工业水处理技术第2章工业用水预处理

浙江师范大学环境科学专业课程工业水处理技术林红军[e-mail]浙江师范大学地理与环境科学学院2013年·金华IndustrialWaterTreatmentTechnology第一篇水及工业用水预处理第一章水及工业用水第二章工业用水预处理第二篇循环冷却水处理第三章循环冷却水系统及其水处理概况第四章循环冷却水系统中的沉积物及其控制第五章循环冷却水系统中金属的腐蚀及其控制第六章循环冷却水系统中的微生物及其控制第七章冷却水系统的清洗和预膜第八章循环冷却水系统的日常运行第九章冷却水系统中腐蚀、沉积物和微生物的现场监测目录第三篇锅炉水处理第十章锅炉及其水汽质量标准第十一章离子交换树脂及离子交换基本原理第十二章离子交换水处理第十三章膜法除盐水处理第十四章凝结水的净化第十五章锅内加药处理第十六章热力设备系统的腐蚀与控制第十七章锅炉的清洗第四篇工业水处理中的分析与监测第十八章水质的分析第十九章沉积物的分析第二十章常用水处理剂的分析第一篇水及工业用水预处理第一章水及工业用水第二章工业用水预处理第二章工业用水预处理天然水中的杂质一工业用水预处理二分类杂质种类很多第一节天然水中的杂质按其性质可分为无机物有机物微生物按其颗粒大小可分为悬浮物胶体离子分子（即溶解物质）第一节天然水中的杂质一、悬浮物悬浮物颗粒较大，容易除去。当水静止时，相对密度较小的悬浮物会上浮于水面，它们主要是腐殖质等一些有机化合物；相对密度较大的则下沉，它们主要是砂子和黏土类无机化合物。二、胶体物胶体微粒是许多分子和离子的集合体。这些微粒由于其表面积很大，因此有很强的吸附性，在其表面常吸附很多离子而带电，结果使同类胶体因带有同性电荷而相互排斥，在水中不能相互结合形成更大的颗粒，而稳定在微小的胶体颗粒状态下，使这些颗粒不能依靠重力自行沉降。在天然水中，这些胶体主要是腐殖质以及铁、铝、硅等的化合物。第一节天然水中的杂质三、溶解物质天然水中的溶解物质多数是离子和一些可溶气体。第一节天然水中的杂质钙离子镁离子主要是含CO2的水溶解了地层中的白云石（MgCO3CaCO3）所致铁和锰一般说来地表水的含铁量较小，而在某些地下水中含铁量可能高达数十mg/L。第一节天然水中的杂质硫酸根硝酸根可能来自它的盐类的溶解，但主要是有机物分解带入的。硫化氢当水体受到污染，如煤气发生站、硫化染料厂等含有大量硫化氢的废水排入，或大量有机物排入，经过生物氧化还原作用也会产生过量的硫化氢。二氧化碳地表水一般不超过20-30mg/L，地下水则15-40mg/L第二节工业用水预处理地表天然水中混入的悬浮物、胶体物构成水的浊度，不除去则不能作锅炉水和冷却水使用。通常用混凝沉淀、过滤等方法去除。以离子和分子状态存在子水中的溶解盐类．特别是硬度、铁等不除去．不适用于锅炉水，通常采用离子交换、软化、除铁等方法去除。以自来水作锅炉用水，在进行离子交换软化前还需除去水中存在的余氯．否则会影响离子交换树脂的性能。一、混凝这些杂质与水形成溶胶状态的胶体微粒，由于布朗运动和静电排斥力而呈现沉降稳定性和聚合稳定性，通常不能利用重力自然沉降的方法除去。因此，必须添加混凝剂，以破坏溶胶的稳定性，使细小的胶体微粒凝聚再絮凝成较大的颗粒而沉淀。这个过程称为混凝。一、混凝(一)混凝机理胶核表面的电位离子层通过静电作用又将水中电荷符号相反的离子吸引到胶核周围，该类离子称为反离子，其电荷总量与电位离子相等而符号相反。这样，在胶核与周围水溶液的相间界面区域形成了双电层。其内层是胶核固相的电位离子层，外层是液相中的反离子层。电位离子同胶核结合紧密，很难分开；而反离子只是由静电引力与胶核相结合，因此较松散。胶核与电位离子层和反离子吸附层三者构成一体称为胶粒，如把反离子扩散层也包括在内，则称为胶团。一、混凝溶胶微粒在溶液中运动时，反离子吸附层随胶核一起运动，而扩散层部分则留在原处。因此，吸附层和扩散层之间的界面形成了滑动的分界面，称为滑动表面。