环境工程学-水的物理化学处理法

水的物理化学处理法,第二章,第一节水中粗大颗粒物的去除,1格栅、筛网、微滤机（见操作图）2沉砂池,去除对象,天然水体及废水中含有的较大的悬浮物或漂浮物,作用,防止水泵叶轮缠绕，管路堵塞；保证后续处理设施正常运行,格栅,自动机械格栅,钢丝绳牵引格栅,WG型机械格栅,弧形格栅除污机,进水泵房格栅除污机,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。,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。,格栅,格栅所截留的污染物数量与地区的情况、污水沟道系统的类型，污水流量以及栅条的间距等因素有关，可参考的一些数据：,当栅条间距为1625mm时，栅渣截留量为0.100.05m3/103m3污水；当栅条间距为40mm左右时，栅渣截留量为0.030.01m3/103m3污水；栅渣的含水率约为80%，密度约为960kg/m3。,格栅,格栅的类型,按清渣方式来分,格栅的类型,按栅条净间隙e来分,人工清理格栅,一般采用直钢条平行焊制而成，栅条间距2540mm，每m3污水截污量0.0010.003m3；安装倾角4560；格栅间应设置操作平台,机械格栅,大型污水处理厂、污水、雨水提升泵站前设置机械格栅，栅条间距180mm均有，每m3污水截污量0.0050.01m3；安装倾角6080，有时90；格栅间应设置操作平台。常用的机械格栅有GH型链式旋转格栅除污机、HF型回转式固液分离机、背耙式格栅除污机、高链式格栅除污机、CGC型垂直格栅除污机、GC型移动式伸缩臂格栅除污机等等,XG型旋转式格栅除污机,XG型旋转式格栅除污机,格栅的设计参数,栅前渠道流速：0.40.9m/s过栅流速：0.61.0m/s过栅水头损失：0.080.15m格栅倾角：4575渐扩部位展开角1：20,格栅的设计参数,1、格栅的间隙数n2、格栅的建筑宽度B3、栅后槽的总高度H4、格栅的总建筑长度L5、每日栅渣量的计算,筛网,一、作用去除细小难沉、不易被格栅去除的纤维类杂质。二、筛网类型振动筛：利用机械振动使细小悬浮物从水中分离。水力筛：利用进水动力使筛网转动。,它由振动筛网和固定筛网组成。污水通过振动筛网时，悬浮物等杂质被留在振动筛上，并通过振动作用卸固定筛网上，以进行进一步的脱水。,振动筛网,沉砂池的作用,沉砂池的工作原理,沉砂池的几种型式,沉砂池,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，并且沉砂池的只数或分格数应不小于2；工业污水是否要设置沉砂池，应根据水质情况而定。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比重为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2日沉砂量计算，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,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,1.长度L式中：v-最大设计流量时的速度，m/s;t-最大设计流量时的停留时间，s。2.水流断面面积A式中：qvmax-最大设计流量，m3/s。,3.池总宽度b式中：h2-设计有效水深，m。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,曝气沉砂池,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、除泡作用以及加速污水中油类的分离等作用。,曝气沉砂池的特点：,曝气沉砂池是一个长型渠道，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。,曝气沉砂池的构造：,曝气沉砂池剖面图,沉砂池,污水在池中存在着两种运动形式，其一为水平流动（一般流速0.1m/s），同时在池的横断面上产生旋转流动（旋转流速0.4m/s），整个池内水流产生螺旋状前进的流动形式。由于曝气以及水流的螺旋旋转作用，污水中悬浮颗粒相互碰撞、摩擦、并受到气泡上升时的冲刷作用，使粘附在砂粒上的有机污染物得以去除，沉于池底的砂粒较为纯净，有机物含量只有5%左右，长期搁置也不至于腐化。,曝气沉砂池的工作原理,水平流速一般取0.080.12m/s；污水在池内的停留时间为46min；当雨天最大流量时为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。,曝气沉砂池的设计参数：,其它旋流沉砂池,钟氏沉砂池设计,DOER沉砂池,第二节水中悬浮物和胶体物质的去除,1沉淀2混凝3澄清(自学)4过滤5气浮,沉淀,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。