第二章工业用水的预处理

1、序 言 第一节 混凝 第二节 沉淀与澄清 第三节 过滤 第四节 气浮 第五节 消毒 第六节 吸附 第七节 除铁和锰 1.预处理的任务 2.污染粒子尺寸和处理技术 3.原水预处理的水质要求 预处理是指进入离子交换装置或膜法脱盐装置前的 处理过程。包括凝聚、澄清、过滤、消毒等技术。 主要任务： （1）去除悬浮物、胶体物和有机物； （2）降低生物物质，如浮游生物、藻类和细菌； （3）去除重金属，如铁、锰； （4）为减少除盐设备的负担，去除钙镁硬度和重碳酸盐。 悬浮杂质包括泥砂、虫类、原生生物、藻类、细菌病毒、 高分子有机物等； 粒径在0.1mm以上的泥砂颗粒，沉积速率在7.5mm/s 以上时可靠自然

2、沉淀把其除去； 当粒径为0.01mm时，沉积速率为0.075 mm/s，用自 然沉降法就不经济了； 粒径在0.0011mm时的胶体溶液，必须用混凝技术。 （1）各种脱盐装置都有不同的预处理要求， 应根据这些要求选择合理的预处理系统。 例如： 凝胶型树脂，正流再生床要求悬浮物小于5ppm， 浮床要求小于1ppm, 游离氯小于0.1ppm； 反渗透（中空纤维式）要求浊度小于0.3。 （2）预处理水质超标时，脱盐装置就不能正常运行。 例如： 浮床进水浊度高时，会造成压差增大，再生比耗高； 电渗析进口水浊度高时，压差增大，产水量降低，耗电量 增大，检修周期变短； 高分子有机物会使凝胶型阴离子交换树脂污

3、染，造成吸收 SiO2能力降低，正洗水量变大； 铁、锰等金属会使树脂中毒，造成再生比耗变大； 微生物类会影响混凝效果，使滤池滤层结块，滤层不易洗 净，影响出水浊度。 混凝即是通过投加化学药剂来破坏胶体和悬浮物在 水中形成的稳定体系，使其聚集为具有明显沉降性能的絮凝 体，然后用重力沉降法予以分离。 混凝过程包括凝聚和絮凝两个步骤，统称为混凝。 凝聚是指使胶体脱稳并聚集成微絮粒的过程； 絮凝是指微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大的絮 体的过程。 1胶体的稳定性 水中的同种胶体微粒带有同号电荷，在静电 斥力的作用下，不易相互聚集，具有一定的稳定 性。 a.胶核：由数十个至数千个不溶于水的分散相物

4、质分子组成的。 b.胶粒的电位离子：胶核的表面上选择性地吸附了层带同号 电荷的离子；其来源于胶核表层分子电离，或胶核从水中吸 附来的。决定了胶粒的带电符号和电荷多少，构成双电层的 内层。 c.反离子：电位离子层通过静电作用而吸引的水中相反电荷的 离子，构成双电层的外层。 d.反离子吸附层：反离子与电位离子之间。当胶核运动时，它 也随着一起运动。构成胶团的固定层。 e.反离子扩散层：固定层以外。电位离子对其引力较弱，不随 胶核一起运动，并有向水中扩散的趋势。 f.胶粒：固定层和扩散层之间的交接面称为滑动面，滑动 面以内的部分称为胶粒。 g.胶团：胶粒与扩散层一起构成了电中性的胶团。 h.胶体的电

5、动电位（电位）：当胶粒运动时，扩散层中 的大部分反离子就会脱离胶团，向溶液主体扩散。其结 果必然使胶粒产生剩余电荷，使胶粒与扩散层之间形成 一个电位差，其可反映胶粒带电的多少，衡量胶体稳定 性的大小。愈高，稳定性愈高。 i.总电位（电位）：胶核表面的电位离子与溶液主体之 间的电位差。电位一定时，扩散层愈厚，愈高。 吸附电中和 吸附架桥作用 卷扫作用（网捕作用） 压缩双电层 胶体表面对异号离子、 异号胶粒或链状高分子带异 号电荷的部位有强烈的吸附 作用。由于这种吸附作用中 和了它的部分或全部电荷， 减少了静电斥力，因而容易 与其它颗粒接近而相互吸附。 对扩散层有直接压缩作用 把一部分反离子压缩到

