第九章-水的其他处理方法课件

1、第9章 水的其它处理方法,9.1 地下水除铁除锰 9.2 吸附的类型 9.3 吸附等温线与吸附速度 9.4 吸附操作方式,9.1 地下水除铁除锰,9.1 地下水除铁除锰 一、含铁地下水水质 1.分布普遍 2.含铁量 因我国地下水分布较广，铁和锰共存于地下水中，含铁量高于含锰量，从含铁量来看： 10 mg/L 较多； 2030 mg/L 较少； 30 mg/L 罕见。 国家标准规定：Fe0.3 mg/L, Mn0.1 mg/L . 3.含铁形态(溶解性铁的化合物） 因Fe3+、Mn4+在正常水中（PH 5）的溶解度极小。我国地下水PH多数在6.07.5，在地表水中含有溶解氧，铁、锰主要以不溶解

2、Fe(OH）3、MnO2状态存在，故铁、锰含量不高。 由于地下水、湖泊和水库深层水中缺少溶解氧，以至使Fe3+和Mn4+还原成为溶解的Fe2+和Mn2+，因而铁的含量较高，需加以处理。,4.DO为零 此为水中只有Fe2+的必要条件，含铁不含氧，含氧不含铁。 5.有机铁很少见: 必须在有机物含量高时。 二、地下水除铁的方法 去除Fe2+主要方法有： 1.氧化法 (1) 空气氧化法 自然氧化法 接触氧化法 a.天然锰砂； b.其它滤料； c.地层过滤。 以上方法空气氧化法最经济，在实际中应用最普遍。,(2) 药剂氧化法 CL2氧化法 KMnO4氧化法 2.沉淀法（石灰处理法） 3.离子交换法 4.

3、掩蔽法: 当Fe2+很低时，在工业用水中加入某种有机或无机的络合物，使形成Fe3+ ，不发生沉淀。,（一）自然氧化法的原理（曝气氧化法） 1.氧化 反应生成沉淀后分离（沉淀、过滤） 2.亚铁氧化过程 4Fe2+O2+2H2O=4Fe3+4OH- （氧化） Fe3+3H2O=Fe(OH)3+3H+ （水解） 将+： 4Fe2+O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H+ A.实际需氧量,a过剩溶氧系数（一般25）。 B.氧化速度 k反应速度常数，其值与温度有关。,PH、温度对Fe2+的影响速度都很大，PH1，OH-10倍，氧化速度100倍；温度15，反应速度10倍。 低温、低PH氧化速度相当慢，甚

4、至达一周以上，也不能达到完全氧化，此外还受碱度、溶解性硅酸等物质影响(sio230 mg/L). 流程为： O2 CO2 含铁地下水 除铁水 曝 气 氧化反应沉淀 过 滤,曝气的目的： 1.散除CO2 ，提高PH ，增大氧化速度； 2.增加O2； 缺点：1.v低，需采用较厚的滤层； 2.絮凝体附着力很差，工作周期末水质差； 3.工艺流程复杂，占地大费用高； 4.它的适用范围小，受很多因素影响，设计前，最好做实验，不然有可能失败，（PH 7，受还原物质sio2影响）,（二）接触氧化法除铁 1.特点 原水曝气后进入滤层，在滤层中完成氧化和截留过程。 与自然氧化法相比是氧化环境不同。 2.除铁理论

5、天然锰砂除铁的经典理论 3MnO2+O2=MnOMnO2O7 (高价锰) MnOMnO2O7 +4Fe2+2H2O=3MnO2+4Fe3+4OH- 对经典理论的质疑 a.成熟过程，新铺的天然锰砂除铁不明显。 b.包着铁锈，除铁效果不好。 c.冲洗强度大，时间长，催化作用差，初滤水质不理想。 3.铁质活性滤膜除铁理论 经曝气后的水，过滤形成铁的化合物，有催化作用，除铁能力强，国外提出有催化作用的是FeOOH(结晶质),我国试验认为是Fe(OOH)3H2O（活性铁质滤膜）,在滤料表面生成的Fe(OOH)3H2O有催化作用，自然氧化形成的Fe(OH)3无催化能力。,Fe(OOH)3H2O （铁质活性

