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23污水处理设备网 东莞春雷环保工程有限公司 第一章 水质概述第一节 天然水及其分类一、水源水是地面上分布最广的物质，几乎占据着地球表面的四分之三，构成了海洋、江河、湖泊以及积雪和冰川，此外，地层中还存在着大量的地下水，大气中也存在着相当数量的水蒸气。地面水主要来自雨水，地下水主要来自地面水，而雨水又来自地面水和地下水的蒸发。因此，水在自然界中是不断循环的。水分子（H2O）是由两个氢原子和一个氧原子组成，可是大自然中很纯的水是没有的，因为水是一种溶解能力很强的溶剂，能溶解大气中、地表面和地下岩层里的许多物质，此外还有一些不溶于水的物质和水混合在一起。水是工业部门不可缺少的物质，由于工业部门的不同，对水的质量的要求也不同，在火力发电厂中，由于对水的质量要求很高，因此对水需要净化处理。电厂用水的水源主要有两种，一种是地表水，另一种是地下水。地表水是指流动或静止在陆地表面的水，主要是指江河、湖泊和水库水。海水虽然属于地表水，但由于其特殊的水质 ，另作介绍。天然水中的杂质要有氧和二氧化碳天然水中的杂质是多种多样的，这些杂质按照其颗粒大小可分为悬浮物、胶体和溶解物质三大类。悬浮物：颗粒直径约在10-4毫米以上的微粒，这类物质在水中是不稳定的，很容易除去。水发生浑浊现象，都是由此类物质造成的。胶体：颗粒直径约在10-6-10-4毫米之间的微粒，是许多分子和离子的集合体，有明显的表面活性，常常因吸附大量离子而带电，不易下沉。溶解物质：颗粒直径约在10-6毫米以上的微粒，大都为离子和一些溶解气体。呈离子状态的杂质主要有阳离子（钠离子Na+、钾离子K+、钙离子Ca2+、镁离子Mg2+）,阴离子（氯离子CI -、硫酸根SO42-、碳酸氢根HCO3-）；溶解气体主。 水质指标二、水中的溶解物质悬浮物的表示方法：悬浮物的量可以用重量方法来测定（将水中悬浮物过滤、烘干后称量），通常用透明度或浑浊度（浊度）来代替。溶解盐类的表示方法：1.含盐量：表示水中所含盐类的总和。2.蒸发残渣：表示水中不挥发物质的量。3.灼烧残渣：将蒸发残渣在800时灼烧而得。4.电导率：表示水导电能力大小的指标。5.硬度的表示方法：硬度是用来表示水中某些容易形成垢类以及洗涤时容易消耗肥皂得一类物质。对于天然水来说，主要指钙、镁离子。硬度按照水中存在得阴离子情况。划分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度两类。6.碱度和酸度：碱度表示水中含OH -、CO32-、HCO3-量以及其它一些弱酸盐类量得总和。碱度表示方法可分为甲基橙碱度和酚酞碱度两种。酸度表示水中能与强酸起中和作用的物质的量。有机物的表示方法：通常用耗氧量来表示。溶解物质是指颗粒直径小于10-6 mm的微粒，它们大都以离子或溶解气体状态存在于水中，现概述如下。（1）离子态杂质。天然水中含有的离子种类甚多，但在一般的情况下，它们总是一些常见的离子。如按含量多少来分，可以将这些离子归纳为表1-2中的三类。其中第一类杂质的含量为最多，是工业水处理中需要净化的主要离子。天然水中离子态杂质来自水源经地层时溶解的某些矿物质。列如石灰石（CaCO3）和石膏（CaSO4 2H2O）的溶解。CaCO3在水中的溶解度虽然很小，但当水中含有游离态CO2时，CaCO3被转化为较易溶的Ca（HCO3）2而溶于水中。其反应为 CaCO3+CO2+H2O=Ca（HCO3）2又如白云石（MgCO3CaCO3）和菱镁矿（MgCO3），也会被含游离CO2的水溶解，其中MgCO3溶解反应可表示为MgCO3+CO2+H2O=Mg（HCO3）2由于上述反应，所以天然水中都存在Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-。在含盐量不大的水中，Mg2+的浓度一般为Ca2+的25%50%，水中Ca2+、Mg2+是形成水垢的主要成分含钠的矿石在风化过程中易于分解，释放出Na+，所以地表水和地下水中普遍含有Na+。因为钠盐的溶解度很高，在自然界中一般不存在Na+的沉淀反应，所以在高含盐量水中，Na+是主要阳离子。天然水中K+的含量远低于Na+，这是因为含钾的矿物比含钠的矿物抗风化能力大，所以K+比Na+较难转移至天然水中。由于在一般水中K+的含量不高，而且化学性质与Na+相似，因为在水质分析中，常以（K+Na+）之和表示它们的含量，并取加权平均值25作为两者的摩尔质量。天然水中都含有Cl-，这是因为水流经地层时，溶解了其中的氯化物。所以Cl+几乎存在于所有的天然水中。天然水中最常见的阳离子是Ca2+、Mg2+、K+、Na+；阴离子是HCO3-、SO42-、Cl-，某些地区的地下水中还含有较多的Fe2+和Mn2+。