理想沉淀池的表面负荷就是它的截流沉速,反应了能全部去除的颗粒中的最小颗粒沉速。
在沉淀池中,通常要求降低雷诺数以利于颗粒沉降。
在沉淀池中,降低Re和提高Fr的有效措施是减小水力半径R。
实际生产性沉淀池的沉淀时间和水深均影响沉淀效果。
排泥方式:
斗形底排泥、机械排泥、穿孔排泥管、虹吸吸泥机、吸泥泵等。
P303----例题
浅池沉降的原理按照理想沉淀池的理论,在沉淀池有效容积一定的条件下,增加沉淀面积,可使颗粒去除率增高。
原理:
1、改善了水力条件:
在同一过水断面上分层或分格,使断面的湿周增大,水力半径(面积/湿周)大大减小,从而降低了雷诺数Re,增大了弗罗德数Fr,水流处于层流状态,颗粒沉降效果会得到改善。
2、沉淀池越短,就能缩短沉淀时间。
这就是浅池沉降高效的原理。
根据水流和泥流的相对方向,可将斜板斜管沉淀池分为异向流(逆向流)、同向流和测向流(横向流)。
其中异向流应用的最广。
异向流的特点:
水流向上、泥流向下,倾角60度。
澄清池特点:
絮凝和沉淀两个过程综合于一个构筑物中完成。
主要依靠活性泥渣层来达到澄清的目的。
泥渣为什么有净水作用
①由于混凝剂混凝浑水后新生成的泥渣尚有大量的未饱和的活性集团,能继续吸附和粘附水中的悬浊物质,所以有净水作用。
②泥渣具有疏松的结构和很大的表面积,浑水的混凝过程在泥渣的团体表面上进行(接触凝聚)要比在水中进行(自由凝聚)强的多,所以也提高了混凝效果。
③悬浮泥渣层具有很高的浓度(从数百到数千mg/l),能大大地增加泥渣之间的碰撞机会,促进絮凝颗粒的增大,这样就提高了絮凝体的沉淀速度.
澄清池的种类:
①泥渣循环型澄清池②泥渣悬浮型澄清池
加速澄清池由于采用机械搅拌的方法来悬浮泥渣,驱使泥渣回流,所以它具有较好的调节性能(泥渣浓度、搅拌速度、泥渣循环量)。
机械加速澄清池特点:
1、能适应水质水量的变化,工作稳定性较好;
2、它需要设置变速电动机和减速装置等机电设备,结构较复杂。
水力循环澄清池特点:
①这种澄清池反应时间短,反应进行的不完善,所以需多投一些药剂,才能获得较好的效果;
②池深较大,宜用于小规模水厂中;
③因构造较简单,不须复杂的机电设备,投资较省,故小水量时较合适。
悬浮澄清池特点:
①构造简单;
②对进水量、水质、水温的变化适应性较差,当进水流量、水质变化较大时,悬浮泥渣易遭破坏;
③面积过大时,也容易导致配水和悬浮层浓度分布不均匀;故适用于中小型水厂。
第四章过滤
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。
位置:
沉淀池、澄清池后
作用:
进一步降低水的浊度、部分去除有机物、细菌、病毒等
滤料:
单层、双层或多层
形式:
普通快滤池、虹吸滤池、无阀滤池、移动冲洗罩滤池、水利自动冲洗滤池等。
基本工作过程:
过滤和反冲洗交替进行
过滤过程是进水由上到下通过一定厚度的由一定粒度的粒状介质组成的床层,由于粒状介质之间存在大小不同的孔隙,水中的悬浮物被这些孔隙截留而除去。
到一定程度时过滤不能进行,需要进行反洗。
反洗是通过上升水流的作用使滤料呈悬浮状态,滤料间的孔隙变大,污染物随水流带走,反洗完成后再进行过滤。
过滤机理:
①迁移机理——被水流挟带的颗粒如何与滤料颗粒表面接近或接触:
拦截,沉淀,惯性,扩散,水动力。
②黏附机理——颗粒与滤料表面接近或接触时,依靠哪些力的作用使得他们黏附与滤料表面上:
物理-化学作用力(以范德华引力、静电力、以及某些化学键和一些特殊化学力,粘附在滤料表面或原先粘附的颗粒上。
)
粘附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质。
