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第十二节污水的化学消毒（一）概述一、消毒通过消毒剂或其它消毒手段，杀灭水中致病微生物的处理过程，称为消毒。水中的致病微生物包括病毒、细菌、真菌、原生动物、肠道寄生虫及其卵等。应该注意到，消毒和灭菌是两种不同的处理工艺，前者仅要求杀灭致病微生物，而后者则要求杀灭全部微生物。二、水及废水的消毒处理1、生活饮用水消毒对饮用水是必不可少的处理工艺。2、废水对废水处理而言，虽非必须，但对某些废水的安全排放或回用，也是十分重要的。三、消毒方法消毒方法包括物理法和化学法两大类。物理法有加热、光照及超声波等手段，但在废水处理中很少应用；属于化学消毒法的消毒剂有多种氧化剂（氯、臭氧、溴、碘、高锰酸钾等）、某些重金属离子（银、铜等）及阳离子型表面活性剂等。四、消毒的基本原理1、消毒的基本过程①消毒剂达到微生物体表；②渗入细胞壁；③与特定的酶发生反应，破坏其活性，中断细胞的代谢过程。2、影响消毒效率的因素（１）致病微生物的种类及存在状态一般而言，病毒比细菌较难杀灭；有芽孢的细菌比无芽孢的细菌较难杀灭（废水中的致病菌多无芽孢）。（２）消毒剂的种类与浓度氯的杀菌作用很好，且能维持较为长久的杀菌作用，但对病毒的作用较差；臭氧对细菌、病毒等都有强烈的杀伤能力，但无耐久的效能。一般来说，消毒剂的浓度愈高，则杀菌效果愈好。（３）水质特征：温度、pH值、悬浮物、氨氮。（４）接触时间（二）氯消毒法一、氯消毒原理根据水质不同分：1、原水中不含氨氮氯易溶于水，发生下列反应：2211ClHOHOClHClHOClHOClHOClKHOClOClKHOClHHOClOCltpH平衡常数＝与的相对比例取决于温度和值。HOCl和OCl-都具有氧化能力，统称为有效氯，亦称为自由氯。消毒主要是HOCl起作用，它是中性分子，扩散到带负电的细菌表面，渗入细胞内部，氧化破坏细菌体内酶，使细菌死亡。2、原水中有氨氮由于有机污染含一定氨氮，所以发生如下反应：22322222232ClHOHOClHClNHHOClNHClHONHClHOClNHClHONHClHOClNClHO一氯胺、二氯胺和三氯胺统称为化合性氯或结合氯。含量比例决定于氯、氨的相对浓度、pH值和温度。pH9一氯胺占优；pH＝7一氯胺与二氯胺等量；pH6.5二氯胺占优；pH4.5三氯胺占优；二氯胺消毒效果比一氯胺好，但有臭味，pH低时占优。三氯胺有恶臭，在水中溶解度很低，消毒作用差。氯胺消毒作用慢，接触时间长。二、加氯量加氯量＝需氯量＋余氯量需氯量为杀死细菌、氧化有机物和还原性物质所耗部分；余氯量为抑制水中细菌再度繁殖。1、水中杂质种类和数量的影响（1）无细菌、有机物和还原性物质等，则需氯量为零，加氯量等于余氯量。（2）水中有机物少，且主要不是游离氨和含氮化合物时，OM－需氯量（水中有有机物存在）。加氯量超过OM后，出现余氯量。加氯量mg/l余氯量mg/l①②OM（3）当水中污染物主要是氨和含氮化合物时第1区（OM）：杂质将氯耗光，余氯量＝0，消毒效果不可靠。第2区（MH）：氯与氨反应，有余氯，为化合性余氯，有一定的消毒效果。第3区（HB）：仍然产生化合性余氯，加氯量增加，余氯量减少，氯胺被氧化成不起消毒作用的化合物。第4区（BC）：无耗氯物质，出现自由性余氯，消毒效果最好。折点氯化－加氯量超过折点所需氯量。（可降低色度，去除臭味，降低有机物含量，提高混凝效果。）OHHClNHOClClNH222322、加氯投量（1）控制点原水游离氨0.3mg/l：加氯量控制在折点后；原水游离氨0.5mg/l：加氯量控制在峰点前；原水游离氨0.3~0.5mg/l之间，难掌握。（2）投量1）地面水→混凝→沉淀→过滤，或清洁地下水，1.0~1.5mg/l2）地面水→混凝→沉淀1.5~2.0mg/l3）污水10mg/l515mg/l1030mg/l20～二级处理～不完全二级处理～一级处理排放污废水三、加氯位置的确定1、滤后投加在滤池出水口、清水池进口处、滤池至清水池管道上。