几种特殊水源水及特殊要求水的处理.ppt

第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,第一节 地下水除铁除锰处理,概述： 1、标准规定 我国饮用水水质标准规定，铁0.3mg/L，锰0.1mg/L。 2、水质状况 地表水含有丰富的溶解氧，铁，锰主要以不溶解的Fe(OH)3和MnO2状态存在，所以，铁，锰含量不高，一般无需除铁除锰，二含铁、锰的地下水在我国分布很光，我国地下水中的含铁，锰一般小于5-10mg/L，含锰量约为0.5-2mg/L，铁钰锰可以共存在地下水中，铁含量往往高于锰含量。 3、铁锰的危害 4、由以上分析：若地下水中铁，锰含量高时，对于生活用水，产生色，嗅，味使用不便，对于生产用水，如造纸，纺织，印染，华工，制革等，会降低产品质量，故应对铁锰含量超标的地下水进行除铁、锰处理。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,一、地下水除铁方法与工艺的发展,原理：地下水中铁主要是Fe2+，向水中加入氧化剂后，Fe2+ Fe3+由离子状态转化为絮凝胶体Fe(OH)3状态,很容易从水中分离出来。 根据使用氧化剂不同： 除铁方法分: 空气氧化法-空气中氧 药剂氧化法-如CL2，KMnO4等。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,本节重点介绍的是接触氧化法：,传统工艺：（过滤前，先氧化充分）氧化反应沉淀系统关键 自然氧化法 即：地下水暴气氧化反应沉淀过滤出水。 1）曝气：充氧，使水于空气充分接触，空气中氧溶于水。 2）氧化反应沉淀：使水在反应沉淀池中停留相当长时间。 4Fe2+O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H+ PH值越高，速率越高，形成Fe(OH)3絮凝沉淀。 3）过滤：采用石英砂为滤料，将水中残留铁质悬浮物过滤去除。缺点：需停留时间长，约为3h. 1960年，我国试验成功了天然锰砂接触除铁工艺。 即：接触氧化法：地下水曝气过滤出水,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,与传统工艺有本质的区别： （利用天然锰砂形成的和性滤膜的催化作用）,1）曝气：向水中溶入氧，同时除去水中CO#2，提高PH值。 2）过滤：采用天然锰砂对水中二价铁的氧化反应的接触催化作用，使Fe2+ Fe3+并截留于滤层中 。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,特点：,一次完成全部除铁过程，即过滤时，催化氧化与截留去除在滤池中同时完成（氧化与过滤同时进行）优点： 1）工艺简化 2）时间大大减少 大约需要几十分钟。 综上所述：将催化投入地下水除铁工艺，使除铁技术得到一大进步。后来在此基础上，以天然锰铁砂为载体在其表面形成铁质活性滤料，其催化作用更强，其发现又对推动了接触氧化除铁工艺得发展。同时液使对锰质活性膜得催化作用这以经典理论得修正。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,二、地下水除锰方法与工艺,锰与铁共存于地下水中，但比除铁困难，必须在催化剂作用下才能被氧化，所以长期以来，许多以含铁含锰地下水为源得水厂，实际上只能除铁，不能除锰，直到接触氧化法工艺出现后，除锰效果才得到明显提高。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,工艺,1、其工艺与除铁一样： 即：地下水 曝气 过滤 出水 过滤时：利用天然锰砂表面自然形成得锰质活性滤膜得催化作用，将水中二价 锰被水中溶解氧氧化为四价锰，并附着在滤料表面，从水中除去。 Mn2+O2+H2O=MnO2+H+ 此法称为接触氧化法除锰,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,1、工艺新发展：,七十年代，发现水中铁对接触氧化法除锰有干扰，于是出现两级过滤系统，即：含锰、铁地下水 充分暴气 第一级滤池除铁 第二级滤池除锰 除锰、铁水。1、工艺新发展：七十年代，发现水中铁对接触氧化法除锰有干扰，于是出现两级过滤系统，即：含锰、铁地下水 充分暴气 第一级滤池除铁 第二级滤池除锰 除锰、铁水。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,2、催化剂认识提高：,过去认为起催化作用得锰质活性滤膜是二氧化锰，经过研究测定：除锰效果的天然锰砂得锰质活性滤膜得化学成本是Mn3O4. 现已发现具有良好的除锰效果得我国优质天然锰砂有乐平锰砂、马山锰砂、湘潭锰砂等，这对我国地下水除锰的推广起了极大的作用。