[講稿]安全飲用水的主要處理工藝流程

1、平安飲用水的主要處理工藝流程周鑫根浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院一、給水處理工藝流程概述給水處理的任務(wù)是通過必要的處理方法去除水中雜質(zhì)，使之符合生活飲用或工業(yè)使用所要求的水質(zhì)。水處理方法應(yīng)根據(jù)水源水質(zhì)和用水對象對水質(zhì)的要求胡定。在給水處理中，有的處理方法除了具有某一特定的處理效果外，往往也直接或間接地兼收其它處理效果。為了到達(dá)某一處理目的，往往幾種方法結(jié)合使用。本節(jié)僅列出幾種主要給水處理方法，以便于讀者對給水處理有一概括的了解。1澄清和消毒這是以地表水為水源的生活飲用水的常用處理工藝。但工業(yè)用水也常需澄清工藝。澄清工藝通常包括混凝、沉淀和過濾。處理對象主要是水中懸浮物和膠體雜質(zhì)。原水加藥后，經(jīng)混凝使

2、水中懸浮物和膠體形成大顆粒絮凝體，而后通過沉淀池進(jìn)行重力別離。過濾是利用粒狀濾料截留水中雜質(zhì)的構(gòu)筑物，常置于混凝和沉淀構(gòu)筑物之后，用以進(jìn)一步降低水的渾濁度。完善而有效的混凝、沉淀和過濾，不僅能有效地降低水的濁度，對水中某些有機(jī)物、細(xì)菌及病毒等的去除也是有一定效果的。根據(jù)原水水質(zhì)不同，在上述澄清工藝系統(tǒng)中還可適當(dāng)增加或減少某些處理構(gòu)筑物。例如，處理高濁度原水時(shí)，往往需設(shè)置泥沙預(yù)沉池或沉沙池；原水濁度很低時(shí)，可以省去沉淀構(gòu)筑物而進(jìn)行原水加藥后的直接過濾。但在生活飲用水處理中，過濾是必不可少的。大多數(shù)工業(yè)用水也往往采用澄清工藝作為預(yù)處理過程。如果工業(yè)用水對澄清要求不高，可以省去過濾而僅需混凝、沉淀即

3、可。消毒是滅活水中致病微生物，通常在過濾以后進(jìn)行。主要消毒方法是在水中投加消毒劑以滅致病微生物。當(dāng)前我國普遍采用的消毒劑是氯，也有采用漂白粉、二氧化氯及次氯酸鈉等。臭氧消毒也是一種消毒方法?！盎炷恋磉^濾消毒可稱之為生活飲用水的常規(guī)處理工藝。我國以地表水為水源的水廠主要采用這種工藝流程。如前所述，根據(jù)水源水質(zhì)不同，尚可增加或減少某些處理構(gòu)筑物。2除臭、除味這是飲用水凈化中所需的特殊處理方法。當(dāng)原水中臭和味嚴(yán)重而采用澄清和消毒工藝系統(tǒng)不能到達(dá)水質(zhì)要求時(shí)方才采用。除臭、除味的方法取決于水中臭和味的來源。例如，對于水中有機(jī)物所產(chǎn)生的臭和味，可用活性炭吸附或氧化法去除；對于溶解性氣體或揮發(fā)性有機(jī)物所產(chǎn)

4、生的臭和味，可采用曝氣法去除；因藻類繁殖而產(chǎn)生的臭和味，可采用微濾機(jī)或氣浮法去除藻類，也可在水中投加除藻藥劑；因溶解鹽類所產(chǎn)生的臭和味，可采用適當(dāng)?shù)某}措施等等。3除鐵、除錳和除氟當(dāng)?shù)叵滤械蔫F、錳的含量超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需采用除鐵、錳措施。常用的除鐵、錳方法是：自然氧化法和接觸經(jīng)法。前者通常設(shè)置曝氣裝置、氧化反響池和砂濾池；后者通常設(shè)置暴氣裝置和接觸氧化濾池。工藝系統(tǒng)的選擇應(yīng)根據(jù)是否單純除鐵還是同時(shí)除鐵、除錳，原水中鐵、錳含量及其它有關(guān)水質(zhì)特點(diǎn)確定。還可采用藥齊氧化、生物氧化法及離子交換法等。通過上述處理方法離子交換法除外，使溶解性二價(jià)鐵和錳分別轉(zhuǎn)變成三價(jià)鐵和四價(jià)錳沉淀物而去除。當(dāng)水

5、中含氟量超1.0mg/L時(shí)，需采用除氟措施。除氟方法根本上分為成兩類，一是投入硫酸鋁、氯化鋁或堿式氯化鋁等使氟化物產(chǎn)生沉淀；二是利用活性氧化鋁或磷酸三鈣等進(jìn)行吸附交換。目前使用活性氧化鋁除氟的較多。4軟化處理對象主要是水中鈣、鎂離子。軟化方法主要有：離子交換法和藥劑軟化法。前者在于使水中鈣、鎂離子與陽離子交換劑上的陽離子互相交換以到達(dá)去除目的；后者系在水中投入藥劑如石灰、蘇打等以使鈣、鎂離子轉(zhuǎn)變成沉淀物而從水中別離。5淡化和除鹽處理對象是水中各種溶解鹽類，包括陰、陽離子。將高含鹽量的水如海水及“苦咸水處理到符合生活飲用或某些工業(yè)用水要求時(shí)的處理過程，一般稱為咸水“淡化；制取純水及高純水的處理過

