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(完整版)水质工程学课件第一章 水质与水质标准1。1 天然水体中的杂质1.1.1按杂质颗粒的粒度分为：悬浮物-零点几个微米至毫米,浑浊，显微镜或肉眼可见胶体几纳米至零点几个微米，浑浊，超显微可见溶液通常在纳米级以下，透明，电镜可见注：胶体化学定义胶体范围1 nm100 nm，工程运用上边界0.45 m或1 m（1）悬浮物：泥土、粘土(50m）、砂（50m）、金属氧化物、原生动物及其包囊、藻类（80m）、细菌（0.24m)，纸浆纤维、石油微粒等。（2）胶体：粘土类物质、金属氢氧化物、蛋白质（1030nm）、硅酸（10100nm）、纤维素、高分子有机物(如腐殖质内的富里酸和腐殖酸)、病毒（8100nm）等等。（3）溶液（溶解杂质） 溶解气体：O2、CO2、N2等（未污染水O2=510mg/L,14mg/L, CO2来源于有机物质的分解及地层化学反应，CO2的多少影响到碳酸平衡、碱度等，地面水一般为2030，地下水可高达100 mg/L); 阳离子:Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Fe2+、Mn2+等； 阴离子：HCO3-、Cl、SO42-、NO3-、SiO32-、F等； 溶解性有机大分子(电解质与非电解质均有）1。1。2按污染物的类别分：（1）可生物降解的有机污染物耗氧有机物 碳水化合物、蛋白质、脂肪等自然生成的有机物，能够被微生物降解成为无机物，微生物同时要消耗掉大量氧，危害水体质量。 (2）难生物降解的有机污染物 主要包括农药（杀虫剂、除草剂）、脂类化合物、芳香族氨基化合物等人工合成的有机物，以及纤维素、木质素、腐殖质等植物残体。 其中一些是持久性有机污染物（POPs）.如多环芳烃，有机氯农药，邻苯二甲酸脂等.POPs对于自然条件下的生物代谢、光降解、化学分解等具有很强的抵抗能力.POPs在水体中的半衰期大多在几十天至20年,个别长达100年； 已有的研究表明，POPs 除具有急性和慢性毒性外，还具有显著的致癌、致畸、致突变等远以及神经毒性和内分泌干扰特性等.其中，尤以其毒性效应，激素的内分泌干扰作用更受关注。 （3)无直接毒害的无机物 泥沙、酸碱物质、氮磷等水质标准中的感官性状以一般化学指标中的无机物。这些物质一般无直接毒害。 （4）有直接毒害作用的无机物 主要包括氰化物、砷化物及重金属等。 六大毒性物质：汞、镉、铅、铬、砷五毒加上氰化物。 此外，天然水体中的杂质从化学结构又可分为无机的、有机的和生物的;按杂质的来源又可分为天然的和人工合成的或天然的和污染性的。1。2典型水源的水质特点（1）江河水 浊度、含沙量变化大（地形、植被）； 含盐量及硬度较低（西北地区较高，东北较低，全国均满足水源水质标准）； 受到一定程度污染,水质水温不稳定。（2）湖泊、水库水 一般浊度较低; 国内许多湖泊、水库出现富营养化,存在藻类、腐殖质及色、嗅、味问题； 含盐量较江河水高.(3）地下水 清澈、水质水温稳定； 含盐量较高，一般达到200500 mg/L（西南、华南、东南雨水补给丰富）; 硬度较高,一般达到60300 mg/L(西北地区苦咸水、华北地区海水影响）； 部分水源含有较高的铁锰或氟。（4）海水含盐量高,一般为36000 mg/L，入海口处含盐量较低（NaCl约占83。7）。 1.3 水体富营养化指在人类活动的影响下,生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体,引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降,水质恶化,鱼类及其他生物大量死亡的现象。 主要危害：(1） 臭味；（2）降低透明度;（3）消耗溶解氧导致水生生态的稳定性和多样性降低；(4）藻毒素问题；(5）影响供水水质（色嗅味）、增加制水成本1。4 水质标准1。