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,三、接触氧化法除铁、除锰工艺,当地下水的含铁量和含锰量均较低时，一般可采用单级曝气、过滤工艺。 如图16-1所示： 铁、锰可在同一滤池到滤层中去除， 上部滤层为除铁层，下部滤层为除锰层， 剩余的滤层不能有效截留水中的锰，因 而部分泄漏，滤后水不符合水质要求， 为此，当水中含铁量、含锰量较高时， 为了防止锰的泄漏，可采用两级曝气、 过滤处理工艺，即第一级除铁，第二级 除锰。其工艺流程如下：,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,含铁含锰废水曝气除铁滤池除锰滤池出水 除铁、除锰过程中，随滤料的成熟，在滤料上不但有高价铁锰混合氧化物形成的催化活性膜，且还可以观测到滤层中有大量的铁细菌群体。由于微生物是生化反应速率远大于溶解氧氧化Mn2+ 速度，所以，铁细菌的存在对于长成活性滤膜有促进作用。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,第二节 软化、除盐与锅炉水处理,一、水的软化 （一）水的软化目的与方法 硬度是水质的一个重要指标，通常以水中Ca2+，Mg2+的总含量称为水的总硬度（Ht）。硬度又分为碳酸盐硬度（Hc）和非碳酸盐硬度（Hn），前者称为暂时硬度，后者称为永久硬度。 水的硬度过高，对生活和生产都有危害，特别是锅炉用水。为了消除或减小水中硬度，引起的危害，需对含有Ca2+、Mg2+的原水进行处理。降低水中Ca2+、Mg2+,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,含量的处理过程为水的软化。 目前水的软化处理主要有以下两种方法： （1）水的药剂软化法： 基于溶度积原理，向原水中加入一定量的某些化学药剂（如石灰石、苏打等），使之与水中的Ca2+、Mg2+反应生成难溶化合物CaCO3和Mg(OH)2沉淀析出，以达到去除水中大部分Ca2+、Mg2+的目的。工艺所需设备与常规净化工艺工程基本相同，也要经过混凝、沉淀、过滤等工序。 （2）水的离子交换软化法：,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,基于离子交换原理，利用某些离子交换剂所具有的可交换阳离子（Na+或H+）与水中Ca2+、Mg2+进行离子交换反应，去除水中的Ca2+、Mg2+ ，以达到水的软化目的。 本节将着重介绍水的离子交换软化法。 常用的化学药剂有石灰（CaO）、苏打（Na2CO3）等。 1.石灰软化法： 反应式：,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,熟石灰Ca(OH)2与水中非碳酸盐的镁硬度起反应生成Mg(OH)2,但同时又产生了等当量的非碳酸盐的钙硬度，反应如下：,故石灰软化法不能降低水的非碳酸盐硬度。但通过石灰处理，在软化的同时还可以去除水中部分铁和硅的化合物。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,2.石灰-苏打软化法 石灰软化法只能降低水的碳酸盐硬度，而不能降低水的非碳酸盐硬度。石灰-苏打软化法就是向水中同时投加石灰和苏打，以苏打来降低水的非碳酸盐硬度。反应如下：,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,（三）水的离子交换软化法 1.离子交换的基本原理： （1）离子交换树脂： 离子交换树脂是水处理中最常用的离子交换剂，它是由交联结构的高分子骨架（称为母体）与附属在骨架上的许多活性基团所构成的不溶性搞分子电解质。 离子交换树脂包括阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。阳离子交换树脂带有酸性活性基团，按其酸性强弱，可分为强酸性和弱酸性两种；阴离子交换树脂带有碱,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,性活性基团，按其碱性强弱，可分为强碱性和弱碱性两种，其交换离子是OH，故可简化写成ROH。前者常用于水的软化或脱碱软化，二者配合可用于水的除盐. （2）离子交换树脂的基本性能 1）密度 离子交换树脂的密度有湿真密度和湿视密度两种表示方法。 湿真密度指树脂溶胀后的质量与其本身所占体积（不包括树脂颗粒之间的空隙）之比，即：,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,树脂的湿真密度对树脂层的反洗强度、膨胀率以及混合床再生前树脂的分层影响很大。强酸树脂的湿真密度约为1.3gmL；强碱树脂约为1.lgmL。 树脂的湿视密度常用来计算交换器所需装填湿树脂的数量，一般为06085gmL。 