水与废水物化处理的原理与工艺绪论.doc

水处理工程第一篇 水与废水物化处理的原理与工艺( 讲义)黄霞清华大学环境科学与工程系主要参考书：(1) 顾夏声等：水处理工程第一版，清华大学出版社，1985(2) 严煦世、范瑾初编著：给水工程第四版，中国建筑工业出版社，1999(3) 张自杰等编著：排水工程第四版，中国建筑工业出版社，2000(4) George Tchobanoglous, Franklin L. Burton and H. David Stensel: Wastewater Engineering, treatment disposal and reuse, Fourth edition, Metcalf & Eddy, Inc.,（清华大学出版社影印，2002年8月）(5) Ronald L. Droste: Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment, John Wiley & Sons, Inc., 1997(6) 环境工程手册之水污染防治卷，张自杰等，高等教育出版社，1996第一章 绪论第1节 水资源循环与特点一、中国水资源特点1. 人均占有量少淡水总量在全世界占第6位。但人均占有量只有2340m3/人年（以12亿人口计），世界平均水准的1/4，占88位。2. 空间分布不均81的水资源分布在长江流域及其以南东南地区降水量可达1600mm，造成涝灾西北地区降水只有500mm，少的地区不到200mm 3. 年内及年际变化大6080降水集中在夏季，7，8，9月；年际变化差36倍（大时）4. 许多地区缺水严重三北（西北、华北、东北）和沿海（青岛、大连）在640个城市中，300多个城市缺水。二、水资源的自然循环与社会循环三、水处理工程的任务给水工程：取水给水处理配水 针对不同的水源水水质，经处理后满足工农业和生活的对水质与水量的要求。排水工程：废水收集（来源于生活、工业和农业）废水处理排放或回用第2节 水污染现状及来源一、水污染现状污水处理率低：污水排放排放量接近400亿m3。 工业废水处理率约80，达标排放的只有60 城市污水处理率1590以上的城市水域受到污染，特别严重的水系：三河：淮河、海河、辽河湖泊富营养化严重：滇池、巢湖（安徽）、太湖（江苏）50左右地下水水质受到污染50以上的重点城镇饮用水源不符合标准二、水污染来源1工业污染源 2. 生活污染源3. 养殖业4. 面污染源： 三、 污染物性质与水质指标1 污染物性质 按化学物质分：有机物 无机物 按物理形态大小分：悬浮物 胶体 溶解性 2废水水质指标1)物理性质：色，温度，SS2)化学性质：pH、有机物、溶解性固体、有毒物、N、P有机物：综合指标：BOD、COD、TOD（总需氧量） 单项指标3)生物学指标：细菌总数、大肠菌数四、 水污染原因1人口增加和经济增长的压力： 2粗放型发展模式3. 面源污染严重4污水处理率偏低，大量污水直接排放5环境意识淡薄、环境管理薄弱、环境执法力度不够6. 排污收费等经济政策未能起到对治污的刺激作用7. 历史欠帐太多，资金投入严重不足五、水污染防止战略对策与保障措施战略对策：1加快城市废水处理厂的建设步伐，实施废水资源化2尽快实现从末端治理向源头控制的的战略转移，大力推行清洁生产3从单纯的点污染源治理转向点源、内源和面源的流域综合综合治理4切实保护饮用水源地，提高饮用水安全性保障措施：1.严格以法治水，制定并实施有效的法律、规章、制度2.完善水的管理体系，改变“多龙管水”的现象3.加大水污染治理投资4.采取有利于水污染防治的经济政策第3节水质标准一、 饮用水卫生标准回顾历史，改善的方向：注重水的外观、预防传染病去除重金属去除微量有机物-内分泌紊乱物质。有关的内分泌紊乱物质的提出始于90年代初野生动物学者的会议上。96年美国开始食品、饮用水中内分泌紊乱物的筛控方法研究。然后欧洲经济协力开发组织开始研究。97年日本，定出被怀疑的物质67, 包括：（1）杀虫剂、除草剂，45种；（2）工业原料，有机氯化合物；（3）副产物，如二恶英。国际上： s有现代意义的饮用水标准是在本世纪初在美国出现 公共卫生署饮用水水质标准1914年，只针对细菌数量 由此大大减少了伤寒病死亡的人数。 到1962年期间，有过修订，但主要是针对化学物质、生物学指标和感官指标 s1974年通过了安全饮用水法（Safe drinking water act）， s1975年颁布了国家暂行饮用水基本规则（National Interim primary drinking water regulations）美国饮用水水质标准上的里程碑 增加了6种有机物的限制 s1979年修改国家暂行饮用水基本规则 s1986年提出了安全饮用水法修正案（Safe Drinking Water Act Amendments） 暂行规定国家饮用水基本规定（National Primary Drinking Water Regulations） 提出了达到该标准的最佳可行技术（Best available technology）。以后，不断改进，增加限制有机物的种类。美国等的情况代表了国际上先进水平水质标准的发展趋势。有机物指标的数目超过了水质指标总数的2/3，特别是消毒副产物项目的增加。