第24章 其他给水与废水处理工艺系统.

1、第24章 其他给水与废水处理工艺系统24.1概述除常规的给水处理工艺及废水处理工艺外，实际生活及生产中还有许多特种水源水及工业废水，因原水水质及处理要求的不同，需要采用特别的工艺系统进行处理。24.1.1特种水源水处理概况地面水常规处理工艺，主要是指在以天然地面水为原水的城市自来水厂中采用最广的一种工艺系统，主要以去除水中的悬浮物和杀灭病原菌为目标而设计。但某些地区由于水源的特殊，需要采用特殊的处理工艺系统进行给水处理。某些工业企业因生产上的需要对用水水质要求比常规城市给水的要求更高，因此也需要采用特定的处理工艺系统进行给水处理。我国地域宽广，各地水源的水质水量差异较大，如有的地方以地表水为水

2、源，有的地方只能以地下水为水源。有的地方水源水的水质好，只需进行简单的常规处理以去除悬浮物和杀灭病原菌，即能满足城市用水需求。而有的地方地表水水源存在含沙量过高、受到污染等问题，针对我国目前面临问题较多的黄河水含沙量大，浊度高的现实，本章对高浊度处理工艺系统进行了一些介绍。地下水资源是人类生存空间的重要组成部分，不仅在数量上具有举足轻重的地位，而且具有水质好、分布广泛、便于就地开采利用等优点，一直是重要的饮用水水源之一，尤其是对于郊区和农村地区的用水。目前我国半数以上的城市、乡村的经济发展和居民生活用水以地下水为主要供水水源，在地表水水源普遍受到污染的今天，对地下水的依赖程度将继续增加。近年来

3、由于地表生态环境的破坏和污染，致使地下水水质日益恶化，污染问题越来越突出。我国地下水污染主要是由工业和生活的三废物质未经处理任意排放以及人为破坏水文地质条件所致，主要超标元素有矿化度、总硬度、硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、氯化物、氟化物、砷化物、pH值、铁和锰等。针对地下水水源存在含铁、锰、氟等过高，对人体有害的现状，本章主要对水的除铁除锰、除氟除砷工艺做了一些介绍。针对许多工业企业对用水水质要求越来越高的现实，本章还介绍了工业给水预处理、软化和除盐工艺系统。24.1.2工业废水处理概况工业企业各行业生产过程中排出的废水，统称为工业废水，其中包括生产废水、冷却废水和生活污水3种。工业废水具有

4、排放量大、组成复杂、污染重等特点，其防治对策取决于工业废水的特性。由于工业类型繁多，每种工业又由多段工艺组成，因此工业废水性质及特性各不相同。通常按4种方法对工业废水进行分类。 按产生废水的工业部门或生产工艺分类。如啤酒废水、造纸废水、纺织印染废水、制革废水、农药废水和石油化工废水等。 按工业废水中所含主要污染物的性质分类。含无机污染物为主的称为无机废水，含有机污染物为主的称为有机废水。例如，电镀和矿物加工过程的废水是无机废水，啤酒和石油化工生产过程中的废水是有机废水。这种分类方法比较简单，对考虑处理方法有利。如对易生物降解的有机废水一般采用生物处理法，对无机废水一般采用物理、化学和物理化学方

5、法处理。不过，在工业生产过程中，一般废水既含无机物，也含有机物。 按废水中所含污染物的主要成分分类。如酸性废水、碱性废水、含酚废水、含油废水、含镉废水、含锌废水、含铜废水、含汞废水、含氟废水、含有机磷废水和含放射性废水等。这种分类方法的优点是突出了废水的主要污染成分，可有针对性地考虑处理方法或进行回收利用。 根据废水处理的难易程度、可生物降解性和危害性进行分类。通常可分：易处理危害小的废水，如冷却水，对其稍加处理即可排放或回用；易生物降解无明显毒性的废水，如啤酒废水，可采用生物处理法；难生物降解又有毒性的废水，如含重金属废水，含有机氯农药废水，可考虑物化处理或物化与生化联合的处理方法。上述废水

6、的分类方法只能作为了解污染源时的参考。实际上，一种工业可以排出几种不同性质的废水，而一种废水又可以含有多种不同的污染物。通过这些分类，也可初步了解工业废水的性质，为研究其处理措施提供参考。随着我国工业的发展，工业废水的排放量日益增加，达不到排放标准的工业废水排入环境，会污染我们的生存环境。由于工业废水成分复杂，其引起的污染也不同，主要引起的污染有：固体污染、有机耗氧污染、油类污染、有毒污染、生物污染、酸碱污染、营养性污染、感官污染和热污染等。为保护环境，急需进行工业废水治理，消除工业废水污染，所有的工业废水排放，必须严格遵守相关的排放标准。工业废水的治理首先要强化清洁生产，实现源头控制，减少废

7、水排放量，降低废水污染物浓度。工业废水的处理方法很多，大体可分为：物理处理法、化学处理法、物理化学处理法和生物处理法。由于工业废水的污染物成分复杂，仅靠一种处理方法，难于达到去除所有污染物的目的。一种工业废水往往要采用多种方法组合的工艺系统进行处理，才能达到预期的处理效果。选择工业废水处理方法，首先需要了解废水水质水量情况，分析其废水来源和污染特征，然后参考已有的相同企业的工业废水处理工艺流程进行设计；如无资料可参考，则可通过实验确定适宜的工艺流程。本章重点介绍了啤酒废水、含油及石油化工废水和纺织印染废水的处理工艺系统。24.2特种水源水处理工艺系统24.2.1高浊度水处理工艺系统1. 高浊度