2）有效pH值范围,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,强酸、强碱树脂的活性基团电离能力强，其交换容量基本与水的pH值无关。而弱酸、弱碱树脂由于活性基团的电离能力弱，其交换容量与水的pH值有关系。弱酸树脂在水的pH值低时不电离或仅部分电离，因而只能在碱性溶液中才会有较高的交换能力，其有效pH值范围一般为514；弱碱树脂则相反，只能在酸性溶液中才会有较高的交换能力，有效pH值范围一般为17。 3）交换容量 树脂交换容量是定量表示树脂交换能力的大小的一项重要指标，单位为mmolL（湿树脂）或mmolg（干树脂）。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,交换容量又可分为全交换容量与工作交换容量。全交换容量是指一定量树脂中所含有的全部可交换离子的数量，树脂全交换容量可由滴定法测定；工作交换容量是指一定量的树脂在给定工作条件下实际的交换容量，树脂工作交换容量与再生方式、原水含盐量及其组成、树脂层厚度、水流速度、再生剂用量等运行条件有关。一般情况下，采用逆流再生方式可获得较高的工作交换容量。在实际中，树脂工作交换容量可由模拟试验确定，亦可参考有关数据选用。 4）选择性 树脂对水中不同离子进行交换反应时，由于树脂和各种离子之间亲合力的大小不同，交换树脂存在着对,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,各种离子交换的选择顺序。与树脂类型、水中离子的种类、浓度及温度等因素有关。常见顺序如下： 强酸性阳离子交换树脂 Fe3Al3Ca2+Mg2KNH4+NaHLi 弱酸性阳离子交换树脂 HFe3Al3Ca2Mg2+KNH4Na Li十 强碱性阴离子交换树脂 SO42- NO3-Cl-OH-F-HCO3-HSiO3-,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,弱碱性阴离子交换树脂 OH- so42- NO3Cl FHCO3HSiO3- 离子交换的实质就是树脂的可交换离子与溶液中其他的同性离子进行的交换反应。例如水的离子交换软化法就是利用阳离子交换树脂交换去除水中的Ca2、Mg2，其交换反应如下：,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,离子交换反应为可逆反应，当树脂失效以后，利用高浓度再生液（Na或H），使交换反应逆向进行，Na或H把树脂上吸附的Ca2、Mg2置换出来，从而使树脂重新恢复交换能力，我们把这个的过程称为树脂再生。 （3）离子交换过程 以离子交换柱中装填Na型树脂，从上而下通以含有一定浓度钙离子的硬水为例。 就整个离子交换过程而言，可分成两个阶段。一是交换带形成阶段，发生在交换开始的一段不长时间内，在此阶段内，树脂的饱和度曲线不断发生变化，直至形成一定形状的曲线。二是交换带推移阶段，即交换带以一定速度沿着水流方向向下推移的过程。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,交换带为交换柱中正在进行离子交换反应的区域，称之为树脂交换工作层。 2.离子交换软化方法 （1）Na离子交换软化法 它是最常用的一种软化法交换反应如下： 对于碳酸盐硬度： 对于非碳酸盐硬度：,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,树脂RNa经交换后变成R2Ca、R2Mg，树脂的再生剂为食盐：,该法的特点是在软化过程中不产生酸性水，设各和管道防腐设施简单；但只能去除硬度，不能脱碱。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,适用于原水碱度较低只须进行软化的场合，可用作低压锅炉的给水处理系统。 （2）H离子交换软化法 其交换反应如下： 对于碳酸盐硬度： 对于非碳酸盐硬度：,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,树脂RH经交换后变成R2Ca、R2Mg、RNa，树脂的再生剂为硫酸或盐酸。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,该法的特点是在软化过程中硬度及碱度均被去除，但出水呈酸性水，故该软化法不能单独使用，通常和钠离子交换软化法联合使用。 （3）HNa联合离子交换脱碱软化法 同时应用H和Na离子交换进行脱碱软化的方法，可分为HNa并联离子交换系统和H-Na串联离子交换系统两种。 如图162所示为HNa并联离子交换系统。原水分配成两部分，部分进人Na离子交换器（出水呈碱性），其余部分进人H离子交换器（出水呈酸性），然后两者出水流人混合器进行中和反应，最后出水进入,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,除二氧化碳器脱除CO2气体后流出。