第二章 水的物理化学处理方法ppt课件

.,1,第一节水中粗大颗粒物质的去除,第二章水的物理化学处理方法,一、格栅、筛网和微滤机,（一）格栅（二）筛网（三）微滤机,作用：去除水中粗大物质，保护后续设备。,.,选用栅条间距的原则：不堵塞水泵和水处理厂、站的处理设备。规模、污水性质、后续构筑物,格栅由一组（或多组）相平行的金属栅条与框架组成，倾斜安装在进水的渠道，或进水泵站集水井的进口处，以拦截污水中粗大的悬浮物及杂质。,作用：去除可能堵塞水泵机组及管道阀门的较粗大悬浮物，并保证后续处理设施能正常运行。,水泵机组、曝气器、管道阀门、配水设施，进出水口,格栅的种类,按栅条的间距粗：50-100mm中：10-40mm细:1.5-10mm按清渣方式:人工和机械形状：平面和曲面,.,.,回转式格栅除砂机及栅渣皮带输送机,.,6,.,7,填埋焚烧（820以上）堆肥当有回收利用价值时,可送至粉碎机或破碎机被破碎后再用,格栅、筛网截留的污染物的处置方法：,沉砂池的作用,沉砂池的工作原理,沉砂池的几种形式,二、沉砂池,沉砂池工程设计中的设计原则与主要参数,城市污水厂一般均设置沉砂池，个数或分格数应不小于2；设计流量应按分期建设考虑：最大时流量、最大组合流量、合流制流量沉砂池去除的砂粒相对密度为2.65，粒径为0.2mm以上。城市污水的沉砂量可按每106m3污水沉砂30m3计算，其含水率约为60%，容重约1500kg/m3。贮砂斗的容积应按2d沉砂量计算，贮砂斗壁的倾角不应小于55,排砂管直径不应小于200mm。沉砂池的超高不宜小于0.3m。,.,平流式沉砂池是一种最传统的沉砂池，它构造简单，工作稳定。,1.平流式沉砂池,污水在池内的最大流速为0.3m/s，最小流速为0.15m/s；最大流量时，污水在池内的停留时间不少于30s，一般为3060s；有效水深应不大于1.2m，一般采用0.251.0m，池宽不小于0.6m；池底坡度一般为0.010.02，当设置除砂设备时，可根据除砂设备的要求，考虑池底形状。,平流式沉砂池的系统参数,.,平流沉砂池设计步骤,沉砂部分的长度水流断面积池的总宽度贮砂斗的容积、尺寸,.,3.池总宽度b式中：h2设计有效水深。4.贮砂斗所需容积V式中:X城市污水的沉砂量,一般采用30m3/(106m3污水）;T排砂时间的间隔,d;kz生活污水流量的总变化系数。,平流式沉砂池的计算公式,.,7.池总高度h式中:h1超高，m；h2有效水深,m;h3贮砂斗高度,m。8.核算最小流速vmin式中:qvmin设计最小流量，m3/s；n1最小流量时工作的沉砂池数目;Amin最小流量时沉砂池中的水流断面面积，m2。,平流式沉砂池的计算公式,.,例题,某城市污水最大设计流量0.3m3/s，最小设计流量为0.15m3/s，总变化系数Kz=1.45，请为该污水处理厂设计平流式沉砂池。,.,.,.,.,.,.,曝气沉砂池剖面示意,2.曝气沉砂池,曝气沉砂池的构造,曝气沉砂池是一个长形渠道，沿渠道壁一侧的整个长度上，距池底约6090cm处设置曝气装置；在池底设置沉砂斗，池底有i=0.10.5的坡度，以保证砂粒滑入砂槽；为了使曝气能起到池内回流作用，在必要时可在设置曝气装置的一侧装设挡板。,.,沉砂中含有机物的量低于5%；由于池中设有曝气设备，它还具有预曝气、脱臭、防止污水厌氧分解、除泡以及加速污水中油类的分离等作用。,曝气沉砂池的特点：,水平流速一般取0.080.12m/s。污水在池内的停留时间为24min；雨天最大流量时为13min。如作为预曝气，停留时间为1030min。池的有效水深为23m，池宽与池深比为11.5，池的长宽比可达5，当池长宽比大于5时，应考虑设置横向挡板。