8、水水质特点在给水工程范畴内，高浊度水系指原水水质浑浊度高、泥沙含量大的地表水。我国是高浊度水河流众多的国家，其中流经黄土高原的黄河干、支流的河水多为高浊度水。世界各国对高浊度水中的悬浮物含量或浑浊度的下限标准各有不同。我国长江水系与黄河水系对高浊度水的标准也不同，长江高浊度水的标准是：凡长江流域每年洪水期河水浑浊度经常（2030天）出现大于或等于1000度，而且还出现数次大于5000度的浑水，就可称为长江水系高浊度水。黄河高浊度水除指含沙量高（一般为10100kg/m3）以外，更重要的是在沉淀过程中出现明显的清浑水界面，即以浑液面沉淀（属拥挤沉降）为特征的水体。我国黄土高原沟壑地区，植被差，汛

9、期暴雨集中，降雨强度大，水土流失极为严重，成为黄河干、支流的主要泥沙来源。黄河水是典型的高浊度河水，以黄河龙门监测站为例，其多年最高月平均含沙量为248kg/m3，历年最大含沙量达933kg/m3。高浊度河水的含沙量变化受暴雨影响明显。暴雨过后，河水含沙量会迅速增大，暴雨结束后，河水含沙量又会逐渐减少，所以高浊度河水的含沙量具有沙峰的特点，黄河的上、中游及其支流的沙峰现象尤其明显。由于黄河上游的干、支流中多个沙峰相互叠加，延长了中、下游沙峰的持续时间，含沙量波动减少，从而具有持续不断的特点。黄河高浊水中来源于黄土高原的泥沙，各沙峰颗粒组成各不相同，但总的特点是以粒径小于0.05mm细泥沙为主，

10、一般占50%以上，所以当含沙量大于10 kg/m3时一般都具有拥挤沉降的特点，沉淀十分缓慢。黄河高浊度水由于含沙量极高，给水处理带来很大困难。建国以来，以黄河高浊度水为水源，我国已建成大量水厂，积累了丰富的高浊度水处理经验。高浊度水沉淀时具有拥挤沉降的特点，浑液面沉降缓慢，且含沙量愈高沉速愈小。向高浊度水中投加混凝剂或絮凝剂可加速沉降。在黄河下游，特别是龙门以下的河段，属于游荡性河流，河水主流经常摆动，特别是洪水过后，主流会有大幅度摆动，常导致取水脱流，取不上水。因此应提前贮存足够的水，以保证取水脱流期的正常供水。我国高浊度水处理，过去主要处理对象是以泥沙为主，因此当时的高浊度水处理工艺重点是

11、对水中泥沙，尤其是对其中的悬移质泥沙进行处理，满足水厂出水浊度的要求。随着水环境污染，我国高浊度水也同样面临遭受污染，水质日益恶化的威胁，对受污染高浊度水的净化问题已提到议事日程，并亟待解决。a. 高浊度水处理工艺系统高浊度水处理对浊度的去除率要求更高，采用常规的一级混凝沉淀、澄清处理不能满足处理要求。因此，高浊度水处理的特点是在常规处理工艺前增加预处理工艺。高浊度水预处理工艺主要是用沉淀的方法除去水中的绝大部分泥沙，使水的浑浊度（泥沙含量）降低到几百NTU以下。预处理出水再用常规工艺进一步处理，即可满足水厂出水浊度的要求。高浊度水处理的一般工艺流程如图24-1所示：高浊度水预处理常规处理出水

12、排泥图24-1 高浊度水处理的一般工艺流程图24-2为采用辐流式沉淀池进行预处理的高浊度水处理工艺。高浊度水先经辐流式沉淀池进行预处理，此时既可采用自然沉淀，也采用絮凝沉淀。辐流式沉淀池自然沉淀时的排泥浓度为150300 kg/m3，在絮凝沉淀时为150350 kg/m3。由于辐流式沉淀池为钢筋混凝土结构，造价较高，故多采用效率较高的絮凝沉淀。采用絮凝沉淀时，在高浊度水流入沉淀池以前向进水管中投加高分子絮凝剂（如阴离子型聚丙烯酰胺HPAM），水与药剂在进水管中混合后，进入沉淀区进行沉淀。沉淀后水的浑浊度可降至几百NTU甚至几十NTU。随后再用常规工艺处理，即向水中投加混凝剂（如聚合铝PAC），

13、经混合、絮凝、沉淀、过滤和消毒，即可获得合格的处理水。高浊度水辐流式沉淀池混合絮凝沉淀过滤清水池出水预处理常规处理HPAMPAC排泥Cl2排泥图24-2 高浊度水处理工艺示例采用絮凝沉淀对高浊度水进行预处理时，占地面积小、处理效率较高，但药剂费用增加。当厂区面积允许时，也可采用自然沉淀的方法进行高浊度水的预处理。由于高浊度水的沉淀缓慢，自然沉淀池的容积较大，为了降低造价，自然沉淀池常修建成长方形的由土堤围成的池子。水在自然沉淀池中常沉淀数十小时，沉淀池出水的浑浊度一般可降至几十NTU，其排泥则多采用挖泥船完成。高浊度水沉淀池的排泥浓度一般只有几百kg/m3，如果进池高浊度水的含沙量比排泥浓度还

14、高，那么进池原水将全部被排出而达不到沉淀预处理效果，反而白白浪费了许多抽水和排泥的电能。忽略出流清水中的泥沙含量，可得沉淀池进出水和泥沙平衡关系如下： （24-1）式中Qo进水流量；Qu排泥流量；Co进水泥沙浓度；Cu排泥泥沙浓度。由上式可知，进水泥沙浓度越高，排泥流量所占比例就越大，预处理就越不经济。实际工程中一般认为，进水泥沙浓度超过100 kg/m3（有的选取更低的限值）便不经济了。为了降低运行成本，许多水厂在高浊度水含沙量超过上述限值时，便暂停取水，直到沙峰过后进水泥沙浓度降至限值以下时再恢复取水，即“躲避沙峰”。在躲避沙峰期间，水厂仍需不间断地向用户供水，这就需要提前贮水备用。此外，

