工业用水的预处理课件

第二章工业用水的预处理1、天然水中的杂质2、工业用水的预处理第二章工业用水的预处理第一节天然水中的杂质各中天然水都是由水和杂质组成的。它们决定了不同水系的特性。故水质是水和其中杂质共同表现的综合特性。按其性质可分为无机物、有机物和微生物；按其颗粒大小分为悬浮物、胶体、离子和分子(即溶解物质)。一、悬浮物

密度较小的主要是腐殖质等一些有机化合物，易上浮；密度较大是砂子和粘土类无机化合物，易下沉。二、胶体物胶体微粒是许多分子和离子的集合体。这些微粒由于其表面积很大，有很强的吸附作用，在其表面常吸附很多离子而带电。结果使同类胶体因带有同性电荷而相互排斥，在水中不能相互结合形成更大的颗粒，而稳定在微小的胶体颗粒状态下，使这些颗粒不能依靠重力而沉降。在天然水中，这些胶体主要是腐殖质以及铁、铝、硅等的化合物和菌藻微生物等。三、溶解物质多数是离子和一些可溶性气体。常溶解在天然水中的各中离子有：

第Ⅰ类，Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、H3PO4-，最常见，浓度从几mg/L到几万mg/L不等。第Ⅱ类，NH4+、Fe2+、Mn2+、F-、NO3-、CO32-，浓度从0.1mg/L到几mg/L。

第Ⅲ类，Cu2+、Zn2+、Ni2+、HS-、BO2-、NO2-、Br-、I-、HPO42-、H2PO4-浓度小于0.1mg/L。可溶性气体主要是：

CO2，地表水中一般20~30mg/L，地下水中15~40mg/L；

O2，常温下水中溶解氧大约8~14mg/L；

H2S，天然地表水中很少，受污染是含量增加。对混凝土和金属都产生侵蚀破坏作用。第二节工业用水的预处理

地表天然水中混入悬浮物和胶体构成水的浊度，不除去不能作为锅炉用水和冷却水用。通常用混凝沉淀、过滤等方法。

溶解盐类，特别是硬度、铁等不除去不适用锅炉水。常用离子交换、软化、除铁等方法。以自来水作锅炉水，还要除氯，否则会影响离子交换树脂的性能。一、混凝

定义：投加混凝剂以破坏溶胶的稳定性，使细小胶体颗粒凝聚再絮凝成较大的颗粒而沉淀，该过程称混凝。

作用：可去除的颗粒是胶体及部分细小的悬浮物。范围在：1nm~0.1m，而且还能去除色度、油分、微生物、氮和磷等富营养物质、重金属以及有机物等。

区分：在水处理中，“混凝”工艺实际分为“凝聚”和“絮凝”两个过程，对应工艺与设备称为“混合”与“反应”。凝聚：coagulation，指投加混凝剂后使胶体脱稳并发生初步凝聚的反应，属于化学反应。絮凝：flocculation，是指细小絮体相互碰撞聚合长大的过程，属于物理过程。1、胶体与双电层结构天然水中除含有泥沙外，还含有尘土、腐殖质、淀粉、纤维素及菌藻等微生物.这些杂质有几十到数千个分子结合而成微粒，不溶于周围的水而构成水溶胶粒子的核心，称胶核。胶核表面上拥有一层离子，称为电位离子?。它有时是胶核表层部分电离而成的，有时是胶核从水中吸附来的，胶核因电位离子而带有电荷（黏土、细菌带负电荷）

。同类胶核带有同的电荷，由于同性相斥，使胶体微粒相互不能凝聚而保持沉降稳定性。

电位离子层通过静电作用将水中电荷符号相反的离子吸引到胶核周围，该类离称反离子，二者电量相等。这样在胶核与周围水溶液的相间界面区域形成了双电层。电位离子同胶核结合紧密，很难分开；而反离子只是由静电引力与胶核相结合，在热运动等影响下，会脱离胶核向溶液中扩散，达到平衡时，形成的是疏松分布的反离子层。其中能同胶核一起运动的部分反离子由于靠近胶核，吸附较牢．称反离子吸附层(又称为紧密层)。而另一部分距胶核稍远，不随胶核—起运动，称为反离子扩散层。如图2-1所示。2、混凝机理

