第三章水的化學處理.doc

第三章 水的化學處理水的化學處理方法是借助于化學反應來去除水中污染物，從而達到改善水質(zhì)、控制污染的目的。本章主要介紹中和、混凝、化學沉淀、氧化還原和消毒。通過本章學習，要求掌握各種化學處理方法的基本原理、工藝流程、工藝條件以及各種方法的應用范圍。化學處理法所需要的藥劑和相應的處理設備，要求能夠熟練計算藥劑的用量及設備尺寸的計算。第一節(jié) 中和 工業(yè)生產(chǎn)中總伴隨有酸性廢水和堿性廢水。酸性廢水中常見的酸性物質(zhì)有硫酸、硝酸、氫氟酸、氫氰酸、磷酸等無機酸以及醋酸、甲酸、檸檬酸等有機酸。堿性廢水中常見的堿性物質(zhì)有苛性鈉、碳酸鈉、硫化鈉及胺等。如果將這些廢水隨意排放，不僅會污染環(huán)境，而且會造成巨大的浪費。因此，對酸或堿性廢水首先應考慮回收和綜合利用，必須排放時，需要進行無害化處理。 當酸性或堿性廢水濃度較高，例如在35以上時，應考慮回收和綜合利用的可能性；當濃度不高時，例如低于35，回收和綜合利用經(jīng)濟意義不大時，可考慮中和處理，使廢水的pH值恢復到中性附近的一定范圍。 一、基本原理中和處理發(fā)生的主要反應是酸與堿生成鹽和水的中和反應。在中和過程中，酸堿雙方的當量恰好相等時稱為中和反應的等當點。強酸強堿互相中和時，由于生成的強酸強堿鹽不發(fā)生水解，因此等當點即中性點，溶液的pH值等于7.0。但中和的一方若為弱酸或弱堿，由于中和過程所生成的鹽的水解，盡管達到等當點，但溶液并非中性，pH值大小取決于所生成鹽的水解度。中和處理所采用的藥劑稱中和劑。酸性廢水處理時所用中和劑有石灰、石灰石、白云石、蘇打、苛性鈉等。堿性廢水處理時所用中和劑有鹽酸和硫酸。 中和處理時首先應考慮將酸性廢水與堿性廢水互相中和，其次再考慮向酸性或堿性廢水中投加藥劑中和以及過濾中和等。二、酸性廢水的中和處理（一）酸堿廢水互相中和酸堿廢水相互中和是一種簡單又經(jīng)濟的以廢治廢的處理方法。利用酸性廢水和堿性廢水互相中和時，應進行中和能力的計算。中和時兩種廢水的酸或堿的當量數(shù)應相等。在中和過程中應控制堿性廢水的投加量，使處理后的廢水呈中性或弱堿性。根據(jù)化學反應當量原理，可按下式進行計算： （3-1）式中 Qb堿性廢水流量，m3/h； Bb堿性廢水濃度，mg/L； Qa酸性廢水流量，m3/h；Ba酸性廢水濃度，mg/L；藥劑比耗量，即中和1kg酸所需堿量，見表3-1；k反應不完全系數(shù)，一般取1.52表3-1 堿性中和劑的比耗量酸中和1kg酸所需的堿量（kg）CaOCa(OH)2CaCO3MgCO3CaCO3 MgCO3H2SO4HNO3HClCH3COOH0.5710.4550.7700.4660.7550.5901.0100.6161.0200.7951.3700.8300.8600.6881.1500.6950.9400.7321.290（二）藥劑中和投加藥劑中和法常用于酸性廢水的處理。以石灰石、電石渣、石灰作中和劑，也有采用碳酸鈉和苛性鈉作中和劑的。反應原理都是酸、堿中和反應，中和劑的投加量，可按化學反應式進行估算。由于藥劑中常含有不參與中和反應的惰性雜質(zhì)(如砂土、粘土)，因此藥劑的實際耗量比理論耗量要大些。藥劑的純度應根據(jù)藥劑分析資料確定。當沒有分析資料時，可參考下列數(shù)據(jù)：生石灰含有效CaO 6080，熟石灰含Ca(OH)26575；電石渣及廢石灰含有效CaO 6070；石灰石含CaCO39095；白云石含CaCO34550。石灰的投加方式可以用干投或濕投。干投是將石灰粉直接計量投入水中。投加時，可使用具有電磁振蕩裝置的石灰投配器。石灰投入廢水渠，經(jīng)混合槽折流混合0.51min，然后進入沉淀池將沉渣進行分離。干投法設備簡單，但是反應不徹底，反應速度慢，投藥量大，為理論值的1.41.5倍，勞動強度大，衛(wèi)生條件差。目前常用的是濕投法。濕投法先將石灰消解，配制成石灰乳液，然后投加。石灰乳液濃度在10左右，用泵送到投配器，經(jīng)投配器投入到混合反應設備。送到投配器的石灰乳量大于投加量，剩余部分回流，保持投配器液面不變，投加量由投配器控制。當短時間停止投加石灰乳時，石灰乳可在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，不易堵塞。石灰消解槽不易采用壓縮空氣攪拌，因為石灰乳與空氣中的CO2會反應生成CaCO3沉淀，既浪費藥劑又引起堵塞。一般采用機械攪拌。濕投法設備較多，但反應迅速徹底，投藥量少，僅為理論值的1.051.10倍。流程如圖3-1所示。圖3-1石灰乳投配裝置 中和反應較快，廢水與藥劑邊混合，邊中和，可用隔板構(gòu)成狹道或用攪拌機械混合藥劑和廢水，停留時間采用520min。中和池可間歇運行也可連續(xù)運行。當廢水量少、廢水間歇產(chǎn)生時采用間歇運行較合理。設置兩個池子，交替工作，當廢水量大時，一般用連續(xù)處理。