环境工程基础-2【专业教育】.ppt

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1、第二章 水污染与治理 2.2废水物理处理方法与过程 2.2.1 调节 2.2.2 过滤 2.2.3 沉淀 2.2.4 气浮,1,学习幻灯,2.2 废水物理处理方法 2.2.1 调节 由于废水流量在时间分布的差异及浓度分布的差异，在进入废水处理过程之前往往需要设置调节池。调节池的目的为保证污水处理单元的进水流量与污染物浓度变化尽量平缓。 调节池的两个目的：均量与均质,2,学习幻灯,调节池的均量,均量调节池的目的是在进水流量不稳定条件下，保证出水流量稳定，这就涉及到均量池的大小设计问题。以下举例讲解：,24小时进水流量曲线,累积进水量与池中水量曲线,3,学习幻灯,均量调节池的容积计算： 1、为保证

2、出水稳定，在0时刻，池中至少应存有前18小时的累积最大负流量偏差体积；图中该值为220m3。 2、在24时存水与0时存水为同一点情况下，推算之前6小时内的最大累积正流量偏差体积；图中该值为90m3。 3、该调节池的最小体积为：220+90=310m3。,4,学习幻灯,均量调节池流程,5,学习幻灯,调节池的均质,均质的目的：保证后续反应器进水（调节池出水）在一个较为恒定的操作条件下，以便后续反应能够正常进行。 均质池的计算： 简单均质池的物料衡算,其中：V为均质池容积，Q为进出水流量，C1、C2分别为进出水浓度。,6,学习幻灯,调节池的均量均质,实际调节池出水的平均浓度计算,其中：Ci为Ti时段

3、废水平均浓度，qi为 Ti时段废水平均流量，其中TTi,调节池容积计算： Vq T = (qi Ti) 其中为容积利用系数。对于示例调节池型式， 20.7,7,学习幻灯,例题 已知某化工厂的酸性废水的日平均流量为1000m3/d, 废水流量及盐酸浓度如下表，求6h的平均浓度及调节池容量,8,学习幻灯,解：由表作图可以看出，废水流量及浓度的较高时间段在1218h之间。此6h的废水平均浓度为：采用前述调节池型式，调节池容积为：取调节池有效水深1.5m，则面积137m2,取池宽9m，池长15m，纵向隔板间距1.5m，将池宽分为6格，沿长度方向设3个沉渣斗，宽度方向设2个沉渣斗，共设6个沉渣斗。沉渣斗

4、底坡角度取45。,9,学习幻灯,均质调节池的形式,10,学习幻灯,2.2.2 过滤 格栅与筛网过滤 格栅间隙尺寸： 1575mm 筛网孔隙尺寸： 5mm 作用与功能： 去除较大颗粒固体，减轻后续处理负荷。 回收部分有用物质。 保护水力输送机械免受破坏。,11,学习幻灯,粗格栅 耙式铰链传动除渣,12,学习幻灯,细格栅 螺旋式除渣,13,学习幻灯,滤料过滤 作用：去除浊度，浊度5度，同时可去除一部分细菌、病毒 机理：表层细砂层粒径为0.5mm，滤料孔隙率为80um，但进入滤池的颗粒尺寸大部分小于30um，但仍能被去除。 不光是简单的机械筛滤，还有接触粘附的作用。主要有两个过程：迁移和粘附 应用：

5、 给水处理 原水混凝沉淀/澄清过滤 原水微絮凝过滤（微絮凝过滤） 原水加药过滤（接触过滤） 废水处理 原水生物处理过滤,14,学习幻灯,过滤罐,15,学习幻灯,16,学习幻灯,2.2.3 沉淀 沉淀原理 利用颗粒与水的密度之差，比重1，下沉；比重1，上浮 水处理中沉淀类型 自由沉淀：离散颗粒、在沉淀过程中沉速不变 （沉砂池、初沉池前期） 絮凝沉淀：絮凝性颗粒，在沉淀过程中沉速增加 （初沉池后期、二沉池前期、给水混凝沉淀） 拥挤沉淀：颗粒浓度大，相互间发生干扰，分层 （高浊水、二沉池、污泥浓缩池） 压缩沉淀：颗粒间相互挤压，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力下挤出，污泥得到浓缩 应用场合 给水处理混

