给水工程(下册)各章节内容(考试复习重点)

十四章给水处理概论

1.给水处理的任务：用不同的法与装置改变原水的主要质量指标以满足用户的要求，提高水

的质量，解决原水不能满足用户要求的矛盾。

2.原水中的杂质：

（1）悬浮物：尺寸较大，易于在水中下沉或上浮。

（2）胶体杂质：颗粒尺寸很小，在水中长期静置也难下沉；天然水中的胶体一般带负电荷。（3）溶解杂质：包括有机物和无机物两类。

3.（1）水质标准是用水对象所要求的各项水质参数应达到的指标和限值。

（2）水质参数指能反映水的使用性质的量，但不涉及具体数值。

4.生活饮用水卫生标准（GB 5749-2006）

（1）感官性状和一般化学指标（2）毒理学指标

（3）微生物指标（4）放射性指标

5.给水处理法概述：水处理法应根据水源水质和用水对象对水质的要求确定。

①悬浮杂质：沉淀法去除

②胶体状态存在水中的杂质：混凝沉淀过滤去除

③离子、分子状态存在水中的杂质：生成沉淀物将这种杂质去除

④有机物：用活性炭吸附

⑤微生物、细菌等：消毒法

----以地表水为水源的水厂采用的常规处理工艺：混凝——沉淀——过滤——消毒

6.（1）澄清工艺通常包括混凝、沉淀和过滤。处理对象主要是水中悬浮物和胶体杂质。（2）消毒是消除水中致病微生物的致病作用。

7.除铁、除锰和除氟（第19章）：主要针对地下水而言。

----常用除铁、锰的法是：自然氧化法和接触氧化法。

----当水中含氟量超过1.0mg/L时，需采用除氟措施：

a.投入硫酸铝等使氟化物沉淀；

b.利用活性氧化铝等进行吸附交换。

8.软化（第21章）：处理对象主要是水中的钙、镁离子。

-----软化法有：离子交换法和药剂软化法。

9.生活饮用水预处理和深度处理：主要处理对象是水中的有机污染物。

-----处理原理：吸附、氧化、生物降解、膜滤。

第15章混凝

一、混凝机理

1.（1）混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。（2）凝聚：胶体失去稳定性的过程。

（3）絮凝：脱稳胶体相互聚集。

----混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②混凝剂在水中的水解；

③胶体与混凝剂的相互作用。

（4）胶体稳定性：指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。

-----胶体稳定性分“动力学稳定”和“聚集稳定”两种。

-----动力学稳定：指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力。

（无规则的布朗运动强，对抗重力影响的能力强。）

-----聚集稳定：指胶体粒子之间不能相互聚集的特性。

包括：①胶体带电相斥（憎水性胶体）；

②水化膜的阻碍（亲水性胶体）。

注：在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定对胶体稳定性的影响起关键作用。2.DLVO理论：PPT6，P255.

胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥势能与吸引势能，分别由静电斥力与德华引力产生。

3.混凝机理:

(1)电性中和作用机理:

①压缩双电层：

----要使胶体脱稳，相互碰撞结合，必须消除或降低排斥能峰，即是消除或降低ζ电位。

----有效措施：投加混凝剂→压缩扩散层→微粒间相互聚集。

----混凝剂是正离子→进入胶体的吸附层和扩散层→压缩其厚度→ζ电位减小→胶体脱稳，相互粘结。：

②吸附－电性中和：这种现象在水处理中出现的较多。主要是指胶核表面直接吸附带异号电

荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低电位。

----其特点是：当药剂投加量过多时，电位可反号。

（2）吸附架桥：吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，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，

（3）网捕或卷扫：

金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。

4.硫酸铝的混凝机理：

不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。种作用机理为主，决定于铝盐的投加量、pH、温度等。实际上，几种可能同时存在：

