水的物理化学处理方法.doc

第二章 水的物理化学处理方法第1节 混凝的去除对象 混凝可去除的颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物，是一种化学方法。 范围在：1nm0.1mm（有时认为在1mm） 混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花。 水处理中主要杂质：粘土（50nm-4 mm） 细菌（0.2mm-80mm） 病毒（10nm-300nm） 蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸1637年 我国开始使用明矾净水1884年 西方才开始使用混凝过程涉及到三个方面的问题：水中胶体的性质 混凝剂在水中的水解与形态 胶体与混凝剂的相互作用第2节 胶体的性质一、胶体的稳定性1 动力学稳定性：布朗运动对抗重力。2 聚集稳定性：胶体带电相斥（憎水性胶体） 水化膜的阻碍（亲水性胶体） 两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。二、胶体的双电层结构动电位z电位：决定了胶体的聚集稳定性 一般粘土z电位-15-40mV 细菌z电位-30-70mV三、DLVO理论胶体的稳定性和凝聚可由两胶粒间的相互作用和距离来评价。由下列两方面的力决定：静电斥力：ER1/d2范德华引力：EA1/d6（有些认为是1/d2或1/d3）由此可画出两者的综合作用图。另一方面，胶体的布朗运动能量Eb1.5kT k：波兹曼常数，T：温度 EbEmax（势垒）胶体距离xoa， 稳定（二次凝聚除外）以上称为DLVO理论。只适用于憎水性胶体。德加根（derjaguin）、兰道（Landon）(苏联，1938年独立提出伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）（荷兰，1941年独立提出） 胶体的凝聚： 降低静电斥力z电位势垒脱稳凝聚 办法：加入电解质，但只适用于憎水性胶体第3节 水的混凝机理与过程一、铝盐在水中的化学反应 铝盐最有代表的是硫酸铝Al2(SO4)318H2O，溶于水后，立即离解铝离子，通常是以Al(H2O)63+存在。在水中，会发生下列过程。1水解过程 配位水分子发生水解： Al(H2O)63+Al(OH)(H2O)52+ H+ . 其结果是：价数降低，pH降低，最终产生Al(OH)3沉淀2缩聚反应 OH发生架桥，产生高价聚合离子（多核羟基络合物） . 其结果是：电荷升高，聚合度增大 同时多核羟基络合物还会继续水解。 因此，产物包括：未水解的水合铝离子 单核羟基络合物 多核羟基络合物 氢氧化铝沉淀 各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。二、混凝机理 水的混凝现象比较复杂。至今尚未有统一认识。 凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation ） 混凝：包括两者 1压缩双电层根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。电解质加入与反离子同电荷离子压缩双电层z电位稳定性凝聚z电位0，等电状态，实际上混凝不需要z电位0，只要使Emax=0即可，此时的z电位称为临界电位。示例：河川到海洋的出口处，由于海水中电解质的混凝作用，胶体脱稳凝聚，易形成三角洲。 叔采哈代法则可以适用，即：凝聚能力离子价数6 但该理论不能解释：1）混凝剂投加过多，混凝效果反而下降； 2）与胶粒带同样电号的聚合物或高分子混凝效果好。