15、在黄河中、下游，如果取水口处有脱流现象发生，也需要贮水备用。在黄河下游甚至出现过断流现象，许多从黄河取水的水厂需要贮存数月甚至1年的备用水，以保证黄河断流时不间断供水。一般将贮水与自然沉淀结合起来，即将自然沉淀池扩建，兼具自然沉淀和贮水的双重功能。水在贮水池中经长时间的沉淀，可使沉淀效果进一步提高，使后续的常规处理更好地进行。这种工艺如图24-3所示：高浊度水自然沉淀池贮水池混合絮凝沉淀过滤清水池出水预处理常规处理PAC排泥Cl2排泥图24-3 用贮水池作预处理的高浊度水处理工艺高浊度水沉淀处理也可采用斜板或斜管沉淀池，以提高沉淀效果。由于浑水密度流的影响显著，采用上向流斜板斜管沉淀装置比较适

16、用。为了减少水中的泥沙，还可在取水构筑物头部安设斜板沉沙装置，以去除水中部分粗沙，防止在管渠中沉淀。有的水厂在河边修建斗槽取水构筑物，斗槽可沉淀部分泥沙，还可防止冰凌堵塞取水口，对保障取水安全起重要作用。高浊度水澄清池滤池清水池出水PACCl2HPAM图24-4 采用澄清池的高浊度水处理工艺对于中、小水厂，当高浊度水的含沙量不是很高时，也可采用适于高浊度水处理的澄清池直接进行处理，它集预处理和常规沉淀于同一个净水构筑物，简化了处理流程，降低了建设费用，其处理工艺流程如图24-4所示。高浊度水水厂排出的泥量很大，必须妥善处置。黄河上、中游流下来的泥沙，在黄河下游河床中淤积，使河床每年抬高约0.1

17、m。为了不再加重黄河下游的淤积，黄河水利委员会规定，以黄河水为水源的水厂不得将沉下的泥沙再排回黄河。所以黄河水厂必须对沉淀下来的泥沙进行处置。常见的泥沙处置利用途径有： 淤坝；高浊度水的预处理沉淀池，一般都建于黄河岸边取水口旁，由水厂排出的泥水可直接抽送至黄河堤坝进行沉淀淤积，以加高加宽堤坝。 制砖；将泥沙在岸边空地沉淀淤积、干化，用作制砖原料。 淤田造田；使排泥水在河边沙石地带淤积，可造田用于农业。黄河水厂排放的泥沙上吸附有有机物和营养元素，故用于淤田可提高农田肥力。水厂排泥水各种处置利用途径都有相应的技术要求，并存在相应的工程技术问题，所以需要进行专门的论证和设计。24.2.2地下水除铁除

18、锰处理工艺含铁和含锰地下水在我国分布很广，比较集中的地区是松花江流域和长江中、下游地区，此外，黄河流域、珠江流域等部分地区也有含铁含锰地下水，其水质因地下水的形成条件不同而有很大的差异。铁和锰可共存于地下水中，但含铁量往往高于含锰量。我国地下水的含铁量多数在10mg/L以下，少数超过20mg/L，但一般不超过30mg/L；地下水含锰量多数在1.5mg/L以下，少数超过3mg/L，但一般不超过5mg/L。水中的铁以Fe2+和Fe3+形式存在，锰以Mn2+、Mn3+、Mn4+、Mn6+或Mn7+形式存在，其中Mn2+和Mn4+较不稳定，但Mn4+的溶解度低，所以以溶解度高的Mn2+为处理对象。地表

19、水中含有溶解氧，铁锰主要以不溶解的Fe(OH)3和MnO2形式存在，所以铁锰含量不高。地下水或湖泊和蓄水库的深层水中，由于缺少溶解氧，以致Fe3+和Mn4+还原成为溶解的Fe2+和Mn2+，因而铁锰含量较高，须加以处理。水中含铁量高时，水有铁腥味，影响水的口味；作为造纸、纺织、印染、化工和皮革精制等生产用水，会降低产品质量；含铁水可使家庭用具如瓷盆和浴缸发生锈斑，洗涤衣物会出现黄色或棕黄色斑渍，铁质沉淀物Fe2O3会滋长铁细菌，阻塞管道，有时会出现锈水。含锰量高的水所发生的问题和含铁量高的情况相类似，例如使水有色、嗅、味，损害纺织、造纸、酿造、食品等工业产品的质量，家用器具会污染成棕色或黑色，

20、洗涤衣物会有微黑色或浅灰色斑渍等。我国生活饮用水卫生标准（GB 5749-2006）中规定，铁、锰浓度分别不得超过0.3mg/L和0.1mg/L，这主要是为了防止水的嗅味或沾污生活用具或衣物，并没有毒理学的意义。超过标准的原水须经除铁除锰处理。1.地下水除铁地下水除铁一般采用氧化法。即利用氧化剂将溶解态的Fe2+氧化成为难溶的Fe3+并从水中析出，再用固液分离的方法（如过滤）将之去除，即达到地下水除铁的目的。常用的氧化剂有氧、氯和高锰酸钾等，因为利用空气中的氧既方便又经济，所以生产上应用最广。用空气中的氧为氧化剂的除铁方法又称为曝气自然氧化法除铁，氧化时的反应如下： （24-2）根据化学计量关

