2013年赵世杰培训讲义

水处理第一章给水处理概论§1—1水源水质概述一、原水中的杂质取自任何水源的水中，都不同程度地含有各种各样的杂质。这些杂质不外乎两种来源：一是自然过程，例如，地层矿物质在水中的溶解，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等。二是人为因素即工业废水及生活污水排入水体所带入的。无论哪种来源的杂质，都包括无机物、有机物及微生物等。从给水处理的角度考虑，这些杂质可按尺寸大小分成悬浮物、胶体和溶解物三类。见表1—1。水中杂质分类表1—1㈠、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。如果比重小于水，则可上浮到水面，易于下沉的一般是大颗粒泥沙及矿物质废渣等；能够上浮的一般是体积较大而比重小的某些有机物。胶体颗粒尺寸很小，在水中具有稳定性，经长期静置也不会下沉。水中所存在的胶体通常有粘土，某些细菌及病毒、腐殖质及蛋白质等。天然水中的胶体一般带负电荷。悬浮物和胶体是使水产生浑浊现象的根源。其中有机物，如腐殖质及藻类等还会造成水的色、臭、味。悬浮物和胶体一般是生活饮用水处理的去除对象。粒径大于0.1mm的泥沙去除较易，通常在水中可自行下沉。而粒径较小的悬浮物和胶体杂质，须加混凝剂方可去除。㈡、溶解杂质溶解杂质是指水中的低分子和离子。有的溶解杂质可使水产生色、臭、味。溶解杂质是某些工业用水的去除对象。在未受工业废水或生活污水污染的天然水体中，溶解杂质主要有以下几种：溶解气体天然水中的溶解气体主要是氧、氮和二氧化碳，有时也会有少量硫化氢。天然水中的氧主要来源于空气中氧的溶解，地表水中溶解氧的量与水温、气压及水中有机物含量等有关。离子天然水中所含主要阳离子有Ca2+、Mg2+、Na+；主要阴离子有HCO3—、SO42—、Cl—。此外还含有少量K+、Fe2+、Mn2+等等。杂质溶解物(低分子、离子)胶体悬浮物颗粒尺寸0.1nm1nm10nm100nm1μm10μm100μm1mm分辩工具电子显微镜可见超显微镜可见显微镜可见肉眼可见水的外观透明浑浊浑浊§1—2水质标准水质标准是指用户所要求的各项水质参数应达到的指标。一、生活饮用水水质标准它包括感官性状指标、化学指标、毒理学指标、细菌学指标等，这里略过。浑浊度是指水浑浊的程度，即水中悬浮物和胶体杂质对光线透过时所发生的阻碍程度。我国生活饮用水水质标准中要求的浑浊度达到的标准是：特殊情况下不超过5度，一般情况下不超过3度。二、工业用水水质标准工业用水种类繁多，水质要求各不相同，各种工业用水对水质的具体要求须根据生产情况而定。§1—3给水处理方法概述给水处理的任务是通过必要的处理方法以改善原水水质，使之符合生活饮用或工业使用所要求的水质。水处理方法应根据水源水质和用水对象对水质的要求确定。本节仅列出给水处理方法的几种类型。澄清和消毒这是以地表水为水源的生活饮用水的常规处理工艺系统。澄清工艺系统通常包括混凝、沉淀和过滤。处理对象是水中悬浮物和胶体杂质。原水加药后，经混凝使水中悬浮物和胶体形成大颗粒絮凝体，而后通过沉淀池进行重力分离。澄清池是絮凝和沉淀综合于一体的构筑物。过滤是利用粒状滤料截留水中杂质的构筑物，常置于混凝、沉淀构筑物之后，用以进一步降低水的浑浊度。消毒是消灭水中的致病微生物，通常在过滤以后进行。主要消毒方法是在水中投加消毒剂以杀灭致病微生物。当前普遍采用的消毒剂是氯，也有漂白粉、二氧化氯、次氯酸钠、臭氧等。除臭、除味这是生活饮用水净化中所需的特殊处理方法。当原水中臭和味严重而采用澄清和消毒工艺系统不能达到水质要求时才采用。其方法取决于水中臭和味的来源。例如，对于水中有机物所产生的臭和味可用活性炭吸附等等。除铁、除锰最广泛的除铁、锰方法是：氧化法和接触氧化法。前者通常设置曝气装置，氧化反应池和砂滤池；后者通常设置曝气装置和接触氧化滤池。还可采用药剂氧化、生物氧化及离子交换法等。通过上述处理方法（离子交换法除外），使溶解性二价铁和锰分别转变成三价铁和四价锰并产生沉淀物而去除。