1、水質(zhì)工程學(xué),土建學(xué)院市政工程系,第二篇 城市給水處理,第一章 城市給水處理概論 第二章 混凝 第三章 沉淀 第四章 過濾 第五章 消毒 第六章 地下水除鐵除錳 第七章 給水廠設(shè)計(jì),第一章 給水處理概論,第一節(jié) 給水水質(zhì)指標(biāo) 第二節(jié) 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) 第三節(jié) 給水處理的基本方法與基本工藝,第一節(jié) 給水水質(zhì)指標(biāo),水質(zhì)是指水與水中雜質(zhì)共同表現(xiàn)的綜合特性。水質(zhì)指標(biāo)表示水中特定雜質(zhì)的種類和數(shù)量，是判斷水質(zhì)好壞、污染程度的具體衡量尺度。 一、物理指標(biāo) 主要有水溫、濁度、臭和味、色度、懸浮物、電導(dǎo)率、氧化還原電位等，其中較為重要的指標(biāo)是： 1.濁度： 表示水中含有膠體狀態(tài)（較小顆粒的懸浮物）的雜質(zhì)，引起水的渾濁的程

2、度。 2.懸浮物： 指總不可濾殘雜，為水樣中0.45m濾膜截留物質(zhì)的質(zhì)量。 3.臭和味： 由原水、水處理或輸水過程中微生物污染和化學(xué)污染引起的異臭和異味。,二、化學(xué)指標(biāo) 1.雜質(zhì)或污染物質(zhì)的單項(xiàng)指標(biāo) 水中化學(xué)物質(zhì)的各單項(xiàng)質(zhì)量濃度指標(biāo)，如：鐵、錳、硫酸鹽、氯化物、砷、鎘、鉻等等。 2.無機(jī)特性的綜合指標(biāo) 反映水的無機(jī)特性的一些常用指標(biāo)：PH、堿度、酸度、硬度、溶解性總固體、總含鹽量等。 3.有機(jī)污染物的綜合指標(biāo) 反映水中有機(jī)物含量的綜合指標(biāo)：耗氧量（OC或CODMn，又稱高錳酸鉀指數(shù)）、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、總有機(jī)碳（TOC）等。,三、微生物指標(biāo) 常用的水中微生物指標(biāo)菌測(cè)

3、定項(xiàng)目有：細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群、糞大腸菌等 四、放射性指標(biāo) 飲用水的放射性指標(biāo)測(cè)試項(xiàng)目是：總放射性、總放射性。,第二節(jié) 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),一、生活飲用水標(biāo)準(zhǔn) 參看生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范 二、工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) 參看各工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) 三、其它重要水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等,第三節(jié) 給水處理的基本方法與基本工藝,一、給水處理的基本方法 1.膠體顆粒和懸浮顆粒的處理方法：混凝、沉淀、澄清、氣浮、過濾、篩濾、膜分離（微濾、超濾）、沉砂、離心分離。 2.去除、調(diào)整水中溶解（無機(jī)）離子、溶解氣體的處理方法：石灰軟化、離子交換、地下水除鐵除錳、氧化還原、化學(xué)沉淀、膜分離（反

4、滲透、納濾、電滲析、濃差滲析）、吹脫、曝氣等。 3.去除有機(jī)物的處理方法：粉狀活性炭吸附、原水曝氣、生物預(yù)處理、臭氧預(yù)氧化、預(yù)氯化、生物活性炭、大孔樹脂吸附等。 4.消毒方法：氯氣、二氧化氯、臭氧、紫外線、電化學(xué)、加熱等。 5.冷卻方法,二、給水處理的基本工藝 以地表水為水源的飲用水常規(guī)處理工藝： 預(yù)加氯 混凝劑 氯 原水 管網(wǎng) 以地下水為水源的自來水廠工藝 氯 井水 管網(wǎng),混凝,清水池,沉淀,過濾,清水池,凈水設(shè)計(jì)總體原則,沉淀池和澄清池的個(gè)數(shù)或能夠單獨(dú)排空的分隔數(shù)不宜少于兩個(gè)。 經(jīng)過混凝沉淀或澄清處理的水，在進(jìn)入濾池前濁度一般不超過10度。 當(dāng)原水含沙量高時(shí)，宜采用預(yù)沉措施。,第二章 混凝