6、吸附层使电动电位降低 高价离子进入扩散或吸附层置换出低价离子使双电 层中离子数降低 若药剂是能吸附胶粒的链状高分子聚合物，或者 两个同号胶粒吸附在同一个高分子链上，胶粒间就能 连结、团聚成絮体而被除去。 若药剂含金属离子， 由于金属离子的水解和聚 合，会以水中的胶粒为晶 核形成胶体状沉淀物，在 这种沉淀物从水中析出的 过程中，会吸附和网捕胶 粒而共同沉降下来。 水温水温 水的水的pHpH、碱度、碱度 水质水质 无机混凝剂溶于水时是吸热反应，水温低时不利于 混凝剂的水解。 水温低时，水的黏度大，胶粒的布朗运动强度减弱， 彼此间碰撞机会减少，不易凝聚；且水流阻力增大， 使絮凝体的形成长大受到阻碍，

7、从而影响混凝效果。 无机盐混凝剂对水的pH值都有一定的要求。如， 铝盐：5.58.5；铁盐： pH 8.5 碱度对pH有缓冲作用，以保证铝、铁盐在水解 时不会引起pH大幅度变化而混凝效果下降 。 当水的浊度较低，颗粒细小而均一，投加的混凝剂又少，仅 靠混凝剂与悬浮微粒之间相互接触，很难达到预期目的，需 加大用量。 当水中浊度较高时，用量要控制适当，防止过量而引起胶粒 再稳。 对高浊度水，混凝剂主要起吸附架桥作用，用量随浊度的增 加而增大。 水中的有机物质会降低混凝效果。 最常用的有： 无机盐类、 无机盐的聚合物、 有机类化合物 铝盐的水解铝盐的水解 当pH4，Al3+以六水合铝离子Al(H2O

8、)63+为主要存在形态，pH升高， 发生水解： Al(H2O)63+= Al(OH)(H2O)52+ + H+ Al (OH)(H2O)52+= Al(OH)2(H2O)4+ + H+ Al (OH)2(H2O)4+= Al(OH)3(H2O)3 + H+ 当 pH4时，羟基合铝离子增加，各离子的羟基之间还可能发生架桥连 接（羟基架桥），产生多核羟基配合物，继续水解。水解与缩聚交错进 行，生成聚合度极大的中性氢氧化铝，最终沉淀。 OH 2Al(OH)(H2O)53+ = (H2O)4Al Al(H2O)44+ + 2H2O OH 在铝盐的水溶液中，存在着： 简单成分：Al3+、AlOH2+、A

9、l(OH)2+、Al(OH)3、Al(OH)4 等； 聚合成分：Al6(OH)144+、Al7(OH)174+、Al8(OH)204+、 Al13(OH)345+ 等。 其中以高价的聚合正离子作用尤为重要。 图2-6 不同pH值相对应的三价铝水解产物 常见的有聚合铝、聚合铁等。 ()聚合氯化铝 又称碱式氯化铝，并不是单一分子的化合物，而是同一 类有不同形态的化合物，其通式为Al2(OH)nCl6-nm，其中n 为1-5，m为10的整数。如Al2(OH)5Cl、 Al6(OH)16Cl2、 Al13(OH)34Cl5,以及Al2(OH)5Cln等，在水溶液中电离： Al13(OH)34Cl5 A

10、l13(OH)345+5Cl- 铝、铁盐的三种作用： a. Al3+、Fe3+和低聚合度高电荷的多核羟基配合物的稳凝稳凝 聚作用聚作用； b. 高聚合度羟基配合物的桥连絮凝作用桥连絮凝作用 c. 以氢氧化物沉淀形式存在时的网捕絮凝作用网捕絮凝作用。不同pH、 杂质浓度下的作用： a.在pH偏低、胶体及悬浮微粒浓度高、投药量尚不足的反 应初期，以脱稳凝聚为主； b.在pH较高、污染物浓度较低、投药量充分时，网捕絮凝 作用为主； c.在pH和投药量适中时，桥连絮凝则成为主要的作用形式。 a 应用范围广，对各种废水都可以达到好的混凝效果。 b 易快速形成大的矾花，沉淀性能好，投药量一般比硫酸 铝低，

11、过量投加时也不会象硫酸铝那样造成水浑浊。 c 适应的PH值范围较宽(在59间)，且处理后水的pH值和 碱度下降较小。 d 水温低时，仍可保持稳定的混凝效果。 e 其碱化度比铝盐、铁盐为高，因此药液对设备的侵蚀作 用小。 （2）聚合硫酸铁 简称聚铁，Fe(OH)n(SO4)3-n/2m。是一种多羟基、多 核络合物，与聚合铝盐都是具有定碱化度的无机高分 子聚合物，且作用机理也颇为相似。 适宜水温1050，pH5.08.5，但在pH4.011范 围内仍可使用。 与普通铁铝盐相比，它具有投加剂量少，絮体生成 快，对水质的适应范围广以及水解时消耗水中碱度少等 一系列优点。 主要是能够发挥絮凝作用的天然或