pH<3 简单的水合铝离子起压缩双电层作用；

pH=4-5 多核羟基络合物起吸附电性中和；

pH=6.5-7.5 氢氧化铝起吸附架桥。

二、混凝剂和助凝剂

1.混凝剂：主要分为无机混凝剂和有机混凝剂。

应用于饮用水处理的混凝剂应符合的基本要求有：混凝效果好，对人体健康无害，使用便，货源充足，价格低廉。

主要分为无机混凝剂和有机混凝剂。

2.助凝剂：当单独使用混凝剂不能取得预期效果时，需投加某种辅助药剂以提高混凝效果，这

种药剂称为助凝剂。助凝剂通常是高分子物质。

机理：高分子物质的吸附架桥。

作用：

（1）调节和改善混凝条件，加速混凝过程；

（2）加大絮凝体的密度和重量，使它迅速下沉；

（3）在絮凝体之间起吸附架桥和沉淀网捕作用。

----助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。

----广义上可分为以下几类：

① 酸碱类：调整水的pH ，如灰、硫酸等；

② 加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸（SiO2·nH2O ）、骨胶、高分子絮凝剂；

③ 氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等。

三、混凝动力学

1.基本概念.

混凝动力学：研究颗粒碰撞速率属于混凝动力学畴。

颗粒相互碰撞的动力来自两个面：①颗粒在水中的布朗运动；

②在水力或机械搅拌所造成的流体运动。

异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集。

同向絮凝：由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的颗粒碰撞聚集。

2.异向絮凝

颗粒的碰撞速率可按费克（Fick ）定律计算：

28n dD N B p π= υρπd KT D B

3= 式中：D B ——布朗运动扩散系数；

K 为波兹曼常数，1.38×10-16；

T 为温度； ν为水的运动粘度； ρ为水的密度。

因此： 238KTn N p υρ=

故Np 只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当颗粒的粒径大于1

m ，布朗

运动消失。

从上式可以看出，T ↑会引起Np ↑，所以在水处理不好时，可在原水中加入少量粘土， 加大n ，使碰撞加剧，从而使Np 加大。

3.同向絮凝

（1）层流理论：

颗粒的碰撞速率按下式计算：

G d n N 32340

= z u G ??= G --速度梯度，s-1；

△u --相邻两流层的流速增量，cm/s ；

△z --垂直于水流向的两流层之间距离，cm 。

在公式中，n 和d 均属原水杂质特性，而G 是控制混凝效果的水力条件。故在絮凝设 备中，往往以速度梯度G 作为控制参数之一。

在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受剪而扭转的隔离体△x ·△y ·△z ，设在时间△t

，隔离体扭转了θ角度，于是角速度△ω为：

G:速度梯度；s-1

p:单位体积流体所耗功率，W/m3; μ:水的动力粘度，Pa ·s.

当采用机械搅拌时，p 由机械搅拌器提供。当采用水力絮凝池时，p 应为水流本身所

消耗的能量，由下式决定：

gQh pV ρ= QT V =

故采用水力絮凝池时:

T gh G ·ν= （甘布公式） 式中：g--重力加速度，9.8m/s2;

h--混凝设备中的水头损失，m ；

ν--水的运动粘度，m2/s;

T--水流在混凝设备中的停留时间，s 。

（2）同向紊流理论

①外部施加的能量形成大涡旋；②大涡旋将能量输送给小涡旋；③小涡旋将能量输送给 更小的涡旋；④只有尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗粒碰撞。

28n dD N B

p π=

G z u z t l t =??=????=??=?1θωμ

p G =

式中，紊流扩散系数

λλu D =，λu 为相应于λ尺度的脉动速度，为：

得： λελv

u 151= ε:单位时间、单位体积流体的有效能耗； υ：水的运动粘度；

λ：涡旋尺度。

4.混凝控制指标

自药剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺上总称混凝过程。相应设备 有混合设备和絮凝设备。

混合（凝聚）过程：在混合阶段，对水流进行剧烈搅拌的目的主要是使药剂快速均匀 分散以利于混凝剂快速水解、聚合、及颗粒脱稳。平均G ＝700 ～ 1000s-1，时间通常在 10～30s ，一般＜2min 。此阶段，杂质颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。

絮凝过程：在絮凝阶段，主要靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚，故以同向絮凝为 主。同向絮凝效果不仅与G 有关，还与时间有关。在絮凝阶段，通常以G 值和GT 值作为控

制指标。平均G ＝20 ～ 70s-1，时间为15 ～ 20min ，GT ＝1～104－105 。 随着絮凝的进行，G 值应逐渐减小。

四、影响混凝效果的主要因素

1.影响混凝效果的因素比较复杂，主要包括：

① 原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质和浓度等；

② 投加的凝聚剂种类与数量；

③ 使用的絮凝设备及其相关水力参数。 2.水温影响 水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，凝聚效果较差。其原因有： 231580n d N υε

