西安建筑科技大学水质工程学资料

西安建筑科技大学教案2006～2007学年第一学期院(系)环境与市政工程学院教研室(研究所)给排水教研室课程名称水质工程学II授课专业班级给水排水工程专业2003级01~04班主讲教师袁宏林职称职务副教授使用教材水质工程学（第一版，李圭白、张杰主编）西安建筑科技大学教务处制二○○六年八月课本内容结构水质工程学：关于水中杂质（污染物）的分离习惯上称“水处理”第1篇水质与水处理概述第2篇物理化学及物化处理工艺第3篇生物处理理论与技术第4篇水处理工艺系统最终目的：解决实际问题本课程的特点1.是一门主要专业课，应用科学，涉及面很广。工程技术领域：涉及土木工程、化工工程、机械工程、电气工程、数理化等；生物科学领域：涉及微生物学、生物学、水生物学、植物学等；地质地理科学：涉及水文学、气象学、地质学、环境科学等；社会经济领域：涉及社会学、经济学、政治、法律、管理等；信息科学领域：涉及地理信息科学、数据信息库等档案学；系统工程领域：立体多向、多方位。2.技术发展很快。新技术替代传统技术，高新技术不断出现。3.理论上还不够完善。有些科学现象的内在理论关系还不够明了，存在经验公式和经验数据，正处于“实践——认识——再实践——再认识”的前半段。4.我国的技术装备水平很低。与国外发达国家相比，我们的技术水平、设备性能、管理水平、研究层面、成果推广能力等依然很差。还要做的工作太多太多，希望大家努力，能成为大师。学习要求1.注意听讲，善于做笔记（这是专业学习的基本素质）；2.多看参考书：《给水排水》、《中国给水排水》、《环境工程》，《Waterresearch》、《Watersciencetechnology》；3.勤于思考，多问为什么。第2篇物理、化学及物理化学处理工艺原理上学期学过了混凝、沉淀、过滤、吸附、氧化、离子交换、膜分离技术等。这些技术都比较通用、成熟。是水处理的重要技术方法。第12章其他处理方法12.1中和顾名思义-酸碱中和：处理酸性废水、碱性废水、调节pH值。①废水排入水体之前，将pH值调至6~9之间；②废水排入下水道之前，将pH值调至合适的范围，否则腐蚀管道；③化学处理或生物处理之前，将pH值调至合适的范围（混凝、生物反应）。12.1.1基本原理化学法：OHOHH2中和剂：酸或废酸（HCl，H2SO4）；碱或废碱（NaOH，烧碱）、碱性氧化物（石灰、石灰石、电石、白云石、苏打）。中和相：液—液，液—固，因此出现中和池、过滤中和池。原则：对于酸碱废水，浓度较低时，酸碱中和使之中性；浓度较高时，考虑回收和综合利用。尽量采用以废治废，中和剂要就地取材。12.1.2酸碱废水互相中和法要求等当量、等摩尔量。2211CQCQ（12-1）Q-是流量，C-是酸或碱的摩尔浓度（[H+]mol/L，[OH-]mol/L）。强酸+强碱，等当量点处pH=7；其一为弱酸或弱碱时，等当量点处pH≠7，因为弱酸盐或弱碱盐在水中缓慢水解，pH值与时间和水解度有关。12.1.3药剂中和法（1）药剂中和酸性废水石灰：生石灰CaO，熟石灰Ca(OH)2，同时发生化学沉淀和混凝作用，去除悬浮物较好，但是产生大量化学污泥，处置成为问题。另外，药剂表面形成钙盐阻止反应进一步进行，因此药剂颗粒要小（＜0.5mm）。白云石：CaCO3中和酸后产生CO2气体，容易再形成重碳酸钙，反应缓慢，一般不用。苛性钠：烧碱NaOH，属于强碱，应用较多。耗碱量计算：KaCaCQGa2211（12-2）Ga—耗碱量，kg/dQ—酸性废水量，m3/dC1—废水含酸浓度，kg/m3a1—中和1kg酸的需碱量，kg/kgC2—废水中含的酸性盐浓度，kg/m3（主要是弱酸盐水解）a2—中和1kg酸性盐的需碱量，kg/kgK—不均匀系数，混合不均匀、反应不彻底因素—药剂纯度，%理论计算如此，与实际用量有较大差别，需要实验确定。沉淀的泥量也要实验确定。