这些都与胶粒的吸附力有关，绝非只来源于静电力，还来源于范得华力、氢键及共价键力（多出现在有聚合离子或高分子物质存在时）。2吸附-电性中和 这种现象在水处理中出现的较多。 指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低z电位。这一点与第1条机理不同。 在铝盐混凝剂的过程中，水解的多核羟基络合物主要起吸附电性中和作用。在水处理中由水合的Al3+产生的单纯的压缩双电层作用甚微。3吸附架桥 指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥 高分子投量过少，不足以形成吸附架桥，但投加过多，会出现“胶体保护”现象。4网捕或卷扫 金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕 小胶粒与大矾花发生接触凝聚 澄清池中发生的现象根据以上机理，可以解释在不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理。 pH1，下沉 比重1，上浮沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去除100um以上的颗粒给水处理混凝沉淀，高浊预沉废水处理沉砂池（去除无机物） 初沉池（去除悬浮有机物） 二沉池（活性污泥与水分离）二、分类 自由沉淀：离散颗粒、在沉淀过程中沉速不变 （沉砂池、初沉池前期） 絮凝沉淀：絮凝性颗粒，在沉淀过程中沉速增加 （初沉池后期、二沉池前期、给水混凝沉淀） 拥挤沉淀：颗粒浓度大，相互间发生干扰，分层（高浊水、二沉池、污泥浓缩池） 压缩沉淀：颗粒间相互挤压，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力下挤出，污泥得到浓缩。 第2节 自由沉淀(discrete particle settling)一、颗粒沉速公式（Stokes law）假设沉淀的颗粒是球形 所受到的重力为F1= 1/6 p d3 (rp - rl ) g 所受到的水的阻力F2=CD rl u2/2 p d2/4CD与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。平衡时：F1F2可得到沉速(terminal velocity)计算公式（对球形颗粒）：对于非球形颗粒：f：形状系数CD与Re有关。Re1, CD= 24/Re m：水的动力粘度，Pa s该公式难以反映实际，因为实际中颗粒大小不一，不是球形。但可以了解u的影响因素。此外，一般d难以测定，在层流区，颗粒太小。可以通过测定u，算出d（注意是名义上的）。二、颗粒沉淀实验t=0t=tih1. 在ti时，从底部取样，测定Ci2. 计算 ti ui = h/ti Ci pi = Ci/C0 pi：沉速小于ui的颗粒占全部颗粒的比重3. pu 曲线（颗粒粒度分布曲线）pu=h/t4.颗粒去除率 在t0 时， uu0 的颗粒全部去除 uu0 的颗粒部分去除 hi/h = uit0/(u0t0) = u/u0通过实验可绘制以下曲线： E-t 曲线 Eu曲线（与水深无关）中部取样法： P= (C0-C)/C0 *100%三、理想沉淀池假设：1 颗粒为自由沉淀2 水流水平流动，在过水断面上，各点流速相等。3 颗粒到底就被去除。水平流速v=Q/(h0 B) B: 池宽 考察顶点，流线III：正好有一个沉降速度为u0的颗粒从池顶沉淀到池底，称为截留速度。 