,沉淀处理工艺的四种用法（用途）,进水,出水,平流式沉淀池的流态,设有链带式刮泥机械的平流式沉淀池,竖流式沉淀池,竖流式沉淀池,辐流式沉淀池,辐流式沉淀池,辐流式沉淀池剖面,沉淀池应用,平流式池，构造简单，沉淀效果较好，但占地面积大，排泥问题较多，目前大、中、小型废水处理厂均采用；竖流式池，占地面积小，排泥较方便，且便于管理，然而池深过大，施工困难，使池的直径受到了限制，因此一般仅适用于中小型废水处理厂使用；辐流式池，最适宜于大型水处理厂，有定型的排泥机械，运行效果较好，但要求较高的施工质量和管理水平。,沉淀池的配水,特殊沉淀池-斜板沉淀池,浅池沉淀理论,缩短高度、增大面积，缩短沉淀时间=H/u,浅池沉淀理论,以平流式理想沉淀池为例,截留速度：,水平流速：,式中：q0表面负荷率或过流率，m3/m2h,浅池沉淀理论,理想沉淀池公式u0=Q/A,Q不变，增大A，可以减小u0，增加沉淀效率,t=H/u0，则H减小，u0不变，可以缩短时间，减少体积,浅池沉淀理论,若原沉淀池高度为H，颗粒截留速度为u0，停留时间为t=H/u0。当沉淀池高度变为原来的1/n时，则：,该式说明：采用浅池原理设计的沉淀池可大大缩短停留时间。实践中，采用浅池原理设计的沉淀池有斜板、斜管沉淀池,浅池沉淀理论,根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉淀可分成四种类型,3沉淀类型,初沉池中后期,区域沉淀,高500mg/L,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。,配图说明,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。,2.根据牛顿定律，水对自由颗粒的阻力为：式中：FD-水对颗粒的阻力；-阻力系数；A-自由颗粒的投影面积；uS-颗粒在水中的运动速度，即颗粒沉速。,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，,即,因,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，颗粒主要受水的粘滞阻力作用，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，=24/Re，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）：,是水的动力粘度。,2.讨论d，u提高沉淀效率；，T，有利于沉淀。,混凝,化学混凝所处理的对象，主要是水中的微小悬浮物和胶体杂质。,大颗的悬浮物由于受重力的作用而下沉，可以用沉淀等方法除去。,但是，微小粒径的悬浮物和胶体，能在水中长期保持分散悬浮状态，即使静置数十小时以上，也不会自然沉降。这是由于胶体微粒及细微悬浮颗粒具有“稳定性”。,混凝机理,1基本概念混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。混凝过程涉及：水中胶体的性质；混凝剂在水中的水解；胶体与混凝剂的相互作用。,分散体系,两种以上的物质混合在一起组成的体系为分散体系。其中被分散的物质为分散相，分散相周围连续的物质为分散介质。分散体系按溶质的尺度来分，可分为三类：真溶液d1m,胶体的基本特性,1光学特性:丁达尔效应（即光的散射）2布朗运动:3表面性能:4电学性质:a电泳现象：胶体在电场作用下的定向运动。+粘土、细菌、蛋白质负电-Al(OH)3颗粒，Fe(OH)3颗粒正电,b电渗现象：液体在电场中透过多孔性固体的现象（与电泳相反）。c动电现象：胶体溶液系统内固相与液相之间产生的相对移动。,胶体颗粒带电的原因,1胶体颗粒表面对溶液中离子的吸附:选择性有共同成分的离子。,2胶体颗粒表面的溶解:胶体表面与水反应，生成的化合物离解出正、负离子，微粒吸附了其中的一种离子而带电。如粘土颗粒,3胶体表面电离：如蛋白质,胶团的结构,双电层（内、外层）,吸附层（固定层）,滑动面,带电,中性,1、胶核：胶体分子聚合而成的微粒2、电位形成离子：胶核表面吸附的某种离子3、反离子：与电位形成离子具有相反电荷的离子，受到两种力的作用静电引力靠近带电微粒热运动扩散作用和溶剂化作用均匀分散,双电层与电位,双电层与电位,4、双电层：指胶核表面吸附的阴、阳离子层。5、吸附层：胶核表面吸附的电位形成离子与部分反离子组成吸附层。这部分反离子紧附在固体表面随微粒移动，称为束缚反离子。6、扩散层：另一部分反离子由于热运动和液体的溶剂化作用而向外扩散，当微粒运动时，与固体表面脱开而与液体一起运动，形成扩散层，称为自由反离子。,7、胶团：胶核与吸附层称为胶粒，胶粒与扩散层一道称胶团。胶粒是带电的，而胶团是电中性的。8、滑动界面:微粒运动时，扩散层中大部分离子被脱开，形成滑动界面，最紧的滑动界面就是吸附层外边界。,9、电位:胶体在滑动时，由于反离子缺失，使胶粒产生剩余电荷，从而胶粒与扩散层之间形成电位差，称为胶体的电动电位，叫电位。,电位产生静电斥力，防止胶粒相互碰撞和结合，使胶体呈现稳定性。电位越高，稳定性越强。,胶体的稳定性的定义,胶体溶液不断保持分散的悬浮状态的特性,引力（范德华力）,斥力（库仑力）,合力,距离近：引力占优势，胶体脱稳距离远：斥力占优势，胶体稳定,脱稳机理压缩双电层,投加电解质，增大反离子浓度，这些反离子与扩散层中的反离子发生交换，进而挤入滑动面和吸附层，使胶粒所带电荷数减少，电位降低。