π=

①无机盐水解吸热，低温水混凝剂水解困难；

②温度降低，粘度升高――布朗运动减弱；

③水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚；

④水温与水的pH值有关。

克服水温低效果差的措施：

①增加混凝剂的投量，以改善颗粒之间的碰撞条件。

②投加助凝剂（如活化硅酸）或粘土以增加绒体重量和强度，提高沉速。

3.水的pH和碱度影响

（1）水的PH对混凝效果影响很大，对一般的浑浊水，投硫酸铝的最佳PH围为6.5-7.5。

（2）三价铁盐水解反应同样受PH值的控制。(FeCL36H2O)

三价铁盐混凝剂适应的PH值围较宽，最优PH值大约在6.0-8.4之间。

（3）使用FeSO4·7H2O 时：Fe2+ + H2O<----> Fe(OH)+ + H+

Fe(OH)+ + H2O<---->Fe(OH)2 + H+

Fe(OH)2溶解度较大，且Fe2+只能形成较简单的络合物，混凝效果较差，因此要把Fe2+ 氧化成Fe3+，就和FeCl3一样了。

（4）氧化的法：

----利用溶解氧氧化：4FeSO4+O2+10H2O<---->4Fe(OH)3+4H2SO4要求：PH>8.5，这样氧化时间才能短，因此投FeSO4 同时投加CaO提高原水的PH。

PH<8.5时氧化过程缓慢，很难在净化构筑物完成。

----加Cl2氧化：6FeSO4+3Cl2<---->2Fe(SO4)3 + 2FeCl3

（5）从铝盐和铁盐水解反应式可以看出，水解过程中不断产生的H+必然导致水的PH 值的下降，天然水中含有一定的碱度。HCO3- + H+<---->CO2 + H2O

①当投药量较少，原水的碱度又较大时，由于水中的碳酸化合物的缓冲作用，水的PH 值

略有降低，对混凝效果不会有大的影响。

②当投药量较大，原水的碱度小时，水中的碱度以不足已中和水解产生的酸时，水的

PH将大幅度下降，以至降至最优混凝条件以下。这时便不能获得良好的混凝效果。为了保持水的PH 值在混凝过程中始终处于最优围须向水中投加碱剂，即对水进行碱化，一般投加CaO。

AL2(SO4)3 + 3H2O + 3CaO = 2AL(OH)3 + 3CaSO4

2FeCL3 + 3H2O + 3CaO = 2Fe(OH)3 + 3CaCL2

灰投量按下式估算：

[CaO] = 3[a] – [x] + [δ]

式中 [CaO]：纯灰CaO 投量，mmol/L ；

[a]：混凝剂投量，mmol/L ；

[x]：原水碱度，按mmol/L ，CaO 计；

[δ]：保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取0.25～0.5mmol/L （CaO ）。 一般灰投量通过试验决定。

4 水中悬浮物浓度的影响（见P271）

杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。可采取的对策有：

① 加高分子助凝剂；

② 加粘土；

③ 投加混凝剂后直接过滤。

如果原水悬浮物含量过高，为减少混凝剂的用量，通常投加高分子助凝剂。如黄河高浊度水常需投加有机高分子絮凝剂作为助凝剂。

五、混凝剂的配制与投加

1.混凝剂的溶解和溶液配制

（1）混凝剂投加分固体和液体投加两种式。我国常用的是液体投加，即将固体溶解后配成一定浓度的溶液投入水中。当直接使用液态混凝剂时，不用溶解池。

溶解设备决定于水厂规模和混凝剂品种。

溶解池、搅拌设备及管配件等，均应有防腐措施或采用防腐材料。

（2）溶解池设计要求：（见PPT ）

搅拌装置有：机械搅拌、压缩空气搅拌、水泵搅拌、水力搅拌等。

⑥中小型水厂，常用自然浸溶，压力水经穿管淋溶或冲溶。

（3）溶解池容积W1：

W1=（0.2～0.3）W2

式中W2为溶液池容积。

（4）溶液池是配制一定浓度溶液的设施。 溶液池容积W2：

cn

aQ cn aQ W 41710001000100242=??= 式中：W2——溶液池容积，m3；