水处理I-第三章：水的化学处理

（3）DLVO理论 德加根（Derjaguin）、兰道（Landon） 伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）
胶体的稳定性和凝聚：
可由两胶粒间的相互作用和距离来评价 距离 > OA (稳定) 静电斥力占优势 距离 < OA (凝聚)
范德华引力占优势
（4）混凝机理
◆ 压缩双电层（加入电解质进行脱稳） 电解质加入使胶粒带电荷数 压缩双电层 使扩散层厚度降低降低电动电位稳定性 凝聚 凝聚能力离子价数6
分类：无机、有机、微生物类
铝系
无 机
铁系
硫酸铝 明矾 聚合氯化铝（PAC） 聚合硫酸铝（PAS） 三氯化铁 硫酸亚铁 硫酸铁 聚合硫酸铁 (PFS) 聚合氯化铁 (PFC) 阳离子聚丙烯酰胺（CPAM） 阴离子聚丙烯酰胺(APAM)
简单无机铝盐：絮粒较轻而疏松、 适宜pH：5.5-8、投加量大； 聚合铝：絮凝体形成快、比重大、 沉降性好、投药量低； 简单无机铁盐：絮粒在水中沉淀 速度快、适宜pH：5-11、但腐蚀 性强，处理后的水带色； 聚合铁：用量小、絮凝体沉降性 能好、处理后水中铁残留量低、 腐蚀性较小；
§3.1.2 混凝工艺一般流程
混凝剂 配制 定量投加
原水
混合
反应
固液分离 处 理 水
泥渣
混凝工艺流程
§3.1.3 化学混凝的设备 I、投配设备 （1）溶解池： A、作用：完成混凝剂的溶解 B、搅拌装置： 机械搅拌 压缩空气搅拌： 水泵搅拌： （2）溶液池：用于贮备已溶解好的混凝剂溶液
◆ 吸附电中和
—胶核表面直接吸附带异号电荷的离子、胶粒等来降 低电动电位 ，使胶体脱稳；
◆ 吸附架桥作用
—高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥；
高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象： ①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥； ②但投加过多，会出现“胶体保护”现象；
◆网捕作用
—金属氢氧化物形成过程中对胶粒的网捕；
病毒（10nm-300nm）蛋白质（1nm-50nm）
腐殖酸
§3 1.1 混凝原理
（1）胶体结构（双电层结构）
A、电位离子层：胶核表面，吸附了一层带同号电
荷的离子； B、反离子层 ：电位离子层外吸附了电量与电位离 子层总电量相同，而电性相反的离子； 吸附层 扩散层
C、滑动面： 吸附层与扩散层的交界面； D、胶体的电动电位 ： 指胶粒与扩散层之间的电位差；
A113O4(OH)24(H2O)127+
聚合铝中最佳絮凝成分
水中杂质；
◆水中杂质浓度低，颗粒间碰撞机会减少，混凝效果差； 对策： 1）加高分子助凝剂； 2）加粘土；
水力条件
◆ 搅拌强度 ◆ 搅拌时间
（8）混凝动力学 -------颗粒间的碰撞是混凝的首要条件； I、异向絮凝（Perikinetic Flocculation）
（3）滚筒式中和滤池
§3.3 化学沉淀法(Chemical Sedimentation Methods )
§3.3.1 基本原理
在一定温度下，难溶化合物MmNn的饱和溶液中，
其沉淀—溶解平衡可表示为：
令MmNn的溶解度为S（mol/L），
则[Mn+]=mS，[Nm-]=nS 故Ksp=(mS)m(nS)n
（2）混凝沉淀法处理造纸废水
§3. 2 中和法(Neutralization) §3.2.1 概述 I．酸碱废水的来源及其危害 ★ 酸性废水： 化工厂、化纤厂、电镀厂、煤加工厂及 金属酸洗车间 ★ 碱性废水： 印染厂、金属加工厂、炼油厂、造纸厂
● 危害：
(1) 腐蚀管道
(2) 毁坏农作物
(3) 危害渔业生产 (4) 破坏生物处理系统的正常运行
第三章 污水的化学处理
3.1 化学混凝法
3.2 中和法 3.3 化学沉淀法 3.4 氧化还原法 3.5 电化学法 3.6 消毒
§3 1 化学混凝法(Cogulation)
去除对象:
水中细小的悬浮物和胶体污染物质
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-4m） 细菌（0.2m-80m）
