環(huán)境工程學(xué)課件 第二章水的物化處理

第一篇

水質(zhì)凈化與水污染控制工程第一章水質(zhì)與水體自?xún)舻诙滤奈锢砘瘜W(xué)處理方法第三章水的生物化學(xué)處理方法第四章水處理工程系統(tǒng)與廢水最終處置粗大顆粒物質(zhì)

懸浮物質(zhì)和膠體物質(zhì)溶解性物質(zhì)按顆粒的大小

第二章水的物化處理方法圖1－19按顆粒尺寸進(jìn)行物質(zhì)分類(lèi)溶解物質(zhì)膠體物質(zhì)懸浮物質(zhì)10-510-410-310-210-111010010-910-710-610-510-410-310-210-1(μm)(mm)≥0.1或1mm砂石、小卵石、礫石、樹(shù)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(jī)沉砂池旋流分離器離心機(jī)第一節(jié)水中粗大顆粒物質(zhì)的去除一、格柵、篩網(wǎng)和微濾機(jī)1、格柵主要用途：用于去除可能堵塞水泵機(jī)組及管道閘門(mén)的粗大懸浮物，并保證后續(xù)處理設(shè)施能正常運(yùn)行。安裝：傾斜安裝在進(jìn)水的渠道或進(jìn)水泵站集水井的進(jìn)口處。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：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(zhì)決定截留效率）1、格柵圖2－1格柵（1）圖2－2格柵（2）1、格柵

后處理：填埋、堆肥、焚燒等清除方式：人工、機(jī)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50~150mm沉淀/砂池15~30mm圖2－2格柵（2）圖2－5不銹鋼機(jī)械自動(dòng)格柵圖2－6格柵（3）1、格柵圖2－4鏈條式格柵除污機(jī)圖2－3帶溢流旁通道的人工清理鐵格柵主要用途：去除水中纖維、紙漿、藻類(lèi)等較小雜物，

去除效果相當(dāng)于初次沉淀池。2、篩網(wǎng)水力篩網(wǎng)振動(dòng)篩網(wǎng)圖2－7水力篩網(wǎng)

2、篩網(wǎng)——水力篩網(wǎng)圖2－8轉(zhuǎn)鼓式篩網(wǎng)1、旋轉(zhuǎn)筒2、污水3、篩濾后水4、蒸氣或高壓空氣管5、旋轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)方向6、截留污物排出7、篩網(wǎng)圖2－9轉(zhuǎn)筒式篩網(wǎng)原理圖

2、篩網(wǎng)

——振動(dòng)篩網(wǎng)圖2－10振動(dòng)篩網(wǎng)圖2－12微濾機(jī)（2）3、微濾機(jī)主要用途：截留細(xì)小懸浮物。優(yōu)點(diǎn)：占地少，過(guò)濾能力大，操作方便，應(yīng)用廣泛圖2－11微濾機(jī)1、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)筒2、池3、水槽4、孔管5、濾網(wǎng)沖洗設(shè)備6、集渣斗7、排渣管8、出水管①平流式沉砂池②豎流式沉砂池③曝氣式沉砂池二、沉砂池自由沉降

——在沉降過(guò)程中顆粒雜質(zhì)的尺寸、形狀和比重均不隨時(shí)間而變的現(xiàn)象。

以重力分離為基礎(chǔ)，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(shè)備的運(yùn)行。截留效果好，工作穩(wěn)定，構(gòu)造簡(jiǎn)單且易于排砂，但占地面積大①平流式沉砂池圖2－13平流式沉砂池1400vABh2L水流面積A池總寬B池長(zhǎng)LQmax

最大設(shè)計(jì)流量（m3/s）v最大設(shè)計(jì)流量時(shí)的流速（0.15，0.3）m/sh2有效水深

（0.25，1）且≤1.2mt最大設(shè)計(jì)流量時(shí)的停留時(shí)間（30，60）且≥30s①平流式沉砂池①平流式沉砂池圖2－13平流式沉砂池污泥斗容積VX1

