重点：给水工程复习资料

1、给水工程概论【水源水质】 ：原水杂质：原水杂质来源： 自然过程： 地层矿物质溶解、水中微生物繁殖、水流冲刷、泥沙、腐殖质 人为因素： 工业废水、农业污水、生活污水 原水杂质分类： 悬浮物 1um-1mm ； 胶体 10nm-100nm ； 溶解物 0.1nm-1nm ； 悬浮物与胶体杂质：- 悬浮物尺寸较大、易于在水中下沉或上浮。- 胶体颗粒尺寸较小、在水中长期静止难以下沉。- 水中胶体：粘土、细菌、病毒、腐殖质、蛋白质、有极高分子物质。- 天然水中胶体一般带负电荷。 注：使水中产生浑浊现象的根源：悬浮物和胶体。 饮用水处理的主要去除对象：悬浮物和胶体。【水质标准】 ： 水质标准：即用水对象所

2、要求的各项水质参数应达到的指标和限制。生活饮用水水质标准： 感性性状和一般化学指标： 注：色度：不超过 15 度，并不得呈现异色。 浑浊度：不超过 3，特殊情况不超过 5 度。 臭和味：不得有异臭、异味。注：浊度即 1L 蒸馏水中含有 1mg白陶土或高岭土。毒理学指标： 细菌学指标： 注：细菌总数： 100 个 /mL； 总大肠菌数： 3 个 /L; 游离余氯：在与水接触 30min 后应不低于 0.3mg/L;放射性指标：【给水处理方法】 ：澄清和消毒：- 生活饮用水 地表水 常用处理工艺：澄清和消毒。- 澄清工艺包括：混凝、沉淀、过滤。- 处理主要对象：水中悬浮物和胶体杂质。- 消毒：灭活

3、水中致病微生物； 通常在过滤之后。- 主要消毒方法：投加消毒剂杀灭致病微生物。- 生活饮用水常规处理工艺：- 即：“混凝 - 沉淀 - 过滤 - 消毒”。除臭、除味：- 有机物臭味：活性炭吸附 / 氧化法去除。- 溶解性气体：曝气法去除。除铁、除氯：- 常用方法：自然氧化法、接触氧化法。软化：- 处理对象：主要是水中钙、镁离子- 软化方法：离子交换法、药剂软化法。淡化、除盐：- 除盐：制取纯水及高纯水的处理过程。- 淡化和除盐主要方法：蒸馏法、离子交换法、电渗析法、反渗透法。水的冷却：- 水作为冷却介质：水热容大 - 吸收和传递热量的良好介质。- 水的冷却一般采用：冷却塔。 生活饮用水预处理和

4、深度处理：- 饮用水主要处理对象：水中悬浮物、胶体、致病微生物。- 常规处理工艺：混凝、沉淀、过滤、消毒。- 预处理和深度处理主要对象： 水中有机污染物 - 饮用水处理厂- 预处理方法： 活性炭法吸附法、臭氧氧化法、生物氧化法、- 深度处理主要：粒状活性炭吸附法、生物活性碳法、- 深度处理法基本作用原理： 吸附 - 氧化 - 生物降解 - 膜滤 即：或者利用吸附剂的吸附能力去除水中有机物； 或者利用氧化剂的强氧化能力分解有 机物；或者利用生物氧化法降解有机物；或者利用膜滤法去除大分子有机物。【混凝机理】 ： - 混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物聚集过程。或：向水中投加药剂（混凝剂）使水中粒径微

5、小的悬浮物和胶体离子凝结成较大的絮 凝体（矾花） 。- 凝聚：水中胶体脱稳 - 胶体失去稳定性的过程。- 絮凝：脱稳胶体相互聚集。- 混凝：凝聚和絮凝。水中胶体稳定性：- 胶体稳定性：指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。- 胶体稳定性：动力学稳定 +聚集稳定。 动力学稳定：指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力 . 颗粒愈小，动力学稳定性愈高 聚集稳定性：指胶体粒子之间不能相互聚集的特性。 粒子表面同性电荷斥力作用 - 胶体稳定性：关键 - 聚集稳定性。混凝机理：- 混凝剂对水中胶体粒子混凝作用有三种：电性中和、吸附架桥、卷扫作用- 混凝作用取决于：混凝剂种类、投加量、胶体粒子性质、水的PH