uu0的颗粒可以全部去除 uu0的颗粒只能部分去除 去除率为Eui/u0 = ui/(Q/A) q=Q/A =u0 表面负荷或溢流率对于颗粒沉速小于u0的颗粒来讲，去除率为 Eui/u0 = ui/(Q/A) 由上式可知，颗粒在理想沉淀池的沉淀效率只与表面负荷有关，而与其它因素（如水深、池长、水平流速、沉淀时间）无关。 (Hazen 理论,1904年） 但实际沉淀池是偏离理想沉淀池。 从上式反映以下两个问题： 1）E一定，ui越大，表面负荷越大，或q不变但E增大。ui与混凝效果有关，应重视加强混凝工艺。 2）ui一定，增大A，可以增加产水量Q或增大E。当容积一定时，增加A，可以降低水深“浅层理论”。第3节 絮凝沉淀(flocculent settling)一、特点 在沉淀过程中，颗粒变大，沉淀变大。 悬浮物的去除率不仅与沉速有关，而且与深度，时间有关。 无理论描述公式，只能通过沉淀实验预测沉淀效果。二、沉淀实验沉淀柱高度实际沉淀池深度1）在时间ti，不同深度测Ci2) 计算各深度处的颗粒去除百分率 p(C0-Ci)/C0 *100%3）绘制去除百分率等值线4）计算颗粒去除率方法1：按自由沉淀来类推（参考图169）方法2：中部取样法P（C0-C）/C0*100% C：h/2处的浓度三、沉淀效率、表面负荷和停留时间之间的关系要求一定的去除率- 设计停留时间和表面负荷假定不同的水力停留时间t-计算总去除率 P得出相应的表面负荷 q 绘制三者之间的关系曲线注意：曲线与水深有关。停留时间表面负荷沉淀效率第4节 拥挤沉淀 (Hindered (Zone) settling)一、特点发生在SS浓度较高的情况分层沉淀，出现清水浑水交接面 出现4个区，参见图162。A：清水区B：等浓度区（与原水颗粒浓度相同）或称受阻沉降层 颗粒沉速等于界面（11面）沉降速度，等速下降（Vs）C：变浓度区 颗粒浓度由小变大D：压实区 颗粒沉速从大小 悬浮物缓慢下沉是这一区内悬浮物缓慢压实过程 界面（22面）以一定速度上升沉淀开始，11面下降，22面上升当ttc时，11面和22面相遇时，临界沉降点当再延长沉降时间，污泥层就会发生压实。分区的条件：最大颗粒粒径/最小颗粒粒径2-3g/L） 活性污泥1g/L 高浓度泥沙5g/L二、沉降过程曲线 以11界面的高度为坐标，可以作出沉降过程曲线。 b-c的斜率代表11界面的等速沉降 Cc为临界点 最后压实高度为Hl 沉降过程曲线的相似性，与水深无关（当原水颗粒浓度一样时）。A11A21B11B21OA1/OA2OB1/OB2由一个水深的沉降过程曲线可以作出其它水深条件下的曲线证明见：Kynch理论l 界面沉降速度Vs与颗粒浓度有关Vs= f(C)对于活性污泥Vs=a c-n （n1）l 临界点图解近似求解法第5节 沉淀池一、分类平流式竖流式辐流式斜流式二、平流式沉淀池进水区、沉淀区、存泥区、出水区1构造1）进水区 流量均匀分布 可采用配水孔或者缝 给水中，通常采用穿孔花墙 v4, L/H10水流速度的控制也很重要适宜范围：10-25 mm/s（给水） 57mm/s（污水）3）出水区出水均匀。通常采用：溢流堰（施工难） 三角堰（对出水影响不大） 淹没孔口（容易找平） 控制单位堰长的出水量： 给水：500 m3/(m d) 初沉：v，下沉 v, 沉不下来根据沉淀实验得u0-u设；v设u设沉淀去除率1p0无沉淀资料时，对于生活污水，v设1.5- 3 m/h, T设1 2.0 h由v设A=Q/v设 注意：A的算法 直径f由T设Hv设T设f/H3，使水流接近竖流，f10m注意：中心管的流速不宜太大，d/3 -斜板 Rd/3 -斜管斜管比斜板的水力条件更好。