中和過程產(chǎn)生的泥渣應及時分離，以防止堵塞管道。分離設備可采用沉淀池或氣浮池。投藥中和法適用于任何濃度、任何性質(zhì)的酸性廢水。對水質(zhì)水量的波動適應性強，中和劑利用率高，中和過程容易調(diào)節(jié)。但勞動條件差，藥劑配制和投加設備多，基建投資大，泥渣多且脫水困難。投藥中和酸性廢水時，投藥量可以按式3-2計算： （3-2）式中Ga廢水中酸的含量，kg/h； a中和劑比耗量，見表3-1； 中和劑純度， k反應不均勻系數(shù)，一般取1.11.2；石灰乳中和硫酸時取1.1，中和鹽酸或硝酸時可取1.05。如果用投藥中和法處理堿性廢水，常選用硫酸作中和劑，其優(yōu)點是反應速度快，中和完全。如果用工業(yè)廢酸中和，則消耗成本更低。（三）過濾中和廢水流經(jīng)具有中和能力的濾料并與濾料進行中和反應的方法稱為過濾中和法。工業(yè)上常用石灰石、大理石或白云石作中和濾料處理酸性廢水，反應在中和濾池中進行。水流方式為豎流式(升流或降流均可)。過濾中和法較藥劑投加中和法具有操作方便、運行費用低及勞動條件好等優(yōu)點。但用石灰石作濾料處理濃度較高的酸性廢水尤其是硫酸廢水時，因中和過程中生成的硫酸鈣在水中溶解度很小，易在濾料表面形成覆蓋層，阻礙濾料和酸的接觸反應。因此，廢水的硫酸濃度一般不超過12gL。用白云石作為濾料，硫酸濃度可以適當提高。如硫酸濃度過高，可以回流出水，予以稀釋。過濾中和所使用的中和濾池有普通中和濾池、升流式膨脹中和濾池和滾筒式中和濾池。1.普通中和濾池普通中和濾池為固定床，水的流向有平流式和豎流式。目前多采用豎流式。豎流式又分為升流式和降流式兩種。普通中和濾池的濾料粒徑一般為3050mm，不能混有粉料雜質(zhì)。廢水中如含有可能堵塞濾料的物質(zhì)時，應進行預處理，過濾速度一般不大于5m/h，接觸時間不小于10min，濾床厚度一般為11.5m。2. 升流式膨脹中和濾池采用升流式膨脹中和濾池，可以改善硫酸廢水的中和過濾。具體操作是廢水從濾池的底部進入，水流自下向上流動，從池頂部流出。廢水上升濾速高達有5070mh，濾料間相互碰撞磨擦，加上生成的CO2氣體作用，有助于防止結(jié)殼，濾料表面不斷更新，具有較好的中和效果。濾池分為四部分：底部為進水設備，一般采用大阻力穿孔管布水，孔徑912mm，進水設備上面是卵石墊層，厚度為0.150.2m，卵石粒徑為2040mm，墊層上面為石灰石濾料，石灰石濾料粒徑較小(0.53mm)，濾床膨脹率保持在50左右，膨脹后的濾層高度為1.51.8m，濾層上部清水區(qū)高度為0.5m，水流速度逐漸緩慢，出水由出水槽均勻匯集出流。濾床總高度為3m左右，直徑大于2m。圖3-2為升流式膨脹中和濾池。 圖3-2 升流式膨脹中和濾池當廢水硫酸濃度小于2200mgL時，經(jīng)中和處理后，出水的pH值可提高到66.5。濾池在運行中，濾料有所消耗，應定期補充。膨脹中和濾池一般每班加料24次。當出水的pH值4.2時，須倒床換料。濾料量大時，須考慮加料和倒床機械化操作，以減輕勞動強度。3. 滾筒式中和濾池如圖3-3所示。裝于滾筒中的濾料隨滾筒一起轉(zhuǎn)動，使濾料相互碰撞，及時剝離由中和產(chǎn)物形成的覆蓋層，可以加快中和反應速度。廢水由滾筒的另一端流出。圖3-3 滾筒式中和濾池滾筒直徑1m或更大，長度約為直徑的67倍。滾筒轉(zhuǎn)速約為10r/min，轉(zhuǎn)軸傾斜角度為0.5。1。濾料粒徑十幾毫米，裝料體積約為轉(zhuǎn)桶體積的一半。進水中硫酸濃度可以超過允許濃度的數(shù)倍，濾料粒徑不必碎得很小。但負荷率低（約為36m3/m2.h），構(gòu)造復雜且動力費用較高，運轉(zhuǎn)時噪聲較大，同時對設備材料的耐腐蝕性能要求較高。三、堿性廢水的中和處理（一）藥劑中和 堿性廢水的中和劑主要是采用工業(yè)硫酸，因為其價格較低。使用鹽酸的優(yōu)點是反應產(chǎn)物的溶解度高，泥渣量少，但出水溶解固體濃度高。無機酸中和堿性廢水的工藝、設備和酸性廢水的加藥中和設備基本相同。酸性中和劑的比耗量見表3-2。 表3-2 酸性中和劑比耗量堿的名稱中和1kg堿需要酸的kg數(shù)H2SO4HClHNO3CO2SO2100%98%100%36%100%65%NaOHKOHCa(OH)2NH31.220.881.322.881.240.901.342.930.910.650.992.122.531.802.745.901.571.131.703.712.421.742.625.700.550.390.591.290.800.570.861.88（二）煙道氣中和在工業(yè)上還常用另外一種形式的濾床，稱為噴淋塔，用它來處理堿性廢水。中和劑則是含有CO2和少量SO2、H2S的煙道氣。