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重点给水工程复习资料
给水工程概论
【水源水质】:
㈠原水杂质:
⑴原水杂质来源:
①自然过程:
[地层矿物质溶解、水中微生物繁殖、水流冲刷、泥沙、腐殖质]
人为因素:
[工业废水、农业污水、生活污水]
⑵原水杂质分类:
①悬浮物[1um--1mm];胶体[10nm--100nm];溶解物[0.1nm--1nm];
⒈悬浮物与胶体杂质:
--悬浮物尺寸较大、易于在水中下沉或上浮。
--胶体颗粒尺寸较小、在水中长期静止难以下沉。
--水中胶体:
粘土、细菌、病毒、腐殖质、蛋白质、有极高分子物质。
--天然水中胶体一般带负电荷。
注:
①使水中产生浑浊现象的根源:
悬浮物和胶体。
饮用水处理的主要去除对象:
悬浮物和胶体。
【水质标准】:
水质标准:
即用水对象所要求的各项水质参数应达到的指标和限制。
※生活饮用水水质标准:
⑴感性性状和一般化学指标:
注:
①色度:
不超过15度,并不得呈现异色。
浑浊度:
不超过3,特殊情况不超过5度。
臭和味:
不得有异臭、异味。
注:
浊度即1L蒸馏水中含有1mg白陶土或高岭土。
⑵毒理学指标:
※⑶细菌学指标:
注:
①细菌总数:
≤100个/mL;
总大肠菌数:
≤3个/L;
游离余氯:
在与水接触30min后应不低于0.3mg/L;
⑷放射性指标:
※【给水处理方法】:
⑴澄清和消毒:
--生活饮用水[地表水]常用处理工艺:
澄清和消毒。
--澄清工艺包括:
混凝、沉淀、过滤。
--处理主要对象:
水中悬浮物和胶体杂质。
--消毒:
灭活水中致病微生物;
通常在过滤之后。
--主要消毒方法:
投加消毒剂杀灭致病微生物。
--生活饮用水常规处理工艺:
--即:
“混凝-沉淀-过滤-消毒”。
⑵除臭、除味:
--有机物臭味:
活性炭吸附/氧化法去除。
--溶解性气体:
曝气法去除。
⑶除铁、除氯:
--常用方法:
自然氧化法、接触氧化法。
⑷软化:
--处理对象:
主要是水中钙、镁离子
--软化方法:
离子交换法、药剂软化法。
⑸淡化、除盐:
--除盐:
制取纯水及高纯水的处理过程。
--淡化和除盐主要方法:
蒸馏法、离子交换法、电渗析法、反渗透法。
⑹水的冷却:
--水作为冷却介质:
水热容大--吸收和传递热量的良好介质。
--水的冷却一般采用:
冷却塔。
⑺生活饮用水预处理和深度处理:
--饮用水主要处理对象:
水中悬浮物、胶体、致病微生物。
--常规处理工艺:
混凝、沉淀、过滤、消毒。
--预处理和深度处理主要对象:
水中有机污染物--饮用水处理厂
--预处理方法:
活性炭法吸附法、臭氧氧化法、生物氧化法、
--深度处理主要:
粒状活性炭吸附法、生物活性碳法、
--深度处理法基本作用原理:
[吸附-氧化-生物降解-膜滤]
即:
或者利用吸附剂的吸附能力去除水中有机物;或者利用氧化剂的强氧化能力分解有机物;或者利用生物氧化法降解有机物;或者利用膜滤法去除大分子有机物。
【混凝机理】:
--混凝:
水中胶体粒子以及微小悬浮物聚集过程。
或:
向水中投加药剂(混凝剂)使水中粒径微小的悬浮物和胶体离子凝结成较大的絮凝体(矾花)。
--凝聚:
水中胶体脱稳--胶体失去稳定性的过程。