曝气沉砂池多采用穿孔管曝气，孔径为2.56.0mm，距池底约为0.60.9m，并应有调节阀门。曝气沉砂池的形状应尽可能不产生偏流和死角，在砂槽上方宜安装纵向挡板，进出口布置，应防止产生短流。曝气量：0.10.2m3/m3污水，或35m3/h.,曝气沉砂池的设计参数,.,曝气沉砂池实景,.,第二节水中悬浮物质和胶体物质的去除,一、沉淀的理论基础,（一）理论基础（四种类型）,（1）自由沉淀：离散颗粒、沉速不变（沉砂池、初沉池前期）（2）絮凝沉淀：絮凝性颗粒，沉速增加（初沉池后期、二沉池中前期、混凝沉淀）（3）拥挤（成层）沉淀：颗粒浓度大，相互间发生干扰，分层（高浊水、二沉池后期）（4）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。（沉淀池污泥斗、污泥浓缩池）,沉淀法是利用水中悬浮颗粒的可沉降性能，在重力作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。,自由沉淀及其理论基础,分析的假定,悬浮颗粒在水中的受力：重力、浮力,重力大于浮力时，下沉；重力等于浮力时，相对静止；重力小于浮力时，上浮。,.,1.悬浮颗粒在水中受到的力FgFg是促使沉淀的作用力，是颗粒的重力与水的浮力之差：式中：Fg水中颗粒受到的作用力；V颗粒的体积；S颗粒的密度；L水的密度；g重力加速度。,悬浮颗粒在水中的受力分析,球状颗粒自由沉淀的沉速公式,当颗粒所受外力平衡时，,得球状颗粒自由沉淀的沉速公式：,当颗粒粒径较小、沉速小、颗粒沉降过程中其周围的绕流速度亦小时，颗粒主要受水的黏滞阻力作用，惯性力可以忽略不计，颗粒运动是处于层流状态。在层流状态下，CD=24/Re，Re（雷诺数）=lud/带入式中，整理得自由颗粒在静水中的运动公式（亦称斯托克斯定律）：,式中:水的动力黏度。,由上式可知，颗粒沉降速度us与下述因素有关：,斯托克斯定律:,当s大于L时，s-L为正值，颗粒以us下沉；当s与L相等时，u=0，颗粒在水中呈悬浮状态，这种颗粒不能用沉淀去除；s小于L时，s-L为负值，颗粒以us上浮，可用浮上法去除。u与颗粒直径d的平方成正比，因此增加颗粒直径有助于提高沉淀速度（或上浮速度），提高去除效果。us与成反比，随水温上升而下降；即沉速受水温影响，水温上升，沉速增大。,.,沉淀池的工作原理,理想沉淀池理论,分为：进口区域、沉淀区域、出口区域、污泥区域四个部分,.,沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为v；悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为u；在沉淀池的进口区域，水流中的悬浮颗粒均匀分布在整个过水断面上；颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。,理想沉淀池的几个假定：,由上述假定得到的悬浮颗粒自由沉降迹线：,式中：v颗粒的水平分速；qv进水流量；A沉淀区过水断面面积，Hb；H沉淀区的水深；b沉淀区宽度。,当某一颗粒进入沉淀池后,.,设u0为某一指定颗粒的最小沉降速度。当颗粒沉速uu0时，无论这种颗粒处于进口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除，即左上图中的迹线xy与xy。当颗粒沉速uu0时，位于水面的颗粒不能沉到池底，会随水流出，如左下图中轨迹xy所示；而当其位于水面下的某一位置时，它可以沉到池底而被去除，如图中轨迹xy所示。说明对于沉速u小于指定颗粒沉速u0的颗粒，有一部分会沉到池底被去除。