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水的软化技术概述


水的软化是阻止水中水垢沉积的一种方法,通常应用在锅炉水处理中。含有一定硬度水的软化过程将除去水中溶解的矿物质、钙和镁的重碳酸盐和硫酸盐等。因为它们将使水垢沉积在管道、锅炉等设备中造成障碍或增加能源消耗。
原水软化的方法,可采用软化沉淀法、离子交换法或蒸馏法等。这3种方法可以单独使用也可以复合使用。
影响软化方法选择的因素主要是:①所要求的软化水的水质;②水量大小;③软化的费用;④设备和操作情况。
处理费用随处理水质而增加,即处理费用将影响原水软化的质量,但石灰法软化酌费用远低于蒸发法。




过滤器的可能组合和选择


过滤技术从操作方式可分为手动式和自动式,从工作原理可分为压力式和重力式,从水的流向可分为上流式和下流式,从滤料种类可分为砂、煤以及双重滤料或混合滤料,从反洗方式可分为水洗和空气水洗,从滤速控制则可分为滤速恒定与滤速衰减。它们之间可以有不同的组合,如图3 - 10中连接线所示,这不同的组合也可以作为我们选择不同类型过滤技术和过滤器的参考。



过滤介质


过滤介质又称滤料,可以有很多种类型,如砂粒、布、无烟煤、金属丝网、多孑L板、微孔塑料、微孔陶瓷,但作为好的滤料应符合一些基本要求:①有足够的机械强度;②有良好的化学稳定性;③外形接近球形,表面粗糙,吸附表面大;④可就地取材,价格低廉;⑤无毒性,对人体和环境不会造成不良影响等。
以上我们介绍的过滤材料偏重于机械过滤即物理作用的滤料,事实上近年来还发展了一些新的过滤材料,如活性炭、KDF合金及各种类型的膜过滤材料。从广义而言,这些也都是过滤材料,但因这些过滤材料的作用机理往往并不局限于机械过滤和物理作用,还包括其他的化学或物理化学作用,因此对这些水处理材料,我们将在以后有关章节再作介绍和讨论,在这里就不再一一赘述。
过滤速度及其影响因素
过滤速度或过滤速率是评价过滤效果好坏的重要指标。过滤速度的快慢取决于下列因素:①未过滤水的性质,即进水水质;②滤出水的要求,即出水水质;③滤床中滤料颗粒的大小;④滤床中滤料的深度等。例如,如原水水质差,则一般过滤速度较慢;原水水质好,则过滤速度就快。又如,出水水质要求高,则过滤速度不宜太快,一般合适的过滤速度才能获得低浊度的出水。因此影响过滤速度的因素较多,可补充介绍如下。
絮体(矾花)的性质
由于在过滤之前往往伴随着有一个混凝沉降过程。因此是否投加混凝剂,投加混凝剂的种类以及投加混凝剂后生成的絮体(矾花)的性质会直接影响过滤速度。
在上两式中由于K为一定值,唯有L为分母,故要求过滤速度快,则要求通过低的压头损失等措施来达到。此外,上两式中的过滤指数K是随着不同的水质而变化的。
因为过滤指数K反映过滤的难易程度,随着预处理条件和水质的改善,K值可以由0.4提高到6.0,而随着K值提高,则过滤更容易。
砂粒的大小
常用滤料的砂粒直径大小对压头损失的关系各不相同。
随着砂粒直径的增大,压头损失降低;砂粒直径小,则压头损失增加。由于压头损失与砂粒直径两者之间存在如此的关系,因而,如知过滤器的压头损失,我们就可以估计采用的砂粒的类型及合适的粒径。
流动状况
水的流动状况对过滤速度和过滤的效果也有明显的影响。
随着水的雷诺指数的增加,絮体的穿透率增加,即当过滤速度增加导致水进入湍流状态,则絮体的穿透深度也相应增加,这时会引起更多的颗粒进入滤床。因此在高流速时形成污泥进入滤床会多于低流速时,因而应选择合适的流速和流动状况。