4.1 生活饮用水卫生标准（1）标准的发展 国标：生活饮用水卫生标准 1956年 15项，1976年23项，1985(GB5749-85）35项（现行国标)，新国标（GB5749-2006）106项，其中常规42项，非常规64项。 现行部标： 城市供水水质标准（CJ/T206-2005)建设部2005年颁布,指标101项，其中常规42项，非常规59项。 发展趋势：有机物的控制。与GB574985相比，GB57492005毒理学指标中有机化合物由原5项增至53项。 （2）标准条目解析 感官性状和一般化学指标感官性状指标指某些物质对人的视觉、味觉和嗅觉的刺激，一般化学指标物质对人体健康不直接产生毒害，但通常对生活的使用产生不良影响，其中也包括感官性状的影响。色度：地面水主要来源于腐殖质、藻类，地下水主要来源于铁、锰。浊度：新国标中特殊情况不超过3NTU，浊度具有卫生学意义。pH值：低于6.5可能产生腐蚀性，高于8。5易沉淀。总硬度：过高易引起腹泻.铝:产生涩味。过高的铝对人体有较大的危害,早老性痴呆,骨骼疾病。铁、锰、铜、锌：颜色（丝纺厂产品受到影响实例），金属、涩味味。酚：915 mg/L明显毒性，但0.01 mg/L产生恶臭,标准制定偏于安全。耗氧量:间接反映水中有机物含量，高锰酸盐指数，CODMn 毒理学指标有些化学物质，在饮用水中达到一定浓度时，会对人体健康造成危害，这些属于有毒化学物质.氟：过多引起牙斑釉和氟骨病,过少引起龋齿。氰化物：一次摄入20-30 mg ,2-3分钟致死，低剂量摄入引起慢性中毒.砷:一次摄入100 mg致死，低剂量摄入引起慢性中毒。镉:骨痛病铬：致癌作用等等。 微生物学指标总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌及菌落总数 细菌总数 1。4。2 其他用水水质标准（1）食品及饮料类水质标准饮用净水水质标准（CJ94-2005），建设部标准适用于小区直饮水、桶装水等,指以城市自来水或以满足生活饮用水水源是质标准的水为原水，经深度净化后供给用户直接饮用的管道供水和罐装水。此标准的项目数少于新国标，涉及金属离子项目的限制更低一些.（2）城市杂用水水质标准城市杂用水水质标准(GB/T189202002）杂用指绿化、道路浇洒、景观、冲厕、洗车、建筑施工等用水.可用于城市污水再生回用等.(3）游泳池用游泳池和水上游乐池给水排水设计规程(CECS 14：2002）（4)工业用水水质标准 种类繁多 标准差异极大第二章 水的处理方法概述2.1 主要单元处理方法2.1.1水的物理化学处理方法（1)混凝(2）沉淀与澄清（3)浮选(4）过滤（5）膜分离（6）吸附-在相界面上,物质浓度自动发生累积的现象。在水和废水处理中主要是利用固体物质表面对水中杂质的吸附作用.（7)离子交换-固体颗粒上的具有可交换能力的酸性或碱性基团上的离子和水中具有相同电性的离子发生交换的过程.（8）中和（9）氧化与还原2。1。2生物化学处理（1）好氧生物处理 （2）厌氧生物处理 2.2.1 理想反应器模型(1） 完全混合间歇式反应器（CMB） Completely mixing batch reactor 采用一次加料，搅拌反应,待反应结束后再同时放出，所有物料反应时间相同，且浓度均匀，但随时间而变化，因而是在非稳态条件下操作的。（2） 完全混合连续式反应器（CSTR) Continuously stirred tank reactor 物料边进边出，连续流动,因充分搅拌，各处浓度均匀,出口浓度与反应器内浓度一致。稳态条件下,整个系统不随时间变化。（3） 推流式反应器 （PF） Plug flow reactor 物料按前后顺序沿流动方向推流，层流,且无纵向扩散，反应时间是反应器长度的函数，因而反应物浓度沿路程而变化.在反应器相同断面上所有物料的停留时间相同.2.2.2物料平衡与质量传递（1)物料平衡方程在反应器内任一部位：浓度变化速率=输入速率输出速率+反应速率 （质量/体积时间） 反应速率由化学反应动力学决定,对于反应物来说，反应速率为负,对于生成物来说，反应速率为正。 如果在反应区内,组分i的浓度不随时间变化，则： 输出速率-输入速率=反应速率此时并非化学平衡状态，仅仅是净输入量等于反应速率，此状态称为稳定状态，许多反应器中的反应近似为稳定状态. 