工业用水的预处理

1、第二章 工业用水的预处理序 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 除铁和锰第八节 沉淀序 言 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1. 预处理的任务 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。2. 污染粒子尺寸和处理技术悬浮杂质包括泥砂、虫类、原生生物、藻类、细菌病毒、高分子有机物等；粒径在0.1m

2、m以上的泥砂颗粒，沉积速率在7.5mm/s以上时可靠自然沉淀把其除去；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。3.原水预处理的水质要求（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，

3、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。第一节 混 凝 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。一、胶体的稳定性和结构一、胶体的稳定性和结构 1胶体的稳定性 水中的同种胶体微粒带

4、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。 2胶体的结构 a.胶核：由数十个至数千个不溶于水的分散相物质分子组成的。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

5、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。 二、混凝机理二、混凝机理 吸附电中和 吸附架桥作用 卷扫作用（网捕作用） 压缩双电层 吸附电中和 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

6、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。压缩双电层对扩散层有直接压缩作用把一部分反离子压缩到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吸附架桥作用 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。 卷扫作用（网捕作用） 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。 三三 影响混凝的因素影响混凝的因素 水温水温 水的水的pHpH、碱度、碱度水质水质 水 温 无机混凝剂溶于

7、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，从而影响混凝效果。 pH和碱度 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 。水 质当水的浊度较低，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

8、增加而增大。水中的有机物质会降低混凝效果。 四四 混凝剂混凝剂最常用的有： 无机盐类、 无机盐的聚合物、 有机类化合物1. 无机盐类混凝剂无机盐类混凝剂铝盐的水解铝盐的水解 当pH4，Al3+以六水合铝离子Al(H2O)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

9、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+、Al(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 2. 无机盐的聚合物 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

10、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 Al13(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

11、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。聚合氯化铝的优点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，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

12、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。 .有机类化合物主要是能够发挥絮凝作用的天然或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

13、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，

14、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。第二节 沉淀和澄清一、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一、沉淀理论基础 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(1)自由沉降 颗粒在沉降过程中

15、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。(2)絮凝沉降 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、深度有关。 如：混凝沉淀池、初沉池的后期、二沉池中初期的沉降。(3)拥挤沉降 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。(4)压缩沉降

16、 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。二、沉淀池 根据沉淀池的结构类型可分为： 1. 平流式沉淀池 2. 竖流式沉淀池 3. 辐射式沉淀池 4. 斜板和斜管沉淀池平流式沉淀池竖流式沉淀池 辐流式沉淀池 斜板斜管沉淀池 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

17、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。三 澄清和澄清池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

18、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澄清池四、预沉方式和系统选择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500

19、mg/L；当原水悬浮物大于上述数值时，就要考虑预沉。第三节第三节 过滤过滤 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理过程。一一 原理原理 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

20、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，在砂粒上发生接触絮凝。 二二 滤料滤料 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 三三 影响过滤的因素影响过滤的因素 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

21、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 第四节

22、第四节 气浮气浮 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 一、气浮与浮选一、气浮与浮选 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

23、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 二、气浮的原理二、气浮的原理 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。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

24、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。 三三 气浮设备气浮设备 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 四四 特点及用途特点及用途 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15分钟，而一般澄清设备需6090分钟 。第五节 消毒 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，

25、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，影响其新陈代谢过程而死亡。 紫外线波长为200-300nm时消毒效果最好，260最佳。第六节第六节 吸吸 附附 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

26、、胶体、微生物及余氯等。 一、一、 吸附类型吸附类型 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。 二、二、 吸附剂吸附剂 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。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

27、的再生：加热法、蒸汽法、溶剂法、臭氧氧化法、生物法等。第七节 除铁和锰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1. 空气曝气法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

28、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+6CO2在pH为410的范围内都可发生。当水中含铵盐或含氮有机物时，加氯量增大。3.高锰酸钾氧化法比氯和氧更强烈的氧化剂，能迅速地将二价铁氧化成三价铁，生成密实的絮凝体，易于为砂滤池所截留。用于硬度较大的含铁地下水效果较好。4.接触过滤法以硫酸锰、氯化锰和高锰酸钾反复处理锰砂、绿砂、人造沸石或其它阴离子交换剂，可使之表面附着一层高价锰的氧化物，当含铁水通过这种滤料时，二价铁便被氧化除去。适合于处理含铁浓度不超过10mg/L的原水。5.离子交换法水中溶解的亚铁离子可用离子交换法除去，除去的过程和软化法一样。适用于水需同时软化，且要求水中无氧气，不含二价铁离子以外的其它形式