给水处理概论 一.给水水质指标 1.物理指标 （1）浊度 （2）悬浮物 （3）臭和味 2.化学指标 （1）杂质或污染物质的单项指标 （2）无机特性的综合指标 （3）有机污染物的综合指标 3.微生物指标 4.放射性指标 二.水质标准 1.生活饮用水水质标准 （1）饮用水水质项目大为增加，从原35项增加到96项 （2）把检测项目分为常规检测项目（34项）和非常规检测项目（62项） （3）提高了对浊度的要求 （4）在饮用水常规检测项目中增加了耗氧量（高锰酸盐指数）：耗氧量（以O2计）不超过3mg/L，特殊情况下不超过5mg/L。 （5）在无机物、有机物单项项目的选择和限制的确定上，既借鉴国外标准（WHO、欧盟、美国），又考虑中国国情。 （6）重视消毒剂和消毒副产物的危害，从原有的1项，增加到13项。 （7）对部分原有项目的限制提出更严格的要求，共4项：浊度、铅、镉、四氯化碳。 （8）增加了粪性大肠菌群的项目。 2.工业用水水质标准 3.其他重要水质标准 （1）地表水环境质量标准 （2）其他水质标准 三.给水处理的基本方法与基本工艺 1.给水处理的基本方法 （1）去除颗粒物 方法有：混凝、沉淀、澄清、气浮、过滤、筛滤（格栅、筛网、微滤机、滤网滤芯过滤器等）、膜分离（微滤、超滤）、沉砂（粗大颗粒的沉淀）、离心分离（旋流沉砂）等 （2）去除、调整水中溶解（无机）离子、溶解气体的处理方法 处理方法有：石灰软化、离子交换、地下水除铁除锰、氧化还原、化学沉淀、膜分离（反渗透、纳滤、电渗析、浓差渗析等方法）、水质稳定（水中溶解离子的平衡，防止结垢和腐蚀等，详见本书第五章）、除氟（高氟水的饮用水除氟）、氟化（低氟水的饮用水加氟）、吹脱（去除游离二氧化碳、硫化氢等）、曝气（充氧）、除气（锅炉水除氧等）等 （3）去除有机物的处理方法 方法有：粉状炭吸附、原水曝气、生物预处理、臭氧预氧化、高锰酸钾预氧化、过氧化氢预氧化、预氯化、臭氧氧化、活性炭吸附、生物活性炭、膜分离、大孔树脂吸附（用于工业纯水、高纯水制备中有机物的去除）等 （4）消毒方法 方法有：氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒、电化学消毒、加热消毒等 （5）冷却方法 2.给水处理的基本工艺 饮用水处理的工艺分成：（1）饮用水常规处理工艺 （2）在饮用水常规处理工艺的基础上，增加预处理和（或）深度处理的饮用水处理工艺 （3）其他特殊处理工艺 混凝 一.胶体的基本性质 1.胶体的特性 水中杂质按其颗粒大小，可以分成为溶解物、胶体颗粒和悬浮物三大类。 分散颗粒 溶解物 胶体颗粒 悬浮物  颗粒尺寸 <0.1nm 1～100nm(或100nm) >0.1um(或1um)  典型物质 无机离子、小分子有机物等 细小黏土颗粒、高分子有机物、腐质酸、病毒、细菌等 黏土、粉砂、细菌等  溶液体系 真溶液（透明） 胶体溶液（混浊）   2.胶体的结构 3.胶体的稳定与凝聚 二.铝盐铁盐混凝剂在水中的反应 1.水解反应 Al3++H2O→Al(OH)2++H+ Al(OH)2++H2O→Al(OH)2++H+ Al(OH)2++ H2O→Al(OH)3↓+H+ 2.缩聚反应 2[Al(OH)]2+→[Al2(OH)2]4++ 2H2O 三.水的混凝机理与混凝过程 1.混凝机理 （1）压缩双电层 （2）吸附电中和 （3）吸附架桥（4）沉淀物的卷扫或网捕 2.混凝过程 在水处理中，混凝的工艺过程实际上分为“凝聚”与“絮凝”两个过程，对应的工艺或设备称为“混合”与“反应”。 （1）凝聚 在水处理工艺中，凝聚主要指加入混凝剂后的化学反应过程（胶体的脱稳）和初步的絮凝过程。 （2）絮凝 絮凝是指细小矾花逐渐长大的物理过程。 3.混凝动力学 （1）速度梯度 令 式中G—速度梯度，s-1; du—相邻两水层中水流（颗粒）同向运动的速度差； dy—相邻两水层垂直与水流方向和距离。 推导G的计算公式：  式中：F—两层水流间的摩擦阻力； A—两层水流间的接触面积 μ—水的动力粘度  式中p—对单位体积水体的搅拌功率，W/m3。 得  （2）速度梯度计算 对于机械搅拌，对单位容积水体的搅拌功率为:  式中N—电机功率，KW; η1――搅拌设备机械效率，约为0.75； η2――传动系统的效率，0.6～0.9； η总――总效率，0.5～0.7。 对于水力搅拌，水流对液体所作的功即为水流的水头损失。  式中Q—流量，m3/s; 水的密度（约为1000kg/m3） h—流过水池的水头损失，m; T—水力停留时间，s; g—重力加速度，9.81m/s2。 混凝过程的动力学控制参数如下： 对于混合池：G=500～1000s-1 T=10～30 对于絮凝反应池：G=20～70s-1 GT=104～105 四.混凝剂与助凝剂 1.混凝剂 （1）硫酸铝 Al2O3的含量不小于15.6％，液体产品中Al2O3的含量不小于7.8％，适宜PH值为5.5～8，最佳范围6.5～7.5。 （2）聚合氯化铝 [Al2(OH)nCl6-n]m,式中m 为聚合度，通常m≤10，n＝3～5。Al2O3的含量不小于32％和29％，液体产品Al2O3的含量不小于12％和10％，适宜PH值为5～9。 （3）三氯化铁 PH值的适应范围（5～11） （4）硫酸亚铁 （5）聚合硫酸铁 化学式为[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m,式中n<2,m=f(n)。PH值范围为5～11，最佳范围6～9。 （6）其他 复合式药剂，如聚合铝铁，聚合铝硅，混凝复合药剂 2.助凝剂 （1）活化硅酸 （2）聚丙烯酰胺 （3）石灰 （4）其他 3.混凝药剂的投加 （1）投加量确定 （2）投配系统 （3）混凝药剂投加的自动控制 1）数学模型法 2）现场模拟试验法 3）特性参数控制法 五.混合设备 混合时间一般10～30s，速度梯度500～1000s-1。 1.机械混合 水力停留时间为1～2min,平均速度梯度500s-1左右。 2.水力混合 （1）管式静态混合器 （2）压力水管混合 （3）其他 有：跌水混合、漩流混合等。 六.絮凝反应池 絮凝反应池的水力停留时间一般为10～30min，GT值在104～105 1.机械搅拌 总的水力停留时间一般为15～20min，桨板边缘处的线速度从第一级的0.5m/s降到最后一级的0.2m/s。 2.水力搅拌 （1）隔板反应池 起端流速一般为0.5～0.6m/s，末端流速一般为0.2～0.3m/s,水力停留时间20～30min，总的水头损失0.3～0.5m。 （2）折板反应池 各段的流速可分别为：第一段：0.25～0.35m/s; 第二段：0.15～0.25m/s; 第三段：0.10～0.15m/s。 水力停留时间较短，一般为6～15min。 （3）其他形式的反应池 3.不同形式絮凝池的组合使用 （1）往复式隔板与回转式隔板组合 （2）机械反应与隔板反应组合 七.影响混凝效果的因素 1.水温 2.浊度与悬浮物 3.水的PH值 沉淀 一.颗粒沉淀特性 1.沉淀分类 （1）自由沉淀 （2）絮凝沉淀 （3）拥挤沉淀 （4）压缩沉淀 2.离散颗粒沉淀速度 （1）颗粒沉速公式 对于Re<1的层流区，有stokes公式： 对于1≤Re≤1000的过渡区，有Allen公式： 对于Re>1000的紊流区，有Newton公式： 式中 Re—雷诺数， u—颗粒沉速， d—颗粒直径； μ――水的动力粘度； ρ――水的密度； ρs――颗粒的密度 g――重力加速度 二.理想沉淀池特性分析 1.理想沉淀池的构成 在理想沉淀池中，对沉淀过程的基本假设是： （1）沉淀过程属于离散颗粒的自由沉淀，在沉淀过程中各颗粒的沉速不变； （2）理想沉淀池中的水从左向右水平流动，进水均匀分布在整个过水断面上（AC断面）在池中各点水流速度均为v; （3）在沉淀过程中，各颗粒的水平运动分量等于水流的水平流速v； （4）颗粒沉到池底（CD线）就算已被去除。 2.理想沉淀池对颗粒的去除率 理想沉淀池对水中悬浮颗粒的总的去除率为： 3.理想沉淀池中特定颗粒沉速与表面负荷的关系 在理想沉淀池中：    式中 t0—沉淀池的水力停留时间； B—池宽； A—沉淀池的表面面积； Q—水的流量； q0—沉淀池的表面负荷，也称为过流率，即单位时间内单位池表面面积所处理的水量。 三.沉淀池的基本结构与基本设计参数 1.基本结构  （1）进水区与进水穿孔花墙 （2）沉淀区 （3）出水区与出水堰 （4）缓冲层、污泥区与排泥装置 沉淀池排泥系统： 1）多斗池底重力排泥 2）穿孔管重力排泥 3）机械排泥 2.沉淀池基本设计参数 对于采用混凝沉淀工艺的饮用水处理，沉淀池特定颗粒沉速设计值一般为u0=0.3～0.6mm/s。根据原水情况，又可采用以下设计数据： （1）对于原水浊度<250NTU,u0=0.35～0.45mm/s(相当于；q0=1.26～1.62m3/(m2h)) (2)对于原水浊度>250NTU,u0=0.5～0.6mm/s(相当于；q0=1.80～2.16 m3/(m2h)) 四.沉淀池 1.平流式沉淀池 对平流式沉淀池的有关要求： （1）沉淀池的长度与宽度之比不得小于4，长度与深度之比不得小于10，以保证断面水流均匀。 （2）平流式沉淀池的水力停留时间一般为1.0～3.0h； （3）池中水平流速一般为10～25mm/s； （4）沉淀池的有效水深一般采用3.0～3.5m; (5)沉淀池的每格宽度（或导流墙间距）一般为3～8m，最大不超过15m。 衡量平流式水力状态的参数：弗劳德数Fr一般在1×10-4～1×10-5,，雷诺数Re一般在4000～15000。 2.斜板（管）沉淀池 (1)斜板（管）沉淀池的优点：停留时间短、沉淀效率高、占地省等。 缺点是： 1）运行中斜板（管）中易产生积泥和藻类滋生问题，需定期放空对斜板进行冲洗，积泥过多还易发生斜板压塌事故； 2）斜板（管）材料的费用高 3）因水流在斜板之间停留时间极短（几分钟），斜板沉淀池的缓冲能力及稳定性较差 （2）斜板沉淀池产水量的计算： 斜板沉淀池的表面负荷u0= 式中 A斜――各斜板总的水平投影面积之和； n—斜板数； B—斜板宽度（池宽）； l—斜板长度； θ――斜板倾角。 在设计斜板沉淀池时应考虑乘以斜板效率系数η斜，η斜通常取0.6～0.8。 斜板沉淀池的产水量计算公式为：  斜板沉淀池的产水流量为与水流垂直的过水断面面积乘以流速： 即 把v代入前式并整理，可以得到导向流斜板沉淀池产水量的计算式：  A原――斜板沉淀池的池表面面积，等于池的长度*宽度。 