物质的输入与输出，由质量传递引起，包括主体流动、分子扩散和紊流扩散引起的质量传递.（2）质量传递 主流传递 与流速一致，与浓度无关。 分子扩散（Fick第一定律）式中:J物质扩散通量；DB分子扩散系数，（面积/时间);Ci-组分i的浓度（质量/体积）；x-浓度梯度方向的坐标。 紊流扩散传递紊流下存在各向的脉动，可表达为类似于分子扩散的表达式：式中：Dc紊流扩散系数。2.2。3理想反应器的计算（1）完全混合间歇式反应器（CMB)反应过程中，无输入与输出量，于是：对于一级反应，r(Ci）=-kCi（这里研究反应物),于是：对于二级反应，r(Ci)=kCi2,于是：例：某水样采用CMB反应器进行消毒实验假定投氯量一定，经试验知，细菌被灭活率为一级反应，且k=0.92 min1，求细菌被灭活99%时，所需时间为多少？解：设原有细菌密度为C0，t时后尚存活的细菌密度为Ci，被杀死的细菌密度则为C0-Ci,在t时刻，(C0Ci)/C0=0.99，Ci =0.01 C0，（2)完全混合连续式反应器（CSTR）根据反应器内物料完全均匀混合且与输出产物相同的特性，在等温操作下,物料平衡方程如下：在稳定状态下： QCi-QC0=Vr（Ci)设为一级反应，将r(Ci）=-kCi和V=Qt带入，则：例：某水样采用CSTR反应器进行消毒实验假定投氯量一定，经试验知，细菌被灭活率为一级反应，且k=0.92 min-1，求细菌被灭活99%时，所需时间为多少？解：将Ci =0.01 C0，k=0。92带入上式：采用CSTR多极串联，可提高效率，分析如下:C1/C0 =1/（1+kt), C2/C1 =1/(1+kt)， C3/C2 =1/（1+kt), Cn/Cn1 =1/(1+kt）于是：式中,t为单级反应器的反应时间，总反应时间T=nt例：如果上例中采用两个CSTR串联，所需消毒时间为多少?解: Cn/C0=0.01，n=2，带入式中0.01=1/(1+0。92t）2可解出 t=9。9 (min), T=2t=19.8 (min）（3）推流式反应器(PF）在推流式反应器示意图上取出微元体，研究在此微元体内的质量平衡方程，这里是过水断面面积，dx是微元体的宽度在稳定状态下，于是，按边界条件x=0，Ci=C0,x=X，Ci=Ce将上式与CMB反应器的结果比较不难发现，PF反应器的结果与CMB完全相同.第三章 混凝凝聚(coagulation):通过投加混凝剂使胶体失去稳定性的过程称为凝聚。絮凝（flocculation）:脱稳胶体相互聚集形成絮体的过程称为絮凝.混凝（coagulation， or coagulation-flocculation）：是凝聚、絮凝两过程的总称.是水中胶体粒子及微小悬浮物的脱稳和聚集形成絮体的过程。3.1 混凝理论3。1。1胶体的稳定性（1）胶体的概念一种物质（分散相）被分散到另一种物质中（分散介质)所组成的体系称为分散系，按分散相粒子大小,将分散系分为分子分散系（又叫真溶液）（d100-1000nm）。若分散相和分散介质组成的是无界面的均相热力学稳定体系叫亲水胶体（Hydrophilic colloid）或叫高分子溶液，如蛋白质、淀粉溶液，若为有界面的非均相热力学不稳定体系叫疏水胶体(hydropholic colloid）或叫溶胶，如Fe(OH）3溶胶、粘土胶体等。即使是热力学不稳定的疏水胶体，从应用的角度,它仍然是相当稳定的，在水处理构筑物中难以自然沉降下来。以下所讨论的均是针对疏水胶体的. （2）胶体的特性 光学特性 力学特性 表面性能 动电现象（3)胶体稳定的原因动力学稳定沉速缓慢和布朗运动是主要原因，沉速及布朗运动均与粒度有关胶体颗粒的沉速和布朗运动速度与粒度的关系:粒径 （nm) 1 10 102 103 104 105 沉速（mm/s) 107 10-5 103 101 10 布朗运动速度（mm/s） 8900 2960 89 2.96 0.089聚集稳定1）静电斥力 胶体颗粒的表面电荷妨碍颗粒的相互聚集 氢氧化铁胶体表面电荷与pH值的关系2）水化膜使胶体微粒不能相互聚结的另一个因素是水化作用.