（2）溶解气体。天然水中常见的溶解气体有氧（O2）和二氧化碳（CO2），有时还有硫化氢（H2S）、二氧化硫（SO2）和氨（NH3）等。天然水中O2的主要来源是大气中O2的溶解，因为空气中含有20.95%的氧，水与大气接触使水体具有自充氧的能力。另外，水中藻类的光合作用也产生一部分的氧，但这种光合作用并不是水体中氧的主要来源，因为在白天靠这种光合作用产生的氧，又在夜间的新陈代谢过程中消耗了。地下水因不与大气相接触，氧的含量一般低与地表水，天然水的氧含量一般在014mg/L之间。天然水中CO2的主要来源为水中或泥土中有机物的分解和氧化，也有因地层深处进行的地质过程而生成的，其含量在几毫克/升至几百毫克/升之间。地表水的CO2含量常不超过2030mg/L，地下水的CO2含量较高，有时达到几百毫克/升。天然水中CO2并非来自大气，而恰好相反，它会向大气中析出，以为大气中CO2的体积百分数只有0.03%0.04%，与之相反的溶解度仅为0.51.0mg/L。水中O2和CO2的存在是使金属发生腐蚀的主要原因。（3）微生物。在天然水中还有许多微生物，其中属于植物界的有细菌类、藻类和真菌类；属于动物界的有鞭毛虫、病毒等原生动物。另外，还有属于高等植物的苔类和属于后生动物的轮虫、涤虫等。 三、天然水的分类通常，天然水有两种分类方法，一种是按主要的水质指标，另一种是水中盐类的组成。现分述如下：1.按主要水质指标天然水可以按其含盐量或硬度分类，因为这两种指标可以代表水受矿物质污染的程度。天然水按其含盐量分类如表1-3。表1-3 按含盐量分类类 别低含盐量水中等含盐量水较高含盐量水高含盐量水含盐量（mg/L）1000我国江河水大都属于低含盐量和中等含盐量水，地下水大部分是中等含盐量水。天然水按其硬度分类如表1-4。表1-4 按硬度分类类别极软水软水中等硬度水硬水极硬水硬度（mmol/L）9.0根据此种分类，我国天然水的水质是由东南沿海的极软水，向西北经软水和中等硬度水而递增至硬水。这里所谓软水是指天然水硬度较低，不是指经软化处理后所获得的软化水。2.按水中盐类的组成分类为了研究问题方便起见，人为地将水中阴、阳离子结合起来，写成化合物的形式，这称为水中离子的假想结合。这种表示方法的原理是，钙和镁的碳酸氢盐最易转化成沉淀物，所以令它们首先假想结合，其次是钙、镁的硫酸盐，而阳离子Na+和K+以及阴离子Cl-都不易生成沉淀物。因此它们以离子的形式存在于水中。第二节 电厂用水的类别及水质指标 一、电厂用水的类别水在火力发电厂水汽循环系统中所经历的过程不同，水质常有较大的差别。因此根据实用的需要，人们常给予这些水以不同的名称。它们是原水、锅炉补给水、给水、锅炉水、锅炉排污水、凝结水、冷却水和疏水等。现简述如下：（1）原水：也称为生水，是未经任何处理的天然水（如江河水、湖水、地下水等），它是电厂各种用水的水源。（2）锅炉补给水：原水经过各种水处理工艺净化处理后，用来补充发电厂汽水损失的水称为锅炉补给水。按其净化处理方法的不同，又可分为软化水和除盐水等。（3）给水：送进锅炉的水称为给水。给水主要是由凝结水和锅炉补给水组成。（4）锅炉水：在锅炉本体的蒸发系统中流动着的水称为锅炉水，习惯上简称炉水。（5）锅炉排污水：为了防止锅炉结垢和改善蒸汽品质，用排污的方法，排出一部分炉水，这部分排出的炉水称为锅炉排污水。（6）凝结水：蒸汽在汽轮机中作功后，经冷却水冷却凝结成的水称为凝结水，它是锅炉给水的主要组成部分。（7）冷却水：用作冷却介质的水为冷却水。这里主要指用作冷却作功后的蒸汽的冷却水，如果该水循环使用，则称循环冷却水。（8）疏水：进入加热器的蒸汽将给水加热后，这部分蒸汽冷却下来的水，以及机组停行时，蒸汽系统中的蒸汽冷凝下来的水，都称为疏水。 在水处理工艺过程中，还有所谓清水、软化水、除盐水及自用水等。二、水质指标所谓水质是指水和其中杂质共同表现出的综合特性，而表示水中杂质个体成分或整体性质的项目，称为水质指标。由于各种工业生产过程对水质的要求不同，所以采用的水质指标也有差别。火力发电厂用水的水质指标有二类：一类是表示水中杂质离子的组成的成分指标，如Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-、SO42-等；另一类指标是表示某些化合物之和或表征某种性能，这些指标是由于技术上的需要而专门制定的，故称为技术指标。1 表征水中悬浮物及胶体的指标（1）悬浮固体。悬浮固体是水样在规定的条件下，经过滤可除出的固体，单位为毫克/升（mg/L）。这项指标仅能表征水中颗粒较大的悬浮物，而不包括能穿透滤纸的颗粒小的悬浮物及胶体，所以有较大的局限性。此法需要将水样过滤，滤出的悬浮物需经烘干和称量等手续，操作麻烦，不易用作现场的监督指标。（2）浊度。