同向流斜板沉淀池的计算公式为： 异向流斜板沉淀池，在采用常用斜板结构数据的条件下，一般可采用q斜＝9.0～11.0m3/(m2·h). (3) 异向流斜(管)板沉淀池 在给水处理中，异向流斜板沉淀池宜用于进水浊度长期低于1000NTU的原水，斜板（管）沉淀区的液面负荷，应按相似条件下的经验确定，一般可采用9.0～11.0 m3/(m2·h)。 斜板部分常用的数据是：斜板长度l=1m,倾角为60度，板间距（或管径）30～50mm。沉淀池斜板管下面的配水区高度不宜小于1.5m，斜板管上面的清水区保护高度一般不宜小于1.0m。 （4）同向流斜板沉淀池 同向流的斜板数据一般采用：板间距35mm，斜板的上部为沉淀区斜板，斜板长度l=2.0～2.5m,倾斜角为40度；斜板的下部为排泥区斜板，斜板长度不小于0.5m，倾斜角为60度。 同向流斜板沉淀池沉淀区的液面负荷一般为30～40 m3/(m2·h)。 （5）侧向流斜板沉淀池 给水处理中侧向流斜板沉淀池的数据是：斜板的结构尺寸一般为倾斜角50～60，板间距50～80mm，斜板内的水平流速一般采用v=10～20mm/s；侧向流斜板体的容积负荷约为8～10 m3/(m2·h). 3.竖流式沉淀池 4.福流式沉淀池 五.澄清 1.澄清池工作原理 在澄清池中通过机械或水力作用悬浮保持着大量的矾花颗粒，其浓度一般在每升几克，进水中经混凝剂脱稳的细小颗粒与池中保持的大量矾花颗粒发生接触凝聚反应，被直接黏附在矾花上，然后再在澄清池的分离区与清水分离。 2.机械搅拌澄清池 水在机械搅拌澄清池中的总停留时间可采用1.2～1.5h。第一反应室和第二反应室的水力停留时间一般控制在20～30min，其中第二反应室按计算流量的停留时间是30～60s。u0=0.8～1.1mm/s。 3.脉冲澄清池 脉冲澄清池的脉冲周期一般为30～40s，其中充水与放水的时间比为3：1～4：1。清水区的上升流速一般可以采用0.7～1.0mm/s，悬浮层高度和清水区高度各为1.5～2.0m。 六.气浮 1.气浮原理 原理是在水中加入大量的微小气泡，并使其黏附在颗粒上，共同快速上浮，从而大大加快了颗粒的分离速度。 2.气浮池 表面负荷一般采用5.4～9 m3/(m2·h) (u0=1.5～2.5mm/s),回流比为5％～10％。 3.浮沉池 浮沉池斜板区液面负荷一般采用10 m3/(m2·h)左右。 过滤 一.过滤原理 1.过滤技术分类 （1）表层过滤 表层过滤的颗粒去除机理是机械筛除。 （2）深层过滤 深层过滤颗粒去除的主要机理是接触凝聚，即颗粒的去除是通过水中悬浮颗粒与滤料颗粒进行了接触凝聚，水中颗粒附着在滤料颗粒上而被去除。 石英砂滤料的规格是：d=0.5～1.2mm,滤层厚度700mm。 2.深层过滤的机理 (1)迁移 在滤料层孔隙中随水流动的小颗粒在下列作用下可以与滤料颗粒的表面进行接触，这些作用有：拦截、重力沉降、惯性、扩散、水动力作用等。 （2）附着 颗粒之间存在的附着力的作用下，水中颗粒被附着截留下来。 二.滤池的运行 1.滤池的运行周期 （1）过滤状态 正向过滤，反向过滤，双向过滤，辐流过滤。 滤池的设计最大水头损失（滤池的最高水位与滤后水出水堰之间的高差）一般为2～2.5m，滤池的过滤周期一般在12～24h。 （2）反冲洗状态 1）单独用水反冲洗 2）水反冲洗加表面辅助冲洗 3）气水联合反冲洗 滤料层的膨胀率一般需达到40％～50％，一般需要冲洗5～7min，加上冲洗前后的操作过程，整个反冲洗过程用时一般约为10min。 反冲洗用水采用过滤后的清水，由反冲洗水塔或反冲洗水泵提供，所用水量一般占过滤水量的5％左右。 滤间正在反冲洗和检修而停止进水期间，由于上游来水水量不变，因此正在运行的各滤间的进水流量将略有增加，水量为正常运行时的n/(n-1)倍，池中滤速也相应增加。此时的滤速为强制滤速。 2.滤池过滤的运行方式 变水头恒速过滤； 恒水头恒速过滤； 减速过滤 （1）变水头恒速过滤 变水头恒速过滤是滤池运行的一种主要方式，其滤池结构特点是进水口的水位高于滤池中的最高水位，一般采用进流堰进水，每格滤间的进水流量基本相等。 （2）恒水头恒速过滤 与变水头恒速过滤不同相比，恒水头恒速过滤的进水口是在滤池水面以下，以淹没式进流。 （3）减速过滤 减速过滤的滤速在过滤周期中是逐渐降低的。 三.滤料 1.滤料的材质与规格 （1）滤料材质 1）适当的尺寸、形状、级配或均匀度； 2）有一定的机械强度，使用中的磨损率低； 3）有良好的化学稳定性，不得溶出对人体健康有害的物质； 4）价格便宜。 （2）滤料规格 1)最小粒径（dmin）与最大粒径（dmax） 若d=0.5～1.2mm,即dmin=0.5mm,dmax=1.2mm。 2）滤料的有效粒径d10 滤料中小于该粒径的颗粒的重量占滤料总重量的10％。 3）滤料的不均匀系数K80  式中 d10—滤料中小于该粒径的颗粒的重量占滤料总重量的10％。 d80—滤料中小于该粒径的颗粒的重量占滤料的总重量的80％。 K80代表了滤料的不均匀程度。越大，表示粗细颗粒分布越大，对于过滤和反冲洗越不利。 K80越接近与1，滤料的大小越均匀，过滤和反冲洗的效果越好。 