6、凝沉淀，高浊预沉 废水处理沉砂池（去除无机物） 初沉池（去除悬浮有机物） 二沉池（活性污泥与水分离）,17,学习幻灯,沉淀池分类 平流式,辐流式,18,学习幻灯,19,学习幻灯,20,学习幻灯,竖流式,斜板式,21,学习幻灯,沉淀区设计需要了解两个重要参数：絮体沉降速率Vs和沉降池运行的设计速率V0。颗粒向下沉降的同时，水流垂直地上升。 颗粒从沉降池底部去除而不会随出水流走的条件： Vs V0。设计中需要确定颗粒的沉降速率，并将溢流率设定为较低的数值。对于上流式沉降池， V0 = 50% 70% Vs。,辐流式沉淀池,22,学习幻灯,重要设计指标： 溢流率（overflow rate）：水的上

7、升速率 ，有时也称为表面负荷率，单位为m3/(d m2)，表示单位面积上的流量（ m3/d）。可以看成每天每平方米的沉淀池表面积上所流经的水量，与负荷类似。与液体速率相同（m/s）。,23,学习幻灯,平流式沉淀池,理想的平流式沉淀池符合以下三个假设： 颗粒与水流的流速均匀地分布在沉淀池截面上； 颗粒均匀分布，沉速不变，等速下沉，水平分速等于v； 任何颗粒只要接触到池底就认为被去除。,24,学习幻灯,理想的平流式沉淀池中颗粒去除情况,假设一颗粒在A点，若要将其从水中去除，则该颗粒需要有足够大的沉降速度，以确保在水流通过沉淀池的停留时间内能够到达沉淀池的底部，即沉降速度至少应该等于沉淀池的深度除以

8、停留时间：Vs=h/t0。 颗粒的沉降速率必须大于或等于沉降池的溢流率。 当颗粒沉降速率Vs大于或等于溢流率V0时，如果沉淀池深度较大时则沉降速率等于V0的颗粒将无法完全去除。不过在较低深度处进入沉淀池的颗粒，可以到达底部，所以会发生部分去除的现象。,25,学习幻灯,沉淀池计算示例,某水处理厂的设计流量为0.5m3/s，设计溢流率为32.5 m3/(d m2)，确定沉淀池的表面积。假设典型溢流设计值为20 m3/(d m2)，计算沉淀池的表面积，并将这两个值进行比较。停留时间为95分钟，确定沉淀池的深度。 解：（1）计算表面积： 首先换算流量单位：0.5m3/s=43200m3/d； As=Q

9、/V0=43200/32.5=1330m2。,26,学习幻灯,一般沉淀池的长宽比介于2：15：1之间，而长度很少超过100米。一般情况下，最少设计2个沉淀池。若按照2个池设计，假定池宽12米，总表面积为1330m2：1330m2/(2*12m)=55m。 长宽比为55m/12m=45，符合一般沉淀池长宽比要求。 （2）确定沉淀池的深度： 沉淀池的总体积：V = Qt0 = 0.5 95 60 =2850m3。 沉淀池深度：H=V/As=2850/1330=2米。该深度不包括污泥储存区。最终设计为两个沉淀池：宽12m长55m 2m，加上污泥储存深度。,27,学习幻灯,沉淀法的应用：,沉淀工艺简单

10、，应用极为广泛，主要用于去除100um以上的颗粒 。应用场合： 给水处理混凝沉淀，高浊预沉 废水处理沉砂池（去除无机物） 初沉池（去除悬浮有机物） 二沉池（活性污泥与水分离）,28,学习幻灯,2.2.4 气浮 是一种固液和液液分离的方法。 具体过程：通入空气产生微细气泡SS附着在气泡上上浮 应用：自然沉淀或上浮难于去除的悬浮物，以及比重接近1的固体颗粒 。 微孔扩散气浮：压缩空气通过 扩散装置以微小气泡形式进入 水中。简单易行，但容易堵塞， 气浮效果不高。,29,学习幻灯,压力溶气气浮,30,学习幻灯,31,学习幻灯,气浮法的应用场合 废水： 含油废水（石油化工、机械加工、食品工业废水等）：