6、 值。电性中和：- 根据 DLVO理论：要使胶体粒子通过布朗运动相撞聚集，必须降低或消除排斥能峰。- 吸收势能与胶粒电荷无关，主要取决于构成胶粒的物理性质、尺寸和密度。- 降低排斥能峰的办法即：降低或消除胶粒的电位 即在水中投加电解质 。 【水中负电荷胶粒 - 投入的电解质 - 混凝剂为正电荷离子或聚合离子； 若正电荷离子是简单 离子-Na、Ca、Al- 作用是压缩胶体双电层； 排斥能峰 Emax=0时，胶粒发生聚集作用， k 电位：临界电位 ；水中铝岩投量过多，水中负电荷胶体变为正电荷胶体； 】- “吸附 - 电性中和作用”吸附架桥 :- 吸附作用 : 带异性电荷、不带电、同性电荷。【混凝剂

7、和助凝剂】- 饮用水混凝剂基本要求：混凝效果好、对人体无害、使用方便、货源充足。- 水处理使用的无机混凝剂主要是：铁盐、铝盐及混合物。- 常用的无机混凝剂：硫酸铝、聚合铝、三氯化铁 - 硫酸亚铁、聚合铁。 硫酸铝 ： - 采用固态硫酸铝：运输方便- 缺点：水温低，硫酸铝水解困难，形成的絮凝体松散，效果不好。 聚合铝 ： - 包括：聚合氯化铝（ PAC）和聚合硫酸铝 （PAS） 。- 聚合氯化铝能形成聚合阳离子，起电性中和、吸附架桥作用。- 优点： 投加量少于硫酸铝； 对水的 PH值变化适应性强； 聚合氯化铝投入水中其产物的成 分确定；- 碱化度：主要决定羟基 OH和铝 AL 的摩尔数之比。OH

8、即： B=3Al ×100- 一般铝盐（硫酸铝、氯化铝） 投入水中进行水解聚合反应， 其产物受水 PH 值及铝盐浓度 影响。 三氯化铁 ： - 三氯化铁： FeCl3H2O- 水合铁离子水解、聚合反应。- 优点： 三价铁适用的 ph 值范围较宽； 形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实； 处理低温水或低 浊水效果优于硫酸铝；- 缺点：三氯化铁腐蚀性较强，且固体产品易吸水潮解，不宜保管。 - 聚合效果：聚合氯化铝 三氯化铁 硫酸铝【助凝剂】- 通常是高分子物质：作用是为了改善絮凝体结构，促使絮粒密实- 作用机理：高分子物质吸附架桥。【混凝动力学】 ：- 要是杂质颗粒或杂质与混凝剂之间发生絮凝，其

9、必要条件是：使颗粒之间相互碰撞。- 推动水中颗粒相互碰撞的动力来自： 颗粒在水中的布朗运动 - 异向絮凝：由布朗 运动造成的颗粒碰撞絮凝聚集 水力或机械搅拌造成的流体运动 - 同向絮凝：由流体运动造成的颗粒碰撞聚集异向絮凝：- 颗粒絮凝速率取决于碰撞速率，即颗粒碰撞速率：2Np=8 dDb· n-Np ：异向絮凝碰撞速率，即： 1/cm3.S ；-d ：颗粒直径；-Db ：布朗运动系数；-n: 颗粒数量浓度；同向絮凝：- 速度梯度：相邻两层水流的速度差与两层间的距离之比。 机械搅拌： 即：G=- ：水动力粘度 -pa.S;-p: 单位流体所消耗的功率 -w/m3;-G: 速度梯度；

10、水力絮凝：PV=pgGh;V=QT;G=-V ：水流体积；-g ：重力加速度；-h ：水头损失；- ：水的运动粘度；-T: 水流在混凝设备停留时间；混凝控制指标：- 混凝过程：混合 +絮凝； 混合阶段 ：剧烈搅拌水流 - 使药剂快速均匀分散于水中利于混凝剂快速水解、 聚合、 颗 粒脱稳； 混合要快速剧烈： 10-30s 最多 2min； 搅拌强度：速度梯度 G=700-1000s1 ； 混合絮凝 - 异向絮凝； 絮凝阶段 ：主要依靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚； 絮凝 - 同向絮凝； 同向絮凝效果：与 G值、絮凝时间 T 有关； 速度梯度： G=20-70s1； TN-整个絮凝时间内单位体积