粘附力和水流剪力相对大小,决定了颗粒粘附和脱稳程度。
水流剪力增大,杂质深入滤层
改善滤池过滤过程的途径:
反粒度过滤,上向流过滤,双向流过滤。
为改变滤层中杂质分布严重不均匀的现象,提高滤层含污能力。
出现双层、三层或混合滤料机均质滤料。
均质滤料是指沿整个滤层深度方向任意横断面上,滤料组成和平均粒径均匀一致。
原水不经沉淀池而直接进入滤池过滤称“直接过滤”。
直接过滤特点:
1.工艺简单;
2.混凝剂用量少;
3.易于处理低温低浊水。
随着过滤时间的延长,悬浮物杂质增多,产生了等速过滤与变速过滤两种过滤方式。
等速过滤概念:
滤池过滤过程中,如果滤速始终不变(滤池流量不变),称为等速过滤。
典型:
虹吸滤池、无阀滤池
变速过滤概念:
过滤过程中,如果过滤水头损失始终不变,由上式可知,滤层孔隙率的逐渐减小,必然使滤速逐渐降低。
滤速随过滤时间而逐渐减小的过滤称为“变速过滤”或“减速过滤”。
变速过滤的实现:
移动冲洗罩滤池,或滤池组。
变速过滤的特点:
与等速过滤相比,在平均滤速相同的情况下:
1.减速过滤的滤后水质好;
2.在相同过滤周期内,过滤水头损失较小。
3.相反,滤层内截留杂质较多时,虽然滤速降低,但因滤层孔隙率减小,孔隙流速未必减小。
各水压线与静水压力线之间水平距离表示过滤时滤层中的水头损失。
对滤料的要求:
1.具有足够的机械强度,以防冲洗时滤料产生严重磨损和破碎现象;
2.具有足够的化学稳定性,不污染水质;
3.不含有对人体健康和生产有害的物质;
4.具有一定的颗粒级配和适当的孔隙率。
根据相邻两滤料层之间粒径之比和密度之比的经验数据来确定双层滤料级配。
承托层的作用:
1.防止过滤时滤料从配水系统中流失;
2.在冲洗时起一定的均匀布水作用。
采用小阻力配水系统,承托层可不设,或适当铺设一些粗砂或细砾石。
快滤池冲洗方法有以下几种:
v过大或过小,冲洗效果均会降低。
1.高速水流反冲洗;
2.气、水反冲洗;
3.表面助冲加高速水流反冲洗。
滤层膨胀后所增加的厚度与膨胀前之比,称为滤层膨胀度。
气水反冲方法有以下几种:
1.先用气冲,然后再用水冲;
2.先用气水同时反冲,然后再用水冲。
3.先用空气反冲,然后用气水同时反冲,最后再用水冲。
配水系统分为“大阻力”“小阻力”两种,还有中阻力配水系统。
快滤池常用的是:
“穿孔大阻力配水系统”
削弱了承托层、滤料层阻力系数及配水系统压力不均匀的影响。
这就是大阻力配水系统的基本原理。
第8章苦咸水淡化与除盐
根据工业用水对水质要求的不同,水的纯度分为四种:
①淡化水(一般除盐水)②脱盐水(深度除盐水,相当于普通蒸馏水)③纯水(去离子水)④超纯水(高纯水):
海水(苦咸水)淡化与水的除盐方法:
蒸馏法:
多级闪蒸海水淡化的主要方法
反渗透法:
应用较多
电渗析法:
与反渗透法同为膜分离技术
离子交换法:
主要用于淡水除盐,与膜法联合用于水的深度除盐处理。
进水水质预处理包括去除:
悬浮物,有机物,胶体物质,微生物,细菌以及某些有害物质(Fe、Mn)。
预处理方法:
机械过滤和微孔过滤;常规净水处理;活性炭吸附。
阳离子交换树脂在水中解离生成阳离子,阴离子树脂在水中解离生成阴离子。
除盐原理:
对于H+树脂,交换后水中阳离子全部为H+,同样对OH-树脂,交换后水中阴离子全部为OH-,因此水中全部阴阳离子变为H+、OH-,结合为水,这样达到除盐的目的。
阴离子树脂分为两部分组成:
空间网状结构的母体和活性基团
区别:
树脂在水中解离出阴离子,呈碱性,常用的阴离子交换树脂是胺类树脂,其活性基团有四种.