11、悬浮油（10,隔油池） 乳化油（10,一般0.1-2气浮） 造纸厂白水回收纤维：时间短，SS去除率90以上，COD去除率80，浮渣浓度5。 染色废水等 毛纺工业洗毛废水羊毛脂及洗涤剂 浓缩污泥（效果比沉淀法高） 给水： 高含藻水源的净化：武汉东湖水厂，气浮替代沉淀，藻类去除率达80以上。 低温、低浊水的净化：沈阳市自来水厂。 对受污染水体的净化：对水体产生曝气，减轻嗅味与色度。 优点：处理能力比沉淀池高，气浮污泥浓度高，可以同时去除多种污染物（表面活性剂、嗅味物质等） 缺点：耗电、维修,32,学习幻灯,2.3废水的化学处理方法与过程 2.3.1 混凝法 2.3.2 中和法 2.3.3 氧化还原

12、法 2.3.4 化学沉淀法,33,学习幻灯,2.3.1 混凝法,混凝可去除的颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物，是一种化学方法。一般认为粒径小于10的颗粒不可能依靠沉淀进行分离 去除颗粒粒径范围在：1nm0.1m（有时认为在1m） 混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花。 水处理中主要杂质：粘土（50nm-4 m） 细菌（0.2m-80m） 病毒（10nm-300nm） 蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸 混凝流程： 混凝剂溶解池溶液池计量设备投加设备混合设备沉淀（或气浮）分离,34,学习幻灯,胶体稳定细小颗粒带电现象,胶体表面优先吸附有共同成分的离子 胶体本身成分表面电离 静电斥

13、力大于等于重力，胶体稳定不沉降。 胶体带电现象实证电泳现象 胶体脱稳方法加入反电性高价电解质，压缩双电层。,35,学习幻灯,电泳现象,胶体的双电层,36,学习幻灯,混凝机理 固体悬浮物与胶体物质带负电性，颗粒带电同性相斥，导致细小悬浮物在废水中处于稳定状态。 通过投加电解质、高分子表面活性物质，使带电颗粒双电层压缩，电性降低，产生颗粒团聚作用，颗粒长大后通过沉淀去除。 混凝过程包括凝聚与絮凝两个过程：凝聚指胶体脱稳，微小颗粒聚集；絮凝指小絮凝颗粒通过吸附、卷带和桥联而形成大的絮体。 混凝剂 混凝剂分为无机与有机两大类。,混凝剂,无机类：氯化铁、硫酸铁、氯化铝、硫酸铝、聚合氯化铝、聚合硫酸铁等。

14、,有机类：中性聚丙烯酰胺，阳离子型聚丙烯酰胺，阴离子型聚丙烯酰胺等,37,学习幻灯,胶体表面电位与胶体稳定,高分子絮凝剂结构,38,学习幻灯,混凝工艺与设备 混凝处理工艺包括：混合、反应、絮体分离三个阶段。 从工艺上分：分开式混合池与反应池、沉淀池分开 综合式将絮体的絮凝过程与沉淀分离过程安排在同一构筑物内完成。,39,学习幻灯,40,学习幻灯,影响因素分析 SS浓度：SS过大与过小都对混凝不利，因此在SS过小的情况下经常要另外加入一些絮凝絮体或颗粒物。 水温：温度降低会对混凝沉降产生不利影响，增加混凝剂用量 加药种类与加药量：无机絮凝剂主要作用为使得带电颗粒脱稳，而有机絮凝剂主要使颗粒架桥及

15、长大，因此要在加药种类及加药量上合理调节。 流速：废水在反应池与沉淀池的流速过大，会破坏已经长大的絮体，因此要保持废水流速在一个较低的水平 应用场合与特点 废水预处理、中间处理环节、深度处理 目标：去除SS、去除废水色度、去除部分重金属离子 优点：设备简单、处理效果好、运行相对稳定 缺点：絮凝剂投加量大、运行费用高、产生的污泥处理困难。,41,学习幻灯,工艺计算方法,常用标准试验进行混凝剂优化使用条件确定，然后进行放大计算。,标准混凝试验装置,42,学习幻灯,43,学习幻灯,混凝计算,药剂投加量计算 计算依据：以实验测定相应条件下水样的混凝剂与污染物去除效果曲线来确定单位废水药剂投加量。 例：

