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净水构筑物水质控制与检测(一)
【来源/作者】周世红 【更新日期】2017-10-05

给水处理厂由泵房、化学剂投加设备、水处理构筑物、贮存成品水的清水池以及化验室等建筑物所组成。水处理构筑物是改善水质的主要设施,采用的处理过程和构造形式由原水和供水水质以及当地工程状况和经济条件决定。以去除悬浮杂质为主的水厂,一般采用混凝、沉淀、过滤和消毒的处理工艺。原水进入水厂后投加混凝剂并迅速混合,接着缓慢搅动水流,使混凝剂产生的反应物和悬浮杂质结合成容易沉降的絮状颗粒,在沉淀池中和水流分离。水流再经过滤,即清澈可用。混凝沉淀和过滤虽能消除一部分微生物,但远不能达到生活饮用水的细菌标准。在城市水厂和供生活用水的给水站,水流进入清水池时,还须投加消毒剂进行消毒。沉淀和过滤中分离出来的污泥要妥善处理和处置,以免污染环境。当原水浊度较低时,水厂流程可以从简,原水投加混凝剂后可直接过滤,省去絮凝和沉淀。颗粒物可庇护微生物免于饮用水消毒处理的影响,促进细菌生长。在所有情况下,水消毒时,浑浊度必须是低的,这样才能有效消毒。

常规水处理工艺主要包括混凝、沉淀、过滤和消毒,去除悬浮性成分如黏土颗粒、有机颗粒、天然有机物(如腐殖酸、富里酸)和一些微生物(如细菌、浮游生物和藻类)等,原水浊度较高或含沙较多时,则需增加预处理,去除易沉颗粒,否则会导致常规系统的瘫痪,预沉淀处理对象为高浓度的悬浮物,一般采用自然沉淀法,但要有较可靠、连续的排泥设施。当原水水质特殊,典型的处理流程不能使成品水质量达到要求时,还需针对水质选用其他处理过程,如曝气、除铁、除锰、预氯化(除色、臭)、气浮(除藻)、软化、活性炭吸附(去除有机物)以及咸水淡化和水质稳定处理(控制水垢及腐蚀)。

但上述方法对于水中的微量有机污染物、氨氮和藻类等的去除效果不理想,需要采用预氧化处理以减轻后续处理工艺的负担,采用强化混凝、沉淀、过滤和深度处理等措施增强水处理的效果。

预氧化的方法有两种:生物预氧化和化学预氧化。

轻度污染的水主要特征是含有一定数量的有机物和氨氮,生物预处理可以有效而低成本地去除有机物和氨氮,保障常规处理和后续处理正常运行,是水质保障措施的重要环节。生物氧化一般采用接触氧化方法,在接触氧化池中设置填料,并进行鼓风供氧,填料表面长有一层很薄的生物膜,原水中的有机物、氨氮在与生物膜接触的过程中被微生物氧化分解,好氧状态的生物膜除了降解有机物、氨氮、亚硝酸盐外,还可以吸附原水中的藻类、悬浮物、胶体、铁、锰等,使出水的浊度明显降低,减少药剂投加量。生物氧化对水温十分敏感,水温高,生物活性高,处理效果好,当水温在O~3℃时,应适当降低生物氧化的负荷,加大曝气量,也可以取得较好的处理效果。

化学氧化预处理依靠化学氧化剂的氧化能力,达到分解或转化水中污染物的目的。常用的化学氧化剂有氯气、臭氧和高锰酸钾一活性炭复合药剂等。当原水中藻类或有机物含量较高时,容易干扰常规处理工艺的絮凝过程,影响沉淀效果和过滤,在絮凝之前投加化学氧化剂,可杀死或抑制微生物生长,保障常规处理系统正常运行。氯气预氧化导致有机卤化物产生,臭氧的氧化能力强,但是其设备昂贵,而且也会有致癌副产物溴酸盐产生,高锰酸钾一复合药剂工艺简单投资少,可降低混凝剂用量,对有机物的去除具有协同作用,但注意投加量的控制。

铝盐或铁盐按剂量加入原水,搅拌,在合适的pH值下,形成絮凝状固态金属氢氧化物,借助于电子中和、吸附和捕集等过程,沉淀的絮凝物可除去悬浮和溶解的污染物,去除水源水的高浑浊度和颜色等,这是絮凝法水处理。