适用：原水水质较好，处理后水中有机物、细菌大部分被去除，加氯量很少，满足余氯要求。2、滤前加氯在投加混凝剂的同时投加氯（助凝剂）。有以下作用：（1）氧化有机物，高色度水，提高混凝效果（2）FeSO4，加Cl2，氧化成三价Fe，促进凝聚作用（3）防止构筑物内孳生青苔，延长氯胺消毒的接触时间，使加氯量维持在MH段，节省加氯量。3、中途加氯加压泵站，管网长时，防止水厂出水余氯过高。四、设备和加氯间1、加氯机（安全、计量）工作过程氯气→旋风分离器→转子流量计、控制阀、弹簧薄膜阀1→中转玻璃罩→水射器→溶解于压力水→加氯点真空加氯机1－出氯孔；2－玻璃钟罩；3－吸氯管；4－水射器；5，6－浮球；7－补充进水管；8－溢流管；9－浅盘；10－旋流分离器2瓶、氯库和加氯间（1）氯瓶：防止受潮，腐蚀金属，保持余压（2）加氯间－加氯机、氯瓶、磅秤的操作间氯库－储备氯瓶的仓库可合建、分建。靠近加氯点，主导风向下风向，有安全措施。（三）其它消毒法一、ClO2消毒（Disinfectionwithchlorinedioxide）适用：受污染水消毒，减少氯化有机物，有持续消毒作用1．特性（1）刺激性气体，易溶于水，是氯气的5倍，颜色由黄绿至橙色；（2）在水中是纯溶解状态，不与水反应，消毒作用受PH影响小（3）ClO2有较强的吸附和穿透能力，破坏酶，对细菌病毒有很强的灭活能力（仅次于臭氧）（4）不与氨反应，在氨含量高时，仍保持全部杀菌能力，水中有酚时，不会产生氯酚（有臭味）2．制备（1）NaClO2和Cl2（2）酸与NaClO23．缺点：成本高，不能贮存，一般现场制备二、氯胺消毒1．特点优点：水中含有机物和酚时，不产生氯臭和氯酚味，大大地减少三卤甲烷THM的可能，保持水中余氯较久，适用管网较长。缺点：消毒作用慢，杀菌能力比氯气弱。2．人工加氨：液氨、硫酸铵、氯化铵氯:氨＝3:1～6:13．投加顺序（1）先加氨，再加氯－减少臭味（2）先加氯，再加氨－维持余氯三、漂白粉消毒易分解，放在阴凉通风处，适用于小水厂。四、NaOCl消毒消毒效果不如氯气，现场制作，不宜贮存，易分解。常用于小型水厂。五、臭氧消毒杀菌能力最强。臭氧与氯联用。六、紫外线消毒无污染；受水中悬浮物含量影响，无持续消毒作用；适用于少量水处理。NaOHHOClOHNaOCl2第十三节混凝澄清法（一）胶体结构及其脱稳凝聚机理一、胶体结构与特点1、胶体结构：胶体的双电层结构2、描述胶体特性的参数4q=q电位：式中：－胶体粒子的电动电荷密度，即胶体表面与溶液主体间的电荷差；－扩散电层厚度；－水的介电常数，其值随水温升高而减少。二、胶体的脱稳与凝聚1、压缩双电层是指在胶体分散体系中投加能产生高价反离子的活性电解质，通过增大溶液中反离子强度来减小扩散层厚度，从而使电位降低的过程。2、电性中和当投加的电解质为铝盐、铁盐时，它们能在一定条件下离解和水解，生成各种络离子。这些络离子不但能压缩双电层，而且能通过胶核外围的反离子层进入固液界面，并中和电位离子所带电荷，使φ电位降低，ζ电位也随之减小，达到胶体的脱稳和凝聚。3、吸附架桥如果投加的药剂是水溶性链状高分子聚合物并具有能与胶粒和细微悬浮物发生吸附的活性部位，那么它就能通过静电吸引力、范德华引力和氢键力等，将微粒搭桥联接为一个个絮凝体（俗称矾花）。4、网捕卷带当用铁、铝盐等高价金属盐类作混凝剂，而且其投加量和介质条件足以使它们迅速生成难溶性氢氧化物时，沉淀就能把胶粒或细微悬浮物作为晶核或吸附质而将其一起除去。