水的预处理与深度处理剖析.doc

第4章 水的预处理和深度处理
本章提要：介绍水的调节、预处理和深度处理理论和方法。预处理是对水进行初级处理，为后续单元降低处理负荷，或为提高后续处理单元的效率创造条件。预处理方法有物理、物理化学和生物处理方法等。深度处理则是在常规处理的基础上对水进行进一步处理，提高出水水质。由于我国水环境污染日益严重，饮用水源污染尤为突出，加大了水处理的难度。
本章重点：水的调节，水的预处理和深度处理
本章难点：水的预处理和深度处理理论。

4.1 概述

饮用水源水质污染现状 据我国环境部门统计，82%的河流受到不同程度的污染，七大水系中，不适合做饮用水源的河段接近40%；城市水域中78%的河段不适合作饮用水源。目前，从水中检出的有机污染物已达2000余种，部分对人体有直接或间接的毒害作用，其中许多是具有或被疑有致癌、致畸、致突变的物质。
常规给水处理工艺，包括混凝、沉淀、过滤、消毒等。主要以去除水中的悬浮物、胶体和细菌等为目的，它对受污染水中的有机物、氨氮等污染物去除率很低。要提高饮用水水质，必须进行水的预处理或者深度处理。

4.2 格栅和筛网
4.2.1 格栅
格栅由一组相平行的金属栅条和框架制成。
栅条形状有圆形、矩形、方形等，其中以矩形栅条采用较多。表4-2列出了常见格栅栅条断面形式和尺寸。
表4-2 格栅栅条断面形式及尺寸

1.功能和原理
l 安装位置 格栅多用于废水的前处理，一般安装在污水渠道、泵房集水井的进口
处；或者给水处理的取水构筑物的进口处。
l 作用 用以污水中截留较大的悬浮物或漂浮物，如纤维、果皮、蔬菜、塑料制品
等，防止水泵、排水管以及后续处理构筑物的堵塞，保证处理设施和设备的正常运转。同时，也降低了后续构筑物的负荷。被截留的物质称为栅渣。

2. 格栅类型
l 按形状可分为平面格栅和曲面格栅。平面格栅由栅条和框架组成；曲面格栅可分为固定曲面格栅和旋转鼓筒式格栅，
l 按栅条的间隙
粗格栅（50~100mm）
中格栅（10~40mm）
细格栅（3~10mm）
为了拦截废水中的颗粒物，有时同时采用粗、中两道格栅，或者粗、中、细三道格栅。

l 按清渣方式分人工清渣格栅和机械清渣格栅。
人工清除的格栅用于小型处理站，栅渣量不应大于0.2m3/d。
栅渣量较多的大、中型处理厂，多采用机械清渣格栅。我国常用机械格栅有圆周回转式、钢丝绳牵引式、移动式、链条式等。

3. 几个主要参数
栅距 栅距可根据废水水质而选定。也可由运行管理人员根据所测数据及经验摸索出适合废水处理的栅距。
流速 污水在栅前渠道流速一般应控制在0.4~0.8m/s，过栅流速应控制在0.6~1.0m/s。过栅流速太大，容易把需要截留下来的软性栅渣冲走；过栅流速太小，污水中较大的粒状物质则可能在栅前渠道内沉积。栅前流速和过栅流速可按下式估算：
栅前流速 （4-1）
过栅流速 （4-2）
式中 Qmax——入流污水流量（m3/s）；
B——栅前渠道的宽度（m）；
h1——栅前渠道的水深（m）；
h2——格栅的工作水深（m）；
δ——格栅的栅距（m）；
n——格栅栅条数。
水头损失 格栅前后水位差为过栅水头损失。水头损失和过栅流速有关，一般为0.2～0.5m。若过栅水头损失增大，说明污水过栅流速增大，可能是格栅局部被堵死。如过栅水头损失减小，说明过栅流速降低，很可能是由于较大颗粒物质在栅 前渠道内的沉积，需要及时清除。
4.2.2 格栅维护管理
格栅日常管理主要是及时清运栅渣，保持格栅通畅。平时加强检查维修，对格栅应定期油漆保养。
格栅除污机是污水处理站最易发生故障的设备之一。日常巡检时，认真检查格栅各部分的运行状况，注意有无异常声音，及时调换和调整，并进行记录。
在格栅运行时，当过栅流速过高时，增加投入工作的格栅台数，将其降至要求的范围内；当过栅流速低于最低值时，减少工作的格栅台数。同时，要经常检查并调节栅前的流量阀门，保证过栅流量的均匀分配。一般可以通过过栅水头损失来自动控制清污，必要时进行人工清污，及时清砂并排除集砂故障。
4.2.3 筛网
污、废水中含有较细小的难以去除的悬浮物，尤其是工业废水中的纤维类悬浮物、食品工业的动植物残体碎屑，它们不能用格栅截留，也难以沉淀去除，或者给水处理水库水、湖泊水中的藻类，常用筛网进行分离。
筛网一般由金属丝或纤维丝编织而成。筛网分离装置有振动筛网、水力筛网、转鼓式筛网、转盘式筛网、微滤机等。
振动筛网由振动筛和固定筛组成。污水通过振动筛时，悬浮物等杂质被留在振动筛上，通过振动卸到固定筛网上，以进一步脱水。