12、人工合成的 有机高分子物质。 天然产物多属蛋白质或多糖类化合物，如动物 胶、淀粉、藻朊酸钠等； 人工合成产品多是聚丙烯、聚乙烯类物质，如 聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚乙烯亚胺等。 水溶性的线性高分子聚合物。 按可离解基团的特性，可分： 阴离子型：-COOH、-SO3H、-OSO3H等； 阳离子型：-NH3OH、-NH2OH、-CONH3OH； 两性型：同时含两种基团； 非离子型：不能电离的非电解质。 分子呈链状，并由很多链节组成，每一链节为一化学单体，各单 体以共价键结合。 聚合物的分子量是单体的分子量的总和，单体的总数称为聚合度。 作用-吸附架桥作用： 阴离子型絮凝剂只发挥絮凝作用，往往不单独

13、使用，而与铝 铁盐配合使用。 阳离子型絮凝剂发挥凝聚和絮凝作用，可单独使用。 活化硅酸是在上世纪30年代后期开始在水处理中应用的。 活化硅酸实质上是硅酸钠在加酸条件下水解聚合反应进 行到一定程度的中间产物，其组分特征，如电荷、大小、 结构，取决于水解反应起始的硅浓度、反应时间(从酸化 到稀释)和反应时的PH值。 其组分为Na2O.3SiO2.xH2O，有效成分为硅酸钠。 其水解过程中游离出来的硅酸单体在溶液中产生缩聚， 产生羟基桥连和氧基桥连，从而形成各种高分子的阴离 子，发展成为线状、分支链或球状颗粒等。 由于呈真溶液状态的活化硅酸在通常PH条件下组分带 有负电荷，对胶体的混凝是通过吸附架桥

14、使粒子粘连 而完成的，只起絮凝作用，而不能起凝聚作用，因而 常被称为絮凝剂或助凝剂。 活化硅酸一般无商品出售，需在水处理现场制备，其 原因是活化硅酸在储存时局析出硅胶而失去絮凝功能。 一、沉淀理论基础 二、沉淀池 三、澄清和澄清池 四、预沉方式和系统选择 悬浮颗粒在水中的沉降,根据其浓度及特性,可 分为四种基本类型: (1)自由沉降 (2)絮凝沉降 (3)拥挤沉降 (4)压缩沉降 颗粒在沉降过程中呈离散状态,其形状、尺 寸和质量均不改变，下沉速度不受干扰。 如沉砂池中的沉降。 在沉降过程中各颗粒之间能相互黏结，其尺寸、 质量会随深度的增加而逐渐变大，沉速也增大。 悬浮物的去除率与沉淀速度、深度

15、有关。 如：混凝沉淀池、初沉池的后期、二沉池中初期 的沉降。 颗粒在水中的浓度较大时，其间相互靠得很近，在下 沉过程中彼此受到周围颗粒作用力的干扰，但颗粒间的相 对位置不变，作为一个整体而成层沉降。 在清水和浑水之间形成明显的界面，沉降过程实际上 就是这个界面的下沉过程。 当悬浮物质的量占液体体积的1%左右时就会出现此现象。 如：高浊度水的沉淀、二次沉淀池后期的沉降。 也称作污泥浓缩。颗粒在水中的浓度很高时 会相互接触。上层颗粒的重力作用可将下层颗粒 间的水挤压出界面，使颗粒群被压缩。 浓缩的过程是不断排除孔隙水的过程。 如：沉淀池底部的污泥斗中或污泥浓缩池中。 根据沉淀池的结构类型可分为：

16、1. 平流式沉淀池 2. 竖流式沉淀池 3. 辐射式沉淀池 4. 斜板和斜管沉淀池 1-配水槽；2-穿孔墙；3-斜板或斜管； 4-淹没孔口；5-水槽；6-排泥管；7-支架 理想沉淀池的水平流速u0为水的流量与沉淀池的面积的比 值（Q/A），如果Q不变，则增大A，就可减小u0，即有更多的悬 浮物可以沉下，提高了沉淀效率。又因为t=H/u0，则在保持u0 不变的条件下，随着有效深度H的减小，沉淀时间t就可按比例 缩短，从而减小了沉淀池的体积。 若将水深为H的沉淀池分隔为n个水深为H/n的沉淀池，则当 沉淀区长度为原来长度的1/n时，就可处理与原来的沉淀池相 同的水量，并达到完全相同的处理效果，即池