6、程稱為水的“除鹽。淡化和除鹽主要方法有：蒸餾法、離子交換法、電滲析法及反滲透法等。離子交換法需經(jīng)過陽離子和陰離子交換劑兩種交換過程；電滲析法系利用陰、陽離子交換膜能夠分別透過陰、陽離子的特性，在外加直流電場作用下使水中陰、陽離子被別離出去；反滲透法系利用高于滲透壓的壓力施于含鹽水以使水通過半滲透膜而鹽類離子被阻留下來。電滲析法和反滲透法屬于膜別離法，通常用于高含鹽量水的淡化或離子交換法的前處理工藝。6水的冷卻這是工業(yè)生產(chǎn)中循環(huán)冷卻水系統(tǒng)所需的處理工藝。在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱量往往會使設(shè)備或產(chǎn)品溫度升高從而影響生產(chǎn)甚至發(fā)生事故，故常用水作為冷卻介質(zhì)對設(shè)備進(jìn)行降溫，因水的熱容量大，是吸收和傳遞熱量的

7、良好介質(zhì)。作為冷卻介質(zhì)的水通過換熱器等設(shè)備以后溫度升高，必須經(jīng)過冷卻處理使水再恢復(fù)原先溫度后，才能循環(huán)使用。水的冷卻一般采用冷卻塔。在條件和冷卻要求許可下，也有采用噴水冷卻池或水面冷卻池的。7水的腐蝕和結(jié)垢控制在某些情況下，水在使用過程中會對金屬管道或容器材質(zhì)產(chǎn)生腐蝕和結(jié)垢作用，在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中尤其突出。因此，對這類用水的水質(zhì)必須加以改善，并進(jìn)行水質(zhì)調(diào)理，以控制腐蝕和結(jié)垢的發(fā)生。水質(zhì)調(diào)理往往是通過在水中投加化學(xué)藥劑來完成?？刂聘g的藥劑稱緩蝕劑，控制結(jié)垢的藥劑稱阻垢劑。有時(shí)也通過去除水中產(chǎn)生腐蝕和沉積物的成分來到達(dá)水質(zhì)調(diào)理目的。8生活飲用水對于不受污染的天然地表水源而言，飲用水的處理對象主要

8、是去除水中懸浮物、膠體和致病微生物；對此，常規(guī)處理工藝即混凝、沉淀、過濾、消毒是十分有效的。但對于污染水源而言，水中溶解性的有毒有害物質(zhì)，特別是具有致癌、致畸、致突變的有機(jī)污染物簡稱“三致物質(zhì)或“三致前體物如腐植酸等是常規(guī)處理方法難以解決的。于是，便在常規(guī)處理根底上增加預(yù)處理和深度處理。前者置于常規(guī)處理前，后者置于常規(guī)處理后，即：預(yù)處理+常規(guī)處理或 常規(guī)處理+深度處理預(yù)處理和深度處理的主要對象是水中有機(jī)污染物，主要用于飲用水處理廠。預(yù)處理方法主要有：粉末活性炭吸附法；臭氧或高錳酸鉀氧化法；生物氧化法等等。以上各種預(yù)處理法除了水中有機(jī)污染物外，同時(shí)也具有除味、除臭及除色作用。當(dāng)然，不同方法在除污

9、染能力上有所差異。同時(shí)，各種方法均各有優(yōu)缺點(diǎn)。除了上述預(yù)處理方法外，還有其它一些方法，如曝氣法，水庫蓄存法等不一一介紹。此外，新的預(yù)處理法正在繼續(xù)探索中。深度處理主要有以下幾種方法：粒狀活性炭吸附法；臭氧-粒狀活性炭聯(lián)用法或生物活性炭法；化學(xué)氧化法；光化學(xué)氧化法及超聲波-紫外線聯(lián)用法等物理化學(xué)氧化法；膜濾法等等。在以上幾種方法中，活性炭吸附及臭氧-活性炭聯(lián)用法已用于生產(chǎn)，歐洲國家應(yīng)用較廣泛，我國少數(shù)水廠也有應(yīng)用。生產(chǎn)實(shí)踐說明，采用臭氧-活性炭聯(lián)用技術(shù)去除水中微量有機(jī)污染物十分有效，但基建投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，故我國目前尚未廣泛應(yīng)用。同濟(jì)大學(xué)嚴(yán)煦世教授等在光化學(xué)氧化法的研究方面已取得重要成果，超聲

10、-紫外聯(lián)用法也開始研究并取得一定成效，但這些技術(shù)尚難在城市水廠應(yīng)用，宜用于小型飲水凈化裝置。超濾法及納濾法也具有應(yīng)用前景，但不能去除水中小分子有機(jī)物，且納濾和超濾裝置本錢及運(yùn)行費(fèi)用較高。以上各種預(yù)處理及深度處理方法的根本作用原理概括起來，無非是吸附、氧化、生物降解、膜濾等4種作用，即：或者利用吸附劑的吸附能力去除水中有機(jī)物；或者利用氧化劑及物理化學(xué)氧化法的強(qiáng)氧化能力分解有機(jī)物；或者利用生物氧化法降解有機(jī)物；或者以膜濾法濾除大分子有機(jī)物。有時(shí)兩種作用可同時(shí)發(fā)揮，如臭氧-活性炭聯(lián)用技術(shù)即發(fā)揮了氧化和吸附兩種作用。在粒狀活性炭上滋生的微生物，同時(shí)還有生物降解作用。污染水源的飲用水預(yù)處理和深度處理自8

11、0年代開始受到廣泛重視，有些技術(shù)或方法當(dāng)前正處于研究開展階段。不同方法的組合應(yīng)用往往會取得協(xié)同作用效果，故近年來水處理技術(shù)人員針對不同原水水質(zhì)和水質(zhì)處理要求，往往會采用兩種以上方法組合應(yīng)用。二、混凝混凝機(jī)理簡而言之，“混凝就是水中膠體粒子以及微小懸浮物的聚集過程。這一過程涉及三方面問題：水中膠體粒子包括微小懸浮物的性質(zhì)；混凝劑在水中的水解物種以及膠體粒子與混凝劑之間的相互作用。關(guān)于“混凝一詞的概念， 目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的定義?！盎炷袝r(shí)與“凝聚和“絮凝相互通用。不過，現(xiàn)在較多的專家學(xué)者一般認(rèn)為水中膠體“脫穩(wěn)膠體失去穩(wěn)定性的過程稱“凝聚；脫穩(wěn)膠體相互聚集稱“絮凝；“混凝是凝聚和絮凝的總稱。在概念

