第五章-給水方法及混凝-1改

1、第五章 給水處理工藝概述及絮凝原理和設(shè)計(jì)水質(zhì)凈化的常規(guī)工藝絮凝原理絮凝池的類型及工程設(shè)計(jì)水質(zhì)凈化技術(shù)常規(guī)凈水技術(shù)水的深度處理技術(shù)預(yù)處理技術(shù)特種水質(zhì)處理技術(shù)第一節(jié) 給水處理工藝概述常規(guī)凈水技術(shù)去除對(duì)象：水源水中的懸浮物、膠體物和病原微生物等。飲用水常規(guī)處理工藝所使用的處理技術(shù)有混凝、沉淀、澄清、過濾、消毒等。由這些技術(shù)所組成的飲用水常規(guī)處理工藝目前仍為世界上大多數(shù)水廠所采用，在我國(guó)目前95%以上的自來水廠都是采用常規(guī)處理工藝，因此常規(guī)處理工藝是飲用水處理系統(tǒng)的主要工藝。常規(guī)凈水技術(shù)局限性1.對(duì)于有機(jī)污染物，常規(guī)水處理技術(shù)及其工藝的去除作用十分有限，國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果結(jié)果表明，常規(guī)處理工藝只能去除水

2、中有機(jī)物的20%左右，特別是對(duì)于水中溶解狀的有機(jī)物，除了極少量的有機(jī)物會(huì)被吸附在礬花和濾料表面上，常規(guī)處理工藝基本上沒有去除效果。 2.對(duì)高含氨氮廢水處理效果有限。高氨氮水增加了消毒劑的用量，從而增加了消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生量。3.飲水用的水質(zhì)生物穩(wěn)定性問題。 理想的飲用水中應(yīng)該不含有有機(jī)物，因此異養(yǎng)微生物無法在自來水中大量繁殖。但受有機(jī)污染后的水源經(jīng)處理后仍含一定量的有機(jī)污染物，在管網(wǎng)或高位水池，存在消毒劑備分解后重新產(chǎn)生微生物或細(xì)菌滋生的問題。 水的深度處理技術(shù) 當(dāng)飲用水的水源受到一定程度的污染，又無適當(dāng)?shù)奶娲磿r(shí)，為了達(dá)到生活飲用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在常規(guī)處理的基礎(chǔ)上，需要增設(shè)深度處理工藝。1.活

3、性炭吸附 在常規(guī)處理的基礎(chǔ)上去除水中有機(jī)污染物最有效最成熟的水處理深度處理技術(shù)。 2.臭氧氧化 臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，它可以通過氧化作用分解有機(jī)污染物。臭氧可以分解多種有機(jī)物、除色、除臭。 但臭氧可以將部分有機(jī)物分解成更多的小分子有機(jī)物，從而增加了產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物的可能性和水的生物不穩(wěn)定性。 水的深度處理技術(shù)3.生物活性炭 主要與臭氧氧化結(jié)合使用，變活性炭吸附濾床為生物活性炭濾床。4.膜分離技術(shù) 膜分離技術(shù)是一種以壓力為推動(dòng)力、利用不同孔徑的膜進(jìn)行水與水中顆粒物質(zhì)（廣義上的顆粒，可以是離子、分子、病毒、細(xì)菌、黏土、沙粒等）篩除分離的技術(shù)。 根據(jù)膜孔徑從大到小排列，可以把膜濾分為微濾、超濾、納濾和反

4、滲透4種。 水的預(yù)處理技術(shù) 預(yù)處理是針對(duì)傳統(tǒng)工藝的缺陷，為了強(qiáng)化水處理工藝、改善處理出水水質(zhì)，在常規(guī)處理工藝之前，采用一定的物理、化學(xué)或生物的方法，對(duì)水中污染物進(jìn)行初步去除，特別是去除那些常規(guī)工藝不能有效去除的污染物，使常規(guī)工藝更好的發(fā)揮作用，減輕常規(guī)處理和深度處理的負(fù)擔(dān)，更好地發(fā)揮水處理工藝的整體作用。 1.氧化法 化學(xué)氧化：臭氧、二氧化氯、高錳酸鹽 生物氧化： 生物預(yù)處理是指在常規(guī)凈水工藝前增設(shè)生物處理工藝，借助于微生物的新陳代謝活動(dòng)，對(duì)水中的氨氮、有機(jī)污染物、亞硝酸鹽、鐵、錳等污染物進(jìn)行初步的去除，減輕常規(guī)處理和深度處理的負(fù)荷。 生物濾池、生物流化床、生物接觸氧化等生物膜法處理工藝。 水

