《水处理工程》清华1.docx

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《水处理工程》清华1

《水处理工程》

第一篇水与废水物化处理的原理与工艺

（讲义）

黄霞

清华大学环境科学与工程系

（2003年7）

主要参考书：

（1）顾夏声等：

《水处理工程》第一版，清华大学出版社，1985

（2）严煦世、范瑾初编著：

《给水工程》第四版，中国建筑工业出版社，1999

（3）张自杰等编著：

《排水工程》第四版，中国建筑工业出版社，2000

（4）GeorgeTchobanoglous,FranklinL.BurtonandH.DavidStensel:

WastewaterEngineering,treatmentdisposalandreuse,Fourthedition,Metcalf&Eddy,Inc.,（清华大学出版社影印，2002年8月）

（5）RonaldL.Droste:

TheoryandPracticeofWaterandWastewaterTreatment,JohnWiley&Sons,Inc.,1997

（6）《环境工程手册》之《水污染防治卷》，张自杰等，高等教育出版社，1996

第一章绪论

第1节水资源循环与特点

一、中国水资源特点

1.人均占有量少

淡水总量在全世界占第6位。

但人均占有量只有2340m3/人年（以12亿人口计），世界平均水准的1/4，占88位。

2.空间分布不均

81％的水资源分布在长江流域及其以南

东南地区降水量可达1600mm，造成涝灾

西北地区降水只有500mm，少的地区不到200mm

3.年内及年际变化大

60－80％降水集中在夏季，7，8，9月；年际变化差3－6倍（大时）

4.许多地区缺水严重

三北（西北、华北、东北）和沿海（青岛、大连）

在640个城市中，300多个城市缺水。

二、水资源的自然循环与社会循环

三、水处理工程的任务

给水工程：

取水――给水处理――配水

针对不同的水源水水质，经处理后满足工农业和生活的对水质与水量的要求。

排水工程：

废水收集（来源于生活、工业和农业）――废水处理――排放或回用

第2节水污染现状及来源

一、水污染现状

污水处理率低：

污水排放排放量接近400亿m3。

工业废水处理率约80％，达标排放的只有60％

城市污水处理率<15％

90％以上的城市水域受到污染，特别严重的水系：

三河：

淮河、海河、辽河

湖泊富营养化严重：

滇池、巢湖（安徽）、太湖（江苏）

50％左右地下水水质受到污染

50％以上的重点城镇饮用水源不符合标准

二、水污染来源

1．工业污染源

2.生活污染源

3.养殖业

4.面污染源：

三、污染物性质与水质指标

1．污染物性质

按化学物质分：

有机物

无机物

按物理形态大小分：

悬浮物

胶体

溶解性

2．废水水质指标

1）物理性质：

色，温度，SS

2）化学性质：

pH、有机物、溶解性固体、有毒物、N、P

有机物：

综合指标：

BOD、COD、TOD（总需氧量）

单项指标

3）生物学指标：

细菌总数、大肠菌数

四、水污染原因

1．人口增加和经济增长的压力：

2．粗放型发展模式

3.面源污染严重

4．污水处理率偏低，大量污水直接排放

5．环境意识淡薄、环境管理薄弱、环境执法力度不够

6.排污收费等经济政策未能起到对治污的刺激作用

7.历史欠帐太多，资金投入严重不足

五、水污染防止战略对策与保障措施

战略对策：

1．加快城市废水处理厂的建设步伐，实施废水资源化

2．尽快实现从末端治理向源头控制的的战略转移，大力推行清洁生产

3．从单纯的点污染源治理转向点源、内源和面源的流域综合综合治理

4．切实保护饮用水源地，提高饮用水安全性

保障措施：

1.严格以法治水，制定并实施有效的法律、规章、制度

2.完善水的管理体系，改变“多龙管水”的现象

3.加大水污染治理投资

4.采取有利于水污染防治的经济政策

第3节水质标准

一、饮用水卫生标准

回顾历史，改善的方向：

注重水的外观、预防传染病―去除重金属――去除微量有机物----内分泌紊乱物质。

有关的内分泌紊乱物质的提出始于90年代初野生动物学者的会议上。

96年美国开始食品、饮用水中内分泌紊乱物的筛控方法研究。

然后欧洲经济协力开发组织开始研究。

97年日本，定出被怀疑的物质67,包括：

（1）杀虫剂、除草剂，45种；

（2）工业原料，有机氯化合物；（3）副产物，如二恶英。

国际上：

s有现代意义的饮用水标准是在本世纪初在美国出现――

《公共卫生署饮用水水质标准》1914年，只针对细菌数量

由此大大减少了伤寒病死亡的人数。

到1962年期间，有过修订，但主要是针对化学物质、生物学指标和感官指标

s1974年通过了《安全饮用水法》（Safedrinkingwateract），

s1975年颁布了《国家暂行饮用水基本规则》（NationalInterimprimarydrinkingwaterregulations）――美国饮用水水质标准上的里程碑

增加了6种有机物的限制

s1979年修改《国家暂行饮用水基本规则》

s1986年提出了《安全饮用水法修正案》（SafeDrinkingWaterActAmendments）

《暂行规定》Ô《国家饮用水基本规定》（NationalPrimaryDrinkingWaterRegulations）

提出了达到该标准的最佳可行技术（Bestavailabletechnology）。

以后，不断改进，增加限制有机物的种类。

美国等的情况代表了国际上先进水平水质标准的发展趋势。

有机物指标的数目超过了水质指标总数的2/3，特别是消毒副产物项目的增加。

国内情况：

1956年制订了第1个「生活饮用水卫生标准（试行）」，16项水质指标

1976年项目修订增加到23项

1986年「――――」GB5749-85

共35项，关于有机物指标只有6项

2001年6月新标准[生活饮用水卫生规范]