（5）混凝过程：凝聚和絮凝（Cogulation
and Flocculation）
凝聚：指使胶体脱稳并聚集为微絮粒（10m）的过程； 特点：剧烈搅拌，瞬间完成； 絮凝：指微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大
的絮体（0.6-1.2mm）的过程。
特点：需要一定时间，搅拌从强到弱；
（6）混凝剂和助凝剂 I、混凝剂 基本要求： 混凝效果好； 对人体健康无害； 使用方便； 货源充足，价格低廉；
2NH4OH +H2SO4
2NaOH+CO2+H2O
(NH4)2SO4+2H2O
Na2CO3+2H2O
2NaOH+SO2+H2O
Na2SO3+2H2O
§3.2.4 过滤中和法 I、定义：酸性废水流过碱性虑料时与滤料进行中和反应 的方法为过滤中和法。 II、适用对象：用于酸性废水的中和处理。 III、滤料：石灰石、大理石、白云石。 IV、类型： 普通中和滤池、 升流式膨胀中和滤池、 滚筒中和滤池。
沉淀形成的条件:
◆ [Mn+]m[Nm-]n<Ksp：
溶液为不饱和溶液，无沉淀析出；
◆ [Mn+]m[Nm-]n=Ksp：
溶液为饱和溶液，无沉淀产生，
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(7) 混凝影响因素 水温；
◆ 无机盐混凝剂水解是吸热反应，低温水混凝剂水解困难； ◆ 低温水的粘度大，水中杂质颗粒的布朗运动减弱，碰撞 机会减少，不利胶体脱稳凝聚； ◆ 水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍胶体凝聚；
水的pH；
◆无机盐水解造成pH的下降，影响水解产物形态； ◆最佳pH处的混凝效果最好、反应速度最快；
人工 合成 有 机 天然
当废水低浊度时，宜先投其他混 凝剂；当废水浊度高时，应先投 加PAM。应尽量采用较低的浓度。
淀粉、动物胶、甲壳素 微生物絮凝剂
电荷密度小且易发生降解而失 去活性。
聚丙烯酰胺简称PAM (Polyacrylamide) PAM的分子结构通式为：
PAM是线状水溶性高分子，其分子量在300-1800万
对混凝剂而言，废水处理时（带负电胶体）
（1）普通电解质
只有压缩双电层和吸附电中和作用；
（2）高分子物质
A、阳离子型（带正电荷）聚合电解质，具有电
中和作用和吸附架桥功能。
B、非离子型（不带电荷）或阴离子型（带负电
荷）聚合电解质，只能起吸附架桥作用。
II、助凝剂 酸碱类： 调整水的pH值，如石灰、硫酸； 加大矾花的粒度和结实性： 如活化硅酸、骨胶等； 氧化剂类： 破坏干扰混凝的物质（有机物）； 如投加Cl2和O3等；
阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)(Cationic Polyacrylamide)
+
-
阴离子聚丙烯酰胺（APAM）(Anionic Polyacrylamide)
-+
淀粉类 ——土豆、玉米、小麦具有高含量淀粉
——直链淀粉的絮凝性能高于支链淀粉
甲壳质（壳聚糖-CHITOSAN）
——从虾壳和蟹壳中提取；
2HNO3+Ca(OH)2=Ca(NO3)2+2H2O
2HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2+2H2O 2H3PO4+3Ca(OH)2=Ca3(PO4)2+6H2O 2CH2COOH+Ca(OH)2=Ca(CH2COO)2+2 H2O FeCl2+Ca(OH)2=Fe(OH)2+CaCl2
PbCl2+Ca(OH)2=Pb(OH)2+CaCl2
§3 2.2 酸碱污水相互中和； （1）酸性或碱性废水需要量 aQ1C1=bQ2C2 式中 Q1—酸性废水流量，L／h； C1—酸性废水酸的摩尔浓度，mol／L； Q2—碱性废水流量，L／h； C2—碱性废水碱的摩尔浓度，mol／L。 a，b—分别碱和酸的反应系数；
（2）中和设备 中和设备可根据酸碱废水排放规律及水质变化来确定。 集水井(或管道、混合槽) 水质水量变化较小，pH要求较宽；
出水槽
B、作用过程：
C、设计参数
