水質(zhì)工程學(xué)課件解析

第一章水質(zhì)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1.1天然水體中的雜質(zhì)按雜質(zhì)顆粒的粒度分為：懸浮物——零點(diǎn)幾個微米至毫米，渾濁，顯微鏡或肉眼可見膠體——幾納米至零點(diǎn)幾個微米，渾濁，超顯微可見溶液——通常在納米級以下，透明，電鏡可見注：膠體化學(xué)定義膠體范圍1nm～100nm，工程運(yùn)用上邊界0.45μm或1μm（1）懸浮物：泥土、粘土（<50μm）、砂（>50μm）、金屬氧化物、原生動物及其包囊、藻類（<80μm）、細(xì)菌（～4μm），紙漿纖維、石油微粒等。（2）膠體：粘土類物質(zhì)、金屬氫氧化物、蛋白質(zhì)（10～30nm）、硅酸（10～100nm）、纖維素、高分子有機(jī)物（如腐殖質(zhì)內(nèi)的富里酸和腐殖酸）、病毒（8～100nm）等等。（3）溶液（溶解雜質(zhì)）①溶解氣體：O2、CO2、N2等（未污染水O2=5～10mg/L,<14mg/L,CO2來源于有機(jī)物質(zhì)的分解及地層化學(xué)反應(yīng)，CO2的多少影響到碳酸平衡、堿度等，地面水一般為20～30，地下水可高達(dá)100mg/L）;②陽離子：Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Fe2+、Mn2+等；③陰離子：HCO3-、Cl-、SO42-、NO3-、SiO32-、F-等；④溶解性有機(jī)大分子（電解質(zhì)與非電解質(zhì)均有）按污染物的類別分：（1）可生物降解的有機(jī)污染物——耗氧有機(jī)物碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等自然生成的有機(jī)物，能夠被微生物降解成為無機(jī)物，微生物同時要消耗掉大量氧，危害水體質(zhì)量。（2）難生物降解的有機(jī)污染物主要包括農(nóng)藥（殺蟲劑、除草劑）、脂類化合物、芳香族氨基化合物等人工合成的有機(jī)物，以及纖維素、木質(zhì)素、腐殖質(zhì)等植物殘?bào)w。其中一些是持久性有機(jī)污染物（POPs）。如多環(huán)芳烴，有機(jī)氯農(nóng)藥，鄰苯二甲酸脂等。POPs對于自然條件下的生物代謝、光降解、化學(xué)分解等具有很強(qiáng)的抵抗能力。POPs在水體中的半衰期大多在幾十天至20年，個別長達(dá)100年；已有的研究表明，POPs除具有急性和慢性毒性外，還具有顯著的致癌、致畸、致突變等遠(yuǎn)以及神經(jīng)毒性和內(nèi)分泌干擾特性等。其中，尤以其毒性效應(yīng)，激素的內(nèi)分泌干擾作用更受關(guān)注。（3）無直接毒害的無機(jī)物泥沙、酸堿物質(zhì)、氮磷等水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的感官性狀以一般化學(xué)指標(biāo)中的無機(jī)物。這些物質(zhì)一般無直接毒害。（4）有直接毒害作用的無機(jī)物主要包括氰化物、砷化物及重金屬等。六大毒性物質(zhì)：汞、鎘、鉛、鉻、砷五毒加上氰化物。此外，天然水體中的雜質(zhì)從化學(xué)結(jié)構(gòu)又可分為無機(jī)的、有機(jī)的和生物的；按雜質(zhì)的來源又可分為天然的和人工合成的或天然的和污染性的。典型水源的水質(zhì)特點(diǎn)（1）江河水①濁度、含沙量變化大（地形、植被）；②含鹽量及硬度較低（西北地區(qū)較高，東北較低，全國均滿足水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)）；③受到一定程度污染，水質(zhì)水溫不穩(wěn)定。（2）湖泊、水庫水①一般濁度較低；②國內(nèi)許多湖泊、水庫出現(xiàn)富營養(yǎng)化，存在藻類、腐殖質(zhì)及色、嗅、味問題；③含鹽量較江河水高。（3）地下水①清澈、水質(zhì)水溫穩(wěn)定；②含鹽量較高，一般達(dá)到200～500mg/L（西南、華南、東南雨水補(bǔ)給豐富）；③硬度較高，一般達(dá)到60～300mg/L（西北地區(qū)苦咸水、華北地區(qū)海水影響）；④部分水源含有較高的鐵錳或氟。（4）海水含鹽量高，一般為36000mg/L，入?？谔幒}量較低（NaCl約占83.7%）。1.3水體富營養(yǎng)化指在人類活動的影響下,生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、河口、海灣等緩流水體,引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖,水體溶解氧量下降,水質(zhì)惡化,魚類及其他生物大量死亡的現(xiàn)象。主要危害：（1）臭味；（2）降低透明度；（3）消耗溶解氧導(dǎo)致水生生態(tài)的穩(wěn)定性和多樣性降低；（4）藻毒素問題；（5）影響供水水質(zhì)（色嗅味）、增加制水成本1.4水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1.4.1生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（1）標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展①國標(biāo)：《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》1956年15項(xiàng)，1976年23項(xiàng)，1985（GB5749-85）35項(xiàng)（現(xiàn)行國標(biāo)），新國標(biāo)（GB5749-2006）106項(xiàng)，其中常規(guī)42項(xiàng)，非常規(guī)64項(xiàng)。②現(xiàn)行部標(biāo)：《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ/T206-2005）建設(shè)部2005年頒布，指標(biāo)101項(xiàng)，其中常規(guī)42項(xiàng)，非常規(guī)59項(xiàng)。發(fā)展趨勢：有機(jī)物的控制。與GB5749-85相比，GB5749-2005毒理學(xué)指標(biāo)中有機(jī)化合物由原5項(xiàng)增至53項(xiàng)。（2）標(biāo)準(zhǔn)條目解析①感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)感官性狀指標(biāo)指某些物質(zhì)對人的視覺、味覺和嗅覺的刺激，一般化學(xué)指標(biāo)物質(zhì)對人體健康不直接產(chǎn)生毒害，但通常對生活的使用產(chǎn)生不良影響，其中也包括感官性狀的影響。色度：地面水主要來源于腐殖質(zhì)、藻類，地下水主要來源于鐵、錳。濁度：新國標(biāo)中特殊情況不超過3NTU，濁度具有衛(wèi)生學(xué)意義。pH值：低于可能產(chǎn)生腐蝕性，高于易沉淀?？傆捕龋哼^高易引起腹瀉。鋁：產(chǎn)生澀味。過高的鋁對人體有較大的危害，早老性癡呆，骨骼疾病。鐵、錳、銅、鋅：顏色（絲紡廠產(chǎn)品受到影響實(shí)例），金屬、澀味味。酚：9-15mg/L明顯毒性，但0.01mg/L產(chǎn)生惡臭，標(biāo)準(zhǔn)制定偏于安全。耗氧量：間接反映水中有機(jī)物含量，高錳酸鹽指數(shù)，CODMn②毒理學(xué)指標(biāo)有些化學(xué)物質(zhì)，在飲用水中達(dá)到一定濃度時，會對人體健康造成危害，這些屬于有毒化學(xué)物質(zhì)。氟：過多引起牙斑釉和氟骨病，過少引起齲齒。氰化物：一次攝入20-30mg,2-3分鐘致死，低劑量攝入引起慢性中毒。砷：一次攝入100mg致死，低劑量攝入引起慢性中毒。鎘：骨痛病鉻：致癌作用等等。③微生物學(xué)指標(biāo)總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌及菌落總數(shù)細(xì)菌總數(shù)1.4.2其他用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（1）食品及飲料類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ94-2005），建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)適用于小區(qū)直飲水、桶裝水等，指以城市自來水或以滿足生活飲用水水源是質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水為原水，經(jīng)深度凈化后供給用戶直接飲用的管道供水和罐裝水。此標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目數(shù)少于新國標(biāo)，涉及金屬離子項(xiàng)目的限制更低一些。（2）城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)《城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T18920-2002）雜用指綠化、道路澆灑、景觀、沖廁、洗車、建筑施工等用水?？捎糜诔鞘形鬯偕赜玫?。（3）游泳池用《游泳池和水上游樂池給水排水設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS14：2002)（4）工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)①種類繁多②標(biāo)準(zhǔn)差異極大第二章水的處理方法概述2.1主要單元處理方法水的物理化學(xué)處理方法（1）混凝（2）沉淀與澄清（3）浮選（4）過濾（5）膜分離（6）吸附——在相界面上，物質(zhì)濃度自動發(fā)生累積的現(xiàn)象。