第一章 绪论
1.1 研究背景与意义水是生命之源，在人类社会的发展长河中充当着不可替代的角色，对工农业生产、经济发展和社会进步起着至关重要的作用。在古代社会，人类在有限的知识和能力下，努力适应水环境变化，开发利用水资源，以满足基本生活需要；随着人类社会的不断发展，现代社会对水资源的需求和利用标准也在不断提高，以期达到多目标开发利用，同时实现社会发展、经济效益和生态和谐。随着社会发展的不断进行，人类对水资源开发利用的诸多问题也逐渐暴露出来，水资源短缺和污染问题日益严峻，饮用水源的污染问题尤其恶劣，因此要不断改进和发展水处理工艺，保障人们生活用水需求。1.1.1城市供水水源现状及发展趋势地球上总水量约为13.86亿km3，但淡水储量仅占世界水总储量的2.53%，约为3500万km3，其中人类可开发利用的水资源量仅有1000万km3，约占淡水总量的30.4%[2]。我国国土面积广大，地域辽阔，国土面积达960万km2，处于季风气候区域，东南、西南和东北地区降雨量充沛，因此水资源总量比较丰富。但是，我国同样又是一个人口众多的国家，所以人均水资源占有量仅为2300m3，只相当于世界人均占有量的1/4，美国的1/6，俄罗斯和巴西的1/12，加拿大的1/50，排在世界第121位，处在严重缺水边缘。从未来的发展趋势看，自然界所能提供的有限水资源已经不能满足社会发展对水的需求，突出的供需矛盾使水资源成为国民经济发展的重要制约因素，主要表现在水量短缺严重，分布极不均匀，水源污染严重，“水质型缺水”突出[2-3]。在城市给水水源中，地下水源是我国十分重要的饮用水水源，约有1/3人口饮用水源来自地下水，特别是我国北方城市和广大农村地区。因水资源短缺危机，为满足人口数量增长带来的用水压力，地下水开采负荷严重超标，造成许多地区地表大面积沉降，大量污染物下渗，进一步造成地下水污染。地下水的自净和循环能力弱于地表水，一旦造成破坏，需要几十年甚至上百年才能恢复，给人民的生活健康造成极大危害。地下水污染物主要包括有机物、硝酸盐、重金属、有毒有机物、氟化物、铁锰等，来自于生活污水、工农业生产废水、海水入侵等。目前，我国地下水供水量占总供水量的18.2%，地下水污染总体呈由点到面的发展趋势[4-7]。在目前全国已监测的857眼监测井中，仅有2%达Ⅰ、Ⅱ类水质标准，适用于各种用途；21.2%达Ⅲ类水质标准，适用于集中式生活饮用水水源；其余76.8%适合除饮用外其他用途[4]。地表水污染状况以江河、湖泊污染较为严重。近几年，随着国家对河流水系整顿力度的加大，大部分河流水系的污染恶化趋势得到控制，淮河等水系干流水质出现了改善趋势。根据2011年水利系统对全国水资源质量的监测资料显示，全国全年Ⅰ~Ⅲ类水河长比例为64.2%，比2010年提高2.8个百分点，相较2009年提高5.3个百分点。湖泊水的主要污染项目是总磷、总氮、高锰酸盐指数和BOD5，在2011年评价的103个主要湖泊中，中营养湖泊占31.1%，富营养湖泊占68.9%。Ⅰ~Ⅲ类的水面占总评价水面面积的58.8%，相较2010年减少0.1个百分点，比2009年提高0.4个百分点。水库水的主要污染项目是总磷、总氮、高锰酸盐指数、COD和BOD5，在2011年评价的471座主要水库中，中营养水库占71.2%，富营养水库占28.8%。Ⅰ~Ⅲ类水库数量占评价水库总数的81.1%，相较2010年提高3.1个百分点，比2009年减少0.1个百分点[2,4]。总体来说，水库水质优于湖泊和河流水质，河流水质有好转趋势，湖泊和水库水质呈现稳定状态，富营养化问题应引起足够重视。1.1.2 水库原水水质特征水库原水的主要水质特征是季节性变化，主要表现为：雨季因降雨径流冲刷地表，将地面污染物带入地表水中，极易出现突发高浊情况；冬季水温较低，一般为0~-4℃, 浊度较低可低于10NTU，属典型的低温低浊情况，这种情况可持续4-5个月之久；其余季节属于常温常浊情况[8-9]。