华北理工水质工程学Ⅰ课件19水的其它处理

第十九章水的其它处理§19-1地下水除铁除锰一、地下水中的铁、锰1、危害：铁量高时：水有铁腥味；对某些工业（造纸、印染、纺织、皮革、化工等）的产品质量有影响；（产生锈斑）使家庭洁具（瓷盆和浴缸等）发生锈斑；衣服染色（黄色、铁锈色）；沉积的Fe2O3会滋长铁细菌(是一类生活在含有高浓度二价铁离子的池塘、湖泊、温泉等水域中，能将二价铁盐氧化成三价铁化合物，并能利用此氧化过程中产生的能量来同化二氧化碳进行生长的细菌的总称。)，阻塞管道。锰量高时：同铁的危害一样。色（微黑或浅灰色）2、我国规定：铁≤0.3mg/l锰≤0.1mg/l3、水中的铁锰：地下水溶解的矿物质，地下水缺氧，铁离子以Fe2+；Fe3+形态存在。锰离子Mn2+、Mn3+、Mn4+、Mn6+、Mn7+形态存在。二、地下水除铁方法：1、水中铁的存在形态：Fe2+：FeOH+~Fe(OH)-3水合离子（羟基结合离子态）当总碱度高时，以重碳酸盐的形态存在Fe(HCO3)2Fe3+：Fe(OH)3溶解度非常低。图式为水中铁的平衡：铁的溶解度与氧化还原电位En及PH值的关系图。由能斯特方程：Eo—标准电极单位；n—电子数；F—法拉第系数图中：区域①En、PH高：主要是由Fe(OH)3固体对平衡的控制。水中Fe3+的含量—水中铁的含量很低。平衡式：Fe(OH)3+3H+Fe3++3H2O还原态氧化态lg059.00nEEH还原态氧化态ln0nFRTEEH区域②，由碳酸亚铁FeCO3固体控制水中铁的浓度。FeCO3+H+Fe2++HCO-3铁的浓度高。除铁的重点。区域③，FeS固体控制水中铁的浓度。FeSFe2++S2-铁的含量低2、除铁动力学：主要是：将二价铁氧化成三价铁，利用Fe(OH)3的浓度积值很低，而将Fe3+沉淀去除。动力学研究铁的氧化速率：4Fe2++O2+10H2O4Fe(OH)3+8H+当PH值大于5.5时，二价铁的氧化速率：k——反应速率常数8×1011L2/mol2·KPa·min·20.5℃时Po2——气相中氧的分压力,Kpa[OH－]——氢氧根离子浓度,mol/L[Fe2+]——时间t的二价离子浓度,mol/Lmin)/(2222LmolPOHFekdtFedO变换上式得：PO2—大气中的氧分压，一般为21.3KPa令k/=kPO2则：水的电离常数：代入式中:并令原可换算为：2222OPOHkdtFeFed2022lnPOHkdtFed2/2lnOHkdtFed1410wkHkOHw/2//kkkwHPHlgPHkdtFed2lglnlg2可见：除铁的影响因素：（1）PH高促进二价铁的氧化。（2）K//中隐着氧化剂的浓度。（PO2分压力）fig19-2实验与公式的情况，当PH5.5时，二价铁的氧化速度缓慢（实验高于公式计算值）3、除铁方法：①常用氧化剂：O2空气中的氧、方便、经济。（多用此法）Cl2氧化。高锰酸钾氧化②反应式：4Fe2++O2+10H2O4Fe(OH)3+8H+每氧化1mg/L的Fe2+，需氧0.14mg/L，产生0.036mg/L的H+，→降低1.8mg/L的碱度（以CaCO3计）→使水偏酸，→PH降低→降低铁氧化的速度。③二价铁氧化速率与PH的关系：可由19-3看出：（半对数）横轴：时间（min）。纵轴：铁Fe2+浓度。PH越高反应（二价铁的氧化）越快。④使氧向水的转移（传质）——曝气i.复氧;作用：ii.除CO2→pH↗地下水中不含氧，含CO2很高。氧、二氧化碳略溶于水，其溶解度与温度和气体分压有关。（物化中学过）当1个atmPO2=21.3KPaPCO2=0.03~0.1KPa⑤方法：鼓风曝气——将气泡分散于水中。淋水曝气——将水分散于空气中。