给 水 处 理,第14章 给水处理概论,给水处理的任务,用不同的方法与装置改变原水的主要质量指标以满足 用户的要求，提高水的质量，解决原水不能满足用户 要求的矛盾。,14.1水源水质,原水中杂 质来源,自然过程：矿物溶解、死亡残骸、地表冲刷 携带。,人为因素：工业废水、农业污水及生活污水,原水中杂 质分类,按水中杂质的尺寸，可以分为溶解物、胶体 颗粒和悬浮物3种。,从化学结构上可以将水中杂质分为无机物、 有机物、生物等。,水中杂质性质,悬浮物、 胶体颗粒,悬浮物尺寸较大易于在水中下沉或上浮。 （粒径大于100nm） 胶体颗粒尺寸很小，在水中长期静置也很难 下沉。 （粒径1nm100nm） 悬浮物和胶体颗粒是使水产生浑浊现象的根 源。 悬浮物和胶体颗粒是饮用水处理的主要去除 对象。,溶解杂质,溶解杂质包括有机和无机物两类。 无机溶解物可使水产生色、臭、味，主要为 工业去处对象。 有机溶解物主要来源于水源污染，也有天然 存在的，如腐殖质等。 当前，在饮用水处理中，溶解的有机物已成 为重点去处对象之一。 溶解气体（O2、N2、CO2）和离子（钙镁纳）,各种天然水源的水质特点,地下水,水源不易受污染，水质、水温稳定。 低浊度、高含盐量、高硬度。 宜直接作为饮用水和工业冷却水的水源。 注意含铁锰超标水的处理。,江河水,水源易受污染，水质、水温不稳定。 高浊度、低含盐量、低硬度。 通常需通过净水工艺处理宜为饮用水和工业用水。 注意受污染（有机、无机）水的处理。,湖泊及 水库水,水源易受污染，水质、水温不稳定。 低浊度、低含盐量、低硬度，含藻量大。 通常需通过净水工艺处理宜为饮用水和工业用水。 注意含藻水的处理。,海水,水源易受污染，水质、水温不稳定。 高含盐量、高硬度。 通常需通过海水淡化处理宜为饮用水和工业用水。 注意淡化的处理技术。,受污染水源 中的杂质,14.2水质标准,水质标准是用水对象所要求的各项水质参数达到的指 标和限值。水质参数能反映水的使用性质的量，但不 涉及具体数值（限值），或是“替代参数”（色度、浊度 和总溶解固体），它们并不代表某一具体成分，但能 直接或间接反映水的某方面性质。,生活饮用水水质标准,生活饮用水标准与人类健康和生活使用直接相关， 许多国家都规定了饮用水水质标准。我国于1956年颁 布的生活饮用水卫生标准（试行）直至1986年实 施生活饮用水卫生标准（GB5749-85），经过了 30多年共修定4次。与发达国家相比，我国标准所 规定的项目较少。,水质标准 的确定主 要保证,1. 对人体健康无害,2. 水应具有良好的性状,3. 对生活使用无不良影响,工业用水 水质标准,1.原料用水：水质要求高于生活饮用水,2.工艺用水：水质不能影响产品质量,3.锅炉用水：严格限制水的硬度和碱度,5.冷却用水：水质要求不高，但水温较低,4.特种工业用水：对水中的离子和杂质的存在有严格要求,14.3给水处理方法概述,给水处理的任务是通过必要的处理方法去除水中杂质， 使之符合生活饮用水或工业使用所要求的水质。水处理 的方法应根据水源水质和用水对象对水质的要求确定。在给水处理中，有的处理方法除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。为达到 某一处理目的，往往几种方法结合使用。,悬浮杂质沉淀方法去除； 胶体状态存在水中的杂质混凝沉淀过滤去除； 离子、分子状态存在水中的杂质生成沉淀物将这种杂质去除； 有机物用活性炭吸附； 微生物、细菌等消毒方法。,澄清和消毒,以地表水为水源的生活饮用水的常用处理工艺，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颗粒杂质。 根据原水水质不同可适当增减某些处理构筑物。,消毒是灭活水中致病微生物，通常在过滤以后进行。 