4）其他粒径表示法，如当量粒径、中位粒径、平均粒径等 2.水处理常用滤料 （1）石英砂滤料 1）粒径dmin=0.5mm,dmax=1.2mm,K80<2.0; 2）滤料层厚度h=700mm; 3)正常滤速v=8～10m/h,强制滤速v强＝10～14m/h; 4)反冲洗强度q=12～15L/(sm2),反冲洗膨胀率约45％，冲洗时间7～5min. （2）无烟煤石英砂双层滤料 1）上层为无烟煤滤料，粒径dmin=0.8mm,dmax=1.8mm,K80<2.0,厚度h=300～400mm; 2）下部为石英砂滤料，粒径dmin=0.5mm,dmax=1.2mm,K80<2.0,厚度h=400mm 3)正常滤速v=10～14m/h,强制滤速v强=14～18m/h; 4)反冲洗强度q=13～16L/(sm2),反冲洗膨胀率约50％，冲洗时间8～6min。 （3）均质滤料 均质滤料的含义是指使滤料层中上下颗粒分布均匀的滤料。 基本运行参数： 1）有效粒径d10=0.95～1.35mm,K60<1.6; 2）滤料层厚度h>950mm,一般在1000～1500mm; 3)设计滤速v=8～15m/h; 4)反冲洗步骤为：先气擦洗1～2min，再气水共同冲洗4～3min，最后水冲洗4～3min; 5）气冲洗的空气冲洗强度13～17L/(s·m2);水冲洗强度在气水共同冲洗时为3～4.5 L/(s·m2)，最后水冲洗时强度为4～6 L/(s·m2)；表面横向扫洗强度为1.4～2.3 L/(s·m2)。 （4）其他滤料 1）三层滤料 2）纤维球滤料 3）聚苯乙烯泡沫滤料 4）锰砂滤料 四.滤池的基本构造 滤池由滤料层、承托层、配水系统、冲洗排水槽、集水渠等部分组成。 1.滤料层 2.配水系统和承托层 （1）大阻力配水系统 穿孔管上总的开孔率（孔口面积与滤池面积之比）很低，为0.20％～0.28％，在反冲洗时孔口流速v=5～6m/s,产生较大的水头损失，约为3～4m左右，孔口水头损失远高于配水系统中各孔口处沿程损失的差别，由此相对消除了滤池中各孔口位置不同对配水均匀性的影响，实现了配水均匀。大阻力配水系统单池的面积最大可到100m2左右。 孔口直径为9～12mm,布置在与中垂线45度角的下侧，交错排列。各层的粒径时16～32mm、8～16mm、4～8/2～4,各层厚度100mm。 大阻力配水系统滤池的反冲洗水由反冲洗水塔或反冲洗水泵提供，总的反冲洗水头6～8m。 优点时：其配水均匀性好，单池面积大（可到100m2左右），基建造价低，工作可靠。 不足之处：需单设反冲水塔或水泵，反冲洗所需水头大、能耗高。 （2）小阻力配水系统 开孔率一般在1.0％～1.5％，反冲洗水头只需1m左右。 优点：不需设置反冲洗水塔或水泵，反冲洗水头小，动力费省，易于实现滤池自动化运行。 不足：单池面积小（最大约50m2左右），且基建费较高。 中阻力配水系统，开孔率在0.6％～0.8％，配水系统多用双层滤砖。 3.反冲洗排水系统 （1）冲洗排水槽 设计要求： 1）池面的反冲废水应自由跌落入冲洗排水槽，槽中水面以上要有一定保护高； 2）单位排水槽长度的服务面积应相等，槽面水平（误差在2mm以内），槽间距不得过大（一般为1.5～2.0m）； 3）排水槽的底应略高于滤料层膨胀后的高度； 4）冲洗排水槽的出水应自由跌落入集水渠。 （2）集水渠 4.辅助系统 （1）反冲洗水塔与水泵 采用大阻力配水系统的滤池所需的反冲洗水头（H0）约为7～8m，包括 1）从水塔或水泵至滤池的管道中的水头损失（设计计算时可先按1m考虑）； 2）滤池配水系统的水头损失（主要为孔口损失，大约为3～4m）； 3）承托层的水头损失（约0.15m）; 4）使滤料层膨胀的水头损失（约0.7m）; 5）备用水头（1.5～2.0m）等。 反冲洗水泵在滤池冲洗时直接从清水池中抽水进行反冲洗。反冲洗水泵的扬程H为：  式中 H0――反冲洗水头； He――滤池冲洗排水槽槽顶与清水池最低水位之间的高程差。 该系统的投资省，但操作较麻烦，且水泵较大，反冲洗期间用电量明显增大。反冲洗水塔的容量按一个滤间冲洗用水量的1.5倍设置，反冲洗水塔的池底与滤池冲洗排水槽槽顶的高程差按反冲洗水头H0设置。 （2）管廊 （3）滤池控制系统 对滤池的过滤与反冲洗工控进行自动控制的基本形式有： 1）水力控制； 2）时间程序控制； 3）以上两者的结合 （4）表面冲洗装置 滤池的表面冲洗装置是在砂面以上50～70mm处设置穿孔管。 五.滤池 1.普通快滤池 滤池单池面积小于100m2，一般在20～50m2，滤池池深一般为3.2～3.6m。过滤方式为几个滤间为一组的恒水头恒速过滤（需控流阀）或减速过滤。 2.双阀滤池 3.虹吸滤池 6-8个滤间组成一个系统，过滤运行方式为变水头恒速过滤，冲洗前的最大水头损失一般采用1.5m。 4.重力式无阀滤池 变水头恒速过滤，最大过滤水头一般采用1.5m。 5.移动罩滤池 设计过滤水头可采用1.2～1.5m。 6.均质滤料滤池 7.压力滤罐 滤料厚度一般为1.0～1.2m，最终允许水头损失一般可达5～6m。 消毒 一.消毒概论 1.消毒目的 饮用水消毒的目的是杀灭水中对人体健康有害的绝大部分病原微生物，包括病菌、病毒、原生动物的胞囊等，以防止通过饮用水传播疾病。 