①、底部配水装置，当采用大阻力穿孔管布水系统时， 孔径为9~12mm，孔距及孔数根据计算确定。 ②、卵石承托层厚为0.15-0.2m，粒径为20-40mm。 ③、滤料粒径一般采用0.5-3mm。 ④、滤层厚度在运转初期采用lm，每班加料2-4次，最 终换料时一般不小于2m。滤料膨胀率采用50％， 顶部清水层一般为0.5m。 ⑤、滤柱总高3m左右，直径不大于2m，至少应设1个 备用柱以备倒床换料。 ⑥、恒速滤柱的滤速为60~70m／h，变速滤柱下部滤 速130~150m／h，上部40~60m／h。
（4）药剂中和处理工艺流程
中和剂 混合反应池
污泥
机械脱水或污 泥赶干化场
废水
沉淀池
出水
图3-10 药剂中和处理工艺流程
（5）主要装置 A、投药装置
B 、混合反应装置
C 、沉淀池
D 、沉渣脱水装置
II、碱性废水的药剂中和处理
（1）中和剂 硫酸、盐酸、硝酸等。常用的药剂为工业硫酸， 工业废水酸更经济。有条件时，也可以采取向碱性 废水中通入烟道气的办法加以中和。 （2）中和反应 ： 2NaOH+H2SO4 Na2SO4+2H2O
由布朗运动造成的碰撞；
颗粒的碰撞速率：
II、同向絮凝 (Orthokinetic Flocculation)
由水力或机械搅拌产生的流体运动造成的碰撞； 颗粒的碰撞速率：
III、混凝控制指标 用G来判断混合和絮凝的程度； 混合（凝聚）过程： 平均G=500-1000s-1 时间T=10-30s； 絮凝过程： 平均G=10-100s-1； 时间T=10-30 min； 平均GT=104-105 ；
（3）计量设备:
（4）药剂投加设备：
II、混合设备
（1）水泵混合：利用水泵叶轮高速旋转混合。
（2）隔板式混合: 急剧的收缩和扩散,形成涡流,实现充分混合; （3）机械混合： 用电动机带动桨板或螺旋桨进行强烈搅拌；
III、反应设备
（1）隔板反应池
（2）机械搅拌反应池
§3.1.4 化学混凝的应用 （1）混凝沉淀法处理丝绸印染废水；
（1）普通中和滤池 A、类型： 平流式
竖流式:升流、降流
B、设计参数
滤料粒径一般为30-50mm；
过滤速度一般不大于5m/h；
接触时间不小于10min；
滤床厚度一般为1-1.5m；
C、适用范围：不适应于中和浓度高的酸性废水
（2）升流式膨胀滤池 A、组成部分： 底部进水装置
卵石垫层
滤料层
清水层
II．中和方法 （1）酸性废水的中和方法可分为： ①、酸性废水与碱性废水互相中和；
②、药剂中和；
③、过滤中和；
（2）碱性废水的中和方法可分为：
①、碱性废水与酸性废水互相中和；
②、药剂中和（加酸）
③、烟道气中和；
III、中和剂
A、酸性废水中和剂：
苏打、苛性钠、石灰、石灰石、 白云石等 B、 碱性废水中和剂： 盐酸、硫酸、酸性废气；
连续流中和池
水质水量变化不大，pH要求高时； 间歇式中和池 水质水量变化较大，无法保证出水pH要求；
§3 2.3 投药中和法；
I. 酸性废水的药剂中和处理
（1）酸性废水中和剂：石灰、石灰石、大理石、白云
石、碳酸钠、苛性钠、氧化镁等。常用者为石灰。
（2）中和反应 H2SO4+Ca(OH)2=CaSO4+2H2O
（2）胶体的稳定性 A 定义： 胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性; B 分类：
动力学稳定性：
颗粒布朗运动对抗重力影响的能力；
——粒子越小，动力学稳定性越强；
聚集稳定性： 胶体粒子之间不能相互聚集的特性；
—静电作用和水化膜的作用阻碍胶体粒子的聚合，
—胶体的稳定性关键在于聚集稳定性； —胶体的电动电位越高，胶体的稳定性越高；
电动电位 胶体脱稳 凝聚
E、总电位：
胶核表面的电位离子与溶液主体之间电位差；
F、胶体粒子的结构式

Fe（OH)3 胶体分散系胶团结构 ：
K+
AgNO3 + KI →AgI + KNO3 KI过量
K+
(AgI)m
胶团
胶粒
胶核
[(AgI)m nI-,(n-x)K+]x- xK+
吸附层 扩散层
（3）中和剂用量
式中： Ga—药剂总消耗量， kg/d； Q—酸性废水量，m3/d； C1—废水含酸浓度，kg/m3； C2—废水中需中和的酸性盐浓度，kg/m3； a1—中和1kg酸所需的碱量，kg/kg； a2—中和1kg酸性盐所需的碱性药剂量，kg/kg； K—不均匀系数；一般为1.05-1.10 α—中和剂的纯度，%