5、的預(yù)處理技術(shù)2.吸附法 投加吸附劑，對(duì)水中污染物吸附而去除，主要采用粉末活性炭。3.強(qiáng)化混凝 強(qiáng)化混凝是指在混凝處理中投加過量的混凝劑、新型混凝劑或助凝劑、或者是其他的藥劑，通過加強(qiáng)混凝與絮凝作用，使常規(guī)處理工藝盡可能多地去除水中的有機(jī)物和消毒副產(chǎn)物的前體物（主要指腐殖酸、富里酸等有機(jī)物）。 如采用鐵鹽混凝劑代替鋁鹽混凝劑，新型絮凝劑：聚硅酸鹽鐵鹽、聚硅酸鹽鋁鹽。 常規(guī)處理對(duì)水中溶解有機(jī)物的去除效果一般在10%20%，通過強(qiáng)化混凝可以把去除率提高到25%30% 特種水質(zhì)處理技術(shù) 除鐵、除錳 除藻 除氟 過硬源水的軟化、苦咸水淡化、海水淡化 除鐵和除錳當(dāng)溶解于地下水中的鐵、錳含量超過生活飲用水衛(wèi)

6、個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需采用除鐵、錳措施。最廣泛的除鐵、錳方法是氧化法和接觸氧化法。氧化法：曝氣裝置、氧化反應(yīng)池和沙濾池；接觸氧化法：曝氣裝置和接觸氧化濾池。 機(jī)理：使溶解性的二價(jià)鐵和錳經(jīng)過氧化轉(zhuǎn)化成三價(jià)鐵和四價(jià)錳而形成不溶性的沉淀去除。除藻 藻類個(gè)體大小一般在2-200m，其種類繁多，均含葉綠素。淡水藻產(chǎn)生藻毒素，尤其是藍(lán)藻。藍(lán)藻是絕大部分富營(yíng)養(yǎng)化水體中的優(yōu)勢(shì)藻類。藻類對(duì)水處理的影響：1.對(duì)混凝的影響 增加混凝劑的用量，降低混凝效果。2.干擾過濾 會(huì)在濾料表面生長(zhǎng)，堵塞過濾。3.對(duì)凈水構(gòu)筑物的影響 其附著在構(gòu)筑物表面，影響其感管，并增加清洗的次數(shù)和難度。4.藻類致臭5.產(chǎn)生藻毒素，影響出水水質(zhì)，危害人體

7、健康。6.致使消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生 除藻 除藻方法1.加藥滅藻法 加氯、二氧化氯、投加助凝劑（二甲基二烯丙基季銨鹽聚合物 等）、投加粉末活性炭、高錳酸鹽、人工加泥或石灰。2.過濾除藻 通過濾料的截留除藻，采用較小的過濾流速，小于3m/h。3.氣浮法除藻 藻類密度一般較小，投加混凝劑后形成的絮凝體不易沉淀，采用氣浮則可以取得較好的除藻效果。這對(duì)低濁度、高色度水更為合適。4.混凝法除藻 藻細(xì)胞表面電荷為負(fù)電荷。 采用混凝法除藻時(shí)應(yīng)根據(jù)藻的種類選擇藥劑。 5.生物除藻 生物濾池工藝是生物除藻的一種，主要是利用生物膜上的微生物對(duì)藻類的絮凝、吸附作用，使其被沉降、氧化或被原生動(dòng)物吞噬。 除藻 除藻毒素方法1.