软化处理对象主要是水中钙、镁离子。软化方法主要有离子交换法和药剂软化法。前者在于使水中钙、镁离子与阳离子交换剂上的离子互相交换以达到去除的目的；后者系在水中投入药剂，如石灰、苏打以使钙、镁离子转变为沉淀物而从水中分离。淡化和除盐处理对象是水中各种溶解盐类，包括阴、阳离子。将高含盐量的水如海水及“苦咸水”处理到符合生活饮用或工业用水要求时的处理过程，一般称为咸水“淡化”；制取纯水及高纯水的处理过程称为水的“除盐”。淡化和除盐主要方法有：蒸馏法、离子交换法、电渗析法及反渗透法等。第二章混凝混凝阶段所处理的对象，主要是水中悬浮物和胶体杂质，它是水处理工艺中十分重要的一个环节。实践证明，混凝过程的完善程度对后续工艺处理影响很大，应予以重视。投药是混凝工艺的必要前提。混合和反应是混凝工艺的两个阶段。为了提高混凝效果，结合原水水质选用性能良好的药剂，创造适宜的化学和水力条件，是混凝工艺上的技术关键。§2—1混凝机理一、水中胶体的稳定性前面已经提到，大颗粒悬浮物可在重力作用下沉降，而胶体杂质及微小悬浮物，却能在水中长时间内保持分散悬游状态，这种现象可统称“分散颗粒的稳定性”。实际上，“稳定性”的概念是相对的，因为这些沉降极缓慢的颗粒不可能在停留时间很短的水处理构筑物中沉降下来，它们的沉降性可以忽略不计。胶体微粒稳定性的主要原因有三：微粒的布朗运动、胶体颗粒间的静电斥力和胶体颗粒表面的水化作用。分散于水中的各种固体颗粒，无时不受水分子热运动的撞击。对于大颗粒悬浮物如泥沙来说，每一颗粒从各方向受到水分子同时撞击的次数很多，各方向撞击力可以平衡抵消，且因颗粒质量大，故能在重力作用下下沉。而胶体微粒尺寸很小，同时受到水分子撞击次数减少，各方向撞击力平衡抵消的机率较小，且因微粒质量甚小而重力影响甚微，致使微粒在水中作无规则的高速运动并趋于均匀分散状态，这种运动即为“布朗运动”。由此而导致的稳定性，称动力稳定性，又称沉降稳定性。原水中胶体微粒虽然作布朗运动，但彼此无法接触，妨碍它们相互接触的因素是带有同性电荷胶体微粒间的静电斥力和水化膜。天然水中的胶体微粒大多属于负电荷胶体如粘土类胶体。胶体颗粒表面水化膜也会阻碍颗粒凝聚。这种使胶体保持单个分散状态而不凝聚的现象，称为凝聚稳定性。如果凝聚稳定性破坏，动力稳定性也将随之破坏，小颗粒使凝聚成大颗粒而下沉。因此，胶体稳定性的关键是凝聚稳定性。二、混凝机理压缩双电层和电性中和作用通过投加电解质压缩扩散层以导致胶粒之间相互凝聚的作用，简称压缩双电层作用机理。胶粒失去凝聚稳定性的过程，称胶体脱稳。只要混凝剂投量适当，通过吸附作用，可直接使胶体电荷中和，简称吸附—电性中和作用。吸附架桥作用作为混凝剂的高分子物质一般具有链状结构。当它的某一链节上的基团吸附某一胶粒后，另一链节上的基团可伸展于水中又吸附另一胶粒，于是形成“胶粒—高分子物质—胶粒”的聚集体。见图2—1。高分子物质在这里似乎起了胶粒与胶粒之间互相结合的桥梁作用，故称吸附架桥作用。高分子物质投量过多时，以致每个微粒被高分子物质所包裹，使微粒失去其被其它高分子物质吸附的空白吸附位，吸附架桥无法实现，胶体微粒又重新处于稳定状态。见图2—1。高分子图排斥排斥图2-1架桥模型示意图2-2胶体保护示意如果已经吸附了某一胶体微粒的高分子物质，其伸展的链节没有遇到第二个可被吸附的微粒，则伸展的链节会折转过来吸附在自身其它部位，这样，胶体重新稳定。已经凝聚的大颗粒絮凝体，如果受到剧烈的长时间的水力搅动，絮凝体将会破碎。絮凝体一旦破碎、断裂的高分子链节会折转过来再吸附在自身其它部位，胶粒又再稳定，沉淀物的卷扫作用当铝盐或铁盐混凝剂投量很高而形成大量高聚合度的氢氧化物时，可以吸附卷带水中胶粒进行沉淀分离，这种现象称沉淀物卷扫作用。卷扫作用所需混凝剂投量很大，只有当原水浊度很低而难于处理时，方可考虑采用。一般来说，当铝盐混凝剂投入水中后，应进行快速混合，使药剂迅速地均匀分布于水中，以利混凝剂水解，而后进行慢速搅拌以发挥高分子聚合物吸附架桥作用。