这种作用叫压缩双电层。电位等于0时称为等电点，此时胶团尺寸最小，最易脱稳。,脱稳机理压缩双电层,双电层（内、外层）,吸附层（固定层）,加入电解质,带电减少,+,+,电位降低,脱稳机理压缩双电层,压缩双电层作用是阐明胶体凝聚的一个重要理论。它特别适用于无机盐混凝剂所提供的简单离子的情况。但是，如仅用双电层作用原理来解释水中的混凝现象，会产生一些矛盾。例如，三价铝盐或铁盐棍凝剂投量过多时效果反而下降，水中的胶粒又会重新获得稳定。又如在等电状态下，混凝效果似应最好，但生产实践却表明，混凝效果最佳时的电位常大于零。于是提出了以下几种作用。,脱稳机理吸附电性中和,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，来降低电位。其特点是：当药剂投加量过多时，电位可反号。,脱稳机理吸附电性中和,脱稳机理吸附架桥,两个大的同号胶粒间由于异号胶粒而连接起来；高分子物质与胶粒的吸附与桥连。适用：非离子型或带同号电荷的离子型高分子絮凝剂的混凝。（如图所示）,脱稳机理吸附架桥,脱稳机理吸附架桥,三价铝盐或铁盐以及其他高分子棍凝剂溶于水后，经水解和缩聚反应形成高分子聚合物，具有线性结构。这类高分子物质可被胶体微粒所强烈吸附。因其线性长度较大当它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐结大，形成肉眼可见的粗大絮凝体。这种由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的过程，称为絮凝,所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。,脱稳机理网捕或卷扫,水中胶粒被混凝剂形成的絮状沉淀物所网捕，胶粒本身也可作为沉淀物形成的核心。,脱稳机理网捕或卷扫,三价铝盐或铁盐等水解而生成沉淀物。这些沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体等微粒，使胶体粘结。,脱稳机理总结,对于不同类型的棍凝剂，压缩双电层作用和吸附架桥作用所起的作用程度并不相同。对高分子混凝剂特别是有机高分子混凝剂，吸附架桥可能起主要作用；对硫酸铝等无机混凝剂，压缩双电层作用和吸附架桥作用以及网捕作用都具有重要作用。,脱稳机理总结,上述三种作用产生的微粒凝结理象凝聚和絮凝总称为混凝。当混凝剂加量大时,混凝剂相互之间会有影响，使上述三种作用能力发生变化，但不都是作用力加强，大于它的最佳投药量时，再投加混凝剂反而效果会降低。,混凝的主要目的,改变水中细小颗粒（含液体颗粒）的特性，为进一步去除颗粒提供条件；使某些溶解性物质转变为不溶性物质。经混凝后进一步处理(分离)的措施有：沉淀混凝是支配沉淀效果的主要因素气浮要求颗粒有一定尺度，使气泡能够附着直接过滤脱稳，去除大颗粒更为有效,混凝剂,混凝剂应符合以下要求：混凝效果好；对人体无危害；使用方便；货源充足，价格低廉。目前混凝剂的种类有不少于200300种，分为无机与有机两大系列。,常用的混凝剂,助凝剂,助凝剂：凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。广义上可分为以下几类：酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等；加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸（SiO2nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂；氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等。,混凝剂铝盐,在水中Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)3、Al(OH)4-等简单成分以及多种聚合离子，如(Al(OH)144+、A17(OH)174+、Al8(OH)204+、Al13(OH)345+等成分，都会同时出现，它们必然会对混凝过程起作用。中高价的聚合正价离子对中和粘土胶粒的负电荷，以及压缩其双电层的能力都很大，促进了混凝.,混凝剂铝盐,不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量、pH、温度等。实际上，几种可能同时存在。pH8.5和水中有足够溶解氧时，才能迅速形成Fe3+。高分子混凝剂受影响较小,影响混凝的主要因素杂质,杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。可采取的对策有：加高分子助凝剂；加粘土投加混凝剂后直接过滤污水中悬浮物多时，需要投加较多的混凝剂才有混凝效果。,过滤,定义和作用,过滤是使含悬浮物的废水流过具有一定孔隙率的过滤介质，水中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去。