安全饮用水的主要处理工艺流程.docx

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安全饮用水的主要处理工艺流程

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安全饮用水的主要处理工艺流程

周鑫根

浙江省城乡规划设计研究院

一、给水处理工艺流程概述

给水处理的任务是通过必要的处理方法去除水中杂质，使之符合生活饮用或工业使用所要求的水质。

水处理方法应根据水源水质和用水对象对水质的要求胡定。

在给水处理中，有的处理方法除了具有某一特定的处理效果外，往往也直接或间接地兼收其它处理效果。

为了达到某一处理目的，往往几种方法结合使用。

本节仅列出几种主要给水处理方法，以便于读者对给水处理有一概括的了解。

1．澄清和消毒

这是以地表水为水源的生活饮用水的常用处理工艺。

但工业用水也常需澄清工艺。

澄清工艺通常包括混凝、沉淀和过滤。

处理对象主要是水中悬浮物和胶体杂质。

原水加药后，经混凝使水中悬浮物和胶体形成大颗粒絮凝体，而后通过沉淀池进行重力分离。

过滤是利用粒状滤料截留水中杂质的构筑物，常置于混凝和沉淀构筑物之后，用以进一步降低水的浑浊度。

完善而有效的混凝、沉淀和过滤，不仅能有效地降低水的浊度，对水中某些有机物、细菌及病毒等的去除也是有一定效果的。

根据原水水质不同，在上述澄清工艺系统中还可适当增加或减少某些处理构筑物。

例如，处理高浊度原水时，往往需设置泥沙预沉池或沉沙池；原水浊度很低时，可以省去沉淀构筑物而进行原水加药后的直接过滤。

但在生活饮用水处理中，过滤是必不可少的。

大多数工业用水也往往采用澄清工艺作为预处理过程。

如果工业用水对澄清要求不高，可以省去过滤而仅需混凝、沉淀即可。

消毒是灭活水中致病微生物，通常在过滤以后进行。

主要消毒方法是在水中投加

胶体和致病微生物；对此，常规处理工艺（即混凝、沉淀、过滤、消毒）是十分有效的。

但对于污染水源而言，水中溶解性的有毒有害物质，特别是具有致癌、致畸、致突变的有机污染物（简称“三致物质”）或“三致”前体物（如腐植酸等）是常规处理方法难以解决的。

于是，便在常规处理基础上增加预处理和深度处理。

前者置于常规处理前，后者置于常规处理后，即：

预处理+常规处理

或常规处理+深度处理

预处理和深度处理的主要对象是水中有机污染物，主要用于饮用水处理厂。

预处理方法主要有：

粉末活性炭吸附法；臭氧或高锰酸钾氧化法；生物氧化法等等。

以上各种预处理法除了水中有机污染物外，同时也具有除味、除臭及除色作用。

当然，不同方法在除污染能力上有所差别。

同时，各种方法均各有优缺点。

除了上述预处理方法外，还有其它一些方法，如曝气法，水库蓄存法等不一一介绍。

此外，新的预处理法正在继续探索中。

深度处理主要有以下几种方法：

粒状活性炭吸附法；臭氧-粒状活性炭联用法或生物活性炭法；化学氧化法；光化学氧化法及超声波-紫外线联用法等物理化学氧化法；膜滤法等等。

在以上几种方法中，活性炭吸附及臭氧-活性炭联用法已用于生产，欧洲国家应用较广泛，我国少数水厂也有应用。

生产实践表明，采用臭氧-活性炭联用技术去除水中微量有机污染物十分有效，但基建投资和运行费用较高，故我国目前尚未广泛应用。

同济大学严煦世教授等在光化学氧化法的研究方面已取得重要成果，超声-紫外联用法也开始研究并取得一定成效，但这些技术尚难在城市水厂应用，宜用于小型饮水净化装置。

超滤法及纳滤法也具有应用前景，但不能去除水中小分子有机物，且纳滤和超滤装置成本及运行费用较高。

以上各种预处理及深度处理方法的基本作用原理概括起来，无非是吸附、氧化、生物降解、膜滤等4种作用，即：

或者利用吸附剂的吸附能力去除水中有机物；或者利用氧化剂及物理化学氧化法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；或者以膜滤法滤除大分子有机物。