浊度是反映水中悬浮物和胶体含量的一个综合性指标，它是利用水中悬浮物和胶体颗粒对光的饿散射作用来表征其含量的一种指标，即表示水浑浊的程度。 浊度是通过专用仪器测定的，操作简便迅速。由于标准水样配制方法不同，所使用的单位也不相同，目前以硫酸肼（N2H4SO4）和六次甲基四胺（CH2）6N4配制成浑浊液为标准，与水样相比较，其单位用福马肼（FTU）表示。（3）透明度。透明度是利用水中悬浮物和胶体物质的透光性来表征其含量的另一中指标，即表示水透明程度的指标，单位为厘米（cm）。水的透明度与浊度成反比，水中悬浮物含量越高，其透明度越低。由于它是通过人的眼睛观察水层厚度来确定水中悬浮物含量的，因此它带有人为的随意性。 2表征水中溶解盐类的指标 （1）含盐量。含盐量是表示水中各种溶解盐类的总合，由水质全分析的结果，通过计算求出。含盐量有两种表示方法：一是摩尔表示法，即将水中各种阳离子（或阴离子）均按带一个电荷的离子为基本单位，计算其含量（mmol/L），然后将它们（阳离子或阴离子）相加；二是重量表示法，即将水中各种阴、阳离子的含量以mg/L为单位全部相加。 由于水质全分析比较麻烦，所以常用溶解固体近似表示，或用电导率衡量水中含盐量的多少。 （2）溶解固体。溶解固体是将一定体积的过滤水样，经蒸干并在1051100C下干燥至恒重所得到的蒸发残渣量，单位用毫克/升（mg/L）表示。它只能近似表示水中溶解盐类的含量，因为在这种操作条件下，水中的胶体及部分有机物与溶解盐类一样能穿过滤纸，许多物质的湿分和结晶水不能除尽，碳酸氢盐全部转换为碳酸盐。（3）电导率。表示水中离子导电能力大小的指标，称作电导率。由于溶于水的盐类都能电离出具有导电能力的离，所以电导率是表征水中溶解盐类的一种代替指标。水越纯净，含盐量越小。电导率越小。 水的电导率的大小除了与水中离子含量有关外，还和离子的种类有关，单凭电导率不能计算水中含盐量。在水中离子的组成比较稳定的情况下，可以根据试验求得电导率与含盐量的关系，将测得的电导率换算成含盐量。电导率的单位为微西/厘米（uS/cm）。三表征水中易结垢物质的指标 表征水中易结垢物质的指标是硬度，它是指水中某些易于形成沉淀的金属离子，它们都是二价或二价以上的金属离子。在天然水中，形成硬度的物质主要是钙、镁离子，所以通常认为硬度就是指水中这两种离子的含量。水中钙离子含量称钙硬（Hca），镁离子含量称镁硬（HMg），总硬度是指钙硬和镁硬之和，即H=HCa+HMg=（1/2）Ca2+（1/2）Mg2+。根据Ca2+、Mg2+与阴离子组合形式的不同，又将硬度分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。 （1）盐硬度（HT）是指水中钙、镁的碳酸盐及碳酸氢盐的含量。此类硬度在水沸腾时就从溶液中析出而产生沉淀，所以有时也叫暂时硬度。（2）非碳酸盐硬度（HF）是指水中钙、镁的硫酸盐、氯化物等的含量。由于这种硬度在水沸腾时不能析出沉淀，所以有时也称永久硬度。硬度的单位为毫摩尔/升（mmol/L），这是一种最常见的表示物质浓度的方法，是我国的法定计量单位。在美国硬度单位为ppmCaCO3，这里的ppm表示百分之一，它与mg/L大致相当；在德国硬度单位采用的是德国度oG，1oG相当于10mg/LCaO所形成的硬度。以上几种硬度单位的关系如下： 1mmol/L=2.8oG=50ppmCaCO31、征水中碱性物质的指标表征水中碱性物质的指标是碱度，碱度是表示水中可以用强酸中和的物质的量。形成碱度的物质有：（1）强碱，如NaOH、Ca（OH）2等，它们在水中全部以OH-形式存在；（2）弱碱，如NH3的水溶液，它在水中部分以OH-形式存在；（3）强碱弱酸盐类，如碳酸盐、磷酸盐等，它们水解时产生OH-。在天然水中的碱度成分主要是碳酸氢盐，有时还有少量的腐殖酸盐。水中常见的碱度形式是OH-、CO32-和HCO3-，当水中同时存在有HCO3-和OH-的时候，就发生如（2-2）式的化学反应， HCO3+OH-CO32-+H2O （2-2）故一般说水中不能同时含有HCO3-碱度和OH-碱度。根据这种假设，水中的碱度可能有五种不同的形式：只有OH-碱度；只有CO32-碱度；只有HCO3-碱度；同时有OH-+CO32-碱度；同时有CO32-+HCO3-碱度。水中的碱度是用中和滴定法进行测定的，这时所用的标准溶液是HCl或H2SO4溶液，酸与各种碱度成分的反应是， OH-+H+H2O （2-3） CO32-+H+HCO3- （2-4） HCO3-+H+H2O+CO2 （2-5）如果水的PH值较高，用酸滴定是，上述三个反应（2-3）、（2-4）、（2-5）将依次进行。当用甲基橙作指标剂，因终点的PH值为4.2，所以上述三个反应都可以进行到底，所测得的碱度是水的全碱度，也叫甲基橙碱度；如用酚酞作指示剂，终点的PH值为8.3，此时只进行（2-3）、（2-4）式的反应，反应式（2-5）并不进行，测得的是水的酚酞碱度。