第二讲 工业用水预处理

1．课程教学内容（1）天然水中的杂质（2）工业循环冷却水的预处理2．课程重点、难点重点内容：循环冷却水前处理的方法和步骤；混凝剂的混凝机理难点内容：混凝剂的混凝机理3．课程教学要求（1）掌握循环冷却水前处理的步骤（2）了解常用混凝剂和助凝剂的性质、合成及应用。第二讲

工业用水预处理

地表天然水中混入的悬浮物、胶体物构成水的浊度，不除去则不能作锅炉水和冷却水使用。通常用混凝沉淀、过滤等方法去除。 以离子和分子状态存在子水中的溶解盐类．特别是硬度、铁等不除去．不适用于锅炉水，通常采用离子交换、软化、除铁等方法去除。 以自来水作锅炉用水，在进行离子交换软化前还需除去水中存在的余氯．否则会影响离子交换树脂的性能。第二讲

工业用水预处理混凝可去除的颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物，是一种化学方法。范围在：1nm~0.1m（有时认为在1m）混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花。水处理中主要杂质：粘土（50nm-4m）、细菌（0.2m-80m）、病毒（10nm-300nm、蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸1637年我国开始使用明矾净水1884年西方才开始使用混凝过程涉及到三个方面的问题：

水中胶体的性质混凝剂在水中的水解与形态胶体与混凝剂的相互作用1.1 混凝的去除对象一、混凝一、混凝1.2混凝机理水的混凝现象比较复杂。至今尚未有统一认识。

凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation）混凝：包括两者（1）压缩双电层根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。电解质加入――与反离子同电荷离子――压缩双电层――电位――稳定性――凝聚一、混凝（2）电解质对双电层的作用机理

一、混凝

（3）吸附架桥作用机理

一、混凝（4）沉淀物卷扫作用机理一、混凝1.3影响混凝的因素一、水温低温，混凝效果差，原因是：无机盐水解吸热、温度降低，粘度升高――布朗运动减弱、胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚二、pH及碱度视混凝剂品种而异。

无机盐水解，造成pH下降，影响水解产物形态。根据水质、去除对象，最佳pH范围也不同。需碱度来调整pH，碱度不够时需要投加石灰。三、水中杂质浓度杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。对策：1）加高分子助凝剂；2）加粘土；3）投加混凝剂后直接过滤一、混凝2.1原理利用颗粒与水的密度之差，比重>1，下沉

比重<1，上浮沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去除100um以上的颗粒给水处理――混凝沉淀，高浊预沉废水处理――沉砂池（去除无机物）

初沉池（去除悬浮有机物）

二沉池（活性污泥与水分离）

二、沉淀与澄清2.2分类

自由沉淀：离散颗粒、在沉淀过程中沉速不变

（沉砂池、初沉池前期）

絮凝沉淀(混凝沉淀)：先经过混凝,形成絮凝性颗粒，在沉淀过程中沉速增加（初沉池后期、二沉池前期、给水混凝沉淀）

拥挤沉淀：颗粒浓度大，相互间发生干扰，分层

（高浊水、二沉池、污泥浓缩池）

压缩沉淀：颗粒间相互挤压，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力下挤出，污泥得到浓缩。二、沉淀与澄清1)平流沉淀池

平流沉淀池通常为矩形水池，水流平面流过水池，构造简单，管理方便，可筑于地面，也可筑于地下，不仅适用于大型水处理厂，也适用于处理水量小的厂。它可作自然沉淀用，也可作混凝沉淀用。二、沉淀与澄清2.3常见的沉淀池二、沉淀与澄清二、沉淀与澄清2)辐射沉淀池