二、工业与其它用水标准

1．工业用水标准

2．其它：

游泳、渔业、灌溉

三、废水排放标准

1．地表水环境质量标准

首次发布1983年

第1次修订1988年

第2次修订1999年

GHZB1-1999，2000年1月1日起实施。

分成基本项目和特定项目

特定项目适用于地表水域特定污染物的控制。

共计75项，其中基本项目31项，以控制湖泊水库富营养化为目的的特定项目4项

以控制地表水I，II，III类水域有机化学物质为目的的特定项目40项。

水体分类：

I类主要适用于源头水、国家自然保护区；

II类主要适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵区

III类主要适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区

IV类主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区

V类主要适用于农业用水区及一般景观要求区域

2．污水综合排放标准

原有标准：

GB8978－88

污染物分成两类：

I类（9项）：

对人体健康产生长远影响，不允许稀释，一律执行严格标准

II类（20项）：

长远影响小于I类

针对排放区域和新建、现有，执行不同的标准。

修订标准：

GB8978－1996颁布，98年1月1日开始实施。

I类：

增加到了13项

II类：

增加到了56项目

仍按排放区域不同执行不同的标准。

3．行业排放标准

第4节水处理方法和工艺流程简介

一、给水处理

（一）给水处理的基本方法

1．去除水中的悬浮物：

混凝、澄清、沉淀、过滤、消毒

2．变革水中溶解物质：

减少、调整

如软化、除盐、水质稳定

3．降低水温：

冷却

4．去除微量有机物

（二）常规处理工艺

以没有受到污染的地面水源为生活饮用水水源时：

原水－混凝－沉淀－过滤－消毒－饮用水

以去除浊度、满足卫生学标准。

地面水源水质：

杂质多、含盐量较低。

工业用除盐水：

滤过水－阳离子交换－阴离子交换――除盐水

（三）其它水处理工艺

1．高浊度水处理工艺

2．低温第浊水处理工艺

3．微污染水处理工艺

4．富营养化湖泊水处理工艺

（四）热点问题与发展方向

s有机污染物

特别是80年代以后，对有机物的污染特别关注。

已发现在给水水源中有机物种类在2000种以上；饮用水中有700多种。

美国确立了117种优先控制有机物。

我国也确定了12类，58种。

s病原微生物：

新的病原微生物：

如贾第虫（GiardiaLamblia）、隐孢子虫等。

s管网水二次污染：

细菌繁殖――水质变差、管道堵塞

水处理技术的发展方向：

s加强微量有机物去除：

加强常规处理

增加预处理（如生物预处理）

增加后处理（如活性炭吸附、化学氧化）

开发新技术（如膜技术）

s加强消毒：

防止各种致病微生物的影响

s消毒副产物的问题：

替代氯的其它消毒技术

s管网水二次污染控制：

二、废水处理

（一）基本处理方法

1．物理法：

沉淀、气浮、筛网

2．化学法：

处理溶解性物质或胶体

中和、吹脱、混凝、消毒

3．生物处理方法：

好氧、厌氧

（二）城市污水处理一般流程

预处理：