弱碱树脂只能去除强酸离子,一般弱酸不太能被弱碱性树脂吸附,但也有能与、H2CO3交换的树脂,硅酸(二氧化硅)不会被交换。
解释一:
弱酸树脂在水溶液中不易解离,[OH-]小,对于强酸:
水中[H+]高,易发生H++OH-=H2O,推动了ROH的解离所以SO42-可以被吸附到树脂上,对于弱酸:
水中[H+]低,不易发生H++OH-=H2O。
解释二:
虽然亲和力OH->SO42-,但水中,[OH-]低,而[SO42-]高,所以易吸附。
弱碱树脂不能与水中弱酸发生反应,对中性盐类也没有分解能力。
优点:
弱碱树脂交换容量高于强碱树脂;
弱碱树脂抗污染能力好于强碱树脂;
弱碱树脂再生剂用量少于强碱树脂。
复床除盐指阳、阴离子交换器串联使用,达到水的除盐的目的。
阴离子再生树脂以氢氧化钠为主。
混合床除盐:
基本原理:
阴阳离子交换树脂装填在同一个交换器内,再生时使之分层再生,使用时先将其均匀混合,这种阴、阳树脂混合在一起的离子交换器称为混合床。
特点(与复床比较):
阴阳离子交换反应同时进行,出水水质好而稳定,交换终点明显,设备也比较少。
a.出水水质纯度高。
b.工作条件变化时对出水水质影响较小,且工作周期较长。
c.间断运行对出水水质的影响小。
d.交换终点明显。
混床的主要缺点是:
1、再生时阳、阴树脂很难彻底分层,特别是当有部分阳树脂混杂在阴树脂层内时,这部分阳树脂在碱液再生阴树脂时转为钠型,造成运行后的Na+泄漏,即所谓的交叉污染;
2、混床对有机物污染很敏感,污染后很快出现出水质量降低、正洗时间延长和工作容量减少。
树脂的污染的主要标志是,树脂工作交换容量下降,颜色变深、出水水质恶化。
离子交换树脂的应用:
(一)水处理
(二)铀的提取和贵金属及稀土元素的分离回收:
(三)医药、食品等有机化合物分离与提纯
(四)用作催化剂
§8—3膜分离法
在废水处理中常用的有扩散渗析、电渗析、反渗透、超滤、等四种膜分离技术。
膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差。
膜分离技术的特点:
(a)膜分离过程不发生相变
(b)膜分离过程在常温下进行,因而特别适于对热敏性物料,如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩;
(c)装置简单,操作简单,控制、维修容易,且分离效率高。
与其它水处理方法相比,具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点;
(d)由于目前膜的成本较高,所以膜分离法投资较高,有些膜对酸或碱的耐受能力较差。
所以目前膜分离法在水处理中一般用于回收废水中的有用成分或水的回用处理。
电渗析法:
离子交换膜及其作用机理:
1,离子交换膜:
离子交换膜是电渗析器的重要组成部分,按其选择透过性能,主要分为阳膜与阴膜.
按其膜体结构,可区分为异相膜、均相膜
异相膜机械强度好、价格低,但膜电阻大、耐热差、透水性大。
均相膜则相反。
离子交换膜为什么具有选择透过性呢?
