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1、第一篇 水及工业用水预处理 水 生命之源 第一章水及工业用水 第一节 水资源 第二节 天然水的化学特征及工业用水水质要求 第三节 节约水资源和防止水污染的重要性 水资源 水资源分布概况 水是自然界中分布最广的一种资源 它以气 液 固三种状态存在 自然界的水主要指海洋 河流 湖泊 地下水 冰川 积雪 土壤水和大气水分等水体 其总员共约1 4 1019m3 如果将其平铺在地球表面上 水层厚度可达到约3000米深 但是绝大部分是咸的海水 加上内陆地表咸水湖 地下咸水 共约占总水量的98 而冰川 积雪约占总水量的1 7 目前尚难以利用和开发 实际上可供开发利用的淡水只占总水量的0 3 约为4 1019
2、m3 因此 淡水是有限的宝贵资源 我国淡水资源比较丰富 居世界第五位 但人均水资源量与世界许多国家相比 相差很大 只能排到第88位 地球上水的组成 世界淡水的组成 其它淡水的组成 世界的其它淡水中 河流水和湖泊淡水分别占了世界淡水总储量的0 006 和0 26 再加上少量的浅层地下水 可利用的淡水占全球淡水总储量的0 3 水资源是有限的 表1世界部分国家人均水资源量比较表 我国河流 湖泊众多 水量充沛 根据一些特征 基本上可分为四个区 潮湿区 湿润区 过渡区和干旱区 一 潮湿区潮湿区为我向东南沿海地区 浑浊度也低 一般在10mg L左右 硬度也低 属软水 水中主要化学组成为碳酸氢钙和碳酸氢钠等
3、 二 湿润区湿润区为长江流域及其以南地区 黑龙江和松花江流域之间的地区也属湿润区 但在贵州 广西地区有石灰岩溶洞 水的硬度增大 在长江流域 水中主要化学组成为碳酸氢钙类 在东北地区也有含碳酸氢钠类的 三 过渡区过渡区为黄河流域及其以北地区 直到辽河流域 该区降水量较少 蒸发量较大 浑浊度较高 水的含盐量较高 因而矿化度和硬度都较高 水中主要组成为碳酸氢钙类 但也有相当多的地方为碳酸氢钠类 甚至出现硫酸盐或氯化物类 四 干旱区干早区为内蒙和西北大片地区 该区降水量少而蒸发强烈 因此形成径流量很低的干旱地带 由于径流量小 土壤中可溶性盐含量高 所以水的含盐量和硬度都很高 水中主要组成是硫酸盐或氯化
4、物类 二 工业用水的各种水源及其特点 水是工业生产中重要的原料之一 没有合格的水源 任何工业都不能维持下去 工业用水的淡水水源主要来自地表的江河水 湖泊和水库水以及地下水 井水 一 江河水 河流是降水经地面径流汇集而成的 流域面积十分广阔 又是敞开流动的水体 受地区 气候以及生物活动和人类活动的影响而有较大的变化 河水广泛接触岩石土壤 不同地区的矿物组成决定着河水的基本化学成分 此外 河流水总混有泥沙等悬浮物而呈现一定混浊度 可从几十mg L到数百mg L 夏季河水上涨浑浊度还更高 冬季又可阵到很低 河流水中主要离子成分构成的含盐量 一般在100 200mg L 不超过500mg L 个别河流
5、也可达30000mg L以上 二 湖泊和水库水 如果流入和排出的河流水量都较大 而湖水蒸发量较小 则湖水含盐量较低 形成淡水湖 其含盐量一般在300mg L以下 通常淡水湖泊在湿润地区形成 三 地下水 水质组成稳定 水温变化很小 水质透明清澈 有机物和细菌的含量较少 但含盐量较高 硬度较大 随着地下水深度的增加 其主要离子组成从低矿化度的淡水型转化为高矿化度的咸水型 第二节天然水的化学特征及工业用水水质要求 一 天然水的化学特征 一 天然水中碳酸化合物天然水中普遍存在着各种形态的碳酸化合物 它们是决定水质pH值的重要因素并且对外加酸 碱有一定的缓冲能力 同时对水质和水处理有着重要的影响 1 碳
