第五章-给水方法概述及混凝-1改

1、第五章 给水处理工艺概述及絮凝原理和设计水质净化的常规工艺絮凝原理絮凝池的类型及工程设计水质净化技术常规净水技术水的深度处理技术预处理技术特种水质处理技术第一节 给水处理工艺概述常规净水技术去除对象：水源水中的悬浮物、胶体物和病原微生物等。饮用水常规处理工艺所使用的处理技术有混凝、沉淀、澄清、过滤、消毒等。由这些技术所组成的饮用水常规处理工艺目前仍为世界上大多数水厂所采用，在我国目前95%以上的自来水厂都是采用常规处理工艺，因此常规处理工艺是饮用水处理系统的主要工艺。常规净水技术局限性1.对于有机污染物，常规水处理技术及其工艺的去除作用十分有限，国内外的研究结果结果表明，常规处理工艺只能去除水

2、中有机物的20%左右，特别是对于水中溶解状的有机物，除了极少量的有机物会被吸附在矾花和滤料表面上，常规处理工艺基本上没有去除效果。 2.对高含氨氮废水处理效果有限。高氨氮水增加了消毒剂的用量，从而增加了消毒副产物的产生量。3.饮水用的水质生物稳定性问题。 理想的饮用水中应该不含有有机物，因此异养微生物无法在自来水中大量繁殖。但受有机污染后的水源经处理后仍含一定量的有机污染物，在管网或高位水池，存在消毒剂备分解后重新产生微生物或细菌滋生的问题。 水的深度处理技术 当饮用水的水源受到一定程度的污染，又无适当的替代水源时，为了达到生活饮用水的水质标准，在常规处理的基础上，需要增设深度处理工艺。1.活

3、性炭吸附 在常规处理的基础上去除水中有机污染物最有效最成熟的水处理深度处理技术。 2.臭氧氧化 臭氧是一种强氧化剂，它可以通过氧化作用分解有机污染物。臭氧可以分解多种有机物、除色、除臭。 但臭氧可以将部分有机物分解成更多的小分子有机物，从而增加了产生消毒副产物的可能性和水的生物不稳定性。 水的深度处理技术3.生物活性炭 主要与臭氧氧化结合使用，变活性炭吸附滤床为生物活性炭滤床。4.膜分离技术 膜分离技术是一种以压力为推动力、利用不同孔径的膜进行水与水中颗粒物质（广义上的颗粒，可以是离子、分子、病毒、细菌、黏土、沙粒等）筛除分离的技术。 根据膜孔径从大到小排列，可以把膜滤分为微滤、超滤、纳滤和反

4、渗透4种。 水的预处理技术 预处理是针对传统工艺的缺陷，为了强化水处理工艺、改善处理出水水质，在常规处理工艺之前，采用一定的物理、化学或生物的方法，对水中污染物进行初步去除，特别是去除那些常规工艺不能有效去除的污染物，使常规工艺更好的发挥作用，减轻常规处理和深度处理的负担，更好地发挥水处理工艺的整体作用。 1.氧化法 化学氧化：臭氧、二氧化氯、高锰酸盐 生物氧化： 生物预处理是指在常规净水工艺前增设生物处理工艺，借助于微生物的新陈代谢活动，对水中的氨氮、有机污染物、亚硝酸盐、铁、锰等污染物进行初步的去除，减轻常规处理和深度处理的负荷。 生物滤池、生物流化床、生物接触氧化等生物膜法处理工艺。 水

5、的预处理技术2.吸附法 投加吸附剂，对水中污染物吸附而去除，主要采用粉末活性炭。3.强化混凝 强化混凝是指在混凝处理中投加过量的混凝剂、新型混凝剂或助凝剂、或者是其他的药剂，通过加强混凝与絮凝作用，使常规处理工艺尽可能多地去除水中的有机物和消毒副产物的前体物（主要指腐殖酸、富里酸等有机物）。 如采用铁盐混凝剂代替铝盐混凝剂，新型絮凝剂：聚硅酸盐铁盐、聚硅酸盐铝盐。 常规处理对水中溶解有机物的去除效果一般在10%20%，通过强化混凝可以把去除率提高到25%30% 特种水质处理技术 除铁、除锰 除藻 除氟 过硬源水的软化、苦咸水淡化、海水淡化 除铁和除锰当溶解于地下水中的铁、锰含量超过生活饮用水卫