,.,上页图的运动迹线中的相似三角形存在着如下的关系：将上式带入式中并简化后得出qv/A反映沉淀池效力的参数，一般称为沉淀池的表面负荷率，或称沉淀池的过流率，用符号q表示：理想沉淀池中，u0与q在数值上相同，但它们的物理概念不同：u0的单位是m/h；q表示单位面积的沉淀池在单位时间内通过的流量，单位是m3/（m2h）。故只要确定颗粒的最小沉速u0，就可以求得理想沉淀池的过流率或表面负荷率。,.,重要结论,理想沉淀池的沉淀效率与池的水面面积A有关，与池深H无关，即与池的体积V无关。理想沉淀池中，u0与q在数值上相同，但它们的物理概念不同，只要确定颗粒的最小沉速u0，就可以求得表面负荷率。,总去除率：,对于沉淀时间t0，沉速u0,t0时刻,沉速u颗粒去除率：,1,2,3,4,.,43,2、絮凝沉降,在沉淀过程中，颗粒变大，沉速变大。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，只能通过沉淀试验模拟沉淀效果。,沉淀柱高度实际沉淀池深度1）在时间ti，不同深度测2)计算各时间各深度处的颗粒去除百分率3）绘制去除百分率等值线,0.3,0.5,1.0,1.5,20%,30%,40%,50%,60%,70%,0,t,.,44,3、拥挤（成层）沉降和压缩沉降,.,45,4理想沉淀池,1）进口区域，悬浮颗粒均匀分布在整个过水断面上。2）水流水平流动，在过水断面上，各点流速相等，水平流速为v。3）悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，速度为u。4）颗粒到底就被去除。,假定：,沉淀池,.,沉淀池,沉淀池三种流态,平流式,竖流式,辐流式,.,沉淀池特点与适用条件,.,平流式沉淀池,.,进水区有整流措施，保证入流污水均匀稳定地进入沉淀池。出水区设出水堰，控制沉淀池内的水面高度，保证沉淀池内水流的均匀分布。锯齿形三角堰应用最普遍，水面宜位于齿高的1/2处.为适应水流的变化或构筑物的不均匀沉降，在堰口处需要设置能使堰板上下移动的调节装置，使出口堰口尽可能水平。堰前应设置挡板，以阻拦漂浮物，或设置浮渣收集和排除装置。多斗式沉淀池，不设置机械刮泥设备。每个贮泥斗单独设置排泥管，各自独立排泥，互不干扰，保证沉泥的浓度。,平流式沉淀池的构造及工作特点,.,平流沉淀池的构造及工作特点,.,平流式沉淀池的构造及工作特点（进水）,.,平流式沉淀池的构造及工作特点（出水）,.,.,.,.,3.沉淀区有效容积V1或4.沉淀池长度L式中：v最大设计流量时的水平流速,mm/s;一般不大于5mm/s。5.沉淀池总宽度b,平流式沉淀池的设计,.,7.污泥区容积对于生活污水，污泥区的总容积V：式中：S每人每日的污泥量，L/(d人),可参考教材表10-8；N设计人口数，人；T污泥贮存时间，d。,平流式沉淀池的设计,.,平流式沉淀池的设计,9.污泥斗的容积V1式中:S1污泥斗的上口面积,m2；S2污泥斗的下口面积，m2。10.污泥斗以上梯形部分污泥容积V2式中：L1梯形上底边长,m；L2梯形上底边长，m。,平流沉淀池设计实例,某城市污水处理厂日均流量为0.2m3/s，设计人口100，0000人，沉淀时间1.5h，采用机械刮泥，求平流沉淀池的各部分尺寸。根据实际废水特征和设计经验参数设：表面负荷q=2m3/m2.h1、池表面积A=360m22、池有效水深h2=3.0m3、沉淀区的有效容积V=Qt3600=1080m3,4、沉淀池长度L=vt3.6=20m(设水平流速为3.7mm/s2511、总高度：H=6.82m(设缓冲层高度0.5m）,.,辐流式沉淀池,.,辐流式沉淀池是一种大型沉淀池，池径可达100m,池周水深1.53.0m。