溶气气浮除污染效能及其运行稳定性强化措施

博士学位论文溶气气浮除污染效能及其运行稳定性强化措施POLLUTANTREMOVALEFFICIENCYANDOPERATIONSTABILITYENHANCMENTONDISSOLVEDAIRFLOTATION哈尔滨工业大学2009年9月国内图书分类号：TU991.2学校代码：10213国际图书分类号：628.162密级：公开工学博士学位论文溶气气浮除污染效能及其运行稳定性强化措施博士研究生：刘芳导师：马军申请学位：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：2009年9月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU991.2U.D.C.:628.162DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringPOLLUTANTREMOVALEFFICIENCYANDOPERATIONSTABILITYENHANCMENTONDISSOLVEDAIRFLOTATIONCandidate：LiuFangSupervisor：MaJunAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MunicipalEngineeringAffiliation：SchoolofMunicipal＆Environ.EngineeringDateofOralExamination：September,2009University：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要由于溶气气浮工艺对低温低浊水、高藻水、高色度水均有较好的处理效果，得到人们的高度关注。近年来我国水污染严重，水源水质较差，微污染水的处理成为急需解决的问题。而以往人们主要关注气浮工艺除颗粒物的效能，对于气浮除有机物的效果缺乏系统的研究工作。研究溶气气浮除污染效能并强化其运行的稳定性具有很重要的现实意义，使之能更好地应用于受污染水处理中。在溶气气浮除污染效能及影响因素的研究中，发现采用适当提高混凝剂投量、较短的絮凝时间及较强的絮凝强度、pH值为中性、投加Ca2+离子及少量高岭土等均可作为气浮工艺强化去除有机物的手段。溶气气浮对腐殖酸的去除率均在80%左右，对硝基苯的去除效果随着pH值和TOC值增加而降低，随着Ca2+离子浓度提高而增加，随着浊度升高先增加而后降低，昀高去除率为50%。腐殖酸在水中的存在形态随水质特征而发生变化，进而影响其对硝基苯的吸附效果，也影响混凝阶段对气浮工艺去除硝基苯的效果。在研究气浮工艺处理有机物的机理过程中，利用三维荧光手段证明随着pH值增大，腐殖酸分子荧光强度发生变化，腐殖酸与铝离子络合反应减弱，更多铝盐水解成高分子聚合体，通过网捕作用使大量腐殖酸形成有利于气浮工艺去除的絮体。并且随着pH值升高，腐殖酸在云母表面的覆盖率明显降低，在酸性条件下观测到的分子半径相对于中性和碱性条件下较小，聚集体结构在碱性条件下较为松散。金属阳离子Ca2+在腐殖酸分子聚集方面发挥重要的作用，少量Ca2+离子（10mg/LCaCl2）的加入就会导致大的聚集现象发生，促进腐殖酸的吸附。扫描电镜检测结果进一步表明，随着pH值增大，絮体聚集现象明显，形成的絮体更容易与微气泡粘附形成密度小于1的泡絮结合体，靠浮力上升而被去除，进一步证明了三维荧光扫描中的结论。在优化分离区内部结构以提高气浮工艺运行稳定性的研究中，发现气浮池集水系统及分离区内加入的竖板装置均对气浮池运行效果和稳定性有一定影响，采用穿孔板集水系统及在分离区底部加入小板距竖板装置强化了气浮工艺的稳定性。使竖板气浮池随着水力负荷变化，出水效果基本不变，并且能够在水力负荷18m/h的情况下运行，与传统气浮池相比，浊度去除率提高50%，有机物去除率提高29%。并且竖板气浮池对回流比等参数变化的适应性很强，更利于运行管理。竖板气浮池对水质特点的改变也有很好的适应性，在低-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文温低浊、低温中浊及低温高浊等几种情况下运行时，随着水力负荷的变化，出水中浊度及有机物的含量基本保持稳定，即使水力负荷达到18m/h，浊度及有机物的去除率依然保持在很高的水平上，没有出现恶化情况。竖板气浮池分离区内流场特性随运行水力负荷和回流比的变化而产生变化。随水力负荷和回流比的增大，气泡层厚度增加。水力负荷过大或者回流比过小时，分离区内出现三维漩涡，影响运行效果。提出了沉淀—溶气气浮高适应性联用工艺，并在某水厂进行了生产性试验。结果表明，沉淀—溶气气浮联用工艺对有机物、藻类、氨氮、嗅味等均有很好的处理效果。质谱分析结果表明，气浮工艺对水中烷类、酮、杂环类有机污染物有很好的去除效果。该技术解决了高藻水絮凝后产生絮体太轻不易沉降而堵塞后续滤池的问题，使藻类严重爆发期间滤池反冲洗周期从昀短的四小时延长到十几小时，恢复了水厂正常的产水量，大大地降低了水厂的自用水量。该水厂原水的水资源费用为每吨1元，在生产性实验中发现，虽然加入气浮工艺有一部分耗电量的增加，但生产用水和投药量都有所降低，生产成本也降低。采用沉淀—溶气气浮联用工艺对平流沉淀池进行改造，具有工期短、工程简单，投资小而且出水效果好、产水量高等特点。解决了传统工艺处理高藻水难的问题。并且为将气浮池改造成气浮池分离区内部加入竖板装置的竖板气浮池的二期工程，以应对产水量进一步提高的实际情况做好了准备。