6、酸化合物存在的形态 天然水中碳酸化合物的来源有以下几个方面 首先是空气中二氧化碳的溶解 岩石 土壤中碳酸盐和重碳酸盐矿物的溶解 其次是水中动植物的新陈代谢作用以及水中有机物的生物氧化等产生的二氧化碳 有时在水处理过程中也会加入或形成各种碳酸化合物 上述各种来源的碳酸化合物综合构成水中碳酸化合物的总量 上述四种碳酸化合物存在着以下几种平衡关系 p4 做酸平衡和pH值的关系 版述 作业 推导 二 天然水的酸度 水的酸度是指水中能与强碱发生中和作用的物质的总量 水的酸度通常由三类物质组成 一是强酸 如HCl HN03 H2S04等 二是弱酸 如H2CO3 H2S H4Si04以及各种有机酸等 三是强
7、酸弱碱盐等 这些物质在水中都会电离产生H 或经过水解产生H 而这些H 均能与OH 发生中和反应 这些H 的总数叫做总酸度 用mmol L表示 总酸度与水中pH值并不是一回事 天然水受到强酸污染时 其pH值均在4以下 而当水的pH值高于4时 水的酸度一般都由弱酸构成 如果天然水未受到工业弱酸的污染 则弱酸主要指碳酸 三 天然水的碱度 水的碱度与酸度相反 是指水中能与强酸即H 发生中和作用的物质的总量 其组成通常也是三类物质 一是强碱 如NaOH Ca OH 2等 二是弱碱 如NH3 有机胺类 三是强碱弱酸盐 如各种碳酸盐 重碳酸盐 硅酸盐 硫化物等 大多数天然水中 碱度由氢氧化物 碳酸盐和重碳酸
8、盐组成 通常称之为总碱度 以M表示 版述笔记 只有当天然水受到强碱物污染或人为地用石灰进行软化处理时 其pH值才高于I0 这时水的总碱度常由氢氧化物和碳酸盐组成 如造纸厂 制革厂排出的废水及锅炉用水等 如果天然水中有大量藻类繁殖 在繁殖过程中会吸收水中CO2 使水的pH值迅速升高 这时水中总碱度主要由碳酸根组成 水的碱度常影响到水质特性 因此水的总碱度是最常用的一个水质指标 四 天然水的硬度 通常以Ca2 和Mg2 的含量来计算水的硬度 并作为水质的一个指标 天然水都含有一定的硬度 地下水 咸水和海水的硬度较大 总硬度 按照阳离子组成 为钙硬度和镁硬度 按阴离子组成 分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬
9、度 暂时硬度 非碳酸盐硬度称为永久硬度 由于天然水的pH值一般均在8 3以下 因此水中CO32 的量极少 可以认为天然水中碳酸盐硬度的阴离子就是HCO3 版述笔记 二 工业用水的水质要求 工业用水通常包括工艺用水 锅炉用水 洗涤用水以及冷却用水等 要求也不相同 下面着重对锅炉用水和冷却用水的水质要求作些阐述 锅炉用水 锅炉用水是将水在一定的温度和压力下加热产生蒸汽 用蒸汽作为传热和动力的介质 一般工矿企业常采用低压或中压锅炉产生蒸汽作热源或动力用 这种锅炉对水质要求稍低 而发电厂或热电站常采用高压锅炉产生蒸汽以推动汽轮机来发电 为保证蒸汽对汽轮机无腐蚀和结垢沉积 这种锅炉对水质要求非常高 因此
10、 锅炉用水的水质要求根据锅炉的工作压力和温度的不同而不同 不论何种锅炉用水 它对水的硬度拥有较严格的限制 其他凡能导致锅炉 给水系统及其他热力设备腐蚀 结垢及引起汽水共腾现象 使离子交换树脂中毒的杂质如溶解氧 可溶性二氧化硅 铁以及余氯等都应大部或全部除去 二 冷却用水 大多数工业生产中都是用水作为传热冷却介质的 因为 1 水的化学稳定性好 易分解 它的热容量大 在常用温度范围内 不会产生明显的膨胀或压缩 2 它的沸点较高 在通常使用条件下 在换热器中不致汽化 3 水的来源较广泛 4 流动性好 易于输送和分配 5 相对来说价格也较低 目前在钢铁 冶金工业中用大量的水来冷却高炉 平炉转炉 电炉等
11、各种加热炉的炉体 在炼油 化肥 化工等生产中用大量的水来冷却半成品和产品 在发电厂 热电站则用大量的水来冷凝汽轮机回流水 在纺织厂 化纤厂则用大量水来冷却中调系统及冷冻系统 这些工业的冷却水用量平均约占工业用水总量的67 其中又以石油 化工和钢铁工业为最高 作为冷却用水的水质虽然没有像工艺用水 锅炉用水那样对各种指标有严格的限制 为了保证生产稳定 不损坏设备 能长周期运转 对冷却用水水质的要求还是相当高的 冷却用水水质的要求 1 水温要尽可能低一些2 水的浑浊度要低3 水质不易结垢4 水质对金属设备不易产生腐蚀5 水质不易滋生菌藻 第三节节约水资源和防止水污染的重要性 一 水在自然界的循环二