城市污水沉砂量（m3/106m3）K2

流量總變化系數(shù)X2

生活污水沉砂量（L/人?d）N沉砂池服務(wù)人口數(shù)T清除沉砂的時(shí)間間隔（d）①平流式沉砂池24*60*60=86400圖2－13平流式沉砂池BL1400①平流式沉砂池h3h2h1池總高度H驗(yàn)算最小流速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(shí)工作的池?cái)?shù)ωmin最小流量時(shí)水流斷面積（m2）①平流式沉砂池②曝氣式沉砂池可避免沉砂發(fā)臭，預(yù)曝氣，有利于后續(xù)生化處理，但能耗高圖2－14曝氣式沉砂池1、原理三、離心分離離心力重力v圓周線速度，m/sr

旋轉(zhuǎn)半徑，mn轉(zhuǎn)速，r/min分離因素三、離心分離水旋分離設(shè)備器旋分離設(shè)備2、類(lèi)型壓力式水力旋流器重力式水力旋流器——離心機(jī)壓

力

式

水

力

旋

流

器圖2－15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圖2－16壓力式水力旋流器（1）圖2－17壓力式水力旋流器（2）離

心

機(jī)圖2－18離心機(jī)組圖第二節(jié)

水中懸浮物質(zhì)和膠體物質(zhì)的去除沉淀混凝澄清過(guò)濾氣浮1、沉淀理論

沉淀過(guò)程自由沉淀壓縮沉淀?yè)頂D沉淀絮凝沉淀顆粒在沉降過(guò)程中呈離散狀態(tài)，其形狀、尺寸、質(zhì)量均不變，下沉速度不受干擾沉降過(guò)程中顆粒相互粘結(jié)，其尺寸、質(zhì)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(guò)程中相互干擾，但顆粒間相對(duì)位置不變，整體成層下降顆粒濃度很高且相接觸。上層顆粒的重力作用擠壓下層顆粒間的水，使顆粒群壓縮

一、沉淀（1）自由沉降Stokes（斯托克斯）公式

自由沉淀實(shí)驗(yàn)

有效水深H指定沉淀時(shí)間t0初始濃度C0對(duì)應(yīng)臨界的顆粒沉速u(mài)≥u0（1－x0）（1－x0）u<u0x0顆粒沉速顆粒百分?jǐn)?shù)顆粒沉淀百分?jǐn)?shù)

自由沉淀實(shí)驗(yàn)圖2－19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例2-2某廢水中的懸浮物質(zhì)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(nèi)作沉降試驗(yàn)，結(jié)果如下：時(shí)間t(min)06080100130200240420取樣濃度C(mg/L)3001891801681561117827試求此廢水在一負(fù)荷為25m3/m2·d的沉淀設(shè)備內(nèi)懸浮物質(zhì)的理論總沉降去除率。C1C2C3ti時(shí)間hi高度（ui=hi/ti）不能完全沉淀的顆粒的比例例2-2某廢水中的懸浮物質(zhì)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(nèi)作沉降試驗(yàn)，結(jié)果如下：時(shí)間t(min)06080100130200240420取樣濃度C(mg/L)3001891801681561117827試求此廢水在一負(fù)荷為25m3/m2·d的沉淀設(shè)備內(nèi)懸浮物質(zhì)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u0=25m/d，高度H處能完全去除的顆粒比例u0=25m/d，高度H處不能完全去除的顆粒按ui/u0的比例去除找出u0對(duì)應(yīng)的x0計(jì)算（2）絮凝沉降絮凝沉降試驗(yàn)等濃度（效率）曲線圖2－20絮凝沉降等效率曲線（2）絮凝沉降總?cè)コ使綀D2－20絮凝沉降等效率曲線注意：P與Δx的區(qū)別?。?、4）擁擠沉降和壓縮沉降圖2－21擁擠沉降和壓縮沉降假定：1）各過(guò)水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)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(rèn)為去除；（5）理想沉淀池vu1u0vu1hHL圖2－22理想沉淀池（5）理想沉淀池vu1u0vu1hHL圖2－22理想沉淀池平流式沉淀池豎流式沉淀池輻流式沉淀池（1）類(lèi)型2、普通沉淀池平流式沉淀池圖2－23平流式沉淀池平流式沉淀池圖2－24豎流式沉淀池圖2－25豎流式沉淀池圖2－26輻流式沉淀池圖2－28輻流式沉淀池圖2－27輻流式沉淀池中顆粒的下沉軌跡輻