12、上可以這樣理解，但在實(shí)際生產(chǎn)中很難截然劃分。水處理中的混凝現(xiàn)象比擬復(fù)雜。不同種類混凝齊以及不同的水質(zhì)條件，混凝劑作用機(jī)理都有所不同。許多年來，水處理專家們從鋁鹽和鐵鹽混凝現(xiàn)象開始，對混凝劑作用機(jī)理進(jìn)行了不斷研究，理論也獲得不斷開展。DLVO理論的提出，使膠體穩(wěn)定性及在一定條件下的膠體凝聚的研究取得了巨大進(jìn)展。但DLVO理論并不能全面解釋水處理中的一切混凝現(xiàn)象。當(dāng)前，看法比擬一致的是，混凝劑對水中膠體粒子的混凝作用有3種：電性中和、吸附架橋和卷掃作用。這3種作用究意以何者為主，取決于混凝劑種類和投加量、水中膠體粒子性質(zhì)、含量以及水的pH值等。這3種作用有時(shí)會同時(shí)發(fā)生，有時(shí)僅其中12種機(jī)理起作用。

13、目前，這三種作用機(jī)理尚限于定性描述，今后的研究目標(biāo)將以定量計(jì)算為主。實(shí)際上，定量描述的研究近年來也已開始。概括以上幾種混凝機(jī)理，可作如下分析判斷：1對鋁鹽混凝劑鐵鹽類似而言，當(dāng)pH3時(shí)，簡單水合鋁離子AlH2O663+可起壓縮膠體雙電層作用，但在給水處理中，這種情況少見；在pH=4.56.0范圍內(nèi)視混凝劑投量不同而異，主要是多核羥基配合物對負(fù)荷膠體起電性中和作用，凝聚體比擬密實(shí)；在pH=77.5范圍內(nèi)，電中性氫氧化鋁聚合物AlOH3n可起7.8之間，鋁鹽的混凝作用主要是吸附架橋和電性中和，兩者以何為主，決定于鋁鹽投加量；當(dāng)鋁鹽投加量超過一定限度時(shí)，會產(chǎn)生“膠體保護(hù)作用，使脫稱膠粒電荷變號或使膠

14、粒被包卷而重新穩(wěn)定常稱“再稱現(xiàn)象；當(dāng)鋁鹽投加量再次增大、超過氫氧化鋁溶解度而產(chǎn)生大量氫氧化名沉淀物時(shí)，那么起網(wǎng)捕和卷掃作用。實(shí)際上，在一定的pH值下，幾種作用都可能同時(shí)存在，只是程度不同，這與鋁鹽投加量和水中膠粒含量有關(guān)。如果水中膠粒含量過低，往往需投加大量鋁鹽混凝劑使之產(chǎn)生卷掃作用才能發(fā)生混凝作用。2陽離子型高分子混凝劑可對負(fù)電荷膠粒起電性中和與吸附架橋雙重作用，始凝體一般比擬密實(shí)。非離子型和陰離子型高分子混凝劑只能起吸附架橋作用。當(dāng)高分子物質(zhì)投量過多時(shí)，也產(chǎn)生“膠體保護(hù)作用使顆粒重新懸浮。2.2 混凝劑和助凝劑 混凝劑應(yīng)用于飲用水處理的混凝劑應(yīng)符合以下根本要求：混凝效果好；對人體健康無害；

15、使用方便；貨源充足，價(jià)格低廉?；炷齽└黝惡芏?，據(jù)目前所知，不少于200300種。按化學(xué)成分可分為無機(jī)和有機(jī)兩大類。無機(jī)混凝劑品種較少，目前主要是鐵鹽和鋁鹽及其聚合物，在水處理中用的最多。有機(jī)混凝劑品種很多，主要是高分子物質(zhì)，但在水處理中的應(yīng)用比無機(jī)的少。本節(jié)僅介紹常用的幾種混凝劑。1無機(jī)混凝劑常用的無機(jī)混凝劑列于下表，這里僅簡要介紹幾種。常用的無機(jī)混凝劑名稱化學(xué)式鋁系硫酸鋁 明礬 聚合氯化鋁PAC聚合硫酸鋁PASAl2SO43·18H2OAl2SO43·14H2OKAlSO42·12H2O鉀礬NH4·AlSO42·12H2O銨礬Al2OHnCl

16、6-nmAl2OHnSO43-m鐵系三氯化鐵硫酸亞鐵聚合硫酸鐵PFS聚合氯化鐵PFCFeCl3·6H2OFeSO4·7H2OFe2OHnSO43-mFe2OHnCl6-nm2有機(jī)高分子混凝劑有機(jī)高分子混凝劑又分天然和人工合成兩類。在給水處理中，人工合成的日益增多并居主要地位。這類混凝劑均為巨大的線性分子。每一大分子由許多鏈節(jié)組成且常含帶電基團(tuán)，故又被稱為聚合電解質(zhì)。按基團(tuán)帶電情況，又可分以下4種：凡基團(tuán)離解后帶正電荷者稱陽離子型，帶負(fù)荷者稱陰離子型，分子中既含正電基團(tuán)又含負(fù)電荷基團(tuán)者稱兩性型，假設(shè)分子中不含可離解基團(tuán)者稱非離子型。水處理中常用的是陽離子型、陰離子型和非離子型

