第十九章 特种水源水处理工艺系统 46页

第19章特种水源水处理工艺系统19.1高浊度水处理工艺系统19.2地下水除铁除锰19.3水的除氟和除砷19.4软化、除盐和锅炉水处理工艺系统19.5游泳池水处理工艺系统\n19.1高浊度水处理工艺系统19.1.1高浊度河水及其水质特点在我国，主要指流经黄土高原的黄河、支流的河水。含沙量大、D<0.05mm的细泥沙占50%以上，受有机污染的高浊水处理更困难。74.5876.89284\n（1）自由沉淀(DiscreteSettling)：悬浮物质浓度不高；颗粒之间互不碰撞，呈离散状态；沉速不变，各自独立完成沉淀过程；（2）絮凝沉淀(FlocculentSettling)：悬浮物质浓度为50-500mg/L；颗粒之间可能互相碰撞产生絮凝作用；颗粒粒径与质量逐渐加大，沉速不断加快\n（3）区域沉淀（成层/拥挤沉淀）(ZoneSettling)：悬浮物质浓度〉500mg/L；相邻颗粒之间互相妨碍、干扰；沉速大的颗粒也无法超越沉速小的颗粒各自保持相对位置不变颗粒群结合成一个整体向下沉淀形成清晰的液—固界面，沉淀显示为界面下沉（4）压缩沉淀(CompressionSettling)：颗粒间互相支承，上层颗粒在重力作用下，挤出下层颗粒的间隙水，使污泥得到浓缩；\n19.1.2高浊度水的处理工艺系统在常规处理工艺前增加预处理工艺典型流程1适合SS浓度高排泥量大\n19.1.2高浊度水的处理工艺系统典型流程2一般将贮水与自然沉淀结合起来，即将自然沉淀池扩大为贮水池。占地大、排泥难。水在贮水池中经长时间的沉淀，有利于后续的常规处理更好地进行。\n19.1.2高浊度水的处理工艺系统典型流程3对于中、小水厂，当高浊度水的含沙量不是很高时，也可采用澄清池，简化处理流程，降低了建设成本。造粒流化床也可采用（适合SS1-20g/L）排泥：QuCu+QeCe=Q0C0Qu/Q0=C0/CuC0>100g/L不经济，泥的处置（筑堤、制砖、农用）\n澄清池工作原理原水颗粒1（d1,n1），絮体颗粒2(d2,n2)粒径相差悬殊颗粒浓度降低速率:(附着效率系数)d1+d2≈d2,n1+n2≈n11）nt随水中絮体体积浓度增大而减小；2）原水进入泥渣区与高体积浓度粗粒絮体接触，大大提高原水中细粒悬浮物的絮凝速率。\n19.2地下水除铁除锰19.2.1地下水除铁存在形式：主要Fe(HCO3)2，5-15mg/L处理方法：4Fe2++O2+2H2O=4Fe3++4OH-（Fe(OH)3析出）氧化剂：氧（慢）、氯、高锰酸钾、二氧化氯、臭氧曝气自然氧化除铁接触氧化除铁：铁质活性滤膜催化(锰砂、石英砂)提高pH值>71HrpH>65-30mins吸附容量大O2/Fe2+=0.14a\n19.2地下水除铁除锰19.2.2地下水除锰铁、锰共存时，应先除铁后除锰。先除铁后除锰的两级曝气两级过滤工艺系统：单级Fe<5ppm,Mn<1.5ppmFe>10ppmMn>3ppm\n石英砂外表面随时间的变化西安北郊地下水中试基地：有机玻璃滤柱（D0.28m，H3.8m），石英砂密度2.65g/L、当量粒径为1.20mm、K80=1.38<1.4，滤层厚度L120cm，滤速9.74M/H,ECBT=7.4mins。\n接触氧化法除铁锰技术原水中的Fe2+、Mn2+首先吸附在活性滤膜上，然后通过活性滤膜的催化作用被氧化去除，同时又生成新的活性滤膜成分，该过程为自催化作用，这种滤料成为“熟料”，基于“熟料”的除铁锰反应式如下：（1）除铁反应：吸附：氧化：（2）除锰反应：吸附：氧化：最近发现Mn3O4催化？