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主讲人：李建伟讲课内容水质概论给水预处理膜分离技术离子交换除盐第一章水质概论水是由水分子组成，一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的。在大自然中纯水是没有的。因为水是一种溶解能力很强的溶剂，能溶解大气中、地表面和地下岩层里的许多物质，此外还有一些不溶于水的物质和谁混杂在一起。天然水中的杂质虽然种类很多，但在它们的组成中，一般不外乎常见的20多种元素。这些元素除了少数呈单质外，大都形成酸、碱、盐之类的化合物或其它复杂的化合物，分散在水中。化工厂对水质要求十分严格，必须对水进行彻底地净化处理，才能作为锅炉补给水和工艺用水。给水处理的任务：用不同的方法与装置改变原水的主要质量指标以满足用户的要求，提高水的质量，解决原水不能满足用户要求的矛盾。一、原水的水质1.天然水中的杂质按杂质的颗粒大小分：悬浮物粒径约在10-4mm以上的微粒，这类杂质在水中很不稳定，很容易除去。水发生浑浊现象，都是由此类物质所造成的。胶体颗粒直径在10-6~10-4mm之间的微粒，是许多分子和离子的集合体。天然水中的有机胶体多数是由于水中植物或动物肢体的腐烂和分解而生成的，其中主要为腐殖质。湖泊水中腐殖质最多，它常常使水呈黄绿色或褐色。天然水中的矿物质胶体，主要是铁、铝和硅的化合物。溶解物质颗粒大小约为10-6mm以下,包括离子和溶解气体。二、天然水源的水质特点和分类1.天然水的特点地下水由于通过土壤层时，起到了过滤的作用，所以没有悬浮物，经常是透明的。但由于它通过土壤和岩层时溶解了其中各种可溶性矿物质，故它的含盐量比地面水的大。地下水含盐量的多少决定于其流经地层的矿物质成分，接触的时间和水流过路程的长短等。NaCl、Na2SO4、MgSO4、MgCl2、CaCl2和其它易溶盐类，最易溶于地下水中。CaCO3、MgCO3可溶于含有游离co2的水中，所以水中或多或少都含有钙镁的碳酸氢盐。构成土壤的主要成分硅酸盐和铝硅酸盐几乎不溶于水，但当水中含有CO2和有机酸时，可以促使其溶于水。地下水的水质终年很稳定，可以用作水源。三、地面水与地下水特点比较地面水的特点（1）具有悬浮物。江河水中悬浮物、胶体含量随季节变化而变化，一般为几十至几百毫克／升。（2）含盐量、硬度较低。（3）含氧量是饱和状态。（4）易受环境污染。地下水的特点（1）悬浮物、胶体及水生物较少。（2）含盐量、硬度较高。（3）二氧化碳含量较高。（4）水质水温较稳定。四、天然水的分类按含盐量来分低含盐量水——含盐量在200mg/L以下中等含盐量水——含盐量为200~500mg/L较高含盐量水——含盐量为500~1000mg/L高含盐量水——含盐量为1000mg/L以上我国江河水大都属于低含盐量和中等含盐量水，地下水大部分是中等含盐量水。按硬度来分极软水——硬度在1.0mmol/L以下软水——硬度在1.0~3.0mmol/L中等硬度水——硬度在3.0~6.0mmol/L硬水——硬度在6.0~9.0mmol/L极硬水——硬度在9.0mmol/L以上我国江河水的硬度情况是：在东南沿海一带最低，大部小于1.0mmol/L，愈向西北硬度愈大，最大可达9.0mmol/L，东北地区，硬度由北向南增大。五、水质指标悬浮物悬浮物的量虽然可以用重量分析法测定，但由于操作麻烦，所以常用大致可以表征悬浮物多少的透明度或浑浊度来代替。含盐量含盐量表示水中所含盐类的总和，可以通过水质的全分析，用计算法求得。电导率当水中各种离子的相对量一定时，则离子总浓度愈大，其电导率也愈大，所以在实际应用中可直接以电导率反映水中含盐量。对于同一种水，电导率愈大，含盐量就愈大，水质越坏。硬度硬度是用来表示水中某些容易形成垢类以及洗涤时容易消耗肥皂一类物质。对于天然水来说，这些物质主要是钙镁离子，所以通常把硬度看作是这两种离子。