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第三章　水的化学处理技术
第一节　中 和
第二节　混 凝
第三节　化学沉淀
第四节　氧化还原
第五节　消 毒
一、基本原理
中和处理发生的主要反应是酸与碱生成盐和水的中和反应。在中和过程中，酸碱双方的当量恰好相等时称为中和反应的等当点。强酸强碱互相中和时，由于生成的强酸强碱盐不发生水解，因此等当点即中性点，溶液的pH值等于7.0。
二、酸性废水的中和处理
（一）酸碱废水互相中和
（二）药剂中和
投加药剂中和法常用于酸性废水的处理。以石灰石、电石渣、石灰作中和剂，也有采用碳酸钠和苛性钠作中和剂的。反应原理都是酸、碱中和反应，中和剂的投加量，可按化学反应式进行估算。
第一节 中　和
（三）过滤中和
废水流经具有中和能力的滤料并与滤料进行中和反应的方法称为过滤中和法。工业上常用石灰石、大理石或白云石作中和滤料处理酸性废水，反应在中和滤池中进行。水流方式为竖流式(升流或降流均可)。
1. 普通中和滤池
普通中和滤池为固定床，水的流向有平流式和竖流式。目前多采用竖流式。竖流式又分为升流式和降流式两种。普通中和滤池的滤料粒径一般为30~50mm，不能混有粉料杂质。废水中如含有可能堵塞滤料的物质时，应进行预处理，过滤速度一般不大于5m/h，接触时间不小于10min，滤床厚度一般为1~1.5m。
2. 升流式膨胀中和滤池
采用升流式膨胀中和滤池，可以改善硫酸废水的中和过滤。具体操作是废水从滤池的底部进入，水流自下向上流动，从池顶部流出。废水上升滤速高达有50～70m／h，滤料间相互碰撞磨擦，加上生成的CO2气体作用，有助于防止结壳，滤料表面不断更新，具有较好的中和效果。
1.环形集水槽；2.清水区；3.石灰石滤料；4.卵石垫层；
5.大阻力配水系统；6.放空管
图3-1. 升流式膨胀中和滤池
三、碱性废水的中和处理
（一）药剂中和
碱性废水的中和剂主要是采用工业硫酸，因为其价格较低。使用盐酸的优点是反应产物的溶解度高，泥渣量少，但出水溶解固体浓度高。无机酸中和碱性废水的工艺、设备和酸性废水的加药中和设备基本相同。
（二）烟道气中和
在工业上还常用另外一种形式的滤床，称为喷淋塔，用它来处理碱性废水。中和剂则是含有CO2和少量SO2、H2S的烟道气。烟道气中的CO2和少量SO2、H2S与碱性废水反应式如下：
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O
SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O
H2S+2NaOH=Na2S+2H2O
四、中和处理在工程中的应用
江西某钢厂新建14×104 t/a无缝钢管。酸洗车间所产生的废酸液总量：2.26×104 m3/a，含硫酸50g/L，FeSO4230g/L；酸性废水总量：27.28×104m3/a，含硫酸0.7g/L，FeSO41.72g/L。
综合考虑，确定采取工艺流程如下：废酸液先进入石灰中和池进行中和预处理，石灰中和池出水再与酸性废水集中进入调节池调节水质水量，然后通过耐酸泵打入升流式膨胀中和滤塔，塔内用白云石作中和滤料，再经脱气塔去除CO2，如果出水pH值还达不到排放标准，则需要再通过溶解槽补加部分碱液进一步中和，然后进入平流式沉淀池进行沉淀，沉淀池出水进入清水池以作回用或外排。石灰中和池沉淀废渣、调节池污泥和沉淀池污泥一起打入污泥浓缩池浓缩，再经带式压滤机进行脱水后外排。
设计参数：石灰中和池HRT＝3h；调节池HRT＝10h；变速升流式膨胀滤塔上部滤速40m/h，下部滤速140m/h；脱气塔填料层高2m，共3层；反应槽HRT＝2.5h；平流式沉淀池HRT＝1.5h，q＝2m3/(m2.h)；污泥浓缩池HRT＝3h。