有时两种作用可同时发挥，如臭氧-活性炭联用技术即发挥了氧化和吸附两种作用。

在粒状活性炭上滋生的微生物，同时还有生物降解作用。

污染水源的饮用水预处理和深度处理自80年代开始受到广泛重视，有些技术或方法当前正处于研究发展阶段。

不同方法的组合应用往往会取得协同作用效果，故近年来水处理技术人员针对不同原水水质和水质处理要求，往往会采用两种以上方法组合应用。

二、混凝

2.1混凝机理

简而言之，“混凝”就是水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程。

这一过程涉及三方面问题：

水中胶体粒子（包括微小悬浮物）的性质；混凝剂在水中的水解物种以及胶体粒子与混凝剂之间的相互作用。

关于“混凝”一词的概念，目前尚无统一规范化的定义。

“混凝”有时与“凝聚”和“絮凝”相互通用。

不过，现在较多的专家学者一般认为水中胶体“脱稳”——胶体失去稳定性的过程称“凝聚”；脱稳胶体相互聚集称“絮凝”；“混凝”是凝聚和絮凝的总称。

在概念上可以这样理解，但在实际生产中很难截然划分。

水处理中的混凝现象比较复杂。

不同种类混凝齐以及不同的水质条件，混凝剂作用机理都有所不同。

许多年来，水处理专家们从铝盐和铁盐混凝现象开始，对混凝剂作用机理进行了不断研究，理论也获得不断发展。

DLVO理论的提出，使胶体稳定性及在一定条件下的胶体凝聚的研究取得了巨大进展。

但DLVO理论并不能全面解释水处理中的一切混凝现象。

当前，看法比较一致的是，混凝剂对水中胶体粒子的混凝作用有3种：

电性中和、吸附架桥和卷扫作用。

这3种作用究意以何者为主，取决于混凝剂种类和投加量、水中胶体粒子性质、含量以及水的pH值等。

这3种作用有时会同时发生，有时仅其中1～2种机理起作用。

目前，这三种作用机理尚限于定性描述，今后的研究目标将以定量计算为主。

实际上，定量描述的研究近年来也已开始。

概括以上几种混凝机理，可作如下分析判断：

1．对铝盐混凝剂（铁盐类似）而言，当pH＜3时，简单水合铝离子[Al（H2O6）6]3+可起压缩胶体双电层作用，但在给水处理中，这种情况少见；在pH=4.5～6.0范围内（视混凝剂投量不同而异），主要是多核羟基配合物对负荷胶体起电性中和作用，凝聚体比较密实；在pH=7～7.5范围内，电中性氢氧化铝聚合物[Al（OH）3]n可起吸附架桥作用，同时也存在某些羟基配合物的电性中和作用。

天然水的pH值一般在6.5～7.8之间，铝盐的混凝作用主要是吸附架桥和电性中和，两者以何为主，决定于铝盐投加量；当铝盐投加量超过一定限度时，会产生“胶体保护”作用，使脱称胶粒电荷变号或使胶粒被包卷而重新稳定（常称“再称”现象）；当铝盐投加量再次增大、超过氢氧化铝溶解度而产生大量氢氧化名沉淀物时，则起网捕和卷扫作用。