很复杂，与水溶液的组成、药剂的性能等有关。1）压缩双电层胶团中反离子扩散层的厚度与水中的离子强度有关，离子强度越大，厚度愈小。向溶液中投加电解质，即离子强度增加时，则加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。从而ξ电位降低，胶粒间的排斥作用减弱，相撞的距离也减少，胶粒得以迅速凝聚。例如：河川到海洋的出口处，由于海水中电解质的混凝作用，胶体脱稳凝聚，易形成三角洲。2）吸附电中和当向胶体分散系投加絮凝剂时，由于絮凝剂的水解作用形成的络离子、多核络离子进入胶体内部，使电性中和，破坏了胶团结构使胶粒相互凝聚。是指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低电位。

例如：在铝盐混凝剂的过程中，水解的多核羟基络合物主要起吸附电性中和作用。3）吸附架桥主要是指投加的水溶性链状高分子聚合物絮凝剂，在静电力、范德华力和氢键力等的作用下，将胶体和悬浮颗粒吸附、架桥形成一串串絮体（矾花）相互融合聚结为大絮体而沉降的过程。见图2-2所示：图2-2高分子絮凝剂对微粒的吸附架桥模式(a)初期吸附(b)絮凝体形成说明

在水处理中，上述四种机理往往可能是同时或交叉发挥作用的，只是在一定情况下以某种机理为主而已。如不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理

pH<3简单的水合铝离子起压缩双电层作用

pH=4~5多核羟基络合物起吸附电性中和

pH=6.5~7.5多核羟基络合物起吸附电性中和；氢氧化铝起吸附架桥、网捕一般将低分子电解质称为混凝剂（以双电层作用产生凝集为主）；高分子聚合物单独称为絮凝剂（以架桥联结产生絮凝为主）。实践中一般不加区分。3．影响混凝效果的因素1）水温的影响低温，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。2）水的pH及碱度的影响视混凝剂品种而异。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。

3）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4）水力条件的影响

水流紊动过于缓慢，则混凝剂与胶粒反应速率太小；紊动过于激烈则使结成的絮体重新破裂。5）药剂投加量的影响

有其最佳值，投加量不足则水中杂质未能充分脱稳去除，加太多则会再稳定。(专业试验)5、混凝处理流程及设备混凝处理流程见图2-4。包括投药、混合、反应及沉淀分离几个部分。图2-4混凝处理流程①投药投药方法分干法和湿法两种。干法即把药剂直接投放到被处理的水中。湿法即先把药剂配制成一定浓度的溶液，再投入被处理的水中。用得较多的是湿法。投药设备包括投加和计量两部分。常采用的投加设备有耐酸水泵、真空泵及空气压缩机等；常用的计量设备有浮杯式计量器、孔板及转子流量计等。②混合当药剂投入废水中后在水中发生水解反应并产生异电荷胶体，与水中胶体和悬浮物接触，形成细小的矾花，这一过程就是混合。对混合的要求是快速而均匀。持续大约l0~30s，一般不超过2min，水流要快，使药剂迅速而均匀地扩散到水中。混合的动力源有水力和机械搅拌两类。其设备也分为两类，采用机械搅拌的有机械搅拌混合槽、水泵混合槽等；利用水力混合的有管道式、穿孔板式、涡流式混合槽等。（造成急速扰动产生大量细小胶体，形成均匀细小的矾花即可）③反应反应的任务就是使小絮体逐渐絮凝成大絮体。其设备应有一定的停留时间和适当的搅拌强度。反应时间一般需20~30min左右。搅拌强度太大，则会使生成的絮体破碎。比较常用的反应池有机械搅拌反应池（见图2-5）。还有隔板反应池。还有折板反应池。图2-5机械搅拌反应池1—浆板；2—叶轮；3—转轴；4—隔板分类混凝剂无机类低分子无机盐类硫酸铝、硫酸铁、硫酸亚铁、铝酸钠、氯化铁、氯化铝碱类碳酸钠、氢氧化钠、氧化钙金属电解产物氢氧化铝、氢氧化铁高分子阳离子型聚合氯化铝、聚合硫酸铝阴离子型活性硅酸有机类表面活性剂阴离子型月桂酸钠、硬脂酸钠、油酸钠、松香酸钠、十二烷基苯磺酸钠阳离子型十二烷胺酸纳、十八烷胺酸钠、松香胺酸钠、烷基三甲基绿化铵低聚合度高分子阴离子型藻朊酸钠、羚甲基纤维素钠盐阳离子型水溶性苯胺树脂盐酸盐、聚乙烯亚铵非离子型淀粉、水容性尿醛树脂两性型动物胶、蛋白质高聚合度高分子阴离子型聚丙酸钠、水解聚丙烯酰胺、磺化聚丙烯酰胺阳离子型聚乙烯吡啶盐、乙烯吡啶共聚物非离子型聚丙烯酰胺、氯化聚乙烯1）无机盐类以铝盐和铁盐为主。(1)铝盐常用的有硫酸铝和明矾。①硫酸铝

