水处理工艺及设备探索及研究

1、第一章；源水水中的杂质一 源水1 源水：用来制取软化水、饮料水、纯水及高纯水的水源称为源水。2 源水一般为深井水、浅井水、江河水和自来水。因源水不同，而水中杂质也不同，如井水中无机物较多、阳离子含量高、硬度高；江河水、自来水（多为地表水）中有机物较多、硬度低（多为软水）。二 按水中状态分类（1） 悬浮物悬浮在水中的有机、无机化合物，颗径较大（0.1-1000m）、容易去除。当水静止时，其中：比重较小的悬浮物（主要是腐殖质等一些有机化合物）会浮上水面；比重较大的悬浮物（主要是细纱和粘土类无机化合物）。（2） 胶体物是许多分子和离子的集合体，也称胶微粒（m）。这些微粒是由胶核、吸附层、扩散层构成的

2、整体，其吸附层很多离子带电，因此与带有同性电核的胶体（也称胶团）相互排斥，在水中不能结合形成更大的颗粒，而稳定在微小（肉眼看不到）的胶体颗粒状态下，它们不能靠重力下沉而悬浮在水中。在天然水中这些胶体主要是腐殖质、以及铁、铝、硅等化合物。这些胶体物不影响水的澄明度，只有在水中加入絮凝剂后相互粘连长大才可看到。（3） 溶解物天然水中的溶解物质多数是离子和一些可溶性气体。 各种离子： 阳离子：K（钾）、Na（钠）、Ca（钙）、Mg（镁）、NH（铵）、Fe（铁）、Mn（锰）、Cu（铜）、Zn（锌）、Ni（镍）等 阴离子：HCO（碳酸氢根）、Cl（氯）、SO（硫酸根）、HSiO（硅酸根）、F（氟）、NO

3、（硝酸根）、CO（碳酸根）、H2S（硫化氢）、BO（硼酸根）、NO（亚硝酸根）、Br（溴）、I（碘）、HPO（磷酸氢跟）、HPO（磷酸）等 一类：KMg，HCOHSiO 水中含量为（几几万）mg/L 二类：NHMn，FCO 水中含量为（0.1几）mg/L 三类：CuNi，HSHPO 水中含量为0.1mg/L 可溶性气体： CO、O、HS（硫化氢）-含量0.5mg/L时水中可发出臭鸡蛋气味。三 按颗粒大小分类水中杂质按颗粒大小的不同可与水形成三种不同溶液。（1） 真溶液颗粒尺寸约为1nm（10）以下的低分子、离子溶液。（2） 胶体溶液颗粒尺寸约为1-200nm的高离子溶液。液中的胶体又分两种：

4、硅胶体和粘土是由许多离子或分子积聚而成的。如蛋白质、腐殖质等有机胶体是由高分子物质形成的。（3） 悬浊、乳浊溶液颗粒尺寸约为100-1000nm（1mm），它与胶体溶液没有明显的界限。水中杂质的尺寸（一览表）分类高分散系（低分子、离子溶液）0.510（1nm）胶体分散系（高分子、胶体溶液）1200nm（0.2m）粗分散系（悬浊、乳浊溶液）0.21000m（1mm）无机物HO 2.76，O 2.90CO 3.24（水合离子）金溶胶体 4nm硅溶胶体2050 nm金属氢氧化物 10100 nm炭 黑 10500 nm粘 土 54000 nm颜 料 0.1-5m金属粉尘 1 100m煤 尘 1100

5、m灰 尘 1200m水 泥 3100m细 沙 450m中 沙 50250mK3.50、Ci3.68、Na 4.34、 NO 4.06、Ca 5.44、OH4.92、Mg 5.92有机物染料9-13,谷氨酸5×8×16蔗糖 8×9×11，（水合离子）脱氧核糖核酸（DNA）2 nm酶 25 nm蛋白质 10-70 nm纤维素、橡胶0.5×400-800 nm絮凝剂 400-800 nm红血球 7.5m 纸浆纤维 5100m石油微滴 5100m头发粗 30200m甲酸7， 乙酸9苯酸12， 乙胺8二苯醋酸 16，刚果红 14微生物病毒 10-200