12、节水和防止污染的重要性 水资源 自然循环 地球上的水经常处于循环中 包括自然循环和社会循环 由自然力促成的循环 称为水的自然循环 它是水的基本运动方式 海水蒸发为云 随气流迁移到内陆 遇冷气流凝为雨雪而降落 称为降水 一部分水沿地表流动 汇成江河湖泊 称为地表径流 另一部分降水渗入地下 形成地下径流 在流动过程中 地表水和地下水相互补给 最终复归大海 这种海洋 内陆 海洋的循环 称为大循环 那些在小的自然地理区域内的循环 称为小循环 生物体内的水 也进行着吸收 蒸发 吸收的内外循环 地球上的水循环 水资源 社会循环 由人的社会需要而促成的循环 称为水的社会循环 它是直接为人们的生活和生产服务的
13、 取之自然而直接供生活和生产 特别是工业生产 使用的水 称为给水 使用后因丧失原有使用价值而废弃外排的水 称为废水 为保证给水能满足用户的使用要求 水量 水质和水压 而采取的整套工程设施 称为给水工程 为保证废水 有时也包括部分雨水 能安全排放或再用而采取的整套工程设施 称为排水工程 给水工程和排水工程构成了水的社会循环 完善的给水系统和排水系统是现代城市和工业区所必须具备的基础条件 中国水资源的特点 数量上 总量不少 人均不多 空间分布上 南方多 北方少 东部多 西部少 时间分配上 夏秋两季多 冬春两季少 各年之间变率大 地枯 井枯 人枯 淹了 造成水资源紧缺的原因 自然原因 如水资源时空分
14、布不均 部分地区气候反常等 人为原因 用水量迅速增加 水质污染 世界用水量的增加 城市居民用水 工业用水 农业用水 长江之污 红 河 2001年度七大水系污染由重到轻的顺序依次是 海河 辽河 淮河 黄河 松花江 长江和珠江 长江水系的主要污染指标是石油类 氨氮和高锰酸盐指数 主要污染指标为溶解氧 高锰酸盐指数 生化需氧量 挥发酚和石油类 黄河干流悬浮物浓度很高 最高达4851毫克 升 水资源的合理利用和保护 建立蓄水工程修建跨流域的引水工程合理开采地下水科学用水 节约用水保护水资源 防治水污染 水的时间分配不均水的空间分布不均地下水更新周期长水资源有限及世界用水量的迅速增加水污染严重 第二节工
15、业用水预处理 地表天然水中混入的悬浮物 胶体物构成水的浊度 不除去则不能作锅炉水和冷却水使用 通常用混凝沉淀 过滤等方法去除 以离子和分子状态存在子水中的溶解盐类 特别是硬度 铁等不除去 不适用于锅炉水 通常采用离子交换 软化 除铁等方法去除 以自来水作锅炉用水 在进行离子交换软化前还需除去水中存在的余氯 否则会影响离子交换树脂的性能 一 混凝 一 混凝机理 2 电解质对双电层的作用机理 3 吸附架桥作用机理 4 沉淀物卷扫作用机理 二 影响混凝的因素 1 水温的影响2 水的pH值和碱度的影响3 水质的影响 三 混凝剂 二 沉淀与澄清 一 沉淀与沉淀池水中悬浮的固体颗粒 依靠本身重力作用 由水
16、中分离出来的过程称为沉淀 原水中悬浮固体颗粒较大 能依靠自身重力自然沉降的称为自然沉降沉淀 这种沉淀只能对含泥砂量高的原水进行预沉淀时采用 通常 原水预处理都是先经过混凝 使水中较小的颗粒凝聚并进一步形成絮凝状沉淀物 俗称矾花 再依靠其本身重力作用 由水中沉降分离出来 这种沉淀称混凝沉淀 1 平流沉淀池 平流沉淀池通常为矩形水池 水流平面流过水池 构造简单 管理方便 可筑于地面 也可筑于地下 不仅适用于大型水处理厂 也适用于处理水量小的厂 它可作自然沉淀用 也可作混凝沉淀用 2 辐射沉淀池 3 料板斜管沉淀池 2 水力循环澄清池 三 过滤 一 过滤过程 2 重力式无阀滤池 重力式无阀滤池 是因过滤过程依靠水的重力自动流入滤池进行过滤或反洗 且滤池没有阀门而得名的 四 除铁 我国含铁的地下水分布颇广 一般含铁量在4 30mg L左右 含铁地下水由于在地下 铁是以二价状态存在 这种水刚抽到地面时 水质清彻干净 但有铁腥味 时间略长 水质即发浑 洗涤织物及器具时会留下锈色斑点 离子极易污染离子交换树脂 使树脂中毒而降低交换能力 当用含铁水做锅炉补给水时 容易在锅炉受热面上结成铁垢 不仅影响传