,作用是降低水的浊度，去除悬浮和脱稳的胶体颗粒物(包括菌、病毒，有机物等),发展早期慢滤池,滤料尺寸：0.150.35mm、滤速：0.030.1mm/s、工作周期：几周至数月净化机理机械隔滤(滤膜、孔隙小)滤膜中的生化作用清洗方式：刮除表层滤料特点出水水质好，生产效率低，仅在表层几厘米滤层中纳污。,发展快滤池,滤料尺度0.52.0mm滤速1.53.0mm/s工作周期十几小时至几天清洗方式：反冲洗净化机理：阻力截留、重力沉降、接触絮凝（主要）,过滤机理,1、阻力截留：滤料粒径下大上小，孔隙也下大上小，造成表层滤料截留杂质多。由于表层滤料筛滤的结果，堵塞严重，有时形成滤膜，起到截污的能力。,悬浮物粒径越大、表层滤料直径越小、滤速越小，则滤膜的截污能力越强。,过滤机理,2、重力沉降：滤料中间的孔隙提供的沉淀空间。,滤料越小、沉降面积越大、滤速越小，利于沉降,过滤机理,3、接触絮凝：滤料与悬浮物之间的物理吸附作用。,滤料表面吸附正电荷后形成薄膜，与带负电荷的悬浮物之间接触絮凝。,过滤机理,对于粒径较大的悬浮物，以阻力截留为主，称为表面过滤,对于粒径较小的悬浮物，以重力沉降和接触絮凝为主，称为深层过滤,滤层成熟期出水浊度变化,过滤废水（初滤水）的评估,研究发现：过滤中初期的囊胞浓度是经过改善期以后浓度的1025倍，即便是在初期的浊度改善至小于0.1ntu。重视初滤水的原因：由于原生动物囊胞导致的Giardiasis和Cryptosporidiosis爆发病例越来越多，这些囊胞或卵囊对氯消毒有很强的忍耐性。考虑到相对这些原生动物病原体的低消毒剂量，现在强烈推荐对“初滤水阶段”作出相应的规定。,快滤池构造,1、构造：常为钢筋混凝土池子，包括进、出水渠、洗砂排水槽、滤料层、承托层、配水系统等几个部分；管廊内主要是浑水进水、清水出水、冲洗来水、冲洗排水等几种管道及相应的控制阀门。2、工作过程：包括过滤与反冲洗两个过程（见图）,快滤池,快滤池,快滤池,快滤池,2.工作过程由过滤与反冲洗两部分组成。3.滤速滤速是指单位时间、单位过滤面积上的过滤水量，单位为m3/（m2h）或m/h。4.工作周期从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池的工作周期。滤池的工作周期为1224h。,过滤的一些概念,过滤过程,接触凝聚附着与絮凝体的表面特性、吸附强度有关。过滤开始时，由于孔隙大、流速小，杂质主要集中在表层水力冲刷脱落由于流速作用。随着杂质积累、阻塞孔隙，流速增大，使部分颗粒被冲刷、脱落，杂质向下推移，下层滤层的作用逐渐发挥。,滤料粒径下大上小，孔隙也下大上小，造成表层滤料截留杂质多。由于表层滤料筛滤的结果，堵塞严重，有时形成滤膜，使过滤阻力剧增。当受力不均时，造成裂缝，局部阻力突然减小，杂质穿透，水质恶化。杂质在滤层中的分布。,滤料,双层滤料的截污能力明显大于单层滤料,单滤料滤池和多层滤池的比较,单层细滤料滤池：多数的固体被截留在砂床表面的几英寸，滤床的整个深度没有充分的利用。双层滤料滤池：固体可以进入滤层的深处，比单层细滤料滤池的水头损失小。三层滤料滤池：初始清洁水头损失和固体截留率较高，过滤周期短，滤后水水质最优。,单滤料滤池和多层滤池的比较,Typesofmedia石英砂无烟煤石榴石钛铁矿粒状活性炭(GAC)*,过滤作用,过滤和吸附作用,单滤料滤池和多层滤池的比较,过滤中阻力的变化,滤速：过滤过程中，水在滤料中的经过速度。通常为变水头的等速过滤（无阀滤池与虹吸滤池）或恒定水头的变速过滤（普通滤池）,过滤中阻力的变化,等速过滤：过滤过程中，过滤的流量或滤速始终保持不变。过滤过程中水头由大到小,变速过滤：随过滤时间的增加，滤速逐渐减小的过滤称为变速过滤。变速过滤中过滤水头基本保持不变，普通快滤池属于此类型。,变速过滤中阻力的变化,等速过滤中阻力的变化,2）过滤过程中水头损失的增加试验证明：a.水头损失与过滤时间成正比b.水头损失与滤速直接相关。3）滤层中水头损失的分布,流经滤层的，随时间增加,流经垫层和集水层的，不变,流经控制阀的，可调,出水管内的，与管相关,剩余水头,过滤过程Ht逐渐增加，为使h2不变，可开大出水阀，使h1减小。,过滤结束时，出水阀门开到最大，h1最小，继续过滤时，h2会逐渐减小，不再出水，进入反冲,反冲洗,1、冲洗目的：恢复滤池的工作能力2、冲洗方法1）反冲洗：水流自下而上冲洗，与过滤方向相反2）反冲洗+表面冲洗3）反冲洗+空气助冲,反冲洗,空气辅助冲洗的优点：覆盖矩形滤池的整个面积，使用于任何尺寸的滤池；搅动整个滤池深度，即可以搅动双层和多层滤池的交界处，可以触及沉到滤层深处的泥球。空气辅助冲洗的缺点：需要单独的鼓风机和管道系统；有可能流失滤料，尤其是在溢流同时进行气水反冲；如果空气和水同时穿过砾石，承托层移动的可能性更大，可能需要特殊设计的砾石层。,3、冲洗强度q：单位面积滤层上通过的反冲洗水量（l/s.m2）4、滤层膨胀率e：滤层经反冲洗膨胀后所增加的厚度与膨胀前厚度之比，可用下式表示：,反冲洗,反冲洗,5、反冲洗槽和反冲水的要求布置尺寸排水的要求与滤料表面的间距6、在反冲洗中滤料的膨胀当采用全流态化的上向流时，滤床向上膨胀其床深的1530。