6、滤膜）接触氧化除铁过程，是铁质活性滤膜首先以离子交换方式吸附水中的二价铁离子。 Fe2+Fe(OH)32H2O=Fe(OH)2(OFe)2H2O+H+ 当水中有溶解氧时，被吸附的二价铁离子在活性滤膜的催化下迅速氧化并水解，从而使催化剂得到再生：,反应生成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。 自动催化作用； 含铁地下水的PH都满足要求，故不受PH限制，扩大了使用范围。 原用锰砂催化理论解释，是不正确的。 作为载体，锰砂、石英砂作用一样，但锰砂和石英砂初期吸附容量是不同的。石英砂吸附能力小，开始效果不好(成熟期一般要2个月), 锰砂吸附能力大，开始就能机械吸附，

7、所以开始效果就好。, 对所有水都适用，曝气目的是溶氧，不要求散除CO2，曝气装置简单、高效。 水中硅酸（SiO2）对接触氧化无干扰。 流程为： O2 含铁地下水 除铁水 曝 气 接触氧化,成熟期 含铁低，成熟期得达一个月以上； 含铁高，成熟期可能78天。 加速石英砂成熟过程： 加FeSO4,提高Fe2+可使Fe2+达100200mg/L,生成滤膜快，3天就可以成熟（人工锈砂）。 （三）CL2化法除铁 2Fe2+CL2=2Fe3+2CL- 每氧化1mg/L Fe2+ ，需0.64mg/ L CL2. 。 PH5氧化的很快，国外用的较多，国内用的较少，主要因成本较高，要有混合、反应、过滤。有时为了

8、省CL2，还要曝气。 水中的有机铁、用CL2氧化效果好。,（四）高锰酸钾除铁法,3Fe2+MnO4-+2H2O=3Fe3+MnO2+4OH- 每氧化1mg/LFe2+需要0.94mg/L KMnO4，实际需要较理论值高。,三、地下水的曝气 曝气的作用： 利用空气中的氧使二价铁氧化时，向水中充氧和散除少量的CO2，以以提高PH值。 四、曝气装置 分类： 1.水为连续介质：气泡式，将空气以气泡形式分散于水中。 2.空气为连续介质：喷淋式：将水以水滴或水膜的形式分散于空气中。,2.水射器曝气,从亨利定律： C气体溶解度； P该气体在水面上的分压力； H亨利系数。 气泡式，P大，所以易与溶O2。 喷淋

9、式，P小，所以易于散除CO2。 ,1.压缩空气曝气 利用空压机进行曝气。,3.配水跌水曝气,4.表面曝气,5.莲蓬头曝气,6.曝气塔,五、地下水除锰,（一）锰的存在形态及性质 1. 二价锰(Mn2+)和(Mn4+)四价锰, Mn4+在天然水中溶解度甚低，不足为害，所以溶解状态的主要是Mn2+。 2.锰和铁共存。 3.水中不含氧O2，是地下水中铁、锰存在的必要条件。 4.提高PH，有利于铁(Fe2+)、锰(Mn2+)的氧化。,（二）除锰的方法 含Mn2+地下水曝气后，经滤层过滤，能使高价锰的氧化物逐渐附着在滤料表面上，形成锰质活性滤膜，使其成为黑色或暗褐色的“锰质熟砂”有接触催化作用，提高氧化速

10、度，使Mn2+在较低的PH条件下，就能氧化为高价锰而从水中除去。 首先Mn2+被滤膜吸附，然后再被溶解氧氧化，又生成新的滤膜物质，这是自动催化过程。催化剂Mn3O4 。 铁的氧化还原电位比锰低， Fe2+对高价锰便成为还原剂，因此，Fe2+能大大阻碍Mn2+的氧化。 2Fe2+MnO2+H2O=2Fe3+Mn2+4OH- 所以，只有在水中基本不存Fe2+在的情况下， Mn2+才能被氧化。,（三）工艺流程 为除锰一般要将水的PH提高到7.5左右，含锰地下水绝大多数低于7.5，所以曝气散除水中CO2，提高PH， 在地下水中既含锰又含铁的情况下，一般要先除Fe2+，后除Mn2+（首先吸附Fe2+，然

11、后吸附Mn2+） 水中Fe2+、Mn2+含量均较低时，可经过一级过滤去除。 其流程为： O2 CO2 消毒 含Fe2+、Mn2+地下水 出水 曝 气 除Fe2+、Mn2+滤池,当Fe2+、Mn2+含量较高时，可采用两级过滤,O2 O2 消 毒 含Fe2+、Mn2+地下水 出水 曝 气 除Fe2+滤池 充分曝气 除Mn2+滤池,单级过滤： 系统简单、费用较低、当Fe2+、Mn2+含量较低时，宜优先考虑采用。 (Mn2+1.5mg/L, Fe2+ 5mg/L),双级过滤： 可靠、但系统复杂、费用较高。 当Fe2+、Mn2+较高，或含Mn2+一般而含Fe2+量很高时，宜采用二级过滤处理流程。,9.2