煙道氣中的CO2和少量SO2、H2S與堿性廢水反應式如下：CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OSO2+2NaOH=Na2SO3+H2OH2S+2NaOH=Na2S+2H2O噴淋塔也是一種豎流式濾池，其濾料是一種惰性填料，本身并不參與中和反應。運行時堿性廢水從塔頂用布液器噴出，流向填料床，煙道氣則自塔底進入，升入填料床。水、氣在填料床接觸過程中，廢水和煙道氣都得到了凈化，使廢水中和、煙塵消除。圖3-4 噴淋塔四、中和處理在工程中的應用江西某鋼廠新建14104 t/a無縫鋼管。酸洗車間所產(chǎn)生的廢酸液總量：2.26104 m3/a，含硫酸50g/L，F(xiàn)eSO4230g/L；酸性廢水總量：27.28104m3/a，含硫酸0.7g/L，F(xiàn)eSO41.72g/L。綜合考慮，確定采取工藝流程如下：廢酸液先進入石灰中和池進行中和預處理，石灰中和池出水再與酸性廢水集中進入調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水質(zhì)水量，然后通過耐酸泵打入升流式膨脹中和濾塔，塔內(nèi)用白云石作中和濾料，再經(jīng)脫氣塔去除CO2，如果出水pH值還達不到排放標準，則需要再通過溶解槽補加部分堿液進一步中和，然后進入平流式沉淀池進行沉淀，沉淀池出水進入清水池以作回用或外排。石灰中和池沉淀廢渣、調(diào)節(jié)池污泥和沉淀池污泥一起打入污泥濃縮池濃縮，再經(jīng)帶式壓濾機進行脫水后外排。其處理工藝流程見圖3-5。 圖3-5 酸性廢水處理工藝流程設計參數(shù)：石灰中和池HRT3h；調(diào)節(jié)池HRT10h；變速升流式膨脹濾塔上部濾速40m/h，下部濾速140m/h；脫氣塔填料層高2m，共3層；反應槽HRT2.5h；平流式沉淀池HRT1.5h，q2m3/(m2.h)；污泥濃縮池HRT3h。濾料粒徑為0.53mm，平均粒徑1.2mm。 該處理站進水pH值為2.13.4，經(jīng)處理后出水pH值為6.16.9。 第二節(jié) 混 凝化學混凝所處理的對象，主要是水中微小懸浮物和膠體雜質(zhì)。大顆粒的懸浮物(粒度大于100nm)由于受重力作用而沉降，可以用沉淀法除去。但是，對于微小粒徑的懸浮物和膠體(粒度lnm100nm)，能在水中長期保持分散懸浮狀態(tài)，即使靜置數(shù)十小時以后，也不會自然沉降?；炷褪窃诨炷齽┑碾x解和水解產(chǎn)物作用下，使水中的膠體雜質(zhì)和細小懸浮物脫穩(wěn)并聚結(jié)成可以與水分離的絮凝體的過程。一般來講，水中膠體顆粒脫穩(wěn)的過程稱為凝聚，脫穩(wěn)的膠體顆粒相互聚集成大的礬花的過程稱為絮凝?；炷悄酆托跄目偡Q。一、基本原理 1.膠體的穩(wěn)定性據(jù)研究，膠體微粒都帶有電荷。天然水中的粘土類膠體微粒、廢水中的膠態(tài)蛋白質(zhì)和淀粉微粒都帶有負電荷，膠體微粒的結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。圖3-6 膠體微粒結(jié)構(gòu)及其電位分布膠體微粒的中心是膠核，在膠核的表面有一層帶同號電核的離子，這些離子可以是膠核的組成物直接電離產(chǎn)生的，也可以是從水中選擇吸附H或OH離子而形成的。這層離子稱為電位離子層，電位離子層構(gòu)成了雙電層的內(nèi)層。電位離子所帶的電荷稱為膠體粒子的表面電荷，它決定了膠粒電荷的大小和符號。由于電位離子的靜電引力，在其周圍又吸附了大量的異號離子，稱為反離子。反離子層構(gòu)成了雙電層的外層，其中緊靠電位離子的反離子被電位離子牢固吸引，并隨膠核一起運動，稱為反離子吸附層。吸附層的厚度一般為幾納米，它和電位離子層一起構(gòu)成膠體粒子的固定層。固定層外圍的反離子由于受電位離子的引力較弱，因而不隨膠核一起運動，并趨于向溶液主體擴散，稱為反離子擴散層。擴散層中，反離子濃度由內(nèi)向外降低，直至與溶液中的平均濃度相等。固定層和擴散層之間的交界面稱為滑動面。滑動面以內(nèi)部分稱為膠粒，由于其中的反離子所帶電荷數(shù)少于表面電荷總數(shù)，所以膠?？偸菐в须姾?，電荷電性與電位離子的電性相同，其數(shù)量等于表面電荷總數(shù)與吸附層反離子所帶電荷之差。膠粒與擴散層一起構(gòu)成電中性的膠體粒子即膠團。膠粒表面剩余電荷使滑動面和溶液主體之間有一個電位差，稱為電動電位或電位，而膠核與溶液主體之間的電位稱為總電位或電位。膠粒在水中受幾方面的影響：膠粒之間的靜電斥力，電位越高，膠粒間的靜電斥力越大；受水分子熱運動的撞擊，使膠粒在水中作不規(guī)則的運動，即布朗運動；膠粒之間的相互引力即范德華力。范德華力的大小與膠粒間距的二次方成反比，當間距較大時可忽略不計。一般水中的膠粒，電位較高。膠粒之間的斥力不僅與電位有關，還與膠粒的間距有關，間距越小，斥力越大。而布朗運動又不足以將兩顆膠粒推近到使范德華力發(fā)揮作用的距離。