17、3種高分子混凝劑，兩性型使用極少。三、沉淀和澄清 懸浮顆粒在靜水中的沉淀水中懸浮顆粒依靠重力作用，從水中別離出來的過程稱為沉淀。顆粒比重大于1時(shí)，表現(xiàn)為下沉；小于1時(shí)，表現(xiàn)為上浮。在給水處理中，常遇到兩種沉淀，一種是顆粒沉淀過程中，彼此沒有干擾，只受到顆粒本身在水中的重力和水流阻力的作用，稱為自由沉淀；另一種是顆粒在沉淀過程中，彼此相互干擾，或者受到容器壁的干擾，雖然其粒度和第一種相同，但沉淀速度卻較小，稱為擁擠沉淀。分述如下。懸浮顆粒在靜水中的自由沉淀顆粒在靜水中的沉淀速度取決于：顆粒在水中的重力F1和顆粒下沉?xí)r所受水的阻力F2；直徑為d的球形顆粒在靜水中所受的重力F1為F1=d3p-1g

18、16-1式中 p及1顆粒及水的密度；g重力加速度。懸浮顆粒在靜水中的擁擠沉淀嚴(yán)格而言，自由沉淀是單個(gè)顆粒在無邊際的水體中的沉淀。此時(shí)顆粒排擠開同體積的水，被排擠的水將以無限小的速度上升。當(dāng)大量顆粒在有限的水體中下沉?xí)r，被排擠的水便有一定的速度，使顆粒所受到的水阻力有所增加，顆粒處于相互干擾狀態(tài)，此過程稱為擁擠沉淀，此時(shí)的沉速稱為擁擠沉速。擁擠沉速可以用實(shí)驗(yàn)方法測定。當(dāng)水中含砂量很大時(shí)，泥砂即處于擁擠沉淀狀態(tài)。常見的擁擠沉淀過程有明顯的清水和渾水分界面，稱為渾液面，渾液面緩慢下沉，直到泥砂最后完全壓實(shí)為止。水中凝聚性顆粒的濃度到達(dá)一定數(shù)量亦產(chǎn)生擁擠沉淀。由于凝聚性顆粒的比重遠(yuǎn)小于砂粒的比重，所以

19、凝聚性顆粒從自由沉淀過渡到擁擠沉淀的臨界濃度遠(yuǎn)小于非凝聚性顆粒的臨界濃度。四、過濾過濾概述在常規(guī)水處理過程中，過濾一般是指以石英砂等粒狀濾料層截留水中懸浮雜質(zhì)，從而使水獲得澄清的工藝過程。濾池通常置于沉淀池或澄清池之后。進(jìn)水濁度一般在10度以下。濾出水濁度必須到達(dá)飲用水標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)原水濁度較低(般在100度以下)，且水質(zhì)較好時(shí)，也可采用原水直接過濾。過濾的成效，不僅在于進(jìn)一步降低水的濁度，而且水中有機(jī)物、細(xì)菌乃至病毒等將隨水的濁度降低而被局部去除。至于殘留于濾后水中的細(xì)菌、病毒等在失去渾濁物的保護(hù)或依附時(shí)，在濾后消毒過程中也將容易被殺滅，這就為濾后消毒創(chuàng)造了良好條件。在飲用水的凈化工藝中，有時(shí)沉淀

20、池或澄清池可省略，但過濾是不可缺少的，它是保證飲用水衛(wèi)生平安的重要措施。濾池有多種形式。以石英砂作為濾料的普通快濾池使用歷史最久。在此根底上，人們從不同的工藝角度開展了其它型式快濾池。為充分發(fā)揮濾料層截留雜質(zhì)能力，出現(xiàn)廠濾料粒徑循水流方向減小或不變的過濾層，例如，雙層、多層及均質(zhì)濾料濾地，上向流和雙向流濾池等。為了減少濾池閥門， 出現(xiàn)了虹吸濾池、無閥濾池、移動沖洗罩濾池以及其它水力自動沖洗濾池等。在沖洗方式上，有單純水沖洗和氣水反沖洗兩種。各種形式濾池，過濾原理根本一樣，根本工作過程也相同，即過濾和沖洗交錯(cuò)進(jìn)行。茲以普通快濾池為例，介紹快濾池工作過程。過濾 過濾時(shí)，開啟進(jìn)水支管2與清水支管3的

21、閥門。關(guān)閉沖洗水支管4閥門與排水閥5。渾水就經(jīng)進(jìn)水總管1、支管2從渾水渠6進(jìn)入濾池。經(jīng)過濾料層7、承托層8后， 由配水系統(tǒng)的配水支管9聚集起來再經(jīng)配水系統(tǒng)干管渠10、清水支管、清水總管12流往清水池。渾水流經(jīng)濾料層時(shí)，水中雜質(zhì)即被截留。隨著濾層中雜質(zhì)截留量的逐漸增加，濾料層中水頭損失也相應(yīng)增加。一般當(dāng)水頭損失增至一定程度以致濾池產(chǎn)水量減少，或由于濾過水質(zhì)不符合要求時(shí)，濾池便須停止過濾進(jìn)行沖洗。沖洗 沖洗時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水支管2與清水支管3閥門。開啟排水閥5與沖洗水支管4閥門。沖洗水即由沖洗水總管11、支管4，經(jīng)配水系統(tǒng)的干管、支管及支管上的許多孔眼流出，由下而上穿過承托層及濾料層，均勻地分布于整個(gè)濾