在水和廢水處理中主要是利用固體物質(zhì)表面對水中雜質(zhì)的吸附作用。（7）離子交換——固體顆粒上的具有可交換能力的酸性或堿性基團(tuán)上的離子和水中具有相同電性的離子發(fā)生交換的過程。（8）中和（9）氧化與還原生物化學(xué)處理（1）好氧生物處理（2）厭氧生物處理2.2.1理想反應(yīng)器模型（1）完全混合間歇式反應(yīng)器（CMB）Completelymixingbatchreactor采用一次加料，攪拌反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后再同時放出，所有物料反應(yīng)時間相同，且濃度均勻，但隨時間而變化，因而是在非穩(wěn)態(tài)條件下操作的。（2）完全混合連續(xù)式反應(yīng)器（CSTR）Continuouslystirredtankreactor物料邊進(jìn)邊出，連續(xù)流動，因充分?jǐn)嚢?，各處濃度均勻，出口濃度與反應(yīng)器內(nèi)濃度一致。穩(wěn)態(tài)條件下，整個系統(tǒng)不隨時間變化。（3）推流式反應(yīng)器（PF）Plugflowreactor物料按前后順序沿流動方向推流，層流，且無縱向擴(kuò)散，反應(yīng)時間是反應(yīng)器長度的函數(shù)，因而反應(yīng)物濃度沿路程而變化。在反應(yīng)器相同斷面上所有物料的停留時間相同。物料平衡與質(zhì)量傳遞（1）物料平衡方程在反應(yīng)器內(nèi)任一部位：濃度變化速率=輸入速率-輸出速率+反應(yīng)速率（質(zhì)量/體積·時間）①反應(yīng)速率由化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)決定，對于反應(yīng)物來說，反應(yīng)速率為負(fù)，對于生成物來說，反應(yīng)速率為正。②如果在反應(yīng)區(qū)內(nèi)，組分i的濃度不隨時間變化，則：輸出速率-輸入速率=反應(yīng)速率此時并非化學(xué)平衡狀態(tài)，僅僅是凈輸入量等于反應(yīng)速率，此狀態(tài)稱為穩(wěn)定狀態(tài)，許多反應(yīng)器中的反應(yīng)近似為穩(wěn)定狀態(tài)。③物質(zhì)的輸入與輸出，由質(zhì)量傳遞引起，包括主體流動、分子擴(kuò)散和紊流擴(kuò)散引起的質(zhì)量傳遞。（2）質(zhì)量傳遞①主流傳遞與流速一致，與濃度無關(guān)。②分子擴(kuò)散（Fick第一定律）式中:J——物質(zhì)擴(kuò)散通量；DB——分子擴(kuò)散系數(shù)，（面積/時間）；Ci——組分i的濃度（質(zhì)量/體積）；x——濃度梯度方向的坐標(biāo)。③紊流擴(kuò)散傳遞紊流下存在各向的脈動，可表達(dá)為類似于分子擴(kuò)散的表達(dá)式：式中： Dc-紊流擴(kuò)散系數(shù)。理想反應(yīng)器的計(jì)算（1）完全混合間歇式反應(yīng)器（CMB）反應(yīng)過程中，無輸入與輸出量，于是：對于一級反應(yīng)，r(Ci)=-kCi（這里研究反應(yīng)物）,于是：對于二級反應(yīng)，r(Ci)=-kCi2,于是：例：某水樣采用CMB反應(yīng)器進(jìn)行消毒實(shí)驗(yàn)假定投氯量一定，經(jīng)試驗(yàn)知，細(xì)菌被滅活率為一級反應(yīng)，且k=0.92min-1，，求細(xì)菌被滅活99%時，所需時間為多少？解：設(shè)原有細(xì)菌密度為C0，t時后尚存活的細(xì)菌密度為Ci，被殺死的細(xì)菌密度則為C0-Ci，在t時刻，(C0-Ci)/C0，Ci=0.01C0，（2）完全混合連續(xù)式反應(yīng)器（CSTR）根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)物料完全均勻混合且與輸出產(chǎn)物相同的特性，在等溫操作下，物料平衡方程如下：在穩(wěn)定狀態(tài)下：QCi-QC0=V·r(Ci)設(shè)為一級反應(yīng)，將r(Ci)=-kCi和V=Qt帶入，則：例：某水樣采用CSTR反應(yīng)器進(jìn)行消毒實(shí)驗(yàn)假定投氯量一定，經(jīng)試驗(yàn)知，細(xì)菌被滅活率為一級反應(yīng)，且k=0.92min-1，，求細(xì)菌被滅活99%時，所需時間為多少？解：將Ci=0.01C0，帶入上式：采用CSTR多極串聯(lián)，可提高效率，分析如下：C1/C0=1/(1+kt),C2/C1=1/(1+kt),C3/C2=1/(1+kt),Cn/Cn-1=1/(1+kt)于是:式中,t為單級反應(yīng)器的反應(yīng)時間,總反應(yīng)時間T=nt例:如果上例中采用兩個CSTR串聯(lián),所需消毒時間為多少?解:Cn/C0=0.01,n=2,帶入式中0.01=1/(1+0.92t)2可解出t=9.9(min),T=2t=19.8(min)（3）推流式反應(yīng)器（PF）在推流式反應(yīng)器示意圖上取出—微元體，研究在此微元體內(nèi)的質(zhì)量平衡方程，這里ω是過水?dāng)嗝婷娣e，dx是微元體的寬度在穩(wěn)定狀態(tài)下，于是，按邊界條件x=0，Ci=C0，x=X，Ci=Ce將上式與CMB反應(yīng)器的結(jié)果比較不難發(fā)現(xiàn)，PF反應(yīng)器的結(jié)果與CMB完全相同。第三章混凝凝聚(coagulation)：通過投加混凝劑使膠體失去穩(wěn)定性的過程稱為凝聚。絮凝(flocculation)：脫穩(wěn)膠體相互聚集形成絮體的過程稱為絮凝?；炷╟oagulation,orcoagulation-flocculation）：是凝聚、絮凝兩過程的總稱。是水中膠體粒子及微小懸浮物的脫穩(wěn)和聚集形成絮體的過程。3.1混凝理論膠體的穩(wěn)定性（1）膠體的概念一種物質(zhì)（分散相）被分散到另一種物質(zhì)中（分散介質(zhì)）所組成的體系稱為分散系，按分散相粒子大小，將分散系分為分子分散系（又叫真溶液）（d<1nm），膠體分散系（1<d<100—1000nm）和粗分散系（又叫懸浮物）（d>100—1000nm）。若分散相和分散介質(zhì)組成的是無界面的均相熱力學(xué)穩(wěn)定體系叫親水膠體（Hydrophiliccolloid）或叫高分子溶液，如蛋白質(zhì)、淀粉溶液，若為有界面的非均相熱力學(xué)不穩(wěn)定體系叫疏水膠體（hydropholiccolloid）或叫溶膠，如Fe(OH)3溶膠、粘土膠體等。即使是熱力學(xué)不穩(wěn)定的疏水膠體，從應(yīng)用的角度，它仍然是相當(dāng)穩(wěn)定的，在水處理構(gòu)筑物中難以自然沉降下來。以下所討論的均是針對疏水膠體的。（2）膠體的特性①光學(xué)特性②力學(xué)特性③表面性能④動電現(xiàn)象（3）膠體穩(wěn)定的原因①動力學(xué)穩(wěn)定沉速緩慢和布朗運(yùn)動是主要原因，沉速及布朗運(yùn)動均與粒度有關(guān)膠體顆粒的沉速和布朗運(yùn)動速度與粒度的關(guān)系：粒徑(nm)110102103104105沉速(mm/s)10-710-510-310-110布朗運(yùn)動速度(mm/s)89002960892.96②聚集穩(wěn)定1）靜電斥力膠體顆粒的表面電荷妨礙顆粒的相互聚集氫氧化鐵膠體表面電荷與pH值的關(guān)系2）水化膜使膠體微粒不能相互聚結(jié)的另一個因素是水化作用。由于膠粒帶電，將極性水分于吸引到它的周圍形成一層水化膜。水化膜同樣能阻止膠粒間相互接觸。對于憎水膠體，如果膠粒的電位消除或減弱，水化膜也就隨之消失或減弱。對于親水膠體（有機(jī)膠體，高分子溶液），膠體粒子表面極性基團(tuán)對水分子的強(qiáng)烈吸附，使得膠體粒子包裹上一層較厚的水化膜阻礙膠體的相互接近。膠體的結(jié)構(gòu)圖ξ電位μ——介質(zhì)粘度；u——電泳速度；E——電位梯度；ε——介質(zhì)的介電常數(shù)；K——與膠粒形狀有關(guān)常數(shù)（對于球形膠粒K=6，棒形膠粒K=4）上式全部采用cm-g-s制。（2）吸引勢能與排斥勢能（DLVO理論）DLVO理論——前蘇聯(lián)的Derjaguin和Landau,荷蘭的Verwey和Overbeek分別從膠粒之間相互作用能的角度闡明膠粒相互作用的理論。該理論認(rèn)為，兩膠粒接近到雙電層重疊，產(chǎn)生靜電斥力，排斥勢能ER隨膠粒間距的增大指數(shù)減小，范德華引力引起的吸引勢能與膠粒間距的平方成反比，總勢能為二者之和。從兩顆粒相互作用勢能可知:顆粒彼此接近時,斥力勢能與引力勢能同時增大,但在不同距離區(qū)間增長速率不同,產(chǎn)生一個最大值和兩個最小值。最大值即排斥能峰,是顆粒聚集必需克服的活化能。還應(yīng)該指出，雖然在H很小時吸引大于排斥，但在微粒間相距很近時，由于電子云的相互作用而產(chǎn)生Born排斥能，總勢能又急劇上升為正值。投加電解質(zhì)，壓縮擴(kuò)散層的厚度，可降低膠體的ξ電位。最多可以把擴(kuò)散層壓入滑動面，此時ξ電位為0，排斥能峰完全消失（實(shí)際上，并不需要將ξ電位降低到0）。哈代——叔采法則：[M+]:[M2+]:[M3+]=1:10-2:10-3=1:(1/2)6:(1/3)6DLVO理論的意義：①解釋了膠體穩(wěn)定的原因；②通過投加電解質(zhì)，壓縮雙電層，降低ξ電位可實(shí)現(xiàn)膠體的脫穩(wěn)、凝聚。