电厂水处理及监测教学课件作者丑晓红第一章 33页

第一章水质基本知识认知第一节天然水及其分类第二节电厂用水的类别及水质指标返回\n第一节天然水及其分类一、水源水是地球上分布最广的物质，占据着地球表面的四分之三，其构成了海洋、江河、湖泊以及积雪和冰川。另外，地层中还存在着大量的地下水，大气中也存在着相当多的水蒸气。地面水主要来自雨水，地下水主要来自地表水，而雨水又来自地面水和地下水的蒸发。因此，水在自然界中是不断循环的。水分子(H2O)是由两个氢原子和一个氧原子组成的，然而大自然中是没有纯的水的，因为水是一种溶解能力很强的溶剂，能溶解大气中、地表面和地下岩层里的许多物质。另外，也有一些不溶于水的物质会和水混合在一起。下一页返回\n第一节天然水及其分类火力发电厂用水的水源主要有两种:一种是地表水;另一种是地下水。地表水是指流动或静止在地表面的水，主要是江河、湖泊和水库水。海水虽属于地表水，但由于其特殊的水质，则另作介绍。天然水中除了含有氧气和二氧化碳，还有其他多种多样的杂质，这些杂质按照其粒径大小可分为悬浮物、胶体和溶解物质三大类。1)悬浮物:颗粒直径约在10-4mm以下的微粒，这类物质在水中是不稳定的，很容易被除去。水发生的浑浊现象都是由此类物质造成的。2)胶体:颗粒直径为10-6~10-4mm的微粒，其是许多分子和离子的集合体，有明显的表面活性，常常因吸附大量离子而带电，不易下沉。3)溶解物质:颗粒直径约在10-6mm以下的微粒，大都是离子和一些溶解气体。上一页下一页返回\n第一节天然水及其分类呈离子状态的杂质主要有阳离子(钠离子、钾离子、钙离子、镁离子)、阴离子(氯离子、硫酸根、碳酸氢根);而溶解气体以氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、氮气(N2)为主。二、水中的溶解物质1.水中杂质的表示方法(1)悬浮物的表示方法悬浮物的量可以用质量方法来测定(将水中悬浮物过滤、烘干后称量)，通常用透明度或浑浊度(浊度)来代替。(2)溶解盐类的表示方法上一页下一页返回\n第一节天然水及其分类1)含盐量:水中所含盐类的总和。2)蒸发残渣:水中不挥发物质的量。3)灼烧残渣:水在800℃下灼烧而得到的残渣。4)电导率:水导电能力大小的指标。5)硬度:硬度是用来表示水中某些容易形成垢类以及在洗涤时容易消耗肥皂的物质。对于天然水来说，主要是指钙、镁离子。硬度按照水中存在的阴离子情况可划分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度两类。6)碱度和酸度:碱度表示水中OH-,、HCO-3的含量以及其他一些弱酸盐类量的总和。碱度表示方法可分为甲基橙碱度和酚酞碱度两种。酸度表示水中能与强酸起中和作用的物质的量。上一页下一页返回\n第一节天然水及其分类(3)有机物的表示方法有机物的量通常用耗氧量来表示。2.溶解物质溶解物质是指颗粒直径小于10-6mm的微粒，它们大都以离子或溶解气体的状态存在于水中，现概述如下:(1)离子态杂质天然水中含有的离子种类甚多，但在一般的情况下，它们总是一些常见的离子。含钠的矿石在风化过程中易于分解，并释放出Na+，所以地表水和地下水中普遍含有Na+。上一页下一页返回\n第一节天然水及其分类(2)溶解气体天然水中常见的溶解气体有氧气(O2)和二氧化碳(CO2)，有时还有硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)和氨(NH3)等。天然水中O2的主要来源是大气中O2的溶解，因为空气中含有20.95%的氧，水与大气接触使水具有自充氧的能力。另外，水中藻类的光合作用也会产生一部分O2，但这种光合作用并不是水体中O2的主要来源，因为在白天靠这种光合作用产生的O2，又会在夜间的新陈代谢过程中被消耗掉。上一页下一页返回\n第一节天然水及其分类地下水因不与大气相接触，O2的含量一般低于地表水，天然水的O2含量一般为0~14mg/L。天然水中CO2主要来自水中或泥土中有机物的分解和氧化，也有因地层深处进行的地质过程而生成的，其含量在每升几毫克至几百毫克之间。地表水的CO2含量常为20~30mg/L，地下水的CO2含量较高，有时会达到每升几百毫克。三、天然水的分类通常天然水有两种分类方法:一种是按主要的水质指标分，另一种是按水中盐类的组成分。上一页下一页返回\n第一节天然水及其分类以水质指标为例进行说明。天然水可以按其硬度或含盐量分类，因为这两种指标可以代表水受矿物质污染的程度。1)天然水按其硬度分类(见表1一1)。根据此种分类，我国天然水的水质由东南沿海的极软水向西北经软水和中等硬度水而递增至硬水。这里所谓的软水是指天然水硬度较低，不是指经软化处理后所获得的软化水。