第18章典型给水处理工艺

《水质工程学(Ⅱ)》第18章典型给水处理系统南阳师院土建学院2014.12目录给水处理工艺系统的选择原则18.1水的除臭除味※18.4以地面水为水源的城市饮用水处理工艺18.2水的除藻※18.3水源水质突发污染及净水技术对策※18.5给水厂生产废水的回收与利用18.6给水厂污泥的处理与处置18.718.1给水处理工艺系统的选择原则18.1.1给水处理的任务给水处理的任务，是将不符合用户要求的原水水质加以处理，使之符合用户对水质的要求。原水：城市生活饮用水都以清洁的天然水源水为原水；城区的工业企业一般使用城市自来水作为工业用水；在城区楼宇和居住小区，供应的城市自来水常因设置贮水及二次供水设施而受到二次污染。部分小区以城市自来水为原水，对水进行深度处理，以制备优质饮用水供人们直接饮用；工业企业对水进行重复利用；针对具体原水中所有不符要求的水质项目，选择多种单元处理方法，将之有机地组合起来，形成一个水处理工艺系统，以达到使处理水的水质符合用水要求的目的。18.1.2给水处理工艺系统的选择给水处理工艺系统应该在技术上可行，经济上合理，运行上安全可靠和便于操作。给水处理工艺系统应通过试验来检验。原则上不存在完全相同的水处理工艺系统。通过试验可得优化工艺组合和优化工艺参数，能节省大量资金。已建原水水质相近的水处理工艺系统的运行经验，也可作为重要参考。由于原水水质和水量常常是不断变化的，水处理工艺系统对水质水量变化的适应性，即抗冲击性能，也是评价技术可行性的重要指标。给水处理工艺系统的经济合理性，是在保证处理水质满足用户要求的前提下，使在资金偿还期限内建设费用和运行费用之和为最低。18.2以地面水为水源的城市饮用水工艺18.2.1水的常规处理工艺（第一代城市饮用水净化工艺）19世纪前，水介烈性传染病流行，人类面临生物安全性问题。20世纪初研发的地面水常规处理工艺，主要是指在以天然地面水为原水的城市自来水厂中采用最广的一种工艺系统，它主要是以去除水中的悬浮物和杀灭致病细菌为目标而设计的。常规水处理工艺系统，主要由混凝、沉淀和过滤三个单元处理方法组成，如图18.1所示。适用于浊度几十至几百NTU的地面水。20世纪中叶，在城市生活饮用水的细菌学指标符合卫生标准的情况下，曾发生过水介病毒性疾病的爆发。研究表明，水的浑浊度与病毒疾病的发病率有关。18.2.2水的深度处理工艺（第二代城市饮用水处理工艺）20世纪70年代，发现城市饮用水中含有种类繁多的有毒有害的有机污染物和氯化消毒副产物等健康威胁——化学安全性问题。有的天然地面水源水有机物含量较高，有的水源水因受污染而致有机物含量增高，有的甚至产生嗅味，水中有机物在氯化消毒过程中会生成对人体有毒害作用的卤代烃，有机物含量高还会对混凝除浊产生不良影响，所以近年来人们都十分关注水中有机物的去除，水厂也开始将有机物的去除做为水处理的一个新的目标。水源水中的有机物可分为天然有机物（NOM）和人工合成有机物（SOC）。天然有机物是指动植物在自然循环过程中经腐烂分解所产生的物质，包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的动物组织及动物的废弃物，颗粒态有机物等，其中腐殖质含量最多。典型的天然有机物不超过10～20种。人工合成有机物种类繁多，大多为有毒有害有机污染物，其中包括致癌、致畸、致突变（三致）有机污染物。水中有一些有机污染物，在微生物分解过程中消耗大量溶解氧，称为耗氧有机物。耗氧有机物一般不具毒性，但通过消耗水中大量的溶解氧恶化水质，破坏水体功能；水中耗氧有机物的分解常释放出营养物质――氮、磷、硫等，会引起水体的富营养化导致水体中水生植物与藻类的大量繁殖。藻类在其生长过程中由于新陈代谢从体内排出的一些代谢残渣，以及藻类尸体分解的产物，称为藻类有机物。水中的颗粒态有机物主要有被大分子有机物包裹的颗粒油，及生物态颗粒有机物。