性质：为白色结晶体，含有不同的结晶水，最常见的是Al2(SO4)3·18H2O。硫酸铝极易溶于水，室温时其溶解度即可达50％左右，水溶液呈酸性，pH<2.5。当水温低时，水解困难，形成絮凝体比较松散，对水的pH值适用范围较窄，约5.5~8。加入量一般约在几十mg/L到几百mg/L左右。如果加入量过多．使水的pH值下降，反而会影响混凝效果，使水发浑。且成本高、腐蚀性大。生产方法：国内主要采用硫酸法，用硫酸分解铝土矿。使用方法：有干投和湿投。多用后者，且要用石灰调节pH值。分析检测：水处理药剂的质量高低，在很大程度上决定看水处理效果的好坏。质量的高低在明确药剂成分的前提下，主要看杂质的多少和有效组分含量的高低。所以水处理药剂分析的基本内容是：

依据水处理药剂的化学结构与物理化学性质，对其有效组分、主要杂质和某些物理化学性质进行分析和测定，以判别水处理药利的真伪和优劣。（专业试验）参考《水处理剂和工业循环冷却水系统分析方法》②明矾

Al2(SO4)3·K2SO4·24H2O自色块状结晶体。其起混凝作用的成分还是硫酸铝，因此其混凝特性与硫酸铝相同。

②FeSO4·7H2O

是半透明绿色结晶体，俗称“绿矾”，易溶于水。硫酸亚铁离解出的Fe2+只能生成单核络合物，其混凝效果不如三价铁盐，因此，使用时应先将Fe2+氧化成Fe3+。当水的pH＞8时，Fe2+易被水中的溶解氧氧化成Fe3+，因此，当PH＜8时，可适当加些石灰，以提高碱度和pH值。如水中溶解氧不足时，也可适当通入氯气或加入次氯酸盐，使Fe2+氧化成Fe3+。有还原性，常用于处理高价态重金属离子的废水。

2）无机盐聚合物类(1)聚合氯化铝又称碱式氯化铝，其分子式为[Al2(OH)nCl6-n]m，其中n为1~5之间的任一整数，m为≦10的整数，该式表示m个Al2(OH)nCl6-n(称羟基氯化铝）单体的聚合物。因此，聚合氯化铝实际上是一种无机高分子聚合物。国内多以铝灰（熔炼合金的副产品，主要成分为三氧化二铝和金属铝）为原料，先与盐酸反应，再水解、缩聚而成。分子式中OH-与Al3+的比值对混凝效果有很大影响，一般以碱化度B来表示，即例如当n＝4时，则通常要求聚合氯化铝中含Al2O3在10％以上，碱化度B在50％~85%，不溶物在1％以下。当pH增加，羟基络离子增加，各离子的羟基之间可发生桥联作用，产生多羟基多核络合物即高分子缩聚反应：

同时还有等一系列多核络离子，与此同时是一系列多核聚合物的水解反应

由上可知这些聚铝无机高聚物投加到水中时，从简单到复杂络离子相继出现并交叉发挥作用，低聚合度高电荷络离子的压缩双电层和电性中和作用，高聚合度低电荷络离子的吸附桥联作用，以及氢氧化铝的沉淀网捕作用。

以上反应中出现的各种Al3+的化合物以及多种高价聚合阳离子都会压缩胶粒上的双电层，或产生吸附架桥等混凝作用，形成絮凝体，并由小变大，最终被沉淀分离。絮凝剂在水中的作用因为是众多的羟基络离子的协同作用，所以这一过程被称之为——混凝。而且作用时间是很短的，要求有一定的水力条件和一定的碱度。上述水解反应中，不断有H+解离出来，这会降低水的pH值，对水解不利，对最终形成Al(OH)3不利，故有时需适当添加一些石灰，以提高pH，满足水解反应的需要。否则，进入循环冷却水系统后，由于循环冷却水pH值自然升高，在换热系统中会有氢氧化铝沉淀，产生污垢。聚合氯化铝对高浊度、低浊度，高色度及低温水都有较好的混凝效果。它形成絮凝体快且颗粒大而重，易沉淀，投加量比硫酸铝低，适用的pH值范围较宽，在5~9之间。而且还可以根据所处理的水质不同，制取最适宜的聚合氯化铝，而硫酸铝则不能。它的加入量也不宜过多，否则也会使水发浑。

