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低温低浊微污染水处理技术研究进展(一)

低温低浊微污染水处理技术研究进展

    摘要:低温低浊水处理一直是给水处理工程中的难题之一。文章从水温、水中微粒浓度及有机污染物三方面分析了低温低浊微污染水质难于处理的原因,阐述了低温低浊微污染水源水处理的重要性,探讨了该水质的各种预处理技术和深度处理技术,展望了我国低温低浊微污染源水处理发展趋势。
    关键词:低温低浊水  微污染水  预处理技术  深度处理技术
    一、引言
    低温低浊水是给水处理工程中蕞难处理的特殊水质之一,也是给水处理工程研究的焦点之一。我国北方地区,地表水体水质和水温受地理条件和季节性气候的影响变化很大,一年中大约有4-5个月的时间被冰封盖,此时江河水体的温度降低到0一1℃,浊度为5一30NTU;水库水体的温度降低到2一4℃,浊度为5一10NTU,均为低温低浊水;我国南方地区,也有部分水系每年随着冬天到来,水温和浊度逐渐下降,水温一般在3一7℃,浊度一般在20一50NTU之间变化,同样会遇到低温低浊水的问题。
    近年来,水环境污染越来越严重,导致水源水质日益恶化,水中痕量或微量的化学污染物质一微污染物质不断增加,尤其是那些难于降解、易于生物富集和具有三致作用的优先控制有毒有机污染物,对人体健康造成极大危害。而自来水厂常规净水工艺:混凝、沉淀、过滤、消毒不能有效去除这些污染物,造成饮用水水质下降。而随着人民生活质量的不断提高,检测分析手段的进步,人们对饮用水水质的要求将更加严格,相应供水水质标准也要不断提高。因此,对于低温低浊微污染原水的净化处理已成为一项非常重要和迫切的新课题。为此,本文综述了目前主要的低温低浊微污染水预处理技术和深度处理技术,同时指出今后的发展方向。
    二、低温低浊微污染水难处理原因分析
    低温低浊微污染水具有温度低、浊度低、耗氧量低、碱度低、水粘度大、微污染等物理化学特性,而且水中微粒尺寸小且粒径分布均匀。因此,常规混凝工艺处理,一般难以达到饮用水标准或后续水处理的进水水质要求,常需进行预处理或深度处理。影响低温低浊微污染水净化效果的因素主要有以下几个方面:
    1、水温对水质净化过程的影响
      (1)温度对化学反应速度有较大影响,一般温度升高,化学反应速度加快。根据范特霍夫法则,温度每升高10℃,反应速度增加2~4倍。低温对混凝剂水解速率影响很大,水解是吸热反应,温度低,反应平衡常数小,低温使水解反应速度减慢,混凝剂水解进行不完全。
      (2)低温时水中气体溶解度增加,混凝剂水解过程产生的C02难以及时散出,水解就进行的不彻底,且溶解气体大量吸附在絮体周围,也不利于其沉淀。
      (3)低温时水的粘度大,增大了水流的剪切力,单位时间单位体积颗粒的碰撞次数减少,不利于水中微小颗粒碰撞、凝聚和絮凝体的成长,使絮体含水率上升,絮体变得疏松,密度下降,絮体沉降性能变差。
      (4)低温时胶体颗粒的Zeta点位比较高,胶体颗粒间的排斥势能较大,相互接近需要克服的位能大,而且此时胶体颗粒布朗运动动能减少,不利于胶体颗粒间的碰撞凝聚,使胶体颗粒脱稳困难。
      (5)水温低,胶体的溶剂化作用增强,颗粒周围水化膜加厚,粘附强度降低,妨碍其凝聚,而且水化膜内的水由于粘度增大,影响了颗粒间的结合强度,形成的颗粒密度小,强度低,絮体松散易破碎。
    2、水中微粒浓度对水质净化过程的影响
      (1)低温低浊微污染水中的杂质,主要是以细的胶体分散体系溶于水中,而且胶体颗粒比较均匀,胶体颗粒具有很强的动力稳定性和凝聚稳定性,且带负电的胶体微粒数量很少。所以,为达到电中和所需的混凝剂也
少,形成的絮体细、小、轻,难于沉淀,易穿透滤层。
