水質(zhì)工程學(xué)(上)

地球上的水循環(huán)，分為水的自然循環(huán)和水的社會循環(huán)。在水的社會循環(huán)中，人們對飲用水、生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水的水質(zhì)都有相應(yīng)的要求。研究水在社會循環(huán)過程中的水質(zhì)及其變化特性，研究為滿足用水需要，為實現(xiàn)水的良性社會循環(huán)和水資源的可持續(xù)利用，而對水質(zhì)進行控制和對水進行處理的科學(xué)技術(shù)，稱為水質(zhì)工程學(xué)。按水中雜質(zhì)的尺寸，天然水體中的雜質(zhì)分為懸浮物、膠體、溶解物。懸浮物：主要是泥砂類、礦物質(zhì)等無機物質(zhì)和動植物生存過程中產(chǎn)生的物質(zhì)或死亡后的腐敗產(chǎn)物等有機物膠體：主要是細(xì)小的泥砂、礦物質(zhì)等無機物和腐殖質(zhì)等有機物溶解物：主要是呈真溶液狀態(tài)的離子和分子（O.lnm?l.Onm）消毒劑及其消毒副產(chǎn)物：氯氣——三鹵甲烷，二氧化氯——亞氯酸鹽、氯酸鹽、甲醛、乙醛，臭氧——醛類，氯酸鹽。生活飲用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：微生物學(xué)指標(biāo)、水的感觀性狀指標(biāo)和一般化學(xué)指標(biāo)、毒理學(xué)指標(biāo)、放射性指標(biāo)。7?《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》I類一一主要適用于源頭水，國家自然保護區(qū)，11類一一主要適用于集中式生活飲用水地表水源地一級保護區(qū)、珍稀水生生物棲息地、魚蝦類產(chǎn)卵場、子稚幼魚的梭餌場等，III類一一主要適用于集中式生活飲用水地表水源地二級保護區(qū)、魚蝦類越冬場、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)，IV類一一主要適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)，V類一一主要適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域，劣V類。水的物理化學(xué)處理方法：混凝、沉淀和澄清、浮選、過濾、膜分離、吸附、離子交換、中和、氧化與還原。反應(yīng)器的類型：間歇式反應(yīng)器，連續(xù)流式反應(yīng)器（活塞流反應(yīng)器和恒流攪拌反應(yīng)器）。通常將多種基本單元過程互相配合，組成一個水處理工藝過程，稱為水處理工藝流程典型地表水處理流程：原水-混凝-沉淀-過濾-消毒-飲用水典型除污染給水處理流程：原水-預(yù)氧化-混凝-沉淀-過濾-活性炭吸附-消毒-飲用水一般冷卻水流程：原水-自然沉淀-冷卻用水；原水-自然沉淀-混凝-沉淀-冷卻用水除鹽水處理流程：濾過水-陽離子交換-陰離子交換-除鹽水凝聚和絮凝是指通過某種方法使水中膠體粒子和微小懸浮物聚集的過程，是水和廢水處理工藝中的一種單元操作，又可統(tǒng)稱為混凝。凝聚：主要指膠體脫穩(wěn)并生產(chǎn)微小聚集體的過程絮凝：主要指脫穩(wěn)的膠體或微小懸浮物聚結(jié)呈大的絮凝體的過程尺寸范圍在0.001?lum之間的顆粒稱為膠體，對應(yīng)的分散體系稱為膠體溶液或溶膠，尺寸比膠體大的顆粒稱為粗顆粒或懸浮顆粒，對應(yīng)的分散體系稱為懸浮液或粗分散體系，尺寸比膠體小的顆粒是原子、離子或小分子，對應(yīng)的分散體系稱為真溶液或均相分散體系。膠體溶液或溶膠分為親液溶膠和憎液溶膠。