由于胶粒带电,将极性水分于吸引到它的周围形成一层水化膜。水化膜同样能阻止胶粒间相互接触。对于憎水胶体,如果胶粒的电位消除或减弱，水化膜也就随之消失或减弱.对于亲水胶体（有机胶体，高分子溶液），胶体粒子表面极性基团对水分子的强烈吸附,使得胶体粒子包裹上一层较厚的水化膜阻碍胶体的相互接近。胶体的结构图电位-介质粘度;u电泳速度;E电位梯度;介质的介电常数；K与胶粒形状有关常数（对于球形胶粒K=6，棒形胶粒K=4）上式全部采用cm-g-s制。 (2）吸引势能与排斥势能（DLVO理论）DLVO理论-前苏联的Derjaguin和Landau， 荷兰的Verwey和Overbeek分别从胶粒之间相互作用能的角度阐明胶粒相互作用的理论。该理论认为，两胶粒接近到双电层重叠,产生静电斥力，排斥势能ER随胶粒间距的增大指数减小,范德华引力引起的吸引势能与胶粒间距的平方成反比，总势能为二者之和。从两颗粒相互作用势能可知：颗粒彼此接近时，斥力势能与引力势能同时增大,但在不同距离区间增长速率不同,产生一个最大值和两个最小值。最大值即排斥能峰,是颗粒聚集必需克服的活化能.还应该指出，虽然在H很小时吸引大于排斥，但在微粒间相距很近时，由于电子云的相互作用而产生Born排斥能，总势能又急剧上升为正值。投加电解质,压缩扩散层的厚度,可降低胶体的电位。最多可以把扩散层压入滑动面，此时电位为0，排斥能峰完全消失（实际上，并不需要将电位降低到0）。哈代-叔采法则:M+:M2+:M3+=1:10-2:103=1：(1/2）6:(1/3)6DLVO理论的意义： 解释了胶体稳定的原因; 通过投加电解质,压缩双电层，降低电位可实现胶体的脱稳、凝聚。DLVO理论的不足： 许多现象无法解释； 实用中1价和2价金属盐的投加量很大； 使用3价金属盐时存在盐类的水解现象，形成最终产物M(OH)3。3.1。3 铝盐的水解（1）硫酸铝的水解 水解产物金属离子在水溶液中通常以水合络离子的形式存在,如在酸性稀水溶液中（pH3)，铝与6个水分子配位结合而生成水合铝络离子Al（H2O）63+，当水溶液的pH4时，水合铝络离子将随之发生一系列的逐级水解反应，脱水的同时释放氢离子,形成以下五种单体:Al(H2O)63+ 、Al（OH)（H2O）52+ 、Al（OH）2（H2O）4+ 、Al（OH)3(H2O)30和Al(OH）4（H2O）2-,简单记为Al3+、Al(OH）2+ 、Al(OH）2+ 、Al(OH）30和Al（OH）4-。同时还发生一系列的聚合反应,形成的聚合物主要有：Al2（OH）2(H2O)82+、Al3（OH)4（H2O）105+和Al13O4（OH）24(H2O)127+等,其中二聚铝和十三聚铝被核磁共振试验直接观察到。此外还有一种非定性的沉淀体Al（OH)3(s)（5pH8的条件下，带有正电荷的氢氧化铝胶体）.（2）聚合氯化铝(PAC）的水解在常用的PAC投加量(AlT=103.5105.0Mol/L）下，pH6.5，Al13O4（OH）24（H2O）127+为主；(介绍枝状结构的絮凝体）pH6。5-9，Al（OH)3（s）为主。3。1。4混凝机理（1）压缩双电层机理如前DLVO理论部分所述。双电层理论通常仅仅在使用1价或2价盐(协电解质）时发生，河流入海口处发生的混凝现象即是这种情况。（2）吸附电中和机理胶粒表面对异号离子、异号胶粒、链状离子或分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了胶粒所带电荷,减少静电斥力，降低下电位,使胶体的脱稳和凝聚易于发生。此时静电引力常是这些作用的主要方面。上面提到的三价铝盐或铁盐混凝剂投量过多，凝聚效果反而下降的现象，可以用本机理解释。因为胶粒吸附了过多的反离子，使原来的电荷变号,排斥力变大，从而发生了再稳现象. (3)沉淀物网捕机理当采用硫酸铝、石灰或氯化铁等高价金属盐类作凝聚剂时,当投加量大得足以迅速沉淀金属氢氧化物如Al（OH）3(s)，Fe(OH)3 (s)或带金属碳酸盐（如CaCO3）时,水中的胶粒和细微悬浮物可被这些沉淀物在形成时作为晶核或吸附质所网捕.