多项重金属8项硫化物1项、钠1项饮水与健康•据世界卫生组织报道，80%疾病与水有关•《２００２年世界卫生报告：减少威胁和促进健康生活》不洁饮水为人类健康的10大威胁之一。•但长期饮用纯水也不利于人体健康•需要加强对城市饮用水水质净化现行常规给水处理工艺的主要功能原水混凝沉淀过滤消毒出水•悬浮性成分（粘土颗粒、有机颗粒等）•天然有机物（如腐殖酸、富里酸等）•胶体成分（如无机与有机胶体）•微生物（细菌、浮游生物、藻类等）但常规处理对于水中微量有机污染物和氨氮等污染物的去除效果较差浓度低、危害大、去除难饮用水源中微量有机物特点饮用水水质安全保障技术水质处理管网输配水源保护城市水源保护和受污染水体恢复饮用水源保护•控制点源污染（工业与城市污水）•控制面源污染（农药、化肥、大气污染降雨等）•饮用水水源保护（饮用水源设保护区，严格控制人类和牲畜的污染）•清除水体底部污染沉积物•采用各种水体修复技术：复氧、化学剂处理、生物修复技术等•加强对水源水质的监测、设立水质预警系统常规处理工艺的强化措施•强化混凝•预氧化技术•强化沉淀与气浮•强化过滤技术强化混凝措施•混凝剂的优选•助凝剂•混凝条件的改善与高效混凝设备•混凝剂投量的控制•根据水质情况选择合理的混凝剂及组合如采用预先部分水解的混凝剂(聚合铝、聚合铁、聚硅铝、聚硅铁、聚合铁铝等）•控制最优的混凝条件如pH,混凝剂投量•几种混凝剂（具有不同水解速度）的组合混凝剂的优选投加助凝剂3.聚合物(天然或人工合成的)天然的:淀粉,甲壳素2.投加比重大成分或吸附剂膨润土:10to50mg/L粉末石灰石粉末硅粉末活性炭1。活化硅酸Na2O+SiO2Na2SiO3OH(-O-Si-O-)nOH混凝条件的改善与高效混凝设备•高效混合设备•机械搅拌具有较大的适应性，但对设备质量要求高•网格絮凝、折板絮凝等•数学模型法•流动电流•PDA（透光率脉动检测）•显微摄像观测混凝剂投量的自动检测控制预氧化措施•除藻•消毒•除色•分解嗅味有机物•强化混凝(破坏有机物对胶体的保护作用)•降解农药•氧化铁锰•生物稳定性00.511.522.53氯二氧化氯高锰酸钾过氧化氢臭氧高铁酸钾原子氧羟基自由基氧化剂标准E（V）可应用于给水处理中的氧化剂目前能够工程应用的预氧化措施主要包括：臭氧氧化、高锰酸盐复合药剂预氧化和投氯预氧化臭氧预氧化-原理O3·OH分解H2O,O2H2O,O2直接氧化间接氧化NOMVOCsFe/Mn氧化产物氧化产物臭氧预氧化（效果）•可破坏有机物中不饱和键•可将氨(NH3)氧化成硝酸盐(NO3—)，在中性pH速度极慢•有机物分子量降低、可生化性提高•初级中间产物Ames试验阳性,但在较高的臭氧投量下，致突变活性又会下降。臭氧预氧化效果（续）•较低臭氧投量有利于助凝,投量过高不利于混凝•溶解性有机物DOC浓度升高•由于臭氧氧化,水中有机物羧基官能团增多,滤后水中铝(或铁)总浓度升高(新修订的96项水质指标中铝的残余浓度为0.2mg/L)臭氧预氧化效果（续）•能灭活水中浮游生物、细菌、病毒、孢子及一些致病微生物;在高浓度长氧化时间下显著灭活贾第虫和隐孢子虫•可进一步提高常规给水处理除藻效果•可去除嗅味，对含饱和键的嗅味去除作用有限臭氧预氧化效果（续）•破坏水中部分三卤甲烷前质，水中重碳酸盐含量较高时效果好(直接氧化作用为主)•将溴离子氧化成溴酸根和次溴酸根，后者易于与卤代有机物前驱物质作用生成危害性更大的溴代三卤甲烷•使水中三氯硝基甲烷的生成势升高高锰酸盐复合药剂预氧化技术1982-1990年重点研究了高锰酸钾除污染特性高锰酸钾的强化混凝与强化过滤特性1990年以后高锰酸盐复合药剂的除污染特性强化混凝与除污染特性高锰酸盐复合剂除污染生产应用观测(20万吨/日规模)0500001000001500002000002500003000003500003.008.0013.0018.0023.0028.0033.0038.00Time--Abundance原水0500001000001