过滤技术


过滤技术是利用一些多孑L介质,即滤料从水中分离不溶解固体的过程。这些过滤介质可以允许水通过而对固体颗粒起到筛分、截留的作用。
使水通过过滤介质常需要有一定的压力,这种压力可以分别由重度、真空或流体压力来提供,使用压力的大小则取决于过滤的面积、过滤的时间和反冲洗的流量等因素。
根据上述原理,作为完成过滤技术的设备——过滤器可分为恒压过滤和恒速过滤两种。恒压过滤是指在过滤过程中压力保持恒定,随着过滤过程的进行,滤出水的流量将逐渐减小,当达到特定的最小流量时,就需要进行反冲洗。而恒速过滤则指在过滤过程中滤出水的流量维持恒定,随着过滤过程的进行就需要不断增加压力,当达到特定压力时,滤器需进行反冲洗。




澄清技术


澄清过程通常也是水的预处理过程之一,澄清过程发生在自然界湖泊、水池和慢流速运动的水体。例如,水池中当下雨后水的浊度升高,经过一段时间后,大的颗粒可以沉降分离出来,各种颗粒如砂、黏土等在水中的沉降速度如表3-7所示。
随着水中颗粒直径的减小,沉降速度明显降低,沉降时间则明显增大。
澄清过程既是给水处理或废水处理中的预处理过程,也通常是继3.1节讨论的混凝过程之后,在3.3节将介绍的过滤技术之前的一个中间过程。澄清在过滤前,可以为过滤过程创造一个快速过滤的有利条件。
对澄清技术,我们可作如下的分析和讨论。
沉降速度快,则澄清时间短;反之,沉降速度慢,则澄清时间长。而水中颗粒或絮体的沉降速度与前述所选用的混凝剂的种类也有关,如选择铝盐作混凝剂时,因生成的矾花较轻,故沉降速度低;而如选择其他类型混凝剂如铁盐或石灰等,则颗粒的沉降速度就相对高。此外,在设计澄清池时,为保证澄清效果,在澄清池中除去最小颗粒的沉降速度和水平流速两者之比,一般不大于20:1~40:1,如果两者之比大于这一比例,则颗粒往往来不及及时沉降因而影响澄清效果。
由此可见,颗粒直径D越大,则沉降速度越高,而且两者呈平方关系。颗粒相对密度a越大或颗粒与流体两者的相对密度差越大,则沉降速度也越大。此外流体的黏度u越小则沉降速度越大,两者呈反比关系。由此可联想到在澄清前投加混凝剂后,一方面可使水中颗粒凝聚成较大的颗粒,使颗粒直径D增大,另一方面加入高分子絮凝剂后,常可使水的黏度变小,因而使沉降速度增大。
由此可见,澄清的效果与许多因素有关。在此我们再强调两个方面。
第一,停留时间。停留时间是指单位体积水流经澄清池所需的时间。停留时间取决于澄清池的目的和处理的对象。如主要是去除水中的粗砂、黏土等大颗粒的杂质,则停留时间可短一些。但如果主要是去除水中浊度等小颗粒的杂质,则停留时间宜一些。例如,对于前者去除粗砂、黏土,如停留时间为几个小时,则对于者即去除小颗粒时的停留时间可以是几天,对于后续工序将进行过滤的水,则停留时间一般为2~4 h。
第二,污泥的排放和利用。无论是在给水处理或废水处理中,通过混凝沉降处理都会产生一定量的污泥。因此,污泥的合理排放和利用也是水处理工厂必须考虑和解决的一个突出问题。例如,对澄清槽或澄清池的设计中为了便于污泥的排出,一般均设计成锥形底或尖底。又如,通常需考虑污泥的脱水问题,经过板框压滤或离心分离等措施进一步降低污泥中的含水量。此外,污泥的综合利用也是必须考虑的问题。