,冲洗废水的排除,由洗砂排水槽和集水渠组成,冲洗废水的排除,反冲洗配水系统,1、作用反冲洗时均匀布水过滤时均匀集水2、配水与反冲洗的关系若配水不均匀会降低反冲洗效果：1）形成泥球；2）承托层松动，造成漏砂现象,反冲洗大阻力配水系统-管孔,反冲洗大阻力配水系统-管孔,大阻力配水系统的特点：配水均匀性好，运行稳定可靠；结构复杂；管道容易结垢；孔口水头损失大，因而要求反冲洗水压高。无阀滤池、移动冲洗罩滤池、虹吸滤池等的冲洗水头非常有限，不宜采用大阻力配水系统。,反冲洗小阻力配水系统-配水室,反冲洗小阻力配水系统-配水室,反冲洗水头小；配水均匀性较大阻力配水系统为差，当配水系统室内压力稍有不均匀，滤层阻力稍不均匀，滤板上孔口尺寸稍有差别或部分滤板受堵塞，配水均匀程度都会敏感地反映出来；滤池面积较大时，不宜采用小阻力配水系统。虹吸滤池必须采用小阻力配水系统,虹吸滤池p125,适合中小型水厂,无阀滤池p126,压力滤池,快滤池存在的问题,脏滤料和矿物质的处置：“泥球”的问题滤料层上表面大量的固体沉积物在反冲洗过程中破裂，变成球形，即所谓的“泥球”。大小从豌豆到2.55cm。表面泥球可以手工去除：（1）在反冲洗低速运行时，用一个大大的筛网把它们捞起来；（2）用耙子打碎它们；（3）用高压水喉打碎它们。减少表面下泥球和结块的方法有：（1）用长杆高压水喷头探捅滤层；（2）用水射器泵动滤料；（3）冲洗滤池并使用下面描述的化学添加剂；（4）挖出硬块，移走、清洁或者换掉滤料。,快滤池存在的问题,滤料颗粒表面化学沉积物的问题碳酸钙沉积（多磷酸盐）、氧化铁和氧化锰、氧化铝或氧化铁沉积。a.采用正确的辅助冲洗设备b.化学药剂如氯、硫酸铜、酸和碱等。反冲洗中砾石的移动很多滤池采用砾石作为承托层，在实际生产中发现由于砾石侧向移动导致的砾石层隆起。后果：使得一些滤料进入配水系统中，最终需要清除配水系统并重建滤池的承托层和滤层。,快滤池存在的问题,快滤池存在的问题,快滤池存在的问题,砂对砾石层移动性的影响采用双反分级砾石层，或者滤头配水配水系统的失败配水相同是快滤池中至关重要的组成部分，它要收集滤后水、支撑滤池的砾石层和滤料，并分配反冲洗水。,过滤技术的发展,在过滤水流方向上开发了上向流过滤、双向过滤、水平流过滤等不同种类滤料的组合（多层滤料滤池）研究混凝剂种类和投加方法,气浮,1、概述2、气浮的基本理论3、气浮法的类型4、气浮池的设计,利用高度分散的微小气泡作为载体粘附于废水中的悬浮污染物；使其浮力大于重力和阻力，从而使污染物上浮至水面，形成泡沫然后用刮渣设备自水面刮除泡沫，实现固液或液液分离的过程称为气浮。,概念,气浮法的适用范围,用于去除难于自然沉淀和上浮的细微颗粒及比重接近于1的悬浮颗粒,如细沙、纤维、藻类、乳化油滴等,浮选法,通过加入药剂进行浮选，将亲水性改为疏水性，进而上浮的方式。,去除对象为亲水性悬浮固体和重金属离子,可以归为气浮法,应用,1、给水处理中，替代澄清工艺，尤其适用于低浊、含藻类及浮游生物的给水处理中；2、废水中悬浮物、油粒、纤维、活性污泥及藻类的去除；3、原来溶于水中，经混凝处理后转为不溶的悬浮物；4、污泥浓缩；5、替代二沉池，对易产生污泥膨胀的工艺可提高稳定性。,基本工艺条件,1、必须向水中提供足够量的微细气泡；2、必须使气泡与水中悬浮颗粒相粘附；3、必须使水中的杂质在表面形成稳定的浮渣层，停留足够长时间。,悬浮颗粒与气泡粘附的原理,1、界面张力：混合体系中不同物质的相界面上分子因受力不均衡而存在的力。水气张力LG水粒张力LS气粒张力GS2、体系界面能的变化,经推导，相当于单位附着面积的体系界面能变化为：,悬浮颗粒与气泡粘附的原理,气粒附着的必要条件：W03、颗粒的亲水、疏水性能1）润湿程度亲水颗粒：易被水润湿疏水颗粒：不易被水润湿各种物质对水的润湿性可用它们与水的接触角来表示。,悬浮颗粒与气泡粘附的原理,在气、液、固三相接触时，固、液界面张力线和气液张力线之间的夹角称为湿润接触角以表示。,如90为疏水性颗粒，易于与气泡粘附。,悬浮颗粒与气泡粘附的原理,悬浮颗粒与气泡粘附的原理,0，cosl，W0，气粒不易粘附180，cos-1，W2，气粒易粘附，有利于气浮颗粒越是疏水，即接触角越大，则水中析出的气泡在其表面形成的可能性越大；水的表面张力LG越小，界面的气浮活性越低。,气粒粘附方式（气浮体形成方式）,投加化学药剂的目的,改善颗粒的表面性能，增强气粒吸附使气泡分散、稳定,1、混凝剂：絮凝形成矾花，截留气泡上浮2、浮选剂：多为两亲分子改善颗粒表面性能，极性基团与亲水物结合，非极性基团朝向水，使亲水颗粒转为疏水性，；促进起泡，形成稳定的浮渣层；维持气泡的分散度,化学药剂的类型,气浮法的类型,一、分散空气气浮二、溶解空气气浮法（溶气气浮）三、电气浮法,利用机械剪切力将空气分散成微小气泡，使之与水混合的方法。目前应用的有微气泡曝气浮上法和剪切气泡浮上法,气浮法的类型_分散空气气浮,气浮法的类型_分散空气气浮,气浮法的类型_分散空气气浮,优点：设备简单、易行缺点：气泡尺度大（d1mm），上升速度快，比表面积小，与污染物接触时间短。,气浮法的类型溶气气浮,原理：在加压状态下溶入空气，常压下释放出微细气泡,方式：一种是常压下溶气，负压下运行（真空气浮）；一种是高压下溶气，常压运行（加压溶气气浮）。