因此，膠粒不能相互聚結(jié)而長期保持穩(wěn)定的分散狀態(tài)。膠體微粒不能聚結(jié)的另一個原因是水化作用。由于膠粒帶電，將極性的水分子吸引到它的周圍形成一層水化膜。水化膜也可阻止膠粒間的相互接觸。但是水化膜是伴隨著膠粒帶電而產(chǎn)生的，如果膠粒的電位消除或減弱，水化膜也隨之消失或減弱。2.混凝的機理為了使膠體顆粒沉降，就必須破壞膠體的穩(wěn)定性。促使膠體顆粒相互聚集成為較大的顆粒。化學混凝的機理至今仍未完全弄清楚。因為它涉及的因素很多，如水中雜質(zhì)的成分和濃度、水溫、水的pH值、堿度、以及混凝劑的性質(zhì)和混凝條件等。但歸結(jié)起來，可以認為主要是三方面的作用： (1)壓縮雙電層作用 膠體微粒都帶有電荷。天然水中的粘土類膠體微粒以及污水中的膠態(tài)蛋白質(zhì)和淀粉微粒等都帶有負電荷。帶同種電荷的膠粒之間存在著排斥力，距離愈近，斥力愈大。因此，膠體微粒不能相互聚集而長期保持穩(wěn)定的分散狀態(tài)。但是，如果在水中投入電解質(zhì)混凝劑，由于混凝劑提供大量正離子，它會大大降低膠粒之間的靜電斥力甚至使之完全消失，這時布朗運動的動能足以使范德華力發(fā)揮作用，膠粒之間產(chǎn)生明顯引力而逐漸聚結(jié)，最終形成凝聚物而沉降下來。壓縮雙電層作用是闡明膠體凝聚的一個重要理論。它特別適應用無機鹽混凝劑所提供的簡單離子的情況。但是，如果僅用雙電層作用原理來解釋水中的混凝現(xiàn)象，會產(chǎn)生一些矛盾。例如，三價鋁鹽或鐵鹽混凝劑投量過多時混凝效果反而下降，水中的膠粒又會重新獲得穩(wěn)定。于是提出了第二種混凝機理。(2)吸附架橋作用三價鋁鹽或鐵鹽以及其它高分子混凝劑溶于水后，經(jīng)水解和縮聚反應形成高分子聚合物，具有線性結(jié)構(gòu)。這類高分子物質(zhì)可被膠體微粒所強烈吸附。因其線性長度較大，當它的一端吸附某一膠粒后，另一端又吸附另一膠粒，在相距較遠的兩膠粒間進行吸附架橋，使顆粒逐漸結(jié)大，形成肉眼可見的粗大絮凝體。這種由高分子物質(zhì)吸附架橋作用而使微粒相互聚集的過程，稱為絮凝。(3)網(wǎng)捕作用三價鋁鹽或鐵鹽等水解而生成沉淀物。這些沉淀物在自身沉降過程中，能集卷、網(wǎng)捕水中的膠體等微粒，使膠體凝結(jié)，共同沉淀。上述三種作用產(chǎn)生的微粒凝結(jié)現(xiàn)象凝聚和絮凝總稱為混凝。對于不同類型的混凝劑，壓縮雙電層作用和吸附架橋作用所起的作用程度并不相同。對硫酸鋁、氯化鐵等無機混凝劑，壓縮雙電層、吸附架橋作用及網(wǎng)捕作用都同時起作用，而對一些高分子混凝劑尤其是有機高分子混凝劑，吸附架橋作用可能是起主導作用的。下面以硫酸鋁為例討論混凝劑在混凝過程中的作用機理。硫酸鋁溶于水后，首先電離出三價鋁離子：Al2(SO4)32Al3+3SO43-三價鋁離子與水分子結(jié)合形成水合鋁離子：Al3+6H2OAl(H2O)6 3+水合鋁離子進一步水解，形成單羥基單核結(jié)合物：Al(H2O)6 3+H2OAlOH(H2O)52+H3O單羥基單核結(jié)合物又進一步水解：AlOH(H2O)52+H2OAl（OH）2(H2O)4+H3OAl（OH）2(H2O)4+H2OAl（OH）3(H2O)3H3O上述反應中，水中pH值(或H+濃度)對反應影響較大。當pH值提高時，反應趨向右方移動，水合羥基絡合物的電荷逐漸降低，最終生成中性A1(OH)3沉淀物。經(jīng)計算，當pH值8時，F(xiàn)e2+易被溶解氧化成Fe3+，當pH值較低時，可適當加些石灰，以提高堿度和pH值。如水中溶解氧不足時，也可以適當通入氯氣或加入次氯酸鹽，使Fe2+氧化成Fe3+。水溫對其作用影響較小，適用于濃度高，堿性強的廢水，絮凝作用穩(wěn)定，形成礬花速度快，絮凝效果好，但腐蝕性強。（5）三氯化鐵三氯化鐵（FeCl3.6H2O）呈片狀或塊狀，吸濕性強，易溶于水，同時水解成棕色絮狀的氫氧化鐵沉淀。為強氧化劑，易溶于水、乙醇、乙醚、丙酮等有機溶劑中。使用的pH值范圍為6.011.0，最佳pH為6.08.4。通常的用量為1050mg/L。形成的絮凝體粗大，沉淀速度快，不受水溫影響。處理高濁度水效果顯著。但腐蝕性較強，能腐蝕混凝土和使某些塑料變形。（6）聚合硫酸鐵聚合硫酸鐵又名堿式硫酸鐵，化學通式為Fe2(OH)m(SO4)3-mn，是一種高分子絮凝劑。使用的pH范圍是4.011，最佳pH為69。適合的水溫是2040，用量少，絮凝效果好，絮凝體沉降速度快。在水溶液中殘留的鐵比三氯化鐵少。無機絮凝劑中，它對COD的去除率和脫色效果最好。腐蝕性比三氯化鐵小。生活給水、生產(chǎn)給水參考用量為2060mg/L。聚合硫酸鐵在水中可以形成多種水合鐵離子形式，以OH作為架橋形成多核絡離子，從而變成了巨大的無機高分子化合物分子量高達1105。大量的絡合離子通過粘附、架橋、交聯(lián)等作用，使微粒凝聚。