水库原水污染主要有两个典型特征，分别是富营养污染和底泥引起的二次污染[2]。水体富营养化是由于水中氮、磷、有机物含量增加，促使藻类大量繁殖，消耗水中溶解氧，以致水体透明度下降，大多数水生动物和植物死亡，水质不断恶化。底泥对水体的污染，一是消耗水中的溶解氧，造成底部贫氧或厌氧状态；二是沉积物质的再悬浮，造成水体的二次污染；三是向水体释放N、P，这种情况是冬季时水库水质污染的一个主要原因。水库原水水质有明显的季节性特征，并存在富营养化问题。因此，对水库原水进行处理的技术路线是：重点解决低温低浊和富营养化水处理技术难点，保证突发高浊时期的出水水质稳定，提高常温常浊状态时的处理效果，保障全年的安全稳定供水。1.1.3 研究意义总体来看，我国人均水资源量占有量不足世界人均占有量的1/4，且近年来我国饮用水水源污染情况相当严重，给水水源的选择也受到了极大的局限性，许多中小城市及城镇的给水水源均来自水库。本文主要研究气浮净水工艺的设计及应用，具有以下几方面的意义：（1）针对水库原水的季节性变化特征，总结国内外处理低温低浊、富藻水体的常用工艺，提出了以气浮法为核心的净水工艺流程，为水库原水的处理提供可行方法。（2）通过气浮原理分析和气浮系统组成分解，研究气浮效果的影响因素，以采取合理措施或选取合理参数优化气浮工艺设计。（3）实地考察工程实例，深入了解浮沉池和浮滤池的处理效果，总结各种气浮组合工艺的优缺点和适用范围，为气浮组合工艺的设计和应用提供参考。1.2 研究现状针对水库原水水质特点，处理工艺的难点主要集中在两个方面，一是低温低浊水处理，二是微污染水处理。下面着重介绍这两种水质特点的水处理方法技术及适用范围。1.2.1 低温低浊水处理技术研究现状水温是混凝剂水解反应的重要影响因素之一，水解反应为吸热反应，低水温时水解反应速度缓慢，在常用的混凝剂中，铝盐受水温影响较大。低温使水的粘度增大，相应的增加了水流的剪切力，对水中微小颗粒碰撞、凝聚和絮体的生长产生了不利影响，絮凝速率和颗粒沉降速度也随之减小，使絮体疏松，密度下降，沉降性差。低温还减弱了微粒间的布朗运动，不利于微粒间碰撞，低浊降低了微粒之间的碰撞机率，不利于微粒的聚凝成长[11-13]。采用常规处理工艺处理低温低浊水时，絮凝反应速度较慢，生成的絮体不易沉降，这是处理低温低浊水的难点所在。从低温低浊水质特点入手，众多科研工作者一直在不断研究和改善处理工艺，目前主要采用的技术包括强化混凝法、泥渣回流法、微絮凝过滤法、气浮法等[14-19]。强化混凝法是通过优选混凝剂和助凝剂，减弱水温对混凝效果的影响，提高混凝效率。混凝剂的优选要针对不同原水水质特点，浊度、温度、PH值都会影响混凝剂使用种类、投加量、投加方法等。常用活化硅酸作为助凝剂，并与Al2(SO4)3和FeCl3配合使用，利用它对胶体的吸附架桥作用，提高絮体密度和强度。机械循环澄清池和水力循环澄清池是泥渣回流法的典型应用。澄清池将絮凝和沉淀过程集中在同一构筑物中，当脱稳杂质随水流和活性泥渣层接触时，被泥渣层阻流获得澄清。机械循环澄清池和水力循环澄清池是采用不同的方法实现泥渣回流，泥渣回流增加了原水中的杂质颗粒，增大了颗粒碰撞机会，且泥渣与杂质颗粒粒径相差较大，絮凝效果较好[20-21]。低温低浊水还可以考虑采用微絮凝法进行处理，该法是在滤池前设置一个简易的微絮凝池，原水经加药混合后先进入微絮凝池，形成粒径约为40-60μm的絮粒，然后直接进入滤池过滤，滤料作为接触絮凝的介质，与微絮粒充分碰撞接触和粘附。微絮凝过滤所用滤料一般采用双层、三层或均质滤料，滤料粒径和厚度要适当增加，原水经微絮凝后所形成的絮粒不宜过大，以免堵塞滤层表面孔隙。以上这些方法中，强化混凝过程对低温低浊水的处理效果比较理想，但增加了药耗成本，对水质安全性也有一定影响；采用泥渣回流法可能带来重金属、细菌积累等问题；微絮凝过滤工艺简单，混凝剂用量少，可以较好的处理低温低浊水，在美国和北欧等国家应用广泛，但因省略沉淀过程增加了滤池负荷，适用于小型水厂 [12]。