DLVO理論的不足：①許多現(xiàn)象無法解釋；②實(shí)用中1價和2價金屬鹽的投加量很大；③使用3價金屬鹽時存在鹽類的水解現(xiàn)象，形成最終產(chǎn)物M(OH)3。3.1.3鋁鹽的水解（1）硫酸鋁的水解①水解產(chǎn)物金屬離子在水溶液中通常以水合絡(luò)離子的形式存在，如在酸性稀水溶液中（pH<3），鋁與6個水分子配位結(jié)合而生成水合鋁絡(luò)離子Al(H2O)63+，當(dāng)水溶液的pH>4時，水合鋁絡(luò)離子將隨之發(fā)生一系列的逐級水解反應(yīng)，脫水的同時釋放氫離子,形成以下五種單體：[Al(H2O)6]3+、[Al(OH)(H2O)5]2+、[Al(OH)2(H2O)4]+、[Al(OH)3(H2O)3]0和[Al(OH)4(H2O)2]-，簡單記為Al3+、[Al(OH)]2+、[Al(OH)2]+、[Al(OH)3]0和[Al(OH)4]-。同時還發(fā)生一系列的聚合反應(yīng)，形成的聚合物主要有：[Al2(OH)2(H2O)8]2+、[Al3(OH)4(H2O)10]5+和[Al13O4(OH)24(H2O)12]7+等，其中二聚鋁和十三聚鋁被核磁共振試驗(yàn)直接觀察到。此外還有一種非定性的沉淀體Al(OH)3(s)（5<pH<8的條件下，帶有正電荷的氫氧化鋁膠體）。（2）聚合氯化鋁（PAC）的水解在常用的PAC投加量（AlT=10—10Mol/L）下，，[Al13O4(OH)24(H2O)12]7+為主；（介紹枝狀結(jié)構(gòu)的絮凝體），Al(OH)3(s)為主?；炷龣C(jī)理（1）壓縮雙電層機(jī)理如前DLVO理論部分所述。雙電層理論通常僅僅在使用1價或2價鹽（協(xié)電解質(zhì)）時發(fā)生，河流入海口處發(fā)生的混凝現(xiàn)象即是這種情況。（2）吸附電中和機(jī)理膠粒表面對異號離子、異號膠粒、鏈狀離子或分子帶異號電荷的部位有強(qiáng)烈的吸附作用，由于這種吸附作用中和了膠粒所帶電荷，減少靜電斥力，降低下ξ電位，使膠體的脫穩(wěn)和凝聚易于發(fā)生。此時靜電引力常是這些作用的主要方面。上面提到的三價鋁鹽或鐵鹽混凝劑投量過多，凝聚效果反而下降的現(xiàn)象，可以用本機(jī)理解釋。因?yàn)槟z粒吸附了過多的反離子，使原來的電荷變號，排斥力變大，從而發(fā)生了再穩(wěn)現(xiàn)象。(3)沉淀物網(wǎng)捕機(jī)理當(dāng)采用硫酸鋁、石灰或氯化鐵等高價金屬鹽類作凝聚劑時，當(dāng)投加量大得足以迅速沉淀金屬氫氧化物〔如Al(OH)3(s)，F(xiàn)e(OH)3(s)或帶金屬碳酸鹽(如CaCO3)時,水中的膠粒和細(xì)微懸浮物可被這些沉淀物在形成時作為晶核或吸附質(zhì)所網(wǎng)捕。（4）吸附架橋機(jī)理吸附架橋作用是指鏈狀高分子聚合物在靜電引力、范德華力和氫鍵力等作用下，通過活性部位與膠粒和細(xì)微懸浮物等發(fā)生吸附橋連的現(xiàn)象。1）膠體再穩(wěn)現(xiàn)象：①高分子聚合物濃度較高時，對膠粒的包裹，產(chǎn)生“膠體保護(hù)”作用。②膠粒較少時，高分子聚合物的纏繞作用；③長時間的劇烈攪拌。2）不同類型高分子絮凝劑的吸附架橋作用比較①并非一定需要陽離子高分子絮凝劑，陽離子型反而容易形成多點(diǎn)吸附現(xiàn)象。②非離子型和陰離子型效果可能更好，分子量更大，伸展性更好（尤其是陰離子型）。③鈣、鎂離子的存在有利于陰離子高分子絮凝劑的吸附架橋作用。在混凝過程中，上述現(xiàn)象常不是單獨(dú)存在的，往往同時存在，只是在一定情況下以某種現(xiàn)象為主。實(shí)例：硫酸鋁的混凝機(jī)理不同pH條件下，鋁鹽可能產(chǎn)生的混凝機(jī)理不同。何種作用機(jī)理為主，決定于鋁鹽的投加量、pH、溫度等。實(shí)際上，幾種可能同時存在。pH<3簡單的水合鋁離子起壓縮雙電層作用；pH=4~5多核羥基絡(luò)合物起吸附電性中和；pH=6.5-7.5氫氧化鋁起吸附電性中和。3.2混凝劑與助凝劑常用的混凝劑鋁系硫酸鋁明礬聚合氯化鋁（PAC）聚合硫酸鋁（PAS）適宜pH：5.5-8鐵系三氯化鐵硫酸亞鐵聚合氯化鐵硫酸鐵（國內(nèi)生產(chǎn)少）聚合硫酸鐵適宜pH：5-11，但腐蝕性強(qiáng)人工合成陽離子型：含氨基、亞氨基聚合物國內(nèi)尚少陰離子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）非離子型：聚丙烯酰胺（PAM）兩性型使用極少天然淀粉、動物膠、樹膠、甲殼素等微生物絮凝劑無機(jī)混凝劑①鋁鹽硫酸鋁（Al2(SO4)3?18H2O）明礬（K2SO4?Al2(SO4)3?24H2O）由于鋁的比重小，在水溫低的情況下，絮粒較輕而疏松，處理效果較差。pH有效范圍較窄，在之間，投加量大。②鐵鹽三氯化鐵（FeCl3?6H2O）生成的絮粒在水中的沉淀速度較快；處理濁度高、水溫較低的廢水，效果比較顯著；FeCl3容易吸水潮解，故不易保管；腐蝕性強(qiáng)，對混凝土也產(chǎn)生腐蝕作用；生成Fe(OH)2它的溶解度很大，殘留水中的Fe2+會使處理后的水帶色。硫酸亞鐵（FeSO4?7H2O），硫酸亞鐵一般與氧化劑如氯氣同時使用，以便將二價鐵氧化成三價鐵③無機(jī)高分子混凝劑聚合氯化鋁(堿式氯化鋁，簡稱PAC)化學(xué)通式為[Al2(OH)nCl6-n]m,式中n≤5，m≤10。制備：以鋁灰或含鋁礦物作原料，采用酸溶法或堿溶法加工制成的。[參考書：《堿式氯化鋁》李潤生]A對水質(zhì)適應(yīng)性較強(qiáng)，適用pH范圍廣，5-9之間；B絮凝體形成快，比重大，沉降性好；C投藥量低。D堿化度較高，對設(shè)備的腐蝕性小，處理后的水pH和堿度下降較小。堿化度：聚合硫酸鐵(堿式硫酸鐵)(簡寫PFS)化學(xué)通式為[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m式中n<2,m>10。A適用范圍廣：pH4-11；低水溫，混凝效果穩(wěn)定；B用量小，絮凝體沉降性能好；CCOD去除率和脫色效果好；D處理后水中鐵殘留量低，腐蝕性較小。有機(jī)絮凝劑：(1)天然高分子絮凝劑主要有動物膠、淀粉、甲殼素等。特點(diǎn)：電荷密度小，分子量較低，且易發(fā)生降解而失去活性。(2)人工合成高分子絮凝劑①陰離子型：主要含-COOM(M為H+或金屬離子)或-SO3H的聚合物，如陰離子聚丙烯酸鈉(HPAM)和聚苯乙烯磺酸鈉（PSS）等。②陽離子型：主要是含有-NH3+、-NH2+和-N+R4的聚合物，如陽離子聚丙烯酰胺（APAM）等。③非離子型：所含基團(tuán)未發(fā)生反應(yīng)的聚合物。如非離子型聚丙烯酰胺（PAM）和聚氧化乙烯(PEO)等。（3）高分子混凝劑的作用：靠氫鍵、靜電、范德華力的作用對膠粒強(qiáng)烈的吸附作用。高聚合度的線型高分子在溶液中保持適當(dāng)?shù)纳煺剐螤?，從而發(fā)揮吸附架橋作用，把許多細(xì)小顆粒吸附后，纏結(jié)在一起。（4）與其他混凝劑共同使用時的投加順序：當(dāng)原水低濁度時，宜先投其他混凝劑；當(dāng)原水濁度高時，應(yīng)先投加PAM。助凝劑定義當(dāng)單用混凝劑不能取得良好效果時，可投加某些輔助藥劑以提高混凝效果，這種輔助藥劑稱為助凝劑。作用調(diào)節(jié)或改善混凝的條件，如改善絮粒結(jié)構(gòu)，增大顆粒粒度及比重，調(diào)整廢水的pH和堿度，使其達(dá)到最佳的混凝條件。助凝劑分類A、pH調(diào)整劑：調(diào)節(jié)廢水的pH符合混凝處理工藝要求。常用石灰、硫酸、氫氧化鈉等。B、絮凝結(jié)構(gòu)改良劑：投加絮體結(jié)構(gòu)改良劑以增大絮體的粒徑、密度。常用骨膠、活化硅酸、海藻酸鈉、粘土、水玻璃、PAM等。C、氧化劑：有機(jī)物含量高，易起泡沫，絮凝體不易沉降。投加氯氣、次氯酸、臭氧等分解有機(jī)物，使膠體脫穩(wěn)，還可將Fe2+轉(zhuǎn)化成Fe3+,以提高混凝效果。3.3混凝動力學(xué)異向絮凝：由布朗運(yùn)動造成的顆粒碰撞稱為異向絮凝，又叫異向凝聚。同向絮凝：由流體運(yùn)動造成的顆粒碰撞稱為同向絮凝，又叫同向凝聚。異向絮凝單位體積水體中顆粒由布朗運(yùn)動引起的碰撞速率NP（1/cm3/s）可按下式計(jì)算：式中：DB：布朗運(yùn)動擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）n為顆粒濃度（個/cm3），d為顆粒粒度（cm），T為絕對溫度，υ為水的運(yùn)動粘度（cm2/s），ρ為水的密度（g/cm3），K為波爾茲曼常數(shù)×10-162/s2.k；因此：在水溫為20oC（293K），顆粒濃度減半的時間可由下式計(jì)算：t1/2=2×1011/n故Np只與顆粒數(shù)量和水溫有關(guān)，而與顆粒粒徑無關(guān)。（1）異向絮凝速度快，又稱為快速絮凝；（2）隨著顆粒濃度的迅速降低，異性絮凝很快完成。（3）當(dāng)顆粒的粒徑大于1m，布朗運(yùn)動消失。同向絮凝（1）層流理論（Camp-Stein公式）①顆粒碰撞速率當(dāng)同一方向上運(yùn)動的兩個顆粒間存在速度差，兩個顆粒在垂直運(yùn)動方向上的球心距離小于它們的半徑之和時，速度快的顆粒將趕上速度慢的顆粒，從而相碰接觸產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象。由于必須在同一方向上接觸相碰，因此稱為同向絮凝。發(fā)生同向絮凝的條件也就是顆粒的運(yùn)動必須存在速度梯度，速度梯度是由于水的剪切流形成的，因此同向絮凝也稱為剪切絮凝。單位體積水體中顆粒由水流運(yùn)動引起的碰撞速率N0按下式（Stein公式）計(jì)算：式中，G為速度梯度，，即是單位間距液層的速度差，s-1。