16、某针织厂废水TOC为5060mg/L，pH值为7.5。 采用PAC混凝剂，投加量为140mg/L时，TOC去除率为68 。PAC价格为3000元吨，该厂废水量为200m3/d, 求每年的药剂量及药剂费用。 解：每年药剂量w=140*10-6*200*365=10.22吨 每日药剂费用3000*10.22=36600元,44,学习幻灯,2.3.2 中和法,中和法原理 中和法就是利用酸碱中和生成盐的化学原理将废水从酸性与碱性条件下校正到中性附近，以便于结合其他手段处理。 中和法设备 包括反应池、加药泵、搅拌机、沉淀池、过滤池等 中和流程 投药中和流程：,适用于各种中和处理情况，但药剂及运行费用较高

17、。,45,学习幻灯,过滤中和流程： 适用于有固体中和滤料的场合。该流程结构简单，运行费用低，而且在合适条件下处理效果良好。,46,学习幻灯,中和法应用场合 酸性废水处理： 石灰乳液酸性废水，费用较低廉。 NaOH、Na2CO3、氨水溶液酸性废水，碱液均匀，中和效果好，但是药剂费用高。 石灰石过滤中和工艺 碱性废水处理： 常用废酸、酸性废水、烟道气（含有CO2)对碱性废水进行接触及中和反应，工艺过程比较简单。 中和法的计算原则: 可溶性中和剂: 酸碱等当量计算,中和剂不可过量。 不溶性中和剂: 中和剂可过量, 并主要考虑表面反应动力学速度是否达到废水流量要求。,47,学习幻灯,2.3.3 氧化还

18、原法,氧化还原法原理 氧化法：向废水中投加氧化剂，氧化废水中的有毒有害物质，使之转化为毒害性较小物质或无毒化。 还原法：采用还原剂改变有毒有害物质价态，使之转化为毒害性较小物质或无毒化。 氧化法应用举例 氯化消毒：通过向废水中加氯、或者加次氯酸钠等溶液，可以对废水中细菌灭活，并能够降低BOD及消除异味。 氯易溶于水中，在清水中，发生下列反应： Cl2 + H2O HOCl + H+ + Cl- HOCl H+ + OCl- HOCl和OCl-的比例与水中温度和pH有关。pH高时，OCl-较多。 pH9，OCl-接近100%。 pH6，HOCl接近100%。 pH=7.54, HOCl=OCl-

19、,48,学习幻灯,49,学习幻灯,50,学习幻灯,HOCl和OCl-都有氧化能力，但细菌是带负电的，所以一般认为主要是通过HOCl的作用来消毒的。只有它才能扩散到细菌表面，并穿透细胞壁到细菌内部，破坏细菌酶系统。实践也表明pH越低，消毒作用越强。 氯化消毒的主要基团为次氯酸，次氯酸能够在水中长期稳定存在，因此在给水中保持一定的余氯以防止给水中细菌的生长。 臭氧消毒：臭氧是一种强氧化剂，对各种有机基团均有较强的氧化能力。 作用：既是氧化剂，又是消毒剂，渗入细胞壁。 作为消毒剂，不会产生三卤甲烷副产物，杀菌和氧化能力比氯强。但由于臭氧在水中不稳定，易散失，因此在O3之后，往往需要投加少量的氯等。

20、废水经臭氧处理后臭氧迅速分解，因此不产生二次污染。但是臭氧不稳定，不能作为细菌防止药剂。 高级氧化技术：分解、消除毒性难降解有机物。往往在高温高压下进行。,51,学习幻灯,还原法应用举例 常用的还原剂有铁粉、锌粉、硫酸亚铁以及电解阴极等 还原法最主要用于对高价铬的处理。以亚硫酸氢钠还原六价铬，将之降价为毒性较低的三价铬，再通过碱沉淀去除的方法，其的反应方程为：,52,学习幻灯,2.3.4化学沉淀法,化学沉淀法原理 投加某种化学药剂（沉淀剂）使与水中的溶解物质发生反应 生成难溶盐类降低水中溶解性物质的含量 一般用于处理含重金属废水 利用溶度积原则。 难溶盐在饱和溶液中溶解与沉淀的平衡： MmNn

