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第14章给水处理概论1.水中杂质按其尺寸分为几类、各自特点水中杂质按尺寸大小分为悬浮物、胶体、溶解物三类。悬浮物：尺寸较大，易于下沉或上浮，当水流较慢时可去除。胶体：尺寸很小，长期静置也难下沉，水处理解决的主要对象。溶解物：包括有机物和无机物两大类。无机物是工业用水的主要去除对象，有害有毒的则是生活饮用水的去除对象。有机物会产生色、臭、味及毒性，主要来自污染，是目前研究的重点对象之一。2.水处理中常用的物理化学方法混凝：通过投加化学药剂，使水中的悬浮固体和胶体聚集成易于沉淀的絮凝体。沉淀和澄清：通过重力作用，使水中的悬浮颗粒、絮凝体等物质被分离去除。浮选：利用固体或液滴与它们在其中悬浮的液体之间的密度差，实现固-液或液-液分离的方法。过滤：使固-液混合物通过多孔材料（过滤介质），从而截留固体并使液体（滤液）通过的过程。膜分离：利用膜的孔径或半渗透性质实现物质的分离。吸附：通常在水处理中指固相材料浸在液相或气相中，液相或气相物质固着到固相表面的传质现象。离子交换：在分子结构上具有可交换的酸性或碱性基团的不容性颗粒物质，固着在这些基团上的正、负离子能和基团所接触的液体中的同符号离子交换为对物质的物理外观毫无明显的改变，也不引起变质或增溶作用的过程。中和：把水的pH调整到接近中性或是调整到平衡pH值的任何处理。氧化与还原：改变某些金属或化合物的状态，使他们变成不溶解的或无毒的。3.三种理想反应器（CMB、CSRT、PF）定义、特点完全混合间歇式反应器（CMB型）反应物投入容器后，通过搅拌使物质均匀混合，同时发生反应，直到反应物到预期要求时，停止操作，排出反应产物。在反应过程中不存在由物质迁移而导致的物质输入和输出，且假定在恒温下操作。CMB型反应器通常用于实验室实验或少量的水处理。完全混合连续式反应器（CSTR型）当反应物投入反应器后，经搅拌立即与反应器内的料液达到完全均匀混合，新的反应物连续输入，反应产物也连续输出。输出的产物浓度和成分与反应器内的物料相同。进口浓度和出口浓度不一样。由于快速混合，输出的物料各部分的停留时间各不相同。推流式反应器（PF型）反应器的物料仅以相同的流速平行流动，而无扩散作用。物料浓度在垂直液流方向完全均匀，而沿着液流方向将发生变化。这种流型的唯一的质量传递就是平行流动的主流传递。4.名词解释：主流传递、分子扩散传递、紊流扩散传递1）主流传递：物质随水流主体而移动，称主流传递。它与液体中物质浓度分布无关，而与流速有关。传递速度与流速相等，方向与水流方向一致。2）分子扩散传递：在溶液中，如存在浓度梯度时，则由于分子作无规则运动，高浓度区内的组分将向低浓度区扩散直至趋于均匀分布状态。3）紊流扩散传递：大多数的水流为紊流，此时液体质点不仅具有随流的运动，还具有“各向”的脉动，从而引起物质的传递。紊流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式；1.名词解释：混凝胶体稳定性、胶体动力学稳定、聚集稳定性、ζ电位、异向絮凝、同向絮凝异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。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称为同向絮凝。胶体稳定性：指胶体粒子指在水中长期保持分散悬浮状态的特性。动力学稳定性：指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力。凝聚：指胶体脱稳并生成微小聚集体的过程絮凝：脱稳的胶体或微小的悬浮物结成大的絮凝体的过程混凝：通过某种方法（投加化学药剂）使水中胶体粒子和微小悬浮物聚集过程聚集稳定性：指胶体粒子间不能相互聚集的特性。2.什么是胶体稳定性，导致胶体稳定的原因有哪些？胶体稳定性是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性3.常用无机盐混凝剂和高分子混凝剂投量过多时，为什么混凝效果反而不好？