\n滤层厚度L120cm，滤速9.74M/H。\n\n地下水的生物法除铁除锰“锰质活性滤膜”是锰的化合物和铁细菌的共生体。微生物除氧化Fe2+、还氧化Mn2+获得能量，同时氧化生成的MnO2沉积在滤料表面、催化Mn2+的氧化，与微生物形成“黑膜”--锰质活性滤膜。滤膜不断吸附水中的Mn2+，铁细菌将Mn2+氧化并沉积在滤膜表面，使滤膜更新。胞内酶促一级氧化和胞外分泌物酶促二级氧化生物氧化和化学氧化作用相对大小？\n19.3地下水除氟和除砷19.3.1地下水除氟当水中氟浓度高于1.0mg/L时，需要进行除氟处理。常用的除氟方法有吸附法、药剂法、电渗析法等，常用的吸附剂有活性氧化铝、磷酸三钙或骨灰等。活性氧化铝是由氧化铝的水化物经400～600℃灼烧而成的颗粒状滤料，具有较大的比表面积，可以通过离子交换进行除氟。活性氧化铝对水中阴离子的吸附亲和力顺序为：\n19.3地下水除氟和除砷19.3.1地下水除氟先用硫酸铝对氧化铝进行活化，使转为硫酸盐型：活化后的氧化铝可表示为活性氧化铝吸附饱和后，可用硫酸铝再生：\n活性氧化铝的除氟容量为1.2～2.2mgF/g活性氧化铝。活性氧化铝下向流吸附滤池。滤料粒径0.5～2.5mm，滤层厚度700～1000mm，滤料不均匀系数K≤2，承托层为卵石，层厚400～700mm。滤料干容重为800kg/m3。滤速与水的含氟量以及滤层厚度有关，一般为1.5～2.5m/h。活性氧化铝再生时，先用原水对滤层进行反冲洗，反冲洗强度为11～12L/（s·m2），冲洗5min，再用2％的硫酸铝溶液以0.6m/h滤速自上而下通过滤层对滤料进行循环再生，再生时间约需18～45h。\n19.3.1地下水除氟磷酸三钙吸附法除氟，常采用羟基磷灰石作为吸附滤料。反应公式为：羟基磷灰石的除氟能力一般为2～4mg/g。骨灰吸附法除氟，工作原理与磷酸三钙基本相同。药剂法除氟，是向水中投加铝盐混凝剂，如硫酸铝、聚合铝等。\n19.3.2地下水除砷砷含量:我国饮用水标准<50μg/LWHO和USA标准<10μg/L。铁盐混凝法除砷。向水中投加铁盐混凝剂，如三氯化铁，铁盐水解生成氢氧化铁絮凝体，能吸附水中的砷，通过沉淀、过滤除砷。用氧化剂将三价砷氧化成五价砷，能显著提高混凝法除砷效果。\n19.4软化、除盐和锅炉水处理工艺系统19.4.1概述水中钙离子、镁离子含量的总和一般叫做水的总硬度降低水中钙离子、镁离子含量的处理叫做水的软化。水中全部阳离子和阴离子含量的总和叫做含盐量。水中含盐量高会加重受热面的结垢与腐蚀状况，因此需要降低用水中的含盐量，该过程称为除盐处理。\n19.4.2软化的基本工艺系统1.药剂软化工艺系统水的药剂软化：投加某些药剂（如石灰、纯碱等），使原水中的钙离子、镁离子生成可沉淀物质碳酸钙和氢氧化镁，去除绝大部分钙离子、镁离子。目前常用的药剂软化法有：石灰软化法、石灰－苏打法、磷酸盐法及掩蔽剂法。\n（1）石灰软化法适用于碳酸盐硬度较高的原水石灰是CaO的工艺产品，溶于水中生成消石灰，反应如下：水中的和会与生成，反应如下：碳酸镁会进一步与氢氧化钙反应生成氢氧化镁：\n石灰软化法的工艺流程\n（2）石灰－苏打法适用于非碳酸盐硬度较低的水质条件。对原水同时投加石灰和苏打，软化反应如下：经石灰－苏打软化后，剩余硬度可降到0.3～0.4mmol/L。\n（3）磷酸盐法经石灰－苏打软化后，水中理论残余硬度能降低到碳酸钙和氢氧化镁溶解度，为进一步降低硬度，采用磷酸盐软化法。