混凝是在一定的条件下进行的,所以必须控制最优的混凝条件,如pH值、温度、混凝剂成分及其组合、混凝剂投量、搅拌设备的效率等,降低出水浊度和有机物去除率。最佳的混凝剂投量应恰好去除颜色和浑浊。当铝残留浓度超过0.1~0.2mg/L时,在输配水系统中生成氢氧化铝絮状沉积物,在铁存在时会加重水的颜色,产生令人不愉快的颜色和浊度,从絮凝过程的最优化出发,尽量减少终水中铝的残留。在良好的操作环境下,大型水处理设施,铝的浓度可达到或低于0.1mg/L。小厂在资源和能解决特殊操作问题的专业技术方面都受到限制,对于这些小型设施,终水中铝的浓度等于或小于0.2mg/L是可行的。

混凝过程中的水利条件对混凝效果有重要影响,在?昆合阶段,要求药剂迅速而均匀地扩散到水中,水解产物迅速到达水体每一细部而得以充分的利用,被处理水在短时间内进行激烈紊动,一般为20~30s,最多不超过2min。到了反应阶段,要求水的紊动程度逐渐减弱,停留时间延长到15~30min,以创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件,使微小的絮体继续长大而形成均匀密实具有良好沉淀性能的絮凝体。

在混凝过程中,都有一个最佳pH值存在,使混凝反应速度最快,絮体溶解度最小,此pH值可通过试验确定。对于铁盐和铝盐,pH值不同,生成水解产物不同,混凝效果亦不同。用硫酸铝去除水中浊度时,最佳pH值范围在6.5~7.5之间,用于除色时,pH值在4.5~5之间。用三氯化铁时,最佳pH值范围在6.0~8.4之间。硫酸亚铁混凝反应pH值应控制在5~6.5,硫酸铁混凝反应pH值应控制在4~6,聚合硫酸铁混凝反应pH值应控制在6~9。从混凝剂的水解反应可知,水解过程不断产生H+,从而导致pH值下降。要使pH值保持在最佳范围以内,水中应有足够的碱性物质与H+中和。天然水中均含有一定的碱度(通常是HCO3-),它对pH值有缓冲作用。当原水碱度不足或混凝剂投加量较高时,水的pH值将大幅度下降,使混凝剂继续水解困难。因此,应投加碱剂(如石灰)以中和水中的H+

当采用硫酸亚铁作混凝剂时可用氯气将Fe2+氧化成Fe3+等。助凝剂也可用以改善絮凝体的结构,利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用,使细小松散的絮凝体变得粗大而紧密,常用的有聚丙烯酰胺(PAM)、活化硅酸、海藻酸钠、骨胶、粉煤灰、黏土等,适量的聚丙烯酰胺可以大大提高污泥的沉降性能,进一步改善出水水质,有机高分子混凝剂的混凝效果受pH值影响较小。

水温会影响无机盐类的水解,水温低,水解反应慢。另外水温低,水的黏度增大,布朗运动减弱,混凝效果下降,这也是冬天混凝剂用量比夏天多的原因。但温度也不是越高越好,当温度超过90℃时,易使高分子絮凝剂老化或分解生成不溶性物质,反而降低混凝效果。用聚丙烯酰胺絮凝剂处理饮用水时会产生丙烯酰胺单体的残留,通常,水中该聚合物最大允许用量为1mg/L。聚丙烯酰胺具有神经毒性,影响生殖细胞,减弱生殖功能,致癌,诱导哺乳动物基因突变和染色体病变。环氧氯丙烷用作水处理树脂,其主要毒性效应是局部炎症和中枢神经系统损伤,具有遗传毒性,对人可能致癌。

絮凝过程中定量加入粉末状活性炭(PAC),可吸附一些低溶解度的有机化合物,如某些疏水有机氯农药和一些重金属。颗粒活性炭(GAC)吸附成本较强化混凝要高一些,但可以节省药剂和基建投资。

正确投加混凝剂是混凝沉淀运行管理的关键之一,需要根据原水浊度、pH值、水温、碱度和藻类等调节混凝剂用量。自动检测流动电流、pH值和水力条件等可以控制混凝过程和反应过程,利用显微摄像可以观测真实的凝聚状态。

采用流动电流检测法准确反映混凝效果。经过实践应用比较,以此建立的混凝投加自动控制系统能做到检测、投加量调节与原水水量、水质变化同步,并取得满意效果。

显微摄像能够实现水处理过程中对混凝反应后絮体的在线实时检测、评价,并可根据评价结果实现对混凝剂投加的优化控制。它是采用水下摄像方法,利用视觉传感器CCD,通过图像传感技术,获取原水发生混凝反应后的反应絮体二维图片。利用图像处理技术,提取反应絮体性征特性、几何参数;通过模糊聚类分析的方法,利用已建立的絮体样本库,实现对反应后絮体的自动分类、评价,从而以计算机的方式模仿有经验的操作人员对反应絮体的观察、模糊推理、评判、决策的过程,实现水处理过程混凝剂的实时优化投加。