（2）药剂中和碱性废水最常用药剂是HCl，H2SO4，还有酸性气体（CO2，SO2，H2S），烟道除尘废水一般为酸性，是典型的以废治废。12.1.4过滤中和法酸性废水流过滤料时与滤料中碱性物质进行中和反应，称过滤中和法。适合低浓度，操作方便、运行费低。滤料（石灰石、大理石、白云石）。由于中和后产生沉淀覆盖滤料表面，会阻止反应继续进行，选择产物易溶于水的滤料。另外水中悬浮物不能太高，易堵。中和滤池：普通平流式、竖流式（图12-1），升流膨胀中和滤池（图12-2）。12.2化学沉淀为去除水中某些离子（阳离子、阴离子），向水中投加阴离子、阳离子使之对应形成难溶盐而沉淀去除的方法。主要是：重金属离子（汞、镉、铅、铬等）；碱土金属（钙、镁）；非金属（硫、氰、氟、砷等）。12.2.1基本原理容度积原理：在一定温度下，含有难溶盐MnNm的饱和溶液中，离子浓度的乘积为一常数，称为溶度积常数LMnNm。nmmnMmNnmnmnNMLnNmMNM,（12-4）选择沉淀剂：《化学手册》溶度积表。系统工艺：同混凝沉淀，混合+反应+沉淀/气浮/过滤+泥渣处理。常用沉淀剂：氢氧化物、硫化物、钡盐。12.2.2氢氧化物沉淀法许多金属离子遇碱可以生成氢氧化物沉淀。氢氧化物的沉淀与体系pH值有关，见教材p352~353。另外，有些金属氢氧化物沉淀物具有两面性，在不同pH下具有酸性或碱性。例如，Zn，Pb，Cr，Sn，Al等。12.2.3硫化物沉淀法许多金属离子遇S2-可以生成硫化物沉淀。大多数金属离子的硫化物的溶解度比其氢氧化物的溶解度要小，采用硫化物沉淀剂更好。硫化物的沉淀与体系pH有关。常用硫化物沉淀剂有：H2S、Na2S、K2S等。但是，处理成本高，需要再加混凝剂加速沉淀，不常采用。12.2.4钡盐沉淀法钡盐去除阴离子，主要是Cr6+/CrO42-、SO42-。常用钡盐有碳酸钡、氯化钡、硝酸钡、氢氧化钡。12.3电解12.3.1基本原理电解质溶液在直流电场作用下，发生电化学反应的过程称电解。电解槽原理图（1）法拉第电解定律电解时在电极上析出或溶解的物质质量与通过电量成正比，并且每通过96487库伦（C）电量时，每个电极上物质变化量为1mol。EItFEQFG11（12-12）式中，G—析出的或溶解的物质的量，g；F—法拉第常数，即1mol电子的总电量，F=96487C/mol；E—比例系数，得失1mol电子所析出或溶解的物质的量，g/mol；Q—通过的电量，库伦C；I—电流强度，A；t—电解时间，秒s。这是理论计算，由于存在许多副反应，实际耗电量远远大于理论值。在工程上需要测试或加上系数。（2）分解电压与极化现象分解电压：能使电解正常进行的最小外加电压。低电压——无电流，较低电压——小电流——无物质析出/溶解，较高电压——出现物质析出/溶解，即为分解电压。原因是极化现象。极化现象：电解槽本身是原电池，其电动势与外加电源电动势方向相反，外加电压必须克服电解槽的反电动势。但是还不发生电解，分解电压还要大于反电动势时才能正常电解。这种现象极化现象。原因：浓差极化；离子运动（阳离子→阴极，阴离子→阳极）存在浓度梯度，即阻力。化学极化；阴阳极的析出物相互构成原电池，形成反电势，要克服。电解槽内阻；电解槽通过电流有电阻，同电线。另外还与电极性质、水的性质、电流密度、温度等有关。直流电源12.3.2电解槽的结构形式和极板电路（1）电解槽矩形槽，内装极板，外接直流电源。图12-3（p357），水平回流电解槽、竖向翻腾电解槽。水平回流电解槽：流程长、容积利用率高，施工检修困难。竖向翻腾电解槽：极板悬挂防漏电、更换方便、易于施工和检修，但是容积用率低。（2）极板电路图12-4，按连线方式不同，分为单极性电解槽、双极性电解槽。单极性易短路，双极性更安全，普遍采用。12.3.3电解氧化法处理含氰废水氢化物CN-，化工废水产生，有毒。常用电解法处理。直接电解、加食盐电解效果更好。阅读课本p35812.3.4电解氧化法处理含酚废水化工、炼油等工业产生，电解处理，石墨阳极。直接电解、加食盐电解效果更好。