11、流体颗粒碰撞次数；平均GT=1×104-1 ×105；影响混凝效果主要因素：水温影响： 无机盐混凝剂水解是吸热反应，低温水混凝剂水解困难，尤其是硫酸铝； 低温水粘度大，水中杂质颗粒布朗运动强度减弱，碰撞机会减少，不利于颗粒脱稳凝 聚；水粘度大，水流剪力增大，影响絮凝体成长； 水温低，导致胶体颗粒水化作用增强，妨碍胶体凝聚； 水温与水 PH有关。水温低时，其 PH提高，则混凝最佳 PH值也提高；注：提高低温水混凝效果的方法： 增加混凝剂投加量 +投加高分子助凝剂。- 常用的助凝剂：活化硅酸。水的 ph 值和碱度影响：去除浊度：最佳 ph值=6.5-7.5 絮凝作用主要是氢氧化

12、铝聚合物 -吸附架桥 ;羟基配合物- 电性中和 ； 去除色度： ph 值 =4.5-5.5 ；- 混凝剂为三价铁： 适用的 ph 值范围较宽 去除浊度：ph=6.0-8.4 ；去除色度： ph=3.5-5.0 ； - 混凝剂为硫酸亚铁：通常用氯化法 ;- 聚合氯化铝：对水的 ph 值变化范围适应性较强；石灰投量估算：即：每投加 1mmol/L Al 2（SO4）3需石灰 3mmol/L CaO.即： CaO=3a -x+CaO- 纯石灰 CaO投量： mmol/L ；a- 混凝剂投量： mmol/L ；x- 原水碱度： mmol/L CaO ； - 保证反应顺利进行的剩余碱度：取 0.25-0

13、.5mmol/L （ CaO）；典型例题：某地表水源总碱度为 0.2mmol/L 。市售精制硫酸铝（含 Al 2O3约 16）投量 28mmol/L。试估 算石灰（纯度为 50）投量为多少 mg/L。解：投药量折合 Al 2O3 为：28mmol/L× 16=4.48mg/LAl 2O3 分子量为 102，故投药量相当于： 4.48/102=0.044mmol/L.剩余碱度取 0.37mmol/L ，则： CaO=3 ×0.044-0.2+0.37=0.3mmol/L 。CaO分子量为 56，则市售石灰投量为：0.3 × 56/0.5=33mg/L3、水中悬浮物浓

14、度影响：- 为提高低浊度原水混凝效果，采取措施： 投加铝盐或铁盐时，投加高分子助凝剂。 投加矿物颗粒以增加混凝剂水解产物的凝结中心， 提高颗粒碰撞速率， 增加絮凝体密度。 采用直接过滤法。 聚合氯化铝作为处理高浓度浊度水效果好。- 投加高分子助凝剂；吸附架桥 +电性中和；混合设备：- 混合设备基本要求： 药剂与水混合必须快速剧烈、混合均匀； 保证充分混合条件，水头损失不易太大； 混合时间不超过 2min ；- 主要混合设备：水泵混合、管式混合、机械混合；1 ）水泵混合：- 药剂投加在取水泵房吸水管、 吸水喇叭口处 - 利用水泵叶轮高速旋转以达到快速混合目 的；- 当取水泵房距水厂处理构筑物较远

15、时，不宜采用水泵混合；- 水泵混合：通常用于取水泵房靠近水厂处理构筑物，两者间距不宜大于150m。2 ）管式混合：即：将药剂直接投入水泵压水管以借助管中流速进行混合。- 管中流速不宜小于 1 m/s ；投药点管内水头损失不小于 0.3-0.4m 。3） 机械混合池：- 混合时间： 10-30s ，最大不超过 2min ；- 优点：混合效果好，不受水量变化影响；- 应避免水流同步旋转而降低混合效果；絮凝设备：- 絮凝设备：水力搅拌式、机械搅拌式；1）隔板絮凝池：- 为避免絮凝体破碎，管道流速及水流转弯处流速应沿程减小； G 值也沿程减小；- 优点：构造简单，管理方便；缺点：流量变化大者，絮凝效果