细菌总数≤100CUF/mL,总大肠菌群和粪便大肠菌群每100ml水样中不得捡出（此外还有剩余消毒剂浓度的指标）。 2.消毒方法 （1）氯消毒 对于受到有机污染（包括天然的腐殖质类污染、生活污染、工业污染等）的水体，加氯消毒可以产生对人体有害的卤代消毒副产物，如三卤甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）等物质。 （2）二氧化氯消毒 （3）臭氧消毒 （4）紫外线消毒 3.消毒剂的投加点 1）清水池前投加的消毒主工序； 2）调整出厂水剩余消毒剂浓度的补充投加（在二泵站处）； 3）控制输水管渠和水厂构筑物内菌藻生长的水厂取水口或净水厂入口的预投加； 4）配水管网中的补充投加等。 二.氯消毒 1.氯消毒的原理 氯灭活微生物的机制包括：氯能氧化损坏细胞膜，使其渗透性增加，导致细胞内物质如蛋白质、RNA、DNA的漏出，影响钾的吸收和保留；氯进入细胞质后，能破坏干扰多种酶系统，并可损坏基因组，使细胞丧失生理能力。 饮用水消毒通常以大肠杆菌作为肠道微生物的指示菌，衡量消毒处理的效果。 对于不含氨的水，向水中加入氯后立即产生以下反应： Cl2+H2O→HOCl+H++Cl- 所生成的次氯酸（HOCL）是弱酸，在水中部分电离成次氯酸根和氢离子。 HOCl?OCl-+H+ 水中HOCl和OCl-的比例与水的PH值和温度有关。 HOCl和OCl-都被计入，称为是游离性氯或自由性氯。 天然水体中一般含有少量的氨氮。加氯产生的HOCL会与氨氮反应，生成氯胺： NH3+HOCl?NH2Cl+H2O NH2Cl+HOCl?NHCl2+H2O NHCl2+HOCl?NCl3+H2O 氯胺的存在形式同氯与氨的比例和水的PH值有关。在Cl2:NH3的重量比≤5：1、PH值在7～9的范围内，水中氯胺基本上为一氯胺。在Cl2:NH3的重量比≤5：1、PH值为6的条件下，一氯胺仍占优势（约80％）。三氯胺只在水的PH值小于4.5的条件下才存在。 氯胺的灭活微生物的机理类似于氯，能破坏膜的完整性，从而能影响膜的渗透性和微生物的呼吸，并能对细胞的重要代谢功能造成不可逆的损害。氯胺被计为化合性氯。 游离氯和化合性氯都具有消毒功能，两者之和称为有效氯。经一定接触时间后水中剩余的有效氯称之为余氯。余氯又可划分为游离性余氯和化合性余氯。 2.加氯量 水与氯应充分混合，其接触时间不应小于30min,氯胺消毒的接触时间不应小于2h。我国《生活饮用水卫生标准》和《生活饮用水卫生规范》都规定：水中游离性余氯的浓度，在与水接触时间30分钟后应不低于0.3mg/L,管网末梢水不应低于0.05mg/L。 3.氯消毒工艺 （1）折点氯化法 生活饮用水水源水标准规定，水源水中氨氮的最大允许浓度为0.5mg/L。 （2）氯胺消毒法 1）先氯后氨 的氯胺消毒法 一般采用液氨瓶加氨，Cl2与NH3的重量比为3：1～6：1，使水中游离性余氯转化为化合性余氯，以减少氯味和余氯的分解速度。 2）化合性氯的氯胺消毒法 4.加氯设备 （1）加氯机 （2）氯瓶 三.二氧化氯消毒 1.二氧化氯消毒原理 2.二氧化氯制备 （1）亚氯酸钠加氯制取法： Cl2+H2O→HOCl+HCl 2NaClO2+HOCl+HCl→2ClO2+2NaCl+H2O 即总的反应式为2NaClO2+Cl2→2ClO2+2NaCl （2）亚氯酸钠加酸制取法 利用亚氯酸钠在酸性条件下生成二氧化氯的特性，加入盐酸或硫酸来制备，其反应 5NaClO2+4HCl→4ClO2+5NaCl+2H2O 或10NaClO2+4H2SO4→8ClO2+4Na2SO4+2NaCl+4H2O （3）氯酸钠盐酸复合式二氧化氯制取法 该法以氯酸钠和盐酸为原料，反应生成二氧化氯和氯气的混合气体，二氧化氯与氯气的摩尔比为2：1，其反应式为： NaClO3+2HCl→ClO2+0.5Cl2+NaCl+H2O （4）电解法二氧化氯发生器 （5）稳定型二氧化氯溶液 3.二氧化氯消毒的优点 二氧化氯消毒的优点是：对细菌和病毒的消毒效果好；在水的PH值为6～9的范围内消毒效果不受PH值的影响；不与氨反应，当水中存在氨时不影响消毒效果；二氧化氯在水中的稳定性次于氯胺，但高于游离氯，能在管网中保存较长时间，起剩余保护作用；二氧化氯既是消毒剂，又是强氧化剂，对水中多种有机物都有氧化分解作用，并且不生成三卤甲烷等卤代消毒副产物。 但是二氧化氯的费用很高，这在很大程度上限制了该法的使用。 地下水除铁除锰 一.含铁含锰地下水 我国饮用水水质标准规定，铁≤0.3mg/L,锰≤0.1mg/L。 二.地下水除铁除锰原理 1.除铁原理 （1）二价铁氧化成三价铁的反应式为Fe2++[O]→Fe3+ 氧化成的三价铁将作为氢氧化铁固体从水中析出：Fe3++H2O→Fe(OH)3↓+3H+ （2）二价铁的空气氧化 对于含铁的地下水，可以通过曝气，利用空气中的O2将Fe+2氧化成Fe+3，后者再与水中的氢氧根作用形成Fe(OH)3沉淀析出物而被过滤去除。 4Fe2++10H2O→4Fe(OH)3↓+8H+ 每氧化1mg/L的二价铁，理论上需氧2×16/(4×55.8)=0.14mg/L。生产中实际需氧量远高于此值。 （3）铁的药剂氧化 用作地下水除铁的氧化药剂主要为氯。 