6、nm杆菌 0.5×15m球菌 15m硫磺菌 2050m藻 菌 35m酵 母 58m阿米巴 1050m动物性浮游生物40300m四、水中溶解物质的特性及其分析（一）各种离子（1）钙离子（Ca） 对于含盐量少的水，钙离子的量常在阳离子中占第一位。天然水中的钙离子主要是由地层中石灰石（CaCO3）和石膏（CaSO·2H2O）溶解而来的。CaCO3在水中的溶解度虽小，但当水中含有CO2时，CaCO3容易转化成溶解度较大的重碳酸钙Ca(HCO3)2，因而使Ca含量增多，其反应如下：CaCO3+CO2+H2O<=>Ca（HCO3）2（2）镁离子（Mg）水中镁离子主要是由含C

7、O2的水溶解了地层中的白云石（MgCO3·CaCO3）所致。白云石在水中的溶解和石灰石相似，其反应如下： MgCO3·CaCO3+2CO2+2H2O<=>Mg(HCO3)2+Ca(HCO3)2（3）重碳酸根（HCO）水中HCO主要是由水中溶解的CO2和碳酸盐反应后产生的。HCO是天然水中最主要的阴离子之一。（4）氯离子（Cl）天然水中都含有氯离子，这是由于水流经地层时溶解了氯化物而产生的。一般的氯化物溶解度都很大，随着地下水和河流带入海洋，逐渐积累起来，使海水中氯离子含量特别高。通常海水中Cl含量可达18000mg/L。内陆咸水湖中Cl含量则更高，可达15000

8、0mg/L。一般陆地上的淡水只含10数百mg/L。（5）硫酸根（SO）天然水中都含有SO，主要来自矿物盐的溶解（如Ca SO·2H2O的溶解）以及有机物的分解。（6）钾离子（K）和钠离子（Na） 天然水中的K和Na统称为碱金属离子，它们的盐类都非常易溶于水。天然水中的碱金属离子主要是由岩石和土壤中这些盐类的溶解所带来的。Na在水中含量变化的幅度很大，从基本上为0直到上万mg/L。K的含量一般远低于Na。由于它们的特性相近，常合在一起测定。（7）铁（Fe）和锰（Mn）铁化合物是常见矿物，所以天然水中铁也是常见杂质。地表水中由于溶解氧充足，铁主要以Fe形态存在，可以成为氢氧化铁沉淀物或者

9、胶体微粒。沼泽水中铁可被腐殖酸等有机物吸附或络合成为有机铁化合物。地下水中的铁由于不接触空气而以Fe形态存在，它的来源是土壤中的Fe化合物在缺氧条件下，经生物化学作用而转化为可溶解的Fe以后进入地下水中的。一般说来地表水的含铁量较小，而在某些地下水中含铁量可能高达数十mg/L。含铁地下水本是透明的，但这种水取出与空气接触后，Fe容易被空气中的氧所氧化而转变成Fe，然后生成氢氧化铁沉淀物和胶体等，使水呈黄褐色浑浊状态。一般含铁量超过1mg/L时就会出现这种现象。锰的各种特性都与铁相近，它在天然水中的含量要比铁少得多。水中的锰常以Mg形态存在，其氧化反应比铁要困难且进行缓慢，也有以胶体状态存在的有