22、池平面上。濾料層在由下而上均勻分布的水流中處于懸浮狀態(tài)，濾料得到清洗。沖洗廢水流入沖洗排水槽13，再經(jīng)渾水渠6、排水管和廢水渠14進(jìn)入下水道。沖洗一直進(jìn)行到濾料根本洗干凈為止。沖洗結(jié)束后，過濾重新開始。從過濾開始到?jīng)_洗結(jié)束的一段時(shí)間稱為快濾池工作周期。從過濾開始至過濾結(jié)束稱為過濾周期?？鞛V池的產(chǎn)水量決定于濾速(以m/h計(jì))。濾速相當(dāng)于濾池負(fù)荷。濾池負(fù)荷以單位時(shí)間，單位過濾面積上的過濾水量計(jì)，單位為m3/(m2·h)。按沒計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，單層砂濾池的濾速約810m/h，雙層濾料濾速約1014m/h，多層濾料濾速一般可用1820m/h。工作周期也直接影響濾池產(chǎn)水量。因?yàn)楣ぷ髦芷陂L短涉及濾池實(shí)際工

23、作時(shí)間和沖洗水量的消耗。周期過短，濾池日產(chǎn)水量減少。一般，工作周期為1224h。過濾理論過濾機(jī)理首先以單層砂濾池為例，其濾料粒徑通常為0.5mm至1.2mm，濾層厚度一般為70cm。經(jīng)反沖洗水力分選后，濾料粒徑自上而下大致按由細(xì)到粗依次排列，稱濾料的水力分級，濾層中孔隙尺寸也因此由上而下逐漸增大。設(shè)表層細(xì)砂粒徑為0.5mm，以球體計(jì)，濾料顆粒之間的孔隙尺寸約80m。但是，進(jìn)入濾池的懸浮物顆粒尺寸大局部小于30m，仍然能被濾層截留下來，而且在濾層深處孔隙大于80m也會被截留，說明過濾顯然不是機(jī)械篩濾作用的結(jié)果。經(jīng)過眾多研究者的研究，認(rèn)為過濾主要是懸浮顆粒與濾料顆粒之間粘附作用的結(jié)果。水流中的懸浮

24、顆粒能夠粘附于濾料顆粒外表上，涉及兩個(gè)問題。首先，被水流挾帶的顆粒如何與濾料顆粒外表接近或接觸，這就涉及顆粒脫離水流流線而向?yàn)V料顆粒外表靠近的遷移機(jī)理；第二，當(dāng)顆粒與濾粒外表接觸或接近時(shí)，依靠哪些力的作用使得他們粘附于濾粒外表上。這就涉及粘附機(jī)理。1顆粒遷移在過濾過程中，濾層孔隙中的水流一般屬層流狀態(tài)。被水流挾帶的顆粒將隨著水流流線運(yùn)動。它之所以會脫離流線而與濾粒外表接近，完全是一種物理-力學(xué)作用。一般認(rèn)為由以下幾種作用引起：攔截、沉淀、慣性、擴(kuò)散和水動力作用等。顆粒尺寸較大時(shí)，處于流線中的顆粒會直接碰到濾料外表產(chǎn)生攔截作用；顆粒沉速較大時(shí)會在重力作用下脫離流線，產(chǎn)生沉淀作用；顆粒具有較大慣性

25、時(shí)也可以脫離流線與濾料外表接觸慣性作用；顆粒較小、布朗運(yùn)動較劇烈時(shí)會擴(kuò)散至濾粒外表擴(kuò)散作用；在濾粒外表附近存在速度梯度，非球體顆粒由于在速度梯度作用下，會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動而脫離流線與顆粒外表接觸水動力作用。對于上述遷移機(jī)理，目前只能定性描述，其相對作用大小尚無法定量估算。雖然也有某些數(shù)學(xué)模式，但還不能解決實(shí)際問題?？赡軒追N機(jī)理同時(shí)存在，也可能只有其中某些機(jī)理起作用。例如，進(jìn)入濾池的凝聚顆粒尺寸一般較大，擴(kuò)散作用幾乎無足輕重。這些遷移機(jī)理所受影響因素較復(fù)雜，如濾料尺寸、形狀、濾速、水溫、水中顆粒尺寸、形狀和密度等。2顆粒粘附粘附作用是一種物理化學(xué)作用。當(dāng)水中雜質(zhì)顆粒遷移到濾料外表上時(shí)，那么在范德華引力和

26、靜電相互作用下，以及某些化學(xué)鍵和某些特殊的化學(xué)吸附力下，被粘附于濾料顆粒外表上，或者粘附在濾粒外表上原先粘附的顆粒上。此外，絮凝顆粒的架橋作用也會存在。粘附過程與澄清池中的泥渣所起的粘附作用根本類似，不同的是濾料的固定介質(zhì)，排列緊密，效果更好。因此，粘附作用主要決定于濾料和水中顆粒的外表物理化學(xué)性質(zhì)。未經(jīng)脫稱的懸浮物顆粒，過濾效果很差，這就是證明。不過，在過濾過程中，特別是過濾后期，當(dāng)濾層中孔隙尺寸逐漸減小時(shí)，表層濾料的篩濾作用也不能完全排除，但這種現(xiàn)象并不希望發(fā)生。3直接過濾原水不經(jīng)沉淀而直接進(jìn)入濾池過濾稱“直接過濾。直接過濾充分表達(dá)了濾層中特別是深層濾料中的接觸絮凝的作用。直接過濾有兩種方

27、式：1原水經(jīng)加藥后直接進(jìn)入濾池過濾，濾前不設(shè)任何絮凝設(shè)備。這種過濾方式一般稱“接觸過濾。2濾池前設(shè)一簡易微絮凝池，原水加藥混合后先經(jīng)微絮凝池，形成粒徑相近的微絮粒后粒徑大致在4060m左右即刻進(jìn)入濾池過濾。這種過濾方式稱“微絮凝過濾。上棕兩種過濾方式，過濾機(jī)理根本相同，即通過脫稱顆粒或微絮粒與濾料的充分碰撞接觸和粘附，被濾層截留下來，濾料也是接觸凝聚介質(zhì)。不過前者往往因投藥點(diǎn)和混合條件不同而不易控制進(jìn)入濾層的微絮粒尺寸，后者可加以控制。之所以稱“微絮凝池，系指絮凝條件和要求不同于一般絮凝池。前者要求形成的絮凝體尺寸較小，便于深入濾層深處以提高濾層含污能力；后者要求絮凝體尺寸愈大愈好，以后果于在