2)天然水按其含盐量分类(见表1一2)。中国江河水大都属于低含盐量水和中等含盐量水，地下水大部分是中等含盐量水。上一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标一、电厂用水的类别水在火力发电厂水汽循环系统中所经历的过程不同，水质常有较大的差别。因此根据实用的需要，人们常给予这些水不同的名称。它们分别是原水、锅炉补给水、给水、锅炉水、锅炉排污水、凝结水、冷却水和疏水等。现分别简述如下:(1)原水原水也称为生水，是未经任何处理的天然水(如江河水、湖水、地下水等)，它是电厂各种用水的水源。(2)锅炉补给水下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标原水经过各种水处理工艺净化处理后，用来补充发电厂水、汽损失的水称为锅炉补给水。按其净化处理方法的不同，又可分为软化水和除盐水等。(3)给水送进锅炉的水称为给水。给水主要由凝结水和锅炉补给水组成。(4)锅炉水在锅炉本体的蒸发系统中流动着的水称为锅炉水，习惯上简称为炉水。(5)锅炉排污水上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标为了防止锅炉结垢和改善蒸汽品质，用排污的方法排出一部分炉水，这部分排出的炉水称为锅炉排污水。(6)凝结水蒸汽在汽轮机中做功后，经冷却水冷却凝结成的水称为凝结水，它是锅炉给水的主要组成部分。(7)冷却水作为冷却介质的水称为冷却水。这里主要指用来冷却做功后的蒸汽的冷却水，如果该水循环使用，则称为循环冷却水。(8)疏水上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标将给水加热后进入加热器的蒸汽和这部分蒸汽冷却后形成的水，以及机组停行时，蒸汽系统中的蒸汽冷凝之后形成的水，都称为疏水。在水处理工艺过程中，还有所谓的清水、软化水、除盐水及自用水等。二、水质指标所谓水质是指水和其中杂质共同表现出的综合特性，而表示水中杂质个体成分或整体性质的项目，称为水质指标。1.表示水中悬浮物及胶体的指标(1)悬浮固体上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标悬浮固体是水样在规定的条件下，经过滤可除去的固体，单位为毫克/升(mg/L)。这项指标仅能表示水中颗粒较大的悬浮物，而不包括能穿透滤纸的颗粒小的悬浮物及胶体，所以有较大的局限性。此指标的测定需要将水样过滤，滤出的悬浮物需经烘干和称量等手续，操作麻烦，不易作为现场的监督指标。(2)浊度浊度是反映水中悬浮物和胶体含量的一个综合性指标，它是利用水中悬浮物和胶体颗粒对光的散射作用来表示其含量的一种指标，即表示水浑浊的程度。浊度是通过专用仪器测定的，操作简便迅速。上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标(3)透明度透明度是利用水中悬浮物和胶体物质的透光性来表示其含量的一种指标，即表示水透明程度的指标，单位为厘米(cm)。水的透明度与浊度成反比，水中悬浮物含量越高，其透明度越低。而由于透明度是通过人的眼睛观察水层厚度来确定水中悬浮物含量的，因此它带有人为的随意性。2.表示水中溶解盐类的指标(1)含盐量含盐量是表示水中各种溶解盐类的总和，由水质全分析的结果，通过计算求出。上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标含盐量有两种表示方法:一是摩尔表示法，即将水中各种阳离子(或阴离子)均按带一个电荷的离子为基本单位，计算其含量(单位为mmol/L),然后将它们(阳离子或阴离子)相加;二是重量表示法，即将水中各种阴、阳离子的含量以mg/L为单位全部相加。由于水质全分析比较麻烦，因此常用溶解固体近似地表示或用电导率衡量水中含盐量的多少。(2)溶解固体溶解固体是将一定体积的过滤水样，经蒸干并在105℃~110℃下干燥至恒重所得到的蒸发残渣量，单位用毫克/升(mg/L)表示。上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标它只能近似地表示水中溶解盐类的含量，因为在这种操作条件下，水中的胶体及部分有机物与溶解盐类一样能穿过滤纸，许多物质的湿分和结晶水不能除尽，而碳酸氢盐则全部转换为碳酸盐。(3)电导率表示水中离子导电能力大小的指标，称作电导率。因为溶于水的盐类都能电离出具有导电能力的离子，所以电导率是表征水中溶解盐类的一种代替指标。水越纯净，含盐量越小，电导率越小。水电导率的大小除了与水中离子含量有关外，还和离子的种类有关，单凭电导率不能计算出水中含盐量。