第七章污水的深度处理与回用

1第九节水资源综合利用第一节概述第二节悬浮物去除第三节溶解性有机物去除第四节溶解性无机盐去除第五节消毒第六节脱氮第七节除磷第八节同步脱氮除磷第七章污水的深度处理与回用2第一节概述深度处理的概念二级处理后的水质情况P292处理对象和目标(1)-----(4)(1)-----(5)常用处理技术表7-13第二节悬浮物去除范围：几μm-----几mm方法：1.混凝沉淀2.过滤4混凝沉淀处理对象：胶体态及难沉物混凝过程具有两个作用：●第一个作用：使水中原有的离散微粒首先具有粘附在固体颗粒上的性质——凝聚（coagulation）●第二个作用：使这些具有粘附性的离散微粒能够粘结成絮体——絮凝（flocculation）混凝（coagulation-flocculation）5§2-1-1概述一、胶体颗粒的基本性质①水处理中常见胶体：粘土颗粒（对于d4μm），大部分细菌（0.2~80μm），病毒（1~300nm），蛋白质。②稳定性：胶体颗粒在水中保持分散状态的性质。③憎水性胶体，亲水性胶体或介于两者之间。④对憎水性胶体，其稳定性可用双电层结构来说明。对于亲水性胶体，其稳定性主要由于它所吸附的大量水分子所构成的水壳来说明。6§2-1-1概述二、（憎水性）胶体的双电层结构及其稳定性1．颗粒表面电荷的产生水中胶体表面都带有电荷，在一般水质中，粘土、细菌、病毒等都是带负电的胶体。而氢氧化铝或氢氧化铁等微晶体都是带正电的胶体，其表面电荷的产生有如下四个机理：②极难溶的离子型晶体与它溶解下来的离子产物之间有一平衡关系，（这一平衡关系由溶度积来确定），这使得晶体表面有了一定符号的电荷。铁、铝、氢、氧化物颗粒表面电荷可以是依此机理产生的。由于金属氧化物或氢氧化物的溶解沉淀反应与溶液pH值有关，因此，这类颗粒的表面电荷和电势受pH控制；①固相表面对水中某种离子的特异吸附；7§2-1-1概述以上四个机理不是截然可分的，不同情况下由其中一个或几个机理起作用。③颗粒表面离子化管能团的离解，特别是高分子有机物因其极性管能团的酸碱离解而使表面带上电荷；（受pH控制）（如蛋白质：COOH–R–NH2）④某些离子型晶体（结晶物质）的缺陷在晶体表面产生过量的阳或阴离子，而在其表面呈带正电或负电。（粘土及其它铝硅酸盐矿物晶体的表面电荷成因）8§2-1-1概述胶体的双电层结构？胶核荷电示意图模型化9电位离子反离子扩散层胶团边界滑动面胶粒吸附层胶核ξ电位Ψ电位10§2-1-1概述0斥力引力中心距d势能峰胶体的动能：布朗运动势能峰11三、胶体的脱稳及凝聚压缩双电层、电性中和、吸附桥联、沉淀网捕。12§2-1-2胶体的脱稳及凝聚一、水处理中混凝过程的特点1．水处理中要求颗粒尽快长大到一定的粒度，以便在沉淀设备中能除掉。因此，对粒度和沉淀时间有严格要求。2．水处理中絮凝的颗粒是一个很复杂的体系①水中原有颗粒，包括粘土、细菌、病毒、腐植酸及蛋白质等（原生颗粒）。②水中投加传统无机混凝剂所产生的颗粒（次生颗粒）。③有机高分子絮凝剂。3．基于水处理中絮凝的颗粒是一个很复杂的体系的特点，在水处理中往往由于有机和无机混凝剂的使用，使得水处理中的混凝机理更为复杂。13§2-1-2胶体的脱稳及凝聚二、常用混凝剂以铝盐为例，说明其作用机理。当Al2(SO4)3配制为10~20%溶液使用时，pH≈4，发生下列离解反应：322434Al(SO)2Al3SO+-=+当其投加到水中后，发生如下水解反应，水的pH也随之改变：33n2nAlHOAl(OH)Hnn+-++?式中n=1~6，特别当n=3时，水中产生中性的结晶胶体，对应pH为5~8。14§2-1-2胶体的脱稳及凝聚同时，还在水解过程中产生许多聚合离子，这是由于羟基架桥作用而产生。其最简单的形式是：2425242422[Al(HO)OH][(HO)AlAl(HO)]2HO++?+OHOH在水解过程中会形成无数的其它聚合离子，某些经研究认为存在可能性极大而受到重视，51334Al(OH)+4717Al(OH)+3718Al(OH)+4820Al(OH)+等。