5、,第一節(jié) 混凝基本理論 第二節(jié) 混凝劑和助凝劑 第三節(jié) 混凝動(dòng)力學(xué) 第四節(jié) 影響混凝效果主要因素 第五節(jié) 混凝劑的配制和投加 第六節(jié) 絮凝反應(yīng)池,第一節(jié) 混凝基本理論,一、膠體及其穩(wěn)定性 1. 膠體： 水中粒徑大小在1100nm之間的顆粒 1）膠體顆粒尺寸很小 2）穩(wěn)定而不沉淀 3）使水產(chǎn)生渾濁 4）膠體顆粒表面帶電 2. 膠體的穩(wěn)定性：膠體粒子在水中長(zhǎng)期保持分散懸浮狀態(tài)的特性 膠體穩(wěn)定性分為“動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定”和“聚集穩(wěn)定”。 1）動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定 由于膠體粒子很小，布朗運(yùn)動(dòng)劇烈，本身質(zhì)量小而所受重力作用小，布朗運(yùn)動(dòng)足以抵抗重力影響，故而能長(zhǎng)期懸浮于水中，稱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定。 2）聚集穩(wěn)定性 膠體粒子之間因表

6、面同性電荷相斥或水化膜的阻礙作用大于布朗作用而不能相互聚集的特性。,3.膠體的穩(wěn)定與凝聚 1）膠體的雙電層結(jié)構(gòu) 帶電荷的膠核表面與擴(kuò)散于溶液中的異種電荷離子（反離子）正好電性中和，構(gòu)成雙電層結(jié)構(gòu)。 一部分反離子被緊密吸引在膠核顆粒的表面附近，可以隨微粒移動(dòng)，這一層稱為吸附層。 另一部分反離子由于熱運(yùn)動(dòng)和溶劑化作用向外擴(kuò)散，構(gòu)成擴(kuò)散層。 2）膠體不凝聚的原因 a.排斥勢(shì)能峰的高低 b.水化膜的厚度 膠體的穩(wěn)定性關(guān)鍵在于聚集穩(wěn)定性，而聚集穩(wěn)定性取決于膠體顆粒表面的動(dòng)電位即電位。 向膠體中加入電解質(zhì)，降低膠體顆粒的電動(dòng)電位，能使膠體脫穩(wěn)凝聚。,二、金屬鹽水解規(guī)律 1.以鋁鹽為例，其水解產(chǎn)物分為以下幾

7、類： 1）單體形態(tài) 2）中小型聚合物形態(tài) 3）大型聚合物形態(tài) 4）氫氧化鋁沉淀 2.水解規(guī)律 1）PH值較低時(shí)，水解產(chǎn)物以單體或中小型聚合物為主；pH值較高時(shí)，以大型或氫氧化鋁為主。 2）各組成含量與混凝劑的種類及濃度有關(guān)。 3）其水解物種的分布與混凝劑機(jī)理密切相關(guān)。,三、混凝機(jī)理 1.電性中和： 通過投加電解質(zhì)來降低或消除顆粒的動(dòng)電位，從而壓縮雙電層的方法。 2.吸附架橋： 水中高分子物質(zhì)通過某長(zhǎng)鏈吸附膠體，起到膠體之間相互結(jié)合的橋梁結(jié)構(gòu)。 3.網(wǎng)捕或卷掃作用： 當(dāng)金屬鹽投量很大而形成大量氫氧化物沉淀時(shí)，可以網(wǎng)捕或卷掃水中膠粒，并使之發(fā)生沉淀。 4.膠體的再穩(wěn)定現(xiàn)象： 對(duì)于無機(jī)鹽，投量過大會(huì)