因此，总硬度就表示钙、镁离子之和。碱度和酸度碱度表示水中含OH-、CO32-、HCO3-及其他一些弱酸盐类量的总和。酸度是指水中含有能与强碱起中和作用的物质的量。可能形成酸度的物质有强酸、强酸弱碱盐、酸式盐和弱酸。化学耗氧量利用耗氧量来表征有机物多少的原理是基于有机物具有可氧化的共性。用重铬酸钾法测定的耗氧量可称为化学需氧量，用CODcr表示。生化需氧量表示用微生物氧化水中有机物所消耗的氧量，通常用BOD表示。六、用户对水质的要求—水质标准生活饮用水水质标准许多国家都规定了饮用水水质标准。我国于1956年颁布的《生活饮用水卫生标准（试行）》直至1986年实施《生活饮用水卫生标准》（GB5749-85），经过了30多年共修定4次。我国较典型的地下水主要水质水质项目石家庄哈尔滨宁夏同心湖南岳阳天津塘沽pH7.606.90/5.508.30Ca2+/mg/L82.978.2481.02.838.00Mg2+/mg/L19.812.8437.81.563.70Na+K+/mg/L16.223.527905.29317HCO3-/mg/L219.6317.2488.29.76464SO42-/mg/L37.38.0039388.9548.0Cl-/mg/L28.021.321282.55200CO2/mg/L/11.5/5.50/盐含量/mg/L403.8461.01047638.01040七、水处理系统流程UFROUF/RO排水中间水箱除碳器使用点离子交换除盐水箱絮凝剂原水第二章给水预处理水的过滤处理就是用滤料将水中分散的悬浮颗粒从水中分离出来的过程。按滤料类别可分为粒状滤料过滤、纤维过滤、盘式过滤和膜过滤。本节主要介绍粒状滤料过滤。一、过滤机理水中悬浮颗粒在滤层中能否被滤料截留，其主要原因决定于滤料层中的水流状态及悬浮颗粒的表面特性。过滤机理概括有一下两个作用：一种是机械筛分；另一种是接触凝聚。机械筛分作用主要发生在滤料层的表面。当含有悬浮物的水进入滤料层时，滤层表面易将悬浮物截留下来。在过滤中，当带有悬浮物的水进入滤层内部时，事实上也在发生过滤作用。水中的微粒在流经滤层中弯弯曲曲的孔隙时，与滤料颗粒有更多的碰撞机会，在滤料表面起到有效的接触作用，使水中的颗粒易于凝聚在滤料表面，故称为接触凝聚作用，也称为渗透过滤。二、滤料及滤层（一）滤料滤料是过滤装置的基本部件，常用的滤料有石英砂、无烟煤、大理石、活性炭和磁铁矿等。粒状滤料的性能指标：（1）化学稳定性滤料应具有良好的化学稳定性，以免在过滤过程中滤料发生溶解现象，影响出水水质。（2）截污能力所谓滤料层的截污能力是指在一个过滤周期内单位体积滤料所截留的悬浮杂质量，单位以Kg/m3或g/cm3计。（3）机械强度滤料应有足够的机械强度，以免滤料在反洗过程中因颗粒间互相摩擦和碰撞而发生破碎。（4）粒度滤料总是由许多大小不一的颗粒所组成，为表示其组成情况，常用“粒径”和“不均匀系数”两个指标。粒径表示滤料颗粒大小的概况，不均匀系数表示滤料中不同大小的滤料颗粒的分布情况。（二）滤层（1）滤层空隙率滤层中滤料颗粒与颗粒之间的空隙体积占滤层总体积的百分率，即为滤层空隙率。空隙率的大小与颗粒形状，大小及排列方式有关。（2）滤层高度是指滤料在过滤设备中的堆积高度。过滤时，达到某规定指标所需要的滤层厚度称悬浮杂质的穿透厚度，穿透厚度加上一定安全因素的厚度即是滤层的设计厚度。（三）滤层中滤料的排序方式与过滤效果上向流过滤双向流过滤双层滤料过滤三、过滤工艺与设备工艺各种滤池的基本工作过程是相同的，即过滤和反冲洗交错进行。过滤时，水中悬浮杂质被截留，随着滤层中杂质截留量的增加，水流过滤层时的水头损失也相应增加，当水头损失增加到一定程度以致影响产水量或出水水质达不到要求时，滤池便停止过滤而进行反冲洗。反冲洗时，水由下而上穿过滤料层，滤料在水流中处于悬浮状态，滤料得到清洗。清洗结束后，过滤重新开始。