,气浮法的类型真空溶气气浮,1）适用条件：悬浮物浓度300mg/L2）优、缺点优点：空气溶解压力低，节省动力消耗和动力设备缺点：所有设备在密封的气浮池内，使气浮池构造复杂；运行管理、维护不便。,气浮法的类型真空溶气气浮,气浮法的类型加压溶气气浮,在加压条件下，使空气溶于水，形成空气过饱和状态。然后减至常压，使空气析出，以微小气泡释放于水中，实现气浮.此法形成气泡小，约20100m，处理效果好，应用广泛,气浮法的类型加压溶气气浮,包括溶气系统、溶气水减压释放系统、气水混合系统和气浮分离系统几个部分溶气系统溶气水减压释放系统气水混合系统气浮分离设备,加压溶气气浮_溶气系统,包括溶气方式和溶气设备溶气方式：常用三种水泵-空压机加压溶气方式水泵-水射器溶气方式水泵-吸水管溶气方式溶气设备：压力溶气罐，溶气水停留时间t=24min，空气饱和程度=50%80%,水泵-射流器溶气系统,水泵-空压机溶气系统,水泵-空压机溶气系统,水泵-吸水管吸气溶气系统,加压溶气气浮_溶气减压释放系统,溶气水的减压释放应能产生足够的微细气泡，减压释放设备关系到产生气泡的数量和尺度。常用的减压释放设备有TS、TJ、TV型溶气释放器、减压阀、截止阀等。,加压溶气气浮_溶气减压释放系统,加压溶气气浮_气水混合系统,微细气泡产生后，气泡与水的充分混合就成为影响气浮效果的又一关键。常用的气水混合设备有固定混合设备与管式混合设备，通常在气浮分离池的前端设一接触区以确保气水充分混合。,气浮分离设备,进水区：常为接触区，保证气水充分混合；从上部进入分离区分离区：须具有一定的有效容积，保证气粒粘合体能上升到液面出水区：底部出水，常设穿孔集水管浮渣区：设有刮渣设备和渣槽，确保浮渣顺利排除,气浮分离设备,气浮分离设备,气浮基本流程,全溶气流程部分溶气流程回流加压溶气流程,气浮基本流程-全溶气,气浮基本流程-部分溶气,气浮基本流程-回流加压溶气,气浮基本流程-回流加压溶气,气浮基本流程,气浮分离设备,气浮分离设备,气浮在废水处理中的应用,1、气浮法在石油化工废水处理中的应用2、造纸厂白水处理3、染色废水处理,第三节水中溶解物质的去除,主要去除对象：离子：金属阳离子、部分阴离子（硫酸根、氯离子、碳酸氢根）溶解气体：氧气、二氧化碳等,水的软化及除盐,软化去除Ca、Mg离子除盐去除溶解盐类,水的软化,概念介绍：硬度（hardness）：所有多价阳离子浓度的总和。用于描述水的一种特征。含有硬度的水不易起泡，在澡盆内产生浮渣（主要是钙、镁与肥皂发生反应的结果）。在茶壶内会生成坚硬的、白色的粗糙沉积物（结垢）。Ca2+RCOO-Ca(RCOO)2(s)因此肥皂无法与衣服上的污垢作用，而Ca(RCOO)2本身就是沉淀。硬度的常用单位为mg/LCaCO3或毫当量/L。水厂将水软化即是去除水中的部分硬度。通常水处理的目标是使水的硬度维持在75120mg/LCaCO3范围内。,水的软化,硬水的分类:硬度范围定性描述075软水75100中等硬度水100300硬水300高硬度水虽然所有阳离子均会造成硬度，但最主要的离子是Ca2+和Mg2+。,水中硬度的自然产生过程,表层,细菌作用CO2,CO2+H2OH2CO3,底层,石灰岩,CaCO3(s)+H2CO3Ca(HCO3)2MgCO3(s)+H2CO3Mg(HCO3)2,微生物的呼吸作用将增加地表上层水中CO2含量(生成碳酸)；固态CaCO3和MgCO3组成的石灰岩与碳酸反应生成碳酸氢钙与碳酸氢镁。石膏(CaSO4)和MgSO4也可能进入水中而形成硬度。,软化的方法加热沉淀法,软化去除Ca、Mg离子加热生成沉淀降低溶解度、沉淀析出,软化的方法药剂软化法,石灰-苏打软化硬度按照如下两个反应被去除：Ca2+CO32-CaCO3(s)Mg2+2OH-Mg(OH)2(s)为了产生CaCO3沉淀，则pH值则需调节至10.3左右。若要是镁离子产生沉淀，则pH值则需调节至11.0左右。如果天然水中没有足够的碳酸氢根碱度（HCO3-）用于形成CaCO3沉淀（即水的硬度为非碳酸盐硬度），则必须向水中添加CO32-离子。去除镁的费用比去除钙昂贵，因此，尽可能将镁留在水中。通过加入化学药剂来增加CO32-离子和OH-离子的浓度，使沉淀反应向右移动。,软化的方法离子交换法,软化去除Ca、Mg离子comingsoon.,离子交换,离子交换的实质：不溶性离子化合物（离子交换剂）上的可交换离子与溶液中其它同样离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆的化学吸附。反应式可表达为：RH+M+RM+H+,平衡时，有：K平衡常数。K越大，越有利于交换反应。K值能定量地表示离子交换选择性的大小，故亦称为选择性系数。,离子交换剂,水处理中常用的离子交换剂为磺化煤和离子交换树指，废水处理中主要用树指。,离子交换树脂是人工合成的高分子化合物(小球状、多孔结构)，由树脂本体(母体、骨架)和交换基团两大部分组成。,离子交换剂,母体：由高分子化合物与交联剂经聚合反应而成。树脂中交联剂的重量在树脂重量中所占的百分数称为交联度。