15§2-1-2胶体的脱稳及凝聚水处理中铝盐适用的pH范围为6~8.5，以Al2(SO4)3·14H2O计的投量为：混凝+过滤10~100mg/L，直接过滤0.5~5mg/L。铁盐与铝盐有相似的水解过程。适用pH范围6~8.5，以FeCl3计投量为：混凝+过滤7~70mg/L，直接过滤0.5~5mg/L。其它常用混凝剂：凝聚剂：PAC、PFS等絮凝剂：聚丙烯酰胺PAM、SiO2水解物、天然高分子物等16§2-1-3澄清池水处理中，常规的混凝处理工艺过程为（混合、反应、分离）：①混凝+沉淀②混凝+沉淀+过滤澄清池是在该池中同时完成混合反应、絮体沉降过程。包括：混合室、反应室、导流室、分离室四个功能区。17§2-2过滤过滤：借助一定孔径的过滤介质，将不同大小颗粒物质分离的方法。主要驱动力为压力差。常压过滤、加压过滤、减压过滤过滤介质：滤纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧结金属等助滤剂：硅藻土、活性炭、纸粕等条件控制：压力差、粘度、浓度、温度、pH等。18过滤技术拓展：表面过滤技术--膜分离技术膜分离技术是借助一定孔径的薄膜，将不同大小、不同性状和不同特性的物质颗粒或分子分离的技术。优点：能耗低、不经相转换、操作方便等。膜分离驱动方式：压力、浓度差、电动势、化学位能等。可分为反渗透、超滤、微滤、透析、电渗析等。19一、压力差为推动力的膜过滤技术1分类（1）微滤（MF）截留颗粒直径0.1～2μm，可除去淀粉、细菌、霉菌、乳化油等。（2）超滤（UF）截留颗粒直径0.02～0.10μm，相当于分子量1000～5×105道尔顿。可滤出蛋白质、脂肪、病毒、树脂和色素物质。（3）反渗透被截留物质分子量小于1000道尔顿，只允许溶解质或水通过，被形容为脱水浓缩技术。202.原理3.操作注意问题（1）膜的选择与安装（2）溶液性质和流动状态（3）浓差极化和膜堵塞（4）温度、pH值选择（5）膜的清洗214.应用可单独或联合使用，达到以下目的：悬浮微小颗粒的除净；大分子溶质的除去；大分子溶液的浓缩；大分子溶液的分级等。微滤在食品饮料等的澄清和除菌中应用最广；超滤在生物大分子分级中应用越来越多，如浓缩提取菠萝蛋白、糖化酶、生物表面活性剂鼠李糖酯等，在果汁、蔬菜汁、牛奶等的浓缩和果酒等的澄清中使用广泛。22二、其它膜分离技术1电渗析原理应用海水淡化、溶液脱盐等。可提高发酵液中谷氨酸回收率。2透析原理应用生物大分子分离纯化，除去小分子、脱盐等。实际应用例子：人工肾23第三节溶解性有机物去除特点：方法：3.1活性炭3.2臭氧氧化243.1.1活性碳吸附主要去除传统活性污泥法出流中的难降解化合物，残留的无机化合物，如氮、硫化物和重金属。3.1.2投加粉末活性炭的活性污泥工艺该工艺是将活性炭直接加入曝气池中，使生物氧化与物理吸附同时进行。投加粉末活性炭的活性污泥工艺流程图253.2化学(臭氧)氧化法在废水的深度处理中，应用化学氧化法可去除氨氮，降低残留有机物的浓度及减少水中细菌和病毒的数量。3.0-8.01.0-3.0范围6.0降低COD浓度臭氧2.0降低BOD5浓度氯典型值剂量/（kg·kg-1）作用化学药剂氧化二级出水有机化合物所需的化学药剂量26第四节溶解性无机盐去除特点：处理方法：1.反渗透2.电渗析3.离子交换27§4-1反渗透反渗透原理反渗透膜及其传质机理反渗透装置反渗透工艺流程及操作控制反渗透法在废水处理中的应用举例28反渗透原理用一张半透膜将淡水和某种浓溶液隔开，如图所示，该膜只让水分子通过，而不让溶质通过。实现反渗透过程必须具备二个条件：一是必须有一种高选择性和高透水性的半透膜；二是操作压力必须高于溶液的渗透压。29反渗透膜及其传质机理反渗透膜反渗透膜反渗透膜是一类具有不带电荷的亲水性基团的膜，是实现反渗透分离的关键，其种类很多。