6、个标准时，需采用除铁、锰措施。最广泛的除铁、锰方法是氧化法和接触氧化法。氧化法：曝气装置、氧化反应池和沙滤池；接触氧化法：曝气装置和接触氧化滤池。 机理：使溶解性的二价铁和锰经过氧化转化成三价铁和四价锰而形成不溶性的沉淀去除。除藻 藻类个体大小一般在2-200m，其种类繁多，均含叶绿素。淡水藻产生藻毒素，尤其是蓝藻。蓝藻是绝大部分富营养化水体中的优势藻类。藻类对水处理的影响：1.对混凝的影响 增加混凝剂的用量，降低混凝效果。2.干扰过滤 会在滤料表面生长，堵塞过滤。3.对净水构筑物的影响 其附着在构筑物表面，影响其感管，并增加清洗的次数和难度。4.藻类致臭5.产生藻毒素，影响出水水质，危害人体

7、健康。6.致使消毒副产物产生 除藻 除藻方法1.加药灭藻法 加氯、二氧化氯、投加助凝剂（二甲基二烯丙基季铵盐聚合物 等）、投加粉末活性炭、高锰酸盐、人工加泥或石灰。2.过滤除藻 通过滤料的截留除藻，采用较小的过滤流速，小于3m/h。3.气浮法除藻 藻类密度一般较小，投加混凝剂后形成的絮凝体不易沉淀，采用气浮则可以取得较好的除藻效果。这对低浊度、高色度水更为合适。4.混凝法除藻 藻细胞表面电荷为负电荷。 采用混凝法除藻时应根据藻的种类选择药剂。 5.生物除藻 生物滤池工艺是生物除藻的一种，主要是利用生物膜上的微生物对藻类的絮凝、吸附作用，使其被沉降、氧化或被原生动物吞噬。 除藻 除藻毒素方法1.

8、活性炭吸附2.光降解与光催化氧化3.臭氧氧化4.化学药剂氧化5.膜技术 膜技术可以将绝大部分的藻毒素分子去除，但如果水厂使用膜技术，其成本会相当的高。法国、美国在10000m3/d以上的水处理厂中已有使用膜技术的处理工艺。 6.生物处理 第二节絮凝原理及絮凝反应池工程设计 混凝处理是向水中投加混凝剂，使水中的胶体颗粒和细小的悬浮物相互凝聚长大，形成具有沉淀性能良好，尺寸较大的絮状颗粒（矾花），使之在后续的沉淀工艺中能够有效的从水中重力沉淀下来。 混凝阶段所处理的对象：水中的悬浮物和胶体杂质. 一 概述基本概念混凝：就是向水中投加混凝剂，使水中胶体颗粒和混凝：就是向水中投加混凝剂，使水中胶体颗粒

9、和微小悬浮物脱稳聚集成大颗粒的过程。是凝聚和絮微小悬浮物脱稳聚集成大颗粒的过程。是凝聚和絮凝的总称。凝的总称。凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。混凝过程涉及：水中胶体的性质；混凝剂在水混凝过程涉及：水中胶体的性质；混凝剂在水中的水解；胶体与混凝剂的相互作用。中的水解；胶体与混凝剂的相互作用。 混凝法 给水处理中应用非常广泛的方法。它可以用来降低原水的浊度，色度等感官指标，去除多种高分子有机物，某些重金属物和放射性物质；它可以自成独立的处理系统，又可以与其他处理单元过程进行组合。混凝用途 生活饮

10、用水处理、工业废水处理、城市污水三级处理、污泥处理等。 投药是混凝的必要前提，混合、反应是混凝工艺的两个过程，结合原水性质选用性能良好的药剂，创造适宜的化学和水力条件是混凝工艺上的技术关键。 本节将研究浑水的稳定性、混凝原理、混凝剂和助凝剂、 投药设备、混合及反应设备。 重点讲授：凝聚原理、絮凝原理、絮凝设计方法。二 胶体的稳定性 亲水胶体和憎水胶体 与水分子有很好的亲合力的胶体称为亲水胶体，亲水胶体的固体部分因此包在一个大水壳中。 蛋白质、碳氢化合物及许多复杂的有机化合物大分子等为亲水胶体。 憎水胶体不发生水合现象，不能在水中自发地形成胶体溶液，已形成的憎水胶体溶液静置足够长的时间后，胶体能

11、从水中自发分离出来。胶体特性：胶体特性：（1） 颗粒尺寸很小（2） 稳定而不沉淀（3） 使水产生浑浊（4） 胶体颗粒表面带电 v胶体间的双电层结构胶体间的双电层结构1 胶粒的带电现象 电泳（胶体粒子的运动） 和电渗（液体的运动）现象可证明胶粒带电。胶体颗粒表面带电的原因：v胶体颗粒结晶中的晶格取代作用v胶体颗粒表面对水中离子的选择性吸附v胶体颗粒表面与水作用后溶解并电离v胶体颗粒表面某些化学基团在水中电离2 2 胶粒的的双电层结构胶粒的的双电层结构 为了从理论上解释胶粒的带电现象，胶体化学发展了胶粒（胶团）构造的双电层理论：“整个粘土胶团由胶核、吸附层、扩散层（漫散层）所组成。” v胶核表面上