4、设计：①理论需氧与操作复氧量理论：1mg/LFe2+需0.14mg/LO2。实际：理论值的3~4倍。原因：水中其它杂质耗氧；可加快二价铁氧化速度。②曝气塔：（接触式曝气塔）i.构造：f19-5填料：板条；焦炭;（轻）（面积大）矿碴。曝气塔多为焦炭。粒径d=30~50mm焦炭层0.3~0.4m。上下留净距≥0.6m（空气流通）ii.工作：由塔顶喷管淋下，气与水接触面积大。O2→水；Fe(OH)3↓沉于焦碳上。Fe(OH)3膜对Fe2+氧化→Fe3+有催化作用。水力负荷：5~15m3/h·m2；溶解氧饱和度可达：75~85%二氧化碳挥发率达：50~60%当地下水铁含量为10mg/L时宜用板条式，（原因）不易堵。③射流曝气：利用射流器吸入空气，适用：[Fe2+]＜10mg/L原水含Fe2+较低，并且无CO2需去除。工艺：如图f19-4（泵前曝气）曝气量：1L气/m3水，去除1mg/LFe3+常用除铁流程：原水→曝气→催化氧化过滤（可用快滤池或压力滤池）滤池：石英砂：d=0.5~1.2mm锰砂：d=0.6~2.0mm滤层厚：重力式滤池：700~1000mm。压力式滤池：1000~1500mm。成熟期：Fe(OH)3膜对Fe2+→Fe3+有催化作用。有研究表明有铁细菌的作用。新滤池要工作一段时间形成膜后，其除铁效果才稳定。一般一个月以上。（据原水水质）滤速：v=5~10m/h外国学者研究的经验式：v——滤速，m/h；Fe0——滤池进水含铁量，mg/L；FeL——滤池出水含铁量，mg/L；L——滤层厚度，m；d——滤池有效粒径，mm；t——水温，℃。适用条件：v≤30m/h；进水含铁量：Fe0=0.5~13.0mg/l；进水：PH=6.8～7.3。水温：6~18℃。23.101.008.0ln6.180.38.0vdLFeFeFetpHL二、地下水除锰方法：1、特点：锰的氧化还原电位高于铁的氧化还原电位。一般锰与铁共生于水中。2、原理：（1）2Mn2++O2+2H2O2MnO2+4H+（2）微生物对锰的氧化。—铁细菌作用。当PH＜9.5时，这个过程很慢。如果要用Mn2++CO32-→MnCO3↓pH值要大于8.5。试验结果：Mn2+的氧化去除是自动催化过程。其速度遵循以下规律：[Mn2+]0——开始时二价锰的浓度，mg/l。[Mn2+]——t时刻的二价锰的浓度，mg/l。A——常数。K——自动催化反应速率常数。用曝气法，其氧化速度与[OH－]2及Po2成正比。PH高→[OH－]↗去除速度快。KtMnMnA1lg202222OPOHkdtMnd3、氧化工艺中的催化过程：反应中生成MnO2沉淀。（催化过程）↓4、除锰工艺：原水→曝气→催化氧化过滤（铁细菌作用）据反应式：氧化1mg/L·Mn2+需氧0.29mg/L产生0.036mg/LH+2222MnOMnMnOMn吸附被吸附22MnOO氧化5、催化氧化过滤：在滤料上生成MnO2膜（黑色）滤料一般是石英砂或锰砂。形成MnO2膜后催化。铁对除锰的干扰：当原水含铁、锰高就应该既除铁又要除锰。方法：加厚滤料层上部除铁适用铁锰下部除锰含量不太高。双层滤料上层：除铁也可在压力滤下层：除锰池中分层§19-2活性炭吸附给水深度处理工艺1、去除对象：天然的（BOD）(1)溶解的有机物人工合成的：杀虫剂、农药、氯化烃、芳香族化合物(2)除臭味；(3)脱色、脱氯；(4)去除重金属，放射性物质；(属微污染物质)(5)去除病毒。使水降低：总有机碳TOC总有机卤化物TOX总三卤甲烷TTHM（THMS）一、活性炭的性质：1、制造：是由木材、煤、果壳等为原料，高温炭化→活化，而成的。炭化——使原料热解成炭碴，生成类似石墨的多环芳香系物质，具有疏水性和吸附性。