親液溶膠：分散相和分散介質(zhì)之間有很好的親和力、很強的溶劑化作用，固液間沒有明顯相界面的膠體分散系憎液溶膠：分散相和分散介質(zhì)之間親和力較差，固液間有明顯相界面的膠體分散系表征水中膠體物質(zhì)含量的主要水質(zhì)參數(shù)是濁度。膠體的雙電層結(jié)構(gòu)，一般膠體帶負(fù)電。雙電層內(nèi)層（荷電膠體顆粒表面）與外層（溶液內(nèi)部）之間的電位差稱為膠團的申0電位膠粒在移動時滑動面上相對于溶液內(nèi)部的電位差稱為g電位當(dāng)兩個膠體顆粒由遠(yuǎn)靠近時，首先起作用的是排斥勢能。膠體的穩(wěn)定性：（1）膠體的動力穩(wěn)定性（2）膠體的帶點穩(wěn)定性（3）膠體的溶劑化作用穩(wěn)定性，對于憎水膠體而言，通常帶點穩(wěn)定性和動力穩(wěn)定性起主要作用，對于親水膠體來說，其水化作用穩(wěn)定性占主導(dǎo)地位帶電穩(wěn)定性則處于次要地位。混凝機理：壓縮雙電層作用，吸附-電中和作用，吸附架橋作用，網(wǎng)捕-卷掃作用。由布朗運動所引起的膠體顆粒碰撞聚集稱為異向絮凝機理，由外力推動所引起的膠體顆粒碰撞聚集稱為同向絮凝機理。異向絮凝：膠體顆粒的布朗運動是無規(guī)則的，兩個膠體顆粒向不同方向運動而發(fā)生碰撞聚集的情況同向絮凝：在如機械攪拌、水力等外力作用下產(chǎn)生的流體運動推動脫穩(wěn)的膠體顆粒在同一運動方向上發(fā)生碰撞而絮凝的情況實際水處理中，必須通過水力或機械攪拌來增強膠體顆粒的同向絮凝以改善混凝效果影響混凝效果的主要因素：水溫、水的pH值、水的堿度、水中濁質(zhì)顆粒濃度、水中有機污染物、混凝劑種類與投加量、混凝劑投加方式、水力條件。凝聚速度：只與水溫和顆粒濃度有關(guān)，與顆粒尺寸無關(guān)。無機鹽類混凝劑：硫酸鋁，三氯化鐵，硫酸亞鐵高分子混凝劑：聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鋁（PAS）、聚合硫酸鐵（PFS）、聚合氯化鐵（PFC）、聚硅酸金屬鹽助凝劑：聚丙烯酰胺、骨膠、活化硅酸、海藻酸鈉從廣義上講，凡是不能在某一特定的水處理工藝中單獨用作混凝劑但可以與混凝劑配合使用而提高或改善凝聚和絮凝效果的化學(xué)藥劑均可稱為混凝劑?；炷巹┻x用原則：（1）混凝效果好（2）無毒害作用（3）貨源充足（4）成本低（5）新型藥劑的衛(wèi)生許可（6）借鑒已有經(jīng)驗?；炷^程的控制指標(biāo):平均G值控制在20?70s」范圍之內(nèi)，平均GT值控制在1x104~1x105范圍內(nèi)。水處理中混凝過程：混凝劑的配置、計量、投加、快速混合、絮凝反應(yīng)等環(huán)節(jié)?；炷齽┑耐都臃绞剑罕们巴都?、重力投加（三個空的話不填）、水射器投加和泵投加，目前大多數(shù)采用計量泵投加方式。混合設(shè)施：水力混合、水泵混合、管式混合、機械混合。絮凝設(shè)施：機械絮凝池、隔板絮凝池、折板絮凝池、柵條絮凝池、穿孔旋流絮凝池和其他形式的絮凝池。當(dāng)水中有大量顆粒在有限的水體中沉降時，由于顆粒相互之間會產(chǎn)生影響，致使顆粒沉速較自由沉降時小的現(xiàn)象稱為擁擠現(xiàn)象。在較高的顆粒體積濃度和粒徑分布比較均勻情況下，擁擠沉降過程中會在上部的澄清水和下部渾水間出現(xiàn)明顯的界面的現(xiàn)象稱為界面沉降。理想沉淀池假設(shè)：（1） 進水均勻地分布于沉淀區(qū)始端，并以相同的流速水平地流向末端（2） 進水中顆粒雜質(zhì)均勻地分布于沉淀區(qū)始端，并在沉淀區(qū)內(nèi)進行著等速自由沉降（3）凡能沉降至沉淀區(qū)底的顆粒雜質(zhì)便認(rèn)為已被除去，不再重新懸浮進入水中34?