第二章 预处理与配水站

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1、第二章第二章 水的预处理水的预处理 第一节 理论基础 一.水的混凝处理： 水的混凝处理主要目的是除去水中的悬浮物及胶体杂质。悬浮物易除去，而胶体杂质由于其结构的特性，稳定地存在于水中，不易除去。 1.胶体的结构及其脱稳方法； (1)胶体的结构 胶体颗粒由胶核，吸附层，扩散层三部分组成。胶核通常由数十，数百甚至数千个分子组成的集合体，它不溶于水而成为胶体颗粒的核心，成为胶核。由于胶核表面分之的电离作用和溶解作用，或由于胶核表面巨大的吸附能力，在溶解中优先吸附那些有共同成分的离子，而使胶核表面拥有一层离子，称为电位决定离子，电位决定离子由于静电作用吸附水溶液中符号相反，电荷量相等的离子到胶核周围成

2、为反粒子，其以中和电量决定离子的电量。这样在胶核与周围水溶液间的界面区域内形成一个双电层结构，内层 为胶核的电位决定离子层 ，它与 胶核结合紧密，很难分开；外层为水溶液中的反离子，反离子在胶体表面以外的溶液中成为一个松散的平衡分布，其中一部分反离子紧抱着胶体，称为吸附层；吸附层以外的反离子层叫扩散层。 胶核电位决定离子层和反离子的吸附层一起叫胶粒。 以Al（OH）3形成的胶体颗粒为例可表示如下图 ； mAl（OH）3nAl3=(3n-P)Cl-p= pCl胶核 吸附层 扩散层 胶粒 胶团 胶体颗粒在水中运动时，扩散层中的大量反离子脱离胶核形成一个脱开的界面叫滑动面，滑动面与溶液本体间的电位差叫

3、电动电位或分电位， 分电位越大胶体间的排斥力越大越稳定， 分电位越小 ，颗粒间的斥力越小越不稳定 。 (2).胶体颗粒的脱稳方法； 脱稳凝聚过程:在水中加入一种称为混凝剂的药剂，降低胶体颗粒的分电位，破坏它的稳定性，使相互碰撞的胶体颗粒粘结成大的絮凝物，最后从水中沉降分离。水处理工艺中常用的脱稳方法有以下几种； a.投加带高价反离子的电解质。由于水中加入电解质以后水中反离子浓度增加，使胶体颗粒的扩散层受到压缩 ，厚度减小，分电位降低，颗粒间的斥力减弱，胶体颗粒脱稳。电解质的反粒子价数对凝聚效果有明显影响，反离子价数越高，凝聚效果越好。 b.投加带相反电荷的胶体。当原水中加入带相反电荷的胶体以后

4、，原水中的胶体颗粒的分电位会降低而发生脱稳作用，这种胶体加入过量则使胶体颗发生再稳。 c.投加少量的高分子聚合物。高分子聚合物是水溶性线性聚合物。其分子呈链状，由大量链节组成，每一个链节是一个化学本体。如果高分子聚合物加入量适当，这时一个高分子链状物一端吸附5在一个胶体颗粒表面上的一个或几个吸附位上，未被吸附的一端伸展到溶液中。若伸展的链节其它颗粒所吸附，则一个高分子聚合物同时比吸附在两个或两个以上的胶体颗粒表面上，使水中的胶体颗粒连接成一个大的絮凝物而脱稳，这称为吸附架桥作用，此时水质浊度减小。 若继续投加的高分子聚合物过多，胶体颗粒吸附了过量的聚合物，使每一个胶体颗粒的表面吸位位完全被高分

5、子所战据而失去了再吸附其它胶体颗粒难得可能性，使其无法架桥，稳定性不但不能破坏反而得到加强， 此现象叫胶体的保护作用此时水质浊度会先减小后上升， 直到与原水浊度相等。 若已经吸附在一个胶体颗粒上的高分子聚合物其伸展部分，在一定时间内没有碰到其它颗粒的吸附位，就有可能伸展的链节转折过来，吸附在所在胶体颗粒表面的其它吸附位上，不但使高分子聚合物失去颗粒间的架桥作用， 而且使胶体处于保护状态而不发生絮凝作用， 此时水质浊度无变化。 已经形成的絮凝物如果受到长期的剧烈搅拌， 架桥的高分子聚合物有可能从胶体颗粒表面断开，重新回到原来的胶体颗粒上，有成为分散状态。 铝盐、铁盐的水解产物及无机高分子化合物都