12、 吸附的类型,9.2.1 吸附 在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象。 固液界面上的吸附： 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。,9.2.2 吸附的分类 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。 2. 化学吸附：由化学键力引起的吸附，只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。 上面二种吸附往往是相伴发生，而不能严格分开，是几种吸附综合作用的结果，可能存在以某种吸附为主。,9.2.3 吸附剂 主要有活性炭、磺化煤、沸石、硅藻土、焦炭、木炭等。 一、活性

13、炭的制造 高温炭化 活化,800900 木材、煤、果壳 炭渣 活性炭 隔绝空气，600 活化剂：ZnCl2 蒸汽高温活化 粉末状活性炭(PAC) 粒状活性炭(GAC)（园柱状、球状），粒径24mm 棒状活性炭(BAC)：50mm，L=255mm,粉末状活性炭(PAC) 去除水中臭味。一般与混凝剂一起连续地投加于原水中，经混合、吸附水中有机和无机杂质后，粘附在絮体上的炭粒大部分在沉淀池中成为污泥后排除，常应用于季节性水质恶化时的间歇处理以及粉末炭投加量不高时。 粒状活性炭(GAC)（园柱状、球状），粒径24mm 可铺在快滤池的砂层上或在快滤池之后单独建造活性炭池，以去除水中有机物，当炭的吸附能力

14、饱和后，可以再生后重复使用。 棒状活性炭(BAC)：50mm，L=255mm,二、 活性炭的细孔构造和分布 1、 比表面积 每g活性炭所具有的表面积。活性炭的比表面积为：5001700m2/g，99.9%的表面积，在多孔结构颗粒的内部。 2、 细孔构造 小孔：2nm，0.150.90mL/g，占比表面积的95%以上，起吸附作用，吸附量以小孔吸附为主。,过渡孔：2100nm，0.020.10mL/g，占比表面积5%，吸附量不大，起吸附作用和通道作用。 大孔：1001000nm，0.20.5mL/g，占比表面积很小，吸附量小，提供通道。,9.3 吸附等温线与吸附速度,9.3.1 吸附平衡 1、定义

15、 当吸附质的吸附速率=解吸速率（即V吸附=V解吸），即在单位时间内吸附数量等于解吸的数量，则吸附质在溶液中的浓度C与在吸附剂表面上的浓度都不再变时，即达到吸附平衡，此时吸附质在溶液中的浓度C叫平衡浓度。,2、吸附量q(g/g) 衡量吸附剂吸附能力的大小，达到吸附平衡时，单位重量的吸附剂（g）所吸附的吸附质重量（g）。 式中：V废水容积；W活性炭投量，g C0废水吸附质浓度（g/L） C吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度(g/L) 平衡浓度 q=f(C、T)，当T不变时，即T恒定，则q=f(C)，叫吸附等温线。,3、吸附等温线 在一定T下，q随平衡浓度C变化的曲线（q=f(C)）叫吸附等温线。用数学

16、公式描述则叫吸附等温式。 4、吸附等温式（三种） 朗谬尔公式 表示I型吸附等温线的有费兰德利希公式 表示II型吸附等温线的有BET公式,(1) 朗谬尔公式： 取倒数式：,(2) 费兰德利希经验公式： 适于中等浓度吸附 式中：K、n常数； C吸附质平衡浓度（g/L） q吸附量 取对数： （9-5） 1/n越小，吸附性能越好，1/n=0.10.5，容易吸附； 1/n2，则难吸附。1/n较大时，即吸附质平衡浓度越高，则吸附量越大，吸附能力发挥的也越充分，这种情况最好采用连续吸附，反之采用间歇吸附。,(3) BET公式（多层吸附） （10-6） 式中: qo单分子吸附层的饱和吸附量，g/g Cs吸附质