500002000002500003000003500003.008.0013.0018.0023.0028.0033.0038.00Time--Abundance高锰酸盐复合药剂处理滤后高锰酸盐复合剂对水中藻类去除效果藻含量：2.5×106个/L，pH7.2-7.5,水温27oC020406080020406080聚合铝投量（mg/L）沉后藻类去除率（%）现行工艺沉后高锰酸盐预氧化高锰酸盐复合剂对嗅味的去除效果（巢湖水）2100021000200002000000.20.40.60.811.21.41.61.82嗅味（级）PAC1min+PPCPAC+PPC（同时）PPC1min+PACPPC10min+PACPPC0mg/LPPC0.4mg/LPPC0.5mg/LPPC0.75mg/LPPC1.0mg/L•优化斜板间距•斜管沉淀•气浮•多功能沉淀-气浮强化沉淀与气浮强化处理低温低浊、高藻等难处理水质且提高处理系统的适应性,特别是突然高浊、持续高浊等时期处理困难问题沉淀-气浮的技术特点•适应性强•已经在很多水厂应用•研究了能够满足气浮和沉淀要求的设计方法•通过流态斜板、间距、池子的几何尺寸等优化，提出了一种新的设计方法•该方法是为以气浮为主导的设计思想•按此方法进行的模型实验比现行的生产运行的气浮-沉淀系统有更高的水质强化过滤技术•采用双层或多层滤料•采用助滤剂•采用改性(滤料表面改性)•降低滤速(5m/h以下)•减速过滤•采用新型滤池(如翻版阀滤池)改性滤料现行的石英砂滤料多功能改性滤料吸附能力有限提高表面吸附能力进水进水改性滤料对水中藻类的强化去除效果（滤前水平均叶绿素含量147.73mg/L）0501001500246810过滤时间（h）叶绿素a含量（mg/L）复合改性砂石英砂给水深度处理技术•活性炭吸附•臭氧-活性炭联用•高锰酸盐预氧化与活性炭联用•臭氧高级氧化技术•膜技术•生物处理技术活性炭吸附技术活性炭吸附是去除水中有机污染物最成熟有效的方法之一。存在问题：•活性炭吸附饱和问题•活性炭的选择性吸收•活性炭的再生问题臭氧-活性炭联用技术臭氧-活性炭联用技术能够充分发挥臭氧的强氧化能力和活性炭的高吸附性能，具有良好的除污染效果。存在问题：•投资大，运行成本高•对某些高稳定性的有机污染物去除效果差高锰酸盐预氧化氧-活性炭联用技术同臭氧-活性炭联用技术相比，降低了工程投资和运行成本。高锰酸盐预氧化对生物活性炭去除水中ＣＯＤＭｎ的影响(a)-负荷6m/h(b)-负荷9m/h1020304050600481216202428时间（h）COD去除率（%）预氧化无预氧化(a)10203040500481216202428时间（h）COD去除率（%）预氧化无预氧化(b)高锰酸盐复合药剂预氧化对生物活性炭去除水中UV254的影响(a)-负荷6m/h(b)-负荷9m/h1020304050600481216202428运行时间（ｈ）ＵＶ去除率（％）预氧化无预氧化(a)10203040500481216202428运行时间（ｈ）ＵＶ去除率（％）预氧化无预氧化(b)高锰酸盐复合剂预氧化对生物活性炭出水中色度的影响(ａ)(a)-负荷6m/h(b)-负荷9m/h0510150481216202428运行时间（h）色度（度）预氧化无预氧化05101520250481216202428运行时间（h）色度（度）预氧化无预氧化(b)高锰酸盐复合药剂预氧化对生物活性炭去除氨氮的影响(a)-负荷6m/h(b)-负荷9m/h0204060800481216202428运行时间（h）氨氮去除率（%）无预氧化预氧化0204060800481216202428运行时间（h）氨氮去除率（%）无预氧化预氧化(b)(a)臭氧高级氧化处理技术•目的：去除水中高稳定性微量有机污染物，如农药（内分泌干扰物质）•例如，臭氧只能氧化分解去除10-20%的莠去津（也称阿特拉津，一种除草剂，一种内分泌干扰物质）•粉末活性炭去除小于5%。臭氧催化