12、的离子和反离子之间形成的总电位称为胶体的总电位、热力电位（0电位）（实际中总电位很难测量）v胶体移动时在滑动面上所表现出来的电位称为电动电位（电位）。越大，扩散层越厚，胶体颗粒斥力大，稳定性强。v胶体颗粒表面的电位形成离子和反离子的结构称为胶体的双电层结构。v电位愈高，静电斥力愈大，胶粒愈稳定，要降低静电斥力，必须降低电位，则应大量加入电解质，使溶液中正离子浓度增加，使与胶核表面吸附的离子带有相反电荷的离子进入吸附层，使电位的绝对值降低，扩散层的异电离子数目减少，并变薄。 v胶体之间的相互作用胶体之间的相互作用 静电斥力排斥势能静电斥力排斥势能 范德华力吸引势能范德华力吸引势能 v一般天然水中

13、胶粒的Emax为几千KT,为分子热运动动能的数千倍，当Emax为25KT时即可认为胶体处于稳定状态，因布朗运动的能量才4KT，因此胶粒靠布朗运动的能量是不能相互靠近发生凝聚的。v如果在胶体溶液中加入电解质，压缩扩散层的厚度d,降低电位。当0.03伏时，排斥势能降低，若布朗运动的动能大于最大排斥能峰，就可使两胶粒的间距缩小到d0),一般为最优5-10mv。 高分子混凝剂的效果特别优异，某些电中性、负电荷、高分子混凝剂也能起到凝聚作用。凝聚效果 凝聚效果符合叔采哈第法则。凝聚效果同原子价有关，价数越高，用量越省，或者说高价正离子压缩扩散层远比低价离子有效。 同价的各种离子的凝聚能力同原子序号是一同

14、价的各种离子的凝聚能力同原子序号是一致的。致的。 如，如，+ +NHNH4 4+ + Na Na+ + K K+ +v吸附-架桥作用混凝剂中的高分子物质，以及硫酸铝、氯化铁溶于水后，形成高聚物，它们均具有线性结构，胶体微粒对这类高分子物质具有强烈的吸附作用，因而它们可以在相距较远的两胶粒之间进行吸附架桥，即它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，也就是说形成了粒子聚合物+粒子的络合物，其聚合物起了吸附架桥的作用。胶 粒高 分 子胶 粒高 分 子排 斥排 斥胶 粒高 分 子架 桥 模 型 示 意胶 体 保 护 示 意绒粒通过高分子吸附架桥作用，绒粒逐渐变大，最终形成肉眼可见的粗大絮凝体（矾

15、花），d=0.6mm。 高分子物质投量过少不足以使胶粒连接起来，投量过多又会产生胶体保护作用，最佳投量应是既能把胶粒快速絮凝起来，又可使絮凝起来的最大胶粒不易脱落，即胶粒表面高分子覆盖率为1/2时絮凝效果最好。 架桥作用的高分子都是线性分子且需要一定的长度，长度不够，不能起架桥作用，只能被单个分子吸附，所需起码长度，取决于水中胶粒尺寸、高分子基团数目、分子的分枝程度。注意：双电层作用和吸附架桥作用，对于不同程度的混凝剂，表现出它们作用程度亦不相同，对高分子混凝剂，吸附架桥起决定性作用；对硫酸铝等无机混凝剂，吸附架桥和双电层作用均具有重要作用。v沉淀物的网捕-卷扫作用当金属盐（如硫酸铝、氯化铁）

16、或金属氧化物和氢氧化物（如石灰）用作混凝剂，且投加量大得足以迅速形成沉淀金属氢氧化物（如氢氧化铝、氢氧化铁等）或金属碳酸盐（碳酸钙）时，水中胶粒可被这些沉淀物在形成时所网捕。 硫酸铝的混凝机理硫酸铝的混凝机理 不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量、pH、温度等。实际上，几种可能同时存在。 pH0.6mm原水的混凝效果主要决定于搅拌强度和搅拌时间两项因素。 v 讨论：提高反应效果的途径 1 碰撞机率即反应效果与颗粒浓度有关，增加颗粒浓度，单位体积内颗粒浓度愈大，碰撞机率越多，反应效果越好。 例如在机械或水力循环澄清池中引入几倍水量的回流污泥，使反应室的