国内情况：1956年 制订了第1个生活饮用水卫生标准（试行），16项水质指标1976年 项目修订增加到23项1986 年 GB5749-85 共35项，关于有机物指标只有6项2001年6月新标准生活饮用水卫生规范二、 工业与其它用水标准1 工业用水标准2 其它：游泳、渔业、灌溉三、 废水排放标准1 地表水环境质量标准 首次发布 1983年第1次修订 1988年第2次修订 1999年 GHZB1-1999，2000年1月1日起实施。分成基本项目和特定项目特定项目适用于地表水域特定污染物的控制。共计75项，其中基本项目31项，以控制湖泊水库富营养化为目的的特定项目4项 以控制地表水I，II，III类水域有机化学物质为目的的特定项目40项。水体分类：I类 主要适用于源头水、国家自然保护区；II类 主要适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵区III类 主要适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区IV类 主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区V类 主要适用于农业用水区及一般景观要求区域2 污水综合排放标准原有标准：GB897888污染物分成两类： I类（9项）：对人体健康产生长远影响，不允许稀释，一律执行严格标准 II类（20项）：长远影响小于I类 针对排放区域和新建、现有，执行不同的标准。 修订标准：GB89781996颁布，98年1月1日开始实施。 I类：增加到了13项 II类：增加到了56项目 仍按排放区域不同执行不同的标准。3 行业排放标准第4节 水处理方法和工艺流程简介一、给水处理（一）给水处理的基本方法1 去除水中的悬浮物：混凝、澄清、沉淀、过滤、消毒2 变革水中溶解物质：减少、调整 如软化、除盐、水质稳定3 降低水温：冷却4 去除微量有机物（二） 常规处理工艺以没有受到污染的地面水源为生活饮用水水源时：原水混凝沉淀过滤消毒饮用水以去除浊度、满足卫生学标准。地面水源水质：杂质多、含盐量较低。工业用除盐水：滤过水阳离子交换阴离子交换除盐水（三）其它水处理工艺1 高浊度水处理工艺2 低温第浊水处理工艺3 微污染水处理工艺4 富营养化湖泊水处理工艺（四）热点问题与发展方向s有机污染物特别是80年代以后，对有机物的污染特别关注。已发现在给水水源中有机物种类在2000种以上；饮用水中有700多种。美国确立了117种优先控制有机物。我国也确定了12类，58种。s病原微生物：新的病原微生物：如贾第虫（Giardia Lamblia）、隐孢子虫等。s管网水二次污染：细菌繁殖水质变差、管道堵塞水处理技术的发展方向：s加强微量有机物去除：加强常规处理增加预处理（如生物预处理）增加后处理（如活性炭吸附、化学氧化） 开发新技术（如膜技术）s加强消毒：防止各种致病微生物的影响s消毒副产物的问题：替代氯的其它消毒技术s管网水二次污染控制：二、废水处理（一）基本处理方法1 物理法：沉淀、气浮、筛网2 化学法：处理溶解性物质或胶体 中和、吹脱、混凝、消毒3生物处理方法：好氧、厌氧（二）城市污水处理一般流程预处理：Preliminary treatment一级处理：Primary treatment二级处理：Secondary treatment三级或深度处理：Tertiary or advanced treatment深度处理一般以污水回收、再用为目的。 BOD去除率 SS去除率一级处理 2040 5070二级处理 7595 7595存在问题： 基建与运行费用高，占地大，剩余污泥产量大，管理麻烦，不能除去氮磷。发展方向：低耗高效处理技术：天然处理 厌氧处理技术深度处理与再生利用技术污泥处理技术传统污水系统的变革（三）工业废水处理根据水质不同、处理程度工艺而异。一般大多以生物处理为主，但常有前处理（调节、气浮除油、中和）根据需要有后处理：混凝、过滤、活性炭吸附重要课题：难降解有机物工业废水的治理技术， 如农药废水、造纸废水、染料废水等。第二章 混凝第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。 pH3 简单的水合铝离子起压缩双电层作用 pH=45 多核羟基络合物起吸附电性中和 pH=6.5-7.5 多核羟基络合物起吸附电性中和；氢氧化铝起吸附架桥、网捕 天然水体一般pH=6.5-7.8三、混凝过程1 凝聚（coagulation）带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或吸附电中和z电位脱稳凝聚，生长成约d=10m 特点：剧烈搅拌，瞬间完成 在混合设备中完成2絮凝（flocculation） 高聚合物的吸附架桥 脱稳胶粒生长成大矾花d=0.6-1.2mm 特点：需要一定时间，搅拌从强弱 在絮凝中设备完成第4节 混凝剂和助凝剂一、混凝剂种类有不少于200300种。