上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标在水中离子的组成比较稳定的情况下，可以根据试验求得电导率与含盐量的关系，并将测得的电导率换算成含盐量。电导率的单位为微西/厘米(μS/cm)。三、表示水中容易结垢物质的指标表示水中容易结垢物质的指标是硬度，它们是指水中某些易于形成沉淀的，都是二价或二价以上的金属离子。在天然水当中，可以形成硬度的物质主要是钙、镁离子，所以常认为硬度就是水中这两种离子的含量。水中钙离子含量称钙硬(HCa)，镁离子含量称镁硬(HMg)，总硬度是指钙硬和镁硬之和，即上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标根据Ca2+、Mg2+与阴离子组合形式的不同，又将硬度分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。1)盐硬度(HT)是指水中钙、镁的碳酸盐及碳酸氢盐的含量。此类硬度在水沸腾时从溶液中析出而产生沉淀，所以有时也称为暂时硬度。2)非碳酸盐硬度(HF)是指水中钙、镁的硫酸盐、氯化物等的含量。硬度单位为毫摩尔/升(mmol/L)，这是一种常见的表示物质浓度的方法，是我国的法定计量单位。1.表示水中碱性物质的指标表示水中碱性物质的指标是碱度，碱度是表示水中可以用强酸中和的物质的量.形成碱度的物质有:上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标1)强碱，如NaOH,Ca(OH)2等，它们在水中全部以OH-形式存在。2)弱碱，如NH:的水溶液，它在水中部分以OH-形式存在。3)强碱弱酸盐类，如碳酸盐、磷酸盐等，它们水解时产生OH-。在天然水中的碱度成分主要是碳酸氢盐，有时还有少量的腐殖酸盐。2.表示水中酸性物质的指标表示水中酸性物质的指标是酸度，酸度是表示水中能用强碱中和的物质的量。可能形成酸度的物质有:强酸、强酸弱碱盐、弱酸和酸式盐。天然水中酸度的成分主要是碳酸，一般没有强酸酸度。水中酸度的测定是用强碱标准来滴定的。当所用指示剂不同时，所得到的酸度不同。上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标这里需要说明的是:酸度并不等于水中氢离子的浓度，水中氢离子的浓度常用pH值表示，其是指呈离子状态H+的数量;而酸度则表示在中和滴定过程中可以与强碱进行反应的全部H+的数量，其中包括原已电离的和将要电离的两个部分。3.表示水中有机物的指标天然水中的有机物种类繁多，成分也很复杂，且分别以溶解物、胶体和悬浮状态存在。因此很难进行逐类测定，通常是利用有机物比较容易被氧化这一特性，用某些指标间接地反映它的含量，如化学氧化、生物氧化和燃烧等三种氧化方法，并都是以有机物在氧化过程所消耗氧化剂的数量来表示有机物可氧化程度的。上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标(l)化学耗氧量(COD)在规定条件下，用氧化剂处理水样时，水样中有机物氧化所消耗氧化剂的量，即化学耗氧量。计算时折合为氧的质量浓度，简写代号为COD，单位用mg/L表示。化学耗氧量越高，水中有机物越多。常采用的氧化剂有重铬酸钾和高锰酸钾，氧化剂不同，测得有机物的含量也不同。(2)生化需氧量(BOD)在特定条件下，水中的有机物和无机物进行生物氧化时所消耗溶解氧的量，即生化需氧量，单位也用mg/L表示。构成有机体的有机物大多是碳水化合物、蛋白质和脂肪等，其组成元素是碳、氢、氧、氮等，因此不论有机物的种类如何，有氧分解的最终产物总是二氧化碳、水和硝酸盐。上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标四、天然水中几种主要化合物的化学特性天然水中含有的杂质种类虽然较多，但天然水中主要杂质的种类差不多是一致的，它们总是几种常见的化合物，所以在研究水的净化处理时，只需研究若干常见的化合物即可。1.碳酸化合物碳酸和它的盐类统称为碳酸化合物，在天然水中特别是在含盐量较低的水中，含量最大的化合物常常是碳酸化合物。而且，在自然界发生的自然现象中，如天然水对酸、碱的缓冲性，沉积的生成与溶解等，碳酸也常常起着非常重要的作用。(1)碳酸化合物的存在形式上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标水中碳酸化合物通常有以下四种形式:溶于水的二氧化碳气体，分子态碳酸，碳酸氢根及碳酸根。