有中心进水、周边进水、周进周出、旋转臂配水等几种形式。沉淀与池底的污泥一般采用刮泥机刮除，对辐流式沉淀池而言，目前常用的刮泥机械有中心传动式刮泥机和吸泥机以及周边传动式的刮泥机与吸泥机等。,辐流式沉淀池的构造及特点,.,设计一般规定,池子的直径与有效水深之比一般为6-12池子的直径一般大于16m池底坡度0.05-0.10中心筒穿孔率10%-20%周边进水设计表面负荷应是中心进水的1倍,.,中心进水周边出水辐流式沉淀池示意图,进水,出水,排泥,.,辐流式沉淀池刮泥机中心移动系统,.,68,.,69,.,70,.,71,（三）斜流式沉淀池,1.原理,沉淀效率ui=Q/A在原体积不变时，加大A，可以提高效率；,t=H/u0减小H/n，池长可缩短为1/n，可以提高效率。,.,72,2.构造,.,73,二、混凝,（一）混凝过程的理论基础,去除的是胶体及部分细小的悬浮物。范围在：1nm0.1m混凝目的：使胶体脱稳，凝聚生长成大矾花。水处理中主要杂质：粘土（50nm-4m）细菌（0.2m-80m）病毒（10nm-300nm）蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸,胶体的稳定性:动力学稳定性：布朗运动对抗重力。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。,总电位一定，扩散层越厚，电位越高。电位越高，斥力越大，胶粒越稳定。,（1）压缩双电层：距离近范德华引力占优，远则库仑斥力占优,电解质加入与反离子同电荷离子与反离子交换或挤入，使胶粒带电荷数电位压缩双电层稳定性凝聚,.,75,（2）吸附电中和,（3）吸附架桥,（4）网捕作用,胶粒为晶核,.,76,1、铝盐和铁盐混凝剂,（二）混凝剂、助凝剂及其作用,.,77,2、有机合成高分子絮凝剂,3、助凝剂,.,78,（三）混合和反应设备,1、混凝剂的配制和投配2、混合（2min）设备3、反应（10-30min）设备,.,79,（机械搅拌）,（水力搅拌）,速度梯度,甘布（TRCamp）斯泰因（PCStein）,公式：,.,80,.,81,三、澄清,（一）机械加速澄清池（二）水力循环澄清池（三）悬浮澄清池（四）脉冲澄清池,泥渣循环分离型：,悬浮泥渣过滤型：,.,82,.,83,四、过滤,1、阻力截留2、重力沉降3、接触絮凝滤池类型：按滤料种类（单层、双层）、作用水头（重力式、压力）、过滤速度（慢、快）、进出水及反洗水的供给与排除方式（普通快滤池、虹吸滤池、无阀滤池）等分类,（一）过滤机理,粒状介质过滤使用场合,悬浮物粒径越大滤料和滤速越小,滤料越小，沉降面积越大滤速越小，水流越平稳,吸附正电离子，形成正电荷薄膜胶体接触碰撞的媒介，促其凝聚,.,84,1、快滤池的基本构造和过滤工艺过程（过滤和反洗2个阶段）,（二）普通快滤池,过滤进水,过滤出水,反冲洗进水,反冲洗出水,.,85,2、滤料和垫层结构,滤料需满足的要求滤料的性能指标,有效直径（d1010%通过）和不均匀系数（d80/d10）滤料的纳污能力（kg/m3）滤料的孔隙率（0.4）和比表面积,机械强度化学稳定适宜的级配和足够的孔隙率,.,86,3.过滤时的水头损失,.,87,4.滤速、滤池总表面积及滤池数的确定,5.快滤池的反冲洗,单位面积滤料体积不变：,滤层高度,孔隙率,.,88,6.配水系统,小阻力配水系统,管式大阻力配水系统,.,89,（三）虹吸滤池,虹吸控制,.,90,（四）重力式无阀滤池,.,91,（五）压力滤池,.,92,五、气浮,（一）气浮理论基础,定义气浮分离的对象药剂浮选法,界面能,界面张力，N/m,界面面积，m2,界面能有降低到最小的趋势。