因此，测定水中碱度时，所用的指示剂不同，碱度值也不同。碱度的单位为毫摩尔/升（mmol/L），与硬度一样，在美国和德国分别用ppmCaCO3和oG为单位。2、表示水中酸性物质的指标 表示水中酸性物质的指标是酸度，酸度是表示水中能用强碱中和的物质的量。可能形成酸度的物质有：强酸、强酸弱碱盐、弱酸和酸式盐。 天然水中酸度的成分主要是碳酸，一般没有强酸酸度。在水处理过程中，如H离子交换器出水出现有强酸酸度。水中酸度的测定是用强碱标准来滴定的。所用指示剂不同时，所得到的酸度不同。如：用甲基橙作指示剂，测出的是强酸酸度。用酚酞作指示剂，测定的酸度除强酸酸度（如果水中有强酸酸度）外，还有H2CO3酸度，即CO2酸度。水中酸性物质对碱的全部中和能力称总酸度。 这里需要说明的是，酸度并不等于水中氢离子的浓度，水中氢离子的浓度常用PH值表示，是指呈离子状态的H+数量；而酸度则表示中和滴定过程中可以与强碱进行反应的全部H+数量，其中包括原已电离的和将要电离的两个部分。3、表示水中有机物的指标天然水中的有机物种类繁多，成分也很复杂，分别以溶解物、胶体和悬浮状态存在。因此很难进行逐类测定，通常是利用有机物比较容易被氧化这一特性，用某些指标间接地反映它的含量，如化学氧化、生物氧化和燃烧等三种氧化方法，都是以有机物在氧化过程中所消耗或氧化剂的数量来表示有机物可氧化程度的。（1）化学耗氧量（COD）。在规定条件下，用氧化剂处理水样时，水样中有机物氧化所消耗该氧化剂的量，即为化学耗氧量。计算时折合为氧的质量浓度，简写代号为COD，单位用毫克/升O2表示。化学耗氧量越高，表示水中有机物越多。常采用的氧化剂有重铬酸钾和高锰酸钾，氧化剂不同，测得有机物的含量也不同。如用重铬酸钾K2Cr2O7作氧化剂，在强酸加热沸腾回流的条件下，以银离子作催化剂，可对水中85%95%以上的有机物进行氧化，不能被完全氧化的是一些直链的、带苯环的有机物，但这种方法基本上能反应水中有机物的总量。如用高锰酸钾作氧化剂，只能氧化约70%的一些比较容易氧化的有机物，并且有机物的种类不同，所得的结果也有很大差别，所以这项指标具有明显的相对性，目前它较多地用于轻度污染的天然水和清水的测定。（2）生化需氧量（BOD）。在特定条件下，水中的有机物和无机物进行生物氧化时所消耗溶解氧的量，即为生化需氧量。单位也用毫克/升O2表示。构成有机体的有机物大多是碳水化合物、蛋白质和脂肪等，其组成元素是碳、氢、氧、氮等，因此不论有机物的种类如何，有氧分解的最终产物总是二氧化碳、水和硝酸盐。生物氧化的整个过程一般可分为两个阶段，第一个阶段主要是有机物被转化为二氧化碳、水和氨的过程；第二个阶段主要是氨转化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程。对于工业用水，因为氨已经是无机物，它的进一步氧化，对环境卫生的影响较小，所以，生化需氧量通常只指第一阶段有机物氧化所需的氧量。通常都以5天作为测定生化需氧量的标准时间，称5天生化需氧量，用BOD5表示。试验证明，一般有机物的5天生化需氧量约为第一阶段生化需氧量的70%左右，因此，BOD5具有一定的代表性。此外，用仪器测定有机物完全燃烧后所产生的气体来反映总含碳量的，称为总有机碳（简称TOC），或反映消耗氧的量的，称总需氧量（简称TOD）。下表为我公司用淡水水质全分析资料，供学习时参考北海电厂一期工程水质全分析资料（时间：2003.1.22） 水源：地下水项目5井6井7井8井9井PH（25）4.614.504.604.614.40全固形物（mg/L）31.430.524.823.526.8总硬度（mmol/L）0.03540.02270.01030.03200.0370暂时硬度（mmol/L）0.03540.02270.01030.03200.0370总碱度（mmol/L）0.06910.04510.05090.07230.0272甲基橙碱度（mmol/L）0.06910.04510.05090.07230.0272CODMn（mgO2/L）电导率（25）（S/cm）31.128.727.631.034.2游离二氧化碳（mg/L）179.0147.0131.90187.0112.0K+（mg/L）0.390.070.030.280.09Na+（mg/L）2.772.02.992.02.48Ca2+（mg/L）1.410.910.381.311.52Fe3+（mg/L）0.480.10R2O3（mg/L）0.600.14HCO3-（mg/L）4.212.753.104.411.66Cl-（mg/L）3.692.583.311.814.12SiO2（全）（mg/L）20.5022.1016.3017.3017.60SiO2（溶）（mg/L）11.8910.217.9811.6711.0备注：表中各种物质的基本单元为 Men全硅含量最大值：25mg/L。