滤料粒径为0.5--3mm，平均粒径1.2mm。
该处理站进水pH值为2.1--3.4，经处理后出水pH值为6.1--6.9
一般来讲，水中胶体颗粒脱稳的过程称为凝聚，脱稳的胶体颗粒相互聚集成大的矾花的过程称为絮凝。混凝是凝聚和絮凝的总称。
一、基本原理
（一） 胶体的稳定性
胶粒在水中受几方面的影响：
胶粒之间的静电斥力，电位越高，胶粒间的静电斥力越大；
受水分子热运动的撞击，使胶粒在水中作不规则的运动，即布朗运动；
胶粒之间的相互引力即范德华力。范德华力的大小与胶粒间距的二次方成反比，当间距较大时可忽略不计。
第二节 混 凝
在胶核表面有一层离子，
称电位形成离子或电位离子，
胶核因电位离子而带有电荷，
为维持胶体离子的电中性，胶
核表面的电位离子层通过静电
作用，从溶液中吸引了电量与
电位离子层总电量相等而电性
相反的离子，这些离子称为反
离子，并形成反离子层。这样，
胶核固相的电位离子层与液相
中的反离子层就构成了胶体粒子的双电层结构。
图3-2 胶体双电层结构示意图
（二）混凝的机理
为了使胶体颗粒沉降，就必须破坏胶体的稳定性。促使胶体颗粒相互聚集成为较大的颗粒。
化学混凝的机理至今仍未完全弄清楚。因为它涉及的因素很多，如水中杂质的成分和浓度、水温、水的pH值、碱度、以及混凝剂的性质和混凝条件等。但归结起来，可以认为主要是三方面的作用：
1. 压缩双电层作用
胶体微粒都带有电荷。天然水中的粘土类胶体微粒以及污水中的胶态蛋白质和淀粉微粒等都带有负电荷。带同种电荷的胶粒之间存在着排斥力，距离愈近，斥力愈大。因此，胶体微粒不能相互聚集而长期保持稳定的分散状态。
2. 吸附架桥作用
三价铝盐或铁盐以及其它高分子混凝剂溶于水后，经水解和缩聚反应形成高分子聚合物，具有线性结构。这类高分子物质可被胶体微粒所强烈吸附。因其线性长度较大，当它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐结大，形成肉眼可见的粗大絮凝体。这种由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互聚集的过程，称为絮凝。
3. 网捕作用
三价铝盐或铁盐等水解而生成沉淀物。这些沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体等微粒，使胶体凝结，共同沉淀。
上述三种作用产生的微粒凝结现象——凝聚和絮凝总称为混凝。
二、混凝剂和助凝剂
（一）混凝剂
1. 硫酸铝
2. 结晶氯化铝
3. 聚合氯化铝
4. 硫酸亚铁
5. 三氯化铁
6. 聚合硫酸铁
7. 有机高分子混凝剂
（二） 助凝剂
1. pH调整剂
2. 氧化剂类
3. 絮凝结构改良剂
三、混凝工艺与设备
（一）混凝过程
混凝沉淀的处理过程包括投药、混合、反应及沉淀分离几个部分。混合阶段的作用是将药剂迅速、均匀地分配到废水的各个部分，以压缩废水中胶体颗粒的双电层，降低或消除胶粒的稳定性，使这些胶粒能聚结成较大的絮凝体。
（二）影响混凝的主要因素
影响混凝效果的因素较复杂，主要以下几种因素：
1．pH值
2. 水温
3. 混凝剂的种类和投加量
4. 水利条件的影响
（三）混凝设备
化学混凝的设备包括：混凝剂的配制和投加设备，混合设备和反应设备。
图3-3. 混凝剂的溶解和投加过程
1. 混凝剂的配制与投加设备
混凝剂是在溶解池中进行溶解。为加速药剂的溶解，溶解池中应配备搅拌装置。常见的搅拌方法有机械搅拌，压缩空气搅拌和水泵搅拌。
2. 混合设备