流

式

沉

淀

池進(jìn)水出水排泥水力吸泥裝置圖2－29輻流式沉淀池（中央出水，周邊進(jìn)水）進(jìn)水出水排泥圖2－30輻流式沉淀池（周邊出水，周邊進(jìn)水）圖2－31輻流式沉淀池（周邊出水，周邊進(jìn)水）（1）圖2－32輻流式沉淀池（周邊出水，周邊進(jìn)水）（2）圖2－33輻流式沉淀池（周邊出水，周邊進(jìn)水）（3）（2）沉淀池類(lèi)型的選擇類(lèi)型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用條件平流式（1）沉淀效果好（2）對(duì)沖擊負(fù)荷和溫度變化的適應(yīng)能力較強(qiáng)（3）施工簡(jiǎn)易，造價(jià)較低（1）配水不易均勻（2）采用多斗排泥時(shí)，每個(gè)泥斗需單獨(dú)設(shè)排泥管，操作量大，管理復(fù)雜；采用鏈帶式刮泥機(jī)排泥時(shí)，機(jī)件浸于水中，易銹蝕。（1）適用于地下水位高及地質(zhì)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(jiǎn)單（2）占地面積較?。?）池子深度大，施工困難（2）造價(jià)較高（3）對(duì)沖擊負(fù)荷和溫度變化的適應(yīng)能力較差（4）池徑不宜過(guò)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(jī)械排泥，運(yùn)行較好，管理簡(jiǎn)單（2）排泥設(shè)備已趨穩(wěn)定（1）水流不易均勻，沉淀效果較差（2）機(jī)械排泥設(shè)備復(fù)雜，對(duì)施工質(zhì)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?。?）淺池沉降理論

圖2－34縮小沉淀區(qū)深度對(duì)沉淀過(guò)程的影響（2）構(gòu)造圖2－36斜板斜管沉淀池1、配水槽2、穿孔墻3、斜板或斜管4、淹沒(méi)孔口5、集水槽6、集泥斗7、穿孔排泥管8、阻流板

圖2－35斜板斜管沉淀池的水流方向

圖2－37斜管沉淀池（3）斜板沉淀池的計(jì)算

（以異向流斜板沉淀池為例）lL/nl1l2abu0vθ

圖2－38顆粒沉降軌跡

圖2－39膠體結(jié)構(gòu)與電位示意圖電位離子反離子滑動(dòng)面膠團(tuán)邊界膠核膠粒吸附層擴(kuò)散層①膠體的結(jié)構(gòu)二、混凝1、混凝過(guò)程的理論基礎(chǔ)②膠體的脫穩(wěn)和水的混凝機(jī)理壓縮雙電層網(wǎng)捕作用吸附架橋作用吸附電中和作用

圖2－41(1)吸附電中和

圖2－41(2)吸附架橋

圖2－41(3)網(wǎng)捕

圖2－40膠體間力與距離的關(guān)系2、混凝劑、助凝劑及其作用（1）鋁鹽的水解過(guò)程脫穩(wěn)凝聚橋連絮凝網(wǎng)捕絮凝氧化鋁圖2-42不同pH值相對(duì)應(yīng)的三價(jià)鋁水解產(chǎn)物各水解產(chǎn)物所占比例各階段的脫穩(wěn)機(jī)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