从过滤开始到反冲洗结束的一段时间称为滤池（过滤器）的工作周期，从过滤开始到过滤结束称过滤周期。设备常用的过滤设备有：机械过滤器（又称压力过滤器）本体为圆柱形钢制容器。容器内装有进水装置和配水装置及滤料。重力式空气擦洗滤池本体为垂直圆桶形钢制容器，容器内装有进水装置、出水装置及滤料，底部装有压缩空气吹洗装置。多介质过滤器进水出水50-100%反冲洗膨胀空间无烟煤石英砂石英砂垫层第三章膜分离技术一、概述膜分离技术的基础是分离膜。分离膜是具有选择性透过性能的薄膜，某些分子（或微粒）可以透过薄膜，而其它的则被阻隔。这种分离总是要依于不同的分子（或微粒）之间的某种区别，最简单的区别是尺寸，三维空间之中，什么都有大小巨细，而膜有孔径。当然分子（或微粒）还有其它的特性差别可以利用，比如荷电性（正、负电），亲合性（亲油、亲水），溶解性，等等。按照阻留微粒的尺寸大小，液体分离膜技术有反渗透（亚纳米级）、纳滤（纳米级）、超滤（10纳米级）和微滤（微米和亚微米级），另外还有气体分离、渗透蒸发、电渗析、液膜技术、膜萃取、膜催化、膜蒸馏等膜分离过程。过滤图谱PurificationProcess·乳状液·细菌·贾第鞭毛虫·胶体·病毒·蛋白质·杀虫剂·色度·盐·水·蛋白质·盐·病毒·胶体·色度·杀虫剂·水·盐·色度·杀虫剂·水·盐·水膜净化技术超滤UltraFiltration纳滤NanoFiltration反渗透ReverseOsmosis微滤MicroFiltration(µm)(µm)(µm)(A°)二、超滤技术简介超滤，英文名称ultrafiltration。超滤膜（中空丝膜）分离技术作为二十一世纪六大高新技术之一，以其常温低压下操作、无相变、能耗低等显著特点已成为一种分离过程的标准，在欧美等发达国家和地区得到了广泛的使用。超滤膜在饮用水净化、饮料食品、医疗医药等许多方面已得到广泛应用。在以压力驱动的膜过程中，超滤是一种能同时进行浓缩和分离大分子或胶体物质的技术，它能去除大于10-200A（约0.001-0.02μm）的大分子和颗粒。技术特点：1.由于超滤处理的对象为大分子物质，如天然聚合物胶体物质等，这类物质渗透压极低，从而过程中所需压力也很低，这就可以大大降低设备投资及其运行费用；2.可在常温下操作，避免了蒸发过程中出现的热力学降解问题及氧化降解问题；3.与常规脱水（浓缩）工艺相比，不出现溶剂的相态变化，从而大大节省了能源。超滤膜的过滤原理超滤是一种与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的的净化、分离和浓缩的目的。参见下图超滤原液一般指需要净化、分离或浓缩的溶液透过液指原液中透过超滤膜而被滤除大分子溶质的那部分液体浓缩液原液中因分离出透过液而剩余的高浓度溶液。在净化水工程中，原液是指原水进水，透过液即为净化水，浓缩液则是排放的废水。典型系统流程图超滤膜的分类超滤膜一般分为板框式（板式）、中空纤维、管式、卷式等多种结构。其中，中空纤维式是国内应用最为广泛的一种。中空纤维式超滤组件与中空纤维式反渗透组件相似，只是孔径大小不同而已。应用中要根据料液的情况加以选择，各种超滤膜组件都有其成功的应用领域。中空纤维膜－纤维的内径很小中国的中空纤维膜是起步最早，运用成熟的膜结构，广泛用于水处理。超滤膜组件的运行过程UltrafiltrateRawWaterFilter200-300mBackwashTankAirChemicalsBackwashPumpFeedPumpEffluent现场照片三、反渗透系统早期历史-自然现象：1748年,J.A.Nollet猪膀胱半透性1828年,R.J.H.Dutrochet渗透定义1887年,J.H.Vant’Hoff渗透公式/理想溶液理论1911年,F.G.Donnan膜与溶液间的离子分布规律/Donnan排斥理论近期历史-人工合成:1927年,R.Zsigmondy第一张人造膜(合成膜)1953年,W.Juda&W.A.