人工合成有机物（SOCS）一般难于生物降解，在环境中有一定的残留水平，具有三致作用和毒性。已发现水中有2221种有机化合物，并且在饮水中发现有756种，其中有20种致癌物，23种可疑致癌物，18种促癌物和56种致突变物。水中存在的内分泌干扰物质，能干扰包括人类在内的生物繁殖过程，造成人类生殖能力下降，导致有的生物物种绝灭。水源水中有毒有机污染物的特点是数量众多，虽然浓度常为ppb级，但却能对人体健康造成危害。常规水处理工艺常用氯消毒，氯与水中有机物作用会生成有毒害的氯化消毒副产物。特别是，当采用预氯化时，会生成较多的有毒害消毒副产物。在常规工艺中，有时采用折点加氯的方法去除氨氮，当水中氨氮含量较高时，折点加氯投氯剂量很大，不仅不经济，并且会生成更多的氯化消毒副产物。仅用常规水处理工艺，已无法将受污染的水源水处理到符合新的生活饮用水卫生标准的程度。活性炭吸附是提高常规工艺去除水中有机污染物能力的比较有效的方法。当采用粉末活性炭时，于常规工艺前投加混凝剂的同时（或之后）向水中投加粉末活性炭，粉末炭在混合池中与水充分混合，再在经絮凝池和沉淀池的流动过程中吸附水中有机污染物，并在沉淀池中随水源水中悬浮物沉淀下来，水中残留的少量粉末炭最后在滤池中被截留。采用颗粒活性炭除污染时，常于常规工艺过滤池之后设置颗粒活性炭滤池。化学氧化是提高常规处理工艺去除水中有机污染物的另一个比较有效的方法。将臭氧和活性炭联用，即先用臭氧对水进行氧化，再用颗粒活性炭进行吸附，这种工艺称为臭氧――活性炭除污染工艺，如图18.2所示。利用活性炭上生成的微生物来去除水中的有机物，称为生物活性炭技术。为了提高去除效果，可以采取强化混凝的方法。强化混凝不仅能提高大分子量有机物的去除率，对小分子量有机物也有一定效果；同时可以提高对浊质的去除率。由常规工艺和臭氧－颗粒活性炭联用组成的工艺，被称为深度处理工艺。水源水中溴化物含量较高的沿海地区，应慎用臭氧氧化工艺。高锰酸钾（投加于常规工艺之前）氧化去除水中的有机污染物，是一项新技术，在常规工艺前投加混凝剂的同时（或前或后，由实验定）向水中投加少量高锰酸钾（0.5－2mg/L）。在高锰酸钾氧化水中的有机污染物后，被还原为二氧化锰，析出后形成新生态水合二氧化锰胶体（催化剂）。故高锰酸钾除有机污染物是氧化和吸附综合的结果。此外，尚未发现高锰酸钾氧化后能生成有毒有害氧化副产物。生物处理是近些年来发展起来的一种除污染新技术，它是将污水生物处理技术移殖用于受污染水源水处理。由于水源水中营养物质的浓度很低，所以用于受污染水源水主要是生物膜法，常用接触氧化池或生物滤池。生物处理构筑物常设于常规工艺之前，如图18.5。生物处理受温度影响较大，较适用于南方地区。高锰酸钾与活性炭联用工艺图18.2.3以超滤为核心技术的组合工艺（第三代城市引用净化水工艺）20世纪末叶，又出现了以“两虫”为代表的新的重大饮用水生物安全性问题。同时，因环境污染而造成水体中藻类（尤其蓝绿藻）大量繁殖，已成为一个重大的生物安全性问题；生物不稳定的水，水中微生物越多，水的生物安全性越低，也是一个重大饮用水生物安全行问题。第二代工艺中的颗粒活性炭滤池，因滤层中滋生大量微生物，使出水中微生物显著增多，即深度处理使水的化学安全性提高了，却使水的生物安全性降低了。超滤取代常规工艺如下图。为改善超滤的经济型，可将超滤置于常规工艺之后。超滤膜前的浊度不超过10NTU。一般可将常规工艺中的过滤去掉。对于季节性或短期发生的以有机物污染为主的微污染原水，可于膜前混凝沉淀工艺中投加粉末活性炭及预氧化剂、助凝剂等。对于长期发生的微污染原水，可将超滤设于深度处理工艺之后，膜前的混凝能去除大分子有机物，随后的臭氧——颗粒活性炭能去除微量有机物，且臭氧能将大分子有机物氧化分解为中、小分子有机物，提高活性炭吸附去除有机物的效果。采用浸没式外压式超滤膜时，向膜池中投加粉末活性炭，可构成高效的超滤膜——生物粉末活性炭反应器。