10、机锰化合物。（8）硝酸根（NO） 天然水中NO有可能来自它的盐类的溶解，但主要是有机物分解带入。（9）硅酸（H4SiO4） 又称可溶性二氧化硅。天然水中硅酸来源于硅酸盐矿物的溶解。硅是地球上第二含量丰富的元素，因此天然水中普遍含有硅酸，不过含量的变化幅度较大，可以从约6mg/L120mg/L。地下水中硅酸的含量比地表水中的多。硅酸在水中的基本形态是单分子的正硅酸H4SiO4，它可以电离出H3SiO4、H2SiO4等。在浓度较高、PH较低的条件下，单分子硅酸可以聚合成多核络合物、高分子化合物甚至胶体微粒。水中硅酸的含量通常以SiO2（mg/L）计算，故又称为可溶性二氧化硅。(二) 各种可溶性气体

11、（1）二氧化碳（CO2） 在大多数天然水中都溶解有CO2气体，它的主要来源是水体或土壤中的有机物体在进行生物氧化时的分解产物。在深层地下水中有时含有大量CO2，是由地球的地质化学过程产生的。空气中的CO2也可溶入水中，但溶入的量很少，只有0.51mg/L。地表水中溶解的CO2一般不超过2030mg/L，地下水则为1540mg/L，最多也不超过150mg/L。当然某些矿泉水是例外，其含量可高达数百mg/L。（2）氧（O2）天然水溶解的氧主要自空气中的氧，其次水生植物的光合作用也放出氧。常温下水中溶解氧的量大约为814mg/L。在藻类繁殖的水中，溶解氧可能达到饱和状态。水中有机物的量较多时，其进行

12、生物氧化分解的耗氧速度超过从空气中补充的溶解氧速度，则水中溶解氧的量将减少。有机物污染严重时，水中溶解氧量可接近为零。这时有机物在缺氧条件下分解就出现腐败发酵现象，使水质严重恶化。在缺氧水体中，水生动植物的生长将受到抑制，甚至死亡。地下水中一般溶解氧含量较少。海水中因含盐量高，其溶解氧含量较低，约为淡水的80%。（3）硫化氢（H2S） 天然的地表水中一般很少含硫化氢。地下水中由于特殊的地质环境，有时会含有大量硫化氢。当水体受到污染，如煤气发生站、硫化燃料厂等含有大量硫化氢的废水排入，或大量有机物排入，经过生物氧化还原作用也会产生过量的硫化氢。含H2S的水会散发出臭鸡蛋气味。含量达0.5mg/L

13、时已可察觉，达1mg/L时就有明显的臭气。这样的水对混凝土及金属都会产生侵蚀破坏作用。五、水的硬度与碱度（1） 永久硬度主要指水的钙、镁的氯化物和硫酸盐的含量，还有少量的钙、镁硝酸盐和硅酸盐等盐类。在常压下加热时这些盐类不会折出沉淀。 如：CaCl、MgCl、CaSO、MgSO、Ca(NO)、Mg(NO)、C aSiO、MgSiO等。 （2） 暂时硬度也称碳酸盐硬度（或称总碱度）。煮沸后产生沉淀。 Ca(HCO) Ca CO + HO+ CO Mg(HCO) Mg CO+ HO+ CO 附：水中的碳酸盐是影响碱度的主要成份，随着PH值的不同，存在下述平衡 2H+COH+HCOHCOHO+CO

14、PH值低时反应向右进行，PH值高时反应向左进行。（3） 负硬度也称钠盐硬度。指水中钾、钠碳酸盐和氢氧化物含量。负硬度可消除永久硬度，即2NaHCONaCO+HO+COCaSO+NaCOCaCO+NaSO（4）总碱度=暂硬度（5）永久硬度=总碱度-总硬度，且总硬度总碱度（6）负硬度=总碱度-总硬度，且总硬度总碱度1、 总硬度单位及换算 总硬度一般以CaCO（mg/L）或（mmol/L）和德国度计。 （1）1mmol/L（摩尔浓度）=5.608德国度 =100.0872mg/L(CaCO)。 水 质 硬 度 分 类 表（一）总硬度水质总硬度水质德国度mmol/Lmg/L(CaCO)德国度mmol/