8、活性炭吸附2.光降解與光催化氧化3.臭氧氧化4.化學(xué)藥劑氧化5.膜技術(shù) 膜技術(shù)可以將絕大部分的藻毒素分子去除，但如果水廠使用膜技術(shù)，其成本會(huì)相當(dāng)?shù)母?。法?guó)、美國(guó)在10000m3/d以上的水處理廠中已有使用膜技術(shù)的處理工藝。 6.生物處理 第二節(jié)絮凝原理及絮凝反應(yīng)池工程設(shè)計(jì) 混凝處理是向水中投加混凝劑，使水中的膠體顆粒和細(xì)小的懸浮物相互凝聚長(zhǎng)大，形成具有沉淀性能良好，尺寸較大的絮狀顆粒（礬花），使之在后續(xù)的沉淀工藝中能夠有效的從水中重力沉淀下來。 混凝階段所處理的對(duì)象：水中的懸浮物和膠體雜質(zhì). 一 概述基本概念混凝：就是向水中投加混凝劑，使水中膠體顆粒和混凝：就是向水中投加混凝劑，使水中膠體顆粒

9、和微小懸浮物脫穩(wěn)聚集成大顆粒的過程。是凝聚和絮微小懸浮物脫穩(wěn)聚集成大顆粒的過程。是凝聚和絮凝的總稱。凝的總稱。凝聚：膠體失去穩(wěn)定性的過程稱為凝聚。凝聚：膠體失去穩(wěn)定性的過程稱為凝聚。絮凝：脫穩(wěn)膠體相互聚集稱為絮凝。絮凝：脫穩(wěn)膠體相互聚集稱為絮凝?；炷^程涉及：水中膠體的性質(zhì)；混凝劑在水混凝過程涉及：水中膠體的性質(zhì)；混凝劑在水中的水解；膠體與混凝劑的相互作用。中的水解；膠體與混凝劑的相互作用。 混凝法 給水處理中應(yīng)用非常廣泛的方法。它可以用來降低原水的濁度，色度等感官指標(biāo)，去除多種高分子有機(jī)物，某些重金屬物和放射性物質(zhì)；它可以自成獨(dú)立的處理系統(tǒng)，又可以與其他處理單元過程進(jìn)行組合?；炷猛?生活飲

10、用水處理、工業(yè)廢水處理、城市污水三級(jí)處理、污泥處理等。 投藥是混凝的必要前提，混合、反應(yīng)是混凝工藝的兩個(gè)過程，結(jié)合原水性質(zhì)選用性能良好的藥劑，創(chuàng)造適宜的化學(xué)和水力條件是混凝工藝上的技術(shù)關(guān)鍵。 本節(jié)將研究渾水的穩(wěn)定性、混凝原理、混凝劑和助凝劑、 投藥設(shè)備、混合及反應(yīng)設(shè)備。 重點(diǎn)講授：凝聚原理、絮凝原理、絮凝設(shè)計(jì)方法。二 膠體的穩(wěn)定性 親水膠體和憎水膠體 與水分子有很好的親合力的膠體稱為親水膠體，親水膠體的固體部分因此包在一個(gè)大水殼中。 蛋白質(zhì)、碳?xì)浠衔锛霸S多復(fù)雜的有機(jī)化合物大分子等為親水膠體。 憎水膠體不發(fā)生水合現(xiàn)象，不能在水中自發(fā)地形成膠體溶液，已形成的憎水膠體溶液靜置足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，膠體能

11、從水中自發(fā)分離出來。膠體特性：膠體特性：（1） 顆粒尺寸很?。?） 穩(wěn)定而不沉淀（3） 使水產(chǎn)生渾濁（4） 膠體顆粒表面帶電 v膠體間的雙電層結(jié)構(gòu)膠體間的雙電層結(jié)構(gòu)1 膠粒的帶電現(xiàn)象 電泳（膠體粒子的運(yùn)動(dòng)） 和電滲（液體的運(yùn)動(dòng)）現(xiàn)象可證明膠粒帶電。膠體顆粒表面帶電的原因：v膠體顆粒結(jié)晶中的晶格取代作用v膠體顆粒表面對(duì)水中離子的選擇性吸附v膠體顆粒表面與水作用后溶解并電離v膠體顆粒表面某些化學(xué)基團(tuán)在水中電離2 2 膠粒的的雙電層結(jié)構(gòu)膠粒的的雙電層結(jié)構(gòu) 為了從理論上解釋膠粒的帶電現(xiàn)象，膠體化學(xué)發(fā)展了膠粒（膠團(tuán)）構(gòu)造的雙電層理論：“整個(gè)粘土膠團(tuán)由膠核、吸附層、擴(kuò)散層（漫散層）所組成?！?v膠核表面上