21、系，每氧化1mg/L的Fe2+，需氧。但是增加氧的浓度可以加快Fe2+的氧化，再加以水中的其它杂质也会消耗氧，所以实际所需的溶解氧量应比理论值为高，通常采用理论值的25倍。为提高曝气效果，可将空气以气泡形式分散于水中，或将水流分散成水滴或水膜于空气中，以增加水和空气的接触面积并延长曝气时间，提高传质效果。氧化水解产生的氢氧化铁胶体逐渐聚成絮状沉淀物，可用普通砂滤池除去。地下水除铁时，水中铁的氧化速率受到多种因素如氧化还原电位Eh、pH、重碳酸盐和硫酸盐等的影响。均相反应时，在pH大于5.5条件下，Fe2+的氧化速率可用下式表示，负号表示铁浓度随时间减少。 （24-3）式中 k反应速率常数，8&

22、#215;1011L2/mol2·kPa·min，20.5时；PO2气相中氧的分压，kPa；OH-OH-浓度，mol/L；Fe2+时间t时的Fe2+浓度，mol/L。地下水中Fe2+的氧化速度比较缓慢，所以曝气后需有一段反应时间，才能保证水中Fe2+浓度降到要求的数值。另外，从式24-3可知，Fe2+的氧化速度与OH-呈二次方关系，因此氧化除铁过程受pH值的影响很大。氧化除铁只有在水的pH值不低于7的条件下才能顺利进行。而由式24-2可知在氧化除铁过程中，H+浓度增加，pH降低，进而可降低氧化速率。因此在曝气氧化除铁过程中，还需防止pH值下降。最常用的方法是加强曝气，吹脱水

23、中CO2，从而提高水的pH值，强化Fe2+的氧化速度。曝气自然氧化除铁的工艺系统如图24-5所示，一般能将水中的含铁量降到0.3mg/L以下。含铁地下水曝气装置O2CO2氧化反应池快滤池除铁水图24-5 曝气自然氧化除铁工艺系统用于氧化除铁的曝气装置有多种形式，如跌水、喷淋、射流曝气、板条式或焦炭曝气塔等，可根据原水水质和曝气要求选定。如有的地下水含铁量较低且无需去除CO2以提高pH，曝气的主要作用是向水中提供溶解氧。由于溶氧过程比较迅速，所以可采用比较简易和尺寸较小的曝气装置，如跌水、压缩空气曝气器和射流曝气等。如地下水含铁量高或pH值低，则曝气装置不仅是向水中溶氧而且要通过吹脱CO2提高p

24、H值，由于吹脱CO2的量大速度慢，需要较长时间进行充分曝气，所以常采用比较大型的曝气设备，如自然通风曝气塔、机械曝气塔、喷淋曝气和表面曝气等。曝气后的水在氧化反应池中一般停留1h左右。在氧化反应池中，水中Fe2+除了被充分氧化成Fe3+外，Fe3+的水解产物Fe(OH)3还能部分沉淀下来，从而减轻后续滤池的负荷。氧化除铁的快滤池，对截留Fe(OH)3絮凝体的要求很严。因此除铁用的砂滤池，滤料粒度虽然和澄清滤池一样，但需采用较厚的滤层以获得合格的过滤水质。Fe2+的氧化速率较慢，所需氧化时间长。但如存在催化剂时，可因催化作用而加速氧化，例如含铁水曝气后在滤池中过滤时，在滤料颗粒表面上会逐渐生成深

25、褐色的氢氧化铁复盖膜，由于它的催化氧化作用可加速完成Fe2+的氧化。20世纪60年代，我国出现了一种天然锰砂接触氧化除铁工艺。研究表明，用天然锰砂作滤料除铁时，对水中Fe2+的氧化反应有很强的接触催化作用，大大加快了Fe2+的氧化反应速度。将曝气后的含铁地下水经过天然锰砂滤层过滤，水中Fe2+的氧化反应能在滤层中迅速完成，同时将铁质截留于滤层中，从而一次完成了全部氧化除铁过程。采用天然锰砂接触氧化除铁能同时完成Fe2+的氧化和铁质的截留，因此不需要在过滤前设置反应沉淀构筑物，大大简化了处理系统。天然锰砂接触氧化除铁工艺一般由曝气溶氧和锰砂过滤组成。因为天然锰砂能在水的pH值不低于6的条件下顺利

26、地进行除铁，而我国绝大多数含铁地下水的pH值都大于6，所以曝气的目的主要是向水中溶氧，而不要求吹脱CO2提高水的pH值，对曝气量要求降低，简化了曝气装置。曝气后的含铁地下水，经天然锰砂滤池过滤除铁，从而完成除铁过程。在天然锰砂除铁系统中，水的总停留时间只有530min，处理系统简单，投资大为降低。最初认为，二氧化锰（MnO2）是天然锰砂接触氧化除铁系统中的催化剂。后来的研究则表明，在锰砂表面覆盖的铁质活性滤膜才是真正的催化剂，天然锰砂对铁质活性滤膜只起载体作用。所以滤池中也可以用石英砂、无烟煤等廉价材料代替天然锰砂做接触氧化滤料。经测定，铁质活性滤膜的化学组成为Fe(OH)3·2H2

27、O。铁质活性滤膜接触氧化除铁的过程可描述如下：铁质活性滤膜首先以离子交换方式吸附水中的Fe2+（式24-4）；当水中有溶解氧时，被吸附的Fe2+在活性滤膜的催化下迅速地氧化并水解，从而使催化剂得到再生（式24-5），氧化水解产物又作为催化剂参与反应。因此，铁质活性滤膜接触氧化除铁是一个自催化过程。 （24-4） （24-5）曝气接触氧化法除铁工艺系统如图24-6所示。含铁地下水曝气装置O2接触氧化滤池除铁水图24-6 曝气接触氧化除铁工艺系统在曝气接触氧化除铁工艺中，曝气的主要目的是溶氧，为保证除铁过程的顺利进行，实际所需的溶解氧量应不低于理论值的2倍。曝气接触氧化滤池刚使用时，由于滤料表面尚