活化——使热解的炭碴成为多孔结构，增大吸附表面积，比表面积可达成500~1700m2/g2、形状：粒状：0.44~3mm（多次使用）粉状：10~50μm（一次性使用较多）3、吸附原理：是表面化学的性质所决定：表面结合各种含氧官能团，使活性炭具有极性，具有吸附能。官能团有：—OH羟基；—COOH羧基；—C—O羰基二、吸附性能试验：1、等温吸附试验：在选择活性炭时，用此实验。（确定可行性）恒温下，使用几个烧杯，放入相同体积V，相同溶质浓度C0（mg/L）的水样，几个烧杯中加入不同量m（mg）的活性炭。进行搅拌。达到吸附平衡，溶质浓度不变时为止，测得其浓度，Ce其吸附容量q：（mg/mg）mxmCCvqe0绘制：Ce平衡浓度，与q吸附量的曲线即吸附等温线，不同活性碳有不同的曲线最常用的是Freundich(弗罗因德利奇)经验式：k、n是常数在双对数坐标纸上Ce(横轴)与x/m（纵轴）为一直线，纵轴截距lgk，斜率=1/n。nkCemx1Cenkmxlg1lglg2、粉状活性炭投加量：原水浓度Co要求达到浓度Ce，则由曲线的对应点Ce→q=x/m投加量：（mg/L）3、缺点：不能反映干扰因素的影响（仅初步提供可行性数据）。不能反映：多种溶解杂质相互干扰。强电解质与弱电解质的吸附竞争。被吸附质分子大小的不同等。mxCCae0三、活性炭柱试验：1、概念：接触时间：（伪时间：床容积里有炭的体积）泄漏时间：流量不变时，由开始进水至出水水质达到限值的经历的时间。流速炭床厚或流量活性炭床容积2、试验：目的：求泄漏曲线。活性碳除气（泡24h）；用原水Co以某一流速通过炭床。每隔一段时间t，检测一次出水浓度Ct；直到出水为Co为止。吸附区Z的厚度，希望小一些，污性炭利用率高。Z：活性炭层中水的浓度Co至Ce（允许出水浓度）点的厚度。v′——下移速度，（m/s）;L：——炭床厚度,（m）;tc：——从进水开始至炭柱泄漏的时间,h;td：——从进水开始至炭柱耗竭的时间,h;/1vttztLttLzCdCdCZ的影响因素：流量Q↗→Z↗→炭床利用率下降炭粒径：粒径小，Z小，被吸附物的迁移过程。外表面→孔道→孔深处但粒径太小，水力性能不好，易被水流带走，粒径在0.8~1.7mm较好。四、活性炭池设计：1、容积V：V=Q/t其中：Q—流量;t—接触时间;（不是泄漏时间）一般：t=10~20minV—流速8~20m/h(确定截面积)炭床厚L—1.5~2.0m2、类型：（1）固定床（间歇式）：炭不动，水流动，由上向下（也可反向）（2）移动床（可连续式）：水由下向上，炭由上向下排出，炭磨损大。3、运行形式：（1）单床运行——间歇式。（2）多床：并联式。（间歇式）串联式。（单床、间歇工艺不间歇）4、活性炭的再生：（1）加热再生：300~700℃热解有机物。（2）药剂再生：H2SO4、HCl或NaOH等，使炭吸附的杂质脱附。溶剂再生：用有机溶剂萃取，成本太高。（3）化学氧化再生：用氧化剂分解氧化吸附杂质。（4）生物法：用微生物分解吸附的有机物。部分再生。5、炭池的反冲洗设计：同滤池。五、生物活性炭工艺介绍：（BAC）是一种有效的给水深度处理工艺。1、工艺：去除了大体积有机物↑↓O3↑O3→过滤→接触池→活性炭吸附→消毒→出水2、O3的作用：将较大的有机物氧化分解成易被生物降解的有机物（控制O3量不可过大）3、活性炭作用：（1）微生物的附着床，生活在炭的大孔内。（2）吸附有机物。微生物分解吸附的有机物，使炭再生周期加长。4、工艺特点：（1）可完成生物硝化作用：NH4+→NO3-（2）生物氧化了溶解的有机物。（使有机物重量可达ng/L至μg/L。）（3）去除了溶解的有机碳。（DOC）去除了三卤甲烷形成潜力。（THMFP）（