主要方法是在水中投加消毒剂以杀死致病微生物。 我国普遍采用氯，也用漂白粉、二氧化氯及次氯酸钠等，臭氧也被采用。,混凝,沉淀,过滤,消毒,药剂,除臭、除味,这是饮用水净化中所需的特殊处理方法。当原水中臭和味严重而采用澄清和消毒工艺系统不能达到水质要求时方才采用。 除臭、除味的方法取决于水中臭和味的来源。,活性炭和 氧化法,有机物产生的臭和味,曝气法,溶解性气体或挥发性有机物所产生的臭和味,微滤或 气浮法,藻类繁殖而产生的臭和味,除盐,溶解盐类所产生的臭和味,除藻剂,除铁、除锰和除氟,当地下水的铁、锰含量超过生活饮用水卫生标准时，需采用除铁、锰措施。 方法：自然氧化法、接触氧化法、药剂氧化法生物氧化法和离子交换法等。 原理：除离子交换法外，均是使溶解性二价铁和锰分别转化为三价铁和四价锰沉淀物而去除。,当水中含氟量超1mg/L时，需除氟。 方法：一是投加硫酸铝、氯化铝或碱式氯化铝产生氟化物沉淀，二是利用活性氧化铝或磷酸三钙等进行吸附。,软化,处理对象主要是水中钙镁离子。 方法：离子交换法（阳离子交换剂）和药剂软化法（石灰、苏打沉淀）。,淡化和除盐,处理对象主要是水中溶解盐，包括阴阳离子。 淡化：将高含盐量的水处理成生活饮用或工业用水要求。 除盐：制取纯水或高纯水的过程。 方法：蒸馏法、离子交换法、电渗析及反渗透法。,水的冷却,工业生产中循环冷却水系统所需的处理工艺。用水作为冷却介质对设备进行降温。 水的冷却一般采用冷却塔，也有采用喷水冷却池或水面冷去池。,水的腐蚀与结垢控制,水在使用过程中会对金属管道或容器材质产生腐蚀和结垢作用，循环冷却水尤为突出。 方法：对水质进行调理。 控制腐蚀的药剂为缓蚀剂。 控制结垢的药剂为阻垢剂。,生活饮用水预处理和深度处理,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+常规处理,常规处理+深度处理,常规处理（混凝、沉淀、过滤、消毒）,预处理方法,1. 粉末活性炭吸附法,2. 臭氧或高锰酸钾氧化,3. 生物氧化法,深度处理方法,1. 粒状活性炭吸附法,2. 臭氧-粒状活性炭联用或生物活性炭法,3. 化学氧化法,4.光化学氧化法,5.超声波-紫外线联用法,6.膜滤法,热点问题,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。 病原微生物：新的病原微生物：如贾第虫（Giardia Lamblia）、隐孢子虫等。 管网水二次污染：细菌繁殖水质变差、管道堵塞,发展方向,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） 增加深度处理（如活性炭吸附、化学氧化） 开发新技术（如膜技术） 加强消毒：防止各种致病微生物的影响 消毒副产物的问题：替代氯的其它消毒技术 管网水二次污染控制,14.4 反应器,反应器是化工生产过程中的核心部分。化工反应工程把 这种物理化学等复杂的研究对象用数学模型的方式予以 简化，使得反应装置的选择、反应器尺寸计算、反应过 程的操作及最优控制等找到了科学的方法。 反应器在水处理方面的应用主要是将水处理设备与池子 都可以作为反应器来独立研究，包括物理、化学和生物 过程等。 例如：水的消毒池、滤池、絮凝池、沉淀池等。,物料衡算与质量传递(1) 物料衡算方程,单位时间变化量=单位时间输入量-单位时间输出量+单位时间反应量,设在反应器内某一指定部位，任选某一物组分i，根据 质量守恒可写出如下物料平衡式：,当变化量 为零时， 称为稳态,须作3点说明,输入出量由质量传递 引起：分子扩散、紊 流扩散及主体流动,反应速率由 化学反应动 力学决定,(2)质量传递,传递机理可分：主流传递；分子扩散传递；紊流扩散 传递。