交换基团：树脂母体并不具有离子交换性能，只能在母体上引入交换基团才成为离子化合物，具有离子交换能力。,离子交换剂,水处理中常用的离子交换剂为磺化煤和离子交换树指，废水处理中主要用树指。磺化煤：煤研磨后经浓硫酸处理而得的碳质离子交换剂。离子交换树脂：有凝胶型、大孔型和等孔型等。根据交换基团（活性基团）的不同，可分为强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性四种。前两种有酸性交换基团，为阳离子型交换树脂；后两种带碱性交换基团，为阴离子交换树脂。,离子交换树脂的结构,离子交换树脂,粒径0.31.2mm乳白、淡黄、棕褐色等不透明或半透明球状颗粒,离子交换树脂,离子交换树脂,离子交换树脂的性能指标,1、密度2、含水率3、酸、碱性4、选择性5、交换容量6、交联度7、树脂的再生,密度,（1）湿真密度：树脂在水中经充分膨胀后的颗粒密度,一般在1.041.3之间体积为单个的，不包括颗粒间的空隙,密度,（2）湿视密度：树脂在水中充分膨胀后的堆积密度,一般在0.60.85之间，体积包括颗粒之间的空隙，常用来计算树脂的用量,含水率,在水中充分膨胀后的湿树脂所含溶胀水的重量与湿树脂重量的百分比。,一般为50%,取决于树脂的交联度，反映了树脂的孔隙率。,酸、碱性,离子交换树脂具有一般酸、碱的反应性能，在水中离解出H+或OH-。根据离解能力的大小，树脂的酸、碱性有强、弱之分。pH影响活性基团的电离能力，强酸强碱性受其影响小，弱酸碱性则受pH影响大。树脂类型强酸强碱弱酸弱碱有效pH范围11411251407,阳离子交换树脂水的软化,1、钠型树脂：RNa2、强酸性H型树脂：RH3、弱酸性H型树脂：丙烯酸型，交换基团是-COOH,大孔强酸树脂,阴离子交换树脂强碱性阴树脂,强碱性阴树脂（ROH）可以和经H离子交换的出水中各种阴离子进行交换，发生如下反应：ROH+H2SO4RHSO4+H2O2ROH+H2SO4RSO4+2H2OROH+HClRCl+H2OROH+H2CO3RHCO3+H2O,阴离子交换树脂弱碱性阴树脂,弱碱性阴树脂只能与水中的强酸阴离子起反应，而不能吸附水中的弱酸阴离子。不仅如此，即使是强酸阴离子，也只有以酸的形式存在时，才能被弱碱性阴树脂所交换，发生如下反应：R-NH3OH+HClR-NH3Cl+H2O2R-NH3OH+H2SO4(R-NH3)2SO4+2H2O根据交换离子的选择性，对弱碱性而言，OH-的交换势最大，故用弱碱性树脂交换阴离子，应严格控制水的pH值，应小于9。,阴离子交换树脂弱碱性阴树脂,选择性,离子交换树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为离子交换选择性。选择性表示了交换离子取代树脂上可交换离子的难易程度，与树脂间结合力的大小，离子交换的先后顺序和交换量。交换离子与树脂的亲和力的大小称为交换势。交换势越大，表明选择性越高。,关于不同离子交换势的大小，有多种理论解释，影响因素较多，一般有如下规律：离子的交换势，与自身化学性质，树脂化学性有关，并受温度和浓度影响较大。下面介绍的规律适用于常温和低浓度溶液中。离子所带电荷愈多，交换势愈大。Al3+Ca2+Na+PO43-SO42-Cl-,电荷相同时，大致是原子序数愈高或水合半径愈小，交换势愈大，副族元素正好相反。Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+NH3+Na+Li+NO3-Cl-HCO3-HSiO3-,H+和OH-的交换选择性与树脂的酸、碱性关系很大，如：强酸性阳树脂Fe3+Al3+Ca2+Na+H+Li+弱酸性阳树脂H+Fe3+强碱性阴树脂SO42-NO3-Cl-OH-F-HCO3-HSiO3-弱碱性阴树脂OH-SO42-,离子量高的有机离子和金属络合离子交换势特别大。大孔型树脂具有很强的吸附性，可以吸附非离型杂质。上述规律适用于稀溶液，当离子浓度很高时则可使交换次序发生改变，再生时即如此。,交换容量,是树脂最重要的性能指标，定量表示树指交换能力的大小。表示方法：重量表示法：单位重量干树脂的交换能力，毫克当量/克(干树脂)体积表示法：单位重量湿树脂的交换能力，毫克当量/毫升(湿树脂),两种表示方法之间具有如下关系：,式中：Ev单位体积湿树脂的交换能力（毫克当量/毫升湿树脂）Ew单位重量干树脂的交换能力（毫克当量/克干树脂）,交换容量,离子交换软化装置,离子交换装置，按照运行方式的不同，可分为固定床和连续床两大类：单层床固定床双层床混合床离子交换装置移动床连续床流动床,离子交换软化装置,交换过程,固定床操作过程：四个步骤（交换、反洗、再生、清洗）。交换过程就是软化过程。离子交换剂饱和以后，将不再具有交换能力，此时原水物质会流过交换柱，这种现象称为“穿透”。,交换过程,穿透,再生,交换柱需要更换，离子交换剂需要再生。包括反洗、再生、清洗工序。,反洗,松动树脂层，便于注入再生液后分布均匀，并清除树脂内的杂质、气泡等。,树脂膨胀率为4060%，15分钟,再生,交换后的树脂在强酸或强碱中浸泡可恢复交换能力，称为树脂的再生。