(2)聚合铁

近年来，国内又研制成一种聚合铁或称聚铁。它主要是以硫酸亚铁和硫酸为原料，通过一定的反应条件聚合而成的一种呈红褐色的粘稠状液体；也可以进一步制成固体，故又称聚合硫酸铁。其分子式为：[Fe2(OH)n(SO4)3-(n/2)]m混凝机理与聚合氯化铝相似，聚铁是一种多经基、多核络合体的阳离子型絮凝刑，它可以与水以任何比例快速混合。溶液中含有大量的聚合铁络合离子，它比无机盐类混凝剂有更大的分子量，能有效地压缩双电层，降低ξ电位，使水中胶体微粒迅速凝聚成大颗粒，同时还兼有吸附架桥的絮凝作用，使微粒絮凝成大颗粒，从而加速颗粒沉淀，提高混凝沉淀效果。其适用的原水pH值范围较宽，一般为4~11。当原水PH值在5~8范围内时，混凝效果更好。聚铁混凝效果比三氯化铁好，且使用成本比三氯化铁低30％~40％。聚铁在使用过程中混凝效果比聚合铝要好些，如形成矾花的速度快、颗粒大且重，因此沉降快，使用方便。但有时会有少量细小矾花漂浮水而，使水略显微黄色，但不影响水质，经过过滤处理即能完全脱色。而铝盐混凝剂虽不会使水显色，却有涩味，也需要通过过滤处理才能除去。且在卫生学上发现Al3+摄入过多，影响健康，而聚铁则不然。

3）有机类化合物有机类化合物作混凝剂用的主要是人工合成的高分子化合物，如高聚合的聚丙烯酸钠、聚乙烯吡啶、聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺等。其中以聚丙烯酰胺(PAM)用得最多，其产量约占高分子混凝剂生产总量的80％：聚丙烯酰胺是一种水溶性线型高分子化合物，其分子式为：分子量在150~800万之间。它溶于水中不会电离．因此称为非离子型，也有称为3号絮凝剂的。

絮凝作用有以下两方面：由于氢键结合、静电结合、范德华力等作用对水中胶粒有较强的吸附结合力；同时它是线型的高分子，在溶液中能适当伸展，因此能很好地发挥吸附架桥的絮凝作用，将许多细小颗粒吸附、聚集在一起。将聚丙烯酰胺通过加碱水解，其反应为：水解产物上的—COONa基团在水中离解成—COO—，从而使非离子型的聚丙烯酰胺变成带有阴离子的羧酸基团。这些带阴离子的基团由于同电相斥，使线型高分子能充分伸展开，更有利于吸附架桥，增强混凝效果。但水解不能过分，因为基团带电性过强对絮凝反而起阻碍作用。通常认为，通过水解使酰胺基团约有30％~40％转化为羧酸基团，再与铝盐或铁盐配合使用，混凝效果显著。由于水中许多胶粒带有负电性，而阴离子型聚丙烯酰胺有强烈吸附性，所以仍能产生絮凝作用。如果是阳离子型的，不仅有吸附架桥作用，还能对胶粒起电性中和的脱稳作用。因此，现在已开发出阳离子型聚丙烯酰胺．其混凝效果更好。一般湿用，建议配成0.1%~0.5%浓度。是由单体丙烯酰胺经自由基聚合而制得，这种单体有毒，应与控制在0.05%以下。对高低浊度水都有显著的混凝效果，广泛用于饮用水、工业用水、工业废水的处理，是一种最重要的和使用最多的高分子絮凝剂。4）投药方式及过程常用的药剂投加方法有干投和湿投法两种，其优缺点的比较见下表。药剂的投加方式一般有重力投加和压力投加两种，其优缺点见下表。混凝剂发展方向：（参考2.5节）无机复合聚合物混凝剂：聚合硫酸铝铁（PFAS）、聚合氯化铝铁（PFAC）、聚合硫酸氯化铁（PFSC）、聚合硫酸氯化铝（PASC）、聚合铝硅（PASi）、聚合铁硅（PFSi）、聚合硅酸铝（PSA）、聚合硅酸铁（PSF）无机－有机复合：聚合铝/铁-聚丙烯酰胺、聚合铝/铁-甲壳素、聚合铝/铁-天然有机高分子、聚合铝/铁-其它合成有机高分子