（4）吸附架桥机理吸附架桥作用是指链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥连的现象.1）胶体再稳现象： 高分子聚合物浓度较高时，对胶粒的包裹,产生“胶体保护”作用。 胶粒较少时,高分子聚合物的缠绕作用； 长时间的剧烈搅拌.2）不同类型高分子絮凝剂的吸附架桥作用比较 并非一定需要阳离子高分子絮凝剂，阳离子型反而容易形成多点吸附现象. 非离子型和阴离子型效果可能更好，分子量更大，伸展性更好（尤其是阴离子型). 钙、镁离子的存在有利于阴离子高分子絮凝剂的吸附架桥作用。在混凝过程中，上述现象常不是单独存在的，往往同时存在，只是在一定情况下以某种现象为主.实例：硫酸铝的混凝机理 不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同.何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量、pH、温度等。实际上，几种可能同时存在。 pH3 简单的水合铝离子起压缩双电层作用； pH=45 多核羟基络合物起吸附电性中和； pH=6.5-7。5 氢氧化铝起吸附电性中和.3.2 混凝剂与助凝剂常用的混凝剂铝系 硫酸铝 明矾 聚合氯化铝(PAC）聚合硫酸铝（PAS) 适宜pH：5.5-8 铁系 三氯化铁 硫酸亚铁 聚合氯化铁 硫酸铁（国内生产少）聚合硫酸铁适宜pH：5-11,但腐蚀性强 人工合成 阳离子型:含氨基、亚氨基聚合物 国内尚少 阴离子型:水解聚丙烯酰胺（HPAM） 非离子型：聚丙烯酰胺（PAM）两性型使用极少 天然 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 微生物絮凝剂 无机混凝剂 铝盐 硫酸铝（Al2（SO4)318H2O） 明矾（K2SO4Al2(SO4)324H2O） 由于铝的比重小，在水温低的情况下，絮粒较轻而疏松，处理效果较差。 pH有效范围较窄，在5.5-8之间，投加量大。 铁盐三氯化铁（FeCl36H2O）生成的絮粒在水中的沉淀速度较快；处理浊度高、水温较低的废水，效果比较显著； FeCl3容易吸水潮解，故不易保管；腐蚀性强,对混凝土也产生腐蚀作用；生成Fe（OH)2它的溶解度很大，残留水中的Fe2+会使处理后的水带色.硫酸亚铁（FeSO47H2O），硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用,以便将二价铁氧化成三价铁无机高分子混凝剂聚合氯化铝 (碱式氯化铝，简称PAC）化学通式为Al2(OH）nCl6nm，式中n5，m10。制备：以铝灰或含铝矿物作原料，采用酸溶法或碱溶法加工制成的。参考书：碱式氯化铝李润生A 对水质适应性较强，适用pH范围广，59之间;B 絮凝体形成快,比重大，沉降性好；C 投药量低。D 碱化度较高，对设备的腐蚀性小,处理后的水pH和碱度下降较小。碱化度： 聚合硫酸铁(碱式硫酸铁）(简写PFS）化学通式为Fe2(OH)n(SO4）3 n/2m式中n10。 A 适用范围广:pH 4-11;低水温,混凝效果稳定； B 用量小，絮凝体沉降性能好；C COD去除率和脱色效果好；D 处理后水中铁残留量低，腐蚀性较小.有机絮凝剂 ： （1) 天然高分子絮凝剂主要有动物胶、淀粉、甲壳素等。特点：电荷密度小，分子量较低，且易发生降解而失去活性。 (2) 人工合成高分子絮凝剂 阴离子型：主要含-COOM（M为H+或金属离子)或 -SO3H的聚合物，如阴离子聚丙烯酸钠（HPAM)和聚苯乙烯磺酸钠（PSS）等. 阳离子型:主要是含有NH3+、-NH2+和N+R4的聚合物，如阳离子聚丙烯酰胺（APAM）等。 非离子型:所含基团未发生反应的聚合物。如非离子型聚丙烯酰胺(PAM)和聚氧化乙烯（PEO）等。(3）高分子混凝剂的作用： 靠氢键、静电、范德华力的作用对胶粒强烈的吸附作用。高聚合度的线型高分子在溶液中保持适当的伸展形状，从而发挥吸附架桥作用，把许多细小颗粒吸附后，缠结在一起。