8、導(dǎo)致膠體表面帶上反電荷，從而發(fā)生再穩(wěn)定現(xiàn)象；對(duì)于高分子物質(zhì)而言，投量過大會(huì)導(dǎo)致膠體被長(zhǎng)鏈包裹，從而發(fā)生膠體保護(hù)現(xiàn)象。,第二節(jié) 混凝劑和助凝劑,一、無機(jī)混凝劑 1.硫酸鋁 Al2(SO4)3 使用靈活，多以液態(tài)為主，但其水解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，處理低溫水時(shí)效果不佳，與新型混凝劑相比，有效含量和利用率都不高。 2.聚合氯化鋁 Al2(OH)nCl6-n m 以各種聚合物和氫氧化鋁的形式直接存在與水體中，不再出現(xiàn)水解過程，對(duì)PH值的適應(yīng)性更強(qiáng)；在其它相同條件下，投加量較少，處理效果更佳。 3.三氯化鐵 FeCl3 適用的PH值范圍較寬，形成的絮體比使用鋁鹽形成的絮體結(jié)構(gòu)更密實(shí)，但溶液的腐蝕性很強(qiáng)，出水的

9、色度比鋁鹽高。 4.聚合硫酸鐵 Fe2(OH)n(SO4)3-n/2m 形成的絮體密實(shí)，適應(yīng)低溫低濁水的處理，藥劑用量少，腐蝕性遠(yuǎn)比三氯化鐵小，適用水體的PH范圍寬。,二、有機(jī)高分子混凝劑 1.陽離子型有機(jī)高分子聚合物 2.非離子型 3.陰離子型 4.兩性聚電解質(zhì) 三、助凝劑 有助于改善或提高混凝劑作用效果的物質(zhì)，即為助凝劑。 1.活化硅酸 粒狀高分子物質(zhì)，處理低溫低濁水時(shí)效果顯著，同時(shí)能促進(jìn)對(duì)色度的去除；由于其在活化過程中能形成狹長(zhǎng)的線性或環(huán)狀聚合物，有利于吸附架橋作用。 2.聚丙烯酰胺 聚丙烯酰胺及其水解產(chǎn)物是高濁度水處理中使用最多的助凝劑。投加這類助凝劑可大大減少鋁鹽或鐵鹽混凝劑的用量。

10、 3.其它 其它助凝劑如石灰、骨膠、海藻酸鈉、黏土等 液有一定的助凝作用。,第三節(jié) 混凝動(dòng)力學(xué),一、基本概念 混凝動(dòng)力學(xué)：研究水中膠體在絮凝過程中顆粒的濃度隨時(shí)間的減少過程稱為混凝動(dòng)力學(xué)。 異向絮凝：由布朗運(yùn)動(dòng)所造成的顆粒碰撞聚集的過程。 同向絮凝：在水力或機(jī)械攪拌下所造成的流體運(yùn)動(dòng)使顆粒繼續(xù)碰撞聚集的過程。 二、異向絮凝：在顆粒粒徑較小時(shí)起主要作用 三、同向絮凝：在顆粒逐漸長(zhǎng)大后起主要作用，依靠流速梯度來促進(jìn)顆粒的相互碰撞,第四節(jié) 影響混凝效果主要因素,一、水溫 水溫對(duì)混凝的效果有明顯的影響。這是由于混凝劑的水解反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，在低溫水中反應(yīng)緩慢，影響混凝效果。因而低溫水處理比較困難。可以通

11、過增加混凝劑的用量或投加助凝劑來提高混凝效果。 二、濁度與懸浮物 原水濁度越高，壓縮雙電層、吸附電性中和所需的混凝劑的用量越大；原水的濁度越低，可以構(gòu)成礬花骨架的膠體顆粒越少，所需混凝劑的投加量更大。 三、水的PH值 PH值影響水中無機(jī)金屬鹽水解產(chǎn)物的形態(tài)分布；同時(shí)對(duì)于某些有機(jī)物，PH值影響其電離程度，從而影響混凝的效果?？梢酝ㄟ^投加堿性藥劑來調(diào)節(jié)PH值。,第五節(jié) 混凝劑的配制和投加,一、混合設(shè)施 1.水泵混合 藥劑投加在水泵的吸水管或吸水喇叭口處，利用葉片的高速旋轉(zhuǎn)以達(dá)到藥劑充分混合的目的。 常用于取水泵房離水廠處理設(shè)施較近的場(chǎng)合，不適合于投加鐵鹽。 2.管道混合 將藥劑直接投加到水泵的壓水