一般为圆形池子，其直径通常不大于100M，可作自然沉淀池用，也可作混凝沉淀池用。(1)中央进水式适用于大水量，但占地大，机械维修，配水条件差，水流速度由大――小二、沉淀与澄清(2)向心流式周边进水――中心进水：进水断面大，进水易均匀周边进水――周边出水向心式的表面负荷可提高约1倍。二、沉淀与澄清3)料板斜管沉淀池斜板沉淀池是根据浅池沉淀理论设计出的一种新型沉淀池，其特点是在沉降区域设置许多密集的斜板或斜管，使水中悬浮物在斜板上或斜管内进行沉淀，水沿着斜板或斜管上升，分离出的泥渣在重力作用下下滑至池底，进而排出。

这种池子可以提高沉淀效率50-60%，在同一面积上可提高处理能力3-5倍。

二、沉淀与澄清二、沉淀与澄清常见构造构造二、沉淀与澄清4)竖流式沉淀池适用于小水深，池深大，但沉淀效果较差,排泥方便，占地小。2.4澄清池二、沉淀与澄清(1)加速澄清池

1920年美国infilco公司发明的1935年有工程实例1965年我国开始使用优点：处理效果好，稳定，适应性强,适用于大、中水厂缺点：机电维修(2)水力循环澄清池优点：不需机械搅拌，结构简单缺点：反应时间短，运行不稳定，泥渣回流控制较难，适应性差，适用于小水厂。 2.4澄清池二、沉淀与澄清(3)脉冲澄清池靠脉冲方式进水，悬浮层发生周期性的收缩和膨胀：1）有利于颗粒和悬浮层接触；2）悬浮层污泥趋于均匀。工作稳定、单池面积大、造价低，但周期不易调整。(4)悬浮澄清池结构简单，但运行适应性差（水温、水量、变化时，泥渣层工作不稳定） 澄清池中加斜板，注意反应室的配套设计 欧洲过滤型澄清池多，美国机械加速澄清池多。加速澄清池二、沉淀与澄清二、沉淀与澄清水力循环澄清池二、沉淀与澄清脉冲澄清池二、沉淀与澄清悬浮澄清池三、过滤

三过滤(Filtration)

3.1概述过滤技术是利用一些多孔介质，即滤料从水中分离不溶解固体的过程。这些过滤介质可以允许水通过而对固体颗粒起到筛分。截留的作用。

使水通过过滤介质常需要有一定的压力，这种压力可以分别由重度、真空或流体压力来提供，使用压力的大小则取决于过滤的面积、过滤的时间和反冲洗的流量等因素。三、过滤根据上述原理，作为完成过滤技术的设备——过滤器可分为恒压过滤和恒速过滤两种。

恒压过滤：是指在过滤过程中压力保持恒定，随着过滤过程的进行，滤出水的流量将逐渐减小，当达到特定的最小流量时，就需要进行反冲洗。

恒速过滤：则指在过滤过程中滤出水的流量维持恒定，随着过滤过程的进行就需要不断增加压力，当达到特定压力时，滤器需进行反冲洗。

三、过滤我们以恒压过滤为例，通过过滤器的流量方检式如下式所示式中t过滤时间；V过滤液体积；μ过滤液粘度；a每单位滤液体积的滤饼体积；rc滤饼的阻力；rs滤膜的阻力；A过滤面积；ΔP总压力降；Ls滤膜的厚度。

式3－3适用于当滤饼已建立后的稳态过滤。3.2过滤技术的分析三、过滤3.3过滤介质

过滤介质又称滤料，可以有很多种类型，如砂粒、布、无烟煤、金属丝网、多孔板、微孔塑料、微孔陶瓷等。滤料基本要求：①有足够的机械强度；②有良好的化学稳定性；③外形接近球形，表面粗糙，吸附表面大；④可就地取材，价格低廉；⑤无毒性，对人体和环境不会造成不良影响等。现以水处理中常用的砂滤为例，典型砂粒性能如表3－8所三、过滤三、过滤三、过滤三、过滤一、慢滤池滤速慢：V＝0.1-0.3m/h表面生长一层滤膜（1－2个星期后）效果：浊度可降到0，可不消毒。机理：微生物吞食细菌微生物分泌出起凝聚作用的酶藻类产生氧气，起氧化作用。但生产效率低，1－3月后堵塞，需刮掉滤膜，重新补砂。3.4过滤池（器）三、过滤二、快滤池及其机理条件：滤速大于10m/h 必须先投加混凝剂作用：去除浊度，浊度<5度，同时可去除一部分细菌、病毒机理：表层细砂层粒径为0.5mm，滤料孔隙率为80um，但进入滤池的颗粒尺寸大部分小于30um，但仍能被去除。三、过滤