28、沉淀池內(nèi)下沉。故微絮凝時(shí)間一般較短，通常在幾分鐘之內(nèi)。采用直接過濾工藝必須注意以下幾點(diǎn)：1原水瀑度和色度較低且水質(zhì)變化較小。一般要求常年原水濁度低于50度。假設(shè)對原水水質(zhì)變化及今后開展趨勢無充分把握，不應(yīng)輕易采用直接過濾方案。2通常采用雙層、三層或均質(zhì)濾料。濾料粒徑和厚度適當(dāng)增大，否那么濾層外表孔隙易被堵塞。3原水進(jìn)入濾池前，無論是接觸過濾或微絮凝過濾，均不應(yīng)形成大的絮凝體以免很快堵塞濾層外表孔隙。為提高微絮粒強(qiáng)度和粘附力，有時(shí)需投加高分子助凝劑如活化硅酸及聚丙烯酰胺等以發(fā)揮高分子在濾層中吸附架橋作用，使粘附在濾料上的雜質(zhì)不易脫落而穿透濾層。助凝劑應(yīng)投加在混凝劑投加點(diǎn)之后，濾池進(jìn)口附近。4濾速

29、應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)決定。濁度偏高時(shí)應(yīng)采用較低濾速，反之亦然。由于濾前無混凝沉淀的緩沖作用，設(shè)計(jì)濾速應(yīng)偏于平安。原水濁度通常在50度以上時(shí)，濾速一般在5m/h左右。最好通過試驗(yàn)決定濾速。直接過濾工藝簡單，混凝劑用量較少。在處理湖泊、水加等低濁度原水方面已有較多應(yīng)用，也適宜于處理低溫低濁水。至于濾前是否需設(shè)置微絮凝池，目前還有不同看法，應(yīng)根據(jù)具體水質(zhì)條件決定。五、消毒為防止通過飲用水傳播疾病，在生活飲用水處理中，消毒是必不可少的。消毒并非要把水中微生物全部消滅，只是要消除水中致病微生物的致病作用。致病微生物包括病菌、病毒及原生動物胞囊等。水中微生物往往會粘附在懸浮顆粒上，因此，給水處理中的混凝沉淀和過

30、濾在去除懸浮物、降低水的濁度的同時(shí)，也去除了大局部微生物也包括病原微生物。但盡管如此，消毒仍必不可少，它是生活飲用水平安、衛(wèi)生的最后保障。水的消毒方法很多，包括氯及氯化物消毒，臭氧消毒、紫外線消毒及某些重金屬離子消毒等。氯消毒經(jīng)濟(jì)有效，使用方便，應(yīng)用歷史最久也最為廣泛。但自20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)受污染水原經(jīng)氯消毒后往往會產(chǎn)生一些有害健康的副產(chǎn)物，例如三鹵甲烷等后，人們便重視了其它消毒劑或消毒方法的研究，例如，近年來人們對二氧化氯消毒日益重視。但不能就此認(rèn)為氯消毒會被淘汰。 一方面，對于不受有機(jī)物污染的水源或在消毒前通過前處理把形成氯消毒副產(chǎn)物的前期物如腐殖酸和富里酸等預(yù)先去除，氯消毒仍是平安、經(jīng)

31、濟(jì)、有效的消毒方法；另方面，除氯以外其它各種消毒劑的副產(chǎn)物以及殘留于水中的消毒劑本身對人體健康的影響，仍需進(jìn)行全面、深入的研究。因此，就目前情況而言，氯消毒仍是應(yīng)用最廣泛的一種消毒方法。5.1 氯消毒5 氯消毒原理氯容易溶解于水20和95kPa時(shí)，溶解度7160mg/L。當(dāng)氯溶解在清水中時(shí)，以下兩個(gè)反響幾乎瞬時(shí)發(fā)生： Cl2+H2O HOCl+HCl 18-1次氯酸HOCl局部離解為氫子和次氯酸根： HOCl H+OCl- 18-2其平衡常數(shù)為： Ki= 18-3在不同溫度下次氯酸離解平衡常數(shù)見表4-1。次氯酸離解平衡常數(shù)表5-1溫度0510152025Ki×10-8mol/L5 加

32、氯量水中加氯量，可以分為兩局部，即需氯量和余氯。需氯量指用于滅活水中微生物、氧化有機(jī)物和復(fù)原性物質(zhì)等所消耗的局部。為了抑制水中剩余病原微生物的再度繁殖，管網(wǎng)中尚需維持少量剩余氯。我國飲用水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定出廠水游離性余氯在接觸30min后不應(yīng)低于0.3mg/L，在管網(wǎng)末梢不應(yīng)低于0.05mg/L。后者的余氯量雖仍具有消毒能力，但對再次污染的消毒尚嫌不夠，而可作為預(yù)示再次受到污染的信號，此點(diǎn)對于管網(wǎng)較長而有死水端和設(shè)備陳舊的情況，尤為重要。以下分析不同情況下加氯量與剩余氯量之間的關(guān)系：1如水中無微生物、有機(jī)物和復(fù)原性物質(zhì)等，那么需氯量為零，加氯量等于剩余氯量。2事實(shí)上天然水特別是地表水源多少已受到有機(jī)物