12.3.5电絮凝气浮处理工艺较新工艺，电解时阳极溶解，比如铁、铝阳极由于失去电子生成Fe2+/Fe3+或Al3+，与水中的OH-结合；同时电极上产生气体（H2、O2、CO2、N2）。（1）发生混凝，（2）气浮，（3）沉淀，（4）氧化还原。12.4吹脱、汽提法原水中或水处理过程中，经常会含有或产生溶解性气体（CO2、H2S、HCN、NH3、CS2等）及挥发性有机物，影响系统或有害，必须人为去除。原理：向水中通入气体（气泡），增大液——气相界面，促使水中溶解气体向气相转移，并随气泡上升溢出。常用气体：空气，水蒸汽。前者叫吹脱，后者叫汽提。问题：有害气体的回收再处理需要重视。p359~361自学。12.5萃取法12.5.1基本原理自然界有许多物质在水中的溶解度要小于在其它液体中的溶解度。据此产生了萃取分离法：向废水中投加与水不互溶、但比水更能溶解污染物的溶剂，接触混合后，大量污染物会进入溶剂中，水得到进化，再将溶剂与污染物分离。溶剂称“萃取剂”，被萃取的物质称“溶质”，萃取后的萃取剂称“萃取液”，残余的称“萃余液”。分配系数：萃取达到平衡时，溶质在萃取相中的浓度y与在水中浓度x的比值D，D=y/x。对于实际废水，D=y/xn提高萃取效率的途径（1）增大两相接触面积，小液滴、搅拌。（2）增大传质系数，水质预处理、使萃取剂分散—合并—再分散—再合并。（3）增大传质推动力，增大浓度梯度——逆流萃取。选矿技术就是萃取法。12.5.2萃取剂的选择与再生（1）萃取剂选择考虑因素：分配系数D、分离性好、稳定性好、来源稳定、容易再生。（2）萃取剂再生物理法：蒸馏或蒸发化学法：反萃取，投加化学物质与溶质，反应、沉淀分离。12.5.3萃取工艺（1）操作过程：混合——分离/分层——回收/再生（2）操作方式：间歇式、连续式；单级萃取、多极萃取（错流，逆流）。本章重点：基本概念、原理，常用药剂。第3篇生物处理理论与技术背景知识生物处理：利用微生物的新陈代谢作用，分解（降解）水中复杂的有机物，将其转化为稳定的无机物，水体得到净化。这一过程叫生物处理。古时候，人类的生活、生产废水，直接排入河流或土壤，经过一段时间后，污水中的脏东西（污染物）消失了，但是物质不灭，实际上是由于水、土壤中的微生物分解了有机物，并从中获得能量和原料生成无机物、自身繁殖。在当时，污染物排放量较少、大自然的环境容量很大，人们不知道也没有必要知道其中的原理，因为自然系统能够保持自身平衡。随着人类的发展，生活、生产排放污水越来越多，单靠自然的能力已不能完全降解，人类研究降解或不降解的现象，逐渐了解了自净规律并将其人工强化。后来，发展为活性污泥法——水体自净规律的人工强化生物膜法——土壤自净规律的人工强化大自然是人类的老师此法是强化好氧菌的作用，还有强化厌氧菌的——厌氧消化法。分类好氧法、厌氧法；悬浮生长型活性污泥法、附着生长型生物膜法。第13章活性污泥法13.1活性污泥法的理论基础英国人发明，1914年在曼彻斯特建成试验厂，两年后1916年美国建成了世界第一座活性污泥法城市污水处理厂。我国最早建厂于目前活性污泥法仍然是最常用的工艺，也是其它革新工艺的基础。适用于生活污水、城市污水、有机工业废水处理。13.1.1活性污泥法的概念与基本流程（1）活性污泥由微生物（活的、死的）、有机物、无机物等组成，结构疏松、比表面积很大、褐色絮凝体；具有吸附并降解水中胶体性、溶解性有机物的活力，且自身凝聚沉降性能很好。（2）活性污泥法以水中有机物为基质，在水环境中有O2的情况下，依靠微生物吸附分解有机物，形成凝聚和沉降性较好的生物絮体，沉降分离后使污水得到净化。这种水处理方法称活性污泥法。（3）基本流程图13-1活性污泥法的基本流程系统组成：曝气池、二沉池、曝气系统、污泥回流系统、剩余污泥处理。曝气池：是消耗溶解氧、污染减少、微生物增长的一个环境场所。二沉池：泥水分离场所。13.1.2活性污泥的形态与组成形态：絮绒装、颗粒状，黄褐色，d