--絮凝:
脱稳胶体相互聚集。
--混凝:
凝聚和絮凝。
※㈠水中胶体稳定性:
--胶体稳定性:
指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。
--胶体稳定性:
动力学稳定+聚集稳定。
①动力学稳定:
指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力.[颗粒愈小,动力学稳定性愈高]
聚集稳定性:
指胶体粒子之间不能相互聚集的特性。
[粒子表面同性电荷斥力作用]
--胶体稳定性:
关键--聚集稳定性。
㈠混凝机理:
--混凝剂对水中胶体粒子混凝作用有三种:
电性中和、吸附架桥、卷扫作用
--混凝作用取决于:
混凝剂种类、投加量、胶体粒子性质、水的PH值。
⑴电性中和:
--根据DLVO理论:
要使胶体粒子通过布朗运动相撞聚集,必须降低或消除排斥能峰。
--吸收势能与胶粒电荷无关,主要取决于构成胶粒的物理性质、尺寸和密度。
--降低排斥能峰的办法即:
降低或消除胶粒的ζ电位[即在水中投加电解质]。
【水中负电荷胶粒-投入的电解质--混凝剂为正电荷离子或聚合离子;若正电荷离子是简单离子-Na+、Ca+、Al+--作用是压缩胶体双电层;排斥能峰Emax=0时,胶粒发生聚集作用,ζk电位:
临界电位;水中铝岩投量过多,水中负电荷胶体变为正电荷胶体;】
--“吸附-电性中和作用”
⑵吸附架桥:
--吸附作用:
带异性电荷、不带电、同性电荷。
【混凝剂和助凝剂】
--饮用水混凝剂基本要求:
混凝效果好、对人体无害、使用方便、货源充足。
--水处理使用的无机混凝剂主要是:
铁盐、铝盐及混合物。
--常用的无机混凝剂:
硫酸铝、聚合铝、三氯化铁-硫酸亚铁、聚合铁。
[硫酸铝]:
--采用固态硫酸铝:
运输方便
--缺点:
水温低,硫酸铝水解困难,形成的絮凝体松散,效果不好。
[聚合铝]:
--包括:
聚合氯化铝(PAC)和聚合硫酸铝(PAS)。
--聚合氯化铝能形成聚合阳离子,起电性中和、吸附架桥作用。
--优点:
投加量少于硫酸铝;对水的PH值变化适应性强;聚合氯化铝投入水中其产物的成分确定;
--碱化度:
主要决定羟基OH和铝AL的摩尔数之比。
即:
B=
×100%
--一般铝盐(硫酸铝、氯化铝)投入水中进行水解聚合反应,其产物受水PH值及铝盐浓度影响。
[三氯化铁]:
--三氯化铁:
FeCl3H2O
--水合铁离子水解、聚合反应。
--优点:
三价铁适用的ph值范围较宽;形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实;处理低温水或低浊水效果优于硫酸铝;
--缺点:
三氯化铁腐蚀性较强,且固体产品易吸水潮解,不宜保管。
※--聚合效果:
聚合氯化铝>三氯化铁>硫酸铝
【助凝剂】
--通常是高分子物质:
作用是为了改善絮凝体结构,促使絮粒密实
--作用机理:
高分子物质吸附架桥。
【混凝动力学】:
--要是杂质颗粒或杂质与混凝剂之间发生絮凝,其必要条件是:
使颗粒之间相互碰撞。
--推动水中颗粒相互碰撞的动力来自:
①颗粒在水中的布朗运动--[异向絮凝:
由布朗运动造成的颗粒碰撞絮凝聚集]
水力或机械搅拌造成的流体运动--[同向絮凝:
由流体运动造成的颗粒碰撞聚集]
⑴异向絮凝:
--颗粒絮凝速率取决于碰撞速率,即颗粒碰撞速率:
Np=8πdDb·n2
--Np:
异向絮凝碰撞速率,即:
1/cm3.S;
--d:
颗粒直径;
--Db:
布朗运动系数;
--n:
颗粒数量浓度;
⑵同向絮凝:
--速度梯度:
相邻两层水流的速度差与两层间的距离之比。
①机械搅拌:
即:
G=
--μ:
水动力粘度-pa.S;
--p:
单位流体所消耗的功率-w/m3;
--G:
速度梯度;
②水力絮凝:
PV=pgGh;
V=QT;
G=
--V:
水流体积;
--g:
重力加速度;
--h:
水头损失;
--ν:
水的运动粘度;
--T:
水流在混凝设备停留时间;
※⑶混凝控制指标:
--混凝过程:
混合+絮凝;
[混合阶段]:
剧烈搅拌水流--使药剂快速均匀分散于水中利于混凝剂快速水解、聚合、颗粒脱稳;
①混合要快速剧烈:
10-30s最多2min;
②搅拌强度:
速度梯度G=700-1000s~1;
③混合絮凝--异向絮凝;
[絮凝阶段]:
主要依靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚;
①絮凝--同向絮凝;
②同向絮凝效果:
与G值、絮凝时间T有关;
③速度梯度:
G=20-70s~1;
④TN--整个絮凝时间内单位体积流体颗粒碰撞次数;平均GT=1×10~4-1×10~5;
※⑷影响混凝效果主要因素:
⒈水温影响:
①无机盐混凝剂水解是吸热反应,低温水混凝剂水解困难,尤其是硫酸铝;
②低温水粘度大,水中杂质颗粒布朗运动强度减弱,碰撞机会减少,不利于颗粒脱稳凝聚;水粘度大,水流剪力增大,影响絮凝体成长;
③水温低,导致胶体颗粒水化作用增强,妨碍胶体凝聚;
④水温与水PH有关。
水温低时,其PH提高,则混凝最佳PH值也提高;
※注:
提高低温水混凝效果的方法:
增加混凝剂投加量+投加高分子助凝剂。
--常用的助凝剂:
活化硅酸。
⒉水的ph值和碱度影响:
①去除浊度:
最佳ph值=6.5-7.5[絮凝作用主要是氢氧化铝聚合物-吸附架桥;羟基配合物-电性中和];
②去除色度:
ph值=4.5-5.5;
--混凝剂为三价铁:
适用的ph值范围较宽[去除浊度:
ph=6.0-8.4;去除色度:
ph=3.5-5.0];
--混凝剂为硫酸亚铁:
通常用氯化法;
--聚合氯化铝:
对水的ph值变化范围适应性较强;
※石灰投量估算:
即:
每投加1mmol/LAl2(SO4)3需石灰3mmol/LCaO.
即:
[CaO]=3[a]-[x]+[δ]
[CaO]--纯石灰CaO投量:
mmol/L;
[a]--混凝剂投量:
mmol/L;
[x]--原水碱度:
mmol/LCaO;
[δ]--保证反应顺利进行的剩余碱度:
取0.25-0.5mmol/L(CaO);
典型例题:
某地表水源总碱度为0.2mmol/L。
市售精制硫酸铝(含Al2O3约16%)投量28mmol/L。
试估算石灰(纯度为50%)投量为多少mg/L。
解:
投药量折合Al2O3为:
28mmol/L×16%=4.48mg/L
Al2O3分子量为102,故投药量相当于:
4.48/102=0.044mmol/L.