33、和細(xì)菌等污染，氧化這些有機(jī)物和殺滅細(xì)菌要消耗一定的氯量，即需氯量。加氯量必須超過需氯量，才能保證一定的剩余氯。當(dāng)水中有機(jī)物較少，而且主要不是游離氨和含氮化合物時(shí)，需氯量0M滿足以后就會出現(xiàn)余氯。其原因?yàn)椋?水中有機(jī)物與氯作用的速度有快慢。有測定余氯時(shí)，有一局部有機(jī)物尚在繼續(xù)與氯作用中。2水中余氯有一局部會自行分解，如次氯酸由于受水中某些雜質(zhì)或光線的作用，產(chǎn)生如下的催化分解： 2HOCl 2HCl+O2 18-83當(dāng)水中的有機(jī)物主要是氨和氮化合物時(shí)，情況比擬復(fù)雜。當(dāng)起始的需氯量0A滿足以后，加氯量增加，剩余氯也增加曲線AH段，但后者增長得慢一些。超過H點(diǎn)加氯量后，雖然加氯量增加，余氯量反而下降，

34、如HB段，H點(diǎn)稱為峰點(diǎn)。此后隨著加氯量的增加，剩余氯又上升，如BC段，B點(diǎn)稱為折點(diǎn)。缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，一般的地面水經(jīng)混凝、沉淀和過濾后或清潔的地下水，加氯1.5mg/L；一般的地面水經(jīng)2.5mg/L。當(dāng)原水受到嚴(yán)重污染，采用普通的混凝沉淀和過濾加上一般加氯量的消毒方法都不能解決問題時(shí)，折點(diǎn)加氯法可取得明顯效果，它能降低水的色度，去除惡臭，降低水中有機(jī)物含量；還能提高混凝效果。折點(diǎn)加氯法過去常常應(yīng)用，但自從發(fā)現(xiàn)水中有機(jī)污染物可能與氯生三鹵甲烷THMs后，采用折點(diǎn)加氯來處理受污染水源已引起人們擔(dān)憂，因而尋找去除有機(jī)污染物的預(yù)處理或深度處理方法和其它消毒法。5.2 其它消毒法5 二氧化氯消毒二氧化氯C

35、lO2在常溫常壓下是一種黃綠色氣體，沸點(diǎn)11，凝固點(diǎn)-59，極不穩(wěn)定，氣態(tài)和液態(tài)ClO2均易爆炸，故必須以水溶液形式現(xiàn)場制取，即時(shí)使用。ClO2易溶于水，其溶解度約為氯的5倍。ClO2水溶液的顏色隨濃度增加而由黃綠色轉(zhuǎn)為橙色。ClO2在水中以溶解氣體存在，不發(fā)生水解反響。ClO2水溶液在較高溫度與光照下會生成ClO2-與ClO3-，在水處理中ClO2參與氧化復(fù)原反響也會生成ClO2-。ClO2深液濃度在10g/L以下時(shí)沒有爆炸危險(xiǎn)，水處理中ClO2濃度遠(yuǎn)低于10g/L。制取ClO2的方法較多。在給水處理中，制取ClO2的方法主要有：1用亞氯酸鈉NaClO2和氯Cl2制取，反響如下：Cl2+H2

36、OHOCl+HCl 18-10根據(jù)反響式18-10，理論上1mol氯和2mol亞氯酸鈉反響可生成2mol二氧化氯。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了加快反響速度，投氯量往往超過化學(xué)計(jì)量的理論值，這樣，產(chǎn)品中就往往含有局部自由氯Cl2。作為受污染水的消毒劑，多余的自由氯存在就存在產(chǎn)生THMs之慮，雖然不會像氯消毒那樣嚴(yán)重。二氧化氯的制取是在1個(gè)內(nèi)填瓷環(huán)的圓柱形發(fā)生器中進(jìn)行。由加氯機(jī)出來的氯溶液和用泵抽出的亞氯酸鈉稀溶液共同進(jìn)入ClO2發(fā)生器，經(jīng)過約1min的反響，便得ClO2水溶液，像加氯一樣直接投入水中。發(fā)生器上設(shè)置1個(gè)透明管，通過觀察，出水假設(shè)呈黃綠色即說明ClO2生成。反響時(shí)應(yīng)控制混合液的pH值和濃度。2

37、用酸與亞氯酸鈉反響制取，反響如下：5NaClO2+4HCl 4ClO2+5NaCl+2H2O 18-1110NaClO2+5H2SO4 8ClO2+5Na2SO4+4H2O 18-12在用硫酸制備時(shí)，需注意硫酸不能與固態(tài)NaClO2接觸，否那么會發(fā)生爆炸。此外，尚需注意兩種反響物NaClO2和HCl或H2SO4的濃度控制，濃度過高，化合時(shí)會發(fā)生爆炸。這種制取方法不會存在自由氯，故投入水中不存在產(chǎn)生THMs之慮。制取方法也是在1個(gè)圓柱形ClO2發(fā)生器中進(jìn)行。先在2個(gè)溶液槽中分別配制一定濃度注意濃度不可過高，一般HCl濃度8.5%，亞氯酸鈉濃度7%的HCl和NaClO2溶液，分別用泵打入ClO2發(fā)

38、生器，經(jīng)過約20min反響后便形成ClO2溶液。酸用量一般超過化學(xué)計(jì)量34倍。以上兩種ClO2制取方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。采用強(qiáng)酸與亞氯酸鈉制取ClO2，方法簡便，產(chǎn)品中無自由氯，但NaClO2轉(zhuǎn)化成ClO2的理論轉(zhuǎn)化率僅為80%，即5mol的NaClO2產(chǎn)生4mol的ClO2。采用氯與亞氯酸鈉制取ClO2，1mol的NaClO2可產(chǎn)生1mol的ClO2，理論轉(zhuǎn)化率100%。由于NaClO2價(jià)格高，采用氯制取ClO2在經(jīng)濟(jì)上應(yīng)占有優(yōu)勢。當(dāng)然，在選用生產(chǎn)設(shè)備時(shí)，還應(yīng)考慮其它各種因素，如設(shè)備的性能、價(jià)格等。二氧化氯既是消毒劑，又是氧化能力很強(qiáng)的氧化劑。作為消毒劑，據(jù)有關(guān)專家研究，ClO2對細(xì)菌的細(xì)胞壁有較