（7）有機高分子混凝劑有機高分子混凝劑有天然和人工合成的。這類混凝劑都是巨大的線性高分子化合物。我國目前使用較多的是人工合成的聚丙烯酰胺（PAM）。其分子結(jié)構(gòu)式為C3H5ONn，n為聚合度，一般可達到21049104，相應的分子量可達到150104600104。這類有機高分子混凝劑的最大特點是混凝效果大大高于普通混凝劑，投用量也相對較少。PAM實驗室可配成0.1%0.5%的濃度，隨配隨用。加藥量0.53mg/L。缺點是制造過程相對復雜，成本較高。另外，由于聚丙烯酰胺的單體丙烯酰胺有一定毒性，因此它們的毒性問題引起了人們的注意和研究。近年來許多科研機構(gòu)已致力于這方面的研究，開發(fā)出低殘留聚丙烯酰胺。2.助凝劑當單獨用混凝劑不能取得良好效果時，可投加某些輔助藥劑以改善混凝功能，提高混凝效果，這種輔助藥劑稱為助凝劑。助凝劑有以下幾類：（1）pH調(diào)整劑 當原水的堿度不足時可投加石灰或重碳酸鈉等調(diào)節(jié)pH值。常用的pH調(diào)整劑有H2SO4、CO2、Ca(OH)2、NaOH、Na2CO3等。（2）氧化劑類 當采用硫酸亞鐵作混凝劑時可用氯氣將Fe2+氧化成Fe3+等。（3）絮凝結(jié)構(gòu)改良劑 助凝劑也可用以改善絮凝體的結(jié)構(gòu)，利用高分子助凝劑的強烈吸附架橋作用，使細小松散的絮凝體變得粗大而緊密，常用的有聚丙烯酰胺、活化硅酸、海藻酸鈉、骨膠、粉煤灰、黏土等。三、混凝工藝與設備（一）混凝過程混凝沉淀的處理過程包括投藥、混合、反應及沉淀分離幾個部分?；旌想A段的作用是將藥劑迅速、均勻地分配到廢水的各個部分，以壓縮廢水中膠體顆粒的雙電層，降低或消除膠粒的穩(wěn)定性，使這些膠粒能聚結(jié)成較大的絮凝體?；旌想A段需要劇烈短促的攪拌，作用時間要短，瞬間混合效果最好。反應階段的作用是促使失去穩(wěn)定的膠體顆粒碰撞結(jié)大，成為可見的礬花絮體。反應階段需要較長的時間，只需要緩慢地攪拌。在反應階段，由聚結(jié)作用所生成的微粒與廢水中原有的懸浮微粒由于碰撞、吸附架橋等作用生成較大的絮體，然后送入沉淀池進行分離。（二）影響混凝的主要因素影響混凝效果的因素較復雜，主要以下幾種因素：1pH值水中pH值對混凝劑的影響視混凝劑的品種而異。不同混凝劑，都有一個相對最佳的pH值，在此值時，混凝反應速度最快，絮體溶解度小，混凝效果最佳。一般通過試驗得到最佳的pH值，如硫酸鋁去除水中濁度時，最佳pH值范圍在6.57.8之間，用三氯化鐵時，最佳pH值范圍在6.08.4之間。高分子混凝劑尤其是有機高分子混凝劑，混凝效果受pH值影響較小。從鋁鹽的水解反應可知，水解過程不斷產(chǎn)生H+，從而導致pH值下降。要使pH值保持在最佳范圍以內(nèi)，水中應有足夠的堿性物質(zhì)與H+中和。天然水中均含有一定的堿度（通常是HCO3），它對pH值有緩沖作用。HCO3H+CO2H2O當原水堿度不足或混凝劑投加量較高時，水的pH值將大幅度下降，使混凝劑繼續(xù)水解困難。因此，應投加堿劑（如石灰）以中和水中的H+，反應如下：Al2(SO4)33H2O3CaO2Al(OH)33CaSO42FeCl33H2O3CaO2Fe(OH)33CaSO4由反應式可知，每投加1mmol/L的Al2(SO4)3，需石灰3mmol/L的CaO，將水中原有的堿度考慮在內(nèi)，石灰投加量按下式計算：CaO3（3-3）式中CaO純石灰CaO投量，mmol/L； 混凝劑投加量，mol/L； 原水堿度，按mmol/LCaO計； 保證反應順利進行的剩余堿度，一般取0.250.5mmol/L（CaO）。一般情況下，石灰投加量最好由試驗確定?！纠?-1】某地表水源的總堿度為0.2mmol/L。市售精制硫酸鋁（含Al2O3約16%），投加量28mg/L。試估算石灰投量多少？（市售石灰純度為50%）解：投藥量折合Al2O3為28mg/L16%4.48mg/L。Al2O3分子量為102，故投藥量為4.48/102=0.044mmol/L。剩余堿度取0.37mmol/l，則得：CaO30.0440.20.370.3mmol/LCaO分子量為56，則市售石灰投加量為：0.356/0.533mg/L。2.水溫水溫對混凝效果有一定的影響。水溫高時，粘度降低，布朗運動加快，膠粒碰撞機會增多，從而提高混凝效果。對無機鹽類混凝劑，由于其水解反應是吸熱反應，故溫度高時，水解加快，混凝時間縮短。硫酸鋁當水溫低于5時，水解速度減慢。當然，溫度過高也有一些不利影響，如對某些高分子混凝劑，當溫度大于90時混凝劑會老化生成非水溶性物質(zhì)，大大降低混凝效果。3.混凝劑的種類和投加量由于工業(yè)廢水的水質(zhì)比較復雜，因此對藥劑的種類具有選擇性?；炷齽┑耐都恿颗c被處理的膠體濃度不存在嚴格的比例關系，對任何廢水的混凝處理，都存在著最佳混凝劑和最佳投加量的問題。最佳投加量是對于某種廢水，在取得同樣效果的情況下的最小投藥量，一般需經(jīng)試驗確定。