实际上，在一定的pH值下，几种作用都可能同时存在，只是程度不同，这与铝盐投加量和水中胶粒含量有关。

如果水中胶粒含量过低，往往需投加大量铝盐混凝剂使之产生卷扫作用才能发生混凝作用。

2．阳离子型高分子混凝剂可对负电荷胶粒起电性中和与吸附架桥双重作用，始凝体一般比较密实。

非离子型和阴离子型高分子混凝剂只能起吸附架桥作用。

当高分子物质投量过多时，也产生“胶体保护”作用使颗粒重新悬浮。

2.2混凝剂和助凝剂

2.2.1混凝剂

应用于饮用水处理的混凝剂应符合以下基本要求：

混凝效果好；对人体健康无害；使用方便；货源充足，价格低廉。

混凝剂各类很多，据目前所知，不少于200～300种。

按化学成分可分为无机和有机两大类。

无机混凝剂品种较少，目前主要是铁盐和铝盐及其聚合物，在水处理中用的最多。

有机混凝剂品种很多，主要是高分子物质，但在水处理中的应用比无机的少。

本节仅介绍常用的几种混凝剂。

（1）无机混凝剂

常用的无机混凝剂列于下表，这里仅简要介绍几种。

常用的无机混凝剂

名称

化学式

铝系

硫酸铝

明矾

聚合氯化铝（PAC）

聚合硫酸铝（PAS）

Al2（SO4）3·18H2O

Al2（SO4）3·14H2O

KAl（SO4）2·12H2O（钾矾）

NH4·Al（SO4）2·12H2O（铵矾）

[Al2（OH）nCl6-n]m

[Al2（OH）nSO4）3-]m

铁系

三氯化铁

硫酸亚铁

聚合硫酸铁（PFS）

聚合氯化铁（PFC）

FeCl3·6H2O

FeSO4·7H2O

[Fe2（OH）nSO4）3-]m

[Fe2（OH）nCl6-n]m

（2）有机高分子混凝剂

有机高分子混凝剂又分天然和人工合成两类。

在给水处理中，人工合成的日益增多并居主要地位。

这类混凝剂均为巨大的线性分子。

每一大分子由许多链节组成且常含带电基团，故又被称为聚合电解质。

按基团带电情况，又可分以下4种：

凡基团离解后带正电荷者称阳离子型，带负荷者称阴离子型，分子中既含正电基团又含负电荷基团者称两性型，若分子中不含可离解基团者称非离子型。

水处理中常用的是阳离子型、阴离子型和非离子型3种高分子混凝剂，两性型使用极少。

三、沉淀和澄清

3.1悬浮颗粒在静水中的沉淀

水中悬浮颗粒依靠重力作用，从水中分离出来的过程称为沉淀。

颗粒比重大于1时，表现为下沉；小于1时，表现为上浮。

在给水处理中，常遇到两种沉淀，一种是颗粒沉淀过程中，彼此没有干扰，只受到颗粒本身在水中的重力和水流阻力的作用，称为自由沉淀；另一种是颗粒在沉淀过程中，彼此相互干扰，或者受到容器壁的干扰，虽然其粒度和第一种相同，但沉淀速度却较小，称为拥挤沉淀。

分述如下。

3.1.1悬浮颗粒在静水中的自由沉淀

颗粒在静水中的沉淀速度取决于：

颗粒在水中的重力F1和颗粒下沉时所受水的阻力F2；直径为d的球形颗粒在静水中所受的重力F1为

F1=πd3（ρp-ρ1）g（16-1）

式中ρp及ρ1——颗粒及水的密度；

g——重力加速度。

3.1.2悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀

严格而言，自由沉淀是单个颗粒在无边际的水体中的沉淀。

此时颗粒排挤开同体积的水，被排挤的水将以无限小的速度上升。

当大量颗粒在有限的水体中下沉时，被排挤的水便有一定的速度，使颗粒所受到的水阻力有所增加，颗粒处于相互干扰状态，此过程称为拥挤沉淀，此时的沉速称为拥挤沉速。

拥挤沉速可以用实验方法测定。

当水中含砂量很大时，泥砂即处于拥挤沉淀状态。

常见的拥挤沉淀过程有明显的清水和浑水分界面，称为浑液面，浑液面缓慢下沉，直到泥砂最后完全压实为止。

水中凝聚性颗粒的浓度达到一定数量亦产生拥挤沉淀。

由于凝聚性颗粒的比重远小于砂粒的比重，所以凝聚性颗粒从自由沉淀过渡到拥挤沉淀的临界浓度远小于非凝聚性颗粒的临界浓度。

四、过滤

4.1过滤概述

在常规水处理过程中，过滤一般是指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮杂质，从而使水获得澄清的工艺过程。

滤池通常置于沉淀池或澄清池之后。

进水浊度一般在10度以下。

滤出水浊度必须达到饮用水标准。

当原水浊度较低（—般在100度以下），且水质较好时，也可采用原水直接过滤。

过滤的功效，不仅在于进一步降低水的浊度，而且水中有机物、细菌乃至病毒等将随水的浊度降低而被部分去除。

至于残留于滤后水中的细菌、病毒等在失去浑浊物的保护或依附时，在滤后消毒过程中也将容易被杀灭，这就为滤后消毒创造了良好条件。

在饮用水的净化工艺中，有时沉淀池或澄清池可省略，但过滤是不可缺少的，它是保证饮用水卫生安全的重要措施。

滤池有多种形式。

以石英砂作为滤料的普通快滤池使用历史最久。

在此基础上，人们从不同的工艺角度发展了其它型式快滤池。

为充分发挥滤料层截留杂质能力，出现厂滤料粒径循水流方向减小或不变的过滤层，例如，双层、多层及均质滤料滤地，上向流和双向流滤池等。

为了减少滤池阀门，出现了虹吸滤池、无阀滤池、移动冲洗罩滤池以及其它水力自动冲洗滤池等。

在冲洗方式上，有单纯水冲洗和气水反冲洗两种。

各种形式滤池，过滤原理基本一样，基本工作过程也相同，即过滤和冲洗交错进行。

兹以普通快滤池为例，介绍快滤池工作过程。

过滤过滤时，开启进水支管2与清水支管3的阀门。

关闭冲洗水支管4阀门与排水阀5。

浑水就经进水总管1、支管2从浑水渠6进入滤池。

经过滤料层7、承托层8后，由配水系统的配水支管9汇集起来再经配水系统干管渠10、清水支管、清水总管12流往清水池。

浑水流经滤料层时，水中杂质即被截留。

随着滤层中杂质截留量的逐渐增加，滤料层中水头损失也相应增加。

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