离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜,其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上离子基团的作用。
离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用,而是起离子选择透过性作用。
膜电阻——膜电阻与电渗析所需要的电压有密切的关系。
电阻越小,所需电压越低。
电渗析法:
外加直流电场作用下,利用离子交换膜的选择透过性,使水中阴阳离子做定向迁移,从而达到离子从水中分离的一种物理化学过程。
在电渗析器膜界面现象中,极化现象主要发生在阳膜的淡室一侧,沉淀主要发生在阴膜的浓室一侧。
电渗析器由膜堆、极区和夹紧装置三部分组成。
反渗透是一项高新膜分离技术,其孔径很小,它能去除滤液中的离子范围和分子量很小的有机物,如细菌、病毒、热源等。
特点
常温条件下,可以对溶质和水进行分离或浓缩,因而能耗低;
杂质去除范围广,可去除无机盐和各类有机物杂质;
较高的水回用率;
分离装置简单,容易操作和维修。
反渗透的原理:
开始时两边液面相同;由于浓度差存在,半透膜又不允许溶质通过,所以水透过膜,使浓水一边液面升高,产生渗透压;在浓水边加压,当压力超过渗透压时,则水透过半透膜,即反渗透,实现净化过程。
一种只能透过溶剂而不能透过溶质的膜称为半透膜。
反渗透是渗透的一种反向迁移运动,它主要是在压力推动下,借助半透膜的截留作用,迫使溶液中的溶剂与溶质分开。
反渗透膜是一种只允许水通过而不允许溶质透过的半透膜。
目前研究得比较多和应用比较广的是主要有醋酸纤维素膜CA和芳香族聚酰胺膜两大类。
膜的结构醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子化合物。
膜必须保存在水中。
可以对反渗透水进行进一步纯化以达到要求:
1:
双级反渗透
2:
反渗透与EDI结合
3:
反渗透与离子交换结合
反渗透膜的透过机理:
因膜的类型不同而有所不同。
在反渗透过程中,由于水不断地透过膜,引起膜表面溶液浓度的升高,从膜表面到溶液之间形成了浓度差,引起膜表面的盐类向外扩散,这种现象叫浓差极化。
危害:
1、局部区域渗透压力增加,需要提高进水压力来抵消;
2、膜表面出现某些有害物质浓缩,加快膜变质。
措施:
使进水流动保持湍流状态,即提高进水流速,防止膜表面浓度增加。
反渗透膜的保护和清洗:
保护:
1、严格的预处理:
混凝、澄清、普通过滤、活性炭过滤、精密过滤等
2、进水ph=5.5-6.5,防膜水解或结垢
清洗:
1、长期使用,膜表面仍会结垢,透水量下降。
2、定期清洗,用稀HCl(ph=2-3)冲洗,或用各种络合剂如柠檬酸、过硼酸钠等防硫酸钙结垢。
反渗透膜组件有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式等四种。
影响反渗透膜性能的因素:
1.进水压力对反渗透膜的影响
操作压力要根据膜性能、原水浓度、水回收率等条件来考虑。
2.进水温度对反渗透膜的影响
水温的增加,水通量会线性的增加。
其原因在于透过膜的水分子粘度下降、扩散性能增强。
但温度太高,膜易水解,一般膜的工作温度为20-30℃.
3.进水pH值对反渗透膜的影响
进水pH值对产水量几乎没有影响;而对脱盐率有较大影响。
pH低时脱盐率也较低。
超滤(UF):
用于截留水中胶体大小的颗粒,水和低分子量的溶质则允许透过膜。
超过滤与反渗透的异同:
超过滤简称超滤,它同反渗透一样,都是利用膜来分离废水中溶解的物质。
两种方法的共同点在于:
两种过程的动力同是溶液的压力,在溶液的压力下,溶剂的分子通过薄膜,而溶解的物质被阻滞在膜表面上。
两者区别在于:
(1)膜不同:
超过滤所用的膜(超滤膜)较疏松,透水量大,除盐率低。
滤过滤分离高分子和低分子有机物以及无机离子等。
反渗透所用的膜(反渗透膜)致密,透水量低,除盐率高,具有选择透过能力,用以分离分子大小大致相同的溶剂和溶质,
(2)机理不同:
超过滤的去除机理主要是筛滤作用。
在反渗透膜上分离过程伴随有半透膜、溶解物质和溶剂之间复杂的物理化学作用。
(3)工作压力不同:
超过滤的工作压力低(0.07-0.7MPa)。
