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给水工程概论【水源水质】：㈠原水杂质：⑴原水杂质来源：①自然过程：[地层矿物质溶解、水中微生物繁殖、水流冲刷、泥沙、腐殖质]人为因素：[工业废水、农业污水、生活污水]⑵原水杂质分类：①悬浮物[1um--1mm]；胶体[10nm--100nm]；溶解物[0.1nm--1nm]；⒈悬浮物与胶体杂质：--悬浮物尺寸较大、易于在水中下沉或上浮。--胶体颗粒尺寸较小、在水中长期静止难以下沉。--水中胶体：粘土、细菌、病毒、腐殖质、蛋白质、有极高分子物质。--天然水中胶体一般带负电荷。注：①使水中产生浑浊现象的根源：悬浮物和胶体。饮用水处理的主要去除对象：悬浮物和胶体。【水质标准】：水质标准：即用水对象所要求的各项水质参数应达到的指标和限制。※生活饮用水水质标准：⑴感性性状和一般化学指标：注：①色度：不超过15度，并不得呈现异色。浑浊度：不超过3，特殊情况不超过5度。臭和味：不得有异臭、异味。注：浊度即1L蒸馏水中含有1mg白陶土或高岭土。⑵毒理学指标：※⑶细菌学指标：注：①细菌总数：≤100个/mL；总大肠菌数：≤3个/L;游离余氯：在与水接触30min后应不低于0.3mg/L;⑷放射性指标：※【给水处理方法】：⑴澄清和消毒：--生活饮用水[地表水]常用处理工艺：澄清和消毒。--澄清工艺包括：混凝、沉淀、过滤。--处理主要对象：水中悬浮物和胶体杂质。--消毒：灭活水中致病微生物；通常在过滤之后。--主要消毒方法：投加消毒剂杀灭致病微生物。--生活饮用水常规处理工艺：--即：“混凝-沉淀-过滤-消毒”。⑵除臭、除味：--有机物臭味：活性炭吸附/氧化法去除。--溶解性气体：曝气法去除。⑶除铁、除氯：--常用方法：自然氧化法、接触氧化法。⑷软化：--处理对象：主要是水中钙、镁离子--软化方法：离子交换法、药剂软化法。⑸淡化、除盐：--除盐：制取纯水及高纯水的处理过程。--淡化和除盐主要方法：蒸馏法、离子交换法、电渗析法、反渗透法。⑹水的冷却：--水作为冷却介质：水热容大--吸收和传递热量的良好介质。--水的冷却一般采用：冷却塔。⑺生活饮用水预处理和深度处理：--饮用水主要处理对象：水中悬浮物、胶体、致病微生物。--常规处理工艺：混凝、沉淀、过滤、消毒。--预处理和深度处理主要对象：水中有机污染物--饮用水处理厂--预处理方法：活性炭法吸附法、臭氧氧化法、生物氧化法、--深度处理主要：粒状活性炭吸附法、生物活性碳法、--深度处理法基本作用原理：[吸附-氧化-生物降解-膜滤]即：或者利用吸附剂的吸附能力去除水中有机物；或者利用氧化剂的强氧化能力分解有机物；或者利用生物氧化法降解有机物；或者利用膜滤法去除大分子有机物。【混凝机理】：--混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物聚集过程。或：向水中投加药剂（混凝剂）使水中粒径微小的悬浮物和胶体离子凝结成较大的絮凝体（矾花）。--凝聚：水中胶体脱稳--胶体失去稳定性的过程。--絮凝：脱稳胶体相互聚集。--混凝：凝聚和絮凝。※㈠水中胶体稳定性：--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：动力学稳定+聚集稳定。①动力学稳定：指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力.[颗粒愈小，动力学稳定性愈高]聚集稳定性：指胶体粒子之间不能相互聚集的特性。[粒子表面同性电荷斥力作用]--胶体稳定性：关键--聚集稳定性。㈠混凝机理：--混凝剂对水中胶体粒子混凝作用有三种：电性中和、吸附架桥、卷扫作用--混凝作用取决于：混凝剂种类、投加量、胶体粒子性质、水的PH值。⑴电性中和：--根据DLVO理论：要使胶体粒子通过布朗运动相撞聚集，必须降低或消除排斥能峰。--吸收势能与胶粒电荷无关，主要取决于构成胶粒的物理性质、尺寸和密度。--降低排斥能峰的办法即：降低或消除胶粒的ζ电位[即在水中投加电解质]。