沉速小于u0的顆粒雜質(zhì)在池中只能部分沉淀下來，其沉淀效率等于其沉速與截留沉速u0的比值n=u/0u35.影響斜板、斜管沉淀效率的因素：（1）雷諾數(shù)Re（低）（2）弗羅德數(shù)Fr（較大）（3）充分的絮凝（4）渾水異重流（5）水面負(fù)荷。斜板、斜管沉淀池構(gòu)造：h1——保護高度，h2——清水區(qū)高度，h3——斜管區(qū)高度，h4——配水區(qū)高度，h5——排泥槽高度。增大弗羅德數(shù)Fr的措施：增大流速，減小水力半徑，加隔板。應(yīng)大于1x10-5?1x10-4。雷諾數(shù)大于500即判定為紊流，所以平流沉淀池中的水流一般皆為紊流。淺池理論：按照理想沉淀池原理，在保持截留沉速u0和水平流速v都不變的條件下，減小沉淀池的深度，就能相應(yīng)地減少沉淀時間和縮短沉淀池的長度。澄清池類別：機械攪拌澄清池、脈沖澄清池。固體通量：單位時間通過單位面積的固體量。沉淀池的類型和特點：平流沉淀池：池型為長方形，一端進水，另一端出水，對沖擊負(fù)荷和溫度變化的適應(yīng)能力較強，施工簡單，造價低豎流沉淀池：池內(nèi)水流由下向上，占地面積小，排泥容易，但是深度大，施工困難，造價高輻流沉淀池：池內(nèi)水流向四周輻流，采用機械排泥，運行較好，設(shè)備較簡單，沉淀效果好，日處理量大斜管、斜板沉淀池：利用層流原理，提高沉淀池的處理能力，縮短了顆粒沉淀距離從而縮短的沉降時間，增加了沉淀池的沉淀面積。濾池的類型和特點：虹吸濾池：小阻力配水系統(tǒng)，利用虹吸管進水和排水，保持正水頭過濾，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，池深較大無閥濾池：不需要閥門，自動化運行，結(jié)構(gòu)簡單，變水頭等速過濾V型濾池：均質(zhì)濾料，濾層截污能力高，小阻力配水系統(tǒng)，濾層不膨脹或微膨脹普通快濾池：運行穩(wěn)妥，出水水質(zhì)好，閥門較多易損壞，有全套的沖洗設(shè)備。濾料的比表面積：單位體積濾層中濾料的表面積濾速：單位過濾面積在單位時間內(nèi)的濾過水量慢速過濾：用礫石和砂子輔敷濾床，以每天3~6m的速度進行過濾的方法等水頭過濾：過濾過程中過濾水頭損失始終不變K80：d80與d10的比值，即K80=d80/d10。d10和d80分別表示通過濾料重量10%和80%的篩孔孔徑。d10反映了生產(chǎn)水頭損失的主要部分。k80越大，顆粒越不均勻，孔隙率下降，含污能力降低，反沖洗強度不好確定。水質(zhì)周期：濾池由開始進入有效過濾期到出水濁度達(dá)到泄漏值壓力周期：濾層的水頭損失h達(dá)到最大值時，便需對濾層進行反沖洗，這是濾池的過濾周期，稱為壓力周期。過濾去除懸浮物的機理及提高濾池截污能力（過濾效果）的措施？機理：在濾層的孔隙中，懸浮顆粒從水中運動到濾料表面，并附著在上面，懸浮顆粒必須經(jīng)過遷移和附著兩個過程才能實現(xiàn)去除過程。措施：反力度過濾，均質(zhì)濾料。分析大、小阻力配水系統(tǒng)能夠配水均勻的原因？孔口水頭損失遠(yuǎn)高于配水系統(tǒng)中各孔口處沿?fù)p失的差別，由此相對消除了濾池中各孔口位置不同對配水均勻性的影響，實現(xiàn)了配水均勻。什么叫“等速過濾”和“變速過濾”？當(dāng)濾池過濾速度保持不變，亦即濾池流量保持不變時，稱“等速過濾”。濾速隨過濾時間而逐漸減小的過濾稱“變速過濾”。什么叫濾料“有效粒徑”和“不均勻系數(shù)”？不均勻系數(shù)過大對過濾和反沖洗有何影響？“均質(zhì)濾料”的含義是什么？通過濾料重量10%的篩孔孔徑，稱為濾料的有效粒徑d10。d80與d10的比值稱為濾料的不108010均勻系數(shù)。d80表示通過濾料重量80%的篩孔孔徑。d10反映了生產(chǎn)水頭損失的主要部分。