第14章给水处理概论教案

第14章给水处理概论14.1水源水质14.1.1原水中的杂质1）来源：自然过程——地层中的矿物质在水中溶解，水中微生物的繁殖及其死亡残骸，水流对地表及河床冲刷所带入的泥沙和腐殖质等。人为因素——工业废水、农业污水及生活污水污染。2）分类按尺寸大小分为：悬浮物、胶体和溶解物。水中杂质分类P233表14-1注意：尺寸界限并非绝对，粒径在100nm-1μm之间属于胶体和悬浮物的过渡阶段。小颗粒悬浮物往往也具有一定的胶体性质，只有当粒径大于10μm时，才与胶体有明显差别。a.悬浮物和胶体杂质悬浮物：尺寸较大，易于在水中下沉或上浮，一般是大颗粒泥砂、矿物质废渣或有机物。胶体：尺寸很小，在水中长期静止也难下沉，如粘土、某些细菌及病菌、腐殖质、蛋白质和有机高分子物质等。悬浮物和胶体是使水产生浑浊现象的根源，也是饮用水处理的主要去除对象。（DN0.1mm的泥砂可自行下沉；粒径较小的悬浮物和胶体杂质，需投加混凝剂）b.溶解杂质（有机溶解物和无机溶解物）无机溶解杂质是工业给水处理的主要对象；有机溶解杂质（如腐殖质和一些优先控制污染物，包括三卤甲烷、多氯联苯、氯酚、多环芳烃、邻苯二甲酸酯类、萘）的去除是目前饮用水处理的研究重点之一。天然水体中含有的主要溶解杂质——无污染状态溶解气体：氧、氮、二氧化碳及少量硫化氢。氧——主要来源于空气中氧的溶解，部分来自藻类及水生植物的光合作用。溶解氧（DO）含量与水温、气压及水中有机物含量有关。未受污染的天然水体的DO值一般为5-10mg/L；当水体受污染时，DO降低甚至为0。氮——主要来源于空气中氮的溶解，部分是有机物分解及含氮化合物的细菌还原等生化过程。二氧化碳——地表水中CO2主要来自有机物的分解；地下水则还包括地层中所进行的化学反应。硫化氢——某些含硫矿物的还原及水中有机物腐烂。离子：主要含有的阳离子有Ca2+、Mg2+、Na+；阴离子有HCO3-、SO42-、Cl-。主要来源于矿物质溶解。14.1.2各种天然水源的水质特点1）地下水：水质清澈，水质水温较稳定，宜作为饮用水和工业冷却用水水源。我国北方地区常作为生活生产用水来源。含盐量和硬度一般高于地表水。2）江河水：水中悬浮物和胶态杂质较多，浊度高于地下水。水质水温易受自然条件和人为因素影响。含盐量和硬度较低。我国南方地区常作为生活生产用水来源。3）湖泊及水库水：水质与江河水类似。但由于流速较低，一般浊度较低但含藻较多，含盐量高于江河水。4）海水：含盐量高，需经淡化处理。2013年12月23日，国家海洋局海洋科学技术司发布的《2012年全国海水利用报告》指出，截至2012年底，全国已建成海水淡化工程95个，日产淡化水总规模达到77.4万吨。海水淡化工程主要集中在天津、河北、浙江、辽宁、山东等水资源严重短缺的地区。海水淡化主要采用反渗透和低温多效蒸馏技术，每吨产水平均成本6-8元。14.1.3受污染水源中的杂质优先控制污染物：目前有机污染物问题日趋严重化，由于新品种的不断出现，有机污染物的检测和去除手段也面临着重大考验。在众多污染物中筛选出潜在危险大的作为优先研究和控制对象，称之为优先污染物(PriorityPollutant)或称为优先控制污染物。我国水中优先控制污染物黑名单（68种）类别优先控制污染物挥发性卤代烃类二氯甲烷、四氯化酸、1，2-二氯乙烷、1，1，1-二氯乙烷苯系物苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯氯代苯类氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、六氯苯酚类苯酚、间甲酚、2，4-二氯酚、2，4，6-三氯酚、对-硝基酚硝基苯类硝基苯、对硝基甲苯、2，4-二硝基甲苯、三硝基甲苯、2,4-硝基苯胺类苯胺、二硝基苯胺、对硝基苯胺、2，6-二氯硝基苯胺多环芳烃类萘、荧蒽、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并(1，2,3-c，d)芘、苯并[ghi]芘酞酸酯类酞酸二甲酯、酞酸二丁酯、酞酸二辛酯农药六六六、滴滴涕、敌敌畏、乐果、对硫磷、甲基对硫磷、除草醚、敌百虫丙烯腈丙烯腈亚硝胺类N-亚硝基二甲胺、N-亚硝基二正丙胺氰化物氰化物重金属及其化合物砷及其化合物、铍及其化合物、镉及其化合物、铬及其化合物、汞及其化合物、镍及其化合物、铊及其化合物、铜及其化合物、铅及其化合物14.2水质标准水质标准：是用水对象（包括饮用和工业用水等）所要求的各项水质参数应达到的指标和限值。