【水中负电荷胶粒-投入的电解质--混凝剂为正电荷离子或聚合离子；若正电荷离子是简单离子-Na＋、Ca＋、Al＋--作用是压缩胶体双电层；排斥能峰Emax=0时，胶粒发生聚集作用，ζk电位：临界电位；水中铝岩投量过多，水中负电荷胶体变为正电荷胶体；】--“吸附-电性中和作用”⑵吸附架桥:--吸附作用:带异性电荷、不带电、同性电荷。【混凝剂和助凝剂】--饮用水混凝剂基本要求：混凝效果好、对人体无害、使用方便、货源充足。--水处理使用的无机混凝剂主要是：铁盐、铝盐及混合物。--常用的无机混凝剂：硫酸铝、聚合铝、三氯化铁-硫酸亚铁、聚合铁。[硫酸铝]：--采用固态硫酸铝：运输方便--缺点：水温低，硫酸铝水解困难，形成的絮凝体松散，效果不好。[聚合铝]：--包括：聚合氯化铝（PAC）和聚合硫酸铝(PAS)。--聚合氯化铝能形成聚合阳离子，起电性中和、吸附架桥作用。--优点：投加量少于硫酸铝；对水的PH值变化适应性强；聚合氯化铝投入水中其产物的成分确定；--碱化度：主要决定羟基OH和铝AL的摩尔数之比。即：B=[OH]3[Al]×100％--一般铝盐（硫酸铝、氯化铝）投入水中进行水解聚合反应，其产物受水PH值及铝盐浓度影响。[三氯化铁]：--三氯化铁：FeCl3H2O--水合铁离子水解、聚合反应。--优点：三价铁适用的ph值范围较宽；形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实；处理低温水或低浊水效果优于硫酸铝；--缺点：三氯化铁腐蚀性较强，且固体产品易吸水潮解，不宜保管。※--聚合效果：聚合氯化铝三氯化铁硫酸铝【助凝剂】--通常是高分子物质：作用是为了改善絮凝体结构，促使絮粒密实--作用机理：高分子物质吸附架桥。【混凝动力学】：--要是杂质颗粒或杂质与混凝剂之间发生絮凝，其必要条件是：使颗粒之间相互碰撞。--推动水中颗粒相互碰撞的动力来自：①颗粒在水中的布朗运动--[异向絮凝：由布朗运动造成的颗粒碰撞絮凝聚集]水力或机械搅拌造成的流体运动--[同向絮凝：由流体运动造成的颗粒碰撞聚集]⑴异向絮凝：--颗粒絮凝速率取决于碰撞速率，即颗粒碰撞速率：Np=8πdDb·n2--Np：异向絮凝碰撞速率，即：1/cm3.S；--d：颗粒直径；--Db：布朗运动系数；--n:颗粒数量浓度；⑵同向絮凝：--速度梯度：相邻两层水流的速度差与两层间的距离之比。①机械搅拌：即：G=--μ：水动力粘度-pa.S;--p:单位流体所消耗的功率-w/m3;--G:速度梯度；②水力絮凝：PV=pgGh;V=QT;G=--V：水流体积；--g：重力加速度；--h：水头损失；--ν：水的运动粘度；--T:水流在混凝设备停留时间；※⑶混凝控制指标：--混凝过程：混合+絮凝；[混合阶段]：剧烈搅拌水流--使药剂快速均匀分散于水中利于混凝剂快速水解、聚合、颗粒脱稳；①混合要快速剧烈：10-30s最多2min；②搅拌强度：速度梯度G=700-1000s~1；③混合絮凝--异向絮凝；[絮凝阶段]：主要依靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚；①絮凝--同向絮凝；②同向絮凝效果：与G值、絮凝时间T有关；③速度梯度：G=20-70s~1；④TN--整个絮凝时间内单位体积流体颗粒碰撞次数；平均GT=1×10~4-1×10~5；※⑷影响混凝效果主要因素：⒈水温影响：①无机盐混凝剂水解是吸热反应，低温水混凝剂水解困难，尤其是硫酸铝；②低温水粘度大，水中杂质颗粒布朗运动强度减弱，碰撞机会减少，不利于颗粒脱稳凝聚；水粘度大，水流剪力增大，影响絮凝体成长；③水温低，导致胶体颗粒水化作用增强，妨碍胶体凝聚；④水温与水PH有关。水温低时，其PH提高，则混凝最佳PH值也提高；※注：提高低温水混凝效果的方法：增加混凝剂投加量+投加高分子助凝剂。--常用的助凝剂：活化硅酸。