K80越大，顆粒越不均勻，孔隙率下降，含污能力降低，反沖洗強度不好確定均質(zhì)濾料指濾料均勻，％0=1。吸附平衡狀態(tài)：吸附和脫附速度相等時，吸附過程達(dá)到平衡狀態(tài)。54?在恒溫及吸附平衡狀況下，單位吸附劑的吸附容量qe和平衡溶液濃度Ce之間的關(guān)系曲線，稱作吸附等溫線。55?吸附：在兩相界面中，某物質(zhì)濃度能夠自動地發(fā)生富集的現(xiàn)象吸附量：單位質(zhì)量的吸附劑所吸附氣體的體積或物質(zhì)的量。56.活性炭的性質(zhì)：物理性質(zhì)：大的比表面積，發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，密度，強度較大，灰分低化學(xué)性質(zhì)：1.可燃性2?還原性3?穩(wěn)定性（包括耐腐蝕性）4.氧化性（很少有這個性質(zhì)）吸附性質(zhì)：碘值、糖蜜值、BET面積57?影響活性炭吸附性能的因素：（1）活性炭的性質(zhì)（2）吸附質(zhì)的性質(zhì)（3）其他因素（pH值、無機離子組成以及含量、無機沉淀等）（4）活性炭與水處理化學(xué)藥劑的反應(yīng)58?吸附過程中在活性炭層中有一段特殊的位置，活性炭對污染物的吸附集中發(fā)生在該段，該段前端的活性炭可以看作未吸附的炭，而該段后端的活性炭都可以看作已經(jīng)吸附飽和的炭。該段活性炭則被稱為吸附帶。59?空床接觸時間是吸附接觸裝置的重要參數(shù)，物理意義是在吸附裝置中不加任何填料情況下過水的水力停留時間。60?粉末炭投加點的選擇不僅要滿足良好混合要求以及足夠的接觸時間，同時要盡量使水處理藥劑對粉末炭的干擾作用最小，降低活性炭的投加量，節(jié)約費用。投加點：水廠的吸水口、快速混合器前、沉淀池出水或濾池進水處，投加量2?20mg/L,接觸時間15min。投加方法：干投和濕投。粒狀活性炭吸附的方式：濾前吸附：GAC濾池-混凝/沉淀-快濾池濾后吸附：混凝/沉淀-快濾池-GAC濾池過濾吸附：混凝/沉淀-GAC吸附/過濾池。粒狀活性炭設(shè)計參數(shù)：（1）空床接觸時間，5~10min（2）活性炭的利用率（3）水力表面負(fù)荷（4）炭床的深度（5）反沖洗的參數(shù)。其他吸附劑：沸石、硅藻土、活性氧化鋁、粉煤灰。折點氯化：加氯量超過折點需要量時稱為折點氯化余氯：指水經(jīng)過加氯消毒，接觸一定時間后，水中所余留的有效氯66?高級氧化AOP：任何以產(chǎn)生羥基自由基-OH為目的的過程破氰：飲用水消毒的健康風(fēng)險有哪些？如何消除？消毒劑在消毒過程中產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物，如三鹵甲烷、醛類、溴酸鹽等，嚴(yán)重危害到人體健康。針對各地不同水質(zhì)狀況可以采用臭氧-二氧化氯、二氧化氯-氯氣、紫外-氯氣或二氧化氯-氯氨等消毒工藝，使各種消毒劑在發(fā)揮自身優(yōu)勢殺滅病原微生物的同時，減少消毒副產(chǎn)物的生成，控制消毒產(chǎn)物和病原微生物對人體的健康危害在最低水平，盡量降低消毒帶來的健康風(fēng)險，確保人們的身體健康。試解釋Fenton試劑的氧化機理Fenton試劑之所以具有非常高的氧化能力，是因為在Fe2+離子的催化作用下，也02的分解活化能低（34.9kJ/mol）,能夠分解產(chǎn)生經(jīng)基自由基HO?。同其他氧化劑相比，羥基自由基具有更高的氧化電極電位，因而具有很強的氧化性能。飲用水處理加氯點有哪些，各有什么作用？（1）濾后加氯，加氯點設(shè)在濾池到清水池的管道上，或清水池的進口處，以保證充分混合（2）管網(wǎng)中途加氯，加氯點設(shè)在加壓泵站或水庫泵站內(nèi)。