新的以超滤为核心技术的组合工艺（第三代城市引用净化水工艺）如图。18.4水的除藻※藻类的大量繁殖，常使水的感官性状不良；某些藻类在一定环境下会产生藻毒素，对人体健康有害；藻类及其分泌物与氯作用，还会生成氯化消毒副产物；藻类的密度小，不易沉淀除去，进入滤池后会堵塞滤池，使运行周期缩短，反冲洗水量增加，严重时甚至会导致水厂停运；藻类及其分泌物不利于混凝，使混凝剂等投药量增大；未被去除的藻类进入输配管网，成为可被细菌利用的可同化有机物，从而降低了水的生物稳定性，等等。可以采用向水体投加硫酸铜或柠檬酸铜的方法以控制藻类的繁殖。但是，铜对鱼类也有毒性。还可采取由水体不同深度取水的方法，以避开高藻水层，减少取水中藻类的含量。对于进入水厂的含藻水，可以采用预氧化杀藻的方法。常用的预氧化剂有氯、臭氧、高锰酸钾等。混凝是提高除藻效果的重要方法。气浮用于除藻特别有效，但藻渣处理是有待解决的问题。向水中投加粉末活性炭或采用颗粒活性炭过滤吸附除藻，也有一定作用，但一般只于同时除臭除味时使用。在常规工艺之前设置生物处理构筑物，也有一定除藻作用，可以减轻后续工艺的除藻负荷。在常规工艺前设置微滤机除藻，在国外曾是一种使用较多的除藻方法。各种除藻方法，对不同水体水的除藻效果也不同，需通过试验来选定。18.5水的除臭除味※水源中的异臭和异味，常常是由于藻类及其分泌物所致。此外，水中有的异臭异味是土壤中植物和有机物分解所致。当水源水受到工业废水和城市污水污染时，也常产生异臭异味。在水处理过程中，由于药剂与水中物质发生化学反应，也会使水产生异臭异味。活性炭吸附是有效的除臭除味方法。由藻类大量繁殖引起的季节性嗅味，适宜用粉末活性炭去除；因水污染引起的嗅味持续时间很长，甚至终年不断，适应用颗粒活性炭去除。臭氧氧化除臭除味效果很好。当水的嗅味比较浓时，常用臭氧与活性炭联用。高锰酸钾是有效的除臭除味药剂。当水的嗅味浓时，高锰酸钾与活性炭联用，可获得更好的除臭除味效果。用折点加氯的方法，可有效地去除水中的臭和味。二氧化氯除臭除味也较有效，但对三氯化氮无效。当水因含硫化氢而有臭味时，采用使水曝气的方法除臭除味也比较有效。由于水中致臭致味物质多种多样，每一种方法的除臭除味效果都不相同，所以需要通过试验选用有效的处理方法。18.5水源水质突发污染及净水技术对策※略。18.6给水厂生产废水的回收与利用18.6.1概述给水处理厂的生产废水主要来自沉淀池或澄清池的排泥水和滤池反冲洗废水，这部分废水占整个水厂日产水量的3%~7%，对这部分水进行回收和利用，不仅可以节约水资源，提高水厂的运营能力，还可减少废水的排放量。给水厂生产废水回用的方式可以分为直接回用和处理后回用。直接回用是目前国内采用较多的方式，主要有滤池反冲洗废水直接回收利用和生产废水上清液回收两种方式。处理后回用是对生产废水进行处理，使其水质满足原水的常规化学指标和生物指标后再回用，处理方法与生产废水的水质有较大关系。18.6.2给水厂废水的直接回用在国内，多数的给水处理厂是将滤池反冲洗废水直接回收利用，将其抽送至反应池起端。以下为某给水厂对生产废水所采用的直接回用工艺。18.6.3给水厂废水处理后回用在给水厂生产废水回用的过程中需要注意铁、锰等常规指标及微生物指标（贾第鞭毛虫和隐孢子虫）的控制。浊度低并不能保证隐孢子虫等原生动物被去除。想要安全地去除贾第鞭毛虫和隐孢子虫等原生动物，可采用微滤或超滤或臭氧消毒将其杀灭。目前国外对给水厂生产废水进行处理后回用，采用较多的是膜分离技术。德国的Hitfeld给水厂投入运行了一个生产性的超滤工艺。反冲洗水在沉淀槽中沉淀后，再经膜处理回到原水中，超滤膜处理工艺中截留的浓缩物与沉淀槽的污泥一起处理，每3~4个月，必须对膜上截留的化学物质进行清洗。该水厂的水处理工艺流程如下图。18.7给水厂污泥的处理与处置18.7.1概述给水处理厂在生产出符合生活饮用水卫生标准的净化水的同时，也产生了大量的沉淀池或澄清池排泥水和滤池反冲洗废