環(huán)境工程學課件：第二章水的物化處理方法

第一篇

水質凈化與水污染控制工程第一章水質與水體自凈第二章水的物理化學處理方法第三章水的生物化學處理方法第四章水處理工程與廢水最終處置第二章水的物化處理方法第一節(jié)水中粗大顆粒物質的去除粗大顆粒物質懸浮物質和膠體物質溶解性物質按顆粒的大小≥0.1或1mm砂石、小卵石、礫石、樹枝、菜葉、碎布、垃圾等篩濾截留重力沉降離心分離格柵篩網(wǎng)微濾機沉砂池旋流分離器離心機第二章水的物化處理方法一、格柵、篩網(wǎng)和微濾機1、格柵主要用途：用于去除可能堵塞水泵機組及管道閘門的粗大懸浮物，并保證后續(xù)處理設施能正常運行。結構特點：由一組(或多組)相平行的金屬柵條與框架組成，柵條間形成縫隙。（縫隙寬度和水質決定截留效率）安裝：傾斜安裝在進水的渠道或進水泵站集水井的進口處。后處理：填埋、堆肥、焚燒等清除方式：人工、機械液面落差：10~15cm水流速度：0.6~1.0m/s

格柵傾角：50~60°縫隙寬度水泵站2~150mm沉淀/砂池15~30mm第二章水的物化處理方法第二章水的物化處理方法格柵不銹鋼機械自動格柵鏈條式格柵除污機帶溢流旁通道的人工清理鐵格柵第二章水的物化處理方法主要用途：去除水中纖維、紙漿、藻類等較小雜物，

去除效果相當于初次沉淀池。水力篩網(wǎng)振動篩網(wǎng)轉鼓式篩網(wǎng)2、篩網(wǎng)1、旋轉筒2、污水3、篩濾后水4、蒸氣或高壓空氣管5、旋轉筒旋轉方向6、截留污物排出7、篩網(wǎng)轉筒式篩網(wǎng)原理圖振

動

篩

網(wǎng)第二章水的物化處理方法振動篩網(wǎng)微濾機第二章水的物化處理方法3、微濾機主要用途：截留細小懸浮物。優(yōu)點：占地少，過濾能力大，操作方便，應用廣泛微濾機1、旋轉轉筒2、池3、水槽4、孔管5、濾網(wǎng)沖洗設備6、集渣斗7、排渣管8、出水管二、沉砂池2、自由沉降——在沉降過程中顆粒雜質的尺寸、形狀和比重均不隨時間而變的現(xiàn)象?！猄tokes（斯托克斯）公式第二章水的物化處理方法1、沉砂池

——

以重力分離為基礎，從污水中去除砂子、煤渣等比重較大的顆粒，以免影響后續(xù)處理設備的運行。①平流式沉砂池②豎流式沉砂池③曝氣式沉砂池層流區(qū)，Re≤2，CD=24/Re，Re=Фρud/μ第二章水的物化處理方法①平流式沉砂池截留效果好，工作穩(wěn)定，構造簡單且易于排砂，但占地面積大1400平流式沉砂池①平流式沉砂池水流面積A池總寬B池長L污泥斗容積V池總高度H驗算最小流速第二章水的物化處理方法Qmax

最大設計流量（m3/s）v最大設計流量時的流速（0.15，0.3）m/sh2有效水深

（0.25，1）且≤1.2mt最大設計流量時的停留時間（30，60）且≥30sX1

城市污水沉砂量（m3/106m3）X2

生活污水沉砂量（L/人?d）N沉砂池服務人口數(shù)T清除沉砂的時間間隔（d）K2

流量總變化系數(shù)h1沉砂池超高（≥0.3m）h3貯砂斗高度（m）Qminx

最小流量（m3/s）n1

最小流量時工作的池數(shù)ωmin最小流量時水流斷面積（m2）平流式沉砂池第二章水的物化處理方法第二章水的物化處理方法處理能力小結構較復雜②

豎

流

式

沉

砂

池豎流式沉砂池出口③曝氣式沉砂池可避免沉砂發(fā)臭，預曝氣，有利于后續(xù)生化處理，但能耗高曝氣式沉砂池第二章水的物化處理方法1、原理三、離心分離離心力重力分離因素第二章水的物化處理方法水旋分離設備器旋分離設備2、類型壓力式水力旋流器重力式水力旋流器v顆粒的圓周線速度，m/sr

旋轉半徑，mn轉速，r/min第二章水的物化處理方法壓

力

式

水

力

旋

流

器壓力式水力旋流器1、入流2、一次渦流3、二次渦流4、零錐面5、空氣旋渦柱空氣渦流柱澄清液濃縮液空氣壓力式水力旋流器第二章水的物化處理方法第二章水的物化處理方法離