4.水利條件的影響混凝過程中的水利條件對混凝效果有重要影響，在混合階段，要求藥劑迅速而均勻地擴散到水中，為此被處理水應在短時間內(nèi)進行激烈紊動，一般為2030s，最多不超過2min。到了反應階段，要求水的紊動程度逐漸減弱，停留時間延長到1530min，以創(chuàng)造足夠的碰撞機會和良好的吸附條件，使微小的絮體繼續(xù)長大而形成具有良好沉淀性能的絮凝體。（三）混凝設備化學混凝的設備包括：混凝劑的配制和投加設備，混合設備和反應設備。1.混凝劑的配制與投加設備混凝劑投加可分為固體投加和液體投加兩種形式，目前國內(nèi)主要采用液體投加形式，即將混凝劑先溶解配成一定濃度的溶液再定量投加。因此，它包括了溶解配制設備和投加設備。(1)混凝劑的溶解和配制混凝劑是在溶解池中進行溶解。為加速藥劑的溶解，溶解池中應配備攪拌裝置。常見的攪拌方法有機械攪拌，壓縮空氣攪拌和水泵攪拌。機械攪拌是利用電機帶動攪拌漿或渦輪；壓縮空氣攪拌是通過加入壓縮空氣進溶解池實施攪拌；水泵攪拌是直接用水泵從溶解池內(nèi)抽取溶液再循環(huán)回溶解池。上述幾種裝置在溶解無機鹽類混凝劑時必須考慮防腐措施，管、配件等都相應使用防腐材料?；炷齽┩杜淞鞒蹋?藥劑溶解池溶液池計量設備投加設備混合設備反應設備溶液池容積： （3-4）Q水量，m3/h；a混凝劑投加量，mg/L；b溶液濃度，無機1020，有機0.51,計算時帶入1020；n每日配藥次數(shù)。溶解池容積（0.20.3）W藥劑溶解完全后，可將其用清水稀釋到一定濃度備用。這個過程需在溶液池中進行。溶液池的體積一般為溶解池體積的35倍，在溶液池中無機混凝劑溶液濃度一般為1020，有機高分子混凝劑溶液一般為0.51.0。(2)混凝劑溶液的投加藥劑投入原水的形式可分為三種形式，即重力式、壓力式和泵前吸入式。常見的有泵前重力投加及水射器投加。 圖3-7泵前重力投加 圖3-8水射器投加1-吸水管；2-出水管；3-水泵； 1-溶液池；2-閥門；3-投藥箱；4-閥門；4-水封箱；5-浮球閥；6-溶液池；7-漏斗管 5-漏斗；6-高壓水管；7-水射器；8-原水2.混合設備如果藥劑投加采用的是泵前重力投加形式，由于水泵的混合效果較好，因此不需另建混合設備。對于其它的投加藥劑方式，則需興建混合設備。常見的有隔板混合及機械混合兩種形式。對應的混合池稱為隔板混合池與漿板混合池。如圖3-9所示。圖3-9 混合設備（a）隔板混合池； （b）槳板混合池隔板混和池內(nèi)設有數(shù)塊隔板，水流通過隔板孔道時產(chǎn)生急劇的收縮和擴散，形成渦流，使藥劑與原水充分混合。隔板間距約為池寬的2倍。隔板孔道交錯設置，流過孔道的水流速不應小于lms，池內(nèi)平均流速不小于0.6ms?；旌蜁r間一般為1030s。隔板混合一般適應水流量變化較小時的混合，如果水流量變化大時，混合效果不太好。機械混合是借助于電動機帶動攪拌槳進行攪拌的一種混合，所以又稱槳板混合。攪拌時，槳板的外緣線速度一般為2ms左右，混合時間約為10s，攪拌的強度可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，比較靈活。缺點是增加了能耗及人工維護保養(yǎng)工作。3.反應設備反應設備根據(jù)反應池中水力流動方式分為隔板反應池和機械攪拌反應池。如圖3-10和圖3-11所示。（1）隔板反應池 （a）往復式隔板反應池 （b）回轉(zhuǎn)式隔板反應池圖3-10 隔板反應池常見的隔板反應池類型是往復式隔板反應池和回轉(zhuǎn)式隔板反應池，它是利用水流斷面上流速分布不均勻所造成的速度梯度，促進顆?；ハ嗯鲎?，從而達到混凝目的。為避免結(jié)成的絮凝體被打碎，隔板中的流速應逐漸減小。隔板反應池的主要設計參數(shù)為：反應池隔板間的流速，起端部分為0.50.6ms，末端部分為0.150.2ms。隔板的間距從進口到出口，逐漸放大。反應時間設計為2030min。為了便于施工和檢修，隔板間距應大于0.50.7m。池底應有0.020.03坡度并設排泥管。轉(zhuǎn)彎處的過水斷面應是隔板間過水斷面積的1.21.5倍，反應池的總水頭損失為0.30.5m。隔板式反應池結(jié)構(gòu)簡單，管理方便，混凝效果好。缺點是反應時間較長。由于池體容積較大，特別適合處理水流量大的污水處理廠。如果水流量過小，隔板間距過狹，會給施工和維修帶來困難。（2）機械攪拌反應池圖3-11 機械攪拌反應池1-槳板；2-葉輪；3-旋轉(zhuǎn)軸；4-隔墻機械攪拌反應池是利用攪拌槳的轉(zhuǎn)動引起水中的顆粒相互碰撞而進行混凝，轉(zhuǎn)動軸可以是水平軸式，也可以是垂直式。槳板反應池的主要設計參數(shù)如下： 每臺攪拌設備上槳板的總面積為水流截面積的1020，一般不超過25。槳板長度不大于葉輪直徑的75，寬度為1030cm。