17、子越浅，越缩短 时间。这就是浅池沉淀原理。 为了让沉到底部的污泥便于去除，将这些浅的沉淀区倾斜 60，以使污泥顺利滑下，则称之为斜板沉淀池；若将沉淀区 内进一步分隔成波纹形管或蜂窝形板，则称之为斜管沉淀池。 1.澄清 利用活性泥渣与混凝处理后的水进一步接触，加速沉淀速度的过程 新形成的沉淀泥渣具有较大的表面积和吸附活性，称为活性泥渣。 2.澄清池 特点：利用活性泥渣与原水进行接触絮凝 将反应池和沉淀池统一在一个设备 分类： 机械加速澄清池 是利用机械搅拌作用来完成混合、泥渣循环和接触絮凝过程的。 水力循环澄清池 利用水射器形成真空自动吸入活性泥渣与加药原水充分混合 水力循环澄清池 机械搅拌加速

18、澄清池 1. 预沉方式可选用自然沉淀或混凝沉淀工艺。 混凝沉淀的经济性优于自然沉淀。斜板斜管技术用于自 然沉淀或混凝沉淀后，能大大提高经济性。 2. 采用混凝工艺预沉时，应注意絮凝剂的使用范围。 3. 工业水处理澄清器对原水悬浮物有一定的适应范围， 如 机械搅拌或水力加速澄清池为3000 mg/L、悬浮澄清池 500mg/L；当原水悬浮物大于上述数值时，就要考虑预沉。 水通过滤料床层时，其中的悬浮颗粒和胶体 就被截留在滤料的表面和内部空隙中，这种通过 粒状介质层分离不溶物的方法称为粒状介质过滤。 可用于活性炭吸附和离子交换等深度处理过 程之前作为预处理，也可用于化学混凝和生化处 理之后作为后处

19、理过程。 阻力截留阻力截留 当原水自上而下流过粒状滤料层时，粒径较大的悬浮颗粒 首先被截留在表层滤料的空隙中，从而使此层滤料间的空隙越来越 小，截污能力随之变得越来越高，结果逐渐形成一层主要由被截留 的固体颗粒构成的滤膜，并由它起主要的过滤作用。 重力沉降重力沉降 原水通过滤料层时，众多的滤料表面提供了巨大的沉降面 积。形成无数的小沉淀池，悬浮物极易在此沉降下来。 接触絮凝接触絮凝 由于滤料具有巨大的表面积，它与悬浮物之间有明显的物 理吸附作用。此外，砂粒在水中常带有表面负电荷，能吸附带正电 荷的铁、铝等胶体，从而在滤料表面形成带正电荷的薄膜，并进而 吸附带负电荷的黏土和多种有机物等胶体，在砂

20、粒上发生接触絮凝。 常用滤料有石英砂、无烟煤屑、大理石粒等。除 应考虑价廉易得外，还需考虑： （1）化学性质稳定； （2）机械强度足够； （3）粒度合适 滤速 滤速太快，会促使已吸附的悬浮物剥落，导致水质恶 化和水头损失增大，从而缩短过滤周期；滤速太慢，会影 响滤池单位过滤面积的出力，也影响水流中悬浮物颗粒向 滤层颗粒表面输送。对于过滤经过混凝和澄清处理的水来 说，滤速一般为1012m/h。 反洗效果 反洗的目的是除去已处于饱和状态的滤层上吸附的悬 浮物颗粒，恢复滤料的过滤能力。 水流均匀性 排水系统对水流均匀性影响最大。 过滤前水质 过滤前的水，若已经混凝处理，则残留在水中的悬浮 物在过滤过

21、程中具有较好的渗透性能，即能渗入到滤层的 下层，产生接触混凝过滤，从而提高了滤池的截污能力。 滤料污染状况 反洗时总有微量不易冲洗的污物残留在滤池内，导致 滤料的污染，影响滤池的运行，出现过滤效果不好或过滤 周期缩短。 可采用进行化学清洗。 四、过滤设备四、过滤设备 一一 气浮与浮选气浮与浮选 二二 气浮的原理气浮的原理 三三 气浮设备气浮设备 四四 特点及用途特点及用途 气浮气浮 是利用高度分散的微小气泡作为载体去除水中的悬浮物， 使其随气泡升到水面而加以去除的方法。 气浮的对象是乳化油、疏水性细微固体悬浮物。 浮选浮选 是在水中投加浮选剂浮选剂，选择性地将亲水性的污染物变为 疏水性，从而能