(4)与其他混凝剂共同使用时的投加顺序：当原水低浊度时，宜先投其他混凝剂；当原水浊度高时,应先投加PAM。助凝剂定义当单用混凝剂不能取得良好效果时,可投加某些辅助药剂以提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂.作用调节或改善混凝的条件，如改善絮粒结构，增大颗粒粒度及比重,调整废水的pH和碱度，使其达到最佳的混凝条件。 助凝剂分类A、pH调整剂：调节废水的pH符合混凝处理工艺要求。常用石灰、硫酸、氢氧化钠等。B、絮凝结构改良剂：投加絮体结构改良剂以增大絮体的粒径、密度.常用骨胶、活化硅酸、海藻酸钠、粘土、水玻璃、PAM等.C、氧化剂：有机物含量高，易起泡沫，絮凝体不易沉降。投加氯气、次氯酸、臭氧等分解有机物，使胶体脱稳,还可将Fe2+转化成Fe3+,以提高混凝效果。3.3 混凝动力学异向絮凝:由布朗运动造成的颗粒碰撞称为异向絮凝，又叫异向凝聚。同向絮凝：由流体运动造成的颗粒碰撞称为同向絮凝，又叫同向凝聚。3。3.1异向絮凝 单位体积水体中颗粒由布朗运动引起的碰撞速率NP（1/cm3/s）可按下式计算：式中：DB：布朗运动扩散系数（cm2/s） n为颗粒浓度（个/cm3)，d为颗粒粒度（cm),T为绝对温度,为水的运动粘度（cm2/s）,为水的密度（g/cm3），K为波尔兹曼常数1.381016g.cm2/s2.k;因此：在水温为20oC（293K），颗粒浓度减半的时间可由下式计算：t1/2=21011/n故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关.(1)异向絮凝速度快,又称为快速絮凝；（2） 随着颗粒浓度的迅速降低，异性絮凝很快完成 。(3）当颗粒的粒径大于1mm，布朗运动消失。3。3。2 同向絮凝(1）层流理论（Camp-Stein公式） 颗粒碰撞速率当同一方向上运动的两个颗粒间存在速度差，两个颗粒在垂直运动方向上的球心距离小于它们的半径之和时，速度快的颗粒将赶上速度慢的颗粒，从而相碰接触产生絮凝现象。由于必须在同一方向上接触相碰，因此称为同向絮凝。发生同向絮凝的条件也就是颗粒的运动必须存在速度梯度，速度梯度是由于水的剪切流形成的，因此同向絮凝也称为剪切絮凝. 单位体积水体中颗粒由水流运动引起的碰撞速率N0按下式（Stein公式）计算：式中，G为速度梯度，即是单位间距液层的速度差，s1.同向絮凝与异向絮凝的比较：将N0除以Np得到下式：将=102cm2/s,=1g/cm3，K=1.381.381016g。cm2/s2.k，T=293oK带入上式，可得到:对于1m即10-4cm的颗粒,只要G=0.0276s-1则可达到N0/Np=1，实际上，同向絮凝初期的G值远大于0.0276 s-1，即使1m颗粒，N0 Np，随着颗粒的增大，这一现象更加显著。异向絮凝快速形成小颗粒，而同向絮凝缓慢形成大的颗粒（絮体)速度梯度在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受剪，而扭转的隔离体，设在时间t内，隔离体扭转了角度，于是角速度为：式中,u为扭转线速度，转矩J为：J=(xy) z 隔离体扭转所耗功率等于转矩与角速度的乘积，于是，单位体积水流所耗功率p为：根据牛顿内摩擦定律，=G，代入上式得：上式为Camp公式,式中，是水的动力粘度（20oC时为1.00510-3Pas），p是单位流体所耗功率（W/m3），G是速度梯度（s1）。当使用水力絮凝时，式中p应为水流本身能量消耗：为水的运动粘度（20oC时为1。00710-6m2/s)2）紊流理论（Levich微涡流理论）Levich微涡流理论理论认为： 外部施加的能量形成大涡旋；大涡旋将能量输送给小涡旋；小涡旋将能量输送给微涡旋；只有尺度与颗粒尺寸相近的微涡旋才会引起颗粒的有效碰撞。式中D为紊流扩散系数，为蜗旋尺度，u为相应于蜗旋尺度的脉动速度,其可用下式表示:式中为单位时间、单位体积流体的有效能耗。设涡旋尺度与颗粒尺度相等，即=d,由以上几式可得：将上式与Stein公式比较具有很多相似性，也被称为是速度梯度，但因有效能耗难以确定，使上式的应用受到了限制。