其它未列指标含量约为零。四、天然水中几种主要化合物的化学特性 天然水中含有杂质的种类虽然较多，但天然水中主要杂质的种类差不多是一致的，它们总是几种常见的化合物，所以在研究水的净化处理时，只需研究若干常见的化合物。1、碳酸化合物碳酸和它的盐类统称碳酸化合物，在天然水中特别是在含盐量较低的水中，含量最大的化合物常常是碳酸化合物。而切，在自然界发生的自然现象中，如天然水对酸、碱的缓冲性，沉积的生成与溶解等，碳酸也常常起非常重要的作用。（1） 碳酸化合物的存在形式水中碳酸化合物通常有以下四种形式：溶于水的气体二氧化碳；分子态碳酸；碳酸氢根及碳酸根。在水溶液中，这四种碳酸化合物之间有下列几种化学平衡：CO2(aq) + H2O H2CO3 （2-6）H2CO3 H+ + HCO3- （2-7）HCO3- H+ + CO32- （2-8）若把上述平衡式综合起来可以得到CO2(aq) + H2O H2CO3H+ + HCO3- 2H+ + CO32- （2-9）利用上述关系式解决有关碳酸化合物的问题是有困难的，因为在进行水分析时，不能区分水中的二氧化碳和碳酸 ，用酸碱滴定测得的二氧化碳是两者之和。实际上，分子态的碳酸的形态只占总量的百分之一以下，故实际工作中可以将二氧化碳和碳酸一起用二氧化碳表示，此时式（2-9）式可表示为CO2 + H2OH+ + HCO3- 2H+ + CO32- （2-10）（2）碳酸化合物的形态与PH值的关系碳酸为二元弱酸，可进行分级电离。不同温度下有着不同的电离平衡常数，如在25 时，的平衡常数值为： （2-11） （2-12）式中K1- H2CO3 的一级电离平衡常数K2- H2CO3 的二级电离平衡常数 -表示相应物质的浓度f1、f2-分别表示1价和2价离子的活度系数PH值和各种碳酸化合物相对含量间的关系。碳酸化合物在各种溶液中的相对含量主要取决于该溶液的PH值。设碳酸化合物总浓度为C mol/L，则CO2 + HCO3- + CO32- = C （2-13）根据H2CO3一级电离平衡常数（2-12）式，以及（2-13）式，并假定在稀溶液中f1和f2可视为1，那么可解得一定的pH值条件下各种碳酸化合物的相对量，如（2-15）、（2-16）、（2-17）式所示 （2-15） （2-16） （2-17）根据（2-15）（2-17）式，可绘制图2-4所示的pH值与各种碳酸化合物相对量的关系曲线。由图可知，当pH4.2时，水中碳酸化合物基本是CO2；当pH=4.26.3时，CO2和HCO3-同时存在；当pH=8.3时，白分之98%以上的碳酸化合物呈HCO3-状态；当PH8.3时，HCO3-和CO32-同时存在。pH、HCO3-、CO32-和CO2 的关系。由图2-4可知，在pH8.3时，碳酸进行的是一级电离，将（2-11）式等号两边取负对数并加以整理，则得pH pK1 + lgHCO3- lgCO2 + lgf1对于稀溶液，f1=1,lgf1=0;在25时，PK6.35；所以pH 6.35 lgHCO3- - lgCO2 (2-19)对于pH3时，由碳酸的二级电离平衡方程式（2-12），可求得 pH 33 + lgCO32-lgHCO3- (2-21)2、硅酸化合物硅酸是一种比较复杂的化合物，它的形态多，在水中有离子态、分子态以至胶态。硅酸的通式为xSiO2yH2O。当x和y等于1时，分子式可写成H2SiO3, 称为偏硅酸；当x=1,y=2时，分子式为H4SiO4，成为正硅酸；当x1时，硅酸呈聚合态，称多硅酸。当硅酸的聚合度增大时，它会由溶解态转化成胶态，当其浓度较大时，会呈凝胶状析出。当水的pH值不很高时，溶于水的二氧化硅主要是分子态的简单硅酸，至于这些溶于水的硅酸到底是正硅酸还是偏硅酸的问题，还有待研究。因为硅酸通常显示出二元酸的性质。所以本书中均以偏硅酸来表示。硅酸的酸性很弱，电离度不大，所以当纯水中含有硅酸时不易用pH或电离率检测出来。当pH值增大到9时，二氧化硅的溶解度就明显增大，此时硅酸电离成H2SiO3的量增多，所以溶解的二氧化硅除了生成硅酸外，还会生成大量的H2SiO3,其反应方程式为 H2SiO3 = HSiO-3 + H+ 当pH值较大，且水中溶解的硅酸化合物较多时，他们会形成多聚体，其反应方程式为 4H2SiO3 = H6Si4O2-12 + 2H+ 在天然水中，硅酸化合物是常见的杂质。它来自水流经地层时与含有硅酸盐和铝硅酸盐岩石的反应。地下水的硅酸化合物含量通常比地面水多，天然水中硅酸化合物（以二氧化硅表示）含量一般在120mg/L范围内，地下水有高达60mg/L的。硅酸化合物的许多形态会影响到它的测定方法。