Preliminarytreatment

一级处理：

Primarytreatment

二级处理：

Secondarytreatment

三级或深度处理：

Tertiaryoradvancedtreatment

深度处理一般以污水回收、再用为目的。

BOD去除率SS去除率

一级处理20－4050－70

二级处理75－9575－95

存在问题：

基建与运行费用高，占地大，剩余污泥产量大，管理麻烦，不能除去氮磷。

发展方向：

低耗高效处理技术：

天然处理

厌氧处理技术

深度处理与再生利用技术

污泥处理技术

传统污水系统的变革

（三）工业废水处理

根据水质不同、处理程度工艺而异。

一般大多以生物处理为主，

但常有前处理（调节、气浮除油、中和）

根据需要有后处理：

混凝、过滤、活性炭吸附

重要课题：

难降解有机物工业废水的治理技术，如农药废水、造纸废水、染料废水等。

第二章混凝

第1节混凝的去除对象

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~0.1mm（有时认为在1mm）

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-4mm）

细菌（0.2mm-80mm）

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

第2节胶体的性质

一、胶体的稳定性

1．动力学稳定性：

布朗运动对抗重力。

2．聚集稳定性：

胶体带电相斥（憎水性胶体）

水化膜的阻碍（亲水性胶体）

两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。

二、胶体的双电层结构

动电位z电位：

决定了胶体的聚集稳定性

一般粘土z电位＝-15~-40mV

细菌z电位＝-30~-70mV

三、DLVO理论

胶体的稳定性和凝聚可由两胶粒间的相互作用和距离来评价。

由下列两方面的力决定：

静电斥力：

ER－1/d2

范德华引力：

EA－1/d6（有些认为是1/d2或1/d3）

由此可画出两者的综合作用图。

另一方面，胶体的布朗运动能量Eb＝1.5kT

k：

波兹曼常数，T：

温度

胶体距离x

x>oa，稳定（二次凝聚除外）

以上称为DLVO理论。

只适用于憎水性胶体。

德加根（derjaguin）、兰道（Landon）（苏联，1938年独立提出〕

伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）（荷兰，1941年独立提出）

胶体的凝聚：

降低静电斥力――z电位¯――势垒¯――脱稳――凝聚

办法：

加入电解质，但只适用于憎水性胶体

第3节水的混凝机理与过程

一、铝盐在水中的化学反应

铝盐最有代表的是硫酸铝Al2（SO4）3×18H2O，溶于水后，立即离解铝离子，通常是以[Al（H2O）6]3+存在。

在水中，会发生下列过程。

1．水解过程

配位水分子发生水解：

[Al（H2O）6]3+――[Al（OH）（H2O）5]2++H+

…….

其结果是：

价数降低，pH降低，最终产生――Al（OH）3沉淀

2．缩聚反应

－OH－发生架桥，产生高价聚合离子（多核羟基络合物）

……..