Cl2+H2O→HOCl+H++Cl- 2Fe2++HOCl→2Fe3++Cl-+OH- 按此理论反应式，每氧化1mg/L的Fe2+理论上需要2×35.5/(2×55.8)=0.64mg/L的Cl2。 2.除锰原理 （1）技术原理 Mn2++[O]→MnO2↓ （2）锰氧化的需氧量 二价锰与氧反应的反应式为：2Mn2++O2+2H2O→2MnO2↓+4H+ 理论上，每氧化1mg/L的Mn2+需要2×16/(2×54.9)=0.29mg/L的氧。 二价锰与氯反应的反应式为：Cl2+H2O→HOCl+H++Cl- Mn2++HOCl+H2O→MnO2↓+Cl-+3H+ 理论上，每氧化1mg/L的Mn2+需要2×35.5/54.9=1.29mg/L的氯。 三.地下水除铁除锰工艺与设备 1.处理方法 （1）原水曝气――接触氧化过滤法 曝气方法可使用射流曝气、跌水曝气、压缩空气曝气、穿孔管或莲蓬头曝气等。 适用于含铁量小于5mg/L（北方地区<2mg/L），含锰量小于1.5mg/L的原水，或是含铁量再高，但不含锰的水。 对于较高铁锰原水，应适当降低滤速或增加滤层厚度，必要时采用二级过滤。 （2）原水曝气――氧化――过滤法 （3）药剂氧化――过滤法 （4）其他 1）锰沸石过滤吸附法 2）充氧回灌地下水层除铁除锰 2.处理工艺流程 （1）原水只含铁不含锰的除铁工艺 1）曝气单级接触氧化工艺 该工艺适用于原水中含铁量较低的条件。 2）曝气氧化过滤工艺 当处理水量较大，含铁量较高，或是要求充分曝气，以排出CO2，大幅度提高PH值时，有必要独立设置较大型的曝气装置，如曝气塔、叶轮式表面曝气装置等。 （2）原水铁锰共存的除铁除锰工艺 1）曝气单级接触氧化过滤工艺 适用于原水含铁量<5mg/L（北方地区<2mg/L），含锰量<1.5mg/L。 2）曝气二级接触氧化过滤工艺 适用于原水含铁量>5mg/L（北方地区<2mg/L），含锰量>1.5mg/L。 3)原水――氧化――二级压力过滤工艺 适用于原水含铁量5～10mg/L，含锰量1～3mg/L。 3.曝气设备 （1）水射器曝气 可用于原水中铁锰含量较低的小型给水系统。 （2）跌水曝气 适用于水中铁锰含量较低 （3）穿孔管或莲蓬头喷淋曝气 适用于原水含铁量小于10mg/L. （4）曝气塔 适用于对曝气要求较高的处理。 （5）叶轮表面曝气 4.过滤设备 滤料可以采用石英砂滤料、无烟煤石英砂双层滤料，或者是锰砂滤料。锰砂滤料dmin=0.6mm,dmax=1.2～2.0mm。除铁除锰的滤料层略厚，一般为800～1200mm。对于原水含铁量>15mg/L的二级过滤工艺第一级过滤宜采用煤砂双层滤料，以提高滤层纳污能力。滤速一般采用5～8m/h,冲洗时间一般10min左右。对于锰砂滤料采用较大的反冲洗强度，d=0.6～1.2mm的锰砂滤料，反冲洗强度18L/(s·m2),膨胀率在30％左右。 水的软化与除盐 一.软化与除盐概述 1.软化与除盐的目的与基本处理方法 去除水中的溶解离子或改变其组成，从而满足某些工业用水或生活用水要求的处理。 (1)软化处理 目的是去除水中产生硬度的钙离子和镁离子。 基本方法是：药剂软化法，离子交换法等 （2）除盐处理 目的是去除水中各种溶解离子，满足中高压锅炉、医药工业、电子工业等的用水要求。 基本方法是：离子交换法，反渗透法、电渗析法、蒸馏法等 2.水中常见溶解离子与软化除盐浓度表示方法 （1）水中常见溶解离子 天然水中所含的溶解性物质包括：溶解的无机离子，少量的溶解气体、微量的溶解性有机物等。天然水中溶解性阳离子主要有：钙离子Ca2+、镁离子Mg2+、钠离子Na+、钾离子K+等。 天然水中溶解性阴离子主要有：重碳酸根离子HCO3-、硫酸根离子SO42、氯离子Cl-等。 （2）硬度的表达方法 水中硬度由钙镁离子构成。 我国现行的水的硬度计量单位是以CaCO3计。例如，生活饮用水水质标准重规定“饮用水的总硬度（以CaCO3计≯450mg/L”。 （3）水的纯度的表达方法 一般用水的导电常数来表示。 水的纯度的表达方法有： 1）电阻率，常用单位：106Ω·cm(106欧姆·厘米) 2）电导率，常用单位：μS/cm(微西门子/厘米) （4）软化除盐计算的离子浓度常用单位 摩尔单位与原来的当量单位完全相同。 阳离子 当量粒子摩尔质量（mg/mmol） 阴离子 当量粒子摩尔质量（mg/mmol） 酸碱盐 当量粒子摩尔质量（mg/mmol）  Ca2+ 40/2=20 HCO3- 61 HCl 36.5  Mg2+ 24/2=12 SO42- 96/2=48 H2SO4 98/2=49  Na+ 23 Cl- 35.5 NaOH 40  K+ 39 CO32- 60/2=30 CaO 56/2=28  H+ 1 OH- 17 CaCO3 100/2=50  （5）水中阴阳离子关系组合图 关系：阳离子同阴离子的正负电荷相平衡，各种阳离子当量粒子摩尔浓度的总和等于各种阴离子当量粒子摩尔浓度的总和。 阳离子按下列顺序与阴离子组合：Ca2+＞Mg2+＞Na+（包括K+）； 阴离子按下列顺序与阳离子组合：CO32-＞HCO3-＞SO42- ＞Cl- 二.药剂软化法 1.