通常采用的铝蓝比色法能测得的只是水中分子量较低的硅酸化合物。至于分子量较大的硅酸，有的不与钼酸反应，有的反应缓慢。根据此种反应的能力不同，水中硅酸化合物可分成两类。那些能够直接用比色法测得的称为活性二氧化硅（简称活性硅），不能测得的称为非活性二氧化硅。在火力发电厂中，水中硅酸化合物是有害的物质。当锅炉水中铝、铁和硅的化合物量较高时，会在热负荷很高的炉管内形成水垢。在高压锅炉中，硅酸会溶于蒸汽，随之带出锅炉，最后沉积在汽轮机内。所以，硅酸化合物是水净化的主要对象之一。3、铁化合物在天然水中铁是常见的杂质。水中的铁有Fe2+、Fe3+两种。在深井中因溶解氧的浓度很小和PH值较低，水中会有大量的Fe2+，高达10mg/L以上，这是因为常见的亚铁盐类的溶解度较大，水溶解度较小，Fe2+不易形成沉淀物。当水中溶解氧浓度较大和PH值较高时，Fe2+会氧化成Fe3+，而Fe3+的盐类很易水解，从而转变成Fe(OH)3沉淀物或胶体，其反应方程式为4Fe2+ + O2 + 2H2O 4Fe3+ + 4OH- Fe3+ + 3H2O Fe(OH)3 + 3H+ 当pH8时，水中亚铁离子被溶解氧氧化的速度很快。在地表水中，由于溶解氧的含量较多，所以Fe2+的量通常很小，但在含有腐殖酸的沼泽水中，Fe2+的量可能较多，因为这种水的pH值常接近于4，Fe2+会与腐殖酸形成络合物，这种络合物不易被溶解氧氧化。在pH为7左右的地表水中，一般几乎只有含有呈胶态氢氧化铁的铁。锅炉给水携带铁的氧化物会引起锅炉炉管内生成氧化铁垢。4、氮的化合物在天然水中有时含有氮的无机化合物，如NH4+、NO-2、NO-3。它们的主要来源为动植物及各种含氮有机物，以及随工业排污水混入的NH4+等。随污水带入水源的含氮有机物（如蛋白质、尿素等），在微生物的作用下会逐渐分解，生成组织较简单的氮化合物，在没有氧存在的情况下，氨是有机氮分解的最终产物；如果水中有氧，则在细菌参与下，能使氨继续分解，逐步转变成亚硝酸盐和硝酸盐。为此，根据天然水中各种氮化合物的相对含量，可以推测此水被有机物污染的时期。如果NH4+含量百分率较大，则表示被污染的时期不长；反之，如NO-3含量百分率较大，则表示被污染已很久。第二章 水的预处理天然水未进锅炉前除掉水中杂质的工作，称为炉外水处理，也叫做补给水处理。根据水中所含杂质种类不同，采取不同的水处理方法。 对水中较大的悬浮物，靠重力沉淀就可以除掉，这种处理称为自然沉淀法。 对于水中的胶体微粒，常向水中加入一些化学药品，使胶体颗粒凝聚沉淀，这种处理称为混凝沉淀法。 对于溶于水中的盐类，可采用蒸馏法、离子交换法、电渗析法等等。目前电厂多采用离子交换法。 炉外水处理就是由上述某些方法联合组成的水处理流程，一般为：现将一般水处理流程中，各种水处理方法、原理及其设备分述如下。第一节 混凝沉淀一、 混凝沉淀的原理混凝、沉淀过程一般是在澄清器内进行的。处理方法，是向水中加入混凝剂(硫酸铝、聚合铝和硫酸亚铁、氯化铁等)、石灰乳和镁剂(菱苦土或白云粉)等化学药品。各种药品的作用如下： 1混凝剂的作用。混凝剂在水中的作用：是促使水中微小的悬浮物或胶体颗粒相互凝聚成大颗粒而下沉。 2石灰乳的作用。石灰乳的成分是氢氧化钙Ca(OH)2。石灰乳加入水中可以提高水的pH值，有利于不溶性氢氧化物的中沉淀出来：Ca(OH)2+Ca(HCO3)22CaCO3+2H2O2Ca(OH)2+Mg(HCO3)22CaCO3+Mg(OH)2+2H2O 上述化学反应的结果，使水中的暂硬降低了。3镁剂的作用。镁剂的主要化学成分是氧化镁(MgO)。如果在石灰、混凝处理的同时，向水中加入镁剂，就会使产生的氢氧化镁沉淀物增多。当氢氧化镁沉淀达到一定数量时，就能吸附水中大部分硅化物，然后它们渐渐变成难溶于水的硅酸镁而沉淀。因此，加镁剂的目的就是利用生成硅酸镁的的应，除掉水中的硅化物。除硅效果的好坏，除了必须加入适量的镁剂外，还与水的温度和pH值有关。最好的温度为401，pH值为10.110.3。二、混凝、沉淀设备及处理过程利用混凝沉淀方法除掉水中悬浮物的沉淀设备叫做澄清池。目前常见的澄清池也有水力循环澄清池、机械搅拌澄清池、脉冲澄清池和泥渣悬浮澄清池等。各种澄清池尽管在结构上有差异，但它们的工作原理则是相似的。这里仅以悬浮澄清池为例来阐述澄图13-2 悬浮澄清池1空气分离器；2喷嘴；3混合区；4水平隔板；5垂直隔板；6反应区；7过渡区；8出水区；9水栅；10集水槽；11排泥系统；12泥渣浓缩器；13采样管；14可动罩子清池的工作过程。图13-2是悬浮澄清池的结构示意图。 原水首先经过空气分离器，把水中含有的空气分离出去。这样就可以避免空气进入澄清池内，搅动悬浮层和把悬浮泥渣带出澄清池，破坏悬浮层的正常工作。 不含空气的水和各种药剂，经过喷嘴送入澄清池下部的混合区。由于混合区水流旋涡很强，可以使混凝剂与水充分混合。 