28、无铁质活性滤膜，缺乏接触氧化除铁能力，出水水质较差。滤池工作一段时间，滤料表面开始出现棕黄色或黄褐色的铁质活性滤膜催化剂时，接触氧化除铁效果才显示出来，出水水质逐渐好转，直至出水含铁量降低到要求值以下，表明滤层已成熟。无论以石英砂或锰砂为滤料，都会有这种过程，所需的时间称为成熟期，根据原水水质，成熟期可从数周到1月以上，石英砂滤料的成熟期稍长，但成熟后的滤料层都会有稳定的除铁效果。在过滤过程中，由于铁质活性滤膜在滤料表面不断积累，使滤层的接触氧化除铁能力不断提高，过滤水含铁量会越来越低，出水水质越来越好。所以接触氧化除铁滤池的水质周期会无限长。不过，越来越多的铁质活性滤膜沉积在滤层中后，过滤阻

29、力增大，滤池需按压力周期进行反冲洗，这与一般澄清滤池不同。当滤科粒径越小、进水pH和含铁量越高，则周期会越短，这时应采用较小的滤速。在天然地下水的pH值条件下，氯和高锰酸钾都能迅速地将水中Fe2+氧化为Fe3+，从而达到除铁目的。其中氯是自来水厂常用的消毒剂，氯氧化除铁几乎适用于所有地下水水质，同时还能去除色度和锰。但这种氧化药剂除铁的方法，药剂费用较高，且投药设备运行管理也较复杂，故只在必要时采用。2地下水除锰地下水除锰也有多种方法，但仍以氧化法为主，即利用氧化剂将溶解态的Mn2+氧化成为难溶的Mn4+并从水中析出，再用固液分离的方法将之去除，从而达到除锰的目的。可用于地下水除锰的氧化剂有氧

30、、氯和高锰酸钾等。用空气中的氧为氧化剂最经济，在生产中被广泛应用。水中的Mn2+被溶解氧氧化为Mn4+，在水的pH>9时氧化速度才比较快，这比国家生活饮用水卫生标准要求的pH=8.5要高，所以自然氧化法除锰难以在生产中应用。我国最早具有除锰效果的水厂是20世纪50年代建在哈尔滨的一座地下水除铁除锰水厂。运行过程中发现，在石英砂滤料表面自然形成的锰质滤膜也具有催化氧化Mn2+的作用。经曝气溶氧后的含锰地下水，在锰质滤膜的接触催化作用下，可使Mn2+能在pH=7.5左右被溶解氧迅速氧化并去除，这种除锰方法称为曝气接触氧化法除锰。研究发现，起催化作用的锰质活性滤膜的化学组成，除主要成分锰以外，

31、还含有铁、硅、钙和镁等元素。关于催化剂的真正物质有两种观点。一种观点认为起催化作用的是二氧化锰，即二氧化锰沉淀物首先吸附Mn2+（式24-6），接着被溶解氧氧化（式24-7），生成的二氧化锰沉淀物又成为新的催化剂，所以Mn2+的氧化过程是自催化反应过程。 （24-6） （24-7）根据化学计量平衡式可知，氧化1mg/LMn2+的理论需氧量为0.29mg/L。由于地下水中的含锰量一般较低，地下水只需弱曝气，就能满足氧化Mn2+的溶解氧需求。另一种观点认为锰质滤膜内的催化剂是型Mn3O4（也可写成MnOx，x=1.33），该物质呈浅褐色，可能是黑锰矿（x=1.331.42）和水黑锰矿（x=1.15

32、1.45）的混合物。水中Mn2+在接触催化氧化下的总反应式为： （24-8）实践证明，用石英砂做滤料，滤层的成熟期很长，有的长达数月。采用我国产的马山锰砂、乐平锰砂和湘潭锰砂，其主要成分为Mn3O4，可使滤层的成熟期显著缩短。铁和锰的化学性质相近，所以常共存于地下水中，但铁的氧化还原电位低于锰，容易被氧气氧化，相同pH时Fe2+比Mn2+的氧化速率快，以致影响Mn2+的氧化，因此地下水除锰比除铁困难，只有水中基本不存在Fe2+时Mn2+才能被氧化。当地下水中铁锰共存时，应先除铁后除锰，除非是在低Fe2+浓度或低滤速下才能同时除铁除锰。通常可采用如图24-7所示的两级曝气两级接触氧化的工艺系统。

33、简单曝气O2接触氧化除铁滤池除铁除锰水含铁含锰地下水充分曝气CO2接触氧化除锰滤池O2图24-7 两级曝气接触氧化除铁除锰工艺系统上述除铁除锰工艺，在一定条件下可以得到简化。如地下水中含铁量小于2.0mg/L、含锰量小于1.5mg/L时，只需一次曝气（曝气时同时需将pH值提高到7.5以上）和一次过滤便可除铁除锰（如图24-8所示）。这时铁被截留于滤层上部，锰被截留于滤层的下部，即在一个滤池中先除铁后除锰。曝气装置O2接触氧化除铁除锰滤池除铁除锰水含铁含锰地下水CO2图24-8 单级曝气接触氧化除铁除锰工艺系统生物法除铁除锰也是近年来的研究热点之一，它利用铁细菌的吸附、催化氧化作用加快铁和锰的去

34、除。在地下水曝气氧化除铁除锰滤池中，除了水中溶解氧的氧化作用及某些催化剂参与反应外，也不能忽视铁细菌的作用。铁细菌具有特殊的酶，能加速水中溶解氧对Fe2+和Mn2+的氧化。微生物的生化反应速率远大于溶解氧氧化Mn2+的速度，与自然曝气接触氧化除锰相比，生物法除锰的效率高，能在较低的pH（约7左右）条件下除锰，具有较好的应用前景。生物法除铁除锰也是在滤池中进行。含铁含锰地下水经曝气后送入滤池过滤，滤层中的铁细菌氧化水中的Fe2+和Mn2+，并进行繁殖。滤池除铁除锰的效率，随着滤层中铁细菌的增多而提高，一般当滤层中铁细菌达到约106个/mL时，滤层便具有了良好的除铁除锰能力，即滤层已经成熟。滤层的