21、 = mMn+ + nNm- 平衡常数 K Mn+mNm-n/MmNn 溶度积L Mn+mNm-n 化学沉淀法是指向废水中投加某些化学药剂，使其与废水中的溶解性污染物发生沉淀反应，形成难溶盐，从水中沉淀分离的方法。 化学沉淀法多用于去除水中的钙镁离子及重金属离子，如汞、镉、铅、锌等。 难溶盐共沉淀可以夹带沉淀出比溶度积计算更多的沉淀离子。,53,学习幻灯,化学沉淀法应用 石灰软化法除硬度： CaO + H2O = Ca(OH)2 CO2 + Ca(OH)2 -CaCO3+ H2O Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 - 2CaCO3 + 2H2O Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2

22、- 2CaCO3+ Mg(OH)2+2H2O 去除重金属 氢氧化物沉淀法 M(OH)n = Mn+ + n OH- 金属氢氧化物的溶度积 硫化物沉淀法 金属硫化物比氢氧化物更难溶解。 沉淀剂：H2S，Na2S，KS MS M2+ + S2-,54,学习幻灯,2.4.1 吸附法 2.4.2 离子交换法 2.4.3 膜分离法 2.4.4 萃取法 2.4.5 吹脱法,2.4 废水的物化处理方法与过程,55,学习幻灯,2.4.1 吸附法,吸附法是指水中的一种或多种物质被吸附在固体表面（吸附剂）而被去除的方法。 吸附法原理 一种物质附着在另一种物质表面上的过程吸附，是一种相界面上的反应。 可以发生在气液

23、界面、气固、液固 在水处理中，主要讨论的是液固界面。 固相物质：吸附剂，一般为多孔性物质 液相中被吸附物质：吸附质,56,学习幻灯,吸附行为可分为以下三种类型： 1）物理吸附： 分子间的作用力所引起的。 吸附热较小，可在低温下进行。 过程是可逆的，易解吸（被吸附的分子由于热运动还会离开吸附剂表面） 相对没有选择性，可吸附多种吸附质（由于分子力是普遍存在的），但吸附质极性不同，吸附量不同。 可形成单分子吸附层或多分子吸附层 2）化学吸附： 由化学键力引起的产生化学反应。 如石灰吸附CO2 CaCO3 吸附热大，一般在较高温下进行。 具有选择性，单分子层吸附。 化学键力大时，吸附不可逆。 3）离子

24、交换吸附 静电引力，吸附质的离子吸附剂表面的带电点上，同时吸附剂也放出一个等当量离子。 离子电荷越多，吸附越强。 离子水化半径越小，越易被吸附。 在水处理中，三种吸附的综合表现 。,57,学习幻灯,影响吸附的因素 1吸附剂的性质 细孔分布：活性炭的情况 微孔2 nm，占总比表面的95：主要支配吸附量 过渡孔2-100nm，5：起通道和吸附作用 大孔100-10000 nm，不足1：主要起通道作用，影响吸附速度。 2吸附质的性质 溶解度：对活性炭而言，溶解度越低，越易被吸附 界面张力：越使溶液界面张力减小的物质越易被吸附。 极性：活性炭易吸附非极性或极性很低的物质。 分子量和不饱和度：与沸石相比

25、，活性炭易吸附分子较大的饱和化合物，但分子量一般不超过1000。 溶质浓度 3操作条件： pH值：对吸附剂及吸附质都有影响。活性炭一般在酸性溶液中有较高的吸附率。 温度：物理吸附是防热过程。 共存物质：竞争吸附 接触时间：取决于吸附速度,58,学习幻灯,吸附剂 具有一定吸附能力的多孔物质都可以作吸附剂。有活性炭、活化煤、焦炭、煤渣。 活性碳是水处理中应用最为广泛的吸附剂。 原料：木材、煤，经高温炭化和活化而成。 碳化：把原料热解成碳渣，温度：300400度， 活化：形成发达的细孔。两种办法。气体法：通入水蒸汽，温度在920960度；药剂法：加入氧化锌、硫酸、磷酸等 。,59,学习幻灯,60,学