采用溶气气浮法处理低温低浊水，气泡与微絮粒粘附，借助气泡上浮去除杂质颗粒，克服了低温低浊对絮体分离的影响；气浮法还可以高效处理密度小、不易沉淀的絮体；气浮法通过向水中释放空气，增加了水中含氧量，对出水水质的提高也有一定积极作用[24-26]。由此可见，气浮法在处理低温低浊原水时，具有一定的优越性。1.2.2 微污染水处理技术研究现状微污染水源水是指受到较低程度的污染，根据地表水环境质量标准（GB3838-2002）规定，部分水质指标超过Ⅲ类水体标准，但仍可作为饮用水水源的水[27]。其特征是原水中的有机物、氨氮、磷及有毒污染物指标有所升高，并造成水中藻类大量繁殖，水体富营养化现象严重。氨氮过高不仅使水厂消毒加氯量提高，还会导致管网中亚硝酸菌滋生，残留的有机物会引起管道中异养菌生长。藻类密度较小，难以用沉淀方式去除，且藻类会散发腥臭气味，使用液氯进行消毒时，不仅不能完成消除嗅味，还有可能产生新的致臭物质或消毒副产物三卤甲烷，饮用水质量和安全性下降；藻类在水中呈悬浮状态不易脱稳，有穿破絮体的可能，影响出水水质；藻类进入滤池中会堵塞滤料孔隙，造成过滤周期缩短，反冲洗水量增加。 [28-29]。因微污染水源水中污染物浓度低，现有常规处理工艺（混凝、沉淀、过滤、消毒）对微污染水源水中的有机物、氨氮、藻类等污染物的去除率较低[30]。根据原水水质和出水水质要求，针对微污染水原水的现状，可行的处理技术主要包括预处理技术、常规强化处理技术以及深度处理技术三个部分[31-32]。第六章 结论与建议6.1 结论本文以水库原水为研究对象，采用以气浮法为核心的水处理工艺，从气浮工艺的机理入手，探讨了气浮池各组成系统的优化设计，并根据工程实例和现场参观，分析比较了多种气浮组合工艺的优缺点，最终结合歙县第二自来水厂原水水质情况，选择侧向流斜板浮沉池做为其主要处理工艺，完善二期工程净水工艺设计。主要结论如下：（1）水库原水的水质特征主要表现为：雨季极易出现突发高浊情况，冬季出现典型的低温低浊情况，部分月份处于微污染状态，藻类等有机物含量较高，其余季节属于常温常浊情况。因此，对水库原水进行处理的技术路线是：重点解决低温低浊和富营养化水处理技术难点，保证突发高浊时期的出水水质稳定，提高常温常浊状态时的处理效果，保障全年的安全稳定供水。（2）气浮法的基本机理是在水中产生微细气泡，使其与水中的疏水性物质粘附，形成整体比重小于水的絮粒上浮达到去除目的。低温低浊时采用传统工艺形成的絮体结构松散，沉降性能较差，藻类通常密度较小，也属于沉降性能较差的污染物，采用气浮工艺可以将这些沉降性能较差的絮体通过上浮方式去除，处理效果显著。（3）气浮法净水按照气泡产生的方式，可分为电解气浮法、生物及化学气浮法、散气气浮法和溶气气浮法，其中以溶气气浮法中的压力溶气气浮法最为常用。压力溶气气浮工艺由压力溶气系统、溶气释放系统、气浮分离系统组成，每个系统都有其对应的效率影响因素，如溶气罐中的填料类型及高度影响溶气效率，溶气释放器的选择影响形成的微细气泡的数量与大小，回流比、上升流速、气浮池的池深等因素影响气浮工艺的处理效果等。通过合理选择溶气、释气设备，优化气浮池设计，可以提高气浮池出水水质。（4）针对水库原水的水质特点，通常采用单一的气浮工艺并不能应对原水水质变化要求，此时可以考虑气浮组合工艺，如浮沉池、浮滤池等。通过浮沉池和浮滤池的实际运行发现，这两种组合工艺均有良好的处理效果和不错的适应性。采用熵权理想点法对气浮组合工艺进行综合评价，可得五种气浮组合工艺的优劣排序为侧向流斜板浮沉池＞平流式浮沉池＞双层沉淀气浮池＞逆向流浮滤池＞传统浮滤池。6.2 建议由于诸多因素的限制，本文的研究方向更侧重于工程设计和应用方面，气浮法工艺在以下几个方面还有待深入研究：（1）根据不同原水水质，通过实验确定气浮池设计的参数选值，如混凝剂投加量、回流比、上升流速等，为不同原水水质的气浮池优化设计提供数据参考。（2）进一步进行气浮池浮渣成分、处置及利用研究。