关键词：微污染；溶气气浮；腐殖酸；竖板气浮池；沉淀—溶气气浮联用工艺-II-AbstractAbstractWatertreatmentprocesswithdissolvedairflotationisconcernedbecauseofitsbettertreatmenteffectivenessonlowtemperatureandlowturbiditywater,highalgae-ladenwaterandhigh-colourwater.Inrecentyears,thewaterpollutionwascriticalwhilethewaterqualityandquantitywereworseinChina.Thetreatmentofmicro-contaminatedsourcewaterbecomesanurgentproblem.However,theabilityofairflotationprocesstoremoveparticulatematterwasmainlyconcernedinthepast,theresearchworkontheenhancedtreatmentoforganicmatterwaslimited.Inordertoapplydissolvedairflotationprocessinthetreatmentofmicro-contaminatedsourcewater,thestudyonthepollutantremovalefficiencyandtheenhancementofoperationstabilityisofgreatpracticalsignificance.Thetreatmentefficiencyandinfluencingfactorsofmicro-pollutedwaterbyairflotationprocesswerestudied.Itwasfoundthatappropriateincreaseincoagulantdosage,shorterflocculationtime,strongerflocculationintensity,neutralinitialpHvalue,additionofCa2+ionsandsmallamountofkaolinaddedcouldbeusedasthemeansforenhancedcoagulationoforganicmatterbyairflotationprocess.Theaveragehumicacidremovalbycoagulationandairflotationwasabout80%.TheeffectivenessofnitrobenzeneremovalbycoagulationandairflotationprocesswasdecreasedwiththeincreaseofinitialpHvalueandTOCvalue,increasedwiththeincreaseofCa2+ionconcentration,firstlyincreasedandthendecreasedwiththeincreaseofturbiditywhilethemaximumremovalratewas50%.Theoccurrenceofthisphenomenonisaconsolidatedresults，whichdependonthevariationsofhumicacidmicrostructureunderdifferentwaterconditionsandtheeffectivenessofnitrobenzeneadsorptionandremovalbyairflotationprocessatcoagulationstagewasstudied.Themechanismoforganicmattertreatmentbyairflotationprocesswasstudied.Thethree-dimensionalfluorescencedetectionresultsshowedthatthehumicacidmoleculefluorescenceintensitychangedwiththeincreaseofinitialpHvalue,thecomplexationreactionofhumicacidwithaluminumionwasweakened.Itinferredthatmorealuminumsaltdecomposedintohighpolymer,alargenumberofhumicacidformedconduciveflocsforairflotationprocesswithcapture-III-哈尔滨工业大学工学博士学位论文mechanism.WiththeincreaseofpHvalue,thecoverageofhumicacidonthemicasurfacedecreased.Underacidicconditions,theobservedmolecularradiusbeingsmallerthanneutralandalkalineconditionswhileaggregatestructurewaslooserunderalkalinecondition.Ca2+ionplayedanimportantroleinhumicacidmolecularaggregation.AsmallamountofCa2+ionsadditionwouldresultingreataggregationphenomenontoimprovehumicacidadsorption.ScanningelectronmicroscopyresultsfurthershowedthatthephenomenonofflocclusterswasobviousastheinitialpHvaluewasincreased.Theflocsweremoreeasilyadheredwithmicro-bubblestoformfoam-floccombination,whichcouldberemovedbybuoyantforcebecausethedensityofcombinationwaslessthan1.Itprovedtheconclusionsinthree-dimension