水力筛网由运动筛网和固定筛网组成。运动筛网一般水平放置，呈截顶圆锥形。进水端
在运动筛网小端，废水在由小端到大端流动过程中，纤维等杂质被筛网截留，沿倾斜面卸到固定筛以进一步脱水。水力筛网的动力来自进水水流的冲击力和重力作用。
微滤机多用于给水处理中藻类去除（去除率大于60%）及造纸废水回收纤维（SS回收率大于80%）。

4.2.4 格栅的设计
格栅一般设计为两个平行格栅，应该防止栅前垒水，栅后渠底应比栅前渠底低，栅前渠道的断面尺寸由栅前流速和栅前水深确定。
1.设计参数
过栅流速：0.6~1.0m/s，栅前渠道内流速：0.4~0.9m/s，栅前倾角：45°～ 75°，90°，水头损失一般为：0.08~0.15m。
栅渣量标准和格栅间隙大小有关。当栅条间隙e =16~25mm时，栅渣量为0.10~0.05m3渣/103m3污水；当栅条间隙e =30~50mm时：栅渣量为0.03~0.01 m3渣/103m3污水。
栅渣含水率约80%，容重约960kg/m3；当栅渣量>0.2m3/d，则应采用机械清渣。
2.设计计算
格栅计算图如下：

1）栅槽宽度
B =S（n-1）＋en （4-3）

式中 B——栅槽宽度（m）；
S——栅条宽度（m）；
n——格栅间隙数（个）；
e——栅条净间隙（m）；
Qmax ——最大设计流量（m3/s）；
α——格栅倾角（°）；
h——栅前水深（m）；
v——过栅流速（m/s）。
2）过栅水头损失
（4-4）
式中 h1——过栅水头损失（m）；
h0——计算水头损失（m）；
k——水头损失增大系数，k=3；
ε——阻力系数，；栅条为矩形断面β=2.42；栅条为圆形断面β=1.79。
3）栅槽总高度
H=h+h1+h2 （4-5）
式中 H——栅槽总高度（m）；
h——栅前水深（m）；
h2——栅前渠道超高（m），一般h2=0.3m。
4）栅槽总长度
（4-6）
式中 L——栅槽总长度（m）；
l1——渐扩部分长度（m）；（m）；
B1——进水渠道宽度；
1——进水渠道展开角；

l2——渐缩部分长度（m）；l2=l1／2；
H1——栅前槽高（m），H1=h＋h2。
5）栅渣量
（4-7）

式中 ——栅渣量（m3/d）；
——栅渣量标准（m3/d或m3/103 m3污水）；
K总——总变化系数。

4.3 水的调节

4.3.1 概述
工业废水和城市污的水量、水质都是随时间而变化的。工业废水的变化幅度一般比城市污水大。为了保证后续处理设施的正常运行，需对废水的水量和水质进行调节。调节水量和水质的构筑物称为调节池。
l 调节池的功能 对水质或水量进行调节，可以降低或防止冲击负荷对处理设备的影响；当处理设备发生故障时，起到临时贮存废水的作用。
l 调节池的类型 调节池按功能分为水量调节池、水质调节池和同时兼具部分预处理
作用的调节池。其形状有圆形、方形、多边形等，根据地区和当地地形，可建在地下或地上。
l 调节池的设置要求 调节池通常设置在一级处理之后二级处理之前。当设在一级处理之前时，设计中必须考虑足够的混合设备，以防止悬浮物沉淀和废水浓度的变化，有时还应曝气以防止产生气味。
4.3.2 水量调节
常用的水量调节池，如图4-2所示。进水为重力流，出水用泵抽升，池中最高水位低于进水管的设计水位，有效水深一般为2~3m，最低水位一般为死水位。调节池的容积可用图解法计算。
图4-3所示为某厂废水在生产周期（T）内的流量变化曲线。曲线在T时间内所围成的面积，等于废水总量。
1. 生产周期T内废水总量
图4-2 水量调节池示意图
（4-8）
式中 WT——废水总量（m3），图中为WT =1464 m3。
qi——ti时段内废水的平均流量（m3/h）；
ti——时段（h）。