反渗透所需的工作压力高(大于2.8MPa)。
超滤装置与反渗透装置类似。
对比:
反渗透、超滤、微孔过滤均以压力差为推动力,电渗析以电压为推动力,渗析以浓度差为推动力。
超滤的原理:
通过膜表面的微孔结构对物质进行选择性分离。
当液体混合物在一定压力下流经膜表面时,小分子溶质透过膜(称为超滤液),而大分子物质则被截留,使原液中大分子浓度逐渐提高(称为浓缩液),从而实现大、小分子的分离、浓缩、净化的目的。
用于去除废水中大分子物质和微粒(分子量>500)。
超滤截留大分子物质的机理是:
膜表面的孔径机械筛分作用;
膜孔阻塞、阻滞作用;
膜表面及膜孔对杂质的吸附作用。
第三章混凝
对象:
水和废水中常常不能用自然沉降法除去的悬浮微粒和胶体污染物。
混凝是水中的胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程。
包括凝聚和絮凝两个步骤。
凝聚是指使胶体脱稳并聚集为微絮粒的过程,
絮凝则指微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大的絮体的过程。
胶体的特性包括光学性质、力学性质、表面性能、动电现象四个方面。
胶体的稳定性分为“动力学稳定”和”聚集稳定”两种。
动力学稳定是指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力。
聚集稳定是指胶体粒子之间不能相互聚集的倾向。
胶体的稳定的原因:
憎水胶体颗粒的胶体表面间隔着两个滑动面内的离子层厚度,使颗粒处于相斥的状态,这就是憎水胶阵保持稳定的根源。
亲水胶体颗粒则是因力所吸附的大量水分子构成的水壳,使它们不能靠近而保持稳定。
胶体能保持稳定主要有两个原因:
首先,由于同类的胶体微粒电性相同,它们之间的静电斥力阻止微粒间彼此接近而聚合成较大的颗粒;
其次,带电荷的胶粒和反离子都能与周围的水分子发生水化作用,形成一层水化壳,也阻碍各胶粒的聚合。
胶体的凝聚机理:
胶体因ξ电位降低或消除,从而失去稳定性的过程称为脱稳。
脱稳的胶粒相互聚集为较大颗粒的过程称为凝聚。
未经脱稳的胶体也可形成大的颗粒,这种现象称为絮凝。
不同的化学药剂能使胶体以不同的方式脱稳、凝聚或絮凝。
水的混凝现象比较复杂。
使胶体脱稳的机理可归结为以下四种。
(1)压缩双电层
(2)吸附电中和作用
(3)吸附架桥作用
(4)网捕作用
硫酸铝在水中的化学反应:
AL2(SO4)318H2O是水厂中常用的混凝剂之一。
经过水解、聚合或配合反应可形成多种物质。
水解产物的结构形态主要决定于羟铝比(OH)/(Al)——每摩尔铝所结合的羟基摩尔数
铝离子通过水解产生的物质分成4类:
①未水解的水合铝离子;
②单核羟基配合物;
③多核羟基配合物或聚合物;
④氢氧化铝。
各种水解产物的相对含量与水的PH值和铝盐投加量有关
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。
当PH<3时,水解受到抑制水中存在的主要是[AL(H2O)6]3+,
压缩双电层作用;
当PH=4~5时,水中将出现[AL(OH)(H2O)5]2+单羟基水合铝离子、[AL(OH)2(H2O)5]+双羟基水合铝离子,及少量[AL(OH)3(H2O)3]
吸附电性中和;
当PH=6.5-7.5时,水中主要是中性的[AL(OH)3(H2O)3]沉淀物,
吸附架桥
当PH>8.5时,由于轻氧化铝是典型的两性化合物,它又重新溶解并继续水解,水解产物是可溶性的负离子。
AL(OH)3(H2O)3+H2O[AL(OH)4(H2O)2]-+H3O+
在它们之间再进一步结合,还可以生成如[AL3(OH)4(H2O)10]5+以及更多的聚合物,缩聚反应结果,使聚合物水解反应仍继续进行。
[AL3(OH)4(H2O)10]5++H2O[AL3(OH)5(H2O)9]4++H3O+
[AL6(OH)14]4+、[AL6(OH)15]3+、[AL8(OH)20]4+、[AL7(OH)17]4+、[AL13(OH)34]5+、等等。
PH偏低时,水中电荷高、聚合度低的络合物占主导地位,它能对水中胶体杂质发挥压缩扩散层及电中和作用,使杂质发生凝聚,既起脱稳凝聚作用,吸附架桥居次。
在PH