②同向絮凝與異向絮凝的比較：將N0除以Np得到下式：將ν=10-2cm2/s，ρ=1g/cm3，×10-162/s2.k，T=293oK帶入上式，可得到：對于1μm即10-4cm的顆粒，只要-1則可達(dá)到N0/Np=1，實(shí)際上，同向絮凝初期的G值遠(yuǎn)大于0.0276s-1，即使1μm顆粒，N0》Np，隨著顆粒的增大，這一現(xiàn)象更加顯著。異向絮凝快速形成小顆粒，而同向絮凝緩慢形成大的顆粒（絮體）③速度梯度在被攪動的水流中，考慮一個瞬間受剪，而扭轉(zhuǎn)的隔離體，設(shè)在時間△t內(nèi)，隔離體扭轉(zhuǎn)了θ角度，于是角速度△ω為：式中，△u為扭轉(zhuǎn)線速度，轉(zhuǎn)矩△J為：△J=(τ△x△y)△z隔離體扭轉(zhuǎn)所耗功率等于轉(zhuǎn)矩與角速度的乘積，于是，單位體積水流所耗功率p為：根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，τ=μG，代入上式得：上式為Camp公式，式中，μ是水的動力粘度（20oC時為×10-3Pa·s），p是單位流體所耗功率（W/m3），G是速度梯度（s-1）。當(dāng)使用水力絮凝時，式中p應(yīng)為水流本身能量消耗：υ為水的運(yùn)動粘度（20oC時為×10-6m2/s）2）紊流理論（Levich微渦流理論）Levich微渦流理論理論認(rèn)為：外部施加的能量形成大渦旋；大渦旋將能量輸送給小渦旋；小渦旋將能量輸送給微渦旋；只有尺度與顆粒尺寸相近的微渦旋才會引起顆粒的有效碰撞。式中D為紊流擴(kuò)散系數(shù)，，λ為蝸旋尺度，uλ為相應(yīng)于蝸旋尺度的脈動速度，其可用下式表示：式中ε為單位時間、單位體積流體的有效能耗。設(shè)渦旋尺度與顆粒尺度相等，即λ=d，由以上幾式可得：將上式與Stein公式比較具有很多相似性，也被稱為是速度梯度，但因有效能耗難以確定，使上式的應(yīng)用受到了限制。3.3.3混凝控制指標(biāo)自藥劑與水均勻混合起直至大顆粒絮凝體形成為止，在工藝上總稱為混凝過程。相應(yīng)設(shè)備有混合設(shè)備和絮凝設(shè)備。混合設(shè)備中的過程與凝聚階段大致對應(yīng)，混合的目的在于使藥劑迅速分散，而布朗運(yùn)動引起異向絮凝，絮凝設(shè)備中的過程與絮凝階段大致對應(yīng)水力條件對混凝效果有重要影響。兩個主要的控制指標(biāo)是攪拌強(qiáng)度（速度梯度G）、攪拌時間T及GT值。在混合階段，要求混凝劑與廢水迅速均勻的混合，為此要求G在500～1000s-1，考慮到鋁鹽及鐵鹽水解在1～7秒就形成氫氧化物沉淀，故攪拌時間t應(yīng)在10～30s內(nèi)完成，最長不超過兩分鐘。而到了絮凝階段，既要創(chuàng)造足夠的碰撞機(jī)會和良好的吸附條件讓絮體有足夠的成長機(jī)會，又要防止生成的絮體被打碎，由于絮體越大抗剪切力越弱，攪拌強(qiáng)度要逐漸減小，而反應(yīng)時間要長，絮凝階段的平均速度梯度G和t值分別應(yīng)在20～70s-1和15～30min，平均GT值應(yīng)控制在104～105。此外一些學(xué)者提出采用GTC值作為混凝的控制指標(biāo)。影響混凝的主要因素3.4.1水溫水溫低時，通常絮凝體形成緩慢，絮凝顆粒細(xì)小、松散，凝聚效果較差。其原因有：①無機(jī)鹽水解吸熱，水溫降低10℃，硫酸鋁的水解速度常數(shù)降低2～4倍，水溫在5℃左右時，硫酸鋁的水解速度以極其緩慢；②溫度降低，粘度升高，布朗運(yùn)動減弱；③水溫低時，膠體水化作用增強(qiáng)，妨礙凝聚；④水溫與水的pH值有關(guān)，水溫越低，水的pH值越高，相應(yīng)的地混凝的最佳pH值也提高。低溫時可利用活化硅酸作為助凝劑，也可采用鐵鹽混凝劑。3.4.2pH值水的pH值和堿度對混凝效果的影響，視混凝劑品種而異。①硫酸鋁：用以去除濁度時，最佳pH值在～之間，用以去除色度（腐殖質(zhì)）時，最佳pH值在～之間（pH值低于時存在著殘余鋁超標(biāo)的危險(xiǎn)）。對于色度的去除存在著pH值越高，所需的混凝劑投加量越大的的特點(diǎn)，這一特點(diǎn)對于鐵鹽也不例外。②三價鐵鹽作混凝劑時，由于Fe3+水解產(chǎn)物溶解度比Al3+的小，且氫氧化鐵的等電點(diǎn)高于氫氧化鋁，故適用的pH值范圍比較寬，去除水的濁度時，最佳pH值在～之間，用以去除色度時，最佳pH值在～之間。③聚鋁已預(yù)先部分水解，最終水解產(chǎn)物受pH值影響小，適應(yīng)的pH值較三價鐵鹽更寬。當(dāng)投加金屬鹽類混凝劑時，其水解會生成H+，但水中堿度有緩沖作用，當(dāng)堿度不夠時需要投加石灰或碳酸鈉，石灰投加量按下式計(jì)算：[CaO]=3[a]–[x]+[δ]式中[CaO]：純石灰CaO投量，mmol/L；[a]：硫酸鋁的投量，mmol/L；[x]：原水堿度，按mmol/L，CaO計(jì)；[δ]：保證反應(yīng)順利進(jìn)行的剩余堿度3.4.3懸浮物濃度雜質(zhì)濃度低，顆粒間碰撞機(jī)率下降，混凝效果差。采取的對策有：①加高分子助凝劑（活化硅酸、聚丙烯酰胺或聚丙烯酸鈉）；②加粘土③投加混凝劑后直接過濾如果原水懸浮物含量過高，為減少混凝劑的用量，通常投加高分子助凝劑。如長江上游高濁度水常需投加有機(jī)高分子絮凝劑（聚丙烯酰胺或聚丙烯酸鈉）作為助凝劑。3.4.4混凝劑種類混凝劑的選擇主要取決于膠體和細(xì)微懸浮物的性質(zhì)、濃度。如水中污染物主要呈膠體狀態(tài)，且ξ電位較高，則應(yīng)先投加無機(jī)混凝劑使其脫穩(wěn)凝聚，如絮體細(xì)小，還需投加高分子混凝劑或配合使用活性硅酸等助凝劑。很多情況下，將無機(jī)混凝劑與高分子混凝劑并用，可明顯提高混凝效果，擴(kuò)大應(yīng)用范圍?；炷齽┑呐渲迫芙獬厝莘eW1：W1=（）W2（6-14）式中W2為溶液池容積。（6-15）式中：W2——溶液池容積，m3Q——處理的水量，m3/ha——混凝劑最大投加量，mg/Lc——溶液濃度，一般取5%-20%n——每日調(diào)制次數(shù)，一般不超過3次混凝劑投加混凝劑投加設(shè)備包括計(jì)量設(shè)備、藥液提升設(shè)備、投藥箱、必要的水封箱以及注入設(shè)備等。1.計(jì)量設(shè)備計(jì)量設(shè)備有：轉(zhuǎn)子流量計(jì)；電磁流量計(jì)；計(jì)量泵等。2.投加方式（1）泵前投加：安全可靠，一般適用取水泵房距水廠較近者。（2）高位溶液池重力投加：適用取水泵房距水廠較遠(yuǎn)者，安全可靠，但溶液池位置較高。（3）水射器投加：設(shè)備簡單，使用方便，溶液池高度限制小，但效率低，易磨損。（4）泵投加：不必另設(shè)計(jì)量設(shè)備，適合混凝劑自動控制系統(tǒng)，有利于藥劑與水混合混合設(shè)備（1）水泵混合投藥投加在水泵吸水口或管上?；旌闲Ч茫?jié)省動力，各種水廠均可用，常用于取水泵房靠近水廠處理構(gòu)筑物的場合，兩者間距不大于150m。（2）管式混合管式靜態(tài)混合器：流速不宜小于1m/s，水頭損失不小于，簡單易行。擴(kuò)散混合器，是在管式孔板混合器前加一個錐形帽，錐形帽夾角90°。順流方向投影面積為進(jìn)水管總截面面積的1/4，開孔面積為進(jìn)水管總截面面積的3/4，流速為，混合時間2-3s。（3）機(jī)械混合在池內(nèi)安裝攪拌裝置，攪拌器可以是槳板式、螺旋槳式或透平式，速度梯度700-1000s-1，時間10-30s以內(nèi)，優(yōu)點(diǎn)是混合效果好，不受水質(zhì)影響，缺點(diǎn)是增加機(jī)械設(shè)備，增加維修工作。絮凝設(shè)備1.隔板絮凝池隔板絮凝池分往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式。隔板絮凝池的水頭損失由局部水頭和沿程水頭損失組成。往復(fù)式總水頭損失一般在，回轉(zhuǎn)式的水頭損失比往復(fù)式的小40％左右。隔板絮凝池特點(diǎn)：構(gòu)造簡單、管理方便，但絮凝效果不穩(wěn)定，池子大。適應(yīng)大水廠3.機(jī)械絮凝池?cái)嚢杵饔袧{板式和葉輪式，按攪拌軸的安裝位置分水平軸式和垂直軸式。第一格攪拌強(qiáng)度最大，而后逐步減小，G值也相應(yīng)減小，攪拌強(qiáng)度決定于攪拌器轉(zhuǎn)速和槳板面積。設(shè)計(jì)參數(shù)①絮凝時間10-15分。②池內(nèi)一般設(shè)3～4擋攪拌機(jī)。③攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速按葉輪半徑中心點(diǎn)線速度計(jì)算確定，線速度第一擋逐漸減小至末擋的。④槳板總面積宜為水流截面積的10～20％，不宜超過75％，槳板長度不大于葉輪半徑的75％，寬度宜取10～30cm。優(yōu)缺點(diǎn)：機(jī)械絮凝池的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)容易，效果好，大、中、小水廠均可，但維修是問題。4.穿孔旋流絮凝池由若干方格組成。分格數(shù)一般不少于6格。流速逐漸減小，G也相應(yīng)減小以適應(yīng)絮凝體形成，孔口流速宜取～，末端流速宜取～。絮凝時間15～25min。穿孔旋流絮凝池的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，施工方便，造價低，可用于中、小型水廠或與其他形式的絮凝池組合應(yīng)用。5.網(wǎng)格、柵條絮凝池網(wǎng)格、柵條絮凝池設(shè)計(jì)成多格豎井回流式。每個豎井安裝若干層網(wǎng)格或柵條，各豎井間的隔墻上、下交錯開孔，進(jìn)水端至出水端逐漸減少，一般分3段控制。前段為密網(wǎng)或密柵，中段為疏網(wǎng)或疏柵，末段不安裝網(wǎng)、柵。網(wǎng)格絮凝池效果好，水頭損失小，絮凝時間較短，但還存在末端池底積泥現(xiàn)象，小數(shù)水廠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格上滋生藻類、堵塞網(wǎng)眼現(xiàn)象。