葉輪半徑中心點的旋轉(zhuǎn)線速度在第一格用0.50.6ms，以后逐格減少，最后一格采用0.10.2ms，不得大于0.3ms；反應時間為1520min左右。（四）工程實例北京造紙一廠利用廢紙造紙產(chǎn)生的造紙脫墨廢水污染物濃度較高，COD15002000mg/L，BOD=1000mg/L，SS=10001500mg/L，pH=8.4。廢水中主要含有碎紙漿、短纖維、油墨等物質(zhì)，它們大都以懸浮物、漂浮物的形式存在。經(jīng)過試驗研究，采用兩級混凝氣浮過濾處理工藝?；炷齽┎捎脡A式氯化鋁，投配量為500800mg/L，處理后要求達到北京市排入城市下水道B級標準：COD500mg/L，BOD500mg/L，SS500mg/L，pH6.09.0。如果投加混凝劑后，再投加聚丙烯酰胺作助凝劑，礬花變大，上浮速度變快。經(jīng)過處理后實際處理出水水質(zhì)COD100mg/L，BOD50mg/L，SS5mg/L，pH7.207.46。四、澄清池澄清池是用于混凝處理的一種設備。絮凝和沉淀屬于兩個單元過程：水中脫穩(wěn)雜質(zhì)通過碰撞結(jié)合成相當大的絮凝體，然后在沉淀池內(nèi)下沉。而在澄清池內(nèi)，可以同時完成混合、反應、沉淀分離等過程。澄清池中沉泥被提升起來并處于懸浮狀態(tài)，在池中形成高濃度的活性泥渣層。該層懸浮物濃度約310g/L。原水在澄清池中自下向上流動，當脫穩(wěn)雜質(zhì)隨水流與泥渣層接觸時，利用接觸凝聚原理，便被泥渣層阻留下來，使水獲得澄清，清水在澄清池上部被收集。泥渣層的形成方法，通常是在澄清池開始運轉(zhuǎn)時，在原水中加入較多的凝聚劑，并適當降低負荷，經(jīng)過一定時間運轉(zhuǎn)后，逐步形成。當原水濁度低時，為加速泥渣層的形成，也可人工投加粘土。（一）.澄清池分類澄清池形式很多，基本上可分為泥渣懸浮型和泥渣循環(huán)型兩大類：1.泥渣懸浮型澄清池泥渣懸浮型澄清池又稱泥渣過濾型澄清池。它的工作情況是加藥后的原水由下而上通過懸浮狀態(tài)的泥渣層時，使水中脫穩(wěn)雜質(zhì)與高濃度的泥渣顆粒碰撞凝聚并被泥渣層攔截下來。這種作用類似過濾作用。渾水通過懸浮層即獲得澄清。泥渣懸浮型澄清池常用的有懸浮澄清池和脈沖澄清池兩種。（1）懸浮澄清池 懸浮澄清池是應用較早的一種澄清池。圖3-12表示懸浮澄清池剖面和工藝流程。圖3-12懸浮澄清池1-穿孔配水管；2-泥渣懸浮層；3-穿孔集水槽；4-強制出水管；5-排泥窗口；6-汽水分離器加藥后的原水經(jīng)氣水分離器6從穿孔配水管1流入澄清室，水自下而上通過泥渣懸浮層2后，水中雜質(zhì)被泥渣層截留，清水從穿孔集水槽3流出。懸浮層中不斷增加的泥渣，在自行擴散和強制出水管4的作用下，由排泥窗口5進入泥渣濃縮室，經(jīng)濃縮后定期排除。強制出水管收集泥渣濃縮室內(nèi)的上清液，并在排泥窗口兩側(cè)造成水位差，以使澄清室內(nèi)的泥渣流入濃縮室。氣水分離器的作用是使水中空氣在其中分離出去，以免進入澄清室后擾動懸浮層。懸浮澄清池一般用于小型水廠。（2）脈沖澄清池 脈沖澄清池剖面和工藝流程見圖3-13。圖3-13脈沖澄清池1-進水室；2-真空泵；3-進氣閥；4-進水管；5-水位電極；6-集水槽；7-穩(wěn)流板；8-配水管澄清池的特點是上升流速發(fā)生周期性的變化。這種變化是由脈沖發(fā)生器引起的。當上升流速小時，泥渣懸浮層收縮、濃度增大而使顆粒排列緊密；當上升流速大時，泥渣懸浮層膨脹。懸浮層不斷產(chǎn)生周期性的收縮和膨脹不僅有利于微絮凝顆粒與活性泥渣進行接觸絮凝，還可以使懸浮層的濃度分布在全池內(nèi)趨于均勻并防止顆粒在池底沉積。其工作原理如下：原水由進水管4進入進水室1。由于真空泵2造成的真空而使進水室內(nèi)水位上升，此為充水過程。當水面達到進水室的最高水位時，進氣閥3自動開啟，使進水室通大氣。這時進水室內(nèi)水位迅速下降，向澄清池放水，此為放水過程。當水位下降到最低水位時，進氣閥3又自動關閉，真空泵則自動啟動，再次使進水室造成真空，進水室內(nèi)水位又上升，如此反復進行脈沖工作，從而使懸浮層產(chǎn)生周期性的膨脹和收縮。2.泥渣循環(huán)型澄清池泥渣在池內(nèi)循環(huán)流動可以充分發(fā)揮泥渣接觸絮凝作用?；亓髂酀{量約為進水量的35倍。泥渣循環(huán)可借機械抽升或水力抽升造成。前者稱機械攪拌澄清池；后者稱水力循環(huán)澄清池。（1）機械攪拌澄清池 機械攪拌澄清池是將混合、絮凝反應及沉淀工藝綜合在一個池內(nèi)，如圖3-14所示。圖3-14機械加速澄清池池中心有一個轉(zhuǎn)動葉輪，將原水和加入藥劑同澄清區(qū)沉降下來的回流泥漿混合，促進較大絮體的形成。加過藥劑的原水在一次混合反應區(qū)和二次混合反應區(qū)內(nèi)與高濃度的回流泥渣相接觸，達到較好的絮凝效果，結(jié)成大而重的絮凝體，在分離室中進行分離?