1、压缩双电层作用：电位最多可降至0，因而不能解释以下两种现象：（1）混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；（2）与胶粒带同样电荷的聚合物或高分子有机物也有好的凝集效果。2、吸附—电中和作用：胶体颗粒与异号离子作用，首先是吸附，然后才是电荷中和，因此当投加混凝剂时，胶体颗粒表面电荷不但可能被降为零，还可能带上相反电荷。即胶体颗粒反号，发生重新稳定的现象。3、吸附—架桥作用：当高分子物质投加过多时，胶体颗粒表面被高分子所覆盖，两个胶体颗粒接近时，受到胶粒与胶粒之间因高分子压缩变形产生的反弹力和带电高分子之间的静电排斥力，使胶体颗粒不能凝集。4、网捕—卷扫作用：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。当混凝剂加量大时，混凝剂相互之间会有影响，使上述各种作用能力发生变化，但不都是作用力加强，大于混凝剂的最佳投药量时，再投加混凝剂反而效果会降低4.简述DLVO理论5.叙述混凝机理胶体的凝聚机理有4个方面：压缩双电层作用、吸附—电中和作用、吸附—架桥作用、网捕—卷扫作用。压缩双电层作用：水中胶体颗粒通常带有负电荷，使胶体颗粒间相互排斥而稳定，当加入含有高价态正电荷离子的电解质时，高价态正离子通过静电引力进入到胶体颗粒表面，置换出原来的低价正离子，这样双电层中仍然保持电中性，但是正离子的数量减少了，即双电层的厚度变薄了，胶体颗粒滑动面上的ζ电位降低。当ζ电位降低至某一数值（临界电位ζk）使胶体颗粒总势能曲线上的势垒处Emax=0时，胶体颗粒即可发生凝集作用。吸附—电中和作用：胶体颗粒表面吸附异号离子、异号胶体颗粒或带异号电荷的高分子，从而中和了胶体颗粒本身所带部分电荷，减少了胶体颗粒间的静电斥力，使胶体更易于聚沉。这种吸附作用的驱动力包括静电引力、氢键、配位键和范德华力等，具体何种作用为主要驱动力，由胶体特性和被吸附物质本身的结构决定。吸附—架桥作用：不带电，带异号电荷，甚至带有与胶粒同性电荷的高分子物质在范德华引力、共价键、氢键或其他物理化学作用下，与胶粒也产生吸附作用。当高分子链的一端吸附了某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，形成“胶粒-高分子-胶粒”的絮凝体。在这里高分子起了胶粒与胶粒之间的桥梁作用，故称为吸附架桥作用。网捕—卷扫作用：当铝（铁）盐混凝剂投量很大而形成大量氢氧化物沉淀时，会像多孔的网一样，将水中的胶体颗粒和悬浮浊质捕获、卷扫下来，称网捕或卷扫作用。这是一种机械作用，所需的混凝剂投量与原水杂质含量成反比，即杂质少，用量多。6.速度梯度G(或GT)的含义、公式及计算G值反映了能量消耗的概念，即一个瞬间受剪而扭转的单位体积水流所消耗的功率7.简要叙述混凝阶段的控制指标及要求混合（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即告完成，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（由前碰撞速率公式知越大越好），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，GT＝104－105随着絮凝的进行，G值应逐渐减小，这是因G值增大时，水流剪切力随之增大，使絮体又有破碎的可能。8.影响混凝效果的影响因素有哪些？影响水混凝的主要因素有：水温、pH值、碱度、水中浊质颗粒浓度、水中有机污染物、混凝剂种类与投加量、混凝剂投加方式、水利条件。水温：水温对混凝效果有较大的影响，最适宜的混凝水温为20～30℃之间。水温低时，絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒小，混凝效果较差。水温高时，混凝剂水解反应速度快，形成的絮凝体水合作用增强、松散不易沉降。pH值：pH主要从两方面影响混凝效果：1、水的pH值直接与水中胶体颗粒的表面电荷和电位有关，不同的pH值下胶体颗粒的表面电荷和电位不同，所需要的混凝剂量也不同；2、水的pH值对混凝剂的水解反应有显著影响，不同的混凝剂的最佳水解反应所需要的pH值范围不同。