15、Lmg/L(CaCO)0-44-88-120-0.713280-71.3902太软软水低硬12-1818-30305.3496535.43中硬高硬太硬硬度为1德国度水中分别含各种化合物加量 表（二）化合物含量（mg/L）CaO Ca CaCl CaCO10 7.14 19.17 17.8472CaSO Ca(HCO)24.28 28.90Mg4.34化合物含量（mg/L）MgO MgCO MgCl MgSO7.19 15.00 16.98 21.47Mg(HCO) BaCl26.10 37.14BaCO35.20第二章锅炉软化水处理工艺及设备 锅炉分低压、中压、高压三类，低压、中压锅炉多为生产

16、锅炉，高压锅炉一般用于发电锅炉。低压锅炉一般用软化水，而中高压锅炉则用（电阻率5M·cm）高纯水。 本章中的软化水主要是指低中压锅炉用水。软化水处理工艺主要依据源水的总硬度、总碱度、SiO2、F、M的含量而定。一离子交换器1钠离子交换器 钠离子交换器多采用强酸型阳离子交换树脂，再生剂为5-8%NaCl溶液，再生后既成为钠离子交换剂，使离子交换树脂中的N离子和水中的C离子进行交换，从而达到了水的软化目的。钠离子交换器产出的软化水虽然总硬度降低了，但是水的总碱度没有改变。2氢离子交换器 氢离子交换器多采用强酸型阳离子交换树脂，再生剂为5-8%HCl溶液，再生后既成为H+离子交换剂，使离子

17、交换树脂中的H+离子和水中的C离子进行交换，从而达到了水的软化目的。氢离子交换器产出的软化水不但总硬度降低了，而且水的总碱度也降低了，但是出水水质偏酸性，对锅炉有腐蚀作用。3H+N离子交换器H+N离子交换器是由一个H+离子交换器和一个N离子交换器组合而成。4树脂的再生 （1）脱色仅适用于新树脂。用5-8%的NaCl溶液将树脂浸泡（经常搅拌）8小时左右，排放净NaCl溶液后用预处理水清洗树脂，洗至无咸味止。 （2）转型仅适用于新树脂。用3%的HCl溶液将树脂浸泡（经常搅拌）2小时左右，排放净HCl溶液后用预处理水清洗树脂，洗至PH值与预处理水一致；用2%的NaOH 溶液将树脂浸泡（经常搅拌）2

18、小时左右，排放净NaCl溶液后用预处理水清洗树脂，洗至PH值与预处理水一致：用3%的HCl溶液将树脂浸泡（经常搅拌）2小时左右，排放净HCl溶液后用预处理水清洗树脂，洗至PH值与预处理水一致；转为Na型：用5-8%的NaCl溶液将树脂浸泡（经常搅拌）2小时左右，排放净NaCl溶液后用脱盐水清洗树脂，洗至无咸味为止。 转为H型：用5-8%的NaCl溶液将树脂浸泡（经常搅拌）2小时左右，排放净NaCl溶液后用脱盐水清洗树脂，洗至PH值与脱盐水接近为止。 （3）再生树脂运行一定时间会达到饱和，需要按如下方法进行再生： 在再生液配制箱内配制树脂体积2-3倍的5-8%HCl（或NaCl）溶液；将交换器中

19、的水排放净；将再生液由交换器底部缓缓进入，由上部排出，直至配制箱内的再生液全部送入交换器为止；将交换器内的再生液由底阀排放净；用脱盐水进行反洗，结果应满足（2）中的要求。二软化水处理设备的配置 1总硬度总碱度且总碱度2mmol/L时，设备的配置：预处理Na离子交换器； 2总硬度总碱度且总碱度2mmol/L时，设备的配置：预处理H离子交换器Na离子交换器脱气塔；第三章纯水处理工艺及设备纯水处理工艺主要根据源水水质检验报告和用户对成品水的要求而设计的。一、各种水处理设备去除水中杂质的能力 （表三）工艺凝聚粗过滤卷绕式过滤活性炭大孔吸附电渗析反渗透复床混床紫外杀菌微过滤超滤蒸馏脱气悬浮物（5）很好好