,1)主流传递,物质随水流主体而移动，称主流传递。它与液体中 物质浓度分布无关，而与流速有关。传递速度与流 速相等，方向与水流方向一致。,2)分子扩散传递,组分i浓度不均匀，即存在浓度梯度，由于分子无规则 运动，高浓度区的i组分向低浓度区迁移，最终趋于均 匀分布状态，使浓度梯度消失。用Fick第一定律表示 分子扩散的过程：,式中: J物质扩散通量，单位：摩尔/面积/时间或质量单位/面积/时间DB分子扩散系数，单位：面积/时间Ci组分i的浓度，单位：摩尔/体积或质量单位/体积x浓度梯度方向的坐标,3)紊流扩散传递,在绝大多数情况下，水流往往处于紊流状态。在紊流 状态下，液体质点不仅具有随水流前进的运动，还具 有上、下、左、右的脉动，且伴有涡流。紊流扩散传 质速度也与浓度梯度成正比。故紊流扩散通量可写成 类似于分子扩散通量式：,式中：DC称紊流扩散系数。,理想反应 器分类,完全混合间歇式反应器（CMB型）,完全混合连续式反应器（CSTR型）,推流式反应器（PF型）,理想反应器模型,虽不能完全描述实际过程，但近似反映真实反应器的特征,完全混合，间歇操作，封闭系统,完全混合，连续操作，不封闭系统,不完全混合，连续操作，不封闭系统,理想反应器图示,t时间内输入量和输出量为零,即时完全混合，新的连续输入，反应物连续输出,物料浓度在垂直于液流方向完全均匀，唯一的质量传递就是平行流动的主流传递,物料衡算式为： (144) t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得： (145) 设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则(146) 设为二级反应，r（Ci）=-kCi2，则：(147),完全混合间歇式反应器（CMB型）,物料衡算式为： （148） 按稳态考虑，即 ，于是：（149） 设为一级反应， r（Ci）=-kCi，则 因， 故（1410）,完全混合连续式反应器,现取长为dx的微元体积，列物料平衡式：稳态时 ， ，则： （1411）x=0，Ci=C0；x=t，C=Ci，积分上式得 （1412）,推流型反应器,断面积,速度,PF型和CSTR型反应器是两种极端的、假想的流型。图2表示两种理想反应器自进口端至出口端的浓度分布。PF型反应器在进口端是在高浓度C0下进行反应，只是在出口端才在低浓度Ce下进行反应。而CSTR型始终在低浓度Ce下进行反应，故反CSTR型反应器生产能力低于PF型。CSTR型反应器中存在返混，即停留时间不同的物料之间混合。,非理想反应器,一般概念,图1 推流式反应器内物料变化,图2 理想反应器中浓度分布,纵向分散模型见图3，其基本设想是在推流型基础上加上一个纵向混合。纵向混合可以用纵向分散系数D1来表征它的特性：（1413）,图3 纵向分散模型（PFD）,取出一个微元长度，列物料衡算式：输入量： 输出量： 反应量： 物料变化量： 则： （1414） 稳态时， 故：（1415）,水处理中常见的反应器 水处理中常见的反应器的常见反应器见表1。表1 水处理中的常见反应器,反应器理论在水处理中的应用,经过一定的反应时间以后，已反应的反应物分子数与起始的反应物分子数之比。如果反应前后总体积没有变化，其转化率可以用反应物浓度的变化来计算，即（1416）式中 转化率；V 反应前后的总体积；t=0时A的浓度；t=t时A的浓度。,计算化学反应的转化率,化学反应的转化率与反应时间有很大关系，因为反应时间的长短直接影响反应物的量。一般反应器中的物料的停留时间不均匀一致。设停留时间为t的那部分物料的转化率是x(t)，而在此反应器里的转化率应是个平均值，即因为 所以 （1417）,一般反应器的转化率计算,作业 1思考题：1，7，8，9 2习题：1，4,