12、管中以借助管中流速進(jìn)行混合或采用管道靜態(tài)混合器進(jìn)行混合。 混合效果耗，但水頭損失稍大，當(dāng)管道內(nèi)流量減少時(shí)，效果降低。 3.機(jī)械混合 在混合池內(nèi)安裝攪拌設(shè)施，以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌器使水和藥劑混合。 適應(yīng)水量變化的能力強(qiáng)，但增加了機(jī)械維修的工作量,重要設(shè)計(jì)要點(diǎn),濕投混凝劑時(shí)，溶解次數(shù)應(yīng)根據(jù)混凝劑的用量和配制條件等因素確定，一般每日不宜超過3次。 混凝劑用量較大時(shí)，溶解池宜建在地下，混凝劑用量較小時(shí)，溶解池可兼作投藥池。 混凝劑投配的溶液濃度，可采用5-20%。 藥劑倉庫的設(shè)計(jì)一般可按最大投藥量的15-30天用量計(jì)算。堆放高度一般為1.5-2.0m。,二、混凝劑的自動(dòng)控制方法 水廠混凝劑投加的自動(dòng)控制方

13、法有：經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)學(xué)模型法、現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)法、膠體表面電荷法、光學(xué)檢測(cè)法。,第六節(jié) 絮凝反應(yīng)池,一、水力型絮凝池 1.隔板絮凝池 1）特點(diǎn)：隔板絮凝池的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，管理方面。缺點(diǎn)是對(duì)水量、水質(zhì)的變化性差；因水流轉(zhuǎn)彎處的無效能耗大，故為保證絮凝效果，需增加池體容積，即增加了造價(jià)。 適用于大、中型水廠。 2）主要設(shè)計(jì)參數(shù)： a.廊道中流速：起端一般為0.50.6m/s，末端一般為0.20.3m/s。流速應(yīng)沿程遞減。 b.為減少轉(zhuǎn)彎處的水頭損失，轉(zhuǎn)彎處過水?dāng)嗝鎽?yīng)為廊道內(nèi)過水?dāng)嗝娣e的1.21.5倍。 c.絮凝時(shí)間一般在2030min。 d.隔板間距應(yīng)大于0.5m，池底應(yīng)用0.020.03坡度來排泥，排

14、泥管應(yīng)大于150mm。,2.折板絮凝池 1）特點(diǎn)：折板絮凝池的優(yōu)點(diǎn)是：絮凝的效果比較好；水流條件比較好，有效能量消耗比例提高；所需絮凝時(shí)間有所縮短；池子的體積減小。缺點(diǎn)是：因板距較小，安裝維修較困難，造價(jià)液較高。 適用于中、小型水廠。 2）主要設(shè)計(jì)參數(shù)： a.一般分為三段（也可多于三段），各段流速可分別為： 第一段：0.250.35m/s； 第二段：0.150.25m/s； 第三段：0.100.15m/s。 b.折板的角度可采用90120。 c.絮凝的時(shí)間一般為615min。 3.網(wǎng)格絮凝池 1）特點(diǎn)：網(wǎng)格絮凝池的優(yōu)點(diǎn)是絮凝效果好，水頭損失小，絮凝時(shí)間較短。但存在末端積泥現(xiàn)象，少數(shù)水廠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格