39、強(qiáng)的吸附和穿透能力，從而有效地破壞細(xì)菌內(nèi)含巰基的酶，Bermard也證實(shí)，ClO2可快速控制微生物蛋白質(zhì)的合成，故ClO2對細(xì)菌、病毒等有很強(qiáng)的滅活能力。ClO2的最大優(yōu)點(diǎn)是不會與水中有機(jī)物作用生成三鹵甲烷。這正是ClO2在當(dāng)前水處理中受到重視的主要原因。此外，ClO2消毒還有以下優(yōu)點(diǎn)：消毒能力比氯強(qiáng)，故在相同條件下，投中量比Cl2少；ClO2余量能在管網(wǎng)中保持很長時(shí)間，即衰減速度比Cl2慢；由于ClO2不水解，故消毒效果受水的pH值影響極小。作為氧化劑，ClO2能有效地去除或降低水的色、嗅及鐵、錳、酚等物質(zhì)。它與酚起氧化反響，不會生成氯酚。不過，采用ClO2消毒或作為氧化劑還存在以下值得注意

40、的問題：ClO2本身和副產(chǎn)物ClO2-對人體血紅細(xì)胞有損害，有報(bào)導(dǎo)認(rèn)為，還對人的神經(jīng)系統(tǒng)及生殖系統(tǒng)有損害。因此，近年來美國EPA規(guī)定：水中剩余ClO2和ClO2-等總量不得超過1.0mg/L。目前我國還沒有這方面的規(guī)定或限定標(biāo)準(zhǔn)。不過，作為消毒劑，一般ClO2投加2.0mg/L范圍內(nèi)，不會產(chǎn)生副作用，但作為氧化劑，ClO2投加量變化較大，就應(yīng)注意水中剩余ClO2和ClO2-的副作用。另外，由于制取ClO2的NaClO2價(jià)格很高約為Cl2的10倍左右，因而限制了ClO2消毒的廣泛應(yīng)用。不過，歐美等一些國家應(yīng)用ClO2消毒或作為氧化劑用于給水處理已日益增多。近年來，我國也重視了ClO2在給水處理中

41、的應(yīng)用。5 氯胺消毒在本章第一節(jié)中提到，氯胺消毒作用緩慢，殺菌能力比自由氯弱。但氯胺消毒的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)水中含有有機(jī)物和酚時(shí)，氯胺消毒不會產(chǎn)生氯臭和氯酚臭，同時(shí)大大減少THMs產(chǎn)生的可能；能保持水中余氯較久，適用于供水管網(wǎng)較長的情況。不過，因殺菌力弱，單獨(dú)采用氯胺消毒的水廠很少，通常作為輔助消毒劑以抑制管網(wǎng)中細(xì)菌再繁殖。人工投中的氨可以是液氯、硫酸氨NH42SO4或氯化銨NH4Cl。水中原有的氨也可利用。硫酸銨或氯化銨應(yīng)先配成溶液，然后再投中到水中。液氨投加方法與液氯相似，化學(xué)反響見反響式18-4至式18-6。氯和氨的投加量視水質(zhì)不同而有不同比例。一般采用氯：氨=3：16：1。當(dāng)以防止氯臭為主要的

42、目的時(shí)，氯和氨之比小些；當(dāng)以殺菌和維持余氯為主要目的時(shí)，氯和氨之比應(yīng)大些。采用氯胺消毒時(shí)，一般先加氨，待其與水充分混合后再中氯，這樣可減少氯臭，特別當(dāng)水占含酚時(shí)，這種投加順序可防止產(chǎn)生氯酚惡臭。但當(dāng)管網(wǎng)較長，主要目的是為了維持余氯較為持久，可先加氯后加氨。有的以地下水為水源的水廠，可采用進(jìn)廠水加氯消毒，出廠水加氨減臭并和穩(wěn)定余氯。氧和氨也可同時(shí)投加。有資料認(rèn)為，氯和氨同時(shí)投加比先加氨后加氯，可減少有害副產(chǎn)物如三鹵甲烷、鹵乙酸等的生成。5 漂白粉消毒漂白粉由氯氣和石灰加工而成，分子式可簡單表示為CaOCl2，有效氯約30%。漂白精分子式為CaOCl2，有效氯約達(dá)60%左右。兩者均為白色粉末，有氯的氣味，易受光、熱和潮氣作用而分解使有效氯降低，故必須放在陰涼枯燥和通風(fēng)良好的地方。漂白粉參加水中反響如下：2CaOCl2+2H2O 2HOCl+CaOH2+CaCl2 18-13反響后生成HOCl，因此消毒原理與氯氣相同。漂白粉需配成溶液加注，溶解時(shí)先調(diào)成糊狀物，然后再加水配成1.0%2.0%以有效氯計(jì)濃度的溶液。當(dāng)投加在濾后水中時(shí)，溶液必須經(jīng)過約424h澄清，以免雜質(zhì)帶進(jìn)清水中；假設(shè)參加渾水中，那么配制后可立即使用。漂白粉消毒一般用于小水廠或臨時(shí)性給水。5 次氯酸鈉消毒次氯酸鈉NaOCl是用發(fā)生器的鈦陽極電解食鹽水而制得，反響如下：NaCl+H2O NaOCl+H2 18-1