12、的離子和反離子之間形成的總電位稱為膠體的總電位、熱力電位（0電位）（實(shí)際中總電位很難測(cè)量）v膠體移動(dòng)時(shí)在滑動(dòng)面上所表現(xiàn)出來的電位稱為電動(dòng)電位（電位）。越大，擴(kuò)散層越厚，膠體顆粒斥力大，穩(wěn)定性強(qiáng)。v膠體顆粒表面的電位形成離子和反離子的結(jié)構(gòu)稱為膠體的雙電層結(jié)構(gòu)。v電位愈高，靜電斥力愈大，膠粒愈穩(wěn)定，要降低靜電斥力，必須降低電位，則應(yīng)大量加入電解質(zhì)，使溶液中正離子濃度增加，使與膠核表面吸附的離子帶有相反電荷的離子進(jìn)入吸附層，使電位的絕對(duì)值降低，擴(kuò)散層的異電離子數(shù)目減少，并變薄。 v膠體之間的相互作用膠體之間的相互作用 靜電斥力排斥勢(shì)能靜電斥力排斥勢(shì)能 范德華力吸引勢(shì)能范德華力吸引勢(shì)能 v一般天然水中

13、膠粒的Emax為幾千KT,為分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的數(shù)千倍，當(dāng)Emax為25KT時(shí)即可認(rèn)為膠體處于穩(wěn)定狀態(tài)，因布朗運(yùn)動(dòng)的能量才4KT，因此膠粒靠布朗運(yùn)動(dòng)的能量是不能相互靠近發(fā)生凝聚的。v如果在膠體溶液中加入電解質(zhì)，壓縮擴(kuò)散層的厚度d,降低電位。當(dāng)0.03伏時(shí)，排斥勢(shì)能降低，若布朗運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能大于最大排斥能峰，就可使兩膠粒的間距縮小到d0),一般為最優(yōu)5-10mv。 高分子混凝劑的效果特別優(yōu)異，某些電中性、負(fù)電荷、高分子混凝劑也能起到凝聚作用。凝聚效果 凝聚效果符合叔采哈第法則。凝聚效果同原子價(jià)有關(guān)，價(jià)數(shù)越高，用量越省，或者說高價(jià)正離子壓縮擴(kuò)散層遠(yuǎn)比低價(jià)離子有效。 同價(jià)的各種離子的凝聚能力同原子序號(hào)是一同

14、價(jià)的各種離子的凝聚能力同原子序號(hào)是一致的。致的。 如，如，+ +NHNH4 4+ + Na Na+ + K K+ +v吸附-架橋作用混凝劑中的高分子物質(zhì)，以及硫酸鋁、氯化鐵溶于水后，形成高聚物，它們均具有線性結(jié)構(gòu)，膠體微粒對(duì)這類高分子物質(zhì)具有強(qiáng)烈的吸附作用，因而它們可以在相距較遠(yuǎn)的兩膠粒之間進(jìn)行吸附架橋，即它的一端吸附某一膠粒后，另一端又吸附另一膠粒，也就是說形成了粒子聚合物+粒子的絡(luò)合物，其聚合物起了吸附架橋的作用。膠 粒高 分 子膠 粒高 分 子排 斥排 斥膠 粒高 分 子架 橋 模 型 示 意膠 體 保 護(hù) 示 意絨粒通過高分子吸附架橋作用，絨粒逐漸變大，最終形成肉眼可見的粗大絮凝體（礬