心

機第二節(jié)水中懸浮物質和膠體物質的去除一、沉淀1、沉淀理論

沉淀過程自由沉淀壓縮沉淀擁擠沉淀絮凝沉淀沉淀混凝澄清過濾氣浮顆粒在沉降過程中呈離散狀態(tài)，其形狀、尺寸、質量均不變，下沉速度不受干擾。沉降過程中顆粒之間相互粘結，其尺寸、質量隨深度增加而增大，沉速亦隨深度而增加。顆粒濃度較大，在下沉過程中相互干擾，但顆粒間相對位置不變，整體成層下降。顆粒濃度很高且相互接觸。上層顆粒的重力作用擠壓下層顆粒間的水，使顆粒群壓縮。第二章水的物化處理方法（1）自由沉降Stokes（斯托克斯）公式第二章水的物化處理方法自由沉淀實驗有效水深H指定沉淀時間t0初始濃度C0對應臨界的顆粒沉速u≥u0（1－x0）（1－x0）u<u0x0顆粒沉速顆粒百分數(shù)顆粒沉淀百分數(shù)顆粒沉速累積頻率分配曲線小于指定速度的顆粒與全部顆粒的重量比第二章水的物化處理方法例2-2某廢水中的懸浮物質濃度不高，且均為離散顆粒，在一有效水深H為1.8m的沉淀柱內作沉降試驗，結果如下：時間t(min)06080100130200240420取樣濃度C(mg/L)3001891801681561117827試求此廢水在一負荷為25m3/m2·d的沉淀設備內懸浮物質的理論總沉降去除率。C0=300mg/L，H=1.8m，u0=25m/d=0.0174m/min繪制x－u曲線，找出u0對應的x0，并計算C1C2C3第二章水的物化處理方法（2）絮凝沉降絮凝沉降試驗總去除率公式等濃度（效率）曲線絮凝沉降等效率曲線注意：P與Δx的區(qū)別！第二章水的物化處理方法（3、4）擁擠沉降和壓縮沉降假定：1）各過水斷面上各點的流速相等；2）顆粒等速下沉，水平速度為水流速度；3）顆粒一觸池底，不再上浮，認為去除；（5）理想沉淀池vu1u0vu1hHL第二章水的物化處理方法第二章水的物化處理方法（5）理想沉淀池vu1u0vu1hHL平流式沉淀池豎流式沉淀池輻流式沉淀池（1）類型2、普通沉淀池平流式沉淀池平流式沉淀池第二章水的物化處理方法平流式沉淀池第二章水的物化處理方法豎流式沉淀池第二章水的物化處理方法豎流式沉淀池第二章水的物化處理方法第二章水的物化處理方法輻流式沉淀池輻流式沉淀池輻

流

式

沉

淀

池周邊進水中央出水周邊進水周邊出水進水出水排泥進水出水排泥水力吸泥裝置第二章水的物化處理方法周邊進水周邊出水的輻流式沉淀池第二章水的物化處理方法（2）沉淀池類型的選擇類型優(yōu)點缺點適用條件平流式（1）沉淀效果好（2）對沖擊負荷和溫度變化的適應能力較強（3）施工簡易，造價較低（1）配水不易均勻（2）采用多斗排泥時，每個泥斗需單獨設排泥管，操作量大，管理復雜；采用鏈帶式刮泥機排泥時，機件浸于水中，易銹蝕。（1）適用于地下水位高及地質差地區(qū)（2）適用于大中小型水處理廠。豎流式（1）排泥方便、管理簡單（2）占地面積較小（1）池子深度大，施工困難（2）造價較高（3）對沖擊負荷和溫度變化的適應能力較差（4）池徑不宜過大，否則布水不勻適用于小型污水處理廠，給水廠多不用。輻流式（1）多為機械排泥，運行較好，管理簡單（2）排泥設備已趨穩(wěn)定（1）水流不易均勻，沉淀效果較差（2）機械排泥設備復雜，對施工質量要求高（1）適用于地下水位較高地區(qū)（2）適用于大中型水處理廠第二章水的物化處理方法第二章水的物化處理方法3、斜板斜管沉淀池A增大Q不變u0減小t減小u0不變H減小（1）淺池沉降理論縮小沉淀區(qū)深度對沉淀過程的影響第二章水的物化處理方法（2）構造斜板斜管沉淀池1、配水槽2、穿孔墻3、斜板或斜管4、淹沒孔口5、集水槽6、集泥斗7、穿孔排泥管8、阻流板（3）斜板沉淀池的計算