不光是简单的机械筛滤，还有接触粘附的作用。主要有两个过程：迁移和粘附迁移：是颗粒脱离流线接近滤料的过程，主要由以下作用力引起：拦截、沉淀、惯性、扩散、水动力（非球形颗粒在速度梯度作用下发生转动）

对于这几种力的大小，目前只能定性描述。

粘附：物理－化学作用力（范德华引力、静电力、以及一些特殊化学力）但表层滤料的筛分作用也不能排除，特别是在过滤后期，当滤层中的孔隙尺寸逐渐减少时。三、过滤三、过滤应用：•给水处理原水－混凝沉淀/澄清－过滤原水－微絮凝－过滤（微絮凝过滤）原水－加药－过滤（接触过滤）•废水处理原水－生物处理－过滤

三、过滤3.5快滤池

一、快滤池分类

普通快滤池虹吸滤池重力滤池压力滤池移动罩冲洗滤池三、过滤二、普通快滤池的构造

组成：集水渠、洗砂排水渠、滤料层、承托层、配水系统

管廊：浑水进水管、清水出水管、初滤水、冲洗来水、冲洗排水、四大阀门（至少）

过滤过程：最大过滤水头损失1.5－2m

工作周期：过滤开始－冲洗结束＝12－24h三、过滤三、过滤三、过滤方式1．变水头等速过滤随着过滤进行，滤层孔隙率减少，水头损失的增加，滤池内水位自动上升，自由进流，以保持过滤速度不变。

――――虹吸滤池、无阀滤池三、过滤水头损失与过滤时间的关系：

三、过滤清洁水头损失H0过滤任意时的水头损失H＝H0＋h＋Hth：配水系统、承托层及灌渠水头损失之和

Ht：滤层的水头损失增值

Ht与时间的关系反映了滤层截留杂质与过滤时间的关系。可以直线关系来表示。Hmax为最大过滤水头损失，一般为1.5–2.0m三、过滤2．等水头等速过滤通过设置出水流速调节器，――普通快滤池

3．等水头变速过滤如果过滤水头始终保持不变，滤速必然要降低。――移动罩滤池

多格滤池进水渠连通，各池的水位和总水头损失相等，但滤速v不等，主要是因为截污量不同。干净滤料滤速大。

三、过滤

每座滤池的滤速是阶梯性的下降，但在每一阶梯段还是等速过滤，滤池内的水位有一定程度上升，待某一个滤池反冲洗重新投入运行时后，其它滤池的滤速下降一级，相应地滤池组的水位也突然下降一些。

滤池组整体的总平均出水量是保持不变的。

三、过滤

滤料表层孔隙率较小。杂质主要截留在滤料表层。下部滤层的截污能力还未得到充分发挥，由于水头损失的提高，过滤就得停止，导致滤料层截污能力低。

四、滤层内杂质分布规律三、过滤改进方向：提高滤层含污能力，延长过滤周期。1）上向流

当流速太大时，表面应加格网或格栅。缺点：反冲洗时膨胀受到限制

冲洗水流与过滤水流方向一致，冲洗效果不好，大量污泥需通过整个滤层才能排出，往往使污泥排除不净。

五、提高滤池截污能力的途径三、过滤2）双向流

苏联发明的。此种过滤方式效果虽好，但滤池构造复杂。

三、过滤3）双层或多层滤料无烟煤石英砂无烟煤石英砂重质矿石三、过滤

一、配水系统的不均匀性

配水系统的目的：均匀分布反冲洗水均匀收集过滤水配水不均匀会造成：1）部分区域水量小，冲洗不净2）部分区域水量大，冲动垫层3.6配水系统与反冲洗三、过滤配水不均匀原因：a点的冲洗水头Hx：Hx＝S1a(qaa)2+S2(aqa)2+S3(aqa)2+S4(aqa)2＋流速水头S1：配水系统的阻力系数S2：孔眼出水的阻力系数S3：承托层的阻力系数S4：滤料层的阻力系数q：冲洗强度(L/(sm2))