15、花），d=0.6mm。 高分子物質(zhì)投量過少不足以使膠粒連接起來，投量過多又會(huì)產(chǎn)生膠體保護(hù)作用，最佳投量應(yīng)是既能把膠粒快速絮凝起來，又可使絮凝起來的最大膠粒不易脫落，即膠粒表面高分子覆蓋率為1/2時(shí)絮凝效果最好。 架橋作用的高分子都是線性分子且需要一定的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度不夠，不能起架橋作用，只能被單個(gè)分子吸附，所需起碼長(zhǎng)度，取決于水中膠粒尺寸、高分子基團(tuán)數(shù)目、分子的分枝程度。注意：雙電層作用和吸附架橋作用，對(duì)于不同程度的混凝劑，表現(xiàn)出它們作用程度亦不相同，對(duì)高分子混凝劑，吸附架橋起決定性作用；對(duì)硫酸鋁等無機(jī)混凝劑，吸附架橋和雙電層作用均具有重要作用。v沉淀物的網(wǎng)捕-卷掃作用當(dāng)金屬鹽（如硫酸鋁、氯化鐵）

16、或金屬氧化物和氫氧化物（如石灰）用作混凝劑，且投加量大得足以迅速形成沉淀金屬氫氧化物（如氫氧化鋁、氫氧化鐵等）或金屬碳酸鹽（碳酸鈣）時(shí)，水中膠?？杀贿@些沉淀物在形成時(shí)所網(wǎng)捕。 硫酸鋁的混凝機(jī)理硫酸鋁的混凝機(jī)理 不同pH條件下，鋁鹽可能產(chǎn)生的混凝機(jī)理不同。何種作用機(jī)理為主，決定于鋁鹽的投加量、pH、溫度等。實(shí)際上，幾種可能同時(shí)存在。 pH0.6mm原水的混凝效果主要決定于攪拌強(qiáng)度和攪拌時(shí)間兩項(xiàng)因素。 v 討論：提高反應(yīng)效果的途徑 1 碰撞機(jī)率即反應(yīng)效果與顆粒濃度有關(guān)，增加顆粒濃度，單位體積內(nèi)顆粒濃度愈大，碰撞機(jī)率越多，反應(yīng)效果越好。 例如在機(jī)械或水力循環(huán)澄清池中引入幾倍水量的回流污泥，使反應(yīng)室的

17、顆粒濃度大大增加，加速絮凝體的形成。 有時(shí)在低濁度水處理中，投加粘土或增大投藥量，以加速絨粒的形成，也屬于增加顆粒濃度的措施，國(guó)外的加砂絮凝池也屬于此觀點(diǎn)。 2 增大顆粒尺寸，礬花越大，膠粒越容易相互碰撞吸附，為此多采用高分子混凝劑或助凝劑，分子鏈結(jié)很大，粘結(jié)和吸附架橋機(jī)會(huì)愈大，絨粒形成越好。 3 增大值，因水中顆粒作等速平行運(yùn)動(dòng)的顆粒不會(huì)相碰，因此值愈大，則愈大，但值也不能太大，大到使礬花破碎的程度。 4 與水溫有關(guān)，因水溫低，水粘滯系數(shù)大，則液體內(nèi)摩擦阻力增大，速度梯度減小，因此碰撞機(jī)率降低，反應(yīng)效果差。如果水溫從20降到時(shí)，值減少18%，剪力增加23%。5 與反應(yīng)時(shí)間有關(guān)，通常稱值。絨粒

18、碰撞次數(shù)不但與值有關(guān)，也與反應(yīng)時(shí)間有關(guān)，很顯然，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，則絨粒碰撞次數(shù)也很多，故反應(yīng)效果也很好。反應(yīng)時(shí)間，規(guī)范規(guī)定為2030min。據(jù)現(xiàn)有反應(yīng)池的數(shù)據(jù)計(jì)算，GT104105范圍。 v混凝控制指標(biāo) 自藥劑與水均勻混合起直至大顆粒絮凝體形成為止，工藝上總稱混凝過程。相應(yīng)設(shè)備有混合設(shè)備和絮凝設(shè)備。 混合（凝聚）過程 在混合階段，對(duì)水流進(jìn)行劇烈攪拌的目的主要是使藥劑快速均勻分散以利于混凝劑快速水解、聚合、及顆粒脫穩(wěn)。平均G7001000s-1，時(shí)間通常在1030s，一般2min。 此階段，雜質(zhì)顆粒微小，同時(shí)存在顆粒間異向絮凝。 絮凝過程 在絮凝階段，主要靠機(jī)械或水力攪拌促使顆粒碰撞凝聚，故以同向