在胶核表面上的电位称为热力学电位E，而在滑动表面处的电位称为电动电位或电位。(一)混凝机理胶团中反离子吸附层的厚度一般很薄，只有单层有关，离子强度或数层的离子，而反离子扩散层却要厚得多，其厚度与水中的离子强度越大，厚度愈小。而高价离子对扩散层厚度影响更大。当扩散层厚度减小时，电动电位也随之降低。电解质加到水溶胶中，由于直接压缩，以及高价离子的离子交换和吸附作用，最终使胶团的扩散层减小，电动电位降低，直到使全部反离子都由扩散层进入吸附层，电动电位降为零。这时，胶粒的吸附层中正负电荷相等，胶粒变为电中性，达到等电状态，消除了水溶胶体系的稳定性能引起胶粒凝聚的药剂称为凝聚剂无机高分子物质如铝盐、铁盐的水解产物也能起粘结架桥作用能引起胶粒产生粘结架桥而发生絮凝作用的药剂称为絮凝剂当在水中投加较多的铝盐或铁盐等药剂时，铝盐或铁盐在水中形成高聚合度的氢氧化物，可以吸附卷带水中胶粒而沉淀，这种现象称为沉淀物卷扫作用(二)影响混凝的因素1．水温的影响2．水的pH值和碱度的影响3．水质的影响(二)影响混凝的因素由于无机盐类混凝剂溶于水时系吸热反应，因此，水温低时不利于混凝剂的水解。另外水温低，水的粘度大，彼此碰撞机会减少，不易凝聚。同时水的粘度大时，水流阻力增大，使絮凝体的形成长大受到阻碍，从而影响混凝效果。(二)影响混凝的因素铝盐要求水的pH在5.5-8.5之间，水中有足够的HCO3-碱度时，对pH值具有缓冲作用铁盐作混凝剂时，常要求水的pH值8.5，而且要有足够的溶解氧。(二)影响混凝的因素当水中浊度较低，颗粒细小而均一，投加的混凝剂量又少时，仅靠混凝剂与悬浮微粒之间相互接触，很难达到预期的混凝目的，必需投加大量混凝剂，形成絮凝体沉淀物，依靠卷扫作用除去微粒。即使这样，效果仍不十分理想。当水中浊度较高时，混凝剂投加量要控制适当，使其恰好产生吸附架桥作用，达到混凝效果。若投加过量，此时已脱稳的胶粒又重新稳定，效果反而不好，除非再增加投入量，形成卷扫作用。这样又会增加药剂费用。对于高浊度的水，混凝剂主要起吸附架桥作用，但随着水中浊度的增加，混凝剂投加量也相应增大，才能达到完全混凝目的。水中如存在大量的有机物质，它们会吸附到胶粒表面，使胶粒反而增加稳定性，混凝效果就差。(三)混凝剂原水在净化过程中要加入一些化学药剂，这些药剂统称预处理药剂,除在除氯、软化和除铁部分介绍的药剂外，用得最多最主要的药剂就是加速水中胶体微粒凝聚和絮凝成大颗粒的混凝剂和一些助凝剂。最常用的混凝剂有无机盐类、无机盐的聚合物以及有机类化合物(三)混凝剂(1)铝盐硫酸铝极易溶于水，室温时其溶解度即可达50%以上，水溶液成酸性，pH值在2.5以下明矾白色块状结晶体。其起混凝作用的成分还是硫酸铝，因此其混凝特性与硫酸铝相同。(三)混凝剂(2)铁盐三氯化铁水合物是一种黑褐色的结晶体，极易溶于水，溶解度随温度升高而增大，形成的矾花密度大，易沉降，处理低温、低浊水的效果比铝盐好。硫酸亚铁水合物是半透明绿色结晶体，俗称“绿矾”，易溶于水。硫酸亚铁离解出的Fe2+只能生成单核络合物，其混凝效果不如三价铁盐，需要氧化(三)混凝剂(1)聚合铝一般是二铝到十三铝的羟基络合物准稳性好，脱稳趋势大，是活性成分首先是单铝多羟基络合物间形成氢键集合体其次是集合体中氢键羟基的桥联反应最后是桥联反应之后形成多铝多羟基离子的立体构型。(三)混凝剂(1)聚合铝聚合硫酸铝聚合氯化铝聚合氯硫铝聚合硫硅铝脱稳能力较大，但贮存性较差性能较稳定，贮存性较好(三)混凝剂(2)聚合铁聚铁是一种多羟基、多核络合体的阳离子型絮凝剂，它可以与水以任何比例快速混合。溶液中含有大量的聚合铁络合离子，它比无机盐类混凝剂有较大的相对分子质量，能有效地压缩双电层，使水中胶体微粒迅速凝聚成大颗粒，同时还兼有吸附架桥的絮凝作用，使微粒絮凝成大颗粒，从而加速颗粒沉淀，提高混凝沉淀效果。(三)混凝剂聚丙烯酸钠(PAM)聚乙烯吡啶聚乙烯亚胺聚丙烯酰胺等将聚丙烯酰胺通过加碱水解现在已开发出阳离子型聚丙烯酰胺，其混凝效果更好在使用上述各种混凝剂时，为提高混凝效果，常需复配使用。