35、成熟期一般为数十日。图24-9为生物法除铁除锰的工艺系统图，该工艺适用于地下水含有Fe2+比Mn2+低的情况。对地下水进行弱曝气，控制水中溶解氧不过高（一般为理论值的1.5倍）并避免pH值过高，以免Fe2+氧化为Fe3+，对生物除锰不利，因为水中的Fe2+对于除锰细菌的代谢是不可缺少的。沈阳经济技术开发区供水厂原水为深井地下水，原水为低铁高锰水，采用跌水曝气池+生物除铁除锰滤池的处理工艺，取得很好的处理效果。弱曝气O2生物除铁除锰滤池除铁除锰水含铁含锰地下水图24-9 生物法除铁除锰工艺系统用氯直接氧化水中Mn2+，氧化速度只在pH值高于9.5时才足够快，难以实际应用。当向水中投氯并经长时间过

36、滤，在滤料上能生成具有催化作用的MnO2·H2O膜，这时可在pH值低至8.5时将Mn2+氧化为Mn4+，从而达到除锰目的。高锰酸钾能将水中Mn2+迅速氧化成Mn4+，除锰效率高，但药剂费用较大，故只在必要时才采用。24.2.3水的除氟除砷处理工艺1.水的除氟氟是广泛存在于地球环境中的一种元素。天然水中都含有少量的氟，而在地下水中浓度较高。我国地下水含氟地区的分布范围很广，因长期饮用含氟量高的水可引起慢性中毒，特别是对牙齿和骨骼产生严重危害，轻者患氟斑牙，表现为牙釉质损坏，牙齿过早脱落等，重者则骨关节疼痛，甚至骨骼变形，出现弯腰驼背等，完全丧失劳动能力，所以高氟水的危害是严重的。我国饮

37、用水卫生标准中规定氟的含量不得超过1mg/L。我国饮用水除氟方法中，应用最多的是吸附过滤法，作为滤料的吸附剂主要是活性氧化铝，其次是骨炭，即由兽骨燃烧去掉有机质的产品，主要成分是磷酸三钙和炭，故骨炭过滤属于磷酸三钙吸附过滤法。两种方法都是利用吸附剂的吸附和离子交换作用，是比较经济有效的除氟方法。其它还有药剂法、电渗析等除氟方法，但应用较少。1）活性氧化铝法活性氧化铝是白色颗粒状多孔吸附剂，有较大的比表面积，可以通过离子交换进行除氟。活性氧化铝是两性物质，等电点约在9.5，当水的pH值小于9.5时可吸附阴离子，大于9.5时可去除阳离子；活性氧化铝在酸性溶液中为阴离子交换制，对氟有极大的选择性。活

38、性氧化铝使用前可用硫酸铝溶液活化，使转化成为硫酸盐型，反应如下： （24-9）除氟时的反应为： （24-10）活性氧化铝吸附饱和而失去除氟能力后，可用12浓度的硫酸铝镕液再生： （24-11）此外，活性氧化铝还可用硫酸再生。活性氧化铝的除氟容量一般为1.22.2mgF/g活性氧化铝。其主要影响因素有：原水的氟浓度、pH值、活性氧化铝的颗粒大小。原水含氟量增加时，除氟容量可相应增大；颗粒小则除氟容量大，但小颗粒会在反冲洗时流失；原水pH值对活性氧化铝的除氟能力影响很大，降低水的pH值，可减少水中OH-浓度，从而显著提高除氟能力，我国多将pH值控制在6.57.0之间。活性氧化铝装入吸附滤池中，一般

39、采用下向流作业方式。吸附滤料粒径0.52.5mm，滤层厚度7001000mm，滤料不均匀系数K2，承托层为卵石，层厚400700 mm。滤料干容重为800kg/m3。滤速与水的含氟量以及滤层厚度有关，一般为1.52.5m/h。活性氧化铝再生时，先用原水对滤层进行反冲洗5min，反冲洗强度为1112L/(s·m2)，再用2%的硫酸铝溶液以0.6m/h滤速自上而下通过滤层对滤料进行循环再生，再生时间约需1845h。如果采用浸泡再生，约需48h。再生1mg氟约需15mg硫酸铝。再生后用除氟水对滤层再反冲洗810min，以除净滤层中残留的硫酸铝再生液。2）骨炭吸附法骨炭吸附法又称为磷酸三钙吸

40、附法，是仅次于活性氧化铝吸附法而在我国应用较多的除氟方法。骨炭是一种比较廉价的吸附剂，主要成份是羟基磷酸钙，其分子式为Ca3(PO4)2·CaCO3或Ca10(PO4)6(OH)2，可用分子中的羟基与水中氟离子进行离子交换，交换反应如下： （24-12）当水的含氟量高时，反应向右进行，氟被骨炭吸收而去除，制作良好的骨炭，除氟能力约为1.3mg/g。滤料吸附饱和后，一般用1%NaOH溶液对骨炭进行再生，此时水中的OH-浓度升高，反应向左进行，使滤层得到再生又成为羟基磷酸钙。然后再用0.5%的硫酸溶液中和。3）其它除氟方法药剂法除氟是利用铝盐水解生成的氢氧化铝吸附水中的氟，将氢氧化铝沉淀