在水溶液中，这四种碳酸化合物之间有式(1一5),式(1一6)、式(1一7)这几种化学平衡:若把上述平衡式综合起来可以得到式(1一8):利用上述关系式解决有关碳酸化合物的问题是有困难的，因为在进行水分析时，水中的二氧化碳和碳酸是区分不开的，所以用酸、碱滴定测得的二氧化碳是两者之和。上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标实际上，分子态的碳酸只占总量的百分之一以下，故实际工作中可以将二氧化碳和碳酸一起用二氧化碳来表示，此时式(1一8)可表示为(1一9)的形式:(2)碳酸化合物的形态与pH值的关系碳酸为二元弱酸，可进行分级电离。不同温度下有着不同的电离平衡常数。1)pH值和各种碳酸化合物相对含量间的关系。碳酸化合物在各种溶液中的相对含量主要取决于该溶液的pH值，其对应关系如图1一1所示上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标当pH值<4.2时，水中碳酸化合物基本是CO2;当pH值=4.2一6.3时，CO2和HC03-同时存在;当pH值=8.3时，98%以上的碳酸化合物呈HC03状态;当pH值>8.3时，HC03-和CO32-同时存在。2)pH值、[HC03-]、[CO32-]和[CO2]的关系。在pH值<8.3时，碳酸进行的是一级电离，将式(1一10)等号两边取负对数并加以整理，则得(1一16);对于pH值<8.3的天然水来说，因为水中碳酸氢根的浓度实际就是水中的碱度(B);上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标当水的pH值>8.3时，由碳酸的二级电离平衡方程式，可求得式(1一19):2.硅酸化合物硅酸是一种比较复杂的化合物，它的形态多，在水中有离子态、分子态以及胶态。硅酸的通式为xSiO2·yH2O。当x和y,等于1时，分子式可写成H2Si03，称为偏硅酸;当x=1,y=2时，分子式为H4Si04，其为正硅酸;当x>1时，硅酸呈聚合态，称多硅酸。当硅酸的聚合度增大时，它会由溶解态转化成胶态，当其浓度较大时，会呈凝胶状析出。当水的pH值不是很高时，溶于水的二氧化硅主要是分子态的简单硅酸，至于这些溶于水的硅酸到底是正硅酸还是偏硅酸，还有待研究。上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标因为硅酸通常显示出二元酸的性质，所以本书中均以偏硅酸来表示。硅酸的酸性很弱，电离度不大，所以当纯水中含有硅酸时不易用pH值或电离率检测出来。当pH值增大到9时，二氧化硅的溶解度就明显增大，此时硅酸电离成H2Si03的量增多，所以溶解的二氧化硅除了生成硅酸外，还会生成大量的H2Si03-，其反应方程式为:当pH值较大且水中溶解的硅酸化合物较多时，它们会形成多聚体，其反应方程式为:在天然水中，硅酸化合物是常见的杂质。它来自水流经地层时与含有硅酸盐和铝硅酸盐岩石的反应。地下水的硅酸化合物含量通常比地面水多，天然水中硅酸化合物(以二氧化硅表示)含量为1一20mg/L，地下水则有高达60mg/L的。上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标硅酸化合物的形态会影响到它的测定方法。采用钥蓝比色法能测得的只是水中分子质量较低的硅酸化合物。至于分子质量较大的硅酸，有的不与钥酸反应，有的反应缓慢。根据此种反应能力不同，水中硅酸化合物可分成两类。那些能够直接用比色法测得的称为活性二氧化硅(简称活性硅)，不能测得的称为非活性二氧化硅。在火力发电厂中，水中硅酸化合物是有害的物质。当锅炉水中铝、铁和硅的化合物含量较高时，其会在热负荷很高的炉管内形成水垢。在高压锅炉中，硅酸会溶于蒸汽，随之被带出锅炉，最后沉积在汽轮机内。所以硅酸化合物是水净化的主要对象之一。3.铁化合物在天然水中铁是常见的杂质。水中的铁有Fe2+、Fe3+两种。上一页下一页返回\n第二节电厂用水的类别及水质指标在深井中因溶解氧的浓度很小、pH值较低，水中会有大量的Fe2+，且浓度高达10mg儿以上，这是因为常见的亚铁盐类的溶解度较大，Fe2+不易形成沉淀物。当水中溶解氧浓度较大和pH值较高时，Fe2+会氧化成Fe3+，而Fe3+的盐类很易水解，从而转变成Fe(OH)3沉淀物或胶体，其反应方程式为:当pH值≥8时，水中Fe2+被溶解氧氧化的速度很快。在地表水中，由于溶解氧的含量较多，因此Fe2+的量通常很小，但在含有腐殖酸的沼泽水中，Fe2+的量可能较多，因为这种水的pH值常接近于4,Fe2+会与腐殖酸形成络合物，这种络合物不易被溶解氧氧化。在pH值为7左右的地表水中，一般只有含呈胶态氢氧化铁的铁。锅炉给水携带铁的氧化物会造成锅炉炉管内氧化铁垢的生成。上一页返回\n表1-1返回\n表1-2返回\n图1-1返回