2.在周期T内废水平均流量
（4-9）
式中 Q——平均流量（m3/h），图中为Q=61 m3/h。
3.水量调节池的容积计算
根据图4-3所示废水流量变化曲线，可绘制如图4-4所示废水流量累积曲线。流量累积4曲线和周期T的交点A读数为WT（146m3），联接OA直线，OA为出水累计曲线，其斜率为出水流量Q（61 m3/h）。该线为水泵抽水量的累积水量。虚线为池中水量变化曲线。
对废水流量累积曲线，作平行和OA的两条切线ab、cd，切点为C和D。通过D和C作平行于纵坐标的直线，和出水流量累积曲线分别相交于B和E点。BD和CE相加即为水量调节池的容积。
即，水量调节池的容积为
V=BD+CE
由图可知，水量调节池的容积V=BD+CE=220+90=310（m3）。

图4-3 某厂废水流量曲线 图4-4 某厂废水流量累积曲线
4.3.3 水质调节
水质调节通常由水质调节池来完成，调节池不仅要求有足够的池容，且要求实现随时流入池内的废水能达到完全混合，使废水水质均和。
均和水质方式：利用压缩空气、叶轮搅拌和水泵循环的强制混合和均化；或者利用差流方式使不同时间不同浓度的废水混合而进行的自身水力混合两种基本方法。前者的设备较简单，运行费较高，后者需要复杂的池型，运行费用较低。
1.普通水质调节池
对调节池可写出物料平衡方程：

C1QT+CoV=C2QT+C2V （4-10）
式中：Q——取样间隔时间内的平均流量（m3/h）；
Co——开始时调节池内污物浓度（mg/m3）；
C1——取样间隔时间内进入调节池污物浓度（mg/m3）；
C2——调节池出水浓度（mg/m3）；
V——调节池容积（m3）；
T——取样间隔时间（h）。
当在一个取样间隔时间内出水浓度C2不变，则（4-10）式为：

根据式（4-11）可以计算出各时间间隔后出水浓度，由此计算出调节池出水的P值：

根据调节池出水的P值小于1.2的要求，确定出调节池的停留时间，调节池容积V=Q平均·t停留。
2.穿孔导流槽水质调节池
穿孔导流槽式调节池，，只能调节水质，不能调节水量，现已不用。
3.均质沉淀池 图4-6 同心圆型调节池
当废水中SS高时，则可采用均质沉淀池。均质沉淀池池侧沿程进水，使同时进池的污水转变为前后出水，达到和不同时序的污水混合的目的。
4.分流贮水池
如果有偶然泄漏或周期性冲击负荷发生时，可设分流贮水池。当废水浓度超过某一设定值时，将废水放进分流贮水池。 图4-7 折流调节池
4.3.4 水量水质调节
水量水质调节池兼有调节水量和水质的作用，设计时考虑如下：
均量——池中水位应变化→V池
均质——池中水应混合→V池。
二者之中取其大者。
图4-6为同心圆型调节池构造示意图；图4-7所示
为折流调节池构造示意图。图4-8所示为对角线出水调
节池构造示意图。 图4-8对角线出水调节池