材质： 轻质，无毒纸质蜂窝、薄塑料板（硬聚氯乙烯、聚丙烯）2构造1）异向流异向流基本参数： q60度，L1-1.2m 板间距 50150mm 清水区 0.5-1.0 m 布水区 0.5-1.0 m u0=0.2-0.4 mm/s, v3 mm/s Q设hu0（A斜A原） h：0.6-0.8，斜板效率系数；A斜：斜板在水平面的投影面积2）同向流水流促进泥的下滑，斜角可减少到3040度沉淀效果提高，但构造比较复杂，使用少 Q设hu0（A斜A原）3）横向流 使用少，结构和平流式沉淀池较接近，易于改造，但水流条件差（Re大），难支撑 Q设hu0A斜3优缺点 优点：沉淀面积增大，水深降低，产水量增加 q911m3/(m2 h) 平流式q2 m3/(m2 h) 层流状态Re500 缺点：停留时间短（几分钟），缓冲能力差 对混凝要求高 耗材，有时堵，常用于给水处理，和污水隔油池五、沉砂池原理与沉淀池相同。功能：去除比重较大的无机颗粒（如泥沙、煤渣等）保证措施：流速控制常用的有：平流沉砂池、曝气沉砂池平流式沉砂池：最大流速0.3 m/s, 最小流速0.15m/s最大流量时的停留时间不少于30s, 一般30-60s曝气沉砂池：旋流速度：0.25-0.3 m/s最大流量时的T：1-3min, 水平流速：0.1 m/s第6节 澄清池(Clarifier) 污泥再悬浮起来，池中保持大量矾花，脱稳胶体靠接触凝聚粘附在活性泥渣上。 （混合）澄清 常用于给水处理 需保持矾花一定浓度，通过排泥控制沉降比在2030。 泥渣悬浮型（过滤型）：矾花容易冲出去，但对细小矾花具有过滤作用 如悬浮澄清池、脉冲澄清池 泥渣循环型（分离型）：效果与上相反 如机械加速澄清池、水力循环澄清池一、加速澄清池 1920年 美国 infilco公司发明的 1935年有工程实例 1965年我国开始使用一反应区容积：1520分Q二反应区容积：710分Q分离区v上11.2 mm/st总11.5h，比平流式快需定期排泥回流泥量Q35Q第2：第1：清水区1：2：7优点：处理效果好，稳定，适应性强, 适用于大、中水厂缺点：机电维修启动时有时需人工加土和加大加药量二、水力循环澄清池喷嘴速度过大、过小都不行，v47m/s喉管v23m/s一反应室出口v=60mm/s t1530s二反应室下降v4050mm/s 出口v5mm/s t80100s分离区v11.2mm/s, t1h回流泥量24Q优点：不需机械搅拌，结构简单缺点：反应时间短，运行不稳定，泥渣回流控制较难，适应性差，适用于小水厂。三、脉冲澄清池靠脉冲方式进水，悬浮层发生周期性的收缩和膨胀：1）有利于颗粒和悬浮层接触；2）悬浮层污泥趋于均匀。配水方式：紊流板充水时间：2530s放水时间：610s1956年法国首先发明工作稳定、单池面积大、造价低，但周期不易调整。四、悬浮澄清池强制出水管出水2030，来保持池内泥渣浓度一定。池内水流上升速度v0.8-1.0 mm/s结构简单，但运行适应性差（水温、水量、变化时，泥渣层工作不稳定） 澄清池中加斜板，注意反应室的配套设计 欧洲过滤型澄清池多，美国机械加速澄清池多。气 浮(Flotation)第1节 理论基础 是一种固液和液液分离的方法。具体过程：通入空气产生微细气泡SS附着在气泡上上浮应用：自然沉淀或上浮难于去除的悬浮物，以及比重接近1的固体颗粒一、 界面张力和润湿接触角 任何不同介质的相表面上都因受力不均衡而存在界面张力 气浮的情况涉及：气、水、固三种介质，每两个之间都存在界面张力。 三相间的吸附界面构成的交界线称为润湿周边。通过润湿周边作水、粒界面张力作用线和水、气界面张力作用线，二作用线的交角称为润湿接触角。见图133和134。90， 疏水性,易于气浮90, 亲水性 如石油废水, 表面活性物质含量少, 水气大,乳化油粒疏水性强，直接气浮效果好。 而煤气洗涤水中的乳化焦油，由于水中表面活性物质含量多，水气小，直接气浮效果差。 