因此水的pH值对混凝效果的影响因混凝剂种类而异。碱度：由于混凝剂加入原水后，发生水解反应，反应过程中需要消耗水中的碱度，特别是无机盐类混凝剂，消耗的碱度更多。当原水中碱度很低时，投入混凝剂因消耗水中的碱度而使水的pH值降低，如果pH值超出混凝剂的最佳混凝pH值范围，将使混凝效果受到显著影响。水中浊质颗粒浓度：浊质颗粒浓度过低时，颗粒间的碰撞几率大大减小，混凝效果变差。浊质颗粒浓度过高时，要使胶体颗粒脱稳所需的混凝剂量也将大幅度增加。水中有机污染物：水中有机物对胶体有保护稳定作用，将胶体颗粒保护起来，阻碍胶体颗粒之间的碰撞，阻碍混凝剂与胶体颗粒之间的脱稳凝集作用。混凝剂种类与投加量：不同种类的混凝剂的水解特性和使用的水质情况完全不同，因此应根据原水水质情况优化选用适当的混凝剂种类。一般情况下，混凝效果随混凝剂投加量的增加而提高，但当混凝剂的用量达到一定值后，混凝效果达到顶峰，再增加混凝剂用来则混凝效果反而下降，所以要控制混凝剂的最佳投量。混凝剂投加方式：固体混凝剂与液体混凝剂甚至不同浓度的液体混凝剂之间，其中能压缩双电层或具有电中和能力的混凝剂水解形态不完全一样，因此投加到水中后产生的混凝效果也不一样。另外，如果除投加混凝剂之外还投加其他助凝剂，则各种药剂之间的投加先后顺序对混凝效果也有很大影响。水利条件：水利条件包括水力强度和作用时间两方面的因素。混凝过程分为快速混合与絮凝反应两个连续不可分割的阶段，不同阶段所需要的水利条件也不同。影响混凝效果的因素：1)水温低温时混凝效果差，絮凝很缓慢，那是由于无机盐类混凝剂在水解时是吸热反映，水温低时，水解十分困难。其次，低温的水粘度大，水中杂质的热运动减慢，彼此之间接触碰撞的机会减少不利于相互凝聚。水的粘度大，水流的剪力增大，絮凝很缓慢。因此，只有在水温高时，分子之间的扩散速度加快，有利于凝结反应进行。通常最佳水温为20~29℃。2)水的PH值和碱度的影响PH值对于铝盐凝合剂的混凝过程影响很大。由于铝盐在水解过程中所生成的氢氧化铝胶体是典型的两性化合物，当其离解时能生成带正电的阳离子，而混凝过程中胶体物质需要大量带正电荷的混凝剂微粒，这个关键取决于PH值，一般地说，铝盐作混凝剂要取得良好的混凝效果，要求控制PH值7~8.3)水中杂质的成分、性质和浓度的影响水中的杂质像粘土之类，如粒径细小而均一，则混凝效果差;颗粒浓度过低也不利于混凝;水中如存在大量的有机物质，会吸附于胶粒表面，使失去了原水胶体微粒的特性而具备了有机物的高度稳定性，这样混凝效果就差;水中盐类的浓度，如果引起了阴离子增加，与胶体微粒带的电荷相同，也影响混凝效果。9.说出几种常用的絮凝设施絮凝设施可分为水力絮凝反应设施和机械絮凝反应设施两大类。常用的絮凝设备有：隔板絮凝池、折板絮凝池、机械絮凝池及其他形式絮凝池（栅条、网格絮凝池；穿孔旋流絮凝池等）。絮凝设施基本要求：混合后，通过絮凝设备应形成肉眼可见的大的密实絮凝体。隔板絮凝池：有往复式和回转式两种。构造简单、管理方便、效果较好。但絮凝时间较长、容积较大、转弯处局部水头损失大，容易引起絮凝体破碎。折板絮凝池：有同波折板和异波折板两种。与隔板絮凝池相比，总絮凝时间缩短，絮凝效果良好。机械絮凝池：单个机械絮凝池接近于CSTR（完全混合连续型）型反应器，故宜分格串联。分格愈多，愈接近于PF（推流型），絮凝效果愈好。但分格愈多，造价愈高、维修工作量也愈大。搅拌器有：桨板和叶轮式等。目前我国常用桨板。搅拌轴安装位置有水平和垂直两种。水平轴式实适用于大型水厂；垂直轴式实适用于中、小型水厂。在絮凝反应过程中，为了保证絮凝体不被打碎，并使絮凝体容积较小，节省建设费用，在工程中于絮凝开始颗粒很小时采用大的G值，并随着絮凝体尺寸增大而逐渐减小G值，最后絮凝体增至最大时采用最小的G值。即絮凝过程中，G值应自进口至出口逐渐减小。第16章沉淀和澄清1.名词解释：自由沉淀絮凝沉淀拥挤沉淀、截留沉速表面负荷自由沉淀：单个颗粒在无边际水体中沉淀，其下沉的过程颗粒互不干扰，且不受器皿壁的干扰，下沉过程中颗粒的大小、形状、密度保持不变，经过一段时间后，沉速也不变。拥挤沉