6.不同形式絮凝池組合應(yīng)用每種形式的絮凝池各有其優(yōu)缺點(diǎn)。不同形式的絮凝池組合應(yīng)用可以相互補(bǔ)充，取長補(bǔ)短。往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池在豎向組合是常用方式之一，穿孔旋流與隔板絮凝池也往往組合應(yīng)用。不同形式絮凝池配合使用，效果良好，但設(shè)備形式增多，應(yīng)根據(jù)具體情況決定。第四章沉淀與澄清4.1概論水中固體顆粒依靠重力作用，從水中分離出來的過程稱為沉淀，按水中固體顆粒的性質(zhì)，沉淀分為三類：（1）自然沉淀顆粒在沉淀過程中不改變其大小、形狀和密度。①自由沉淀：顆粒沉淀時不受容器壁和其他懸浮物的影響，顆粒狀沉淀。②擁擠沉淀：顆粒處于互相干擾的沉淀，又叫作區(qū)域沉淀或成層沉淀。③壓縮沉淀：在沉淀構(gòu)筑物底部支撐作用下，顆粒間互相支撐，上層顆粒在重力作用下，擠壓出下層顆粒的間隙水的沉淀過程。（2）絮凝沉淀在沉淀過程中，顆粒由于相互接觸凝聚而改變其大小、形狀和密度，這種過程稱為絮凝沉淀。（3）化學(xué)沉淀在某些特種水處理中，投加藥劑使水中溶解雜質(zhì)結(jié)晶為沉淀物，稱為化學(xué)沉淀。懸浮顆粒在靜水中的沉淀4.2.1懸浮顆粒在靜水中的自由沉淀一般認(rèn)為，懸浮顆粒與器壁的距離大于50倍顆粒的直徑，同時體積濃度小于時（<5000~6000mg/L），可認(rèn)為自由沉淀，此時的沉淀速度稱為自由沉淀速度。以球型顆粒為例，在水中作沉降運(yùn)動時將受重力、浮力、摩擦阻力三種力的作用，顆粒下沉的速度可得自牛頓第二定律：u——顆粒下沉速度m——顆粒的質(zhì)量t——時間顆粒的重力為：F1=1/6d3sg顆粒的浮力為：F2=1/6d3gs—顆粒的密度d—顆粒直徑g—重力加速度—水的密度摩擦阻力：其值與顆粒在運(yùn)動方向上的投影面積A及動壓1/2u2有關(guān)。FD—顆粒在水中所受的阻力；CD—阻力系數(shù)；A—顆粒在運(yùn)動方向垂直面上的投影面積d2/4；—水的密度；u—流速（下沉速度）于是：顆粒下沉?xí)r，起始沉速為零，故以加速度下沉，隨著u增加，阻力也相應(yīng)增加，很快顆粒即等速下沉。du/dt=0上式為沉速基本公式，式中雖不出現(xiàn)Re，但是，式中阻力系數(shù)cD卻與Re有關(guān)，Re=ud/—水的運(yùn)動粘度。阻力系數(shù)CD與雷諾數(shù)Re的關(guān)系通過實(shí)驗(yàn)得出，見圖：（1）層流區(qū)Re≤1代入前式，得：這個公式為斯篤克斯公式。適用泥沙顆粒，Re在10-4~1之間。對于非球形顆粒，粒徑d還需要乘上球形系數(shù)φ進(jìn)行修正。此時，代入公式得到阿蘭公式這個公式適用于d≤2mm的砂粒，對于非球形顆粒，粒徑d還需要乘上球形度系數(shù)φ進(jìn)行修正。（3）紊流區(qū)1000＜Re＜25000此時CD，代入公式，得到牛頓公式：這個公式適用d＞2mm的砂粒。對于非球形顆粒，粒徑d還需要乘上球形度系數(shù)φ進(jìn)行修正。這個公式適用d＞2mm的砂粒。對于非球形顆粒，粒徑d還需要乘上球形度系數(shù)φ進(jìn)行修正。懸浮顆粒在靜水中的擁擠沉淀自由沉淀可以看成單個顆粒在無邊無際的水體中下沉，此時顆粒排擠開同體積的水，水將以無限小的速度上升，當(dāng)大量顆粒在有限的水中下沉?xí)r，被排擠的水便有一定的速度，使顆粒所受到的摩擦阻力有所增加，顆粒處于互相干擾狀態(tài)，此過程稱為擁擠沉淀，此時的沉淀速度稱為擁擠沉速。一般講，當(dāng)原水含沙量增到一定數(shù)量，泥沙即處于擁擠沉淀狀態(tài)，含沙量再大時，再沉淀過程中會產(chǎn)生濁度相差懸殊的清水區(qū)和渾水區(qū)，兩區(qū)交界面清晰可見，稱為渾液面，該面緩緩下降，直至泥沙完全沉積為止。當(dāng)含沙量＞6kg/m3時，具有擁擠沉淀性質(zhì)；當(dāng)含沙量＞15~20kg/m3時，就出現(xiàn)清晰可見的渾液面。交界面以下的顆粒均處于擁擠沉淀狀態(tài)，交界面下降的速度可理解為顆粒在互相干擾時的平均速度，即平均擁擠沉速。某一瞬時，沉淀管中按懸浮物濃度的分布情況，可分為四個區(qū)：清水區(qū)A；濃度為C0的等濃度區(qū)B；過渡區(qū)C；濃縮區(qū)D。隨時間增長，交界面繼續(xù)下降，直至B、C兩個區(qū)消失，只剩A、D兩個區(qū)，D區(qū)高度也逐漸減小，設(shè)壓實(shí)時間t→∞，最后壓實(shí)到H∞為止。以交界面高度為縱坐標(biāo)，沉淀時間為橫坐標(biāo)，可得交界面沉降過程曲線。a-b段為向下的曲線，可解釋為顆粒間的絮凝過程，由于顆粒凝聚變大，使下降速度逐漸變大。b-c段為直線，表明交界面等速下降。a-b曲線段一般較短，且有時不是很明顯，所以可以認(rèn)為是b-c直線段的延伸c-d為上凹的曲線，表明交界面下降的速度逐漸變小。此時B區(qū)已消失，故C點(diǎn)稱為沉降臨界點(diǎn)，相應(yīng)于C點(diǎn)的交界面下的濃度均大于C0。c-d段表示B、C、D三個區(qū)重合后沉降物壓實(shí)的過程，隨著時間的增長，壓實(shí)變慢，最后壓實(shí)高度為H∞。由上圖曲線可知，a-c段的懸浮物濃度為C0，c-d段濃度均大于C0，設(shè)在c-d曲線上任意一點(diǎn)Ct(Ct>C0)作切線與縱坐標(biāo)相交于a′點(diǎn)，高度為Ht。假想存在沉淀高度為Ht，均勻濃度為Ct的沉淀管，其中所含懸浮物與原水高度H0均勻濃度為C0的沉淀管中所含懸浮物濃量是相等的，即：曲線a′—Ct—d所虛擬的沉淀管懸浮物擁擠下沉曲線。按肯奇沉淀理論，這條曲線與沉淀管中懸浮物下沉曲線在Ct點(diǎn)以前（即t時間以前）是不一致的，但在Ct點(diǎn)以后（t時間以后）兩曲線重合。作Ct點(diǎn)切線目的，就是為了求任意時間內(nèi)交界面下沉速度。這條切線斜率即表示濃度為Ct的交界面下沉速度：在a-c段，因切線就是a-c直線本身，Ht=H0,故Ct=C0。由于a-c線斜率不變，說明渾液面等速下沉。當(dāng)壓縮到H∞高度后，斜率為0。即vt=0，說明懸浮物不在壓縮，此時Ct=C∞（壓縮濃度）.如同樣的水樣，用不同高度的水深作實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在不同沉淀高度H1及H2時，兩條沉淀過程線之間存在著相似關(guān)系：說明當(dāng)原水濃度相同時，A、B區(qū)交界的渾液面的下沉速度是不變的，但由于沉淀水深大時，壓實(shí)區(qū)也較厚，最后沉淀物的壓實(shí)要比沉淀水深低時壓實(shí)的密實(shí)些。由于這種沉淀過程與沉淀高度無關(guān)的現(xiàn)象，使有可用較短的沉淀管作實(shí)驗(yàn)，來推測沉淀的效果。理想沉淀池的特性分析4.3.1非凝聚性顆粒的沉淀過程分析（1）理想沉淀池的三個基本假設(shè)：①顆粒處于自由沉淀狀態(tài)，顆粒的沉速始終不變。②水流沿水平方向流動，在過水?dāng)嗝嫔?，各點(diǎn)流速相等，并在流動過程中流速始終不變。③顆粒沉到底就被認(rèn)為去除，不再返回水流中。（2）截流沉速u0沉淀池所能夠全部去除的顆粒中的最小顆粒的沉淀速度。所有沉速大于u0的顆粒將被去除，小于u0的顆粒只能部分被去除。水平流速： v=Q/(h0·B)（B為池寬）沉淀時間： t=L/v=h0/u0（L為池長）于是： 式中，Q/A一般稱為表面負(fù)荷或溢流率，在數(shù)值上等于沉淀池的表面負(fù)荷。（3）理想沉淀池的沉淀效率顆粒ui<u0，只有從高度hi水面以下進(jìn)入沉淀池的ui顆粒才能被去除，于是：由上述可知，ui顆粒在理想沉淀池中的沉淀效率只與沉淀池的表面負(fù)荷率有關(guān)，而與其他因素（水深、池長、水平流速、沉淀時間）無關(guān)，這一結(jié)論抓住了沉淀池的主要矛盾，闡明了決定沉淀效率的主要因素反應(yīng)了下列兩個問題：①當(dāng)E一定時ui越大，q也越高，亦即產(chǎn)水量越大，或當(dāng)Q、A不變時ui越大、E越高。ui的大小與混凝效果有關(guān)，因此，生產(chǎn)上一定要重視絮凝工藝。②ui一定，A增加、E提高。當(dāng)W（容積）一定時，池深淺些，則表面積大些，沉淀效率可以高些，此即“淺池理論”，斜板、斜管沉淀池的發(fā)展即基于此理論。（4）顆粒的總?cè)コ试O(shè)pi為所有小于ui的顆粒重量占原水中全部顆粒重量的百分率，顯然dpi為具有沉速ui的一種顆粒重量占原水中全部顆粒重量的百分率。按：能夠在沉淀池中下沉的這種具有沉速ui的顆粒占原水中全部顆粒重量百分率應(yīng)為：ui/u0·dpi，因此所有能夠在沉淀池中下沉的，沉速小于u0的顆粒重量占原水中全部顆粒重量的百分率及其去除率應(yīng)為，另外，沉速大于和等于u0的顆粒已經(jīng)全部下沉，其去除率應(yīng)為1-p0（p0為所有沉速小于理想沉淀池截留沉速u0的顆粒重量占原水中全部顆粒重量的百分率）,因此理想沉淀池總?cè)コ?，即沉淀池效率p為：影響平流式沉淀池沉淀效果的因素（1）進(jìn)出水的影響水流經(jīng)進(jìn)水穿孔板孔眼的流速較池中水流速高出很多，進(jìn)池水流的慣性能在池內(nèi)持續(xù)數(shù)米至數(shù)十米才逐漸消失。在沉淀池的末端，細(xì)粒雜質(zhì)在出流水舌夾帶下能隨水流流出池外。流速不均勻造成短流，紊流使沉淀效果降低。（2）異重流的影響進(jìn)入沉淀池渾水的比重比流出沉淀池清水的比重大，在重力作用下會潛入池的底部流動，形成所謂的渾水異重流。渾水異重流是平流沉淀池中的基本現(xiàn)象之一，當(dāng)處理高濁度水時密度異重流的現(xiàn)象就更為明顯。