原水投药后,经管道混合进入澄清池,控制系统在澄清池的环形配水管中取样,水样通过取样管流人反应器,在反应器内反应形成细小絮体,然后流过淹没式传感器进行检测,并将检测信号送至测控仪,在测控仪中对检测信号进行处理,得到透光率脉动检测值。测控仪将检测值与预先给定值进行比较,通过PID调节来改变控制输出信号,变频柜根据该控制信号来调节计量泵的频率,从而改变混凝剂的投加量。

由于原水流量、浊度等水质参数的改变会对系统的混凝设定值造成一定的影响,引起沉后水浊度偏离所要达到的目标浊度值。为了使出水浊度不偏离目标值,在澄清池出水处安装清水浊度仪,该浊度仪可以在线检测澄清池出水浊度,并将检测信号输送至测控仪,测控仪可以根据该浊度值与目标值对比自动调节系统的混凝设定值,从而保证澄清池出水浊度稳定在所需的目标浊度(浊度设定值)附近。

沉淀是水处理工艺中泥水分离的重要环节,其运行状况直接影响出水水质。传统的平流沉淀池简单易操作,工作比较安全可靠,但占地面积大,处理效率低,要想降低滤前水的浊度就要较大地增加沉淀池的长度。斜管沉淀池的使用使沉淀效率得到了大幅度提高,但可靠性远不如平流池。斜管中大的矾花颗粒在沉淀中与水产生相对运动,会在矾花颗粒后面产生小旋涡,这些旋涡的产生与运动造成了水流的脉动,这些脉动对于大的矾花颗粒的沉淀没有什么影响,对于反应不完全小颗粒的沉淀起到顶托作用,故此也就影响了出水水质。而小间距斜板沉淀设备总排泥面积是普通斜管的4倍多,故在任何时期排泥均无障碍。由于间距明显减少,矾花沉淀距离也明显变短,使更多小颗粒可以沉淀下来,而小矾花是否沉淀下来是决定沉淀池最终出水水质的关键因素;由于间距减少,水力阻力增大,使之成为水流在沉淀池中水力阻力的主要部分,这样可使沉淀池中流量分布更均匀,基本消除了池头池尾的差别,与斜管相比明显地改善了沉淀条件。沉淀池出水水质稳定,沉后水浊度一般不超过3NTU,滤后水浊度接近ONTU。同时由于沉后水水质好,节约了反冲洗水量,延长了滤料的更换周期。过滤一般是指以石英砂等粒状材料组成的滤料层截留水中的悬浮杂质,从而使水获得澄清的水处理精加工过程,浊度去除率能够达到80%以上,是城镇给水处理系统中,保证净水水质一个不可缺少的重要环节。

用粗砂砾和碎石作滤料的粗滤器可有效地处理高度浑浊(>50NTU)的水。粗滤的优点在于当水经过滤器时,颗粒物同时被过滤和重力沉降所除去。

快速重力砂滤器一般使用石英砂或含无烟煤/石榴石两种(多种)介质,可除去原水中的颗粒物质,降低原水浑浊度(包括被吸附的化学物)和减少其中的氧化铁、锰等。滤器的结构从上到下由粗到细,水往下流,固体物集中在上层,从滤器底部的管嘴收集处理完毕的水,定期用处理过的水逆向洗去蓄积的固体物,有时亦可先用空气冲刷砂子,所产生的稀泥状沉渣需要进行处理。

慢砂滤只适用于低混浊度的水或经过预过滤的水。它们主要用于除去藻类和微生物,包括原虫,能有效去除包括某些农药的有机物和氨。砂层滤器由含砂的槽构成,砂层深0.5~1.5m,砂粒的有效粒径为0.15~0.3mm。原水自上而下流动,在砂层的顶上几厘米形成一个生物层,也被称为“去污层”,可基本除去浑浊和微生物,滤器底部有暗排管或管道收集已处理的水,定期清除和置换顶部几厘米富含固体物的砂层。

参考资料:实用水质检验技术


【关键词】生物预氧化,化学预氧化,净水,水质控制,检测,国家标准物质网 

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