制定原则：卫生安全可靠；化学成分对人无害；使用时不致造成其他不良影响。14.2.1生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）2006年底完成修订，并于2012年7月1日起全面实施。水质指标由GB5749-85的35项增加至106项，其中：——微生物指标由2项增至6项；——饮用水消毒剂由1项增至4项；——毒理指标中无机化合物由10项增至21项；有机化合物由5项增至53项；——感官性状和一般理化指标由15项增至20项；——放射性指标中修订了总α放射性。14.2.2工业用水水质标准（水质要求差异大，由有关部门制定）14.3给水处理方法概述给水处理方法应根据水源水质和用户对水质的要求确定。14.3.1澄清和消毒澄清：包括混凝、沉淀和过滤，主要处理对象为水中悬浮物和胶体杂质。混凝——加混凝剂后使水中悬浮物和胶体形成大颗粒絮凝体；沉淀——在沉淀池静止使絮凝体重力沉降和水分离；过滤：利用粒状滤料截留水中杂质消毒：投加消毒剂灭活水中致病微生物。“混凝—沉淀—过滤—消毒”为生活饮用水的常规处理工艺，适用于以地表水为水源的水厂。14.3.2除臭、除味针对来源选择处理方法，如来源为有机物，可用活性炭或氧化法去除；溶解性气体或挥发性有机物，可采用曝气法；藻类繁殖，可采用微滤机或者气浮法去除藻类等。14.3.3除铁、除锰和除氟（地下水）离子型污染物常采用将溶解性的离子转化为沉淀物去除或离子交换法。除铁、锰：将溶解性的Fe2+、Mn2+转变为Fe3+、Mn4+沉淀物。自然氧化法——曝气装置、氧化反应池和砂滤池；接触氧化法——曝气装置和接触氧化滤池。除氟：投入硫酸铝、氯化铝或碱式氧化铝使氟化物沉淀；或利用活性氧化铝或磷酸三钙等进行吸附交换。14.3.4软化（地下水）去除对象：Ca2+、Mg2+方法：离子交换法；药剂软化法。14.3.5淡化和除盐（苦咸水及海水）去除对象：溶解盐类方法：蒸馏法、离子交换法、电渗析法及反渗透法。14.3.6水的冷却（工业用水）——冷却塔14.3.7水的腐蚀和结垢控制——缓蚀剂14.3.8生活用水预处理和深度处理（饮用水）预处理+常规处理常规处理+深度处理基本原理：吸附、氧化、生物降解和膜滤。预处理：粉末活性炭吸附法；臭氧或高锰酸钾氧化法；生物氧化法。深度处理：粒状活性炭吸附法；臭氧-粒状活性炭联用法或生物活性碳法；化学氧化法；光化学氧化法及超声波-紫外线联用等物理化学氧化法；膜滤法等。14.4反应器反应器——是发生化学反应的核心容器。在化学工程反应在设计计算时，用较为简单的数学模型简化复杂的实际反应过程和影响因素。水处理的许多单元是化学工程移植、发展而来的。给水处理是应用反应器的基本原理来研究水处理单元污染物除去的特性，基本单元包括：消毒池、絮凝池、沉淀池、生物滤池、除铁除锰过滤器等。反应器为研究分析水处理工艺和设备提供了思路和方法。14.4.1物料衡算和质量传递（1）物料衡算方程设在反应器内某一指定部位，任选某一物组分i，可写出如下物料平衡式（均以单位时间、单位体积物量计）：变化量=输入量-输出量+反应量*组分i应根据研究对象和要求选定。如在水的氯化消毒过程中，可取微生物作为研究对象。其中：J——物质扩散通量，单位：[摩尔/面积/时间]或[质量单位/面积/时间]DB——分子扩散系数，单位：[面积/时间]Ci——组分i的浓度，单位：[摩尔/体积]或[质量单位/体积]x——浓度梯度方向的坐标c.紊流扩散传递紊流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式；其中：DC——称紊流扩散系数。