在混合区上部装有水平和垂直的多孔隔板，从混合区出来的水继续向上流经多孔板时，多孔板既能使水得到进一步的混合，又能消除旋涡使其成为平稳水流，进入反应区。反应区是澄清器的中心部分，是主要工作区。当水进入反应区后，水中杂质逐渐凝聚成絮状悬浮物(称为泥渣)，由泥渣组成的悬浮层对水起过滤作用。 经过反应区悬浮层的水，继续上升，进入过渡区。由于筒体截面逐渐增大，水的流速逐渐减小，使悬浮物与水分离。澄清池上部出水区截面最大，水在这里流速最低，水与悬浮物得到了很好的分离。最后，澄清水由环形集水槽引出，送至清水箱。 澄清池的中央设有垂直圆形的排泥筒。沿着排泥筒的不同高度开有许多层窗口，多余的泥渣自动地经排泥窗口进入浓缩器，浓缩后的泥渣由底部排污管排入地沟。 浓缩器与集水槽之间设有回水导管。由于浓缩器与集水槽之间有水位差，使浓缩器上部的清水经加水导管送入集水槽，而悬浮层上部的水经排泥窗口进入浓缩器，同时带走了多余的泥渣，使悬浮层保持固定的高度。 澄清池的出水质量，一般可以达到以下标准： (1) 悬浮物含量不大于20毫克/升。 (2) 碱度不大于0.85毫克当量/升。 (3) 硅酸根含量，平均可降至1.01.5毫克/升。 (4) 耗氧量不大于5毫克/升O2。第二节 过滤处理 生水经过混凝、沉淀处理后，虽然已将水中大部分悬浮物等杂质除掉，但是水中仍残留有20毫克/升左右的细小悬浮颗粒，需要进一步处理。 除去残留有悬浮杂质，常用的方法是过滤。在电厂水处理中，主要是采用粒状滤料形成滤层，当浑水通过滤层时，就可以把水中悬浮物吸附截留下来，流出的是清水。 一、 过滤原理 浑水通过滤层时，为什么能除掉水中的悬浮物呢？对过滤的机理，现在还有些不同的看法。目前人们认为，经过混凝处理的水，通过滤层的滤料时，有两个作用：一个是滤料颗粒表面与悬浮物之间的吸力，使悬浮物被吸附；另一个作用滤层对悬浮颗粒的机械筛除作用，而主要是吸附作用。 二、 滤料选择 做滤料的固体颗粒，应有足够的机械强度和很好的化学稳定性，以免在运行和冲洗时，因摩擦而破碎，或因溶解而引出水水质恶化。 石英砂有足够的机械强度，在中性、酸性水中都很稳定。但是在碱性水中石英砂能够溶解，使水受到污染。 无烟煤的化学稳定性较高，在一般碱性、中性和酸性水中都不溶解，它的机械强度也较好。 此外，滤料的粒度和级配都应该选择合适。 三、 过滤设备及运行 过滤设备有多种，电厂水处理中常见的有机械过滤器和无阀滤池等。1机械过滤器（1）设备结构。机械过滤器的结构如图13-3所示。图13-3 机械过滤器1放空气管；2进水漏斗；3缝式滤头；4配水支管；5配水干管；6混凝土它的本体是一个圆柱形容器，内部装有：进入装置、滤层和排水装置。外部设有必要的管道、阀门等。在进、出口的两根水管上装有压力表，两表的压力差就是过滤时的水头损失(运行时的阻力)。进水装置可以是漏头形式或其他形式的，其主要作用是使进水沿过滤器截面均匀分配。滤层由滤料组成，滤料的粒径一般采用0.61.0毫米。滤层的厚度一般为1.11.2米。 排水系统多采用支管缝隙式配水装置。它的作用：一是使出水的汇集和反洗水的进入，能沿着过滤器的截面均匀分布；一是阻止滤料被带出。 (2) 设备运行。过滤器在工作时，浑水经进水口流到进水漏斗，然后流经过滤层除掉浑水中的细小悬浮物而成为清水。此清水上排水系统送出。滤速为810米/时，或更大些。 过滤器的运行过程中，由于滤料不断吸附浑水中的悬浮杂质，使运行阻力逐渐增大。当阻力增大到一定时，应停止运行，对滤料进行反洗。 反洗滤料时，先将过滤器内的水排放到滤层以上约10厘米处，用压缩空气吹洗3分钟左右，然后将反洗清水和压缩空气从过滤器底部排水系统进入，经过滤层上升并冲动滤料使滤料浮动起来。此时滤料颗粒在水中游动并相互摩擦，这样将滤粒表面所吸附的杂质洗掉。在用清水和压缩空气混合反洗35分钟后，停止压缩空气，仅用清水继续反洗约2分钟后停止反洗。洗掉的吸附杂质随水上升，经上部进水漏斗上底部排水门排入地沟。最后，用水正洗至合格投入运行或备用。 (3) 双层滤料。一般机械过滤器多用单层滤料，但单层滤料反洗后，在水流的作用下，滤料颗粒形成了“上细下粗”的排列。由于滤层上部的砂粒细，砂粒之间孙隙小，所以吸附的悬浮物大多数集中在上面，致使滤层下部的滤料不能充分发挥吸附作用。这样就带来了水流阻力增长快，运行周期短的缺点。 为了消除上述缺点，采用了双层滤料的办法。就是将滤层上部石英砂换一层颗粒较大的无烟煤，组成无烟煤-石英砂的双层滤料的过滤器。由于无烟煤的比重比石英砂的小，所以反洗后无烟煤仍然保持在上层。上层无烟煤颗粒之间的孔隙较大，水中悬浮物除被无烟煤吸附外，还可以进入下层石英砂滤层。这样就充分发挥了滤料的截污能力，使水流阻力增长较慢，延长了运行周期。