⒉水的ph值和碱度影响：①去除浊度：最佳ph值=6.5-7.5[絮凝作用主要是氢氧化铝聚合物-吸附架桥;羟基配合物-电性中和]；②去除色度：ph值=4.5-5.5；--混凝剂为三价铁：适用的ph值范围较宽[去除浊度：ph=6.0-8.4；去除色度：ph=3.5-5.0]；--混凝剂为硫酸亚铁：通常用氯化法;--聚合氯化铝：对水的ph值变化范围适应性较强；※石灰投量估算：即：每投加1mmol/LAl2(SO4)3需石灰3mmol/LCaO.即：[CaO]=3[a]-[x]+[δ][CaO]--纯石灰CaO投量：mmol/L；[a]--混凝剂投量：mmol/L；[x]--原水碱度：mmol/LCaO；[δ]--保证反应顺利进行的剩余碱度：取0.25-0.5mmol/L（CaO）；典型例题：某地表水源总碱度为0.2mmol/L。市售精制硫酸铝（含Al2O3约16％）投量28mmol/L。试估算石灰（纯度为50％）投量为多少mg/L。解：投药量折合Al2O3为：28mmol/L×16％=4.48mg/LAl2O3分子量为102，故投药量相当于：4.48/102=0.044mmol/L.剩余碱度取0.37mmol/L，则：[CaO]=3×0.044-0.2+0.37=0.3mmol/L。CaO分子量为56，则市售石灰投量为：0.3×56/0.5=33mg/L3、水中悬浮物浓度影响：--为提高低浊度原水混凝效果，采取措施：①投加铝盐或铁盐时，投加高分子助凝剂。②投加矿物颗粒以增加混凝剂水解产物的凝结中心，提高颗粒碰撞速率，增加絮凝体密度。③采用直接过滤法。④聚合氯化铝作为处理高浓度浊度水效果好。--投加高分子助凝剂；吸附架桥+电性中和；⑴混合设备：--混合设备基本要求：①药剂与水混合必须快速剧烈、混合均匀；③保证充分混合条件，水头损失不易太大；②混合时间不超过2min；--主要混合设备：水泵混合、管式混合、机械混合；1）水泵混合：--药剂投加在取水泵房吸水管、吸水喇叭口处--利用水泵叶轮高速旋转以达到快速混合目的；--当取水泵房距水厂处理构筑物较远时，不宜采用水泵混合；--水泵混合：通常用于取水泵房靠近水厂处理构筑物，两者间距不宜大于150m。2）管式混合：即：将药剂直接投入水泵压水管以借助管中流速进行混合。--管中流速不宜小于1m/s；投药点管内水头损失不小于0.3-0.4m。3)机械混合池：--混合时间：10-30s，最大不超过2min；--优点：混合效果好，不受水量变化影响；--应避免水流同步旋转而降低混合效果；⑵絮凝设备：--絮凝设备：水力搅拌式、机械搅拌式；1）隔板絮凝池：--为避免絮凝体破碎，管道流速及水流转弯处流速应沿程减小；G值也沿程减小；--优点：构造简单，管理方便；缺点：流量变化大者，絮凝效果不稳定，絮凝时间较长；--※隔板絮凝池主要设计参数：①廊道流速：起端：0.5-0.6m/s末端：0.2-0.3m/s；即：流速沿程减小；为达到流速递减目的：①隔板间距逐段放宽，池底相平；②隔板间距相等，池底逐渐降低；②为减小水流转弯处水头损失，转弯处过水断面：1.2-1.5③絮凝时间一般采用20-30min；④隔板间净距一般大于0.5m，以便于施工和减肥；为便于排泥，池底坡度：0.02-0.03，并设150mm排泥关；2）折板絮凝池：--折板絮凝池组合顺序：即异波→同波→平板；--折板絮凝池主要设计参数;①第一段：0.25-0.35；②第二段：0.15-0.25；③第三段：0.1-0.15；--折板絮凝池优点：水流在同波、异波之间曲折流动，形成小漩涡，提高颗粒碰撞絮凝效果；水流条件得到改善；⑴混凝剂溶解和溶液配制：--混凝剂投加分为：固体投加+液体投加。--溶解池、搅拌装置、配件，均应有防腐措施：采用FeCl3要注意。FeCl3溶解时要放出大量热，当溶液浓度为20％时，溶液温度可达到70℃左右。--溶解池：一般建于地面以下便于操作，池顶一般高出地面约0.2m左右。即：溶解池容积W1计算：W1=（0.2-0.3）W2--W2：溶液池容积。--溶液池容积：W2=24×100aQ1000×1000cn=aQ417cnW2--溶液池容积；m3；Q--处理水量：m3/h;a--混凝剂最大投加量：mg/L;C--溶液浓度：一般取5％-20％；N--每日调制次数，一般不超过3次；⑵混凝剂投加：--混凝剂投加设备：计量设备、药液提升