1.1 研究背景
我国属于缺水国家，水资源分布不均匀的基本特征主要是地区分布差异性大和降雨时空上分布不均。水资源总量居于世界第 4 位，但人均占有量排世界第 121 位，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的 25%。可利用的水资源十分有限，从地域上来看，水资源总量的 80%集中分布在长江及长江以南地区，这是由先天性自然条件决定的。我国北方属于资源型缺水的根本原因北方最低人均淡水资源占有量少于南方最低人均淡水资源占有量的十倍，最低人均淡水资源占有量东部甚至低于西部五、六百倍。另外，由于水体污染日益严重，水质型缺水也愈加严重[1]。随着 2016 年我国对控制人口出生率国家政策的实施，未来几年，我国人口会处于急速上涨的趋势，彼时，水资源的短缺和污染问题将处于一个高度关注和亟待解决的位置。由于饮用水源水受到了不同程度的污染，常规净水工艺处理后的水难以达到现有的水质标准，主要有三方面的原因：一是近年来人民生活水平的提高，饮用水的出水水质有了更高的要求。二是在我国经济大力发展的同时，源水水环境遭受了不同程度的破坏和污染。三是现有的净水厂常规处理工艺有一定的局限性，水源水水质恶化的情况下，饮用水出水水质达不到要求，如一些痕量有机物三卤甲烷类物质，对人体健康存在潜在的威胁[2]。豫东地区某市位于黄河中下游，距离黄河干流约 54 公里，沿程受到不同程度的污染，中下游水质不同于黄河干流水质，呈现季节性变化。
..........
1.2 常用的微污染水处理技术研究及应用现状
微污染水一般指水体的物理、化学或微生物指标达不到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中要求的生活饮用水源水水质标准，通过某种特殊工艺处理后尚可使用的源水[5,6]。常规处理工艺主要去除水体中的悬浮物、胶体和病菌等污染物，主要控制的出水指标为色度、浊度和细菌总数等指标。针对水质质量良好的源水，常规处理工艺可以生产出水水质达标的饮用水[7]。但针对微污染水，常规净水处理工艺存在其局限性，在污染物去除时具有一定的难度，要求的饮用水出水水质标准很难得到保障[8,9]。目前国内外处理微污染水的方法主要有以下三种：预处理、深度处理、强化常规处理工艺[10]。预处理通常是指在常规处理工艺前面采用物理、化学或生物的处理方法，初步去除水中污染物，同时减轻常规处理过程和后续深度处理过程的负担，提高和改善饮用水水质。预处理方法主要分化学预氧化和生物预氧化。化学预氧化是指在给水处理前端投加化学氧化剂的一种预处理方法。通过化学氧化剂的氧化能力，分解破坏水中污染物的结构，达到分解和转化污染物的作用。常用的化学预氧化技术有预氯化、预臭氧、二氧化氯预氧化和高锰酸钾预氧化[11]。
..........
2 实验材料及方法
2.1 实验水质
本实验用水为水厂进厂水，进厂水经明渠从水库输送到水厂，经过了二氧化氯预氧化，即本实验用水是水库蓄存黄河水经二氧化氯预氧化后的微污染水。实验在夏季 7 月、8 月进行，这期间进厂水色度、浊度，有机物及氨氮的含量较高，水质如下：水温为 23～26℃、p H 值：7.44～8.03、色度 20～40 倍、浊度 10.10～22.4NTU、COD Mn 4.54～5.00mg/L。
.........
