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第三章水污染控制机械与设备3.2物化法水处理技术与设备1.絮凝设备2.萃取原理及其设备设计3.吸附装置4.离子交换装置5.膜分离技术与设备6.其他处理技术与设备1.1混合与搅拌设备混合设备是完成凝聚过程的重要设备。它能保证在较短的时间内将药剂扩散到整个水体，并使水体产生强烈紊动，为药剂在水中的水解和聚合创造了良好的条件。一般混合时间约为2min左右，混合时的流速应在1.5m/s以上。常用的混合方式有水泵混合、隔板混合和机械混合。一、水泵混合将药剂加于水泵的吸水管或吸水喇叭口处，利用水泵叶轮的高速转动达到快速而剧烈的混合目的，得到良好的混合效果，不需另建混合设备，但需在水泵内侧、吸入管和排放管内壁衬以耐酸、耐腐材料。当泵房远离处理构筑物时不宜采用，因已形成的絮体在管道出口一经破碎难于重新聚结，不利于以后的絮凝。二、隔板混合设备图3-55为分流隔板式混合槽。槽内设隔板，药剂于隔板前投入，水在隔板通道间流动过程中与药剂充分混合。混合效果比较好，但占地面积大，水头损失也大。图3-56为多孔隔板式混合槽，槽内设若干穿孔隔板，水流经小孔时作旋流运动，使药剂与原水充分混合。当流量变化时，可调整淹没孔口数目，以适应流量变化。缺点是水头损失较大。图3-55分流隔板式混合槽图3-56多孔隔板式混合槽三、机械混合设备多采用结构简单、加工制造容易的桨板式机械搅拌混合槽，如图3-57所示。混合槽可采用圆形或方形水池，高H约3~5m.为加强混合效果，可在内壁设四块固定挡板。图3-57机械搅拌混合槽动画演示四、管式静态混合器管式静态混合器主要适用于自来水厂、污水处理厂，混合原水与混凝剂、消毒剂等。由于用管式静态混合器在混合中不需要添加搅拌设备，故在同类混合设备中，管式静态混合器因结构简单、节约能源、混合效率高等而被广泛应用。管式静态混合器的外形图见图.管式静态混合器的内部结构见下图.以江苏省某厂生产的GJH型管式静态混合器为例，其结构分二级单体和三级单体两种，由两组或三组串联弧形板呈交叉组合固定在管道中（见图3-）。当原水与药剂从交叉体通过时，由不同转向的弧形板对流过的水产生分流、交叉、反向旋流三种作用，使药剂与原水混合，均匀扩散到整个水体，达到瞬时混合的目的。混合率：一般情况能达90%~95%；压头损失：原流速为1.4m/s时，压降约0.5m。GJH型管式静态混合器型号规格有：GJH100（ø100，ø32），GJH1200（ø1200，ø80）。其中括号中直径分别表示管径ø及加药口管径d。1.2反应设备反应设备的任务是将混合后产生的细小絮体逐渐絮凝成大絮体而便于沉淀。反应设备应有一定的停留时间和适当的搅拌强度，以让小絮体能相互碰撞，并防止生成的大絮体沉淀。但搅拌强度太大，则会使生成絮体破碎，且絮体越大越易破碎，因此在反应设备中，沿着水流方向搅拌强度越来越少。一、隔板反应池隔板反应池主要有往复式和回转式两种，分别见图3-58及图3-59。往复式隔板反应池是在一个矩形水池内设置许多隔板，水流沿两隔板之间的廊道往复前进。隔板间距(廊道宽度)自进水端至出水端逐渐增加，从而使水流速度逐渐减小，以避免逐渐增大的絮体在水流剪力下破碎。通过水流在廊道间往返流动，造成颗粒碰撞聚集，水流的能量消耗来自反应池内的水位差。图3-58往复式隔板反应池图3-59回转式隔板反应池往复式隔板反应池在水流转角处1800的急剧转弯，能量消耗大，虽会增加颗粒碰撞几率，但也易使絮体破碎。但对絮体成长并不有利。为减少不必要的能量消耗，于是将1800转弯改为900转弯，形成回转式反应池，见图3-59.为便于与沉淀池配合，水流自反应池中央进入，逐渐转向外侧。廊道内水流断面自中央至外侧逐渐增大，原理与往复式相同。动画演示动画演示二、机械搅拌反应池图3-60机械搅拌反应池机械搅拌反应池是将反应池用隔板分为2~4格，每一格装一搅拌叶轮，机械搅拌反应池根据转轴的位置的不同可分为水平轴式和垂直轴式两种。