      (2)研究认为在任何水体中,保证单位体积内颗粒的数量和有效碰撞次数是至关重要的,因为良好的混凝处理效果是基于混凝过程中微粒具有较多的碰撞机会。浊度较低时,单位体积内胶体颗粒数目较少,水中微粒浓度很低,颗粒相互碰撞而聚集的机会也减少,势必影响混凝效果。
      (3)低温低浊水由于固相浓度很小,分散相的面积较小,易形成蕞易溶解的产物一经基络合物,由于其空间网格没有交联的键,因而容易破坏。
    3、水中有机污染物对水质净化过程的影响
    低温低浊微污染水中一般粘土、砂等铝硅酸盐矿物很少,而有机物颗粒在总颗粒中所占的比例很大。国内外的研究结果表明,地表水中的有机物对水体中胶体的稳定性具有重要影响,有机物可吸附在胶体颗粒表面,形成有机保护膜,不但使胶体表面电荷密度增加,而且阻碍了胶体颗粒间的结合。这是由于有机物一般带有较高的表面电荷,如富里酸的表面电荷密度(10C/mgDOC~15C/mgDOC)远高于粘土颗粒(0.1C/mgDOC~1.C/mgDOC)。低温低浊微污染水中的微粒尺寸都较小使这种作用更明显。据报道当高岭土或硅氧化物吸附5mg/L~10mg/L腐殖酸后,其在水中的稳定性提高一倍,或混凝过程中碰撞效率降低一倍;此种影响随有机物浓度升高或溶液pH值降低而更加显著。
    水中有机物对胶体保护作用导致混凝剂投量大幅度提高。Edzwald基于富里酸与无机颗粒所带电荷量的差异,指出如果向某个含有10mg/L无机胶体悬浮液中加入3mg/L富里酸,混凝剂投量需增加6倍才能使之脱稳。水中有机物浓度高使混凝剂药耗增大、制水成本升高。由于我国多数水厂采用的是含铝混凝剂,造成出厂水中铝离子浓度过高,影响居民的身体健康。此外,由于天然有机物在水中含量较高(mg/L数量级),会与加入的水处理药剂(如消毒剂C12、O3等)作用,转化为有害的有机物或中间产物。
    三、低温低浊微污染水处理技术现状
    低温低浊微污染水对水质净化过程产生的不利因素,影响着水处理的每个环节。目前,我国对低温低浊微污染水的处理主要是在常规处理基础上增加预处理和深度处理,来提高净水效果。
    1、预处理技术
    预处理是指在常规处理工艺之前,增加新的处理单元主要去除水中的有机污染物,同时也具有除味、除臭及除色作用。从而使后续处理工艺变得简单易于操作,减少药剂剂用量,降低运行成本,改善出水水质,提高饮用水的安全性。常采用预处理技术有:化学氧化预处理技术、吸附预处理技术及生物预处理技术等。
    (1)化学氧化预处理技术
    化学氧化预处理是一种传统处理方法,是指向微污染水源水中投加化学氧化剂,以氧化分解水中的有机物。化学氧化法同时还能有效提高常规混凝工艺效率,其主要原因在于氧化剂能破坏无机胶体颗粒表面的有机涂层,从而降低其稳定性。高锰(铁)酸盐复合药剂法正是基于此点提出的,该药剂由高锰(铁)酸钾(主剂)和其它多种药剂(辅剂)组成在处理微污染水体中表现出极好的协同作用,针对低温低浊微污染水体,其助凝、助滤、去除有机污染物的效果尤其明显。高艳娇等采用次氯酸盐氧化法制备高铁酸钾,对高铁酸钾处理低温低浊水原水进行研究。试验表明:高铁酸钾具有混凝作用,对原水浊度去除效果好于聚合氯化铝。在原水浊度为20NTU,pH值为7.7,水温为6℃的条件下,投加高铁酸钾30mg/L,滤后水浊度为0.2NTU,高铁酸钾具有消毒作用,经其处理的原水细菌总数和大肠菌群数等细菌学指标均能满足国家生活饮用水一级标准。马军等用具有一定氧化能力的高铁酸盐复合药剂作混凝剂,强化混凝处理低温低浊的松花江水,沉淀后的浊度可降到2~4NTU,滤后浊度达到小于0. 5NTU。梁恒等考察了高锰酸盐复合药剂(PPC)安全强化低温低浊水的处理效能,试验表明:PPC预处理技术在助凝、助滤、去除水体中有机污染物等方面都具有比预氯化更好的处理效果。该项技术对于低温低浊水处理具有很好的应用前景。