,接触角,90亲水性物质90疏水性物质,对着水的角,.,93,气泡与颗粒附着前,附着后：,减小值：,平衡时界面张力,减小值：,0，E0，不能吸附。180，E2LG，易吸附。,浮选剂的极性基团能选择性的吸附亲水性物质，而非极性基团则朝向水。,.,94,（二）气浮设备,加压溶气气浮叶轮气浮曝气气浮和射流气浮电解气浮（第五节）用途气浮法的优点和缺点,.,95,第三节水中溶解物质的去除,一、水的软化和除盐,去除水中溶解物质的方法主要有软化除盐、离子交换、吸附和膜分离等。,（一）软化：降低水中Ca2、Mg2的含量，以防止它们在管道和设备中结垢。基本方法：加热软化法；药剂软化法；离子交换法（二）除盐：减少水中溶解盐类（包括各种阳离子和阴离子）的总量。基本方法：蒸馏法；电渗析法；反渗透法；离子交换法,.,实质：是不溶性离子化合物（离子交换剂）上的可交换离子与溶液中的其他同性离子之间的交换反应。是一种特殊的吸附过程，通常称为离子交换吸附。（一）离子交换剂：磺化煤和离子交换树脂（二）离子交换树脂的性质：离子交换树脂的物理性能指标：粒度、密度、含水率、溶胀性、机械强度、耐热性等；离子交换树脂的化学性能指标：交联度、酸碱性、离子交换选择性、交换容量等。（三）离子交换的工艺及其应用离子交换的工艺与操作：操作步骤：交换反洗再生清洗离子交换法在给水处理中的应用：主要用于水质软化与除盐。软化应用：采用Na型阳离子交换柱固定型单床，原水（硬水）通过交换柱后，水中Ca2、Mg2被交换去除，转化为Na十盐，使水得到软化。除盐应用：水的除盐则需用H型阳离子交换柱与OH型阴离子交换柱串联工艺，当原水（含盐水）通过阳离子交换柱时，各金属离子M被H交换去除，其出水pH显酸性，再通过阴离子交换柱时，水中的各类酸根A被OH交换去除，出水即得到脱盐。离子交换法在废水处理中的应用：应用于含重金属废水的处理与金属回收方面。,二、离子交换法用于去除废水中的金属离子,.,三、吸附主要用于去除溶解性的有机物质。此外还能除去合成洗涤剂、微生物、病毒和痕量重金属等，并能脱色、除臭。（一）吸附类型物理吸附：吸附剂和吸附质之间通过分子间作用力（范德华力）产生的吸附。低温，无选择性，多层吸附，可逆化学吸附：吸附剂和吸附质之间发生化学作用而产生的吸附，是由化学键力引起高温，有选择性，单层吸附，不可逆吸附过程（吸附速度）：颗粒外部扩散（膜扩散）：溶液浓度颗粒外表面积搅拌程度颗粒内部扩散：细孔和污染物质颗粒相对大小吸附反应阶段（速度快）,.,（二）吸附剂活性炭、磺化煤、活化煤、沸石、活性白土、硅藻土、焦炭、木炭、木屑等。活性炭小孔的表面积占比表面积的95%以上。吸附量主要受小孔支配。（三）吸附平衡和吸附等温线吸附平衡：当吸附速度和解吸速度相等，即单位时间内吸附的数量等于解吸的数量时，吸附质在吸附剂表面的浓度与在溶液中的浓度都不再改变。吸附量：就是吸附平衡时单位质量吸附剂上所吸附的吸附质的质量。测定方法：公式（2-91）吸附等温线：在一定温度下，活性炭与被处理的水接触并达到平衡时，吸附质在溶液中的浓度和活性炭吸附量之间的关系曲线。有代表性类型为：Langmuir型、BET型和Freundlich型。,.,99,穿透点,吸附终点,.,100,四、膜分离技术膜分离法是用一种特殊的半透膜将溶液隔开，使一侧溶液中的某种溶质透过膜或者溶剂（水）渗透出来，从而达到分离溶质的目的。根据膜种类的不同和推动力的不同，膜分离法可分为不同的过程见下表。优点：可在一般温度下操作、没有相的变化、设备可工厂化生产、容易操作等；缺点：需要消耗相当的能量（扩散渗析除外），处理能力较小。