水的预处理技术


在给水处理和废水处理中,经常需要有一个预处理过程。预处理的目的主要有三,一是减少后续处理和深度处理的负荷;二是延长装置的寿命,减少药剂的消耗;三是降低总的处理成本和费用。在给水处理和废水处理中通常采用的预处理技术有混凝技术、澄清技术、过滤技术和软化技术等。



生活饮用水标准(GB5749-1985)


水质标准是对各种水的水质作出的规定,水质标准也是水处理的参考和依据,不同的水有不同的水质标准。此外,水质标准与其他标准一样可分为国际标准、国家标准、地区标准、行业标准和企业标准等不同等级。现将有重点地分别介绍饮用水、工业水和废水的3个标准。

感官性状指标
色度:不大于15度,不呈异色
浊度:不大于5度
臭和味:不含异臭和异味
肉眼可见物:不含有

化学指标(mg/L)
pH值6.5~8.5
总硬度(以CaC03计)    不大于250
Fe    不大于0.3
Mn    不大于0.1
Cu    不大于1.0
Zn    不大于1.O
挥发酚    不大于0. 002
阴离子合成洗涤剂    不大于0.3
SO-    不大于250
CI-    不大于250

总溶固    不大于1000
毒理学指标( mg/L)
氟化物    不大于1.0
氰化物    不大于0. 05
As    不大于0.04
Se    不大于0.01
Hg    不大于0.001
Cd    不大于0.01
Cr(Cr+6)    不大于0. 05
Pb    不大于0.1
Ag    <0.05
N03(以N计)     <20
CHCl3(ug/L)     <60
CCl4(ug/L)    <3
3,4苯并芘(ug/L)    <0.O:
DDT(ug/L)    <1
六六六(ug/L)    <5

细菌学指标
细菌总数(个/mL)    不大于100
大肠杆菌(个/mL)    不大于3
游离余氯(mg/L)    不小于0.3

放射性指标
总d射性( Bq/L)    <0.1
总p射性(Bq/L)    <1
上述我国饮用水卫生标准系1985年制订发表,共有35项指标,可分成感官性状指标、化学指标、毒理学指标、细菌学指标和放射性指标5大部分。随着对饮用水水质的日益严格,世界卫生组织(WHO)与欧共体(EEC)等已将饮用水水质指标增加至88项,我国也正在修订完善新的饮用水水质指标,估计将在日后完成与发布实施,据了解,新的饮用水标准中的水质指标大幅度增加,将从原先的35项增加至总数达100项以上。




天然水中的杂质


由于水是溶解能力很强的溶剂,又与外界环境如空气、地壳土壤等广泛接触,因而水中必然含有多种杂质,而水的处理或水的净化其实质就是通过各种技术去除水中有关杂质,以获得一定水质标准的纯净的水以供饮用或满足工业、农业等要求。因此,我们在研究各种水处理技术前,应重视了解水中的各类杂质。
地壳中以上组成,可能溶解进入水体,并形成水中的部分杂质。此外已污染的大气中,H2S、S02、N02等气体也可能溶入水体构成水中的杂质。
因此水中的杂质可分为3类,那就是:溶解物、胶体颗粒及悬浮物。
水中各类杂质对工业水的运行和饮用水的安全产生的不同影响,举例如下:
(1)悬浮物及胶体颗粒类。如水中的细菌会致病或引起设备的腐蚀。水中的藻类会引起水带有臭味并导致水的色度和浑浊度升高。水中的泥沙或黏土也将引起水的浊度提高而产生腐蚀或结垢等。
(2)溶解物类。溶解于水中的杂质的一个大类是各种盐类,例如钙镁盐将促使水的碱度和硬度增高而生成水垢;水中氯化物增高会促进设备和管道的腐蚀,尤其是点腐蚀;水中的铁盐和锰盐过高,则将使水带异味和色度增加,也将促进腐蚀等。溶解物中另一大类则为溶于水中的各种气体。如水中溶解氧浓度增高,将促进金属的腐蚀;水中C02含量增加将使水的酸性增加而促进腐蚀;而水中H2S含量高则将使水带有臭味,并增加水的酸性,促使设备的腐蚀。
由于各类水和各地水中杂质的种类及含量有较大的差异,使它们构成了不同类型的水,如地表水、地下水、海水等,也构成了各个地区的不同的水质。
由于水中杂质含量不同可使我国南方与北方的水质差异较大。一般说北方地下水的Ca2+、Mg2+及重碳酸盐含量高于南方地表水,因而北方地区地下水大多为硬度高的结垢型的水;而南方地区地表水中的Cl、SO含量高于北方地区,结垢矛盾相对缓和而腐蚀矛盾相对突出。
对于腐蚀障碍如均匀腐蚀与局部腐蚀,几乎对各类工业用水均可能产生。对于沉积物水垢的生成也均可能在各类工业用水系统产生。微生物污泥则主要在循环冷却水系统产生,而应力腐蚀与气水共腾等特殊的障碍则主要在锅炉水系统产生。