磷酸盐法反应式为：残余硬度为0.02～0.04mmol/L。\n2.离子交换软化工艺系统主要根据原水水质和处理要求来选择，常用的有Na离子交换软化系统和H－Na联用离子交换脱碱软化系统。如果原水碱度不高，可采用Na离子交换软化系统。离子交换反应？如果原水碱度较高，可采用H－Na联用离子交换除碱软化系统，同时去除水中的硬度和碱度。\n19.4.3除盐工艺系统除盐是减少水中溶解盐类的总量。除盐方法：离子交换法、蒸馏法、电渗析法、反渗透法、电子混合床等。1.离子交换除盐工艺系统（IonExchangeDesaltingProcess）（1）复床除盐（CombinedBedDesatination）（2）混合床除盐（MixedBedDesatination）2.电渗析除盐（ElectrodialysisDesalination）3.反渗透除盐（ReverseOsmosisDesalination）4.电除盐（Electrodeionization，EDI）\n水质工程学Ⅰ重点内容§1水质与水质标准概念：水体富营养化、水质标准问题：按化学性质分类，天然水体中的杂质和污染水体中的污染物主要有哪些？水体富营养化产生的原因和危害？我国饮用水水质标准（GB5749-2006）包括哪四类指标？\n概念：反应器、停留时间分布函数、水处理工艺流程问题：水的物理化学处理方法主要有哪些？饮用水的生物处理方法主要有哪些？常规处理工艺流程的组成及去除目标？受污染水源水净化处理的主要对策？强化常规处理、预处理、深度处理、水源水质改善。反应器理论在水处理中有何应用？§2水的处理方法概论\n停留时间分布函数E(t)：在某一时刻t2从反应器流出的物料或示踪剂中，如停留时间在t1和t1+dt1间隔内所占的比例可表示为E(t1)dt1,则E(dt1)满足如下关系：\n§3凝聚和絮凝概念：混凝、凝聚与絮凝问题：胶体的双电层结构(图)、胶体稳定性(3个)？混凝机理（凝聚4个、絮凝2个）？影响混凝效果的因素？混凝过程的控制指标和要求？混凝剂及助凝剂的主要类型及特点？\n胶体的双电层结构{[胶核]电位形成离子，束缚反离子}，自由反离子吸附层扩散层胶粒胶团双电层内层双电层外层1nm-1μm\n胶体的稳定性胶体稳定性：胶体在水中长期保持分散状态的特性。动力学稳定性：强烈、无规则的布朗运动对抗重力作用而不下沉，强弱与分散度和分散介质粘度有关。带电稳定性：带同号电荷的胶粒之间存在静电斥力对抗范德华引力而稳定，强弱取决于电荷量和颗粒之间距离。溶剂化作用稳定性：胶粒与水作用形成水化层，阻碍胶粒相互接近而稳定。影响胶体稳定性的主要作用：憎水胶体：带电稳定性和动力稳定性亲水胶体：溶剂化作用稳定性ζ电位，决定憎水胶体的聚集稳定性，也决定亲水胶体的水化膜的阻碍，当ξ电位降低，水化膜减薄及至消失。\n3.2混凝机理3.2.1胶体的凝聚机理压缩双电层、吸附-电中和、吸附-架桥、网捕-卷扫压缩双电层：原理：根据DLVO理论，比较薄的双电层能降低胶粒之间的排斥能，两胶粒之间的作用力由排斥力为主变为吸引力为主时，胶粒会互相接近发生凝聚。方法：向水中加入高价正电荷会置换胶粒表面上的反离子（原有的低价正离子），正离子的数量减少导致双电层厚度变薄，胶粒表面ζ电位降低，当ζ＝０或Ｅmax=0，胶粒即可发生凝聚。\n吸附－电中和：原理：胶粒表面吸附异号离子，异号胶粒或带异号电荷的高分子，中和胶粒本身所带的部分或全部电荷，从而降低ζ电位，减少胶粒之间的静电斥力，使胶粒互相接近发生凝聚。但过量吸附使胶粒表面电性发生反转而再稳定。