1、水处理工程软化与除盐第九章 软化与除盐（Softening and Salt Removal）第1节 概述一、水中主要溶解杂质离子：Ca2+, Mg2+, Na+(K+) HCO3-, SO42-, Cl- 一般Fe2+, SiO32-含量较少。气体：CO2,O2总硬度：Ca2+, Mg2+, 碳酸盐硬度（暂时硬度） 非碳酸盐硬度含盐量：阳阴软化：降低硬度除碱：HCO3（锅炉给水、碱度太高，会汽水共沸）除盐：降低含盐量二、硬度单位 mmol/L, meq/L, 度（我国用德国度） 德国度10 mg CaO/L 美国度1mg CaCO3/L三、水的纯度以含盐量或水的电阻率表示（单位：欧姆 厘米）
2、淡化水：高含盐量水经局部处理脱盐水：相当于普通蒸馏水，含盐量15mg/L纯水：亦称去离子水，含盐量1mg/L高纯水：含盐量硬度，还应去除多余的HCO3若水中存在Fe离子，也要消耗Ca(OH)2所以，石灰投加量：CaO = CO2 + Ca(HCO3)2 + 2Mg(HCO3)2 + Fe +a为尽量降低碳酸盐硬度，石灰混凝沉淀可以同时进行。注意：石灰法只能降低碳酸盐硬度以及降低水中的碱度二、石灰纯碱法去除碳酸盐和非碳酸盐硬度CaSO4 + Na2CO3 -CaCO3+ Na2SO4MgSO4 + Na2CO3 -MgCO3 + Na2SO4MgCO3 + Ca(OH)2 CaCO3+Mg(OH
3、)2但纯碱太贵，此法一般不用。三、石灰石膏法 当原水的碱度大于硬度，即负硬度（有碱度存在时）出现时2NaHCO3 + CaSO4 + Ca(OH)2- 2CaCO3 + Na2SO4 + 2H2O第3节 离子交换基本知识一、离子交换剂：磺化煤（煤磨碎后经浓硫酸处理得到） 离子交换树脂 二、离子交换树脂1结构* 母体（骨架）：高分子化合物和交联剂经聚合反应而生成的共聚物 根据组成母体的单体材料：苯乙烯（最广泛）、丙烯酸、酚醛系列* 活性基团：遇水电离，称为固定部分和活动部分 具有交换性（可交换离子） 如聚苯乙烯磺化磺酸基团（SO3H）一种强酸性阳离子树脂强酸阳离子：RSO3H弱酸阳离子：RCOO
4、H强碱阴离子：RNOH季胺弱碱阴离子：RNHOH叔胺 RNH2OH仲胺 RNH3OH（伯胺）* 微孔形态：凝胶型、大孔型、等孔型等2命名 全名称：（微孔型态）（骨架名称）（基本名称） 如凝胶型苯乙烯系强酸型阳离子交换树脂 为了区别同一类树脂的产品，有时在前面加上一些数字。3主要性能1）密度：湿真密度：1.1-1.3 g/ml 溶胀后的质量与本身所占体积之比（不包括树脂颗粒之间的孔隙），用于确定反冲洗强度，混合床的分层 湿视密度（堆积体积）：0.6-0.85 g/ml 计算树脂用量2）交换容量：是树脂最重要的性能，表示树脂交换能力的大小。 以体积和重量两种表示方式。全交换容量：可用滴定法测定或从
5、理论上计算工作交换容量：实际工作条件下的，全的60703）离子交换树脂的选择性与水中离子种类、树脂交换基团的性能有很大关系，同时也受离子浓度和温度的影响。在常温和低浓度时：* 离子电荷愈多，愈易被交换* 原子序数愈大，即水合半径愈小，愈易被交换： Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+= NH4+ Na+Li+ SO42-NO3-Cl-HCO3-HSiO3-* H和OH的交换选择性与树脂交换基团酸、碱性的强弱有关。 对于强酸阳树脂：H+Li+ 而对于弱酸阳树脂：H+Fe3+三、离子交换平衡离子交换也是一种化学反应，存在交换平衡。 RA + B- - RB +A+离子交换选择系数为： KAB= R