目前研究得比较多和应用比较广的是醋酸纤维素膜(简称CA膜)和芳香族聚酰胺膜两种。1．醋酸纤维素膜的结构及性能30CA膜的特性(1)膜的方向性由于CA膜是—种不对称膜，因此，在进行反渗透时，必须保持表皮层与待处理的溶液或废水接触，而决不能倒置，否则达不到处理的目的。(2)选择透过性CA膜对无机电解质和有机构具有选择透过性。(3)压密效率CA膜在压力作用下，外观厚度一般减少1/4～1/2，同时，透水性反对溶质的脱除率也相应降低，这种现象称为膜的压密效应。(4)膜的水解作用和生物分解作用CA膜是一种酯，易于水解，水解速率与PH值、水温有关。312.反渗透膜的透过机理(1)氢键理论这是最早提出的反渗透膜透过理论。该理论认为，水透过膜是由于水分子和膜的活化点(或极性基团，如CA膜的羟基和酰基)形成氢键及断开氢键之故。即在高压作用下，溶液中水分子和膜表皮层活化点缔合，原活化点上的结合水解离出来，解离出来的水分子继续和下一个活化点缔合，又解离出下一个结合水。这样，水分子通过一连串的缔合-解离过程(即氢键形成-断开过程)，依次从一个活化点转移到下一个活化点，直至离开表皮层，进入多孔层。由于膜的多孔层含大量的毛细管水，水分子便能畅通流出膜外。由上可知，溶质能否透过膜与表皮层厚度关系不大。换言之，只要表皮层仅含一级结合水，而又无缺陷和破洞，不管其厚薄如何，溶质均不能透过。根据氢键理论，只有适当极性的高聚物才能作为反渗透膜材料，许多实验也说明了这一结论。32图14-5毛细管流机理2nm时，临界孔径2t亲水性tt(2)优先吸附毛细管流理论优先吸附--毛细管流理论把反渗透膜看作一种微细多孔结构物质，它有选择吸附水分子而排斥溶质分子的化学特性。当水溶液同膜接触时，膜表面优先吸附水分子，在界面上形成一层不含溶质的纯水分于层，其厚度视界面性质而异，或为单分子层或为多分子层。在外压作用下，界面水层在膜孔内产生毛细管流，连续地透过膜，溶质则被膜截留下来。毛细管流机理33反渗透装置板框式内压管式管式装置外压管式卷式中空纤维式ìïïìïïíïïíîïïïïî342.管式装置管式反渗透装置是把膜和支撑物均制成管状，两者装在一起，再将一定数量的管，以一定方式联成一体而组成。管式装置形式较多，可分为：单管式和管束式，内压型管式和外压型管式等，如图所示。管式反渗透装置353．螺旋卷式装置螺旋卷式装置的膜组件是在两层膜中间夹一层多孔的柔性格网，并将它们的三边粘合密封起来、再在下面铺一层供废水通过的多孔透水格网，然后将另一开放边与一根多孔集水管密封联接，使进水与净化水完全隔开，最后以集水管为轴，将膜叶螺旋卷紧而成。把几个膜组件串联起来，装入圆筒形耐压容器中，便组成螺旋卷式反渗透装置。如图9-11所示。这种装置的膜堆密度大，结构紧凑，但密封较困难，易堵塞，清洗不使。364．中空纤维式装置中空纤维膜是一种细如头发的空心管，由制膜液空心纺丝而成。纤维外经为50～100μm，内径为25～42μm。将数十万根中空纤维膜捆成膜束，弯成U字形装入耐压圆筒容器中，并将纤维膜开口端固定在环氧树脂管板上，即可组成反渗透器。如图所示。37反渗透工艺流程及操作控制1.工艺流程反渗透流程包括预处理和膜分离两部分。预处理方法有物理法(如沉淀、过滤、吸附、热处理等)、化学法(如氧化、还原、pH调节等)和光化学法。反渗透法作为一种分离、浓缩和提纯方法，常见流程有一级、一级多段、多级、循环等几种形式，如图所示。382．工艺常数(1)净化水质与回收率根据物料平衡，进出反渗透系统的溶质有下列关系：式中Qf、Qc、Qp——分别为进水、浓水和淡水流量；cf、cc、cp——分别为进水、浓水和淡水浓度。浓水侧溶质的平均浓度cm可用下式计算：令溶质的平均去除率为Rm，则：Rm=在已知Q、cf、Rm及取定Y值的条件下，算得的cp初步值代入公式，求得cp的新值。重复计算几次就可获得较精确的cp值。ffccppQcQcQc=+39(2)工作压力膜的透水量取决于膜的物理特性(如孔隙度、厚度等)和膜的化学组成，以及系统的