石灰软化法 （1）反应原理 属于化学沉淀法，其原理是向水中加入石灰乳，石灰乳是碱性药剂，与水中的重碳酸根发生反应，生成碳酸根。 石灰软化的石灰用量计算公式：[CaO]=[CO2]+[Ca(HCO3)2]+2[Mg(HCO3)2]+[Fe]+a 式中 [ ]――当量粒子摩尔浓度，mmol/L; [Fe]――铁盐混凝剂的投量； a—过量投加石灰，一般为0.2～0.4mmol/L。 （2）特点 1）只能去除碳酸盐硬度，不能去除非碳酸盐硬度； 2）软化后，水中阳离子浓度、阴离子浓度和总含盐量均降低； 3）处理后残余硬度较高 石灰软化法可用于要求较低的软化处理，或是作为离子交换的预处理，适用于较大规模。 （3）石灰软化设备 1）石灰乳配置系统 2）混凝沉淀过滤系统 2.石灰纯碱软化法 用于同时去除水中的碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度的软化处理。 三.离子交换法 1.离子交换法的基本原理 （1）离子交换树脂 离子交换树脂由树脂母体（骨架）和交换基团构成。 （2）离子交换剂的性能指标 主要性能指标： 1）全交换容量，单位mol/g(干树脂) 表示树脂理论上总的交换能力的大小，等于交换基团的总量。 2）工作交换容量，单位：或mol/L,或mol/g(干树脂) 是指树脂在使用中实际可以交换的容量。 3）湿真密度，单位：g/cm3 是指树脂在水中吸收了水分后的密度，用来确定树脂床的反冲洗强度。 4）湿视密度，单位：g/cm3 是指单位体积内堆积的湿树脂重量，用来计算树脂在交换容器中的用量。 5）含水率，单位％ 一般在50％左右。 6）转型膨胀率，单位：％ 是指离子交换树脂从一种离子型转为另一种离子型时体积变化的百分数。 （3）离子交换反应特性 1）离子交换树脂对水中离子的选择性 离子交换树脂对水中某种离子能选择交换的性能称为离子交换树脂的选择性。 对于强酸性阳树脂，与水中阳离子交换的选择性次序为： Fe3+＞Al3+＞Ca2+＞Mg2+＞K+=NH4+＞Na+＞H+ 对于强碱性阳树脂，与水中阴离子交换的选择性次序为： SO42-＞NO3-＞Cl-＞HCO3-＞OH-＞HSiO3- 2）离子交换的交换平衡与可逆性 离子交换反应是可逆反应。例如，RH与水中Na+的反应为：RH+Na+?RNa+H+ 存在平衡关系式： （4）离子交换软化除盐基本原理 1）离子交换软化 2RNa+Ca2+?R2Ca+2Na+ 2）离子交换除盐 2.离子交换软化除盐工艺 （1）软化工艺流程 分为只去除硬度的软化工艺和同时去除硬度和碱度的软化工艺。 1）钠树脂（RNa）软化 单级钠离子交换软化一般适用于总硬度小于5mmol/L的原水，出水残余硬度小于0.03mmol/L。双级钠离子交换适用于进水碱度较低（一般小于1mmol/L）的原水，出水残余硬度小于0.005mmol/L。 2）氢－钠树脂（RH-RNa）并联软化除碱系统 （2）除盐工艺流程 离子交换法除盐的基本工艺流程是： 1）一级复床 2）二级复床 3）一级复床――混合床 4）其他更为复杂的组合 一级复床是由：阳离子交换单元、除二氧化碳器、阴离子交换单元三部分组成。对于二级复床系统，因第二级的阳树脂出水中已经没有多少CO2了，第二级复床中不再设置除二氧化碳器。 3.离子交换软化除盐设备 （1）离子交换器 1）固定床离子交换器 ①顺流式固定床离子交换器 ②逆流（对流）式固定床离子交换器 2）连续床离子交换器 3）混合床离子交换器 （2）再生液系统 1）盐液再生系统 2）酸液再生系统 3）碱液再生系统 （3）除二氧化碳器 四.膜分离法除盐与纯水生产的基本方法 1.电渗析方法 采用离子选择性透过膜作为分离膜，以电位差为推动力，使水中阴阳离子定向迁移，从而把离子从水中分离出来。 2.反渗透法除盐 给水厂的设计 一.水厂的厂址选择 1.给水厂位置的设置方式 2.厂址选择的原则 二.设计步骤与设计原理 1.工程建设的基本建设程序包括：立项、勘查、设计、施工、验收等多个环节。其中与工程设计有关的三个主要工作步骤是：设计前期；设计阶段；设计后期。 2.总体设计原则 1）水处理构筑物的生产能力，应按最高日供水量（水厂规模）加自用水量确定； 2）水厂应按近期设计，考虑远期发展； 3）水厂设计中应考虑任一构筑物和设备进行检修，清洗或停止工作时仍能满足供水要求 三.水厂工艺流程与主要处理构筑物的选择 1.工艺流程选择 水源水的特性是确定净水工艺的主要因素： （1）地下水水源的净水工艺 （2）一般地表水水源的净水工艺 （3）低温、低浊、高藻水源水的净水工艺 （4）微污染水源水的净水工艺 （5）高浊度水源水的净水工艺 2.水处理构筑物的选择 3.滤池冲洗废水回用与水厂污泥外排问题 四.水厂平面与高程布置 1.水厂平面布置 （1）水厂内部功能分区 1）生产区 2）生产辅助区 3）办公区与生活辅助区 （2）生产区平面布置原则 1）水处理构筑物宜分为可以独立操作的两组 2）系统力求简单、净水构筑物宜按流程布置成直线 3）分期建设的水厂，远近期净水处理构筑物宜平行布置 4）构筑物间距应满足各构筑物和管线的施工要求，布置要紧凑 5）絮凝池与沉淀池宜建成一体 2.水厂高程布置 1）应充分利用原有地形坡度，减少施工的土方量 2）各构筑物之间的水流应为重力流 3）各处理构筑物的水头损失和连接管中的允许流速详见有关设计手册。 