§2—2混凝剂和助凝剂一、混凝剂应用于水质净化中的混凝剂应符合以下基本要求：混凝效果好；对人体健康无害；使用方便；货源充足；价格低廉。混凝剂种类较多，归纳起来有以下两大类：㈠、金属盐类混凝剂在金属盐类混凝剂中，应用最广的是铝盐和铁盐。前者主要有硫酸铝、明矾等，后者主要有三氯化铁、硫酸亚铁等。㈡、高分子混凝剂它包括：1、无机高分子混凝剂：如聚合铝包括聚合氯化铝（PAC）和聚合硫酸铝（PAS）2、有机高分子混凝剂。二、助凝剂当单用混凝剂不能取得良好效果时，需投加某些辅助药剂以提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。常见的有：碱剂（通常用石灰）、聚丙烯酰胺等。胶粒胶粒胶粒胶粒§2—3影响混凝效果的主要因素影响混凝效果的因素比较复杂，其中包括水温、水化学特性、水中杂质性质和浓度以及水力条件等。一、水温水温对混凝效果有明显的改善。低温水处理困难，其原因主要有以下两点：1、金属盐类混凝剂水解是吸热反应，水温低时，混凝剂水解困难。2、低温水的粘度大，水中杂质微粒的布朗运动强度减弱，彼此碰撞机会减少，不利于脱稳胶粒相互凝聚，同时，水的粘度大时，水流剪力增大，影响絮凝体的成长。为提高低温水的混凝效果，常用的办法是增加混凝剂投加量和投加高分子助凝剂。二、水的PH值和碱度原水PH值对混凝剂的影响程度，视混凝剂品种不同而异。高分子混凝剂受PH值影响较小。§2—4混凝剂的配制和投加一、配制一般溶解池、储药池等，均应有防腐措施或采用防腐材料。二、投加对投药设备的基本要求是：投量准确且能随时调节；设备简单，工作可靠，操作方便。㈠、计量设备药液投入原水中必须有计量或定量设备，并能随时调节投加量。如投药泵、转子流量计、电磁流量计等。㈡、投药方式常用的投药方式有：1、泵前投加2、高位溶液池重力投加3、水射器投加4、泵投加。第三章沉淀和澄清§3—1悬浮颗粒在静水中的沉淀水中悬浮颗粒依靠重力作用，从水中分离出来的过程称为沉淀。颗粒比重大于1时，表现为下沉；小于1时，表现为上浮。§3—2澄清池一、澄清池特点水中脱稳杂质通过碰撞结合成相当大的絮凝体，然后在沉淀池下沉。澄清池则将两个过程综合于一个构筑物中完成，主要依靠活性泥渣层达到澄清目的。当脱稳杂质随水流与泥渣层接触时，便被泥渣层阻留下来，使水获得澄清。这种把泥渣层作为接触介质的净水过程，实质上也是絮凝过程，一般称为接触絮凝。泥渣层的形成方法，通常是在澄清池开始运转时，在原水中加入较多的混凝剂，并适当降低负荷，经过一定时间运转后，逐步形成。当原水浊度低时，为加速泥渣层的形成，也可人工投加粘土。澄清池充分利用了活性泥渣的絮凝作用。澄清池的排泥措施，能不断排除多余的陈旧泥渣，其排泥量相当于新形成的活性泥渣量，泥渣层始终处于新陈代谢状态中，因而使泥渣层始终保持接触絮凝的活性。悬浮澄清池泥渣悬浮型澄清池脉冲澄清池澄清池的种类机械加速澄清池泥渣循环型澄清池水力循环澄清池泥渣悬浮型澄清池的工作情况是，加药后的原水由下向上通过处于悬浮状态的泥渣层，水中杂质有充分机会与泥渣悬浮层的颗料碰撞凝聚。泥渣悬浮层中的颗粒由于拦截进水中的杂质颗粒而不断变大，颗粒沉速不断提高，从而可以提高水流上升流速或产水量。二、机械加速澄清池我厂现有机械加速澄清池21座，其中直径25米澄清池3座，直径19.5米14座，直径21.8米4座。机械加速澄清池主要由一反应室、二反应室和分离室组成。其构造见图。1进水管2三角环形槽3第一反应室4涡轮叶片5第二反应室6清水分离区7出水槽8出水总槽9放空管10刮泥机臂11导流窗12导流板13开启度调节14围板15清水区16回流缝17积泥坑18伞形板原水由进水管1通过三角配水槽2的缝隙均匀流入第一反应室3，搅拌设备由提升叶轮4和搅拌浆组成，提升叶轮装在第一和第二反应室的分隔处。第二反应室设有导流板12，用以消除因叶轮提升时所引起的水的旋转，使水流平稳地经导流室流入分离室，分离室中下部为泥渣层，上部为清水层，清水向上经集水槽7流至出水管。向下沉降的泥渣沿锥底的回流缝再进入第一反应室，重新参加