天津地区饮用水处理工艺系统集成研究

中国图书分类号：TU911.2国际图书分类号：628.162工学博士学位论文天津地区饮用水处理工艺系统集成研究博士研究生：赵志伟导师：崔福义教授申请学位：工学博士学科、专业：市政工程所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2007年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：TU911.2U.D.C：628.162DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTHESYSTEMINTEGRATIONSTUDYFORDRINKINGWATERTREATMENTPROCESSINTIANJINCITYCandidate：ZhaoZhiweiSupervisor：Prof.CuiFuyiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpecialty：MunicipalEngineeringAffiliation：SchoolofMunici.&Envir.Eng.DateofDefence：June,2007Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要近年来随着社会和经济的发展，水资源受到了越来越严重的污染和破坏，各地水污染事件时有发生。而国家和人民群众对饮用水水质的要求却是越来越高，2006年我国推出了严格的饮用水水质新标准。与此同时，我国大部分城市的自来水厂采用的常规工艺，难以应对频发的污染问题和无法满足人民群众对水质的要求。因此，针对现阶段水源水质的特点，研究安全、高效、低耗的饮用水处理工艺系统，具有重要的现实和战略意义。本研究以天津地区的水源水作为研究对象，以实际工程应用为目标，开展了较为系统的中试试验。试验以天津地区的水质特点和水质分期情况为依据，以适合于天津水源水质的单元工艺为基础，确定了适合于不同时期天津水源水的组合优化处理工艺系统，并得出了如下重要成果。首先采用聚类分析中的Wards法对天津地区的滦河水源水和黄河水源水进行了聚类分析。分析发现：在一年的周期中，滦河源水可以分为3个水质期，黄河源水可以分为2个水质期。在确定了水质期的基础上，利用因子分析法对各个水质期的重要信息进行了提取。通过以上分析发现，滦河的3个水质期可以分类为高温高藻期、低温低浊期和常规水质期；黄河的2个水质期可以分类为高污染期和低污染期。接下来对滦河和黄河源水进行了相关的时间序列分析，得出了各个主要污染物随时间的变化函数，为水处理工艺系统的远期设计提供了重要依据。根据天津地区的水源水质特点，从预处理技术子系统各集成单元、强化混凝集成单元、强化气浮/沉淀集成单元、强化过滤集成单元、深度处理子系统各集成单元、安全消毒集成单元等入手，进行了单元工艺系统的集成结构构建及其在水处理系统中的效能评价。研究发现预氧化具有明显降低混凝剂投药量，提高气浮和过滤常规处理单元出水水质作用；粉末活性炭预处理具有改善常规工艺出水水质的作用；强化混凝、强化气浮、强化过滤等强化常规工艺提高了常规工艺对有机物、浊度、藻类、消毒副产物前体物等的去除效率；臭氧生物活性炭深度处理技术能够有效去除水中各类有机物；短时游离氯后转氯胺的顺序氯化消毒工艺安全经济地实现对病原微生物和消毒副产物的双重控制。在单元处理工艺系统集成结构构建的基础上，针对滦河水源高藻期、滦河水源正常期、黄河水源低污染期、黄河水源高污染期四个水质期的原水水质特-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文点，以强化常规处理工艺系统和强化常规处理工艺系统+深度处理工艺系统为基本形式，进行了组合处理工艺系统的系统研究和评价。在滦河水源高藻期，在32种常规和强化常规处理工艺系统中优选出了适合的3种强化常规组合处理工艺系统。在13种深度处理组合工艺系统中，发现气浮常规处理工艺系统与臭氧生物活性炭组合和强化常规处理工艺系统与臭氧生物活性炭组合工艺系统能够满足供水水质安全的各项要求。在滦河正常水质期，根据7种强化常规处理工艺系统的比较发现，HPAC强化混凝气浮－过滤处理工艺系统可以满足供水安全要求。在针对5种深度处理组合处理工艺系统的研究中，得出了常规处理工艺系统与臭氧生物活性炭组合工艺系统是昀优系统。针对黄河低污染期的水质特点，在14种常规和强化常规处理工艺系统中优选出了3种出水保障率较好的处理工艺系统。在12种深度处理组合处理工艺系统的研究中，发现强化常规处理工艺系统与臭氧生物活性炭组合工艺系统为昀优工艺系统。选择13种常规和强化常规处理工艺系统以黄河高污染水为原水进行研究，发现常规和强化常规处理工艺系统的处理效果不是很理想。进一步重点考察了12种常规/强化常规+深度处理组合工艺系统得处理效果，结果发现只有臭氧预氧化－气浮－过滤－臭氧生物活性炭处理工艺系统满足出水约束。昀后，以层次分析法和灰色关联度等数学方法为基础，从经济和技术相结合的角度，对适合不同水质期的各个处理工艺系统进行了进一步的工艺系统优化，发现适合滦河高藻期的处理工艺系统是“HPAC强化混凝气浮－过滤－臭氧生物活性炭系统”，其制水成本为0.64元/m3；适合滦河正常水质期是常规处理工艺系统HPAC强化混凝气浮－过滤工艺系统，制水成本仅为0.52元/m3；适合黄河低污染水质期的处理工艺系统是HPAC强化混凝气浮－过滤－活性炭，制水成本为0.57元/m3；适合黄河高污染期的处理工艺系统是臭氧预氧化－HPAC强化混凝气浮－过滤－臭氧生物活性炭是较为合适的处理工艺系统。综合以上因素，昀终确定了一套完整的适合于天津地区和北方地区的水处理工艺系统：臭氧预氧化－HPAC强化混凝气浮－过滤－臭氧生物活性炭工艺系统。