剩余碱度取0.37mmol/L,则:
[CaO]=3×0.044-0.2+0.37=0.3mmol/L。
CaO分子量为56,则市售石灰投量为:
0.3×56/0.5=33mg/L
3、水中悬浮物浓度影响:
--为提高低浊度原水混凝效果,采取措施:
①投加铝盐或铁盐时,投加高分子助凝剂。
②投加矿物颗粒以增加混凝剂水解产物的凝结中心,提高颗粒碰撞速率,增加絮凝体密度。
③采用直接过滤法。
④聚合氯化铝作为处理高浓度浊度水效果好。
--投加高分子助凝剂;吸附架桥+电性中和;
⑴混合设备:
--混合设备基本要求:
①药剂与水混合必须快速剧烈、混合均匀;
③保证充分混合条件,水头损失不易太大;
②混合时间不超过2min;
--主要混合设备:
水泵混合、管式混合、机械混合;
1)水泵混合:
--药剂投加在取水泵房吸水管、吸水喇叭口处--利用水泵叶轮高速旋转以达到快速混合目的;
--当取水泵房距水厂处理构筑物较远时,不宜采用水泵混合;
--水泵混合:
通常用于取水泵房靠近水厂处理构筑物,两者间距不宜大于150m。
2)管式混合:
即:
将药剂直接投入水泵压水管以借助管中流速进行混合。
--管中流速不宜小于1m/s;投药点管内水头损失不小于0.3-0.4m。
3)机械混合池:
--混合时间:
10-30s,最大不超过2min;
--优点:
混合效果好,不受水量变化影响;
--应避免水流同步旋转而降低混合效果;
⑵絮凝设备:
--絮凝设备:
水力搅拌式、机械搅拌式;
1)隔板絮凝池:
--为避免絮凝体破碎,管道流速及水流转弯处流速应沿程减小;G值也沿程减小;
--优点:
构造简单,管理方便;缺点:
流量变化大者,絮凝效果不稳定,絮凝时间较长;
--※隔板絮凝池主要设计参数:
①廊道流速:
起端:
0.5-0.6m/s末端:
0.2-0.3m/s;
即:
流速沿程减小;
为达到流速递减目的:
①隔板间距逐段放宽,池底相平;
②隔板间距相等,池底逐渐降低;
②为减小水流转弯处水头损失,转弯处过水断面:
1.2-1.5
③絮凝时间一般采用20-30min;
④隔板间净距一般大于0.5m,以便于施工和减肥;
为便于排泥,池底坡度:
0.02-0.03,并设150mm排泥关;
2)折板絮凝池:
--折板絮凝池组合顺序:
即异波→同波→平板;
--折板絮凝池主要设计参数;
①第一段:
0.25-0.35;
②第二段:
0.15-0.25;
③第三段:
0.1-0.15;
--折板絮凝池优点:
水流在同波、异波之间曲折流动,形成小漩涡,提高颗粒碰撞絮凝效果;水流条件得到改善;
⑴混凝剂溶解和溶液配制:
--混凝剂投加分为:
固体投加+液体投加。
--溶解池、搅拌装置、配件,均应有防腐措施:
采用FeCl3要注意。
FeCl3溶解时要放出大量热,当溶液浓度为20%时,溶液温度可达到70℃左右。
--溶解池:
一般建于地面以下便于操作,池顶一般高出地面约0.2m左右。
即:
溶解池容积W1计算:
W1=(0.2-0.3)W2
--W2:
溶液池容积。
--溶液池容积:
W2=
=
W2--溶液池容积;m3;
Q--处理水量:
m3/h;
a--混凝剂最大投加量:
mg/L;
C--溶液浓度:
一般取5%-20%;
N--每日调制次数,一般不超过3次;
⑵混凝剂投加:
--混凝剂投加设备:
计量设备、药液提升设备、投药箱、水封箱、注入设备。
--投加方式:
常用投加方式:
①泵前投加--药液投加在水泵吸水管或吸水喇叭口处。
--适用于取水泵房距水厂较近者。
--水封箱:
防止空气进入而设。
②高位溶液池重力投加:
安全可靠,但溶液池位置较高。
[设备:
溶解池、溶液池、提升泵、水封箱、浮球阀、流量计、调节阀、压水管]
③水射器投加:
④泵投加:
--干投法优点:
设备占地少、易调节排渣容易。
一、沉淀和澄清
1.1悬浮颗粒在静水中沉淀
--沉淀:
水中悬浮物颗粒依靠重力作用从水中分离出来的过程。
--沉淀分类:
①自由沉淀;②拥挤沉淀;③絮凝沉淀;
⑴悬浮颗粒在静水中的自由沉淀:
--悬浮颗粒在静水中沉淀速度取决于:
颗粒在水中重力F1、颗粒下沉阻力F2;
--沉速基本公式:
μ=[
d]1/2
--沉淀池分类:
竖流式、平流式、辐流式;
初沉池、二沉池;
--选择依据:
水量规模、进水水质条件、出水水质、地形条件、占地面积、造价、运行经验;
⑵悬浮颗粒在静水中拥挤沉淀:
即:
当大量颗粒在水中下沉时,被排挤水体有一定流速,使颗粒受到的水阻力增加,颗粒相互干扰的过程。
--拥挤过程:
明显的浑水、清水分界面:
混液面
※气浮:
浊度低、色度大、藻类多、溶解氧耗氧量高的原水;
※1.2平流式沉淀池
⑴非凝聚性颗粒沉淀过程:
※理想沉淀池:
①颗粒处于自由沉淀状态:
即沉淀过程中,颗粒大小、密度不变。
即:
颗粒沉速始终不变;
②水流沿着水平方向进行。
过水断面:
流速不变、流动过程中流速不变;
③颗粒沉到池底即认为被去除,不再返回水流中;
--沉淀池原水其水平流速:
υ=
式中:
υ--水平流速,m/s;
Q--流量,m3/s;
H0--水平截面高度;
B--水平截面宽度;
--※截留沉速μ0:
反映沉淀池所能全部去除颗粒中的最小颗粒沉速。
即:
凡是沉速等于或大于沉速μ0的颗粒全部被沉淀。
μ0--颗粒截留沉降速度;
即:
截留沉速μ0=
式中:
LB--即沉淀池水面表面积A;
--单位沉淀池表面积产水量;
--即:
μ0=
:
表面负荷/溢流率;
表明:
表面负荷在数值上等于截留沉速。
但含义不同。
--※截留沉速:
表示沉淀池自池顶开始下沉所能全部去除颗粒中的最小颗粒沉速;
--※表面负荷:
单位沉淀池表面积产水量;
--为求沉淀池总的沉淀效率,先求某一特定颗粒即具有沉速μi的颗粒去除百分率E。
注:
特定颗粒沉速μi<截留沉速μ0。
--※某特定颗粒去除率公式:
E=
※即:
E=
注:
悬浮颗粒在理想沉淀池中去除率唯一因素:
沉淀池表面负荷;而与其他因素:
水深、池长、水平流速、沉淀时间均无关;
※1)当去除率一定时:
颗粒沉速μi越大则表面负荷越高,亦即产水量越大;或当产水量和表面积不变时,μi越大,则去除率E越高。
颗粒沉速μi大小与絮凝效果有关;
2)颗粒沉速μi一定时:
增加沉淀池表面积可以提高去除率。
当沉淀池容积一定时,池身浅则表面积大,去除率可以高。
即“浅池理论”
3)“具有沉速μi颗粒(μi<μ0)去除率”
⑵影响平流式沉淀池沉淀效果因素:
--实际平流式沉淀池偏离理想沉淀池条件的主要因素:
1)沉淀池实际水流状况:
--理想沉淀池水流稳定、流速均匀,其理论停留时间:
即:
t0=V/Q
--“短流"原因:
①进水惯性作用;
②出水堰产生的水流抽吸;
③较冷、较重的进水产生异重流;
④风浪引起短流;
⑤池内刮泥设施;
--沉淀池:
通常要求降低雷诺数以利于颗粒沉降。
--异重流:
即进入较静而具有密度差异水体的一股水流;
--水流稳定性:
FR=υ2/Rg
式中:
FR--弗劳德数;
R--水力半径;
Υ--水平流速;
G--重力加速度;
即:
FR越大,表明惯性力作用越大,重力作用相对减小,水流对温差、密度差异重流等影响的抵抗能力强,使沉淀池流态保持稳定。
一般平流式沉淀池:
FR数宜大于10-5;
--※平流式沉淀池中,降低Re和提高FR数有效措施:
减小水力半径;
即:
池中纵向分格、斜板、斜管沉淀池。
--※沉淀池增大水平流速:
一方面提高了Re数:
不利于沉淀;另一方面提高了FR数:
增加水流稳定性,提高沉淀效果;
--沉淀池水平流速:
宜为10-25mm/s
2)凝聚作用影响:
--实际沉淀池沉淀时间、水深:
影响沉淀效果;
3)水流紊动性、稳定性:
⑶平流式沉淀池构造:
--平流式沉淀池:
进水区、沉淀区、存泥区、出水区。
1)进水区作用:
使水流均匀分布在整个进水截面上,并尽量减小扰动。
--使水流从絮凝池直接流入沉淀池。
--为防止絮凝体破碎,孔口流速不宜大于:
0.15-0.2m/s;
※2)沉淀区:
要降低沉淀池水流Re数和提高水流FR数,必须设法减小水力半径。
--采用导流墙将平流式沉淀池进行纵向分割可减小水流半径,改善水流条件。
--沉淀区高度:
与净水构筑物高程有关,一般为3-4m;
沉淀区长度:
决定于水平流速υ和停留时间T;
即:
L=Tυ;
沉淀区宽度:
决定于流量Q、池深H、水平流速υ:
即:
B=
3)出水区:
均匀收集沉淀池上层清水,避免带出絮凝体;
其孔口流速一般为0.6-0.7m/s;
--为缓和出水区附近流线过于集中,应尽量增加出水堰长度,以降低流量负荷;
其堰口溢流率一般小于500m3/(m·d);
4)存泥区:
平流式沉淀池基本采用机械排泥措施;
--机械排泥措施:
充分发挥沉淀池容积利用效率,且排泥可靠;
※⑷平流式沉淀池设计计算:
--※设计平流式沉淀池主要控制指标:
表面负荷或停留时间。
--沉淀池停留时间或表面负荷:
应根据原水水质、沉淀水水质要求、水温设计;
即:
停留时间一般采用1-3h;
低温低浊水停留时间超过2h;
1)按照表面负荷Q/A关系计算出沉淀池表面积A:
--沉淀池长度:
L=3.6υT;
式中:
υ--水平流速,mm/s;
T--停留时间,h;
--沉淀池宽度:
B=
2)按照停留时间T计算沉淀池有效容积:
即:
V=Q·T
式中:
V--沉淀池有效容积,m3;
Q--产水量,m3/h;
T--停留时间,h;
--根据选定的池深H(一般为3.0-3.5m)计算宽度B为:
即:
B=
1.3斜板与斜管沉淀池
⑴斜板与斜管沉淀池特点:
--提高颗粒去除率:
沉淀池有效容积一定时,增加沉淀面积。
--斜板沉淀池:
改善沉淀池水力条件角度--斜板沉淀池水力半径大大减小,从而使雷诺数Re降低,而劳德数Fr大为提高。
--一般斜板沉淀池水流属于层流状态,其Fr数一般为10-3-10-4;斜管沉淀池之Re小于200,Fr数更大;
--即:
斜板沉淀池满足了水流稳定性和层流要求;
⑵斜管沉淀池设计计算:
--※1)设计注意:
①斜管沉淀池底部配水区高度不宜小于1.5m,以便于均与配水;
②为了使水流均匀进入斜管配水区,絮凝池出口一般考虑整流措施;
③整流配水孔流速,一般要求不大于絮凝池出口流速,通常为0.15m/s以下;
④斜管倾角愈小,则沉淀面积愈大,沉淀效率愈高,但不利于排泥;
⑤斜管沉淀池表面负荷q:
q=Q/A
--※规定斜管沉淀池表面负荷为2.5-3.0(mm/s)
--采用较小表面负荷:
可提高沉淀池出水水质;
2)斜板、斜管沉淀池提高沉效原理:
※①增加沉淀面积,缩短沉降距离,提高沉效;
②水力条件改善,有利于提高沉效;
③接触凝聚作用有助于沉效提高;
1.4澄清池
⑴澄清池特点:
--澄清池:
综合絮凝、沉淀作用--主要依靠活性泥渣达到澄清目的[接触絮凝];
--澄清池:
充分利用活性泥渣絮凝作用;
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