,特点：上部再生程度高，下部差，越是下部越差再生剂耗量大，23倍理论值时，效果仍不理想出水剩余硬度高交换器失效早，降低工作效率，工作交换容量降低适合于硬度较低的场合,再生液与水流方向顺流再生,再生液饱和程度低，特点：再生效果好，耗量可降低20%以上出水水质明显提高原水水质适应范围扩大，对硬度较高原水仍能保证出水水质再生废液中再生剂有效浓度低工作交换容量提高操作较复杂从而使底部再生效果好及剂量低等,再生液与水流方向逆流再生,清洗,将树脂层内残留的再生液洗掉，使出水水质符合要求。,用水量为树脂体积的413倍。,在给水处理中的应用除硬度,2RNa+Ca(HCO3)2R2Ca+2NaHCO32RNa+Mg(HCO3)2R2Mg+2NaHCO32RNa+CaSO4R2Ca+Na2SO42RNa+MgCl2R2Mg+2NaCl钠型树脂可去除水中的硬度，但不能去除碱度。,除硬度并碱度（脱CO2）锅炉水,2RH+Ca(HCO3)2R2Ca+2CO2+2H2O2RH+CaSO4R2Ca+H2SO42RH+CaCl2R2Ca+2HClRH+NaClRNa+HCl从上述反应方程式可知，利用强酸性H型树脂不仅可去除水中的硬度，还可去除碱度。,在锅炉给水中，有时需同时去除硬度和碱度。降低碱度最简单的方法是加酸。在Na离子交换的出水中加酸可以去除碱度，但加酸的结果使水中溶解性固型物增加。因此，为达到去除硬度，降低碱度又不增加水中溶解性固体的目的，常采用H-Na离子交换法来处理。（1）H-Na并联离子交换系统（2）H-Na串联离子交换系统,离子交换除盐系统,离子交换除盐系统是由H型阳离子和OH型阴离子交换装置串联而成；也可将两种树脂混装于同一交换装置中；或分层填放在同一交换装置中，均能达到除盐(降低水的电阻)的目的。电阻率：1cm1cm1cm体积的水所测得的电阻（cm）,离子交换除盐系统,1、淡化水：生活及生产用的淡水2、脱盐水：含盐量为15mg/l，强电解质大部分被去除（普通蒸馏水）25，电阻率0.11.0106cm3、纯水：去离子水，含盐量为0.1mg/l，强电解质绝大部分被去除，弱电解质也去除到一定程度，25，0.11.0106cm。、高纯水：超纯水，导电介质几乎已全部被去除，水中胶粒，微生物，溶解气体和有机物等亦去除到最低的程度。含盐量0.1mg/L，25，10106cm,离子交换除盐系统,离子交换除盐系统是由H型阳离子和OH型阴离子交换装置串联而成；也可将两种树脂混装于同一交换装置中；或分层填放在同一交换装置中，均能达到除盐的目的。1、复床除盐系统2、混合床除盐,离子交换除盐系统,复床,脱二氧化碳酸盐与碳酸根形成碳酸，吹脱,离子交换除盐系统,复床,强酸用于含量较大阴离子H2SO4弱碱用于去除强酸阴离子HCl但是不能去除弱酸阴离子强碱用于去除SiSiO32-采用串联再生法，用NaOH再生，可适当提高温度。,脱二氧化碳器,CO2具有腐蚀性，并增加强碱树脂负荷，且一般为H床后：,脱二氧化碳器,原理与特点：阴阳离子装在一个床内，使用时均匀混合，构成无数微型复床，反复脱盐，故其出水电率可达510106Cm。RH+ROH+NaClRNa+RCL+H2O,混合床除盐,混合床特点,.阴、阳离子交换反应几乎同时进行.出水呈中性，出水水质稳定，纯度高（用于制纯水，超纯水）.不存在反离子（强碱出水呈碱性，强酸出水呈酸性）.失效终点分明.设备小,混合床缺点,.再生时，难以彻底分层。.对有机物敏感，阴树脂变质后，出水水质恶化，下降.一般常需进行预处理（混凝、沉淀、活性炭吸附）.再生操作复杂交叉污染：部分阳树脂混合在阴树脂层时，经碱液再生，这部分阳树脂转为Na型，造成运行后Na+泄漏。三层混合床：（为了有利于分层）中间另装1015cm惰性树脂使其分层彻底。,离子交换法在废水处理中的应用,主要去除对象：铜、镍、镉、铬、锌、汞、金、银、铂、磷酸、硝酸、氨、有机物、放射性物质等。,吸附,吸附的定义,在相界面上，物质的浓度自动发生积累和浓集的现象称为吸附，它可以发生在不同的相界面上。废水处理中，主要利用固体物质对液相中污染物质的吸附作用。吸附法(工艺)：利用多孔性的固体物质，使废水中一种或多种污染物吸附于固体表面而得到去除。吸附剂具有吸附能力的多孔性固体物质。吸附质(废水中)被吸附的物质。,吸附的原因,由表面张力与表面能的变化引起，具体可参见物理化学中表面化学部分。,吸附的种类,根据吸附力不同可分为：物理吸附：分子间力(范德华引力)吸附化学吸附：化学键力交换吸附：静电引力吸附的实质：表面现象，减小界面能的一种方式物质吸附于固体表面之后，减小表面张力，使界面上的分子受力趋于均衡，故是自动发生的。,吸附的特征,1、物理吸附靠分子间力产生的吸附，可吸附多种吸附质，可形成多分子吸附层。吸附解吸是可逆过程，在低温下就能吸附。,吸附的特征,1、物理吸附吸附时表面能降低、放热；可在低温下进行不需要活化能选择性不强，吸引力随分子量增大而增大，可以吸附多种吸附质；易于解吸(吸附的逆过程)分子的热运动；可形成单层或多层吸附。,吸附的特征,2、化学吸附由化学键力引起的吸附，吸能形成单分子吸附层，并具有选择性，同时是不可逆的，在高温下才能吸附,吸附的特征,2、化学吸附吸附热大，需在高温下进行；具有选择性；化学键力大时，吸附不可逆；只能形成单分子吸附层。,吸附的