五.水厂生产过程监测与自动控制 1.水厂生产过程监测 （1）监测参数 （2）过程检测和控制仪表 2.水厂自动控制 （1）分散控制、集中监测的方式 （2）集中监测、集中控制的方式 水的冷却 5.1水的冷却 一.冷却构筑物类型 1.水面冷却池 2.喷水冷却池 3.湿式冷却塔 二.冷却塔的工艺构造 1.冷却塔的组成部分及其作用 （1）配水系统 （2）淋水填料 （3）风机 （4）风筒 （5）空气分配装置 （6）除水器 （7）集水池 （8）塔体 2.冷却塔各组成部分简介 （1）配水系统 1）管式配水系统 固定管式配水系统； 旋转管式配水系统 2）槽式配水系统 3）池式配水系统 （2）淋水填料 1）点滴式淋水填料 2）薄膜式淋水填料 3）点滴薄膜式淋水填料 （3）通风及空气分配装置 1）风机 2）通风筒 3）空气分配装置 （4）其他装置 1）除水器 2）集水池 3）塔体 三.水冷却的原理及冷却塔热力计算的基本方法 四.循环冷却水系统 通常按循环水是否与空气直接接触而分为密闭式系统和敞开式系统。 1.循环冷却水系统的构成 一般由冷却水用水设备、冷却塔、集水设施、循环水泵、循环水处理装置、补充水管、循环水管等组成。 2.循环冷却水系统的设计原则 （1）设计应满足生产工艺用水要求、经济合理并便于施工、运行和管理。 （2）设计应符合环境保护、节约能源、节约用水和节约用地的要求。 （3）设计应积极开发和认真采用新技术。 （4）设计中对冷却水设施类型、系统组成形式的选择应根据用水设备及生产工艺对循环水的水量、水温、水质和供水系统的运行方式等使用要求。 （5）设计中各冷却水设施应靠近用水场所、用水设备。 （6）设计除应执行《工业循环水冷却水设计规范》、《工业循环冷却水处理设计规范》外，还应符合其他现行的有关标准和规范。 循环冷却水水质处理 一.循环冷却水水质特点和处理要求 1.循环冷却水的水质特点 （1）循环冷却水的浓缩作用 （2）循环冷却水中的CO2的散失和O2的增加 （3）循环冷却水的水质污染 （4）循环冷却水的水温变化 2. 循环冷却水的水质要求 （1）腐蚀率 腐蚀率一般以金属每年的平均腐蚀深度表示，单位为：mm/a。 （2）污垢热阻 热阻为传热系数的倒数。 3. 循环冷却水水质稳定性判断 （1）饱和指数法IL=pH0-pHs 式中IL—饱和指数（朗格利尔指数）； pH0—水的实例pH值； pHs—水的碳酸钙饱和平衡时的pH值。 根据饱和指数Il，可对水质进行判断： 1）当IL=pH0-pHs>0时，水中碳酸钙处于过饱和状态，有结垢倾向； 2）当IL=pH0-pHs＝0时，水中碳酸钙刚好处于平衡状态，不腐蚀，不结垢； 3）当IL=pH0-pHs<0时，水中CO2过饱和,有腐蚀倾向。 （2）稳定指数法 IR=2pHs-pH0 （3）临界pH值法 用试验方法测得刚刚出现结垢时水的pH值，称为临界pH值，用pHc表示。 二.循环冷却水水质处理 处理的目的主要为保护换热器及其循环冷却水系统的正常运行。 1.腐蚀控制 防止循环冷却水系统腐蚀的方法很多，如：阴极保护法、阳极保护法。提高水的pH值、用防腐涂料涂复、投加缓蚀剂等。 2.结垢控制 途径主要有三条： 1）降低水中结垢离子的浓度，使其保持在允许的浓度范围内； 2）稳定水中结垢离子的平衡关系； 3）干扰所结垢的结晶长大过程。 结垢控制的具体方法有： （1）软化、除盐 （2）酸化法 （3）投加阻垢剂 3.缓蚀阻垢剂的复合配方 具有代表性的缓蚀阻垢剂复合配方： 1）聚磷酸盐――锌盐 2）聚磷酸盐－有机膦酸（盐）－聚羧酸盐 3）锌盐－膦酸盐－分散剂 4）锌盐－多元醇酸脂－磺化木质素 5）有机膦酸盐－聚羧酸盐－唑类 6）钼算盐－正磷酸盐－唑类 4.污垢控制 污垢控制主要是控制循环水中的悬浮物，过滤去除水中产生污垢的悬浮物质。 5.微生物控制 微生物的繁殖会生成粘垢，而且微生物又与腐蚀有关。 微生物的控制方法有很多，如防止日光照射，采用旁滤装置，加强补充水预处理，采用杀生涂料，对系统定期清洗，投加杀生剂等。 6.循环冷却水系统设备的清洗与预膜处理 （1）冷却水系统及其设备的清洗 1）化学清洗 酸洗； 碱洗； 络合剂清洗 2）物理清洗 （2）循环冷却水系统的预膜处理 三.循环冷却水的水量损失与补充 1.水量损失 敞开式循环冷却水系统在运行过程中有蒸发、风吹、渗漏和排污四种水量损失。 Qm=Qe+Qw+Qf+Qb 式中Qm—补充水量； Qe—蒸发损失水量； Qw—风吹损失水量； Qf—渗漏损失水量； Qb—排污水量。 损失水量一般可按损失率P来计算。损失率即损失水量占冷却循环水量QR的百分比。P=Pe+Pw+Pf+Pb （1）蒸发损失水量 Pe=kZF·?t×100% 式中 Pe—蒸发损失率，％； ?t――进水与出水水温差，℃； kZF－与环境温度有关的系数，1/℃. （2）风吹损失水量 （3）渗漏损失水量 （4）排污水量 2.浓缩倍数 浓缩倍数是指循环水的含盐量与补充水的含盐量之比：N= 式中 N—浓缩倍数； CR—循环水的含盐浓度，mg/L; CM—补充水的含盐浓度，mg/L。 对于直流水冷却系统，浓缩倍数N等于1。敞开式循环冷却水系统由于存在水量的蒸发损失，浓缩倍数N一定大于1。