垂直轴式应用较广，水平轴式因操作和维修不便而较少使用。垂直轴式机械搅拌反应池结构见图3-60。三、涡流式反应池涡流式反应池的结构如图3-61所示。池体下半部为圆锥形，水从锥底部流入，形成涡流，边扩散边上升，随着锥体面积的逐渐扩大，上升速度逐渐由大变小，有利于絮凝体的形成。图3-61涡流式反应池1.3澄清池一、澄清池基本原理与工作特征澄清池是一种将絮凝反应过程与澄清分离过程综合于一体的构筑物。在澄清池中沉泥被提升起来并使之处于均匀分布的悬浮状态，在池中形成高浓度稳定的活性泥渣层。该层悬浮物浓度约为3~10g/L。原水在澄清池中由下向上流动，泥渣层由于重力作用在上升水流中处于动态平衡状态。当原水通过活性泥渣层时，利用接触絮凝原理，原水中的悬浮物便被活性泥渣层阻留下来，使水获得澄清。清水在澄清池上部被收集。二、澄清池的类型澄清池从基本原理上可分为泥渣悬浮型和泥渣循环型两大类。1.泥渣悬浮澄清池图3-62为悬浮澄清池流程图。原水由池底进入，靠向上的流速使絮凝体悬浮。因絮凝作用，悬浮层逐渐膨胀，超过一定高度时，通过排泥窗口排入泥渣浓缩室，压实后定期排出池外。悬浮澄清池的优点是构造较简单，能处理高浊度水(双层式加悬浮层底部开孔)。缺点是对水量、水温较敏感，处理效果不够稳定，且双层式池深较大，较少采用。图3-62悬浮澄清池流程图（2）脉冲澄清池图3-63为脉冲澄清池。在脉冲作用下，池内悬浮层一直周期性地处于膨胀和压缩状态，进行一上一下的运动。这种脉冲作用使悬浮层的工作稳定，断面上的浓度分布均匀，并加强颗粒的接触碰撞，改善混合絮凝的条件，从而提高了净水效果。进水通过配水竖井。井上部为脉冲发生器，其工作过程如下。原水加入混凝剂后流入进水室，使室内水位逐步上升，并压缩钟罩内的空气，当钟罩内水位超过中心管后，则溢流入落水井内，由于溢流作用，将压缩在钟罩顶部的空气带走，由排气管排除，这就使钟罩内形成真空，产生虹吸作用，进水室内的水迅速通过钟罩、中心管进入下面的落水井内，再流进支管配水系统，如图2.49(a)所示。当进水室水位下降到虹吸破坏管的管口时(即脉冲发生器的低水位)，由于空气进入了钟罩，使虹吸破坏，流水停止，进水室内水位又不断上升，如图2.49(b)所示。如此循环不已，产生脉冲。2.泥渣循环澄清池（1）机械加速澄清池机械加速澄清池是将混合、絮凝反应及沉淀工艺综合在一个池内完成的设备，如图3-64所示。这种池多为圆形钢筋混凝土结构，小型的池子有时也采用钢板结构，主要由混合区、反应区、导流区、沉淀区及回流区几部分组成。图3-64机械加速澄清池动画演示工作原理机械加速澄清池工作时原水、加入的药剂同澄清区沉降下来的回流泥浆一起流入一次混合及反应区，在装在池中心的叶轮搅拌下形成较大絮体。由于叶轮的提升作用，混合后的泥水被提升到二次混合及反应区，继续进行混合反应，并溢流到导流区。导流区设有导流板，其作用是消除反应区带来的环形运动，使废水平稳地进入沉淀区。沉淀的污泥部分进入回流区，回流量为进水量的3～5倍，可通过调节叶轮开启度来控制。（2）水力循环加速澄清池图3-65为水力循环加速澄清池。原水由底部进入池内，经喷嘴喷出。喷嘴上面为混合室、喉管和第一反应室。喷嘴和混合室组成一个射流器，喷嘴高速水流将池子锥形底部含有大量絮凝体的水吸进混合室，与进水掺合后，经第一反应室喇叭口溢流进入第二反应室。图3-65水力循环加速澄清池吸进去的流量称为回流。第一反应室和第二反应室构成一个悬浮层区，第二反应室的出水进入分离室，相当于进水量的清水向上流向出口，剩余流量则向下流动，经喷嘴吸入与进水混合，再重复上述水流过程。动画演示2萃取原理及其设备设计液-液萃取（extractionandstripping）操作属于两液相间的液-液传质过程，其在环境工程中的应用主要是从废渣、污泥及烟尘浸出液和废液中提取、回收各种有用组分或去除有害组分，以达到消除污染、综合利用资源的目的。在多数情况下，被提取组分在废渣和废水中是低浓、微量的，这时液-液萃取技术的优越性更加突出。