6、可以产生吸附架桥凝聚作用。 2 混凝处理原理 （1）混凝处理过程。从原水投加混凝剂开始到产生颗粒的絮凝物为止，整个过程叫混凝处理过程。其中包括两个节段，首先是脱稳，是指胶体颗粒的双电层被压缩而失去稳定性的过程，也是在瞬时内将混凝剂与水快速混合完成这一阶段，然后是絮凝，指脱稳后的胶体颗粒聚合成大颗粒絮凝物的过程，这一过程需要一定的聚合时间。 （2）影响混凝处理的因素 a. 水温 温度越低，混凝处理效果越差。试验表明，维持水温 10最合适。 b. PH 水的 PH 值对生成絮凝物的形态，胶粒表面电荷、絮凝速度，去除有机物等都有影响。一般将每种絮凝剂都有其最佳 PH 范围。 c. 原水水质 一般，原

7、水 TDS 越大，浊度越大，絮凝效果越好。 d. 加药量 加药量要维持最佳出水水质，不得过少或过多。 e. 接触介质 水中一定数量的泥渣可起吸附催化， 成为结晶核心等作用， 可提高混凝处理效果。 . （3）混凝剂及助凝剂。混凝剂指的是在水的混凝处理过程中，可以降低胶体颗粒的分电位，破坏它的稳定性，使相互碰撞的颗粒粘结成大的絮凝物，最后从水中沉降分离的一种药剂。助凝剂指的是在水的混凝处理中，为了提高混凝效果，除了加混凝剂外还加入的一种辅助剂。常用的混凝剂有铝盐，铁盐和高分子絮凝剂三种。 a铝盐。常用的有Al2（SO4）3.18H2O，明矾Al2（SO4）3。K2SO4。24H2O，铝酸钠及聚合铝

8、等。硫酸使用方便，混凝效果好 ，不会给处理后的水质 带来不良影响，应用较广，但水位低时，形成 的絮凝物水分较多，结构较松散，效果不如铁盐。明矾中Al2O3的含量较硫酸铝低；铝酸钠中Al2O3的含量大，但价格昂贵，很少用。 b聚合铝也叫氯化铝或聚合氯化铝，简称PAC，它不是 单一分子的化合物 ，而是同一类含有不同形态的化合物，可看作是AlCl3经水解逐步转化为AL（OH）3的中间产物，各个简单的中间产物再通过羟基桥联，聚合成高分子化合物，这种高分子化合物是具有适当正电荷适当聚合度的羟基多核络合离子，加入水中后同时起电性中和，压缩双电层及吸附架桥等作用，其混凝效果好。6聚合铝和硫酸铝相比，有以下优

9、点：加药量少，其用量相当于Al2（SO4）3。18H2O的 1/3；混凝效果好，形成的絮凝物速度快，絮凝物大，致密而易沉降，可减少澄清设备的体积；适用范围广，对低、 高浊度的水及有色水均有很好的混凝效果 ， 且水温低时， 混凝效果不明显下降； 腐蚀性小，产品本身无害，投加过量也不会使水恶化。 c铁盐。用作混凝剂的铁盐有硫酸亚铁FeSO4。7H2O、三氯化铁FeCl3。6H2O及硫酸铁Fe3（SO4）3等，其中硫酸亚铁应用较广。 d 助凝剂 助凝剂分为无机和有机两大类 无机类的助凝剂，有的调整混凝过程中的 pH 值，有的增加絮凝物的粒度，密度和牢固性。有机类的助凝剂分为阴阳型，两性型和非离子型几

10、种。加入水中后起两种作用。一是离子性作用，即利用离子性范围的电荷进行电性中和；二是利用高分子的链状结构进行吸附架桥。 助凝剂常用聚丙烯酰胺 PAM，它是非离子型絮凝剂，主要起凝聚架桥作用。低加药量时，能形成相当稳定的絮凝物；易受水的 pH 值和离子强度的影响；聚丙烯酰胺 PAM 具有一定的毒性，饮用水中 PAM 必须小于 0.25ug/l. （4）混凝处理原理 以铝盐为例说明机理。铝盐加入水中后，立即解离并以Al（H2O）63=形式存在与水中。水合铝离子发生水解，形成单核单羟基络合物，反应式为； Al（H2O）63=+H2O=Al（OH） （H2O5）2= =+H3O= 单核单羟基络合离子进一

11、步水解： Al（OH） （H2O5）+H2O =Al（OH）2（H2O）4=+H3O= Al(OH)2(H2O)4=+H2O= Al(OH)3(H2O)3+H3O= 水解反应的结果，使水合络离子的电荷数降低，这有利于产生以羟基为中间体，把各个单核络合物中的金属离子结合起来，生成双核双羟基络合物。反应称为高分子缩聚反应，反应继续进行，还可生成三核、四核等多核络合物，分别写作 Al2（OH）2（H2O）84= 、Al3（OH）4（H2O）84= 等形式。这种以羟基架桥连接的过程称为羟基桥联，这些络合物不但可以中和胶体表面所带负电荷，而且还可以在其聚合度较高时，使胶体颗粒架桥连接起来。 水解反应和羟