15、上滋生藻類、堵塞網(wǎng)眼現(xiàn)象。,2）主要設(shè)計(jì)參數(shù)： a.前段：放置密網(wǎng)格；網(wǎng)格孔眼尺寸80mm80mm；板條寬度35mm，豎井的平均流速0.12m/s0.14m/s；過網(wǎng)流速0.250.30m/s；豎井之間的孔洞流速0.30m/s0.20m/s;絮凝時(shí)間35min；流速梯度70100s-1。 b.中段：放置疏網(wǎng)格；網(wǎng)格孔眼尺寸100mm100mm；板條寬度35mm，豎井的平均流速0.12m/s0.14m/s；過網(wǎng)流速0.220.35m/s；豎井之間的孔洞流速0.20m/s0.15m/s;絮凝時(shí)間35min；流速梯度4050s-1。 c.末段：不放置網(wǎng)格；板條寬度35mm，豎井的平均流速0.10m/

16、s0.14m/s；豎井之間的孔洞流速0.10m/s0.14m/s;絮凝時(shí)間45min；流速梯度1020s-1。 二、機(jī)械型絮凝池 機(jī)械絮凝池 1）特點(diǎn)：機(jī)械絮凝池的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)原水的水質(zhì)變化能力強(qiáng)，能適應(yīng)于各種類型的水廠；缺點(diǎn)是機(jī)械設(shè)備需維護(hù)，管理上不太方面。 2）設(shè)計(jì)要點(diǎn)： a.絮凝時(shí)間一般宜為1520min； b.池內(nèi)一般設(shè)34檔攪拌機(jī)，其線速度從第一檔的0.5m/s末檔的0.2m/s； c.每臺(tái)攪拌機(jī)上漿板總面積宜為水流截面積的1020。,三、組合式絮凝池 1.往復(fù)式隔板與回轉(zhuǎn)式隔板組合 2.機(jī)械反應(yīng)與隔板反應(yīng)組合,第三章 沉淀和澄清,第一節(jié) 沉淀基本理論 第二節(jié) 平流沉淀池 第三節(jié) 斜管

17、、斜板沉淀池 第四節(jié) 澄清池 第五節(jié) 氣浮池,第一節(jié) 沉淀基本理論,一、沉淀分類 1.自由沉淀 顆粒在沉淀的過程中，彼此無干擾，只受到顆粒本身的重力和水流阻力的作用。 2.絮凝沉淀 顆粒在絮凝過程中發(fā)生絮凝作用，顆粒絮凝長(zhǎng)大，沉速逐漸增加。 3.擁擠沉淀 顆粒在沉淀過程中，彼此相互干擾，或受到容器壁的干擾，減少了實(shí)際沉速。 4.壓縮沉淀 在顆粒濃度極高的情況下，顆粒在相互支撐的條件下受重力的作用進(jìn)一步被擠壓。 二、顆粒沉速公式： 對(duì)于Re1的層流區(qū)，有Stokes公式：,三、哈真公式 哈真公式反應(yīng)了下列兩個(gè)問題： 1）當(dāng)去除率一定時(shí)，顆粒沉速ui越大則表面負(fù)荷也越高，亦即產(chǎn)水量越大；或者當(dāng)產(chǎn)水

18、量和表面積不變時(shí)，ui越大則去除率E越高。顆粒沉速ui的大小與凝聚效果有關(guān)，所以生產(chǎn)上一般均重視混凝工藝。 2）顆粒沉速ui一定時(shí)，增加沉淀池表面積可以提高去除率。當(dāng)沉淀池的容積一定時(shí)，池身淺些則表面積大些，去除率可以高些，此即“淺池理論”，斜板、斜管沉淀池的發(fā)展基于此理論。,第二節(jié) 平流沉淀池,一、平流沉淀池的構(gòu)造 平流沉淀池可分為進(jìn)水區(qū)、沉淀區(qū)、存泥區(qū)和出水區(qū)四個(gè)部分。 1.進(jìn)水區(qū) 采用穿孔墻進(jìn)水，將水流均勻分布在整個(gè)進(jìn)水截面上，孔口流速不宜大于0.15-0.2m/s。 2.沉淀區(qū) 利用縱向分格降低了水力半徑，即降低了雷諾數(shù)（水流紊動(dòng)性指標(biāo)），增加了Fr數(shù)（水流穩(wěn)定性指標(biāo)），改善了水力條件 3.出水區(qū) 一般采用堰口布置或淹沒式出水孔口，盡量