对于亲水性颗粒的气浮，表面需改性为疏水性 投加浮选剂 浮选剂：松香油、煤油、脂肪酸，起连接颗粒和气泡之间作用。 三、气泡的稳定性 气浮中要求气泡具有一定的分散度和稳定性。气泡粒径在100m左右为好。 洁净水中：气泡常达不到气浮要求的细小分散度洁净水表面张力大，气泡有自动降低自由能的倾向，即气泡合并。稳定性不好。缺乏表面活性物质的保护，气泡易破灭，不稳定。 即使悬浮物已附着在气泡上也易重新脱落会水中 加入起泡剂（一种表面活性物质），保护气泡的稳定性。见图135 对于有机污染物含量不多的废水在进行气浮时，气泡的稳定性可能成为重要的影响因素。适当的表面活性剂是必要的。 但表面活性物质过多太多 水气降低，同时 此时，尽管气泡稳定， 污染粒子严重乳化 但颗粒气泡附着不好 如何控制最佳的投加量？ 影响三个因素：稳定性、表面张力、乳化效果 四、乳化现象与脱乳 疏水性颗粒易气浮，但多数情况下并不好，主要是由于乳化现象。以油粒为例： 表面活性物质存在：非极性端吸附在油粒，极性端则伸向水中乳化油 （图136）电离后带电双电层现象稳定体系 废水中含有亲水性固体粉末（固体乳化剂），如粉砂、粘土等（10m,隔油池） 乳化油（10m,一般0.1-2m气浮） 溶解性 造纸厂白水回收纤维：时间短，SS去除率90以上，COD去除率80，浮渣浓度5。 染色废水等 毛纺工业洗毛废水羊毛脂及洗涤剂 浓缩污泥（效果比沉淀法高）给水：高含藻水源的净化：武汉东湖水厂，气浮替代沉淀，藻类去除率达80以上。低温、低浊水的净化：沈阳市自来水厂。对受污染水体的净化：对水体产生曝气，减轻嗅味与色度。 优点：处理能力比沉淀池高，气浮污泥浓度高，可以同时去除多种污染物（表面活性剂、嗅味物质等） 缺点：耗电、维修过滤(Filtration)第1节 概述一、慢滤池 滤速慢：V0.1-0.3 m/h 表面生长一层滤膜（12个星期后）效果：浊度可降到0，可不消毒。机理：微生物吞食细菌 微生物分泌出起凝聚作用的酶 藻类产生氧气，起氧化作用。但生产效率低，13月后堵塞，需刮掉滤膜，重新补砂。二、快滤池及其机理条件：滤速大于10 m/h 必须先投加混凝剂作用：去除浊度，浊度5度，同时可去除一部分细菌、病毒机理：表层细砂层粒径为0.5mm，滤料孔隙率为80um，但进入滤池的颗粒尺寸大部分小于30um，但仍能被去除。不光是简单的机械筛滤，还有接触粘附的作用。主要有两个过程：迁移和粘附迁移是颗粒脱离流线接近滤料的过程，主要由以下作用力引起： 拦截、 沉淀 惯性 扩散 水动力（非球形颗粒在速度梯度作用下发生转动） 对于这几种力的大小，目前只能定性描述。 粘附：物理化学作用力（范德华引力、静电力、以及一些特殊化学力）但表层滤料的筛分作用也不能排除，特别是在过滤后期，当滤层中的孔隙尺寸逐渐减少时。应用：给水处理原水混凝沉淀/澄清过滤原水微絮凝过滤（微絮凝过滤）原水加药过滤（接触过滤）废水处理原水生物处理过滤 第2节 快滤池一、快滤池分类普通快滤池虹吸滤池重力滤池压力滤池移动罩冲洗滤池二、普通快滤池的构造 组成：集水渠洗砂排水渠滤料层承托层配水系统管廊：浑水进水管 清水出水管 初滤水 冲洗来水 冲洗排水 四大阀门（至少）过滤过程：最大过滤水头损失1.52m工作周期：过滤开始冲洗结束1224h三、过滤方式1变水头等速过滤 随着过滤进行，滤层孔隙率减少，水头损失的增加，滤池内水位自动上升，自由进流，以保持过滤速度不变。虹吸滤池、无阀滤池五、提高滤池截污能力的途径 改进方向：提高滤层含污能力，延长过滤周期。1） 上向流 当流速太大时，表面应加格网或格栅。缺点：反冲洗时膨胀受到限制 冲洗水流与过滤水流方向一致，冲洗效果不好，大量污泥需通过整个滤层才能排出，往往使污泥排除不净。2） 双向流苏联发明的。此种过滤方式效