此外，水的比重與溫度有關(guān)，當(dāng)進(jìn)水溫度與池內(nèi)水溫存在溫差時，形成溫度異重流。異重流也將造成短流現(xiàn)象。（3）偏流的影響，受風(fēng)的影響或構(gòu)筑所致。（4）沉泥沖刷4.5斜板（管）沉淀池的特點(diǎn)與工藝設(shè)計(jì)4.5.1原理由沉淀效率公式可知：在原體積不變時，增加沉淀面積，可使顆粒去除率提高。斜板（管）沉淀池與水平面成一定的角度（一般60°左右）的板（管）狀組件置于沉淀池中構(gòu)成，水流可從上向下或從下向上流動，顆粒沉于斜管底部，而后自動下滑。斜板（管）沉淀池的沉淀面積明顯大于平流式沉淀池，因而可提高單位面積的產(chǎn)水量或提高沉淀效率。澄清池 澄清池將絮凝和沉淀過程綜合于一個構(gòu)筑物完成，主要依靠活性泥渣層達(dá)到澄清目的。當(dāng)脫穩(wěn)雜質(zhì)隨水流與泥渣層接觸時被阻留下來使水獲得澄清的現(xiàn)象，稱為接觸絮凝。在原水中加入較多絮凝劑，并適當(dāng)降低負(fù)荷，經(jīng)過一段時間，便能形成泥渣層，常用于給水處理。澄清池分為泥渣懸浮型和泥渣循環(huán)型兩種。2．脈沖澄清池特點(diǎn)是澄清池的上升流速發(fā)生周期性的變化，這種變化是由脈沖發(fā)生器引起的。靠脈沖方式進(jìn)水，懸浮層發(fā)生周期性的收縮和膨脹。脈沖澄清池的特點(diǎn)如下：(1)有利于顆粒和懸浮層接觸；(2)懸浮層污泥趨于均勻。(3)還可以防止顆粒在池底沉積(4)處理效果受水量、水質(zhì)、水溫影響較大；(5)構(gòu)造復(fù)雜。機(jī)械攪拌澄清池的優(yōu)點(diǎn)：①處理效果好，穩(wěn)定；②適用于大、中水廠機(jī)械攪拌澄清池的缺點(diǎn)：①維修維護(hù)工作量較大；②啟動時有時需人工加土和加大加藥量。水力循環(huán)澄清池水力循環(huán)澄清池的優(yōu)點(diǎn)：不需機(jī)械攪拌，結(jié)構(gòu)簡單水力循環(huán)澄清池的缺點(diǎn)：反應(yīng)時間短，運(yùn)行不穩(wěn)定，泥渣回流控制較難，不能適應(yīng)水溫、水質(zhì)、水量的變化，只能用于小水廠。第五章過濾5.1概述5.1.1基本概念過濾：利用多孔介質(zhì)的截留作用實(shí)現(xiàn)固液分離、液液分離、固氣分離的過程（或單元操作）。過濾介質(zhì)的種類及過濾的類型：①篩網(wǎng)，濾布、等，用于粗濾，截留的顆粒約在100μm以上；②微孔篩、各種濾芯、濾板、濾布、濾膜、濾棒、濾餅等，用于精濾或微濾，截留的顆粒約在μm；③濾膜，用于超濾、納濾及反滲透等，截留的顆粒約在μm；以上三種類型的材料的過濾作用主要發(fā)生在過濾介質(zhì)的表面稱為表面過濾。④粒狀過濾材料，如石英砂、無煙煤、重質(zhì)礦石、粒狀活性炭、塑料珠等，用于構(gòu)成濾床，過濾發(fā)生在濾床中，稱為深層（床）過濾。⑤纖維球、纖維填充袋等，也可用于構(gòu)成深層過濾，前者用于水處理，后者用于空氣過濾。表面過濾的機(jī)理相對簡單，主要依靠機(jī)械篩分作用，去除的顆粒的大小主要取決于過濾介質(zhì)的孔徑。在膠體或懸浮物脫穩(wěn)的條件下，深層過濾的機(jī)理是相當(dāng)復(fù)雜的，雜質(zhì)顆粒在濾料表面發(fā)生表面化學(xué)作用。過濾發(fā)展的沿革（1）慢濾主要構(gòu)造：石英砂粒徑為0.3-1.0mm，濾層厚度為1m，底部有集水管及承托層，表層水深1-1.2m。。運(yùn)行：未投加混凝劑的原水或自然沉淀的水通過慢濾池，濾速為0.05-0.3m/h（approachvelocity）。大約一至兩周運(yùn)行濾層中的生物膜（由水中的濁質(zhì)、藻類、細(xì)菌原生動物等生長繁殖的結(jié)果，在此之前出水水質(zhì)較差），構(gòu)成膜的微生物能夠分解出可壓縮雙電層的酶，使膠體脫穩(wěn)，改善出水水質(zhì)。除濁、除細(xì)菌病毒及色嗅味效果好。無反沖洗過程，一年需要刮出表層砂（約10cm厚）數(shù)次，每次補(bǔ)充干凈的砂。特點(diǎn)：效果好，占地大，勞動強(qiáng)度大。曾經(jīng)被淘汰，近年來有重新開始使用的趨勢。過濾發(fā)展的沿革適用的進(jìn)水條件出水水質(zhì)細(xì)菌的去除效率顆粒物去除效率濁度10ntu以下；總大腸菌類10~1000個/100mL；藻類不太多；10000人以下的給水處理小于總大腸菌類<1個/100mL細(xì)菌總數(shù)99%能去除逗號弧菌(Vibriocomma)2.7~7m99%7~12m99.9%較大顆粒99%~99.9%（2）快濾①構(gòu)造：石英砂粒徑為0.5-1.2mm，濾層厚度為0.7m，底部有集水管及承托層，濾池有反沖洗系統(tǒng)。②過濾：經(jīng)混凝沉淀的水或投加了混凝的原水通過快濾池，濾速為5-30m/h，約為慢濾池濾速的100倍。過濾運(yùn)行1-2天后水頭損失達(dá)到允許最大值。③反沖洗：運(yùn)行一個周期后，約為1-2天，需對濾池進(jìn)行反沖洗。④濾層水力分級現(xiàn)象：濾床在反沖洗過程中，濾床膨脹后，細(xì)濾料被沖到膨脹濾床的上部，粗濾料在膨脹床的下部。在反沖洗結(jié)束濾料落床后，出現(xiàn)表層濾料最細(xì)，沿床深濾料粒經(jīng)逐漸增大，底部濾料最粗的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為濾床的水力分級現(xiàn)象。⑤水力分級的危害：水力分級現(xiàn)象造成的危害主要有：濾床表層易堵塞，產(chǎn)生過大的水頭損失，降低了濾池的截污容量，縮短了濾池的工作周期。濾床表層還易形成泥球、泥餅。進(jìn)入濾床深處的雜質(zhì)由于濾床底部濾料粒度較大容易穿透濾床，惡化出水水質(zhì)。（3）快濾的發(fā)展針對濾床水力分級的危害，發(fā)展出多種類型的濾池類型1）上向流濾池沿流向粒徑由大漸小是理想級配。存在問題：①底部配水系統(tǒng)污染，此問題不易解決；②濾床上浮問題，此問題可解決。③反洗水與過濾出水同向，此問題可解決。飲用水處理中不推薦使用這種濾池。2）雙向流濾池底部配水系統(tǒng)污染，此問題仍不易解決。節(jié)省占地，可用于工業(yè)用水3）雙層和多層濾料濾池部分解決了上細(xì)下粗的現(xiàn)象，降低了水頭損失增長速度，加大了截污容量，可提高濾速，但增大了反沖洗的難度（如上層濾料跑料等現(xiàn)象），也不易實(shí)現(xiàn)氣水反沖洗。三層濾料濾池的效果與雙層濾料濾池相近。4）均勻?yàn)V料濾池部分解決了上細(xì)下粗的現(xiàn)象，一般采用較粗的濾料和和較大的濾深度。L/d=1000均勻?yàn)V料是一種較好的濾床型式，易于實(shí)現(xiàn)氣水反沖洗，如V型濾池就采用了這種濾床形式。5.2過濾理論5.2.1過濾機(jī)理（1）遷移機(jī)理在濾料層孔隙中隨水流動的小顆粒在下列作用下可以與濾料顆粒的表面進(jìn)行接觸，這些作用有：攔截、重力沉降、擴(kuò)散、慣性、水動力作用等。其作用的結(jié)果是水流中所含的顆粒物質(zhì)存在著到達(dá)濾料介質(zhì)顆粒表面的機(jī)會。其中前三項(xiàng)為遷移的主要作用機(jī)理。（2）附著機(jī)理當(dāng)水中顆粒接近濾料顆粒的表面或是接近先前黏附在濾料上的固體顆粒的表面時，在顆粒之間存在的附著力（范德華力）的作用下，水中顆粒被截留下來。當(dāng)水流剪力小于顆粒附著力時，顆粒附著穩(wěn)定；當(dāng)水流剪力大于顆粒附著力時，顆粒脫落被水流帶入更深的濾層，繼續(xù)進(jìn)行新的遷移與附著過程。深層過濾顆粒去除的主要機(jī)理是接觸絮凝，即顆粒的去除是通過水中懸浮顆粒與濾料顆粒進(jìn)行了接觸絮凝，水中顆粒附著在濾料顆粒上而被去除。當(dāng)然，當(dāng)濾池中濾料層的表面對大顆粒也有篩除作用，但這不是深層過濾的主要工作機(jī)理。對于水中的膠體顆粒，因膠體的雙電層結(jié)構(gòu)使顆粒間存在靜電斥力無法接觸凝聚，必須先進(jìn)行混凝處理，使膠體脫穩(wěn)并凝聚后才能進(jìn)行過濾處理。（3）脫落機(jī)理通過纖維內(nèi)窺鏡的直接觀察，顆粒的脫附現(xiàn)象類似于雪崩過程，隨著濾床孔隙的堵塞，孔隙中流速加大，濾料表面的剪切力也隨之加大，當(dāng)濾料表面沉積的雜質(zhì)增加到某臨界點(diǎn)時，脫落過程隨即發(fā)生，過濾過程不斷向深層推進(jìn)，直至出水惡化。雜質(zhì)脫落還會引起局部堵塞，加速了出水水質(zhì)的惡化。過濾的數(shù)學(xué)描述1937年日本巖崎提出過濾的動力學(xué)方程如下：式中，L是濾床深度，λ是過濾系數(shù)，它是時間和床深的函數(shù)。在過濾初始階段（t＝0），有：式中，λ0為初始過濾系數(shù)，按照Tobiason和O’Melia（1988），式中，ε0是清潔床孔隙率；dc是濾料顆粒粒徑；α是顆粒有效碰撞系數(shù)，與膠體脫穩(wěn)有關(guān)，顆粒碰撞即發(fā)生凝聚則α=1；η是單顆濾料收集器效率，它與濾料遷移機(jī)理相關(guān)，而遷移機(jī)理又與濾料粒徑dc、雜質(zhì)粒徑dp和濾速等有關(guān)。于是：當(dāng)η主要考慮沉淀、攔截和擴(kuò)散為主要的遷移機(jī)理時，由上述等式可得到下圖：Logd（μm）上圖表明：對于未很好脫穩(wěn)的顆粒，雜質(zhì)顆粒從10μm增加到100μm，去除率迅速增加，這里主要是攔截機(jī)理起作用，即機(jī)械篩分起作用。對于很好脫穩(wěn)的膠體及懸浮物顆粒，去除率除了雜質(zhì)粒徑在1個μm的左右范圍內(nèi)，均有很高的去除效率，通過濾料粒徑為0.55cm，厚度為米的濾床，雜質(zhì)去除率可高達(dá)90%以上。1個μm的左右的雜質(zhì)顆粒去除率較低的原因在于遷移機(jī)理，小顆粒有很強(qiáng)的擴(kuò)散能力，大顆粒容易沉淀及被攔截。不幸的是，細(xì)菌、原生動物的包囊的大小正好落在此粒度范圍。