中和反应如下： 考虑混合后的软化水应含有 少量剩余碱度，原水流量分 配可按下式计算：,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,如图163所示为HNa 串联离子交换系统。原水 一部分QH流人H离子交换器， 出水与另一部分原水混合， 然后进人除二氧化碳器脱 气流人中间水箱，最后由泵 打人钠离子交换器进一步软 化。原水流量分配计算方法 与HNa并联离子交换系统 完全一样。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,综上所述，H Na并联和HNa串联系统均能达到脱碱软化的目的，但HNa并联系统只是一部分流量经过Na离子交换器，HNa串联系统则是全部流量经过Na离子交换器。因此，从运行来看，串联系统较安全可靠，更适合于处理高硬度水，能满足低压锅炉对水质的要求。 （4）弱酸性H离子交换软化法：,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,二、水的除盐 （一）复床除盐 所谓复床是指阳、阴离子交换器串联使用。复床除盐最常用的系统有： 1强酸脱气强碱系统 如图164所示，该系统是由强酸阳床、除二氧化碳器和强碱阴床组成。原水先通过强酸阳床除去水中的阳离子，出水呈酸性，再通过除二氧化碳器脱去CO2，最后进人强碱阴床除去水中的阴离子。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,该系统是一级复床除盐中最基 本的系统，多适用于制取脱盐水。 在运行过程中，有时由于阳床泄漏 Na过量，造成出水的pH值和电导 率都偏高。再生时，可采用逆流再 生以提高出水水质。另外，为有利 于除硅，强碱阴床应采用热碱液再 生。 0,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,2强酸弱碱脱气系统 如图165所示，该系统由 强酸阳床、弱碱阴床、除二氧化 碳器组成。弱碱树脂厅Na2 CO3或 NaHCO3再生时，由于经弱碱阴床 后，水中会增加大量的碳酸，因 此脱气应在最后进行。若用NaOH 再生，除二氧化碳器设置在弱碱,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,阴床之前或之后均可。该系统正常运行时，出水的pH值为665，电阻率在05105cm左右。该脱盐系统由于弱碱树脂的应用，不仅交换容量有所提高，而且再生比耗显著降低，多适用于无除硅要求的场合。,3强酸脱气弱碱强碱系统 如图166所示，该系统是由强酸阳床、除二氧化碳器、弱碱阴床、强碱阴床组成c适用于原水有机物含量较高、强酸阴离子含量较大的情况。阴离子交换,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,树脂的再生剂以氢氧化钠为主，再生时，采用串联再生方式，全部再生液先用来再生强碱树脂，然后再生弱碱树脂。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,（二）混合床除盐 按一定比例将阴、阳树脂均匀混合在一起的离子交换器称为混合床，混合床中阴树脂的体积一般是阳树脂的两倍，再生时阴、阳树脂分层再生，使用时先将其均匀混合。当原水通过此交换器时，由于混合床中阴、阳树脂交替紧密接触，好像由无数微型的复床除盐系统串联而成的，反复进行多次脱盐，因而具有出水纯度高、出水水质稳定、间断运行对出水水质影响小、交换终点分明易于实现自动控制等。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,混合床再生方式分体内再生与体外再生两种。体内再生又区分为酸、碱分步再生和同步再生。 混合床再生时由于阳、阴树脂分层不彻底，易形成所谓的交叉污染；另外，考虑到混合床对有机物污染很敏感，因此在水进入混合床之前，应进行必要的预处理，以防有机物污染树脂。 三、锅炉水处理 （一）锅炉给水的处理问题 进人锅炉的水叫做锅炉给水。锅炉给水包括两部分：一部分是回收的凝结水（其含盐量接近于零）；另一部分是经软化后的补充水。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,锅炉给水处理的目的在于防止锅炉系统中产生沉积物、腐蚀以及汽水共腾和发沫等危害。 1沉积物 锅炉系统中出现沉积物主要是水中溶解杂质的过饱和引起的。沉积物以水垢和水渣两种形态出现，水渣可以随水流动，因而可以通过排污排掉；当锅炉清垢时，水垢脱落会变成大块的片状沉积物，也可以通过排污水排出锅炉。 2腐蚀 引起腐蚀的原因主要有：水对金属直接腐蚀、水中溶解氧引起的金属腐蚀、金属表面产生的电化学腐蚀。