6、BA+/RAB+ 该值1，有利于交换反应的进行。 第4节 离子交换软化一、阳离子交换树脂特性分强酸和弱酸。强酸主要有RNa 和RH。1RNa 2RNa + Ca2 +- R2Ca + 2Na+ 2RNa + Mg2+ - R2Mg + 2Na+ 特点：去除碳酸盐和非碳酸盐硬度，总含盐量（阳离子总重量）有所变化，但碱度不变。2RH 碳酸盐硬度， 生成CO2、H2O同时碱度也去除了。 非碳酸盐硬度，生成H2SO4，HCl 出水酸性 对于Na+, RH + NaCl -RNa +HCl - 产生钠型树脂，但不起软化作用 出水水质变化见图2114。 开始时出水呈酸性。 Na开始泄漏时，出水酸度急剧下降
7、。之后，RH交换转变为RNa型运行模式，对Ca和Mg仍有交换能力。出水Na离子逐渐超过原水中的浓度，呈碱性。然后硬度离子开始泄漏出水中离子泄漏的顺序为：H、Na、Mg2、Ca2 失效点控制：脱碱，以Na泄漏为准 软化，以硬度离子泄漏为准。3弱酸型RCOOH（目前应用广的主要是丙烯酸型） 由于电离较弱，只能去除碳酸盐硬度 2RCOOH + Ca(HCO3)2 - (RCOO)2Ca + 2H2O +CO2 但交换容量大（活性基团多），比强酸型高一倍。 再生容易。二、离子交换软化系统1RNa 系统 原水碱度低（因为RNa不能去除碱度），不要求降低碱度的情况。 可采用一级或二级串联。2脱碱软化系统1
8、HNa 并联A原：进水碱度A混：混合水中的残留碱度S：进水中SO42、Cl含量之和, 当量浓度QH：进RH水量， QN：进RNa水量第一种情况：RH以Na泄漏为准 经RH产生的强酸量 S QH 经RNa后的碱度 A原QN =A原 (Q-QH)混合水中的剩余碱度 Q A混物料平衡: A原 (Q-QH) S QH A混Q QH (A原A混)/（A原S）Q QN（A混S）/（A原S）Q第二种情况：RH以硬度离子的泄漏为准。此时，RH只是用来去除水中的硬度，因此，在一个运行周期的出水中Na+的平均含量和原水中的Na+含量相同，RH出水酸度的平均值和原水中的非碳酸盐硬度相当，而不是和原水中的强酸根含量相
9、当。 则RH产生的酸度非碳酸盐硬度HF同样推出： QH（A原A混）/（A原HF）Q QN（A混HF）/（A原HF）Q但应注意RH出水在一个周期内是不均匀的？在任何时间都保证不出现酸性水很难。2）HNa 串联系统水量分配公式与并联时的相同。这种型式可以降低RNa的负荷。H-Na并列:适用于碱度高的原水。因为只有一部分水过RNa。投资省H-Na串联适用于硬度高的原水，出水水质能保证。运行安全可靠。CO2产生量：1mmol/L的HCO3- 产生44mg CO2/L三、固定床离子交换软化设备1离子交换装置的分类 固定床：单床、双层床、混合床 连续床：移动床和流动床2固定床的工作过程饱和曲线任意时刻树脂
10、层存在三个区饱和区（失效区）交换区（交换带）：工作层未交换区从交换带来讲，要经历两个阶段：1）首先是形成阶段，2下移阶段为保证一定的水质：应有一个保护层交换带高度交换带的影响因素：水流速度、树脂大小、原水水质3工作交换容量 在给定工作条件下的实际交换能力。 P1：再生完毕，软化开始前树脂层中残存的硬度离子所占的百分数 P3：软化结束时，树脂层中交换不到的部分所占的百分数。P2：工作交换容量P1P2P3100影响因素：再生程度、软化时的流速、原水水质4树脂再生 固定床再分为顺流再生和逆流再生两种。逆流再生：降低再生剂用量；出水质量提高、工作交换容量提高。RNa型：用NaCl再生RH型：用HCl