20、悬浮物（2）很好很好胶体（0.1）好一般好很好好很好很好胶体（0.1）好很好一般很好很好微粒（0.2）好一般很好很好很好很好低分子量溶解性有机物（1）一般好好一般一般一般高分子量溶解性有机物（200nm）好一般好一般很好一般一般很好溶解性无机物很好很好很好很好很好微生物（0.5-300m）一般好很好好很好细菌（0.5-5m）一般好很好很好很好很好热源（10-70nm）一般较好好好很好气体很好聚铣胺复合膜去除“热源”效果好二、井水、自来水中杂质及处理工艺（以反渗透进水要求）1、铁（Fe）（1） 铁在缺氧中的（井水）水中以溶解的Fe形式存在。当水的PH值为进行曝气，亚铁Fe可迅速转化成三价铁Fe，

21、从而使之形成Fe（OH）后沉淀经过滤或重力沉降法去除。 Fe氧化成Fe时所需的氧量为0.14mg/（每mgFe）, 常规的曝气设备实际氧的传递速率约14mgO/（L.min），向水中投加NaOH 使其 Fe+2（OH）=Fe（OH） Fe+3（OH）=Fe（OH）产生氧化反应，从而沉淀滤除。（2）处理工艺曝气砂滤，除铁率约95%加碱机械曝气沉淀池沉淀池，除铁率约为98.2%（原水PH=6.35，处理后的水PH=7.7）加石灰中和自然曝气沉淀池，除铁率可达到99.8%（原水PH=2.6，处理后的水PH=6.8）。2、锰（Mn）（1）、锰在（井水）水中以溶解的Mn形式存在。当水的PH值为8.5-1

22、0时可使Mn的氧化更为迅速，每1mg/L的溶解氧可以氧化7mg/L Mn。锰较铁难去除。 （2）、处理工艺 将水的PH值（用碱或碳）调解至9.0-10范围时，用自然或机械曝气法进行沉淀去除。效果好，且费用低。最常用见表四。 高锰酸钾，1.5-2mg/L高锰酸钾可将锰由1.0mg/L降至0.05mg/L以下，其沉淀生成率95%以上。之后可过滤去除。 锰砂是Mn良好催化物。此滤料滤器应用一段时间可采用反冲将滤料截留的锰氧化物清除，再继续使用。 臭氧法价格高，二氧化氯法亦然。 离子交换法（费用高）注：铁、锰的去除工艺主要由水的PH，铁锰含量来选定。PH值锰铁残留量mg/L沉淀出的残留量mg/L沉淀出

23、的Mg/L%Mg/L%7.05.495.59008.05.491.534.0672.68.85.490.475.1291.69.01.903.5965.49.21.004.4981.89.40.115.3898.00.065.5398.99.60.035.4699.505.59100由表可见： Fe Mn氧化成可沉淀Fe（OH）、Mn(OH) 、Fe(OH) 、Mn（OH）效果在时最好。 因此，当地下（井）水中含Fe 较高时，可加碱（用计量泵加入）将水的PH值调节至范围，然后再用曝气沉淀锰砂摧化过滤等（多种工艺混用技术）去除。通常，曝气装置主要用于除铁，即使PH未处在适合于锰氧化的最大范围，锰