一、萃取原理萃取是利用溶液中的溶质在原溶剂中溶解度与在新加入溶剂（萃取剂）中溶解度的差异，将溶质从溶液中进行分离。萃取工业过程包括3个工序：①混合；②分离；③回收。根据萃取剂S与废水接触方式的不同，萃取作业可分为间歇式和连续式两种；根据两相接触次数的不同，萃取流程可分为单级萃取和多级萃取两种，后者又分为“错流”与“逆流”两种方式。动画演示最常用多级逆流萃取流程，该过程将多次萃取操作串联起来，实现废水与萃取剂S的逆流操作。多级逆流萃取只在最后一级使用新鲜的萃取剂S，其余各级都是与后一级使用过的萃取剂S接触，因此能够充分利用萃取剂S的萃取能力，充分体现了逆流萃取传质推动力大、分离程度高、萃取剂用量少的特点，因此也称为多级多效萃取或简称多效萃取。二、萃取装置及其选择1.逐级接触式萃取装置（stepwisecontactextractor）逐级接触式萃取装置既可用于间歇操作，又可用于连续操作。在操作过程中要求每一级为两相提供良好的接触，然后使两相分层而得到相当完全的机械分离。混合澄清槽和筛板萃取塔是两种常用的逐级接触装置类型。混合澄清槽（mixedsettter）混合澄清组合装置动画演示筛板萃取塔的结构类似于气-液传质设备中的筛板塔，塔内设有一系列筛板。轻、重两相依靠密度差，在重力的作用下，进行分散和逆向流动。动画演示2.连续接触式萃取装置（differentialcontactextractor）连续接触式萃取装置一般用于连续操作。该装置要求分散相在连续相中通过时有良好的两相接触，但一直到接触的最后才进行分层，因而在接触区减少返混成为重要的考虑因素。连续接触式萃取装置有喷淋塔、填料萃取塔、脉冲填料柱、脉冲筛板塔、振动筛板塔（Karr萃取塔）、转盘塔、离心萃取器等多种类型。喷淋塔填料萃取塔动画演示填料类型动画演示动画演示动画演示离心萃取机藉高速旋转所产生的离心力，使密度差很小的轻重两相快速分离。波德式离心萃取机就是一种连续接触式萃取设备，简称POD离心萃取器动画演示三、超临界萃取技术与设备超临界流体萃取（简称超临界萃取），它利用超临界流体作为萃取剂，是近20年来迅速发展起来的一种新型萃取分离技术。1.超临界流体萃取过程的特征超临界流体具有良好的溶解能力和选择性，且溶解能力随压力的增大而增大，例如CO2在45°C、7.6MPa时不能溶解萘，当压力达到15.2MPa，每升可溶解萘50g。因此利用超临界流体作为萃取剂，在高密度（低温、高压）条件下，萃取分离物质，然后稍微提高温度或降解压力，即可将萃取剂与待分离的物质分离出来。所选用超临界流体与被萃取流体的化学性质越相似，对其溶解能力就越大。一般选用化学性质稳定、无腐蚀性、其临界温度不过高或过低的物质作为超临界流体，常见的超临界流体有CO2、NH3、C2H4、C3H3、H2O等。由于CO2的临界温度为31°C、临界压力为7.4MPa，萃取条件较为温和，萃取后可以回收，不会造成溶剂残留，被称为“绿色溶剂”，因为目前使用最广。最先用于环保工程的超临界萃取技术，是采用大粒度的憎水性阳离子交换树脂，吸附污水中的有机氯、有机硫、有机磷、酚类、胺类、腈类、石油醚、苯、联苯、二苯醚等有毒物。吸附了有毒物的憎水性阳离子交换树脂，用超临界CO2流体进行萃取解吸再生，重复使用憎水性阳离子交换树脂。3吸附装置吸附过程是流体与固体颗粒之间的相际传质过程，包括气体吸附和液体吸附两种。在水污染控制工程领域，液体吸附广泛应用于深度处理。当采用颗粒状活性炭对这类废水进行处理时，不但能够吸附这些难分解的有机物、降低COD，还能使废水脱色、脱臭，把废水处理到可以回用的程度。吸附是一种界面现象，起作用发生在两个相的界面上。具有吸附能力的多孔性固体物质称为吸附剂，而废水中被吸附的物质称为吸附质。根据固体表面吸附力的不同，吸附可分为以下三种类型。（1）物理吸附：吸附剂和吸附质之间通过分子间力产生的吸附称为物理吸附。物理吸附是一种常见的吸附现象。（2）化学吸附：吸附剂和吸附质之间发生由