同样对于b点而言Hx＝S1b(bqb)2+S2(bqb)2+S3(bqb)2+S4(bqb)2＋流速水头q最小/q最大0.95-------达到均匀两种途径：1）增大孔眼出水水力阻抗2）降低配水系统水力阻抗

三、过滤1．大阻力配水系统使孔眼的水力阻力远远大于其它部分的水力阻力――增加孔眼流速（5－6m/s）

配水孔眼面积为滤池面积的1/500开孔比小＝0.2－0.25%特点：工作可靠、采用最广、冲洗干净但冲洗水头要求高，需冲洗水箱或水泵一般为穿孔管大阻力配水系统。二、配水系统类型三、过滤三、过滤2．小阻力配水系统减少配水系统阻抗S1增大配水空间配水系统流速降低使孔眼处的压力接近相应降低S2，增加开孔比1.0-1.5%。特点：配水系统结构简单，冲洗水头小（2m左右）

适应于面积小的滤池，其均匀性取决于开孔比

三、过滤三、过滤钢筋混凝土穿孔板：板上铺设一层或两层尼龙网。造价低，孔口不易堵，配水均匀性好，强度高，耐腐蚀但尼龙网接缝应接好，有时可铺一层卵石。

穿孔滤砖：开孔比，上层1.07％，下层0.7%下层连通起配水渠的作用，上层不连通。钢筋混凝土或陶瓷制成。由于滤砖整体性，反冲时不易上浮，所需承托层厚度不大，配水均匀性较好，但价格高。

三、过滤三、过滤复合气水反冲洗滤砖：可单独用于水反冲，也可用于气水反冲洗。上层开孔比：0.5-0.8%，斜面开孔比：1.2-1.5%。一般可用ABS工程塑料制成。加工精度易控制，安装方便，配水均匀性好，但价格高。

三、过滤滤头：短柄滤头用于单独水冲洗滤池，长柄滤头用于气水反冲洗滤池。三、滤池反冲洗恢复过滤能力1．反冲洗方式1)高速水流反冲洗2)

气、水反冲洗气冲强度：10－20L/m2s水冲强度：3－4L/m2s表面辅冲加高速水流反冲洗

三、过滤2．反冲洗影响因素冲洗强度：L/(sm2)滤层膨胀度：e冲洗强度大e大剪切力增大但摩擦减少因此应有一个要求。

滤层冲洗强度(L/sm2)膨胀度（％）冲洗时间（min）石英砂滤料双层滤料三层滤料12－1513－1616－174550557－58－67－5三、过滤3．冲洗水排出与供给1）冲洗排水槽与集水槽排水槽：均匀排水，中心间距：1.5-2.2m,槽总面积占滤池面积的25％以内。

2）冲洗水塔与水泵

三、过滤三、过滤技术的新发展1．

非粒状的新型滤料研究活跃纤维球滤料、纤毛型滤料、纤维束状滤料――提高滤床滤速，增大截污能力，扩大应用范围2．

过滤装置朝自动化、管理容易、智能型方向发展三、过滤四、气浮

是一种固－液和液－液分离的方法。具体过程：通入空气→产生微细气泡→SS附着在气泡上→上浮应用：自然沉淀或上浮难于去除的悬浮物，以及比重接近1的固体颗粒。四、气浮一、界面张力和润湿接触角界面张力σ：任何不同介质的相表面上都因受力不均衡而存在界面张力。