3。3.3 混凝控制指标自药剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止,在工艺上总称为混凝过程。相应设备有混合设备和絮凝设备。混合设备中的过程与凝聚阶段大致对应，混合的目的在于使药剂迅速分散,而布朗运动引起异向絮凝，絮凝设备中的过程与絮凝阶段大致对应水力条件对混凝效果有重要影响。两个主要的控制指标是搅拌强度（速度梯度G）、搅拌时间T及GT值.在混合阶段，要求混凝剂与废水迅速均匀的混合,为此要求G在5001000s-1，考虑到铝盐及铁盐水解在17秒就形成氢氧化物沉淀，故搅拌时间t应在1030s内完成，最长不超过两分钟。而到了絮凝阶段，既要创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件让絮体有足够的成长机会,又要防止生成的絮体被打碎，由于絮体越大抗剪切力越弱，搅拌强度要逐渐减小,而反应时间要长，絮凝阶段的平均速度梯度G和t值分别应在2070s-1和1530 min，平均GT值应控制在104105。此外一些学者提出采用GTC值作为混凝的控制指标。3。4影响混凝的主要因素3.4.1 水温水温低时，通常絮凝体形成缓慢,絮凝颗粒细 小、松散,凝聚效果较差.其原因有: 无机盐水解吸热，水温降低10，硫酸铝的水解速度常数降低24倍，水温在5左右时，硫酸铝的水解速度以极其缓慢; 温度降低,粘度升高，布朗运动减弱； 水温低时，胶体水化作用增强，妨碍凝聚; 水温与水的pH值有关,水温越低,水的pH值越高，相应的地混凝的最佳pH值也提高。低温时可利用活化硅酸作为助凝剂，也可采用铁盐混凝剂。3。4.2 pH值水的pH值和碱度对混凝效果的影响,视混凝剂品种而异。 硫酸铝：用以去除浊度时，最佳pH值在6。57.5之间，用以去除色度（腐殖质)时，最佳pH值在5。05.5之间（pH值低于5.0时存在着残余铝超标的危险)。对于色度的去除存在着pH值越高，所需的混凝剂投加量越大的的特点，这一特点对于铁盐也不例外。 三价铁盐作混凝剂时,由于Fe3+水解产物溶解度比Al3+的小,且氢氧化铁的等电点高于氢氧化铝,故适用的pH值范围比较宽，去除水的浊度时，最佳pH值在6.08。4之间，用以去除色度时，最佳pH值在3.55.0之间。 聚铝已预先部分水解，最终水解产物受pH值影响小,适应的pH值较三价铁盐更宽.当投加金属盐类混凝剂时，其水解会生成H+，但水中碱度有缓冲作用,当碱度不够时需要投加石灰或碳酸钠，石灰投加量按下式计算：CaO=3a x + 式中CaO:纯石灰CaO投量,mmol/L; a:硫酸铝的投量，mmol/L； x：原水碱度,按mmol/L，CaO计； ：保证反应顺利进行的剩余碱度3.4.3 悬浮物浓度杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。采取的对策有： 加高分子助凝剂（活化硅酸、聚丙烯酰胺或聚丙烯酸钠）； 加粘土 投加混凝剂后直接过滤如果原水悬浮物含量过高,为减少混凝剂的用量，通常投加高分子助凝剂。如长江上游高浊度水常需投加有机高分子絮凝剂（聚丙烯酰胺或聚丙烯酸钠）作为助凝剂。3.4.4 混凝剂种类混凝剂的选择主要取决于胶体和细微悬浮物的性质、浓度.如水中污染物主要呈胶体状态，且电位较高，则应先投加无机混凝剂使其脱稳凝聚,如絮体细小，还需投加高分子混凝剂或配合使用活性硅酸等助凝剂。很多情况下，将无机混凝剂与高分子混凝剂并用,可明显提高混凝效果,扩大应用范围。3.4.5混凝剂的配制溶解池容积W1：W1=（0.20.3）W2 (614)式中W2为溶液池容积。 （615) 式中:W2-溶液池容积，m3 Q处理的水量,m3/h a混凝剂最大投加量,mg/L c-溶液浓度，一般取520 n-每日调制次数,一般不超过3次3。4.6混凝剂投加混凝剂投加设备包括计量设备、药液提升设备、投药箱、必要的水封箱以及注入设备等。1。计量设备计量设备有：转子流量计;电磁流量计；计量泵等。2.