22、附在气泡上，然后一起浮生到水面而加以去 除的又一种水处理方法。 浮选的对象是亲水性固体悬浮物、重金属离子等。 浮选剂浮选剂 对细分散的亲水性颗粒，需经浮选剂处理，使被气浮的 物质表面疏水化而附着于气泡上，同时有促进起泡的作用， 使废水中的空气泡形成稳定的小气泡，从而有利于气浮。浮 选剂大多数是由极性-非极性分子所组成，极性基团能选择性 地被亲水性物质所吸附，非极性基则朝向水，这样亲水性物 质的表面就被转化成疏水性物质而被黏附在空气泡上，随气 泡一起上浮到水面。 种类：松香胺、煤油产品、脂肪酸及盐类等 实现气浮分离过程的必要条件是使杂质能够黏附 在气泡上，这是一个涉及到气、液、固三相介质的问 题

23、。颗粒能否黏附到气泡上去，取决于水对该种颗粒的 润湿性。一般是疏水性颗粒易于与气泡黏附，而亲水性 颗粒难以与气泡黏附。 水对各种物质润湿性大小可 用它们与水的接触角来衡量。 90。为亲水性物质， 90。为疏水性物质。 并非所有物质都能黏附到气泡 上 0，不能气浮； 90。，附着不牢易于分离； 180。，易气浮，如乳化油。 气浮设备按气泡产生的方法分： (1) 加压溶气气浮 (2) 叶轮气浮 (3) 曝气气浮 (4) 射流气浮 (5) 电解气浮等 易于去除比重较轻的絮体及废水中的纤维物。对低浊度低 温水的处理效果较好。对受污染的水体可取得较好的净化 效果；净水效率高，排泥方便。 处理时间短，仅需

24、15分钟，而一般澄清设备需6090分 钟 。 灭活水中绝大多数病原体，使水的微生物质 量满足人类健康要求的技术，称为消毒。 水经过混凝、沉淀和过滤后也能除掉很多细 菌，但由于水中的细菌很多，光靠这两步还达不 倒标准，还须用消毒来解决。 水的消毒是通过消毒剂来完成的,消毒剂可分为四类: 1) 氧化剂； 2) 金、银、汞等重金属离子，铜离子能杀死藻类； 3) 阳离子表面活性剂季铵类与吡啶嗡的化合物； 4) 物理媒剂：紫外线（=253.7265nm ） 紫外线消毒是目前高纯饮用水及各种饮料常用方法。 水中菌类微生物受到紫外线照射后，紫外光谱能量被 细菌的核酸所吸收，并使核酸结构破坏，影响其新陈代谢过

25、 程而死亡。 紫外线波长为200-300nm时消毒效果最好，260最佳。 利用多孔性的固体物质，使水中一种或多种 物质被吸附在固体表面。用于除嗅、有机物、胶 体、微生物及余氯等。 物理吸附 通过分子间力（范德华力）而产生的吸附。特点是没 有选择性，吸附质并不固定在吸附剂表面的专门格点上，在 界面范围内可自由移动，吸附速度快。 化学吸附 通过化学键力等化学作用而产生的吸附。特点是具有 选择性，吸附速度慢。 交换吸附 通过静电引力作用，包括离子交换。 几种作用往往同时存在，一般低温时物理吸附，高温时 化学吸附。 常用的吸附剂有：活性炭、磺化煤、沸石、活性 白土、硅藻土、腐殖质、焦炭、木炭、木屑等。

26、 多孔或磨得很细的物质，由于具有巨大的表面积， 因而有明显的吸附性能。吸附量与比表面积、细 孔的构造和分布有关。 吸附剂的再生：加热法、蒸汽法、溶剂法、臭氧 氧化法、生物法等。 1. 空气曝气法 6. 化学沉淀法 2. 氯氧化法 7. 混凝沉淀过滤法 3. 高锰酸钾氧化法 8. 电解法 4. 接触过滤法 9. 用铁细菌处理 5. 离子交换法 10.稳定处理 是应用最多的一种方法。 目的是为了向水中溶入氧散去CO2提高pH值，使Fe2+向Fe3+ 转化，然后形成Fe(OH)3的絮凝体沉淀过滤而除去。 锰砂过滤：3MnO2+O2=MnOMn2O7 MnOMn2O7+4Fe2+2H2O3MnO2+4Fe3+4OH- 速度大大加快，锰砂是一种催化剂。 曝气的方式有：水射式曝气、跌水曝气、空气压缩机充气、 淋水或喷水曝气、曝气塔曝气等。 2.氯氧化法 氯是比溶解氧更强的氧化剂，能迅速地将二价铁氧化成三 价铁。 可减少反应和沉淀时间，简化处理系统： 2Fe(HCO3)2+Cl2+Ca(HCO3)2=2Fe(OH)3+CaCl2+6C O2 在pH为410的范围内都可