（2）有機(jī)合成高分子絮凝劑（3）助凝劑3、混合與反應(yīng)設(shè)備圖2－44高分子混凝劑凝聚示意圖PAM活化硅酸、聚硅酸鋁鹽3、混合與反應(yīng)設(shè)備圖2－46混合（1）澄清池三、澄清池水和藥劑的混合反應(yīng)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(guò)濾型機(jī)械加速澄清池懸浮澄清池一次混合及反應(yīng)區(qū)二次混合及反應(yīng)區(qū)豎管澄清水原水回流區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)出水孔口圖2－47機(jī)械加速澄清池（2）常見(jiàn)澄清池找出書(shū)中所述“五個(gè)主要部分”？懸

浮

澄

清

池（2）常見(jiàn)澄清池泥渣懸浮層強(qiáng)制出水槽排泥穿孔管進(jìn)水穿孔管泄水穿孔管反應(yīng)罩檢修人孔圖2－48機(jī)械加速澄清池四、過(guò)濾1、過(guò)濾機(jī)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(guò)濾速度濾料直徑過(guò)濾速度濾料直徑（比表面積）荷電量四、過(guò)濾1、過(guò)濾機(jī)理——

濾池分類(lèi)普通快濾池虹吸濾池?zé)o閥濾池慢濾池快濾池單層濾池雙層濾池多層濾池重力式濾池壓力濾池2、普通快濾池

（1）過(guò)濾工藝過(guò)程（過(guò)濾

——反洗）集水渠洗砂排水槽廢水渠圖2－49普通快濾池2、普通快濾池

（1）過(guò)濾工藝過(guò)程（過(guò)濾——反洗）集水渠洗砂排水槽廢水渠圖2－49普通快濾池（2）濾料/層A濾料B濾層足夠的機(jī)械強(qiáng)度較好的化學(xué)穩(wěn)定性適宜的級(jí)配足夠的孔隙率濾層深度（cm）單層濾料雙層濾料藏污量(g/cm3)圖2－50單層和雙層濾池中的濾料分布濾料石英砂無(wú)煙煤纖維球果殼鵝卵石墊層五、氣浮1、氣浮理論圖2－51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）五、氣浮1、氣浮理論圖2－52親水性和疏水性物質(zhì)的接觸角被水潤(rùn)濕的面積氣泡水?ω＝γ水－氣（1－cosθ）θ→0，不能氣?。沪?lt;90o，附著不牢；θ→180o，易被氣浮。圖2－51水-顆粒-氣泡間的表面張力加壓溶氣氣浮射流氣浮曝氣氣浮葉輪氣浮2、氣浮設(shè)備圖2－53加壓溶氣氣浮流程1、混合室2、反應(yīng)室3、入流室4、分離室5、泵6、射流器

7、氣體流量計(jì)8、溶氣罐9、釋放器10、浮渣槽11、刮渣機(jī)混凝劑QQ92第三節(jié)水中溶解物質(zhì)的去除Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋CO32－、HCO3－、SO42－、Cl－陽(yáng)離子陰離子溶解氣體O2、CO2思考一下：污廢水中的溶解物質(zhì)有哪些？天然水中的溶解物質(zhì)第三節(jié)水中溶解物質(zhì)的去除軟化：降低水中Ca2＋、Mg2＋含量的處理。一、水的軟化與除鹽Ca(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離子交換加熱軟化的實(shí)質(zhì)？

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。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(shù)脂樹(shù)脂本體活性基團(tuán)固定離子活動(dòng)離子圖2－54陽(yáng)離子交換樹(shù)脂結(jié)構(gòu)示意圖水固定離子可交換離子乙二烯交聯(lián)鏈