（以異向流斜板沉淀池為例）lL/nl1l2abu0vθ第二章水的物化處理方法第二章水的物化處理方法膠體結構與電位示意圖電位離子反離子滑動面膠團邊界膠核膠粒吸附層擴散層1、

混

凝

過

程

的

理

論

基

礎①膠體的結構二、混凝第二章水的物化處理方法②膠體的脫穩(wěn)和水的混凝機理壓縮雙電層網(wǎng)捕作用吸附架橋作用吸附電中和作用吸附電中和吸附架橋網(wǎng)捕2、混凝劑、助凝劑及其作用（1）鋁鹽的水解過程脫穩(wěn)凝聚橋連絮凝網(wǎng)捕絮凝氧化鋁不同pH值相對應的三價鋁水解產(chǎn)物各水解產(chǎn)物所占比例第二章水的物化處理方法各階段的脫穩(wěn)機理？低聚合度高電荷多核羥基配合物高聚合度的羥基配合物氫氧化物溶膠剩余濁度膠粒濃度S4S3S2混凝劑投量凝聚曲線S1S2S3S4膠粒濃度SG1－凝聚最佳投藥量G2－絮凝最佳投藥量G1G2第二章水的物化處理方法第二章水的物化處理方法（2）有機合成高分子絮凝劑（3）助凝劑3、混合與反應設備藥劑的溶解與投加過程3、混合與反應設備混合第二章水的物化處理方法（1）澄清池三、澄清池水和藥劑的混合反應絮凝體和水的分離保持懸浮狀態(tài)、濃度穩(wěn)定且均勻分布的泥渣區(qū)泥渣循環(huán)分離型懸浮泥渣過濾型機械加速澄清池懸浮澄清池第二章水的物化處理方法機械加速澄清池一次混合及反應區(qū)二次混合及反應區(qū)豎管澄清水原水回流區(qū)轉動葉輪泥漿池濃縮斗取樣栓排泥及放空排泥罩投藥投藥電動機出水孔口（2）常見澄清池第二章水的物化處理方法找出書中所述“五個主要部分”？懸

浮

澄

清

池泥渣懸浮層強制出水槽排泥穿孔管進水穿孔管泄水穿孔管反應罩檢修人孔（2）常見澄清池第二章水的物化處理方法四、過濾1、過濾機理阻力截留接觸絮凝重力沉降水中懸浮物的粒徑表層濾料的最小粒徑過濾速度濾料直徑過濾速度濾料直徑（比表面積）荷電量單層濾池雙層濾池多層濾池普通快濾池虹吸濾池無閥濾池重力式濾池壓力濾池慢濾池快濾池第二章水的物化處理方法第二章水的物化處理方法2、普通快濾池

（1）過濾工藝過程（過濾、反洗）集水渠洗砂排水槽廢水渠（2）濾料/層A濾料B濾層足夠的機械強度，較好的化學穩(wěn)定性，適宜的級配和足夠的孔隙率濾層深度（cm）單層濾料雙層濾料藏污量(g/cm3)第二章水的物化處理方法濾料石英砂無煙煤纖維球果殼鵝卵石墊層第二章水的物化處理方法五、氣浮

1、氣浮理論親水性和疏水性物質的接觸角被水潤濕的面積氣泡水水－顆粒－氣泡間的表面張力氣泡水ω＝γSω1＝γ水－氣S水－氣＋γ水－粒S水－粒?ω＝(ω1－ω2)/ΔS

＝γ水－氣＋γ水－粒－γ氣－粒ω2＝γ水－氣（S水－氣－ΔS）＋γ水－粒（S水－粒－ΔS

）＋γ氣－?！力γ水－粒＝γ水－氣cos(180o－θ)＋γ氣－粒?ω＝γ水－氣（1－cosθ）θ→0，不能氣??；θ<90o，附著不牢；θ→180o，易被氣浮。加壓溶氣氣浮射流氣浮曝氣氣浮葉輪氣浮2、氣浮設備加壓溶氣氣浮流程1、混合室2、反應室3、入流室4、分離室5、泵6、射流器

7、氣體流量計8、溶氣罐9、釋放器10、浮渣槽11、刮渣機混凝劑QQ92第二章水的物化處理方法第三節(jié)水中溶解物質的去除軟化：降低水中Ca2＋、Mg2＋含量的處理。Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋CO32－、HCO3－、SO42－、Cl－陽離子陰離子一、水的軟化與除鹽溶解氣體O2、CO2Ca(HCO3)2CaCO3+H2O+CO2↑Mg(HCO3)2MgCO3+H2O+CO2↑MgCO3+H2OMg(OH)2+CO2↑