5.2.3過濾水力學(xué)1）清潔濾層的水頭損失由管流的達(dá)西公式；式中，λ為阻力系數(shù)，與雷諾數(shù)有關(guān)，L是管長，u是管內(nèi)水流流速，R是水力半徑，R=面積/濕周=管容積/管面積=D/4我們研究濾層的水力半徑R如下：如果Vp是一個顆粒的體積，Np是顆粒數(shù)，則固體顆粒的總體積是NpVp，于是：孔隙總體積為（孔隙率乘以總體積）：濾料顆粒的潤濕面積為NpAp，于是濾層的水力半徑為：這里d是濾料粒徑，φ是球形度系數(shù)?？紫秲?nèi)的流速u=v/m0，v是濾速（空塔流速），于是：這里h0是清潔濾層水頭損失，l0是濾層厚度。另一方面，在層流狀態(tài)下，阻力系數(shù)λ為（cm-k-s制）：而這里雷諾數(shù)Re為：阻力系數(shù)λ為：于是，得到清潔濾層水頭損失公式如下（cm-k-s制）：上述公式適用于均勻?yàn)V料構(gòu)成的濾層，對于非均勻?yàn)V層，上式可表達(dá)為：（2）等速過濾中的水頭損失變化①基本概念等速過濾：過濾過程中濾池的（空塔）流速保持不變的過濾方式稱為等速過濾。判別：進(jìn)水存在跌水，如無閥濾池，虹吸濾池，非淹沒進(jìn)水的雙閥濾池等。變速過濾：過濾過程中濾池的（空塔）流速逐漸減低的過濾方式稱為變速過濾，又稱為減速過濾。判別：進(jìn)水為淹沒式，如普通快濾池，移動罩濾池，淹沒進(jìn)水的雙閥濾池等。②水頭損失變化等速過濾的水頭損失通常近似為線性增長。H=H0+h+Δh=H0+h+kvC0t（3）變速過濾中的濾速變化以普通快濾池4格構(gòu)成一組作為例子，進(jìn)水總流量不變，每個濾池恰好按它的編號順序進(jìn)行沖洗。則濾池的水位與濾速變化如下圖所示。移動沖洗罩濾池是典型的遞降速過濾濾池，當(dāng)移動沖洗罩濾池的分格數(shù)很多時，這格濾池沖冼與下一格濾池沖洗的間隔時間很近，濾池水位變化不大，有可能達(dá)到近似的“等水位變速過濾”。（4）濾層中的負(fù)水頭現(xiàn)象當(dāng)過濾進(jìn)行到一定時刻時，從濾料表面到某一深度處的濾層的水頭損失超過該深度處的水深，該深度處就出現(xiàn)負(fù)水頭，見下圖。負(fù)水頭會導(dǎo)致空氣釋放出來，危害：①增加濾層局部阻力，增加了水頭損失；②空氣泡會穿過濾料層，上升到濾池表面，甚至把煤粒這種輕質(zhì)濾料帶走。在沖洗時，空氣更容易把大量的濾料隨水帶走。避免濾池中出現(xiàn)負(fù)水頭的兩個方法：①增加砂面上的水深；②令濾池出口位置等于或高于濾層表面。濾料和承托層濾料（1）濾料的基本要求①具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；②具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；③能就地取材、價廉；④表面比較粗糙且有棱角，但要避免針狀、片狀的材料。（2）濾料性能指標(biāo)①有效粒徑（d10）——通過濾料重量10%的篩孔孔徑。（解釋為什么叫有效粒徑）②不均勻系數(shù)（K80）——通過濾料重量80%的篩孔孔徑d80與有效粒徑d10的比值：不均勻系數(shù)越大，濾料越不均勻，不均勻系數(shù)越小濾料越均勻，但是濾料的價格也越貴。就技術(shù)而言，通常我們要控制k80的上限。④球度系數(shù)與形狀系數(shù)將卡在篩孔中的那部分砂振動掉下來，以下公式可求出其等體積球體直徑：式中，G—n個顆粒的總重量,g；ρs—顆粒密度,g/cm3。序號形狀描述球度系數(shù)形狀系數(shù)孔隙率1圓球形1.01.000.382圓形0.981.020.383已磨蝕的0.941.060.394帶銳角的0.811.230.405有角的0.781.280.43⑤孔隙度濾料層的孔隙率指整個濾層中孔隙總體積與整個濾層的堆積體積之比。測定方法：取一定量的濾料，在105oC下烘干稱重，并用比重瓶測出其密度。然后放入過濾筒中，用清水過濾一段時間后，量出濾層體積，則孔隙率為式中，G——烘干后的濾料,g；ρs——濾料的密度，g/cm3；V——濾料層的堆積體積，cm3。（3）濾料的級配天然的砂有較寬的粒度分布范圍，作為過濾材料，各種粒度的材料如何搭配，稱為濾料的級配。粒徑級配可以用濾料的有效粒徑和不均勻系數(shù)來控制，也可用最大粒徑、最小粒徑及不均勻系數(shù)來控制。①最大粒徑、最小粒徑及不均勻系數(shù)法濾料級配與濾速類別濾料組成濾速（m/h）強(qiáng)制濾速（m/h）粒徑（mm）不均勻系數(shù)K80厚度（mm）單層石英砂濾料dmaxdmin7007~99~12雙層濾料無煙煤dmaxdmin300~4009~1212~16石英砂dmaxdmin400三層濾料無煙煤dmaxdmin45016~1820~24石英砂dmaxdmin230重質(zhì)礦石dmaxdmin70②有效粒徑及不均勻系數(shù)法我國規(guī)范規(guī)定濾料級配采用的這種方法，對于單層紗濾床來說，一般可控制d10=0.55mm，K80<2。濾料種類濾料組成正常濾速(m/h)強(qiáng)制濾速(m/h)粒徑(mm)不均勻系數(shù)(K80)厚度(mm)單層細(xì)砂濾料石英砂d10＝7007～99～12雙層濾料無煙煤d10＝0.85300～4009～1212～16石英砂d10＝400三層濾料無煙煤d10＝0.8545016～1820～24石英砂d10＝250重質(zhì)礦石d10＝70均勻級配粗砂濾料石英砂d10～1200～15008～1010～13（4）濾料的篩分（書例題）（5）承托層作用：①防止濾料層從配水系統(tǒng)流失；②均勻分配反沖洗水。大阻力配水系統(tǒng)的承托層組成見下表：層次（自上而下）粒徑（mm）厚度12—410024—810038—16100416—32本層頂面高度至少應(yīng)高于配系統(tǒng)孔眼1005.4濾池沖洗高速水流反沖洗（1）濾層的沖洗強(qiáng)度、膨脹度和沖洗時間①反沖洗強(qiáng)度——指單位面積濾層所通過的反沖洗流量，單位為L/s.m2。②濾層膨脹度由于濾層膨脹前、后單位面積上濾料體積不變，可得到：③常見的濾床的沖洗強(qiáng)度、膨脹度和沖洗時間序號濾層類型沖洗強(qiáng)度2)膨脹度（%）沖洗時間（min）1石英砂濾料12～15457～52雙層濾料13～16508～63三層濾料16～17557～5（2）反沖洗強(qiáng)度和濾床膨脹度的關(guān)系①反沖洗時的水頭損失及最小流態(tài)化速度反沖洗時流態(tài)為過渡區(qū)，水頭損失可用歐根公式計(jì)算當(dāng)水頭損失隨著流速的增加而增大到等于濾床在水中的重量時，濾床則開始膨脹，此時水頭損失達(dá)到最大值并保持恒定。對應(yīng)的反沖水流速為最小流態(tài)化速度vmf。此時，于是：上式可用cm-g-s或m-kg-s制。舉例：單層砂濾床反沖洗時的最大水頭損失為(m)：②敏茨公式敏茨通過因次分析及試驗(yàn)的方法獲得了石英砂濾床反沖洗強(qiáng)度和濾床膨脹度的關(guān)系如下（利用清潔床是水頭損失公司的推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)確定阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系可得到完全相同的公式）：式中，為水的動力粘度（），去q為反沖洗強(qiáng)度（L/s.m2），球形度系數(shù)已含在系數(shù)中。③理查遜-贊基公式式中，V1為濾料顆粒的自由沉速（cm/s），α為與雷諾數(shù)有關(guān)的指數(shù)，v為反沖洗流速（cm/s）。由：，可得到：，于是：當(dāng)砂的粒徑為～1.2mm時，在20oC的水溫下，α值約為4～3，粒徑小則α大，反之亦然。對于非均勻?yàn)V料，實(shí)踐表明，要達(dá)到最好的效果，底層最粗的濾料至少要流化，此時濾床的總的膨脹度很大，設(shè)計(jì)反沖洗強(qiáng)度可按下式計(jì)算：q=10kvmf式中，q是沖洗強(qiáng)度（L/s.m2），vmf是最大粒徑的濾料的最小流態(tài)化速度（cm/s），k是安全系數(shù)，～，濾料不均勻程度大則取下限。例：粒徑為1.2mm的砂，密度為。由敏茨公式或贊基公式可算出最小流態(tài)化速度為1～。對應(yīng)的反沖洗強(qiáng)度為12～15L/s.m2。②非均勻?yàn)V料膨脹度的計(jì)算對于非均勻?yàn)V床，可將濾床分為多層，每層視為均勻。設(shè)第i層重量百分比為pi，膨脹前厚度為lo=piLo，膨脹后的厚度為li=piLo（1+ei），則整個濾床的膨脹度為：另一種近似的方法是用deq代替公式中的d，deq用下式計(jì)算：氣水反沖洗氣-水聯(lián)合反沖洗氣-水聯(lián)合沖洗具有下述特點(diǎn)：①沖洗效果好；②節(jié)約反沖洗水量；③沖洗結(jié)束后，濾層不產(chǎn)生或不明顯產(chǎn)生上細(xì)下粗的分層現(xiàn)象；④氣-水聯(lián)合沖洗操作較為麻煩，池子和設(shè)備較復(fù)雜，需增加鼓風(fēng)機(jī)或空壓機(jī)、儲氣罐等氣沖設(shè)備。氣-水聯(lián)合沖洗有3種操作方式：①先氣洗，后水洗；②先氣水混合洗，再用水洗；③先氣洗，再氣水混合洗，最后用水洗（或漂洗）。氣-水聯(lián)合沖洗時，總的反沖洗時間約在10min左右。第六章消毒和氧化見第六章PPT第七章吸附見第七章PPT第八章膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)的定義：膜分離技術(shù)是用半透膜作為選擇障礙層，允許某些組分透過而保留混合物中其它組份，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)。膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：在常溫下進(jìn)行，有效成分損失極少，特別適用于熱敏性物質(zhì)無相態(tài)變化-----節(jié)能，無化學(xué)變化選擇性好，可在分子級內(nèi)進(jìn)行物質(zhì)分離，具有普遍濾材無法取代的卓越性能，可在分離、濃縮的同時達(dá)到部分純化的目的適應(yīng)性強(qiáng)，處理規(guī)?？纱罂尚?，可以連續(xù)也可以間隙進(jìn)行，可循環(huán)使用膜分離技術(shù)的分類：依據(jù)其孔徑的不同（或稱為截留分子量）微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜etc.根據(jù)材料的不同無機(jī)膜和有機(jī)膜無機(jī)膜主要還只有微濾級別的膜，主要是陶瓷膜和金屬膜。有機(jī)膜是由高分子材料做成的，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟乙烯、聚乙烯、聚砜、聚烯烴、聚丙烯腈膜的種類膜的功能分離驅(qū)動力透過物質(zhì)被截留物質(zhì)微濾多孔膜、溶液的微濾、脫微粒子壓力差水、溶劑和溶解物懸浮物、細(xì)菌類、微粒子超濾脫除溶液中的膠體、各類大分子壓力差溶劑、離子和小分子蛋白質(zhì)、各類酶、細(xì)菌、病毒、乳膠、微粒子反滲透和納濾脫除溶液中的鹽類及低分子物壓力差水、溶劑無機(jī)鹽、糖類、氨基酸、BOD、COD等透析脫除溶液中的鹽類及低分子物濃度差離子、低分子物、酸、堿無機(jī)鹽、糖類、氨基酸、BOD、COD等電滲析脫除溶液中的離子

電位差離子無機(jī)、有機(jī)離子滲透氣化溶液中的低分子及溶劑間的分離壓力差、濃度差蒸汽液體、無機(jī)鹽、乙醇溶液氣體分離氣體、氣體與蒸汽分離濃度差易透過氣體不易透過氣體以靜壓差為推動力的膜有：微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）。管式膜內(nèi)壓管式和外壓管式膜，在支撐管內(nèi)壁或外壁覆蓋膜材料。無機(jī)陶瓷膜一般做成管式膜。水處理中微濾的應(yīng)用微濾的應(yīng)用范圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細(xì)菌以及其他污染物，以達(dá)到凈化、分離、濃縮的目的。特別適用于微生物、細(xì)胞碎片、微細(xì)沉淀物和其他在“微米級”范圍的粒子。適用于低濁度未受到污染的地下水。微濾與粉末活性炭聯(lián)合使用、或微濾與混凝聯(lián)合使用擴(kuò)大了微濾的使用范圍。微濾在污水處理中與活性污泥法聯(lián)合使用。聚砜(PS)材質(zhì)超濾膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,耐酸堿性能優(yōu)良(PH2-13),透水性能較好,強(qiáng)度在有機(jī)高分子材料制成的膜中最高,(爆破壓力＞0.6Mpa)，使用壽命長，正常使用在3年以上。聚砜外壓式中空纖維超濾膜（截留分子量6000-20000），尤其適用于特種行業(yè)（如生化、醫(yī)藥、化工等）的濃縮、分離、提純，截留性能穩(wěn)定。聚丙烯腈（PAN）材質(zhì)超濾膜典型特性：親水性材料，透水性能好，具有良好的耐光和耐氣侯性，截留分子量穩(wěn)定，耐酸堿程度適中（PH2-10），尤其適用于水中有機(jī)物含量低，水質(zhì)較差的場合，截留分子量5萬改性聚砜（PSF）材質(zhì)超濾膜采用獨(dú)特技術(shù)對聚砜材料進(jìn)行了化學(xué)親水性改性，極大地提高了聚砜材質(zhì)疏水性超濾膜的親水性效果，產(chǎn)品化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿性能優(yōu)良（PH2-13），使用壽命長，通量高，抗污染能力大大增強(qiáng)，一旦膜絲通量下降，用簡單的反沖洗即可基本恢復(fù)原通量，節(jié)省清洗及反沖洗用水，設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用低、低壓操作、能耗低、尤其適用于各種工業(yè)廢水、城市廢水、含油廢水、中水回用、飲用水處理及食品、醫(yī)藥、生化、化工、石化等行業(yè)濃縮、提純及特種分離用。截留分子量67000聚偏氟乙烯（PVDF）材質(zhì)親水性超濾膜強(qiáng)度較好、韌性高、耐氧化性能優(yōu)良、耐污染程度高，一旦污染使通量下降，用干凈的水反洗或氣水反洗，通量基本可恢復(fù)原通量，耐酸堿程度較好，PH2-12，適用于各種工業(yè)廢水、城市廢水、污水、含油廢水、中水回用及生化、醫(yī)藥、化工等行業(yè)特種分離用，是近幾年來污水工程上應(yīng)用比較多的MBR的主要過濾材料，可做成柱狀的中空纖維式及簾式。截留分子量30000-100000。聚醚砜與聚偏氟乙烯（PES/PVDF）合金膜該種合金膜綜合了聚醚砜（PES）與聚偏氟乙烯（PVDF）兩種膜材料的優(yōu)點(diǎn)，既具有聚醚砜強(qiáng)度高、耐酸堿范圍廣、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，同時又具有PVDF耐化學(xué)物質(zhì)，耐氧化、耐污染、易清洗的特點(diǎn)，是目前國內(nèi)外技術(shù)含量水平較高的一種新式膜材料，尤其適用于各種工業(yè)廢水、污水、含油廢水、中水回用及生化、醫(yī)藥、化工、石化、食品等行業(yè)，亦可用作柱狀中空纖維式或簾式MBR的膜材料，纖維絲內(nèi)徑即流體通道直徑可達(dá)，可有效延長藥洗及清洗周期。截留分子量67000.聚氯乙烯超濾膜（PVC合金膜）這種材料制造的超濾膜具有優(yōu)良的機(jī)戒強(qiáng)度和耐化學(xué)腐蝕性，材料來源廣泛,成本低，可以做出適用于飲用水處理的超濾膜。超濾在水處理中的應(yīng)用以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力，以超濾膜為過濾介質(zhì)。在一定的壓力下，當(dāng)水流過膜表面時，只允許水及比膜孔徑小的小分子物質(zhì)通過，達(dá)到溶液的凈化、分離、濃縮的目的。超濾的切割分子量通常從幾千到幾萬甚至十萬以上，對有機(jī)物的去除與超濾的孔徑關(guān)系極大。在常規(guī)水處理后，超濾可作為一種飲用水的深度處理的方法，工業(yè)廢水處理中也得到較廣多的應(yīng)用。膜分離技術(shù)應(yīng)考慮的問題濃差極化:濃差極化是指在超濾過程中，由于水透過膜而使膜表面的溶質(zhì)濃度增高．在濃度梯度作用下，溶質(zhì)與水以相反方向向本體溶液擴(kuò)散，在達(dá)到平衡狀態(tài)時，膜表面形成一溶質(zhì)濃度分布邊界層。它對水的透過起著阻礙作用．所以濃差極化會降低膜的透水濾。為了減少濃差極化，通常采用錯流操作。這種操作是使懸浮液在過濾介質(zhì)表面作切向流動，利用流體的剪切作用將過濾介質(zhì)表面的固體移走。當(dāng)移走固體的數(shù)率固體的沉降數(shù)率相等時，過濾速度就近似恒定。污染：由于溶質(zhì)與膜的相互作用而在膜表面和孔內(nèi)吸附，或因濃差極化，在膜表面溶質(zhì)濃匿逼過和濃度而在膜表面產(chǎn)生沉淀或結(jié)晶，形成“凝膠層”引起膜性能變化的現(xiàn)象。這是一個不可逆約過程。通常它受到膜的化學(xué)特征、蛋白質(zhì)種類、溶液的PH值、無機(jī)鹽濃度、溫度等因素的影響。膜的污染被認(rèn)為是超濾過程中的主要障礙。膜的清洗在任何膜分離技術(shù)應(yīng)用中，都會碰到膜污染問題，即膜透水量隨運(yùn)行時間增長而下降。清洗的方法通?？煞譃槲锢矸椒ㄅc化學(xué)方法。物理方法一般指用高速流水沖洗?；瘜W(xué)清洗通常是用化學(xué)清洗劑（如稀堿、稀酸、醇、表面活佐劑、絡(luò)合劑和氧化劑等）對膜迸行清洗。在某些應(yīng)用中．溫水清洗即可基本恢復(fù)初始透水濾（如多糖）反滲透采用的中空纖維中空纖維反滲透組件反滲透膜以成膜材料分主要有纖維素脂類膜和非纖維素脂類膜兩大類。1）CA膜：由乙?；繛?9.8%或置換度的醋酸纖維素作骨架制成2）芳香族聚酰胺膜：美國杜邦公司的“B-9”和“B-10”中空纖維件。CA膜（醋酸纖維素膜）聚酰胺復(fù)合膜1．不可避免地會發(fā)生水解，脫鹽率會下降化學(xué)穩(wěn)定性好，不會發(fā)生水解，脫鹽率基本不變2．脫鹽率95%，逐年遞減脫鹽率高，>98%3．易受微生物侵襲生物穩(wěn)定性好，不受微生物侵襲4．只能在pH值4~7范圍內(nèi)運(yùn)行可在pH值3~11范圍內(nèi)運(yùn)行5．在運(yùn)行中膜會被壓緊，因而產(chǎn)水量會不斷下降膜不會被壓緊，因而產(chǎn)水量不變6．膜透水速度較小，要求工作壓力高，耗電量也較高膜透水速度高，故工作壓力低，耗電量也較低7．膜使用壽命一般為3年一般使用5年以上性能基本不變8．價格較便宜抗氯性較差，價格較高反滲透和納濾在水處理中的應(yīng)用反滲透的原理滲透現(xiàn)象與滲透壓（VantHoff公式）C——溶液的物質(zhì)的量的濃度（mol/m3）i——系數(shù)海水i=1.8R——?dú)怏w常數(shù)T——絕對溫度對于海水，可以算出π=2.5MPa，在咸水一側(cè)加壓P，當(dāng)P＞π，實(shí)現(xiàn)反滲透反滲透海水淡化工藝流程反滲透在水處理中的應(yīng)用依靠反滲透膜在壓力下使溶液中的溶劑與溶質(zhì)進(jìn)行分離的過程。美國最早用于將航天員的尿液回收為純水。醫(yī)學(xué)界還以反滲透法的技術(shù)用來洗腎（血液透析）。水處理中主要用于工業(yè)上已應(yīng)用于海水脫鹽，超純水制備，受到無機(jī)污染的地下水，小區(qū)直飲水生產(chǎn)及工業(yè)廢水處理等。長期飲用反滲透生產(chǎn)的飲用水對人體健康不利。納濾在水處理中的應(yīng)用