    (2)吸附预处理技术
    吸附预处理技术是指利用物质的吸附性能或交换作用来去除水中污染物的方法。目前用于水处理的吸附剂有活性炭、硅藻土、二氧化硅、活性氧化铝、沸石及离子交换树脂等。近年来又研制开发了一些新型吸附材料,如多孔合成树脂、活性炭纤维等。其中用的蕞多的是对水中有机污染物和臭味有较强吸附作用的疏水性物质一活性炭。活性炭属于一种非极性吸附剂,对极性、弱极性的有机物有很好的吸附能力。在水处理中,活性炭由于具有发达的细孔结构和巨大的比表面积,不仅对除臭、去味、除浊具有良好的效果,还对水中溶解性有机物、人工合成有机物及生物法和化学法难去除的有机物也有很强的去除效果,也可以用来吸附去除部分重金属离子。李英等对粉末活性炭处理微污染低温低浊水的研究,实验结果表明:粉末活性炭具有助凝作用,在常规水处理工艺基础上结合投加粉状活性炭,可降低水的浊度、色度、臭和味等,大幅度降低水的致突变活性,使之由阳转阴,处理后的水达到国家生活饮用水水质标准。
    (3)生物预处理技术
    生物预处理是指在常规净水工艺之前,增设生物处理工艺,借助于微生物群体的新陈代谢活动,去除水中可生化有机物特别是低分子可溶性有机物、氨氮、亚硝酸盐、铁、锰等污染物。研究表明:生物预处理技术是去除微污染水源水中氨氮和有机污染物的一种行之有效的方法,在环境温度适宜的条件下,氨氮去除率可达80%以上;并改善了混凝沉淀性能,减少混凝剂用量,降低运行成本,使后续处理工艺变得简单易于操作,蕞大可能地发挥了处理工艺整体作用;而且还可以减少水处理中氯的消耗量,减少水中卤代有机物的生成量,改善出水水质,提高饮用水的安全性。**泳等针对低温低浊微污染水源,采用生物预处理的手段进行现场试验研究。结果发现:以陶粒为载体的生物预处理工艺,能去除水中有机物TOC或COD20%~30%、SS  50%~70%、氨氮80%。(COD、氨氮、SS监测仪表生产厂家:上海博取仪器有限公司www.boqu17.com)低温时去除率受到一定影响,但仍有一定的去除有机物及氨氮的能力,水库水的低浊度和有机物含量较多的性质有利于生物预处理工艺对水中有机物的控制。
    2、深度处理技术
    深度处理通常是指在常规处理工艺以后,采用适当的处理方法,将常规处理工艺不能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除,提高和保证饮用水质。应用较广泛的深度处理技术有:膜生物反应器技术、膜分离技术、臭氧一生物活性炭技术等。
    (1)膜生物反应器技术
    膜生物反应器(MBR)是由膜分离技术与生物反应器相结合而形成的一种生物化学反应系统,其实质是生物降解与膜分离相互影响,共同作用的过
程,即MBR在利用微生物对水中可生物降解污染物进行生物转化的同时利用膜组件分离水中不可生物降解杂质,并截留生化反应的产物一生物体。由于具有固液分离率高、出水水质好、处理率高、占地空间小、运行管理简单、剩余污泥少等优点,膜生物反应器在饮用水深度处理领域己经受到越来越多的关注和应用。针对低温低浊水处理的难题,左金龙等采用膜生物反应器(MBR)工艺对松花江冬季原水进行处理试验研究,考察MBR工艺对浑浊度和有机污染物的去除效果及膜过滤周期。试验结果表明:MBR工艺对浑浊度的去除率在90%以上,出水浑浊度低于1 NTU。对高锰酸盐指数和UV254的去除率分别可达40%一50%和30%一45%,膜过滤周期较长,可达60~70h。MBR工艺可有效处理低温低浊水,出水水质优于常规工艺出水水质;在原水有机物污染严重时,可投加PAC,形成PAC与MBR组合工艺,增强对有机污染物的去除效果。
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