41、过滤除去，便可获得除氟水。适用于原水含氟量较低并须同时去除浊度时。由于除氟时投加的铝量太大会影响水质，处理后水中含有大量溶解铝引起人们对健康的担心，因此应用越来越少。一般中只在小型设备或现场临时使用。电渗析法除氟，是使含氟水通过电渗析装置，负电性的氟离子在电场作用下向正电极运行，穿过离子交换膜，由清水室进入浓水室，清水室出水中的氟即被去除。电渗析法除氟，需要将浓水室的出水排放掉，水量耗损很大。如果浓水室出水能被利用（生活杂用或某些生产用水），则用水效率会大大提高。电渗析法除氟可同时除盐，适宜于苦咸高氟水地区的饮用水除氟，因此电渗析法可作为同时除氟除盐的一种技术方案。2.水的除砷砷是有毒物质，属

42、致癌物质，根据摄入量的多少可引起急性或慢性中毒。慢性砷中毒可能引起皮肤色素沉着性皮炎，据认为这是癌前病变。我国东南沿海及台湾省，由于饮水中含砷量较高，当地皮肤癌发病率较高。我国生活饮用水卫生标准规定水中砷含量不超过0.05mg/L。砷以负三价、零价、正三价、正五价的氧化态广泛存在于自然界中，在地表水中主要以正五价存在，在地下水和深层湖泊沉积物中主要以正三价存在。我国地下水含砷量高的地区人口超过千万。去除水中的砷可用铁盐混凝法，即向水中投加铁盐混凝剂（如三氯化铁），铁盐在水中水解生成氢氧化铁絮凝体以吸附砷，将水中生成的氢氧化铁絮凝体沉淀并过滤除去，便可获得除砷水。该方法一般可将水中含砷量降至0.

43、05mg/L以下。用氧化剂将正三价砷氧化成正五价砷，能显著提高铁盐混凝除砷效果。如，台湾某地将含砷水曝气后，先加氯氧化再加铁盐混凝剂絮凝沉淀，最后经慢速过滤后可将水中含砷量由0.62.0mg/L降到接近0。24.2.4工业给水预处理、软化与除盐工艺1.水的硬度与纯度工业给水处理包括多道工序，通常把电渗析、反渗透、离子交换等处理工艺作为主要工序，为保证这些主要工序能安全高效地运行，需要将原水处理到这些水处理装置所允许的进水水质指标。除浊度、有机物、铁和锰等指标外，工业用水对硬度及纯度的要求通常较高。如锅炉水处理需要通过防垢、防腐和防蒸汽污染来保证锅炉的安全经济运行，尤其以防垢最为重要。硬度是水质

44、的一个重要指标。生活用水与生产用水均对硬度指标有一定的要求，特别是锅炉用水中若含有硬度盐类，会在锅炉受热面上生成水垢，从而降低锅炉热效率、增大燃料消耗，甚至会因金属壁面局部过热而烧损部件、引起爆炸。因此，对于低压锅炉，一般要进行水的软化处理；对中、高压锅炉，则要求进行水的软化与除盐处理。硬度盐类包括Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、Fe3+、Al3+等易形成难溶盐类的金属阳离子。一般天然水的硬度盐类主要是Ca2+和Mg2+，其它离子含量很少，所以通常以水中钙、镁离子的总含量称为总硬度。硬度又可分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度，前者在煮沸时易沉淀析出，也称为暂时硬度，而后者在煮沸时不沉淀析出，

45、又称永久硬度。水的纯度也水质的一个重要指标，常以水中含盐量或水的电阻率来衡量。根据各工业部门对水质的不同要求及含盐量的大小，水的纯度可分为下列4种： 淡化水：一般指将高含盐量的水经过局部除盐处理后，成为生活及生产用的淡水。如海水及咸水的淡化。 脱盐水：已去除水中的大部分强电解质，剩余含盐量约为15mg/L。25时，水的电阻率为0.11.0×106·cm，相当于普通蒸馏水。 纯水：亦称去离子水。已去除水中的绝大部分强电解质，而弱电解质如硅酸和碳酸等也去除到一定程度，剩余含盐量在1.0mg/L以下。25时，水的电阻率为1.010×106·cm。 高纯水：亦称

46、超纯水。水中的导电介质几乎全部去除，而水中胶体微粒、微生物、溶解气体和有机物等亦已去除到最低的程度。在使用之前，还需进行终端处理以确保水的高纯度。剩余含盐量在0.1mg/L以下。25时，水的电阻率为10×106·cm，接近于理想纯水的电阻率（18.6×106·cm）。本节分别对工业给水的预处理、软化工艺和除盐工艺进行介绍。2.工业给水的预处理进水水质预处理是工业给水处理系统的重要组成部分，是保证软化与除盐装置安全运行的必要条件。预处理包括去除悬浮物、色度、胶体、有机物、胶体物质、微生物、余氯以及某些有害物质（如铁、锰等）。水中杂质对软化与除盐材料（膜和树

47、脂）的危害表现在： 悬浮物和胶体物质容易粘附在膜面上或堵塞树脂微孔道，使脱盐效率降低； 微生物、细菌容易在膜和树脂表面生长繁殖，降低设备性能； 无机离子主要是高价离子（如铁、锰等）能与膜和树脂牢固结合，并使之中毒，从而降低其工作性能；钙、镁离子在某些情况下能在膜面上结垢沉淀，在反渗透法中应采取调整pH值措施； 游离氯能对膜进行氧化，使树脂降解。预处理系统的选择应根据原水水质以及软化、脱盐装置所要求的进水水质指标而定，有关膜分离装置和离子交换器对进水水质指标的要求如表24-1所示。表24-1 膜分离、离子交换对主要进水水质指标的要求项目电渗析离子交换反渗透卷式膜中空纤维膜浊度（度）13逆流再生&