气浮的情况涉及：气、水、固三种介质，每两个之间都存在界面张力σ。润湿周边：三相间的吸附界面构成的交界线。润湿接触角θ：通过润湿周边作水、粒界面张力作用线和水、气界面张力作用线，二作用线的交角。θ>90，疏水性,易于气浮θ<90,亲水性4.1理论基础四、气浮4.1理论基础四、气浮二、悬浮物与气泡的附着条件按照物理化学的热力学理论,任何体系均存在力图使界面能减少为最小的趋势。界面能W=σSS：界面面积；σ：界面张力附着前W1=σ水气+σ水粒（假设S为1）附着后W2=σ气粒界面能的减少△Ｗ=σ水气+σ水粒－σ气粒σ水粒=σ气粒+σ水气COS(180-θ)所以:△Ｗ=σ水气(1-COSθ)4.1理论基础四、气浮按照热力学理论,悬浮物与气泡附着的条件：△Ｗ>0△Ｗ越大，推动力越大，越易气浮。(1)θ0,COSθ--1,△Ｗ=0不能气浮

θ<90,COSθ<1,△Ｗ<σ水气颗粒附着不牢

θ>90,△Ｗ>σ水气易气浮――疏水吸附

θ180△Ｗ=2σ水气最易被气浮

(2)同时,COSθ＝（σ气粒－σ水粒）/σ水气σ水气增加，θ增大,有利于气浮如石油废水,表面活性物质含量少,σ水气大,乳化油粒疏水性强，直接气浮效果好。而煤气洗涤水中的乳化焦油，由于水中表面活性物质含量多，σ水气小，直接气浮效果差。对于亲水性颗粒的气浮，表面需改性为疏水性→投加浮选剂浮选剂：松香油、煤油、脂肪酸，起连接颗粒和气泡之间作用。4.1理论基础四、气浮三、气泡的稳定性气浮中要求气泡具有一定的分散度和稳定性。气泡粒径在100m左右为好。

洁净水中：•气泡常达不到气浮要求的细小分散度洁净水表面张力大，气泡有自动降低自由能的倾向，即气泡合并。•稳定性不好。缺乏表面活性物质的保护，气泡易破灭，不稳定。即使悬浮物已附着在气泡上也易重新脱落会水中加入起泡剂，保护气泡的稳定性。

如何控制最佳的投加量？影响三个因素：稳定性、表面张力、乳化效果四、气浮四、乳化现象与脱乳

疏水性颗粒易气浮，但多数情况下并不好，主要是由于乳化现象。以油粒为例：▲ 表面活性物质存在：非极性端吸附在油粒，极性端则伸向水中→乳化油→电离后带电→双电层现象→稳定体系▲ 废水中含有亲水性固体粉末（固体乳化剂），如粉砂、粘土等（θ<90）：一小部分与油接触，大部分为水润湿，见图13－7。→乳化油稳定体系带电的稳定体系是不利于气浮的，应→脱稳、破乳→投加混凝剂→压缩双电层混凝剂包括：硫酸铝、聚合氯化铝、三氯化铁等四、气浮4.2气浮分类与工艺过程一、气浮分类1）电解气浮法：直流电的电解作用下，正极产生氢气，负极产生氧气，微气泡。气泡小于溶气法和散气法。具有多种作用：除BOD、氧化、脱色等，去除污染物范围广，污泥量少，占地少。但电耗大。有竖流式和平流式装置。四、气浮4.2气浮分类与工艺过程2）散气气浮法：扩散板曝气气浮和叶轮气浮法两种扩散板曝气气浮：压缩空气通过扩散装置以微小气泡形式进入水中。简单易行，但容易堵塞，气浮效果不高。见图13－11。四、气浮4.2气浮分类与工艺过程叶轮气浮法：适用于处理水量不大,污染物浓度高的废水。四、气浮4.2气浮分类与工艺过程3）溶气气浮法根据气泡析出时所处的压力不同，分为：溶气真空气浮和加压溶气气浮。加压溶气气浮特点：水中空气的溶解度大，能提供足够的微气泡气泡粒径小（20～100um）、均匀，设备流程简单四、气浮4.2气浮分类与工艺过程二、气浮工艺▲全溶气法：电耗高，但气浮池容积小。四、气浮4.2气浮分类与工艺过程▲部分溶气法省电，溶气罐小。但若溶解空气多，需加大溶气罐压力四、气浮4.2气浮分类与工艺过程▲回流加压溶气法：适用于SS高的原水，但气浮池容积大。四、气浮4.2气浮分类与工艺过程三、加压溶气气浮工艺的主要设备工艺组成：压力溶气系统、空气释放系统、气浮池1)压力溶气系统：包括加压水泵、压力溶气罐、空气供给设备及其他附属设备2〕释放设备：将空气以极细小（20－100m）的气泡释放。3）气浮池平流式，竖流式我国含铁的地下水分布较广，一般含铁量在4~30mg/L左右。含铁的地下水铁以Fe2+存在，刚抽到地面时，清澈干净，但有铁腥味，时间略长，水质即发浑。