有机高分子絮凝剂：阳离子有机化合物天然改性高分子絮凝剂：无毒易降解，如甲壳素等多功能絮凝剂：絮凝、缓蚀阻垢、杀菌灭藻微生物絮凝剂

4）助凝剂为了提高絮凝效果，生成粗大、密实、易于分离的絮体。在水处理过程中，除投加一定量的絮凝剂之外，还要投加一些辅助絮凝的药剂，称为助凝剂。pH值调整剂

原水pH不符合絮凝剂工艺要求，或投加絮凝剂之后使pH发生较大变化，影响后继工序后水质要求时，就需要投加pH调整剂。主要有CaO、Ca(OH)2、Na2CO3、NaHCO3、CaCO3、CO2、H2SO4等。絮体结构改良剂

当生成的絮体小、结构松散、漂浮流失时，可投加絮体结构改良剂，以增大粒径，提高密度和机械强度，这类物质有水玻璃、活性硅酸、粉煤灰、粘土等。前两个主要作为骨架物质来强化低温和低碱度下的絮凝作用；后两个则作为絮体形成核心来加大絮体密度、改善其沉降性能和污泥的脱水性。氧化剂

当废水中的有机物含量过高或含有表面活性剂物质时，易产生泡沫，影响絮体沉降，此时应投加Cl2、Ca（OH)2、NaClO、漂白粉等氧化剂来破坏有机物，以提高絮凝效果。二、沉淀三、澄清新形成的沉淀泥渣具有较大的表面积和吸附活性，称为活性泥渣。它对水中微小悬浮物和尚未脱稳的胶体仍有良好的吸附作用，可进一步产生接触混凝作用。据此可利用活性泥渣与混凝处理后的水进一步接触，加速沉淀速度。该过程称为澄清。用于澄清的设备称澄清池，根据其结构型式可分机械加速澄清池、水力循环澄清池等。实际上当水中悬浮物沉淀出来后，水就得到澄清，故沉淀和澄清是同一现象的两种说法。再此借以区别沉淀方式的不同。澄清池的特点有二：一是利用活性泥渣与原水进行接触混凝；二是将反应池和沉淀池统一在一个设备内。因此可以充分发挥混凝剂的作用和提高单位容积的产水能力。澄清池具有生产能力高、沉淀效果好等优点，但管理较复杂。1、机械加速澄清池是通过机械搅拌将混凝、反应和沉淀置于一个池中进行综合处理的构筑物。悬浮状态的活性泥渣层与加药的原水在机械搅拌作用下，增加颗粒碰担机会，提高了混凝效果。经过分离的清水向上升，经集水槽流出。沉下的泥渣部分再回流与加药原水机械混合反应，部分则经浓缩后定期排放。图2-6为机械加速澄清池的工作示意图。水在池中总停留时间为1.0~1.5h。这种池子对水量、水中离子浓度变化的适应性强，处理效果稳定，处理效率高。但用机械搅拌，耗能较大，腐蚀严重，维修困难。图2-6机械加速澄清池

2、水力循环澄清池图2-7为水力循环澄清池工作示意图。这种池子与机械加速澄清池工作原理相似，不同的是它利用水射器形成真空自动吸入活性泥渣与加药原水进行充分混合反应，这样省去机械搅拌设备，使构造简单、育能，并使维护管理方便。图2-7水力循环澄清池四、过滤经过混凝沉淀或澄清的原水，其浊度通常在20mg/L左右。对于循环水量较大的冷却系统，为节省费用也可直接作补充水进入循环冷却系统，但对循环水量较小、要求较高的系统，最好将原水浊度进一步降低到小于5mg/L，这就需要采用过滤处理。另外锅炉用水在软化和除盐水处理过程中，微量浊度可使离子交换树脂受污染，影响离子交换效率，因此也需对已沉淀澄清的原水再进行过滤净化。多采用压力式过滤器和重力无阀式过滤器。压力式过滤器亦称为机械过滤器。带有浊度的原水经过泵的升压后通过滤层，因此水和出水之间有压差，此压差即为原水通过滤层时克服滤层阻力的压头损失，一般约为5~6m．有时可达10m左右。图2-8为压力过滤器结构示意图。图2-8压力过滤器结构示意图

重力式无阀滤池是因过滤过程依靠水的重力自动流入滤池进行过滤和反洗，且滤池没有阀门而得名。见仿真。五、除铁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。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：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。图2-9为莲蓬头曝气装置。图2-10为跌水曝气装置。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。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：