26、习幻灯,61,学习幻灯,吸附操作方式 静态：搅拌池（全混流反应器） 动态：固定床、移动床、流化床 吸附柱（固定床）穿透曲线示意图,62,学习幻灯,穿透曲线,63,学习幻灯,2.4.2 离子交换法,离子交换平衡 离子交换也是一种化学反应，存在交换平衡。 RA + B- = RB +A+ 其中B为需要去除的污染物离子 离子交换选择系数为： KAB= RBA+/RAB+ 该值1，有利于交换反应的进行。 离子交换剂： 磺化煤（煤磨碎后经浓硫酸处理得到） 离子交换树脂 离子交换剂主要性能 交换容量 选择性 填充密度,64,学习幻灯,离子交换树脂 ： 母体（骨架）：高分子化合物和交联剂经聚合反应而生成的共

27、聚物 根据组成母体的单体材料：苯乙烯（最广泛）、丙烯酸、酚醛系列 活性基团：遇水电离，称为固定部分和活动部分具有交换性（可交换离子） 如聚苯乙烯磺化磺酸基团（SO3H） 一种强酸性阳离子树脂 微孔形态：凝胶型、大孔型、等孔型等 离子交换装置 固定床：单床、双层床、混合床 连续床：移动床和流动床 树脂再生 ： 在再生阶段提供高浓度解吸液反洗，使反应 RA + B- = RB +A+ 向左进行。,65,学习幻灯,66,学习幻灯,67,学习幻灯,2.4.3 膜分离,定义 在某种推动力的作用下，利用某种隔膜特定的透过性能，使溶质或溶剂分离的方法称为膜分离。 分离溶质时一般叫渗析；分离溶剂时一般叫渗透。

28、 膜分离的特点： 可在一般温度下操作，没有相变； 浓缩分离同时进行； 不需投加其他物质，不改变分离物质的性质； 适应性强，运行稳定。,68,学习幻灯,分类与特点 根据推动力的不同，膜分离有下列几种： 浓度差：扩散渗析 电位差：电渗析 压力差：反渗透(RO, reverse osmosis)：MW100, 0.2-0.3nm, 23 A0 纳滤(NF, nanofiltration)：MW: 100-1000, 0.5-5 nm 超滤(UF, ultrafiltration)：MW: 1000百万, 5 nm-0.2m 微滤(MF, microfiltration)：0.2-1 m,69,学习幻

29、灯,超滤 方法：通过超滤膜过滤，使净水通过，并使浓污水通过旁路排放或进一步处理。 分离机理： 小孔筛分作用。一般以截留分子量来表示孔径特征，此外也与物质形状和性质有关。 分离范围： 截留分子量10001000000的物质，如细菌、蛋白质、颜料、油类等 应用 1给水 1）去除细菌、胶体等物质。家庭用膜式净水器 2）与反渗透联合制备纯水 2废水 1）回收分离有用物：涂料、羊毛脂、染料、纸浆等 2）废水深度处理 膜生物反应器,70,学习幻灯,71,学习幻灯,72,学习幻灯,电渗析,方法：通过离子膜的电性相斥作用，并加以电场诱导，使中间淡水室的离子通过离子膜进入两边的浓室，并限制在浓室中。淡室的水体得

30、到净化。 分离机理：相同电性相斥 分离对象：低浓度水除盐 应用示例：去离子水,73,学习幻灯,74,学习幻灯,反渗透,驱动力：压力 主要应用：海水淡化,75,学习幻灯,76,学习幻灯,2.4.4 萃取法,萃取法原理 利用物质在不同溶液中的溶解度不同，选择适宜的溶剂来分离混合物的方法。,77,学习幻灯,2.4.5 吹脱法,方法：水或废水中含有溶解气体，如某些工业废水中含H2S、HCN、CS2等有毒或有腐蚀性气体，或可回收物质时，可通过向水中通入大量空气将其吹出水外处理。 原理： （1）可溶气体的挥发性：CO2(Solution) CO2（2）空气的氧化性： H2S+1/2O2 H2O+S 应用范围：工业应用较广。 设备：吹脱池、吹脱塔。,78,学习幻灯,79,学习幻灯,作业：,在混凝法中，加入混凝剂都起到哪些作用？ 此次作业化工03、06班交作业。,80,学习幻灯,