24、也能被除去。这可能是因为铁起着混凝剂的作用，将锰卷扫于三价、四价铁的沉淀中。3、钙（Ca） 钙总是以Ca 形式存在于水中，它与常见的阴离子如碳酸根，硫酸根生成不溶或微溶的盐类。若在反渗透膜上已生成沉淀，也能很容易洗掉。 去除工艺：石灰软化 钠离子或加氢离子软化器。4、镁（Mg） 镁可生成硅酸镁，及高PH条件下生成氢氧化镁等微溶性盐。5、钠（Na）* 以Na形式溶于水中，是一容易通过RO膜（75-95%）的离子，但不污染RO膜。6、锶（Sr） 在有的水源中发现以Sr形式存在，它与硫酸根生成盐，其溶解度小于1mg/L，对RO 膜产生污染。处理工艺：水中加晶体生成抑制剂。7、钡 （Ba） 与锶相似。

25、处理工艺同锶8、钾（K）* 与钠化学性质相同。不污染RO膜。9、碳酸氢根（HCO）*碳酸氢根（HCO）是二氧化碳（CO）的离子形式。由溶解的CO 与水中氢氧根（OH ）离子结合而成。当水中PH降低至偏酸性时，则水中HCO可分解出CO。RO膜截留CO的能力仅为3050%，水中CO含量大些对RO膜不污染但通过的量也大一些，可使淡水水质降低。处理工艺：氢离子软化+脱气。反渗透：在第二级反渗透进水前加碱提高PH=7.0左右，可除去10、碳酸根(CO)与钙、锶、钡可形成污染RO膜的微溶盐。当PH5时RO膜上的这些垢很容易去除。 处理工艺：去除Ca、Sr、Ba离子防止与CO化合。11、二氧化碳（CO） C

26、O不污染RO膜，但RO膜去除能低。处理工艺：加碱将水调节PH=7.0，使CO生成CO后RO膜可有效去除。12、磷酸根（PO） PO可与钙生成低溶解度的盐。因此，含PO的水一般需要加防垢剂。13、二氧化硅（SiO）* SiO常常限制了用RO纯化水的程度。虽然二氧化硅的溶解受许多附加因素的影响，但在RO单元操作的时间、温度、PH条件下， SiO最大浓度通常为150mg/L。由于许多原水含SiO超过20mg/L，这常常是限制回收率的因素。因此，因沉淀的SiO不可能从RO单元上去除，所以，RO运行时不能让SiO沉淀在膜上。14、硫酸根（SO） 与钙、锶、钡能生成微溶盐，如果三个阳离子的含量都不高时，不

27、影响RO运行。15、氯离子（Cl） 对RO膜没有负作用，Cl存在水中可以不处理。16、硝酸根（NO ） 与Cl相似，不侵蚀RO膜 也不生成不溶性盐。17、氟离子（F）它自身对RO膜无负面作用，但它能与二价金属离子如钙、镁、钡、锶形成不溶性盐的沉淀物。应处理掉。18、硫化氢（H2S） 它不存在氯化的水中，而只存在缺氧的（深井水）水中， H2S在水中含量1mg/L时会发出明显的臭鸡蛋味。19、游离氯（Cl） 具有氧化性能的Cl能氧化水中的各种物质，杀菌或腐蚀RO膜。应用活性炭吸附去除。 20、氧（O） 它是原水水源的特性表征。自来水多为江、河（地表）水含氧丰富；井水多数缺氧，故水存在溶解的Fe、M

28、n、H2S等，当水中氧充足时它们多半成形沉淀物。 21、浊度是光被水中颗粒散射程度的一种量度。 1度（FTU）浊度水中悬浮固体含量约为0.5mg/L。浊度大说明水中悬浮粒子多，应采用介质过滤去除。 22、淤泥密度指数（SDI） SDI值是由在恒定压力下，标准体积的水通过膜所需的时间而得。 23、PH 水中氢离子浓度的量反映了以CO、HCO或CO形式存在的无机盐的百分含量。PH决定了RO透过液中CO的含量，或碳酸钙是否可能沉淀。PH低时CO含量高，则CaCO可溶解成Ca（HCO）。24、BOD（生物耗氧量） 以微生物分解有机物过程中所消耗氧的量表示有机物的含量。称BOD。污水处理BOD层主要考虑指示。25、COD（化学