水处理技术的现状与发展方向


国内外工业水处理技术中采用的缓蚀剂,20世纪60年代以铬酸盐和亚硝酸盐等为主,由于它们的毒性大,至七八十年代由于受到环境的限制而且逐渐为磷酸盐所取代,包括聚合磷酸盐如六偏磷酸钠、三聚磷酸钠以及有机膦酸盐HEDP(羟基乙川二膦酸盐)、EDTMP(乙二胺四甲叉膦酸盐)等。然而近年来由于磷的排放将引起水域富营养化而产生“赤潮”公害,各国纷纷开始提出禁磷或限磷要求,因而全有机系列的水处理缓蚀剂以及钼系、钨系、硅系等无公害水处理缓蚀剂相继得到开发并逐步被推广应用。在水处理阻垢剂方面,早期也曾应用天然阻垢剂,如木质素类、淀粉类以及腐植酸类阻垢剂。目前国内外应用最为广泛的阻垢剂则为有机膦酸盐和高分子聚羧酸类,如聚丙烯酸、聚马来酸酐等。在水处理杀菌灭藻剂方面,原先氧化型杀菌剂,如氯、次氯酸钠、次氯酸钙等最为普遍,后来又发展为二氧化氯等,然而加氯消毒后引起产生的副产物THM(三卤代甲烷)因确认为致癌物质,因而目前应用的杀菌灭藻剂已扩大到臭氧等非含氯的氧化型杀菌剂,以及以季铵盐如十二烷基二甲基苄基溴化铵等为代表的非氧化型杀菌剂。
综观上述水处理技术发展的简史和现状,不难看出,水处理技术尤其是水处理药剂今后将向以下的趋势和方向发展。
(1)从有毒有公害的药剂向低毒、无毒、无公害药剂方向发展。早期应用的铬酸盐、亚硝酸盐等水处理,由于它的高毒性,如Cr^+6的排放标准为0.05 mg/L,因而在敞开式循环水装置已禁止使用。对磷系水处理剂目前仍在较大范围应用,但有的国家已提出禁磷、限磷措施,要求磷的排放小于1 mg/L,因此低毒、无毒、无公害的水处理药剂将是一个发展方向。例如钼系水处理剂,其耐受极限值TLm^50约为铬酸盐的1 000倍,说明它的毒性很小。此外,钨系水处理剂,因原料取自我国丰富的自然资源,价格较为低廉,缓蚀效果好,低毒无公害,因而具有广阔的应用前景。
(2)由不易生物降解药剂向易生物降解药剂方向发展。目前应用的水处理阻垢剂,如聚丙烯酸、聚马来酸酐等聚羧酸,虽有良好的阻垢性能,但它们的生物降解性较差,对生产厂和使用厂的废水处理增加负担,排放于周围水域不易生物降解,从长远来看,会造成不良的环境影响。近年来,国内外研究开发的新型阻垢剂——聚天冬氨酸、聚环氧琥珀酸等则具有比聚丙烯酸、聚马来酸酐更好的易生物降解性,因而是一种绿色化学品,而且是有发展前途的新型水处理药剂。
(3)由单一的水处理药剂向复合的多功能水处理药剂方向发展。过去使用的水处理药剂,一般它们的功能单一,因而在水处理过程中常需分别投加缓蚀剂、阻垢剂与杀菌剂。今后水处理工作者将更多地巧妙利用药剂之间的协同效应(synergistic effect),研究开发出新型复合配方,以提高其水处理的综合效果。而且,将来在进一步研究掌握药剂的结构与性能规律的基础上,从分子结构和官能团结构方面设计出兼具缓蚀、阻垢、杀菌等性能的新型多功能药剂,这将大大提高和促进水处理药剂和技术的水平。在这方面深入开展水处理药剂的协同效应及复配机理的研究将至关重要。