分类：无机铝系硫酸铝明矾聚合氯化铝（PAC）聚合硫酸铝（PAS）适宜pH：5.58铁系三氯化铁硫酸亚铁硫酸铁（国内生产少）聚合硫酸铁聚合氯化铁适宜pH：511，但腐蚀性强有机人工合成阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物国外开始增多，国内尚少阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯（PEO）两性型：使用极少天然淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等微生物絮凝剂发展方向：无机复合聚合物混凝剂：聚合硫酸铝铁（PFAS）、聚合氯化铝铁（PFAC）、聚合硫酸氯化铁（PFSC）、聚合硫酸氯化铝（PASC）、聚合铝硅（PASi）、聚合铁硅（PFSi）、聚合硅酸铝（PSA）、聚合硅酸铁（PSF）无机有机复合：聚合铝/铁-聚丙烯酰胺、聚合铝/铁-甲壳素、聚合铝/铁-天然有机高分子、聚合铝/铁-其它合成有机高分子有机高分子絮凝剂：阳离子有机化合物 天然改性高分子絮凝剂：无毒易降解，如甲壳素等 多功能絮凝剂：絮凝、缓蚀阻垢、杀菌灭藻 微生物絮凝剂二、助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。1酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等2 加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂3 氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等第5节 混凝动力学 颗粒间的碰撞是混凝的首要条件混凝动力学一、异向絮凝 由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。颗粒的碰撞速率 Np8/(3nr) KTn2 n：颗粒数量浓度 n：运动粘度凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。Np只与颗粒数量有关，而与颗粒粒径无关。 当颗粒的粒径大于1mm，布朗运动消失。 二、同向絮凝由水力或机械搅拌产生。其理论仍在发展之中。最初的理论基于层流的假定。碰撞速率N04/3 n2 d3 Gd：颗粒粒径GDU/DZ(速度梯度)（相邻两流层的速度增量） 可由水流所耗功率p来计算。ptG t：剪切应力p：单位体积流体所耗功率，W/m3按照牛顿定律 tmG (1/s) (1943年发明的理论，甘布公式)m：动力粘度，Pa sp：水流所耗功率，W/m3水力搅拌时 pVrgQh（由水流本身能量消耗提供）水流体积VQTn：运动粘度，m2/sh：水头损失，mT：水流在混凝设备中的停留时间但存在问题： 层流假设基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算？ 微涡旋理论 G增加碰撞机率增加絮凝效果增加 但破碎程度也增加。 此现象尚未很好从理论上得到描述。三、混凝控制指标用G可以来判断混合和絮凝的程度：混合（凝聚）过程：G7001000s-1，但剧烈搅拌是为尽快分散药剂 时间通常在1030s，一般2min絮凝过程 ：不仅与G有关，还与时间有关。 平均G2070s-1， GT1104105实际设计，采用V和T，反过来校核GT或者平均G最近采用：GTC（建议值100），C：颗粒浓度第6节 混凝影响因素主要包括：水温、水化学特性、杂质性质和浓度、水力条件（前面已有叙述）一、水温低温，混凝效果差，原因是：1） 无机盐水解吸热2） 温度降低，粘度升高布朗运动减弱3） 胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚二、pH及碱度 视混凝剂品种而异。 无机盐水解，造成pH下降，影响水解产物形态。 根据水质、去除对象，最佳pH范围也不同。 需碱度来调整pH，碱度不够时需要投加石灰。三、水中杂质浓度 杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。 对策：1）加高分子助凝剂 2）加粘土 3）投加混凝剂后直接过滤四、混凝效果的评价 烧杯试验（Jar test）第7节 混凝设备一、混凝剂的配制与投配一般采用液体投加的方式。1投配流程： 药剂溶解池溶液池计量设备投加设备混合设备2剂量与投加方式 计量：流量计（转子、电磁）、孔口、计量泵 投加方式：泵前投加，虹吸投加，水射器投加，泵投加3投加量自动控制 最佳投加量：既定水质目标的最小混凝剂投加量 一般采用混凝搅拌试验，确定最佳混凝剂投加量，然后进行人工调节。 自动控制方法：数学模型法：需要大量的生产数据、涉及仪表多 现场模拟试验法：根据试验结果反馈到投药，仍有一定滞后。 流动电流检测器（SCD）：流动电流是指胶体扩散层中反离子在外来作用下随流体流动而产生的电流。 絮凝监测器：利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化二、混合设备水泵混合：投药投加在水泵吸水口或管上。管式混合：管式静态混合器、扩散混合器，混合时间23秒机械混合：搅拌三、絮凝设备隔板絮凝池：由往复式和回转式两种 水头损失由局部水头和沿程水头损失组成。 往复式总