投加方式（1）泵前投加：安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者.（2）高位溶液池重力投加:适用取水泵房距水厂较远者，安全可靠,但溶液池位置较高.（3）水射器投加：设备简单，使 用方便，溶液池高度限制小,但效率低，易磨损。（4）泵投加:不必另设计量设备，适合混凝剂自动控制系统，有利于药剂与水混合混合设备（1)水泵混合投药投加在水泵吸水口或管上。混合效果好，节省动力，各种水厂均可用,常用于取水泵房靠近水厂处理构筑物的场合，两者间距不大于150m。(2）管式混合管式静态混合器：流速不宜小于1m/s，水头损失不小于0。30.4m,简单易行。扩散混合器，是在管式孔板混合器前加一个锥形帽，锥形帽夹角90。顺流方向投影面积为进水管总截面面积的1/4,开孔面积为进水管总截面面积的3/4,流速为1.0-1。5m/s，混合时间2-3s。（3)机械混合在池内安装搅拌装置，搅拌器可以是桨板式、螺旋桨式或透平式，速度梯度700-1000s-1，时间1030s以内，优点是混合效果好，不受水质影响，缺点是增加机械设备，增加维修工作。3。4。7絮凝设备1。隔板絮凝池隔板絮凝池分往复式和回转式. 隔板絮凝池的水头损失由局部水头和沿程水头损失组成.往复式总水头损失一般在0.30.5m,回转式的水头损失比往复式的小40左右。隔板絮凝池特点:构造简单、管理方便，但絮凝效果不稳定,池子大。适应大水厂3。 机械絮凝池搅拌器有浆板式和叶轮式，按搅拌轴的安装位置分水平轴式和垂直轴式。第一格搅拌强度最大，而后逐步减小，G值也相应减小，搅拌强度决定于搅拌器转速和桨板面积。 设计参数絮凝时间10-15分。池内一般设34挡搅拌机。搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确定，线速度第一挡0.5m/s逐渐减小至末挡的0.2m/s.桨板总面积宜为水流截面积的1020，不宜超过75,桨板长度不大于叶轮半径的75，宽度宜取1030cm。 优缺点:机械絮凝池的优点是调节容易，效果好，大、中、小水厂均可，但维修是问题.4.穿孔旋流絮凝池由若干方格组成。分格数一般不少于6格。流速逐渐减小，G也相应减小以适应絮凝体形成，孔口流速宜取0.61。0m/s，末端流速宜取0。20。3m/s。絮凝时间1525min。穿孔旋流絮凝池的优点是构造简单，施工方便，造价低,可用于中、小型水厂或与其他形式的絮凝池组合应用。 5.网格、栅条絮凝池网格、栅条絮凝池设计成多格竖井回流式。每个竖井安装若干层网格或栅条，各竖井间的隔墙上、下交错开孔,进水端至出水端逐渐减少，一般分3段控制。前段为密网或密栅,中段为疏网或疏栅，末段不安装网、栅.网格絮凝池效果好，水头损失小，絮凝时间较短，但还存在末端池底积泥现象,小数水厂发现网格上滋生藻类、堵塞网眼现象。6。不同形式絮凝池组合应用每种形式的絮凝池各有其优缺点。不同形式的絮凝池组合应用可以相互补充，取长补短。往复式和回转式隔板絮凝池在竖向组合是常用方式之一，穿孔旋流与隔板絮凝池也往往组合应用。不同形式絮凝池配合使用，效果良好，但设备形式增多，应根据具体情况决定.第四章 沉淀与澄清4.1 概论水中固体颗粒依靠重力作用,从水中分离出来的过程称为沉淀，按水中固体颗粒的性质，沉淀分为三类：（1）自然沉淀 颗粒在沉淀过程中不改变其大小、形状和密度。 自由沉淀：颗粒沉淀时不受容器壁和其他悬浮物的影响，颗粒状沉淀。 拥挤沉淀：颗粒处于互相干扰的沉淀，又叫作区域沉淀或成层沉淀. 压缩沉淀：在沉淀构筑物底部支撑作用下，颗粒间互相支撑，上层颗粒在重力作用下，挤压出下层颗粒的间隙水的沉淀过程. （2）絮凝沉淀在沉淀过程中，颗粒由于相互接触凝聚而改变其大小、形状和密度，这种过程称为絮凝沉淀。(3)化学沉淀在某些特种水处理中，投加药剂使水中溶解杂质结晶为沉淀物，称为化学沉淀.4。2悬浮颗粒在静水中的沉淀4。2。1 悬浮颗粒在静水中的自由沉淀一般认为,悬浮颗粒与器壁的距离大于50倍颗粒的直径,同时体积浓度小于0。002时（50006000mg/L）,可认为自由沉淀，此时的沉淀速度称为自由沉淀速度。以球型颗粒为例