危害：作清洗用水会留下锈色斑点。作锅炉水，使树脂中毒，容易结垢，影响传热，引起管壁腐蚀。冷却水中含铁量超过0.5mg/L时，会促使铁细菌繁殖，产生粘泥堵塞管路，加速换热设备的腐蚀。常用的除铁方法有曝气除铁和锰砂过滤除铁。五、除铁

曝气后的水再经过滤处理即可除去Fe(OH)3沉淀物。曝气氧化法除铁一般适用于水中含铁浓度在5~10mg/L，pH在6.5~7.0范围内，处理后水中含铁可降至0.3mg/L以下。曝气装置常用的有莲蓬头曝气装置和跌水曝气装置。5.1曝气除铁地下水中的Fe2+常以Fe(HCO3)2化合物存在，当水提到地面遇到空气中的氧时，即被氧化位Fe3+，形成难溶的红棕色Fe(OH)3沉淀。该过程称曝气除铁。反应为：五、除铁

莲蓬头曝气装置—般直接置于重力式过滤池的上面，使喷头淋水量与过滤池出水量保持相等即可。当原水中Fe2+含量小于5mg/L时，喷头距水面高1.5m即可；当Fe2+含量大于10mg/L时，高度为2.5m较好。喷头直径为150~300mm，喷头上孔径直径为3~6mm。这种装置结构简单、操作方便，但喷淋时水易散失，喷头孔眼易被铁的沉积物堵塞，影响喷水效果。图2-9莲蓬头曝气装置五、除铁

跌水装置是将地下水提至地面后经溢流堰或者水管，自高处自由下落，使水变薄变细。水在下落过程中，可与空气充分接触，达到曝气目的。

通常可将重力式无阀滤池的跌水装置的高度适当增加即可。跌水高度一般在0.5~1.0m时。即可满足含铁量在5~10mg/L的地下水除铁的要求。如原水pH<6.5，则效果差，因在曝气过程中，空气中O2可充分溶入水中，但CO2不易逸出，pH值提高有限。低pH值不利除铁反应的进行。可设置一个小型的跌水曝气池，再将曝气后的水经过机械压力过滤器进行过滤净化。五、除铁5.2锰砂过滤除铁法天然锰砂中含有MnO2，它是Fe2+氧化成Fe3+的良好催化剂，其催化反应为：4MnO2+3O2═2Mn2O7Mn2O7+6Fe2++3H2O═

2MnO2+6Fe3++6OH-Fe3++3OH-═

Fe(OH)3↓Fe(OH)3沉淀物经锰砂层过滤后除去。因此，锰砂既是催化剂又是滤料。此反应，仍要求水中有足够的溶解氧。因此，往往将曝气装置和锰砂过滤器结合在一起组成。图2-11所示即为在锰砂过滤料的压力过滤器前加一个气水混合装置，使原水先进行曝气充氧，再经锰砂过滤器催化后再净化。图2-12为气水混合器示意图。五、除铁锰砂除铁一般适合于地下水含铁量小于20mg/L的除铁。五、除铁硬度高、碱度也高的水直接作补充水，会使循环水水质处理难度增大，浓缩