2无阀滤池图13-4 无阀滤池1进水槽；2进水管；3档板；4过滤室；5集水室；6冲洗水箱；7虹吸上升管；8虹吸下降管；9虹吸辅助管；10抽气管； 11虹吸破坏管；12锥形挡板；13水封槽；14排水井；15排水管 (1) 设备结构。无阀滤池的结构如图13-4所示。 这种过滤设备是用钢筋水泥筑成的主体，由冲洗水箱、过滤室、集水室、进水装置以及冲洗用的虹吸装置等组成。(2) 设备运行。无阀滤池运行时，浑水由进水槽1进入，经过进水管2流入过滤室4，然后通过滤层除掉浑水中悬浮杂质，成为清水汇集到下部集水室5，此清水再由连通管进入上部冲洗水箱6，当水箱充满水后，澄清的水便经出水漏斗送出。随着运行时间的增长，滤层的阻力逐渐增大。虹吸上升管7中的水面也随之升高，当水面上升到虹吸辅助管9的管口时，水立即从此管中急剧下降。这时主虹吸管(包括虹吸上升管7和虹吸下降管8)中的空气，便通过抽气管10抽走，管中产生负压，使虹吸上升管和下降管中的水面同时上升，当两管水面上升达到汇合时，便形成了虹吸作用。这时，冲洗水箱的水，便沿着与过滤时相反的方向从下而上的经过滤层，形成自动反洗。这样，冲洗水箱的水位便下降，当水位降到虹吸破坏管11的管口以下时，空气便进入虹吸管内，虹吸作用遭到破坏，虹吸上升管的水位下降，反洗过程自动停止，过滤又重新开始。经过机械过滤器或无阀滤池处理后的水，可以使出水中的悬浮物含量达到5毫克/升以下。第三章 水的除盐处理第一节 离子交换树脂 水中能电离的杂质可用离子交换法除掉，这种方法是用离子交换剂进行的。离子交换剂包括天然沸石、人造铝硅酸钠、磺化煤和离子交换树脂等四类，其中离子交换树脂在水处理中应用得比较广泛。因此，在讨论离子交换法前，先对离子交换树脂的结构和性质做一些介绍。一、树脂的结构 离子交换树脂是一种不溶于水的高分子化合物，外观上是一些直径为0.31.2毫米的淡黄色或咖啡色的小球。微观上是一种立体网状结构的骨架；骨架上联结着交换基团，交换基团中含有能解离的离子，图13-5是一种离子交换树脂的结构示意图。下面简单的介绍树脂网状结构的孔隙和交换基团。图13-5 H型离子交换树脂结构示意 1树脂孔隙。树脂内部的网架形成树脂中许多类似毛细孔状的沟道，即树脂的孔隙。实际上这些孔隙非常小，一般常用树脂的孔隙直径为2040埃(1埃=10-8厘米)，而且同一颗粒内的孔隙也是不均匀的。孔隙中充满着水分子，这些水分子也是树脂孔隙的一个组成部分。水和交换基团解离下来的离子组成浓度很高的溶液，离子交换作用就是在这样溶液条件下进行的。 树脂孔隙的大小，对离子交换运动有很大影响，孔隙小不利于离子交换运动，以致半径大的离子不能进入树脂内，也就不能发生交换作用。 树脂网状骨架部分不溶于水，在交换反应时也是不变的，一般用英文树脂的第一个字母R来表示不变的这一部分。 2交换基团。交换基团是由能解离的阳离子(或阴离子)和联结在骨架上的阴离子(或阳离子)组成。例如，磺酸基交换基团，季胺基交换基团等，其中或是能解离的并在反应中发生交换的离子；或是联结在骨架上的离子，即R或RN(CH3)+，它们在反应中是不变的。 在书写某种离子交换树脂时，一般只写出树脂骨架符号R和交换基团中能解离的离子本身符号，如RH或ROH等。二、 树脂的分类 离子交换树脂的分类，一般按交换基团能解离的离子种类分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。 1阳离子交换树脂。交换基团能解离的离子是阳离子的，叫做阳离子交换树脂。在使用时通常是游离酸型即RH型，而且各种RH解离出H+能力的大小不同。所以，其中又分为强酸性阳离子交换树脂和弱酸性阳离子交换树脂。 2阴离子交换树脂。交换基团能解离的离子是阴离子的，叫做阴离子交换树脂。使用时通常是游离碱型即ROH型，而且各种ROH解离出OH-能力的大小不同。所以，其中又分为强碱性阴离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂。 3此外，离子交换树脂按其孔隙结构上的差异，又有大孔型树脂和凝胶型(或微孔型)之分。目前生产一种孔隙直径为2001000埃的树脂，称为大孔树脂；而把一般孔径在40埃以下的树脂，称为凝胶型树脂。三、物理性质 离子交换树脂的物理性质很多，下面只介绍常见的几种。 1粒度。树脂颗粒的大小，对树脂的交换速度、树脂层中水流分布的均匀程度、水通过树脂层的压力降和反洗时树脂的流失等，都有很大影响。树脂颗粒大，离子交换速度小；颗粒小，水流阻力大，而且反洗时容易发生树脂流失。因此，颗粒的大小应适当，常用的树脂颗粒为2040目，国产离子交换树脂的颗粒为1650目(粒径为1.20.3毫米)。 2比重。树脂的比重对树脂的用量计算和混合床使用树脂的选择很重要。树脂比重的表示有以下几种： (1) 干真比重。干真比重就是树脂在干燥状态下其本身的比重。 此处所指的干树脂的体积，既不包括颗粒