①加熱軟化②藥劑軟化③離子交換第二章水的物化處理方法加熱軟化的實質？一、水的軟化與除鹽

①蒸餾②電滲析③離子交換

除鹽：降低水中部分或全部含鹽量的處理。二、離子交換法RH+M+MH+R+離子交換劑需交換的離子k1、離子交換劑離子交換樹脂樹脂本體活性基團固定離子活動離子陽離子交換樹脂結構示意圖水固定離子可交換離子乙二烯交聯(lián)鏈聚苯乙烯鏈第二章水的物化處理方法2、離子交換樹脂的分類及化學性能指標樹脂分類陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂螯合樹脂氧化－還原樹脂兩性樹脂強酸性、弱酸性強堿性、弱堿性交聯(lián)度樹脂化學性能指標酸堿性離子交換選擇性交換容量第二章水的物化處理方法3、離子交換工藝及應用（1）離子交換的運行操作交換反洗再生清洗軟化Na＋型陽離子交換柱除鹽H＋型陽離子交換柱OH－型陽離子交換柱（2）離子交換的應用鈉型離子交換柱H＋柱和OH－柱串聯(lián)除鹽第二章水的物化處理方法

三、吸附法吸附法——利用多孔性的固體物質使水中的一種或多種物質被吸附在固體表面而去除的方法。吸附——相界面上，物質自動發(fā)生累積或濃集的現(xiàn)象。吸附劑吸附質作用力反應溫度吸附熱選擇性可逆性吸附層物理吸附范德華力低溫小無可逆單/多分子層化學吸附化學鍵力較高溫大有不可逆單分子層1、吸附類型第二章水的物化處理方法2、吸附劑大孔微孔溶劑和吸附質均可進入的區(qū)域溶劑和小吸附質可進入的區(qū)域只有溶劑可進入的區(qū)域活性炭的微孔結構小孔＜2nm過渡孔

2～100nm大孔

100～10000nm第二章水的物化處理方法活性炭第二章水的物化處理方法3、吸附平衡和吸附等溫線吸附量

——吸附平衡時單位質量吸附劑吸附的吸附質的質量吸附等溫線

——在一定溫度下，活性炭與被處理的水接觸并達到平衡時，吸附質在溶液中的濃度與活性炭吸附量之間的關系。Freundlich吸附等溫線ρLangmuir吸附等溫線ρeρ第二章水的物化處理方法4、吸附穿透曲線Va吸附帶δρ0ρ0ρ0ρ0ρρρbρaρaρbVb出水體積（出流時間）出水溶質濃度穿透點（破點）吸附終點吸附帶δ第二章水的物化處理方法四、膜分離技術1、電滲析半透膜

——凡在溶液中一種或多種成分不能透過，而其它成分能透過的膜。膜分離法

——利用一種特殊的半透膜將溶液隔開，使一側溶液中的某種溶質透過膜或溶劑（水）滲透出來，從而達到分離溶質的目的。在直流電場的作用下，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過性，使溶液中的溶質與水分離的一種物化過程。電滲析法處理芒硝廢水回收NaOH回收H2SO4稀H2SO4稀NaOH芒硝廢水廢棄液＋－OH－H＋Na2SO4SO42-Na+電滲析原理圖濃水電極清洗水脫礦質水陽極陰極陽極清洗陰極清洗待脫礦質水待濃縮水電極清洗液+++---第二章水的物化處理方法2、反滲透RO、微濾MF、超濾UF、納濾NF膜技術滲透電滲析反滲透納濾超濾微濾驅動力濃度差電位差壓力差壓力差壓力差壓力差操作孔徑/nm2～50（中孔）<2（微孔）<2（致密孔）<2（微孔）2～50（中孔）>50（大孔）分離范圍/nm荷電離子0.1～11～105～20080~2000應用回收酸、堿回收酸、堿、淡化和除鹽海水淡化飲用水處理高純水制備廢水處理去除相對分子量大于200～400的物質去除相對分子量大于1000～100000的物質去除膠體、懸浮固體和細菌?？山档蜐岫取⑺緷B透與反滲透a滲透開始b滲透達到平衡c反滲透含鹽水半滲透膜純水半滲透膜半滲透膜純水純水含鹽水第二章水的物化處理方法

第四節(jié)水中有害微生物的去除鼠疫桿菌霍亂弧菌第二章水的物化處理方法一、概述1、水中的細菌和病毒大腸桿菌一、概述400W高強度紫外燈(帶冷卻風扇)第二章水的物化處理方法2、水消毒的方法（1