关键词水质分期；集成单元；组合系统；系统优化；集成-II-AbstractAbstractIntherecentyears,asthedevelopmentofsocietyandeconomy,waterresourcesarepollutedmoreandmoreseriouslyandthiskindofcaseshappensometimesindifferentplaces.However,therequirementforthewaterqualitybecomeshigherandhigherinourcountry.In2006,ourcountryconstitutedanewstandardfordrinkingwater.Atthesametime,theroutinetechnologiesusedinwaterworksarehardtosolvethepollutionproblemsandcannotsatisfytherequirementofpeopleforthewaterquality.Therefore,accordingtothefeaturesofwatersourceandwaterquality,theresearchofsafe,high-efficientandlow-consumeddrinkingwatertreatmenttechnologieshasanimportantlypracticalandstrategicmeaning.WiththewatersourceinTianjinasresearchobjectsandpracticalprojects’applicationastheaim,theresearchmakesaseriesofexperiments.AccordingtothewaterfeaturesinTianjinandwaterqualitybysteps,basedonthetechnologiessuitableforthewatersourceandwaterqualityinTianjin,theseexperimentsfixoncombinationoptimizationtreatmentsystemsuitableforwatersourceindifferentperiodsandhavegotagreatachievement.Firstly,weclusteringlyanalysedthewatersourceinLuanRiverandHuangRiverinthemethodofWards.WefoundthatLuanRiverhad3differentperiodsofwaterqualityandHuangRiverhad2.Havingfixedondifferentperiods,wedistilledimportantinformationfromdifferentperiodsusingthegeneanalyticalmethod.Throughaboveanalysis,thethreeperiodsofLuanRiverwasdividedintohigh-temperatureandhigh-algaeperiod,low-temperatureandlow-tubidityperiodandconventionalperiod;thetwoperiodsofHuangRiverwasdividedintohigh-pollutionperiodandlow-pollutionperiod.Thenweanalysedthewatersourceintimesequenceandgotthechangingfunctionofmainpollutantsastimechanges,whichprovidedimportantproofforthelong-termdesignofwatertreatmentsystem.Accordingtothecharacteristicsofinfluentwaterquality,westartedfromthestudyofintegratedcellssuchasenhancedcoagulation,enhancedfiltration,advancedtreatment,safetydisinfection.Andwetookanevaluationfortheeffectivenessoftheintegratedcells.FromthestudywecansaythatPre-oxidationhavesomegood-III-哈尔滨工业大学工学博士学位论文effects,suchasreducingthedoseforcoagulation,polishingtheeffluentwaterqualityoffiltration.Powderactivatedcarbontreatmentcanimprovetheeffluentquality.Enhanceflocculation,enhancedfloatation,enhancedfiltrationallcanimprovetheremovalefficienciesoforganisms,turbidityandalgae.Ozoneoxidizedactivatedcarbontreatmenttechnologycaneffectivelyremoveallkindsoforganismsexistsinthewater.Thedisinfectionprocessofthesequentialdisinfectionprocesswithshort-termfreechlorinepluschloraminescontrolledbothpathogenicmicroorganismsanddisinfectionby-productssafelyandeconomicallyBasedontheintegrationframeworkconstructionoftheunitoftreatmentsystem,thepa