19、絮凝為主。同向絮凝效果不僅與G有關(guān)，還與時(shí)間有關(guān)。在絮凝階段，通常以G值和GT值作為控制指標(biāo)。 平均G2070s-1， GT104105 隨著絮凝的進(jìn)行，G值應(yīng)逐漸減小。 例題：某水力攪拌絮凝反應(yīng)池，水力停留時(shí)間20min，水頭損失0.30m，水溫20c。求該反應(yīng)池的平均值和GT值。5940060205 .495 .49602010002.13 .081.910013TGGTsTghG五 影響混凝效果的因素 影響混凝的因素很多，包括水溫、水質(zhì)、含鹽量、水力條件等，還包括混凝劑的品種、性質(zhì)、投加量。v水溫1.水溫影響水解速度和礬花質(zhì)量水溫低時(shí)， 1)混凝劑的水解速度緩慢，因無機(jī)混凝劑的水解是吸熱

20、反應(yīng)，低溫時(shí)，無機(jī)混凝劑水解困難2)絮凝體的形成也很緩慢，而且絮凝體細(xì)而松，不易下沉 3)水溫低時(shí)，水的粘度大，水流剪力增加（水化作用增強(qiáng)，防礙膠體凝聚，影響絮凝體成長(zhǎng)）水中雜質(zhì)微粒的布朗運(yùn)動(dòng)減弱，彼此碰撞機(jī)會(huì)減少，不利于脫穩(wěn)和凝聚，也不利于顆粒的下沉（下沉阻力增大）水溫對(duì)鋁鹽混凝劑影響較大t=2040混凝效果好t=1510生成的礬花細(xì)而松，不易沉淀t=0 效果極差目前對(duì)低溫水的處理辦法： 1)投加助凝劑活化硅酸或粘土，投加高分子助凝劑；2)增大混凝劑的投量，改善顆粒中間的碰撞條件。水溫對(duì)鐵鹽混凝劑的影響較?。ㄒ騀e(OH)3比重大） t=20 Fe(OH)3 比重為3.6 Al(OH)比重為

21、2.4v堿度堿度：指水中能與酸起反應(yīng)的物質(zhì)的含量，即與H+起反應(yīng)的物質(zhì)的含量。 鋁鹽或鐵鹽水解時(shí)均產(chǎn)生H+ ，使pH值降低，只有從水中不斷排出H+，提高pH值才能使水解反應(yīng)進(jìn)行到底。 我國(guó)大多數(shù)地區(qū)的地面水堿度可以滿足混凝的要求，但也有一些地區(qū)水源堿度不足，特別是投藥量大，原水堿度較小時(shí)，堿度不足，礬花很難形成。 為提高堿度，一般投加石灰或重碳酸鈉進(jìn)行堿化：(不可過量，否則Al(OH)3會(huì)溶解） CaO+H2O Ca(OH)2 Ca(OH)2=Ca2+2OH- OH-+H+=H2O或 Al2(SO4)3+3CaO+3H2O=2Al(OH)3 +3CaSO4 2FeCl3+3CaO+3H2O= Fe(OH)3 +3CaCl2vpH值：表示水的酸堿性pH值影響混凝效果的程度視混凝劑品種而異。硫酸鋁：pH4，水解反應(yīng)受到抑制4pH8，主要是水合羥基鋁離子，高分子聚合物8pH，主要是Al(OH)3沉淀物 為了除濁，最佳pH值范圍6.57.5，主要依靠氫氧化鋁聚合物的吸附 架橋及羥基配合物的電中和作用。 為了除色，最佳pH值范圍4.55.5氯化鐵：pH8.