（二）混凝剂种类及其作用机理一、无机盐混凝剂1、种类（1）铝盐、铁盐：（2）聚合铝、铁盐：2、作用机理（1）水解反应铝盐的水解过程：32232232332434222352343721342433[()]2[()]23()34[()]422[()]234[()]41328[()]32()()3AlHOAlOHHAlHOAlOHHAlHOAlOHHAlHOAlOHHAlHOAlOHHAlHOAlOHHAlHOAlOOHHAlOHAlOH无定形铁盐水解过程HOHOHFeOHOHFeHOHOHFeOHOHFeHOHOHFeOHFe])()([])()([])()([]))(([]))(([])([323422422252252362（2）铝盐和铁盐的混凝特性PH＜3：铝以[Al(H2O)6]3+形态为主（主要是压缩双电层）PH＝4.5~6.0：多核羟基配合物为主（吸附电中和）PH＝7.0~7.5：中性氢氧化铝聚合物[Al(OH)3]n为主（吸附架桥、网捕）PH＞8.5：络合阴离子[Al(OH)4]-铝盐投加量超过一定限度，会出现胶体保护（脱稳颗粒变号、被包卷），重新稳定。继续增大，超过Al(OH)3溶解度而产生大量沉淀物，起网捕作用。（3）聚合氯化铝、聚合氯化铝聚合铝、铁盐是人工合成的聚合或配合物，其混凝特性除与水质有关外，主要取决于产品的盐基度（碱化度）：nmmOHB=100%xRnOHRFeAlxFeAl式中：－单体分子中的个数；－单体分子中的或的原子数；－或的化合价。二、有机高分子混凝剂1、种类（1）人工合成有机高分子混凝剂1）阳离子型－基团离解后带正电荷。聚二丙基二甲基氯化铵（PDADMAC），分子式如下：阳离子型非离子型2）非离子型：基团不带电荷。主要品种有聚丙烯酰胺（PAM）和聚氧化乙烯（PEO）。目前，聚丙烯酰胺（PAM）应用较广泛。CH2CHCHH2CCH2CH2N+CI-H3CCH3nCH2CHC=ONH2n3）阴离子型：基团离解后带负电荷。CH2CHC=ONH2n+NaOH+H2O=CH2CHC=OONan+NH4OH（2）天然高分子絮凝剂：天然高分子絮凝剂主要有藻酸钠、骨胶、明胶等，目前还有待于进一步开发。（3）基本指标1）水解比由酰胺基转化为羧基的百分数称水解度，即PAM与NaOH用量的重量比。水解比过高，负电性过强，对絮凝性也会产生阻碍作用。一般水解度控制在1:0.01-1:0.05。2）毒性制造聚丙烯酰胺（PAM）的单体丙烯酰胺是一种有毒物质，一般PAM产品中单体丙烯酰胺的含量为500mg/kg。2、作用机理主要是通过吸附桥联发挥作用。高分子絮凝剂对微粒的吸附侨联模式(a)初期吸附；(b)絮凝体形成三、助凝剂助凝剂：本身可起也可不起凝聚作用，与混凝剂一起能促进水的混凝，改善絮凝体条件。如污染水，胶体表面有一层有机保护膜（表面性能变化），可加氧化剂破坏保护膜，帮助混凝。1、种类（1）pH调节剂：H2SO4、Na2CO3、NaOH、CaCO3（2）絮体结构改良剂：加大絮体的粒径、密度、机械强度。水玻璃（硅酸钠）、活性硅酸（作为骨架来强化低温和低碱度下的絮凝）、粉煤灰、粘土（作为絮体形成的核心来加大絮体的密度，改善其沉淀性能和污泥的脱水性能）。（3）氧化剂：氯、次氯酸钙、次氯酸钠。氧化原水中的有机物。2、作用机理主要是通过改变胶体性状、改变水质、吸附桥联等发挥作用。（三）混凝动力学过程一、混凝过程1、混凝的基本过程（1）从作用机理角度1）凝聚：使胶体脱稳的过程（coagulation）。2）絮凝：使脱稳胶体相互凝结形成较大絮体的过程（flocculation）。（2）从动力学角度1）异向絮凝：由于布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集。2）同向絮凝：由于流体运动所造成的颗粒碰撞聚集。（3）从工艺角度1）混合：混凝剂与废水充分混合，完成废水中胶体的脱稳过程并形成微絮体。2）絮凝：微絮体不断生长成较大絮体的过程。二、混凝的动力学1、同向絮凝速率2304N=ndG3式中：N0－单位体积水中颗粒在同向絮凝中的碰撞速率，1/(cm3·s)；n－颗粒数量浓度，个/cm3；d－颗粒粒径，cm；G－速度梯度，1/s2、速度梯度控制混凝效果的