17、的饱和浓度，g/L B常数；C平衡浓度，g/L,BET公式可以适应更广泛的吸附现象 吸附量q是选择吸附剂和吸附设备的重要参数，q决定吸附剂再生周期的长短，q越大，再生周期越长，再生剂用量及其费用越小。q通过吸附试验来确定。,9.3.2 吸附速度 , 单位: 吸附速度V决定了废水和吸附剂的接触时间，V越大，则接触时间越短，所需设备容积就越小，反之亦然。,吸附过程一般分为3个阶段： 1、液膜扩散（颗粒外部扩散）阶段 在吸附剂颗粒周围存在着一层固定的溶剂薄膜。当溶液与吸附剂作相对运动时，这层溶剂薄膜不随溶液一同移动，吸附质首先通过这个薄膜才能到达吸附剂的外表面，所以吸附速度与液膜扩散速度有关。 2、

18、颗粒内部扩散阶段 经液膜扩散到吸附剂表面的吸附质向细孔深处扩散。 3、吸附反应阶段：吸附质被吸附在细孔内表面上。 吸附反应速度非常快，V主要取决于第I、II阶段速度，而颗粒外部扩散速度U=f(c、d、搅动程度),溶液浓度C，则U 颗粒直径d，则U 加强搅动，则U 而颗粒内部扩散速度V=f（细孔大小与构造，吸附质的d） 吸附剂颗粒直径d，V。 d的大小对内、外部扩散都有很大影响，d,V。所以，粉末状活性炭比粒状活性炭的吸附速度要快，接触时间短，设备容积小。,9.3.3 吸附的影响因素 1、吸附剂的性质 吸附剂的种类、颗粒大小、比表面积，颗粒的细孔构造与分布、吸附剂是否是极性分子等。 2、吸附质的

19、性质 （1）溶解度：越低越容易吸附，具有较大的影响。 （2）使液体表面自由能W降低得越多的吸附质则越容易被吸附。,（3）极性： 极性吸附剂易吸附极性的吸附质。 （物以类聚） 非极性吸附剂易吸附非极性的吸附质。 （4）吸附质分子的大小和不饱和度。 活性炭：易吸附分子直径较大的饱和化合物 合成沸石：易吸附分子直径小的不饱和化合物 （5）吸附质的浓度较低时，提高C可增加吸附量。 以后C，q增加很小，直至为一定值。,3、废水的PH值 活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中吸附效果较好。 4、共存物质：对于物理吸附，共存多种物质时的吸附比单一物质时的吸附要差。 5、温度：对于物理吸附，T高则不利，吸附量减

20、少。 6、接触时间：应保证吸附达到平衡时的时间，而该时间的大小取决于吸附速度V，V大则所需时间短。,9.4 吸附操作方式,9.4.1 静态吸附 使废水与吸附剂搅拌混合，而废水没有自上而下流过吸附剂的流动，这种吸附操作叫静态吸附。 9.4.2 动态吸附 废水通过吸附剂自上向下流动而进行吸附。,1、吸附设备 （1）固定床：吸附剂在床中是固定的，废水自上而下流过吸附剂。 单床式、多床串联式、多床并联式。 按水流方向又可分：升流式与降流式。 （2）移动床：接近饱和的吸附剂从塔底间歇排出，每次卸出总填充量的（520）%，同时从塔顶投加等量再生炭或新炭。 （3）流化床：吸附剂在塔内处于膨胀状态。,（4）吸

21、附终点：出水浓度Cb为(0.900.95)Co时所对应的出水总体积的穿透曲线上的那一点叫吸附终点（耗竭点）。 （5）吸附带长度：从ta到tb的t时间内，吸附带所移动的距离叫吸附带长度 （6）吸附带的移动速度V吸附带=/ t VL （210m/h）,各柱的吸附量相等时的运行状态（面积A=面积B）视为达到了稳定运行状态。面积A为图10-1中第1条曲线与第2条曲线所包含的面积，面积B为第2条曲线与第3条曲线所包含的面积。,2、吸附容量的利用。 当吸附柱出水浓度达到穿透时，但此时吸附柱内的吸附剂并未完全饱和，仍能吸附相当数量的吸附质，直至出水浓度等于Cb（吸附终点）为止。这部分吸附容量应该充分利用。也即是充分利用吸附带的吸附容量。,（1）采用多床串联操作（图10-2） IIIIII串联运行； IIIII串联运行 IIII串联运行。,（2）采用升流式移动床操作（图10-3） 从底部排出的吸附剂都是接近饱和的，从而充分利用了吸附剂的吸附容量。,9.4.3 吸附剂