主要驱动力：包括静电引力、范德华引力、氢键和配位键等。\n吸附－架桥：原理：胶粒通过吸附有机或无机高分子混凝剂／助凝剂而架桥连接，使胶粒相互凝聚成大的絮凝体而脱稳。方法：与不带电荷、带异号电荷、带同号电荷的高分子物质架桥（范德华引力、氢键、配位键、电中和等）高分子物质投加量：过少不架桥，过多覆盖保护。网捕－卷扫：原理：向水中投加金属盐混凝剂后，金属离子水解和聚合后形成较大量的具有三维立体结构的水合金属氧化物沉淀物，当此沉淀物体积收缩沉降时，网捕卷扫胶粒。投加量适中投加量过多\n絮凝机理异向絮凝（perikineticflocculation）：由布朗运动引起的脱稳胶粒碰撞聚集。不规则运动/碰撞、强度随胶粒粒径增大而减弱，当絮体增加到一定尺寸，不再起作用。同向絮凝（orthokineticflocculation）：由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的脱稳胶粒碰撞聚集。\n混凝过程控制指标混合（凝聚）过程：对水流进行剧烈搅拌，主要是使药剂快速均匀分散以利于混凝剂快速水解、聚合、及颗粒脱稳。平均G＝700～1000s-1，时间T10～30s，一般<2min。此阶段，杂质颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。絮凝过程：主要靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚，故以同向絮凝为主。同向絮凝效果G、T有关，常以G值和GT值作为控制指标。平均G＝20－70s-1，GT＝1～104－105随着絮凝的进行，G值应逐渐减小。\n§4沉淀概念：水中造粒、气浮、表面负荷问题：沉淀的类型及特点？理想沉淀池及斜板沉淀池理论（结合图示）？影响沉淀效率的主要因素？澄清池的工作原理？水中造粒的原理及条件控制？\n§5过滤概念：过滤，滤料的比表面积，滤速，等速过滤与等水头过滤问题：过滤去除悬浮物的机理及提高滤池截污能力（过滤效果）的措施？分析过滤过程中水头损失变化规律、负水头的产生原因及预防措施（结合图示）？分析大、小阻力配水系统能够配水均匀的原因？滤池反冲洗的主要方法、作用机理及特点？图示说明V型滤池的工作过程（原理）及反冲洗过程？\n§6吸附概念：吸附及吸附平衡，吸附等温线问题：影响活性炭吸附的主要因素？分析活性炭吸附过程？活性炭的净水功能及在饮用水处理中的应用？\n§7氧化还原与消毒概念：消毒及其评价指标，自由性氯及化合性氯问题：主要的消毒方法及消毒机理？比较氯、氯胺、二氧化氯、臭氧消毒的优缺点？臭氧对有机物的氧化特性、臭氧化对水处理效果的影响、臭氧化-生物活性炭的除污染技术原理？如何有效控制饮用水中的氯化消毒副产物？去除前驱物质、改进消毒方法。高级氧化的工艺核心及主要实现方法？\n§8离子交换概念：离子交换及其平衡，离子交换树脂的选择性及交换容量，水的软化与除盐问题：水的钠离子、氢离子、H-Na离子软化原理及反应？分析氢离子交换器出水水质变化过程？图8-19（P258）\n§9膜滤技术概念：膜滤，膜污染，截留率，渗透通量问题：微滤、超滤、钠滤、反渗透、电渗析的推动力、分离机理及截留物？超滤过程中浓差极化的产生原因及危害？\n§10-11水的冷却、腐蚀与结垢概念：水的冷却，干球/湿球温度，浓缩倍数，腐蚀，钝化问题：水的冷却原理？循环冷却水处理方法？电化学和微生物腐蚀的过程与机理？水质稳定性的判断及水质稳定处理方法？