2.2 实验仪器
该实验用到的仪器设备有，分别如下图 2.1、图 2.2、图 2.3 和图 2.4 所示：（1）ZR4-5 智能型六联式混凝实验搅拌仪，混凝搅拌实验使用。本研究选用聚合氯化铝（PAC）、硫酸亚铁(Fe SO4)、高锰酸钾（KMNO4）、粉末活性炭，进行以下内容的研究：（1）单独投加絮凝剂 PAC 和 Fe SO4 对比实验研究，为下一步实验选取最佳絮凝剂，并确定最佳絮凝剂的投加量。（2）PAC 与粉末活性炭联用强化水厂工艺实验研究。在聚合氯化铝最佳投加量的条件下，取不同的粉末活性炭投加量进行实验，确定其最佳投加量。在最佳投加量的条件下，往搅拌杯中不同投加点加入最佳投加量粉末活性炭。实验结束后，取样测定水质指标。分别分析粉末活性炭投加量和投加点对处理效果的影响。（3）聚合氯化铝、高锰酸钾与粉末活性炭联用强化水厂工艺实验研究。在粉末活性炭的最佳工况条件下，改变高锰酸钾的投加量，进行混凝实验，考察高锰酸钾投加量对源水处理效果的影响。在高锰酸钾的最佳投加量的条件下，确定其最佳投加点。通过正交实验确定聚合氯化铝、高锰酸钾与粉末活性炭联用进行强化混凝的最佳优化条件。
3 强化水厂工艺实验研究.............. 16
3.1 混凝剂比选实验..........16
3.2 聚合氯化铝与粉末活性炭联用实验...........18
3.2.1 粉末活性炭投加量实验..... 18
3.2.2 粉末活性炭投加点实验..... 20
3.3 聚合氯化铝、高锰酸钾与粉末活性炭联用实验..............22
3.3.1 高锰酸钾投加量实验.........22
3.3.2 高锰酸钾投加点实验.........24
3.4 本章小结...........26
4 基于实验研究的水厂优化运行............. 28
4.1 水厂建设及运行现状.............28
4.2 水厂优化运行方案......32
5 水厂改造工程设计............. 35
5.1 净水处理工艺方案......35
5.2 废水处理工艺方案......41
5.3 工艺方案确定.....42
5.4 工艺设计.............45
5 水厂改造工程设计
根据前述论证，通过多种药剂投加可以有效改善出厂水水质，但考虑到长远目标，该厂作为该地区唯一一座大规模地表水厂，出厂水各项水质全面达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），无异嗅异味，口感有明显的改善，因此本工程采用去除率更高、效果更好的臭氧活性炭联用工艺，在该工程建成之前主要通过药剂调整实现水质达标。
5.1 净水处理工艺方案
根据原水水质及出厂水要求，本工程需采用预处理、常规处理、深度处理相结合的处理工艺，工艺方案论证如下。主体工艺考虑为预处理（预氧化）+强化常规处理（混凝、沉淀、气浮、过滤）+深度处理+消毒等[51]，下面对工艺方案进行论证。预处理技术主要有化学预处理技术和生物处理技术。预处理工艺方案的论证参考 1.2.1 小节可得。虽然生物预处理对氨氮的去除效果显著，但处理效果受温度条件影响大，微生物生长和活性在低温条件下受到抑制，影响微生物对有机物的降解，所以在低温地区，生物预处理会受到季节上的限制。根据近三年水厂进厂原水水质监测可知，原水中氨氮峰值多发生在 1 月～4 月，正处冬季，原水水温均低于 5℃，达不到要求的处理效果。因此第四水厂预处理工艺不宜采用生物预处理法。预臭氧处理工艺处理效果不受季节、气温等因素影响，效果稳定、占地少，且不产生污泥，本工程采用预臭氧进行预处理。由于臭氧的设备比较昂贵，臭氧预氧化通常结合臭氧活性炭深度处理在净水厂内一并考虑。本工程将在水厂内设有预臭氧的投加点，生产运行中视情况投加。高锰酸钾预氧化生产运行中视情况投加，作为备用设施。
..........
结论
本文实验研究结果为水厂在进厂水水质恶化，常规工艺处理达不到要求的情况下提供解决方案，也为其它以黄河水为源水的水厂设计和运行提供了指导性参考意义。长期来看，水厂工艺优化设计部分从根本上解决了水厂的运行问题。通过实验研究，得出以下结论：
（1）聚合氯化铝（PAC）和硫酸亚铁（Fe SO4）两种混凝剂，聚合氯化铝更加适用于本水厂水质，混凝效果优于硫酸亚铁，聚合氯化铝的最佳投加量为30mg/L。
（2）聚合氯化铝与活性炭联用表明，在进水 CODMn 为 4.88mg/L，浊度为14.9NTU 的条件下，活性炭最佳投加量为 10mg/L；在进水 CODMn 为 4.72mg/L，浊度为 17.1NTU 的条件下，活性炭在 PAC 之前 5～15min 投加对浊度和 CODMn的去除效果最好。
（3）聚合氯化铝、活性炭与高锰酸钾联用表明，在进水浊度为 11.20NTU，氨氮为 0.73mg/L，CODMn 为 5.00mg/L 的条件下，高锰酸钾最佳投加量为 1mg/L；在进水浊度为 10.10NTU，CODMn 为 4.96mg/L，氨氮为 0.59mg/L 的条件下，高锰酸钾在活性炭之前 15min 投加对浊度、CODMn 和氨氮的去除效果最好。
.........
参考文献（略）