4.4 水的预处理技术

水的预处理方法主要有物理方法、物理化学和生物方法。预处理方法也可以分为氧化法和吸附法等。氧化法又可分为化学氧化法和生物氧化法。
4.4.1 氯化预氧化
常用的氧化剂有氯气、臭氧和高锰酸钾等。它可以用于控制因水源污染产生的微生物和藻类在管道或构筑物内的生长，也可以氧化一些有机物，提高混凝效果并减少混凝剂用量；
但预氯化可能造成出水的毒理学安全性下降，有些氧化产物不易被常规处理去除，有的甚至可导致水的致突变活性增高。
4.4.2 吸附预处理
吸附预处理指利用物质的吸附性能或交换作用，改善混凝沉淀效果来去除水中污染物的技术。常用的吸附剂主要有粉末活性炭、粘土等。由于粉末活性炭参和混凝沉淀过程，残留于污泥中，当前还没有很好的回收利用方法，处理费用较高，难以推广。粘土矿物类吸附剂具有很好的吸附性能，货源充足，价格便宜，但粘土大量投入增加了沉淀池的排泥量，给运行带来困难。沸石作为一种极性很强的吸附剂，对氨氮、氯化消毒副产物、极性小分子有机物均具有较强的去除能力，将沸石和活性炭吸附工艺联合使用，有望使饮用水源中的有机物得到较彻底的去除。
4.4.3 生物预处理
生物预处理是利用微生物的生物氧化作用，达到去除水中的有机物、氨氮等污染物的目的。生物预处理工艺主要有生物接触氧化、曝气生物滤池、生物转盘、生物流化床等。目前，生物接触氧化和曝气生物滤池应用较普遍。
4.4.4 强化常规工艺
强化常规工艺是指在传统工艺流程中，对其中任一工艺环节进行强化或优化，进一步提高它对水中有机污染物的去除效果。在常规给水处理工艺的混凝、沉淀、过滤、消毒单元中，主要采用强化混凝技术、强化过滤技术、改进消毒方法等。

4.5 水的深度处理技术

对于遭受严重污染的原水，必须进行水的深度处理。深度处理设在常规处理工艺之后，对不能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，提高饮用水的质量。应用较为广泛的有臭氧氧化、活性炭吸附、臭氧活性炭、膜技术、光催化氧化技术等。
4.5.1 臭氧氧化
臭氧是一种强氧化剂，在给水处理中应用历史悠久，最初用作消毒剂，控制色度或嗅味，现在又用于去除水中有机物。由于臭氧浓度的限制，不能将水中有机物全部无机化，但可将大分子有机物分解成小分子的中间产物，以利于后续处理。
4.5.2 活性炭吸附和臭氧活性炭
活性炭是一种良好的吸附剂，在给水处理中，主要去除溶解性有机物、嗅味等。活性炭

虽对水中氯产生的致突物质有去除作用，但并不能有效去除氯化致突物质的前体物。
臭氧活性炭联用深度处理技术是先臭氧氧化后活性炭吸附。在水中投加臭氧，可使水中有机物由大分子转化为小分子，充分发挥活性炭的吸附作用，实现水质深度净化。但在臭氧破坏一些有机物结构的同时，可能产生有害的中间产物。研究表明，原水经臭氧活性炭吸附处理后，氯化后出水水质仍可能存在致突变性。
4.5.3 膜处理技术
近年来，膜法被美国EPA推荐为最佳工艺之一，它不仅去除污染物范围广，且不需要投加药剂，设备紧凑，容易实现自动控制。反渗透（RO）、超滤（UF）、微滤（MF）、纳滤（NF）等膜处理技术都能有效地去除水中的臭味、色度、消毒副产物前体物及其他有机物和微生物。但它对原水要求进行严格的预处理和常规处理，要求定期进行化学清洗，投资和运行费用高，还存在膜的堵塞和污染问题。随着膜技术的发展，清洗方式的改进，膜堵塞和膜污染的改善，膜处理技术对去除水中有机物和微生物将会产生重要的影响，应用前景广阔。

4.6 几种处理工艺简介

由于微污染水源中污染物的多样性和复杂性，采用单一净水工艺很难获得安全可靠的饮用水，需要在强化传统工艺基础上适度增加预处理和深度处理，将几个工艺单元组合起来，才能获得较好的水质。
根据水源的水质和处理后的水质要求，提出如下处理工艺：
（1）原水—生物预处理—混凝沉淀—过滤—消毒。
（2）原水—生物预处理—混凝沉淀—过滤—活性炭吸附-消毒。
（3）原水—混凝沉淀—生物处理—过滤—消毒。
（4）原水—混凝沉淀—过滤—臭氧—活性炭吸附-消毒。
当水源水的浊度和色度较低时，可选择工艺（1）；当用水水质要求高，可选择工艺（2）；当水的浊度和色度较高时，可选择工艺（3）或工艺（4）。通常采用的组合工艺有臭氧活性炭、臭氧生物处理和臭氧生物处理活性炭吸附。
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