如果药剂投加采用的是泵前重力投加形式，由于水泵的混合效果较好，因此不需另建混合设备。对于其它的投加药剂方式，则需兴建混合设备。
3. 反应设备
反应设备根据反应池中水力流动方式分为隔板反应池和机械搅拌反应池。
（1）隔板反应池
常见的隔板反应池类型是往复式隔板反应池和回转式隔板反应池，它是利用水流断面上流速分布不均匀所造成的速度梯度，促进颗粒互相碰撞，从而达到混凝目的。
图3-5. 往复式隔板絮凝池
（2）机械搅拌反应池
机械搅拌反应池是利用搅拌桨的转动引起水中的颗粒相互碰撞而进行混凝，转动轴可以是水平轴式，也可以是垂直式（图3-6）。
图3-6. 机械搅拌絮凝池
四、澄清池
澄清池是用于混凝处理的一种设备。絮凝和沉淀属于两个单元过程：水中脱稳杂质通过碰撞结合成相当大的絮凝体，然后在沉淀池内下沉。而在澄清池内，可以同时完成混合、反应、沉淀分离等过程。
（一）澄清池分类
1. 泥渣悬浮型澄清池
（1）悬浮澄清池 悬浮澄清池是应用较早的一种澄清池。
（2）脉冲澄清池 澄清池的特点是上升流速发生周期性的变化。
2. 泥渣循环型澄清池
（1）机械搅拌澄清池 机械搅拌澄清池是将混合、絮凝反应及沉淀工艺综合在一个池内。
（2）水力循环澄清池 原水从池底进入，先经喷嘴喷出，喷嘴上面为混合室、喉管和第一反应室。
图3-7. 悬浮澄清池流程
图3-8.机械搅拌澄清池
1.进水管；2.喷嘴；3.喉管；4.喇叭口；5.第一絮凝室；6.第二絮凝室；7.泥渣浓缩室；8.分离室
图3-9.水力循环澄清池
（二）澄清池的设计计算
1. 澄清池主要设计参数
2. 机械加速澄清池的设计参数及要点
（1）原水进水管、配水槽 原水进水管的管中流速一般在lm／s左右。
（2）反应室 水在池中总停留时间一般为1.2~1.5h，第一反应室、第二反应室停留时间20~30min。第二反应室计算流量为出水量的3~5倍（考虑回流）。目前在设计中，第一反应室、第二反应室(包括导流室)和分离室的容积比一般控制在2：1：7左右。第二反应室和导流室的流速一般为40～60mm／s。
（3）分离室 上升流速一般采用0.8～1.1mm/s，处理低温低浊水时可采用0.7～0.9mm/s。
（4）集水槽 集水槽可采用淹没孔口式或三角堰出水。孔径可为20~30mm。孔口流速一般为0.5～0.6m／s。集水槽中流速为0.4～0.6m/s，出水管流速1.0m/s。穿孔集水槽的设计流量应考虑流量增加的余地，超载系数一般取1.2～1.5。
（5）泥渣浓缩室 泯渣浓缩室的容积大小影响排出泥渣的浓度和排泥间隔的时间。根据澄清池的大小，可设浓缩室1~4个，其容积约为澄清池容积的1%~4%。小型池可用底部排泥。进水悬浮物含量>1g/L或池径≥24m时，应设机械排泥设备。
（三）澄清池的应用实例
青岛市团岛污水处理厂回用水供水规模4×104m3/d，回用水是污水厂处理水进行深度处理后回用。
本工程污水深度处理中沉淀部分采用改进型的水力循环澄清池。这种水力循环澄清池有进水嘴有进水嘴、喉管、第一反应室、第二反应室和沉淀区几部分构成。同传统的水力循环澄清池相比，具有水头损失小，出水水质好和运转稳定等优点。
设计流量按供水量加上10％的自用水量计，
Q＝44000m3/d=1833m3/h。共设二池，单池设计流量917m3/h,主要设计参数为：喷嘴出口流速4.1m/s；喉管内混合液体上升流速0.2m/s；第一反应室出口流速0.04m/s；第一反应室反应时间1.0min；第二反应室进口流速0.03m/s；第二反应室反应时间4.0min；澄清区液面上升流速2.2mm/s；池外径14.5m；池总高10.3m；混凝剂种类聚丙烯酰胺；投加量5mg/L。

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