48、lt;2<0.5<0.3顺流再生<5色度（度）<5污染指数SDI值<35<5<3pH值47411水温（）540545540535CODMn（mg/L）<3<2<2<2游离氯（mg/L）<0.3<0.10.20.1<0.1总铁（mg/L）<0.3<0.3<0.05<0.05锰（mg/L）<0.1<0.3工业给水水源不同，采用的预处理方法也有所区别。1）地表水预处理地表水预处理的目的主要是去除水中的悬浮物和胶体物质。通常采用混凝、沉淀(澄清)和过滤工艺进行水的预处理。2）地下水预

49、处理地下水的特点是悬浮物浓度较低，但Fe2+的浓度普遍较高。这种水质对于除浊处理比较简单，而除铁处理又非常麻烦。地下水含铁是一种普遍现象，但含铁量相差较大，当水中铁的浓度小于0.3mg/L时，称为无铁地下水。其预处理方法主要取决于水中的悬浮物浓度原水悬浮物浓度小于20mg/L时，可直接进行过滤。原水悬浮物浓度为20100mg/L时，可直接进行混凝过滤（也称为直流混凝）。如果原水悬浮物浓度在150mg/L左右时，就需采用双层滤料过滤设备进行直流混凝。对于含铁地下水可通过曝气除铁法进行预处理。3）自来水预处理自来水中悬浮杂质和胶体杂质含量都很少，无需再进行除浊处理。但自来水与天然水不同之点就是含有

50、游离性余氯，游离性余氯是造成强酸阳离子交换树脂氧化和聚酰胺反渗透膜性能恶化的主要原因。如果水中游离性余氯较大，在离子交换软化之前需将之去除；特别是在距自来水厂较近时，更应十分注意。通常采用的除氯方法有化学还原法和活性炭脱氯法。化学还原法是向含有余氯的水中投加一定量的还原剂，使之发生脱氯反应。常用的还原剂有二氧化硫和亚硫酸钠。其脱氯反应如下所示： (24-13) (24-14) (24-15)二氧化硫脱氯反应非常迅速，效果较好，但反应后水中的弱酸转变成强酸，会使水的pH值有所降低。亚硫酸钠具有较强的还原性，不仅能与次氯酸迅速反应，而且还能与水中的溶解氧发生反应，因此用亚硫酸钠处理自来水会起到脱氯

51、和除氧的双重效果。活性炭的脱氯反应非常迅速，脱氯简单、经济有效，其应用较普遍。4）高硬度与高碱度水预处理常用石灰预处理与石灰苏打预处理。这两种预处理方法也是药剂软化法的两种主要方法。3.软化工艺所谓软化即是降低水中的钙、镁离子浓度，从而降低水的硬度。目前水的软化处理主要有药剂软化法（或沉淀软化法）、离子交换软化法、电渗析等。1）水的药剂软化法水的药剂软化法是基于溶度积原理，向原水中投加一定量的某些药剂（如石灰、苏打等），使水中Ca2+和Mg2+转变成沉淀物CaCO3和Mg(OH)2而析出，也称为沉淀软化法。常用的药剂软化法有：石灰软化法、石灰苏打法、磷酸盐法及掩蔽剂法等。常用工艺主要由混合、絮

52、凝、沉淀和过滤等工序组成。经药剂软化法处理后的水还会含有少量的Ca2+和Mg2+，称为残余硬度，它仍然可产生结垢问题。水处理中常见的某些难溶化合物的溶度积列于表24-2。表24-2 某些难溶化合物的溶度积（25）化合物CaCO3CaSO4Ca(OH)2MgCO3Mg(OH)2溶度积4.7×10-92.5×10-55.0×10-64.0×10-58.9×10-12（1）石灰软化法石灰的要成分为CaO，也称生石灰，它溶于水中生成Ca(OH)2，即熟石灰或消石灰。石灰软化工艺中常将熟石灰配制成一定浓度的石灰乳液投加，其软化过程包括以下几个反应： (2

53、4-16) (24-17) (24-18) (24-19)在上述反应中，式（24-16）最易进行，其次是熟石灰与碳酸盐硬度起化学反应，后者也是石灰软化的主要反应。由上列各式可知，去除1molCa(HCO3)2，要消耗1molCa(OH)2；而去除1molMg(HCO3)2，要消耗2molCa(OH)2。熟石灰虽然也能与水中非碳酸盐的镁硬度起反应生成Mg(OH)2，但同时又产生了等量的非碳酸盐的钙硬度： (24-20) (24-21)所以，单纯的石灰软化主要降低碳酸盐硬度及水的碱度，而不能降低非碳酸盐硬度。通过石灰软化，还可去除水中部分铁和硅的化合物，但过量投加石灰，反而会增加水的硬度。石灰软化

54、往往与混凝同时进行，有利于混凝沉淀。经石灰软化处理后，水的剩余碳酸盐硬度可降低到0.250.5mmol/L，剩余碱度约0.81.2mmol/L，硅化合物可去除30%35%，有机物可去除25%，铁残留量约0.1mg/L。石灰是最常用的软化药剂，其价格低，来源广，很适合于原水的碳酸盐硬度较高、非碳酸盐硬度较低且不要求深度软化的场合，但石灰实际投加量应在生产实践中加以调试。石灰软化也可作为钠离子交换法的预处理，用于原水的碳酸盐硬度较高且要求深度软化的情况。（2）石灰苏打软化法该法是向水中同时投加石灰和苏打（Na2CO3），以石灰降低水的碳酸盐硬度，以苏打降低水的非碳酸盐硬度。该法适用于非碳酸盐硬度高的水质，软化水的剩余硬度可降低到0.30.4mmol/L。与Na2CO3有关的化学反应表示如下： (24-22) (24-23) (24-24) (24-25) (24-26)（3）磷酸盐法石灰苏打软化后，水中残余硬度能降低到CaCO3和Mg(OH)2的溶解度，但是CaCO3和Mg(OH)2的溶解度相对较大，所以在石灰苏打软化后，水中