16、不稳定，絮凝时间较长；- 隔板絮凝池主要设计参数：廊道流速：起端： 0.5-0.6m/s 末端： 0.2-0.3m/s ； 即：流速沿程减小；为达到流速递减目的：隔板间距逐段放宽，池底相平； 隔板间距相等，池底逐渐降低； 为减小水流转弯处水头损失，转弯处过水断面： 1.2-1.5 絮凝时间一般采用 20-30min ； 隔板间净距一般大于 0.5m，以便于施工和减肥； 为便于排泥，池底坡度： 0.02-0.03 ，并设 150mm排泥关；2 ）折板絮凝池：- 折板絮凝池组合顺序：即异波同波平板；- 折板絮凝池主要设计参数 ;第一段： 0.25-0.35 ；第二段： 0.15-0.25 ； 第三

17、段： 0.1-0.15 ；- 折板絮凝池优点：水流在同波、异波之间曲折流动，形成小漩涡，提高颗粒碰撞絮凝效 果；水流条件得到改善；混凝剂溶解和溶液配制：- 混凝剂投加分为：固体投加 + 液体投加。- 溶解池、搅拌装置、配件，均应有防腐措施：采用FeCl3 要注意。 FeCl 3 溶解时要放出大量热，当溶液浓度为 20时，溶液温度可达到 70左右。- 溶解池：一般建于地面以下便于操作，池顶一般高出地面约 0.2m 左右。 即：溶解池容积 W1 计算：W 1 = ( 0.2-0.3 ) W2-W2 ：溶液池容积。- 溶液池容积：24×100aQaQW2 = =21000× 10

18、00cn417cnW2- 溶液池容积； m3 ；Q-处理水量： m3/h;a-混凝剂最大投加量：mg/L;C-溶液浓度：一般取5-20 ；N-每日调制次数，一般不超过 3 次；混凝剂投加：- 混凝剂投加设备：计量设备、药液提升设备、投药箱、水封箱、注入设备。- 投加方式：常用投加方式： 泵前投加 - 药液投加在水泵吸水管或吸水喇叭口处。 - 适用于取水泵房距 水厂较近者。- 水封箱：防止空气进入而设。 高位溶液池重力投加：安全可靠，但溶液池位置较高。 设备：溶解池、溶液池、提升泵、水封箱、浮球阀、流量计、调节阀、压水管 水射器投加： 泵投加：- 干投法优点：设备占地少、易调节排渣容易。一、沉淀

19、和澄清1.1 悬浮颗粒在静水中沉淀- 沉淀：水中悬浮物颗粒依靠重力作用从水中分离出来的过程。- 沉淀分类：自由沉淀；拥挤沉淀；絮凝沉淀；悬浮颗粒在静水中的自由沉淀：- 悬浮颗粒在静水中沉淀速度取决于：颗粒在水中重力F1、颗粒下沉阻力 F2；4 g 1/2- 沉速基本公式： =3 C 错误 !d 1/2- 沉淀池分类：竖流式、平流式、辐流式； 初沉池、二沉池 ;- 选择依据： 水量规模、 进水水质条件、 出水水质、 地形条件、 占地面积、 造价、 运行经验； 悬浮颗粒在静水中拥挤沉淀：即：当大量颗粒在水中下沉时， 被排挤水体有一定流速， 使颗粒受到的水阻力增加，颗粒相 互干扰的过程。- 拥挤过程

20、：明显的浑水、清水分界面：混液面 气浮：浊度低、色度大、藻类多、溶解氧耗氧量高的原水；1.2 平流式沉淀池非凝聚性颗粒沉淀过程： 理想沉淀池：颗粒处于自由沉淀状态：即沉淀过程中，颗粒大小、密度不变。即：颗粒沉速始终不变； 水流沿着水平方向进行。过水断面：流速不变、流动过程中流速不变； 颗粒沉到池底即认为被去除，不再返回水流中；Q- 沉淀池原水其水平流速： =h0B式中： - 水平流速， m/s;Q-流量， m/s;H 0- 水平截面高度；B-水平截面宽度；- 截留沉速 0：反映沉淀池所能全部去除颗粒中的最小颗粒沉速。即：凡是沉速等于或 大于沉速 0的颗粒全部被沉淀。 0- 颗粒截留沉降速度；即