其结果是：

电荷升高，聚合度增大

同时多核羟基络合物还会继续水解。

因此，产物包括：

未水解的水合铝离子

单核羟基络合物

多核羟基络合物

氢氧化铝沉淀

各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。

二、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――z电位¯――稳定性¯――凝聚

z电位＝0，等电状态，实际上混凝不需要z电位＝0，只要使Emax=0即可，此时的z电位称为临界电位。

示例：

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。

叔采－哈代法则可以适用，即：

凝聚能力µ离子价数6

但该理论不能解释：

1）混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；

2）与胶粒带同样电号的聚合物或高分子混凝效果好。

这些都与胶粒的吸附力有关，绝非只来源于静电力，还来源于范得华力、氢键及共价键力（多出现在有聚合离子或高分子物质存在时）。

2．吸附-电性中和

这种现象在水处理中出现的较多。

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z电位。

这一点与第1条机理不同。

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。

在水处理中由水合的Al3+产生的单纯的压缩双电层作用甚微。

3．吸附架桥

指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥

高分子投量过少，不足以形成吸附架桥，但投加过多，会出现“胶体保护”现象。

4．网捕或卷扫

金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕

小胶粒与大矾花发生接触凝聚

―――澄清池中发生的现象

根据以上机理，可以解释在不同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

天然水体一般pH=6.5-7.8

三、混凝过程

1．凝聚（coagulation）

带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或吸附电中和――z电位¯――脱稳――凝聚，生长成约d=10m

特点：

剧烈搅拌，瞬间完成

®®在混合设备中完成

2．絮凝（flocculation）

高聚合物的吸附架桥

脱稳胶粒――生长成大矾花d=0.6-1.2mm

特点：

需要一定时间，搅拌从强®弱

®®在絮凝中设备完成

第4节混凝剂和助凝剂

一、混凝剂

种类有不少于200－300种。

分类：

无机

铝系

硫酸铝

明矾

聚合氯化铝（PAC）

聚合硫酸铝（PAS）

适宜pH：

5.5~8

铁系

三氯化铁

硫酸亚铁

硫酸铁（国内生产少）

聚合硫酸铁

聚合氯化铁

适宜pH：

5~11，但腐蚀性强

有机

人工

合成

阳离子型：

含氨基、亚氨基的聚合物

国外开始增多，国内尚少

阴离子型：

水解聚丙烯酰胺（HPAM）

非离子型：

聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯（PEO）

两性型：

使用极少

天然

淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等

微生物絮凝剂

发展方向：

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

二、助凝剂

可以参加混凝，也可不参加混凝。

1．酸碱类：

调整水的pH，如石灰、硫酸等

2．加大矾花的粒度和结实性：

如活化硅酸（SiO2nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂

3．氧化剂类：

破坏干扰混凝的物质，如有机物。

如投加Cl2、O3等

第5节混凝动力学

颗粒间的碰撞是混凝的首要条件――混凝动力学

一、异向絮凝

由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。

颗粒的碰撞速率Np＝8/（3nr）KTn2

n：

颗粒数量浓度

n：

运动粘度

凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。

Np只与颗粒数量有关，而与颗粒粒径无关。

当颗粒的粒径大于1mm，布朗运动消失。

二、同向絮凝

由水力或机械搅拌产生。

其理论仍在发展之中。

最初的理论基于层流的假定。

碰撞速率N0＝4/3n2d3G

d：

颗粒粒径

G＝U/Z（速度梯度）（相邻两流层的速度增量）

可由水流所耗功率p来计算。

p＝tGt：

剪切应力

p：

单位体积流体所耗功率，W/m3

按照牛顿定律t＝mG

（1/s）（1943年发明的理论，甘布公式）

m：

动力粘度，Pas

p：

水流所耗功率，W/m3

水力搅拌时pV＝rgQh（由水流本身能量消耗提供）

水流体积V＝QT

n：

运动粘度，m2/s

h：

水头损失，m

T：

水流在混凝设备中的停留时间

但存在问题：

层流假设®基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算？

微涡旋理论

G增加®碰撞机率增加®絮凝效果增加

但破碎程度也增加。

此现象尚未很好从理论上得到描述。

三、混凝控制指标

用G可以来判断混合和絮凝的程度：

混合（凝聚）过程：

G＝700－1000s-1，但剧烈搅拌是为尽快分散药剂

时间通常在10～30s，一般<2min

絮凝过程：

不仅与G有关，还与时间有关。

平均G＝20－70s-1，GT＝1～104－105

实际设计，采用V和T，反过来校核GT或者平均G