水资源及其重要性


水是地球上最重要的资源,水也是生命之源。世界及我国面临水资源既丰富又短缺的矛盾,这是因为地球上的海水占97.47%,而淡水仅占2.53%。在这些淡水中,地下水和冰川又占99.66%,其余剩下的仅0.34%,约104万亿m^3可供人们生活。然而,随着经济的发展和人民生活水平的提高,水的消耗也与日俱增:在公元前人均每天耗水约12L,中世纪提高至20~40L,18世纪工业革命后上升至60L左右,而到了20世纪80年代后,发达国家城市的人均日耗水量已达500L左右。由此可见,水资源的总量有限,可供直接饮用的淡水资源更少,但另一方面水的消耗却增长很快,这样就使得水资源紧缺成为一个全球性问题。
我国也不例外。我国水资源总量约27 000亿m^3,仅次于美国、苏联等,占世界第六位,但我国因人口众多,人均水资源占有量不到2 700 m^3,仅占世界人均水资源量的1/4,世界上排序在100位后。而且,随着经济的发展,环境污染日趋严重,可供饮用的清洁水源日益减少,尤其是我国北方地区缺水矛盾更为突出。据对236个城市的调查表明,每年缺水约500亿m^3,2000年后将上升至850亿m^3,每年因供水不足造成的经济损失超过200亿元,因此对水资源紧缺的问题必须引起高度重视。
众所周知,水资源的来源来自若干方面,如当地的降雨量除了少量蒸发和渗入土地外,将归入江河;其次是来自上游水域,通过河网等到达当地;此外就是当地的水源包括江河湖海以及地下水等。
目前水资源面临的问题,既有水量问题,也有水质问题。在水量方面水耗过高,节约用水潜力很大。如以日本为例,生产1万元人民币产值的工业产品平均耗水约9 m^3,而我国约为92 m^3;日本水的重复使用率在90%,而我国约为40%~75%。此外水价偏低和定价不尽合理,也是造成水资源浪费的原因之一。在水质方面,环境污染影响和威胁着水资源的质量。以上海为例,在20世纪初第一个城市水厂就建在苏州河上,但进入八九十年代后,每年河水黑臭的天数有时可超过200 d,迫使近年来苏州河综合整治进入实质性启动。有的行业和地区,有时以牺牲环境效益来保护经济效益,使水质恶化的矛盾日益突出。
针对上述矛盾,为了解决水资源紧缺和水质恶化的问题,应采取下列措施:
(1)加强水源建设,保证水源供应。包括兴建大型骨干水利工程如三峡工程、南水北调工程等,开辟新的水源,如海水的直接利用、水源的迁移、从上游调水等。
(2)加快建设节水型社会。包括节水农业,推广滴灌、渗灌、微喷灌技术,逐步改变和代替传统的大量耗水的满灌。大力推行节水工业,实行循环用水、密闭用水、一水多用、污水回用,千方百计提高水的重复使用率。
(3)加强水污染的控制。包括污染工厂的关停并转和搬迁,强化工业污水和生活污水的治理,加强污水排放系统的建设,加强水污染的监测和控制等。
(4)强化水资源的管理。改变目前水资源管理涉及部门多、管理过于分散的状况,完善水资源的立法并严格执法;加强对水资源的相关宣传教育,提高全社会节约、保护和利用水资源的意识和观念等。



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