无论是分子扩散还是紊流扩散，如果在扩散的起始端不断的投入新的物质，在终端将扩散的物质输出，扩散将不断的进行下去，空间各点的物质浓度不变，成为稳定扩散。说明：当变化量为零时（组分i的浓度不随时间变化），称为稳定状态，即：输入量-输出量+反应量＝0物质的输入和输出，是有物质传递引起的，包括主体流动、分子扩散和稳流扩散。反应速度一般指化学反应速度。（2）质量传递传递机理可分：主流传递；分子扩散传递；紊流扩散传递。a.主流传递物质随水流主体而移动，称主流传递。它与液体中物质浓度分布无关，而与流速有关。传递速度与流速相等，方向与水流方向一致。物质在水平方向的浓度变化是有主流迁移和化学反应引起的。dxidCDJBdxidCDJCb.分子扩散传递在静止或者层流运动的液体中，物料组分i分布不均匀，存在浓度梯度14.4.2理想反应器模型做出某些假定，对实际工艺过程进行简化后的反应器模型，称为理想反应器。(1)完全混合间歇式反应器(CompletelyMixedBatchReactor;CMB型)P246图14-1(1)是一种间歇式搅拌容器，反应物投入反应器后，通过搅拌使容器内物质均匀混合，同时进行反应，直至反应产物达到预期要求时，停止操作，排出反应产物。物料衡算式为：*如果i随时间减小，反应速率r(Ci)为负值，反之为正值。t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得：设为一级反应，r(Ci)=-kCi，则：设为二级反应，r(Ci)=-kCi2，则：例题P246(2)完全混合连续式反应器(ContinuouslyStirredTankReactor;CSTR型)当反应物投入反应器后，经搅拌立即与反应器内的料液达到完全均匀混合；反应物连续输入，反应产物连续输出。水处理中，如快滤池。P246图14-1(2)物料衡算式为：其中V——反应器内液体体积；Q——流入或者输出反应器的流量；C0——组分i的流入浓度；Ci——反应器内组分i的浓度。按稳态考虑，即，于是：设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则因，，故*为平均停留时间)(iCrdtidCicociCridCt)(iCCkicocikCidCt0ln1)011(12CiCkicociCkidCt)r(CVCQ0CQdtdCViii0dtdCi0)(0CiVrQCQCi00iiVkCQCQCtQV)1(10iCCktt例题P248多个体积相等的CSTR串联如果采用多个体积相等的CSTR反应器串联使用，则前一个反应器输出的物料浓度为后一个反应器输入的物料浓度，则：公式上式可改写为：将所有的左右两边分别相乘：总的反应时间为：例题P248*在水处理中，串联的机械絮凝池即可按串联的CSTR型考虑。(3)推流型反应器(PlugFlowReactor;PFR型)反应器内的物料仅以相同流速平行流动，而无扩散作用。物料在垂直于液流方向完全均匀，而沿着液流方向将发生变化。P246图14-1(3)液流水平流速为ν，截面体积为ω，现取长为dx的微元体积，列物料平衡式：稳态时，，则x=0，Ci=C0；x=t，C=Ci，积分上式得*与间歇式反应器的反应过程一样，但节省了投料和卸料时间。水处理中，絮凝池及氯化消毒接触池接近PFR型。理想反应器的物质在不同反应级时的平均停留时间P249表14-314.4.2理想反应器模型(1)一般概念PF和CSTR是两种极端的假象流型。PF—液流以相同流速平行流动，物料垂直方向完全混合均匀，但流动方向绝无混合。P250图14-2CSTR—物料完全均匀混合，无论进口端还是出口端，浓度相同。P250图14-3混返：反应器内停留时间（t）不同的物料之间的混合。混返程度是衡量实际反映器偏离理想条件的一种尺度。CMB—物料同时进入反应器，同时排出反应器，t相同。PF—t相同。CSTR—有混返。tk11tk11；tk111nn1201CCCCCCtnTCC0n)tk11(dxwiCridCiCvwiCvwdtidCwdx)()(0dtidC)ir(CdxidCvi