1以铝盐或铁盐为主的混凝剂，再添加微量（几mg/L）有机高分子混凝剂，可使铝盐或铁盐所形成的细小松散絮凝体在高分子混凝剂的强烈吸附架桥作用下变得粗大而密实，有利于重力沉降。2使用亚铁盐时为提高其混凝效果，常通氯使Fe2+氧化为Fe3+。3还有为了控制良好的反应条件，常需添加强碱，以提高水的pH值。这些微量的高分子混凝剂、氯和强碱等物质又称助凝剂。(三)混凝剂根据所需处理的水量和所选用的混凝剂的不同，或在混凝土搅拌池或在经过防腐处理的钢制圆槽中溶解药剂。为加速药剂溶解，在池或槽中常装有搅拌装置，或通压缩空气进行搅拌，然后再根据需要的浓度将配好的药液稀释后备用。(四)混凝剂的投加二、沉淀与澄清(一)沉淀与沉淀池水中悬浮的固体颗粒，依靠本身重力作用，由水中分离出来的过程称为沉淀。原水中悬浮固体颗粒较大，能依靠自身重力自然沉降的称为自然沉降沉淀。这种沉淀只能对含泥砂量高的原水进行预沉淀时采用。通常，原水预处理都是先经过混凝，使水中较小的颗粒凝聚并进一步形成絮凝状沉淀物(俗称矾花)，再依靠其本身重力作用．由水中沉降分离出来，这种沉淀称混凝沉淀。二、沉淀与澄清(一)沉淀与沉淀池根据沉淀池的结构型式分平流沉淀池辐射式沉淀池、斜板和斜管沉淀池平流沉淀池通常为矩形水池，水流平面流过水池，构造简单，管理方便，可筑于地面，也可筑于地下，不仅适用于大型水处理厂，也适用于处理水量小的厂。它可作自然沉淀用，也可作混凝沉淀用。辐射沉淀池一般为圆形池子，其直径通过不大于100m，它可作自然沉淀池用，也可作混凝沉淀池用斜板（管）沉淀池是根据浅池沉淀理论设计出的一种新型沉淀池，在沉降区域设置许多密集的斜管或斜板，使水中悬浮杂质在斜板或斜管中进行沉淀，水沿斜板或斜管上升流动，分离出的泥渣在重力作用下沿着斜板（管）向下滑至池底，再集中排出。二、沉淀与澄清(二)澄清与澄清池新形成的沉淀泥渣具有较大的表面积和吸附活性，称为活性泥渣。它对水中微小悬浮物和尚未脱稳的胶体仍有良好的吸附作用，可进一步产生接触混凝作用。据此可利用活性泥渣与混凝处理后的水进一步接触，加速沉淀速度。该过程称为澄清根据其结构型式可分机械加速澄清池水力循环澄清池通过机械搅拌将混凝、反应和沉淀置于一个池中进行综合处理的构筑物这种池子与机械加速澄清池工作原理相似，不同的是它利用水射器形成真空自动吸入活性泥渣与加药原水进行充分混合反应，这样省去械搅拌设备，使构造简单、节能，并使维护管理方便些。三、过滤经过混凝沉淀或澄清的原水，其浊度通常在20mg/L左右(一)过滤过程过滤就是将含有浊度的原水通过一定厚度的粒料或非粒状材料，有效地除去水中浊度，使水净化的过程。这种过滤用的设备称为过滤器或过滤池。过滤用的材料叫滤料，堆在一起的滤料层叫滤层。三、过滤(二)过滤设备压力式过滤器亦称为机械过滤器。带有浊度的原水经过泵的升压后通过滤层，因此进水和出水之间有压差重力式无阀滤池，是因过滤过程依靠水的重力自动流入滤池进行过滤或反洗，且滤池没有阀门而得名的。四、除铁我国含铁的地下水分布颇广，一般含铁量在4-30mg/L左右。含铁地下水由于在地下，铁是以二价状态存在。这种水刚抽到地面时，水质清彻干净，但有铁腥味；时间略长，水质即发浑，洗涤织物及器具时会留下锈色斑点。离子极易污染离子交换树脂，使树脂中毒而降低交换能力。当用含铁水做锅炉补给水时，容易在锅炉受热面上结成铁垢，不仅影响传热，还易引起管壁腐蚀。冷却水中铁含量超过0.5mg/L时，会促使铁细菌繁殖，产生的粘泥除会堵管道和腐蚀，因此，除铁要引起足够的重视。天然锰砂中含有，它是氧化成的良好催化剂，其催化反应为：沉淀物经锰砂层过滤后除去。因此，锰砂既是催化剂又是滤料。五、软化当硬度高、碱度也高的水直接作补充水进入循环冷却水系统后，会使循环水水质处理的难度增大，同时浓缩倍数的提高也受到限制。另外高硬水也不宜直接作锅炉水的给水。立式水管锅炉、立式火管锅炉及卧式内燃锅炉的给水总硬度要求在3.5mmol/L以