1、电渗析：原理：应用：海水和苦咸水（盐度小于10gL）的淡化是电渗析最主要的用途。2、反渗透：原理：应用：反渗透工艺已在海水及苦咸水淡化、饮用水处理、高纯水制备等给水领域得到了较多的应用。在电镀、食品工业等废水处理方面也有应用。3、微滤、超滤和纳滤微滤技术适合于去除胶体、悬浮固体和细菌；超滤能去除相对分子质量大于l000100000的物质；纳滤也称为低级反渗透，可分离相对分子质量大于200400的物质。4、液膜分离技术原理：应用:含酚废水的处理；含NH3废水的处理；含重金属废水的处理,.,101,.,102,.,103,第四节水中有害微生物的去除一、概述水的消毒：目的是杀死水中的病原细菌和其他对人体健康有害的微生物。水消毒的方法：水煮沸、氯消毒、臭氧消毒、二氧化氯消毒和紫外线消毒等。二、氯消毒（一）氯的性质1.氯与水的作用氯气溶于水后发生水解反应（HOCl作用）2.氯与氨的作用氯和次氯酸极易与氨化合成各种氯胺3.氯与其他杂质的作用氯与水中其他还原性物质起化学作用，如Fe2、Mn2、N02、S2等无机性还原物质以及一些有机性还原物质。（二）余氯及其分类消毒效果与氯的剂量和接触时间有关（加氯30min后，游离性余氯0.3，末梢0.05）游离性余氯（自由性余氯）：Cl2、H0Cl、OCl化合性余氯：NH2Cl、NHCl2及其他氯胺化合物二者之和是总余氯。3、需氯量：就是指在一定的条件（如温度、pH、接触时间等）下，单位体积水样中所投加的氯量与为达到预期氯化结果所需的剩余氯量之差，即需氯量加氯量余氯量。,原水游离氨0.3mg/L,折点后加氯,原水游离氨0.5mg/L,峰点前加氯,加氯1-2mg/L,常规加氯量,.,104,.,105,.,三、其他消毒法,1.加热消毒2.紫外线消毒细菌受紫外线照射后，紫外光谱的能量为细菌的重要组成部分核酸所吸收，使核酸的结构破坏。,（一）物理消毒法,臭氧能氧化水中的有机物，可用于去除水中的铁、锰，并能去除嗅、味和色度。臭氧还能完全去除水中的酚。,（二）臭氧消毒,细菌和病毒的蛋白质胨外膜吸附了ClO2，渗透进入细胞内，有效地氧化破坏含巯基的酶，抑制了生长。,（三）二氧化氯消毒,1.重金属消毒2.其他氧化剂消毒：卤素如溴和碘以及高锰酸钾等氧化剂,（四）其他化学消毒法,（五）各种消毒法的结合使用,.,一、中和法酸、碱废水中和法氯气溶于水后发生水解反应类型药剂中和法氯和次氯酸极易与氨化合成各种氯胺过滤中和法重力式中和滤池、升流式膨胀滤池、变速膨胀滤池和滚筒中和滤池。,第五节水的其他物理化学处理方法,.,通过化学或物理化学的方法将污水中的污染物直接氧化成无机物，或将其转化为低毒的易生物降解的中间产物。（一）臭氧氧化技术反应类型：臭氧分子的直接反应；臭氧转化为羟基自由基的链式反应（二）过氧化氢氧化技术应用：去除废水中的氰化物；将地下水中的铁和锰氧化为不溶于水的氢氧化物，再通过沉淀而得以去除；在废水好氧生物处理中可以促进处理效果；用于含有亚硫酸盐和银离子的光化学废水处理；应用于废水脱硫除臭、去除纺织品漂白废水中的剩余次氯酸盐等方面。（三）光化学氧化技术是利用光和催化剂或氧化剂产生很强的氧化作用来氧化分解废水中有机物和无机物的一种方法。最常用的催化剂是Ti02，氧化剂有臭氧、氯、次氯酸盐、过氧化氢及空气等，光源多用紫外灯。（四）湿式氧化技术（WAO）和超临界氧化技术（SCWO）湿式氧化技术是在高温、高压下，利用氧气或空气中的氧将废水中的有机物氧化成CO2和H20，从而达到去除污染物的目的。条件：温度150350，压力2l5MPa，停留时间15120min。应用：处理焦化废水、化工废水、染料中间体废水和农药废水等，COD去除率可达9599。（五）组合高级氧