高浊度原水磁加载混凝应急饮用水处理试验研究及工艺设计

摘要

当地震、泥石流、山洪等突发性自然灾害发生时，强降雨对松散的物质源产生强烈的冲刷作用，导致水体浊度在极短时间内大幅度升高，从而使饮用水源地受到严重污染，居民的饮用水安全受到严重威胁。高浊度水处理最有效的方法是化学混凝沉淀法，但传统混凝沉淀技术无法满足应急水处理的要求。磁加载混凝技术具有处理能力大、效率高、出水水质安全可靠等优势，在应急饮用水处理领域拥有广阔的应用前景。本文在对突发性自然灾害水源地水质调研分析基础上，拟通过磁加载混凝小试及中试试验研究，考察混凝剂、助凝剂及磁粉投加量等因素对浊度去除率的影响，并开发一套移动式磁加载混凝应急水处理设备，为磁加载混凝设备的工程化设计提供理论依据。具体研究成果如下:
　　(1)对地震、洪涝、台风等典型突发性自然灾害情况下水源地水质进行调研分析。分析结果表明，自然灾害情况下的水流湍急、降水明显，会将大量地面的颗粒污染物裹挟带入水中，浊度急剧升高，可达200～500 NTU以上，是突发性自然灾害中最主要的污染指标。
　　(2)常规混凝沉淀和磁加载混凝沉淀对比小试试验研究。考察了混凝剂、助凝剂以及磁粉投加量对浊度去除效率的影响，研究结果表明，磁加载混凝工艺对高浊度水处理效果最好，当原水浊度在200 NTU以下时，磁加载混凝反应聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺（PAM）和磁粉最佳投加量分别为10 mg/L、0.2 mg/L和75 mg/L，磁粉最佳粒径为500目，浊度去除率大于97％，出水浊度小于3 NTU，PAC的投加量与常规混凝相比减少50％以上;当原水浊度在200—500 NTU时，磁粉最佳投加量提高到为150 mg/L。通过测定反应体系的Zeta电位、观察絮体结构特征初步探究了磁粉影响混凝反应的机理，磁粉可以通过降低混凝反应体系中的Zeta电位促进混凝反应的进行，磁加载混凝形成的磁絮体结构紧密，沉降速率是常规絮体的16倍。
　　(3)设计5 m3/h磁加载混凝沉淀中试装置并进行中试试验研究。研究结果表明，磁加载混凝在沉淀池表面负荷10 m3/(m2·h)，原水浊度在0～100 NTU、100～200 NTU、200～500 NTU三种范围时，出水浊度均小于3 NTU，去除率分别达到95％、98％、99.4％，出水浊度达到《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)（水源受限制条件下浊度限值）。磁粉分离回收系统选择磁力旋流分离技术，当控制电压为36 V、电源脉动控制器的工作方式为开10s断1s时磁力旋流装置分离回收磁粉效率最高，可达93％左右。
　　(4)移动式磁加载混凝应急水处理系统方案的初步设计。在试验室小试及中试试验确定的磁加载混凝工艺参数基础上，结合工程实际情况，完成了360m3/d移动式磁加载混凝应急水处理系统方案的初步设计，设备具有体积小、重量轻的特点，适用于高浊度原水的应急饮用水处理。
　　本研究为磁加载混凝应急饮用水设备设计及工程实践提供了一定的参考和设计依据。

目录

声明

致谢

摘要

图表清单

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 突发性自然灾害及应急水处理技术

1．2．1 突发性自然灾害及水污染

1．2．2 应急水处理技术

1．3 常规混凝处理技术

1．3．1 混凝原理

1．3．2 混凝的主要影响因素

1．3．3 常规混凝技术的局限性

1．4 磁加载混凝处理技术

1．4．1 磁加载混凝作用机理

1．4．2 磁加载混凝主要影响因素

1．4．3 磁加载混凝技术研究现状

1．4．4 移动式磁加载混凝应急水处理设备应用现状

1．5 磁粉分离回收技术

1．5．1 高梯度磁分离技术

1．5．2 磁盘磁分高技术

1．5．3 磁粉分离回收装置

1．6 研究内容与技术路线

1．6．1 研究内容

1．6．2 技术路线

2．1 试验材料

2．1．1 试验原水

2．1．2 磁粉性质

2．1．3 混凝剂和絮凝剂

2．1．4 试验试剂

2．1．5 试验标液

2．2 试验装置和测试仪器

2．2．1 试验装置

2．2．2 测试仪器

2．3 试验方法

2．3．1 常规混凝试验

2．3．2 高浊度污染磁加载混凝试验

2．3．3 有机微污染磁加载混凝试验

2．3．4 重金属污染磁加载混凝试验

2．3．5 磁加载混凝条件优化中试试验

2．3．6 磁粉分离回收试验

2．4 试验分析方法

2．4．1 重金属浓度测定

2．4．2 絮体表征方法

3 突发性自然灾害水质特征分析

3．1 地震条件下的水源地水质特征

3．2 洪涝条件下的水源地水质特征

3．3 台风条件下的水源地水质特征

3．4 本章小结

4 磁加载混凝小试试验研究

4．1 常规混凝试验

4．1．1 混凝反应水力条件

4．1．2 混凝剂种类及最佳投加量

4．1．3 絮凝剂最佳投加量

4．2 高浊度污染磁加载混凝试验

4．2．1 混凝剂最佳投加量

4．2．2 絮凝剂最佳投加量

4．2．3 磁粉最佳投加量

4．2．4 磁粉最适粒径

4．3 有机微污染磁加载混凝试验

4．3．1 磁粉最佳投加量

4．3．2 磁粉最适粒径

4．3．3 不同污染程度的有机微污染原水处理效果

4．4 重金属污染磁加载混凝试验

4．4．1 混凝最佳pH值

4．4．2 磁粉最佳投加量

4．4．3 磁粉最适粒径

4．4．4 常规混凝与磁混凝对比

4．5 磁加载混凝的机理分析

4．5．1 絮体沉降速率测定

4．5．2 Zeta电位变化分析

4．5．3 絮体结构表征

4．6 本章小结

5 磁加载混凝中试试验研究

5．1 磁加载混凝条件优化中试试验

5．1．1 常规混凝药剂投加量的优化

5．1．2 磁加载混凝混凝剂投加量的优化

5．1．3 磁加载混凝助凝剂投加量的优化

5．1．4 磁加载混凝磁粉投加量的优化

5．1．5 沉淀池表面负荷的对比

5．2 磁粉分离回收试验

5．2．1 水力旋流分离器分离回收试验

5．2．2 磁力旋流分离器分离回收试验

5．3 磁加载混凝对不同污染程度原水处理效果实验

5．4 本章小结

6 移动式磁加载混凝应急水处理系统初步设计

6．1 设计要求

6．1．1 系统设计要求

6．1．2 系统产水水质要求

6．1．3 功能特性

6．2 工艺设计

6．2．1 工艺流程设计

6．2．2 运行参数

6．2．2 工艺计算

6．3 设备设计及配置

6．3．1 设备设计

6．3．2 设备配置

6．4 经济性分析

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 不足及展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间发表的学术论文