當(dāng)城市管網(wǎng)延伸很長時，保證管網(wǎng)末梢的余氯，又不致于使水廠出水附近管網(wǎng)中的余氯過高。（3）提前加氯，加氯點設(shè)在一級泵站到混合設(shè)施的管道上，可以提高混凝沉淀效果，防止藻類生長。離子交換容量：一定數(shù)量的離子交換樹脂所具有的可交換離子的數(shù)量。其中包括全交換容量和工作交換容量。離子交換混合床：是將陰、陽樹脂按一定比例均勻混合裝在同一個離子交換器中，水通過混合床就能完成許多級陰、陽離子交換過程。離子交換平衡：在一定溫度下，經(jīng)過一定時間，離子交換體系中固態(tài)的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應(yīng)達(dá)到的平衡。離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)組成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架（母體）離子交換樹脂-活性基因（附在骨架上）-固定離子：不能自由移動活動離子-可交換可在一定范圍內(nèi)自由移動解釋離子交換樹脂的交聯(lián)度，并指出其對交換性能的影響交聯(lián)度是指交聯(lián)劑在離子交換樹脂內(nèi)的重量百分含量。交聯(lián)度越小，空隙率越大，含水率越高；交聯(lián)度越大，聚合物結(jié)構(gòu)緊密，彈性差，溶脹性越小。離子交換反應(yīng)速度的影響因素有哪些？（1）樹脂的交聯(lián)度（2）樹脂的粒徑（3）樹脂的空隙度（4）水中離子濃度（5）水溶液的流速（6）水溶液的溫度簡述氣頂壓離子交換樹脂逆流再生的操作方法（1）小反洗（2）放水（3）頂壓（4）進再生液（5）逆流清洗（6）小正洗（7）正洗。交換器經(jīng)過多周期運行后，下部樹脂層也會受到一定程度污染，因此必須定期對整個樹脂層進行大反洗，一般為10~20個周期在水處理領(lǐng)域中，廣泛使用的推動力為壓力差和電位差膜濾技術(shù)按膜的組件分類：管式、中空式、板框式、卷式。80?截留率R表示膜脫除溶質(zhì)或鹽的性能。滲透通量：單位面積膜上單位時間內(nèi)物質(zhì)的透過量截留分子量：相當(dāng)于一定截留率（一般為90%~95%）的分子量膜污染：指在過濾過程中，水中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子與膜發(fā)生物理化學(xué)作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞等作用，使膜產(chǎn)生透過通量與分離特性不可逆變化的現(xiàn)象。膜的劣化：指膜自身的結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可逆變化。膜污染和劣化的預(yù)防方法：（1）原料液預(yù)處理（2）膜組件的合理設(shè)計（3）操作方式的優(yōu)化（4）膜組件的清洗（5）抗污染及劣化膜的制備。在膜分離操作中，所有溶液均被透過液傳送到膜表面，不能完全透過膜的溶質(zhì)受到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高，導(dǎo)致流體阻力和局部滲透壓增加，因而膜透過量下降。這種在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)象謂之濃差極化。反滲透布置系統(tǒng)：單程式、循環(huán)式、多段式。反滲透工藝流程：預(yù)處理、膜濾、后處理電滲析：指在直流電場作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的