17、颗粒浓度大大增加，加速絮凝体的形成。 有时在低浊度水处理中，投加粘土或增大投药量，以加速绒粒的形成，也属于增加颗粒浓度的措施，国外的加砂絮凝池也属于此观点。 2 增大颗粒尺寸，矾花越大，胶粒越容易相互碰撞吸附，为此多采用高分子混凝剂或助凝剂，分子链结很大，粘结和吸附架桥机会愈大，绒粒形成越好。 3 增大值，因水中颗粒作等速平行运动的颗粒不会相碰，因此值愈大，则愈大，但值也不能太大，大到使矾花破碎的程度。 4 与水温有关，因水温低，水粘滞系数大，则液体内摩擦阻力增大，速度梯度减小，因此碰撞机率降低，反应效果差。如果水温从20降到时，值减少18%，剪力增加23%。5 与反应时间有关，通常称值。绒粒

18、碰撞次数不但与值有关，也与反应时间有关，很显然，反应时间越长，则绒粒碰撞次数也很多，故反应效果也很好。反应时间，规范规定为2030min。据现有反应池的数据计算，GT104105范围。 v混凝控制指标 自药剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺上总称混凝过程。相应设备有混合设备和絮凝设备。 混合（凝聚）过程 在混合阶段，对水流进行剧烈搅拌的目的主要是使药剂快速均匀分散以利于混凝剂快速水解、聚合、及颗粒脱稳。平均G7001000s-1，时间通常在1030s，一般2min。 此阶段，杂质颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。 絮凝过程 在絮凝阶段，主要靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚，故以同向

19、絮凝为主。同向絮凝效果不仅与G有关，还与时间有关。在絮凝阶段，通常以G值和GT值作为控制指标。 平均G2070s-1， GT104105 随着絮凝的进行，G值应逐渐减小。 例题：某水力搅拌絮凝反应池，水力停留时间20min，水头损失0.30m，水温20c。求该反应池的平均值和GT值。5940060205 .495 .49602010002.13 .081.910013TGGTsTghG五 影响混凝效果的因素 影响混凝的因素很多，包括水温、水质、含盐量、水力条件等，还包括混凝剂的品种、性质、投加量。v水温1.水温影响水解速度和矾花质量水温低时， 1)混凝剂的水解速度缓慢，因无机混凝剂的水解是吸热

20、反应，低温时，无机混凝剂水解困难2)絮凝体的形成也很缓慢，而且絮凝体细而松，不易下沉 3)水温低时，水的粘度大，水流剪力增加（水化作用增强，防碍胶体凝聚，影响絮凝体成长）水中杂质微粒的布朗运动减弱，彼此碰撞机会减少，不利于脱稳和凝聚，也不利于颗粒的下沉（下沉阻力增大）水温对铝盐混凝剂影响较大t=2040混凝效果好t=1510生成的矾花细而松，不易沉淀t=0 效果极差目前对低温水的处理办法： 1)投加助凝剂活化硅酸或粘土，投加高分子助凝剂；2)增大混凝剂的投量，改善颗粒中间的碰撞条件。水温对铁盐混凝剂的影响较小（因Fe(OH)3比重大） t=20 Fe(OH)3 比重为3.6 Al(OH)比重为

21、2.4v碱度碱度：指水中能与酸起反应的物质的含量，即与H+起反应的物质的含量。 铝盐或铁盐水解时均产生H+ ，使pH值降低，只有从水中不断排出H+，提高pH值才能使水解反应进行到底。 我国大多数地区的地面水碱度可以满足混凝的要求，但也有一些地区水源碱度不足，特别是投药量大，原水碱度较小时，碱度不足，矾花很难形成。 为提高碱度，一般投加石灰或重碳酸钠进行碱化：(不可过量，否则Al(OH)3会溶解） CaO+H2O Ca(OH)2 Ca(OH)2=Ca2+2OH- OH-+H+=H2O或 Al2(SO4)3+3CaO+3H2O=2Al(OH)3 +3CaSO4 2FeCl3+3CaO+3H2O= Fe(OH)3 +3CaCl2vpH值：表示水的酸碱性pH值影响混凝效果的程度视混凝剂品种而异。硫酸铝：pH4，水解反应受到抑制4pH8，主要是水合羟基铝离子，高分子聚合物8pH，主要是Al(OH)3沉淀物 为了除浊，最佳pH值范围6.57.5，主要依靠氢氧化铝聚合物的吸附 架桥及羟基配合物的电中和作用。 为了除色，最佳pH值范围4.55.5氯化铁：pH8.