21、：截留沉速 0= QLB式中： LB- 即沉淀池水面表面积 A；Q - 单位沉淀池表面积产水量；LBQ- 即： 0=A : 表面负荷 / 溢流率； 表明：表面负荷在数值上等于截留沉速。但含义不同。- 截留沉速：表示沉淀池自池顶开始下沉所能全部去除颗粒中的最小颗粒沉速；- 表面负荷：单位沉淀池表面积产水量；i 的颗粒去除百分率 E。- 为求沉淀池总的沉淀效率，先求某一特定颗粒即具有沉速 注：特定颗粒沉速 i 截留沉速 0。- 某特定颗粒去除率公式： E= ii 0即： E=Q/Ai 注：悬浮颗粒在理想沉淀池中去除率唯一因素：沉淀池表面负荷；而与其他因素：水深、池 长、水平流速、沉淀时间均无关；1

22、）当去除率一定时：颗粒沉速 i 越大则表面负荷越高，亦即产水量越大；或当产水量和 表面积不变时， i 越大，则去除率 E 越高。颗粒沉速 i 大小与絮凝效果有关；2) 颗粒沉速 i 一定时：增加沉淀池表面积可以提高去除率。当沉淀池容积一定时，池身浅则表面积大，去除率可以高。即“浅池理论”3) “具有沉速 i 颗粒( i < 0)去除率”影响平流式沉淀池沉淀效果因素：- 实际平流式沉淀池偏离理想沉淀池条件的主要因素：1 )沉淀池实际水流状况：- 理想沉淀池水流稳定、流速均匀，其理论停留时间：即： t 0 =V/Q- “短流 " 原因：进水惯性作用； 出水堰产生的水流抽吸； 较冷、

23、较重的进水产生异重流； 风浪引起短流； 池内刮泥设施；- 沉淀池：通常要求降低雷诺数以利于颗粒沉降。- 异重流：即进入较静而具有密度差异水体的一股水流；- 水流稳定性： FR= 2/Rg式中： FR- 弗劳德数；R-水力半径；- 水平流速；G-重力加速度；即： FR越大，表明惯性力作用越大，重力作用相对减小，水流对温差、密度差异重流等影响的抵抗能力强，使沉淀池流态保持稳定。一般平流式沉淀池：FR数宜大于 10-5 ；- 平流式沉淀池中，降低 Re 和提高 FR数有效措施：减小水力半径； 即：池中纵向分格、斜板、斜管沉淀池。- 沉淀池增大水平流速：一方面提高了Re 数：不利于沉淀；另一方面提高了

24、FR 数： 增加水流稳定性，提高沉淀效果；- 沉淀池水平流速：宜为 10-25mm/s2) 凝聚作用影响：- 实际沉淀池沉淀时间、水深：影响沉淀效果；3 )水流紊动性、稳定性： 平流式沉淀池构造：- 平流式沉淀池：进水区、沉淀区、存泥区、出水区。- 使水流从絮凝池1 )进水区作用：使水流均匀分布在整个进水截面上，并尽量减小扰动。 直接流入沉淀池。- 为防止絮凝体破碎，孔口流速不宜大于： 0.15-0.2m/s;2) 沉淀区：要降低沉淀池水流 Re数和提高水流 FR数，必须设法减小水力半径。- 采用导流墙将平流式沉淀池进行纵向分割可减小水流半径，改善水流条件。沉淀区高度：沉淀区长度：与净水构筑物高程有关，一般为3-4m；决定于水平流速和停留时间 T;即： L =T ；沉淀区宽度：决定于流量 Q、池深 H、水平流速：Q 即： B=HQ3) 出水区：均匀收集沉淀池上层清水，避免带出絮凝体； 其孔口流速一般为 0.6-0.7m/s;- 为缓和出水区附近流线过于集中，应尽量增加出水堰长度，以降低流量负荷；3 其堰口溢流率一般小于 500m3/(m· d);4) 存泥区：平流式沉淀池基本采用机械排泥措施；- 机械排泥措施：充分发挥沉淀池容积利用效率，且排泥可靠； 平流式沉淀池设计计算：- 设计平流式沉淀池主要控制指标：表面负荷或停留时间。- 沉淀池停留时间或表面负荷：应根据原水