聚苯乙烯鏈二、離子交換法2、離子交換樹(shù)脂的分類(lèi)及化學(xué)性能指標(biāo)分類(lèi)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂螯合樹(shù)脂氧化－還原樹(shù)脂兩性樹(shù)脂強(qiáng)酸性、弱酸性強(qiáng)堿性、弱堿性交聯(lián)度化學(xué)性能指標(biāo)酸堿性離子交換選擇性交換容量3、離子交換工藝及應(yīng)用（1）離子交換的運(yùn)行操作交換反洗再生清洗離子交換劑上的可交換離子與溶液中的同性離子間的交換反應(yīng)松動(dòng)樹(shù)脂層，以便再生液分布均勻用較高濃度的再生液恢復(fù)樹(shù)脂的交換能力去除樹(shù)脂層中殘余的再生液，使出水水質(zhì)符合要求3、離子交換工藝及應(yīng)用軟化Na＋型陽(yáng)離子交換柱除鹽H＋型陽(yáng)離子交換柱OH－型陽(yáng)離子交換柱（2）離子交換的應(yīng)用圖2－55鈉型離子交換柱圖2－56H＋柱和OH－柱串聯(lián)除鹽

三、吸附法吸附法——利用多孔性的固體物質(zhì)使水中的一種或多種物質(zhì)被吸附在固體表面而去除的方法。吸附——相界面上，物質(zhì)自動(dòng)發(fā)生累積或濃集的現(xiàn)象。吸附劑吸附質(zhì)思考：吸附法在水處理中的用途？

三、吸附法作用力反應(yīng)溫度吸附熱物理吸附范德華力低溫小化學(xué)吸附化學(xué)鍵力較高溫大選擇性可逆性吸附層物理吸附無(wú)可逆單/多分子層化學(xué)吸附有不可逆單分子層1、吸附類(lèi)型2、吸附劑大孔微孔溶劑和吸附質(zhì)均可進(jìn)入的區(qū)域溶劑和小吸附質(zhì)可進(jìn)入的區(qū)域只有溶劑可進(jìn)入的區(qū)域圖2－57活性炭的微孔結(jié)構(gòu)小孔＜2nm過(guò)渡孔

2～100nm大孔

100～10000nm與擴(kuò)散吸附活性炭圖2－58活性炭組圖3、吸附平衡和吸附等溫線吸附量

——吸附平衡時(shí)單位質(zhì)量吸附劑吸附的吸附質(zhì)的質(zhì)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(dá)到平衡時(shí)，吸附質(zhì)在溶液中的濃度與活性炭吸附量之間的關(guān)系。3、吸附平衡和吸附等溫線圖2－60

Freundlich吸附等溫線ρ圖2－59Langmuir吸附等溫線ρeρ4、吸附穿透曲線Va吸附帶δρ0ρ0ρ0ρ0ρρρbρa(bǔ)ρa(bǔ)ρbVb出水體積（出流時(shí)間）出水溶質(zhì)濃度穿透點(diǎn)（破點(diǎn)）吸附終點(diǎn)思考：三積分式的意義？圖2－61

吸附曲線

四、膜分離技術(shù)半透膜

凡在溶液中一種或多種成分不能透過(guò)，而其它成分能透過(guò)的膜。膜分離法

——利用半透膜將溶液隔開(kāi)，使一側(cè)溶液中的某種溶質(zhì)透過(guò)膜或溶劑滲透出來(lái)，從而達(dá)到分離溶質(zhì)的目的。圖2－62滲透與反滲透a滲透開(kāi)始b滲透達(dá)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

四、膜分離技術(shù)1、電滲析

在直流電場(chǎng)的作用下，利用陰、陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中陰、陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性，使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物化過(guò)程圖2－64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+圖2－63電滲析原理圖濃水電極清洗水脫礦質(zhì)水陽(yáng)極陰極陽(yáng)極清洗陰極清洗待脫礦質(zhì)水待濃縮水電極清洗液+++---2、反滲透RO、微濾MF、超濾UF、納濾NF膜技術(shù)滲透電滲析反滲透納濾超濾微濾驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(duì)分子量大于200～400的物質(zhì)去除相對(duì)分子量大于1000～100000的物質(zhì)去除膠體、懸浮固體和細(xì)菌?？山档蜐岫?、水消毒

第四節(jié)水中有害微生物的去除圖2－66鼠疫桿菌圖2－67霍亂弧菌一