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,3苛性脆化 苛性脆化是应力腐蚀破裂的一个类型。应力腐蚀破裂指金属由于拉应力及腐蚀溶液蚤合作用而产生的局部破裂现象。除由于苛性钠引起的苛性脆化外，氯离子及硝酸盐也能引起应力腐蚀破裂的现象。在腐蚀的过程中，还会由于其他物质（如二氧化硅及一些氧化剂）的参与而加快了破裂的过程。 4汽水共腾和发沫 汽水共腾和发沫都是锅炉运行中出现的不正常现象，前者是指锅水随着蒸汽冲进汽包的蒸汽空间、甚至在蒸汽引出管中出现大量锅水的现象；后者是指蒸汽从加热面上升并锅水水面聚集成一层泡沫的现象。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,当出现这些现象时，由于蒸汽带水，一方面会降低蒸汽的能量效率，另一方面引起蒸汽中含盐量的增加，产生较多的沉积物，造成危害。 （二）锅炉给水处理方法 锅炉给水的处理过程可分为锅外处理与锅内处理两个部分。锅外处理指锅炉补充水的混凝、沉淀、过滤、软化及除盐等过程。锅内处理是指向锅内直接投加药剂，利用药剂在锅内部发生的反应来解决处理问题。 当锅炉给水的补充水已经过锅外处理后，锅内处理的作用只是一种辅助性的。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,锅内处理的任务是：一是进一步去除进人锅水中的残余有害杂质；二是对锅水的杂质成分进行调整控制，从而控制结垢及腐蚀过程。 1阻垢处理 （1）沉淀的方法：1）碱类处理；2）磷酸盐处理； （2）溶解的方法： 其原理是向水中投加螯合剂把可能产生结垢的钙、镁离子等螯合起来，使之稳定在锅水中。 2缓蚀处理 （1）除氧：1）热力除氧； 2）化学除氧。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,（2）保持一定的碱度和pH值 （3）控制苛性脆化,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,第三节 水的除臭除味处理,一、化学氧化法 采用的氧化剂主要有臭氧、氯、高锰酸钾和二氧化氯，其中以臭氧氧化较为有效。 臭氧是一种强氧化剂，不仅能氧化水中大多数有机物，去除水中色、嗅、味；还可去除水中溶解物。高剂量的臭氧可以将有机物彻底氧化成二氧化碳和水，但考虑到费用，在臭氧投加量有限的情况下，大分子有机物经臭氧氧化后被分解成分子较小的中间产物，可能存在致突变物。但这些中间产物却很容易被活性炭吸附或活性炭表面的生物所降解9因此，通常将臭氧氧化与活性炭吸附或生物处理联合使用，以充分发挥臭氧的作用。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,二、活性炭吸附法 活性炭吸附法是微污染水源饮用水处理的有效方法，不仅可以吸附去除水中多种产生臭和味的物质，而且还能去除天然和合成溶解有机物及微污染物质，因此在水处理中日益受到重视。目前美国以地表水为水源的水厂中已有90以上采用了活性炭吸阽工艺。 三、生物活性炭法 由于水源水中有机物的种类和性质各异，采用单一的处理工艺往往很难取得理想的足理效果，因此，需要将臭氧氧化处理、生物处理和活性炭吸附与常规处理组合起来，优忆组合成新的净水工艺。其中，比较,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,典型的是由常规处理、臭氧氧化、活性炭吸附组合而广的生物活性炭法，其工艺流程如下： 在水中投加臭氧的目的是，一是将溶解和胶体状有机物转化为较易生物降解的有F物，二是将某些大分子有机物氧化分解成易被活性炭吸附的分子较小物质并被炭床中微生物所降解。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,第四节 水的除氟处理,一、活性氧化铝吸附过滤法 活性氧化铝是一种两性物质，其等电点约为9.5，当水的pH值在9.5以上时可吸附水中阳离子，水的pH值在9.5以下时可吸附水中阴离子，活性氧化铝吸附阴离子的顺序为OH-PO43-F-SO3- CrO42-SO42-NO2Cl-NO3-，对吸附氟离子具有极大的选择性。除氟用的活性氧化铝为白色颗粒状多孔吸附剂，有较大的表面积。,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,活性氧化铝在使用前须用硫酸铝溶液进行活化，活化反应为： 除氟时的反应为： 当活性氧化铝失去除氟能力后，需停止运行，进行再生。再生时可用浓度为12的硫酸铝溶液，再生反应为： 二、骨炭过滤法,第十六章 几种特殊水源水及特殊要求水的处理,骨炭是由兽骨燃烧去掉有机质的产品，其主要成分是羟基磷酸三钙，故骨炭过滤法又称磷酸三钙过滤法。 除氟交