；亓髂酀{量為進水量的35倍，可通過調(diào)節(jié)葉輪開啟度來控制。為保持池內(nèi)懸浮層濃度穩(wěn)定，要排除多余的污泥，所以在池內(nèi)要設有13個泥渣濃縮斗。當池子直徑較大或進水含砂量較高時，需要裝設機械刮泥機。攪拌設備一般轉(zhuǎn)速約在57rmin左右。分離室中下部為泥渣層，上部為清水層，清水向上經(jīng)集水槽流至出水槽。清水層須有1.52.0m深度，以便在排泥不當而導致泥渣層厚度變化時，仍可保證出水水質(zhì)。向下沉降的泥渣沿錐底的回流縫再進入一次混合反應區(qū)，重新參加絮凝，一部分泥渣則自動排入泥渣濃縮斗進行濃縮，至適當濃度后經(jīng)排泥管排除，澄清池底部設放空管，備放空檢修之用。當泥渣濃縮斗排泥還不能消除泥渣上浮時，也可用放空管排泥。該池的優(yōu)點是效率較高且比較穩(wěn)定，對原水水質(zhì)和處理水量的變化適應性較強，操作運行比較方便，應用比較廣泛。（2）水力循環(huán)澄清池 圖3-15 水力循環(huán)加速澄清池圖3-15表示水力循環(huán)澄清池的剖面圖。原水從池底進入，先經(jīng)噴嘴噴出，噴嘴上面為混合室、喉管和第一反應室。噴嘴和混合室組成一個射流器，噴嘴高速水流將池子錐型底部含有大量絮凝體的水吸進混合室，與進水混合后，經(jīng)第一反應室喇叭口溢流進入第二反應室。吸進來的流量即回流量為進水流量的24倍。第一反應室和第二反應室構(gòu)成一個懸浮區(qū)，第二反應室的出水進入分離室，相當于進水流量的清水向上流向出口，剩余流量向下流動，經(jīng)噴嘴吸入與進水混合，再重復這個過程。喉管的高度可用池頂?shù)纳甸y進行調(diào)節(jié)。泥渣循環(huán)型澄清池中大量高濃度的回流泥渣與加過混凝劑的原水中雜質(zhì)顆粒具有更多的接角碰撞機會，且因回流泥渣與雜質(zhì)粒徑相差較大，故絮凝效果好。在機械攪拌澄清池中，泥渣回流量還可按要求進行調(diào)整控制，加之泥渣回流量大、深度高，故對原水的水量、水質(zhì)和水溫的變化適應性較強，但需要一套機械設備并增加維修工作，結(jié)構(gòu)較復雜。水力循環(huán)澄清池結(jié)構(gòu)較簡單，無需機械設備，但泥渣回流量難以控制，且因反應室容積較小，絮凝時間較短，回流泥渣接觸絮凝作用的發(fā)揮受到影響。故水力循環(huán)澄清池處理效果較機械加速澄清池差，耗藥量較大，對原水水量、水質(zhì)和水溫的變化適應性較差。且因池子直徑和高度有一定比例，直徑越大，高度也越大，故水力循環(huán)澄清池一般適用于中、小型水廠。（二）澄清池的設計計算1.澄清池主要設計參數(shù)類型清水區(qū)懸浮層高度（m）停留時間（h）上升流速（mm/s）高度（m）機械加速澄清池0.81.11.52.01.21.5水力循環(huán)澄清池0.71.02.03.034（導流筒）1.01.5脈沖澄清池0.71.01.52.01.52.01.01.3懸浮澄清池單層0.71.02.02.52.02.50.330.5（懸浮層）0.40.8（清水區(qū)）雙層0.60.92.02.52.02.52. 機械加速澄清池的設計參數(shù)及要點由于機械攪拌澄清池為混和、絮凝和分離三種工藝在一個構(gòu)筑物中的綜合工藝設備，各部分相互牽制、相互影響，所以計算工作往往不能一次完成，必須在設計過程中作相應的調(diào)整。葉輪直徑可為第二反應內(nèi)徑的7080，并應設調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速和開啟度的裝置。（1）原水進水管、配水槽原水進水管的管中流速一般在lms左右。進水管進入環(huán)形配水槽后向兩側(cè)環(huán)流配水，故三角配水槽的斷面應按設計流量的一半確定。配水槽和縫隙的流速均采用0.4ms左右。（2）反應室水在池中總停留時間一般為1.21.5h，第一反應室、第二反應室停留時間2030min。第二反應室計算流量為出水量的35倍（考慮回流）。目前在設計中，第一反應室、第二反應室(包括導流室)和分離室的容積比一般控制在2：1：7左右。第二反應室和導流室的流速一般為4060mms。（3）分離室上升流速一般采用0.81.1mm/s，處理低溫低濁水時可采用0.70.9mm/s。（4）集水槽集水槽可采用淹沒孔口式或三角堰出水?？讖娇蔀?030mm。孔口流速一般為0.50.6ms。集水槽中流速為0.40.6m/s，出水管流速1.0m/s。穿孔集水槽的設計流量應考慮流量增加的余地，超載系數(shù)一般取1.21.5。（5）泥渣濃縮室泯渣濃縮室的容積大小影響排出泥渣的濃度和排泥間隔的時間。根據(jù)澄清池的大小，可設濃縮室14個，其容積約為澄清池容積的1%4%。小型池可用底部排泥。進水懸浮物含量1g/L或池徑24m時，應設機械排泥設備。（三）澄清池的應用實例青島市團島污水處理廠回用水供水規(guī)模4104m3/d，回用