12、基络合桥联反应交替进行，使生成的核数目不断增加，电荷不断降低，最后生成难溶的氢氧化铝沉淀。 Aln（OH）3nAl（OH）3此时沉淀物对胶体离子进行网铺作用而发生凝聚。 二.水的过滤处理： 1过滤原理。水的过滤是用过滤材料将分散的悬浮颗粒从悬浮液中分离出来的过程，它可进一步除去澄清处理后残留的细小悬浮物。 过滤原理：机械筛分作用和接触凝聚吸附作用。 含悬浮颗粒的水流经粒状过滤物时，悬浮颗粒从水中分离出来，在碾着力作用下于滤料颗粒表面固定下来，即悬浮颗粒被滤料所截留，同时在水力作用下，一部分原先粘这的悬浮颗粒以细小的矾花形态从滤料颗粒表面剥离下来，被水流带入下一层滤料，并被截流，只要颗粒粘着强度

13、大于颗粒剥落强度，每一个单元滤层内的过滤澄清就一直进行下去，经过一段较长的过滤时间后，这些7滤层被沉淀物所饱和，滤层不足以保证所要求的澄清程度时，过滤器出口处悬浮物浓度开始上升，过滤器运行至终点. 2过滤过程的基本参数： （1）压力降 当水流经滤料层是，即使滤层得空隙和表面没有被沉淀物堵塞，但由于滤层介质对水流的阻力也会形成一定的水头损失。随着过滤过程的进行，在滤层中沉积物逐渐累积，导致滤层的水头损失增加，损失达一定程度过滤器即停止运行，进行反洗。 影响因素： a.水头损失H 与过滤速度成正比，提高滤速度必然导致水头损失增大。 b.水头损失H 与滤料颗粒的直径成反比，滤料直径越大，水头损失增长

14、的绝对值越小。 c. 滤层中沉淀物的增多将导致水头损失较快增大。 （2）过滤效率 过滤器运行中，判断过滤器过滤结束的指标有两个，一是过滤器出水水质，当过滤器出水水质超过所规定的要求，即已达过滤器滤料保护作用时间tB时，过滤过程结束；二是水头损失，当过滤水头损失达极限水头损失（过滤周期与到达极限水头损失所需的时间tjy相当）时，过滤器停止运行。 实际运行过程中，tB和tBIY之间有三种比例关系： a. tBtBiy表明滤料的截污能力没有完全被利用，但过滤器已达到极限水头损失，过滤由于水力条件而被迫停止。 b. tBtBiy表明压头未完全被利用，过滤由于出水水质超过规定值而被迫停止。 c. tB=

15、tBiy滤料的截污能力耗尽时，滤料的水力潜力也同时耗尽，为最佳工况，如图示 过滤过程中，tB往往比tBiy大的多，此时可增大滤料粒径，同时增大过滤速度，降低t，若tBBtiy则减小滤料 粒径，缩短tiy使之达tB=tBiy。 3. 影响过滤效率的因素： （1） 滤料粒径和滤层厚度： a.粒径越大，悬浮颗粒的穿透深度越大。穿透深度指在过滤过程中达到某一规定的出水水质所需的滤层高度，小于该滤层高度时出水水质达不到规定的要求。 b.适当增加粒径，有利于增大滤层的截污能力，延长过滤周期，滤层的截污能力（泥渣容量）指的是单位体积滤料能除去的悬浮物量。 （2） 滤速。过滤工艺中，滤速指的是水流流过过滤截面的速度。 滤速太快，会加速已吸附的悬浮物的剥落，导致水质恶化；滤速太快，水头损失的增长速度加快，过滤周期缩短；滤速越大，穿透深度越大，为满足出水水质要求，需增大滤层厚度；滤速相同时，入口水悬浮物浓度增大，穿透深度也增大。 (3)水温。水温降低，水的粘度增大，达到给定出水水质所需的滤层厚度增大。 (4)过滤器的反洗。反洗效果好，可除去滤层中的悬浮颗粒，恢复滤料的截污能力；反洗效果不好，会使滤层中逐渐累积起污染物。污染物累积到一定程度，将使滤料颗粒粘结在一起，形成块状，大大恶化过滤过程，甚至使过滤器完全失去工作能力。 4.过滤器的反洗： (1)反洗机理。反洗时水流由下而上的通过滤层，使滤料