11、或H2SO4 再生。第5节 离子交换除盐需求：高温高压锅炉的补给水、某些电子工业用水等一、阴离子树脂特性阴树脂是在粒状高分子化合物母体的最后处理阶段导入各种胺基而成的。1强碱性阴离子树脂可以交换经H离子交换出来的各种阴离子。SO42、Cl、HCO3、HSiO3-为彻底除硅：阴离子树脂进水的pH必须较低ROH + H2SiO3- RHSiO3 + H2O 若进水酸性降低，则ROH + NaHSiO3- RHSiO3 + NaOH生成的NaOH阻碍反应向右进行。化学稳定性比阳树脂差。易受氧化剂的氧化而变质。特别是其中的氮氧化后，碱性逐渐变弱。交换容量逐渐较少。抗有机物污染能力较差交换能力逐渐降低。
12、原因尚不清楚。但一般认为阴树脂的交联程度不均，有机物易被交联紧密部分卡住。2弱碱性阴树脂只能与强酸阴离子交换反应（以酸形式存在时）。如：R-NH3OH +HCl = R-NH3Cl + H2O极易再生与强碱阴树脂一快用 弱碱去除强酸阴离子强碱去除其他阴离子同时，强碱阴树脂的再生废碱液再生弱碱性阴树脂树脂内部孔隙较大，抗有机污染能力较强，交换容量较大。二、复床除盐1）强酸脱气强碱：最基本2）强酸脱气弱碱强碱适用于有机物含量高，强酸阴离子多的情况三、混合床阳、阴树脂按比例混合装在同一反应器内。再生时分层再生，使用时均匀混合。相当于许多阳、阴树脂交错排列而成的多级复床。 一般交换反应为： RHROH
13、NaCl - RNaRClH2O 平衡常数（选择性系数）K=KHNa KOHCl 1/KH2O1 交换反应远比复床彻底得多，出水纯度高。 体内再生：见图。 特点（与复床比较）：出水水质好而稳定，交换终点明显，设备也比较少。 缺点：是树脂交换容量的利用率比较低，损耗率大。再生操作复杂。 应用：在除盐系统的最后，起精加工作用。四、双层床1阳离子弱酸型：去除碳酸盐硬度强酸型：去除非碳酸盐硬度应用：硬度和碱度接近或硬度略大于碱度，Na含量不大的水质条件。2阴树脂双层床 弱碱：去除强酸阴离子 强碱：去除弱酸阴离子注意再生条件：防止胶体硅胶聚集在弱碱树脂上第6节离子交换法处理工业废水一、离子交换处理工业废
14、水的特点1工业废水水质复杂：含各种悬浮物和油类、溶解盐类适当预处理2pH的影响：影响某些离子在废水中的形态，影响树脂交换基团的离解。3温度影响：温度高，有利于交换速度的增加，但对树脂有损害，适当降温。4高价金属离子：引起中毒，用高浓度酸再生5氧化剂：尽量采用抗氧化性好的树脂6有机污染：可采用大孔型树脂7再生：再生剂的选择要考虑回收有用物，不能回收时，要进行妥善处置。二、应用重金属废水，回收重金属例如：处理含铬废水 六价铬：铬酸根CrO42-和重铬酸根Cr2O72-，两种的比例与pH有关。酸性条件下，主要是Cr2O72-三价铬：Cr3+阳树脂去除三价铬：3RH + Cr3+ -R3Cr + 3H
15、阴树脂去除六价铬：2ROH + CrO42- -R2CrO4 + 2OH-2ROH + Cr2O72- - R2Cr2O7 +2OH-失效后再生：R3Cr + 3HCl -3RH + CrCl3R2CrO4 + 2NaOH -2ROH +Na2CrO4R2Cr2O7 + 4NaOH-2ROH + 2Na2CrO4 + H2O阴树脂的洗脱液再经一级RH回收铬酸。4RH + 2Na2CrO4 -4RNa + H2Cr2O7 + H2O脱钠柱失效后再用HCl再生：RNa+HCl-RH+NaCl 水处理工程第一篇 水和废水物化处理的原理与工艺习题集第二章 混 凝1. 何谓胶体稳定性？试用胶粒间相互作用
16、势能曲线说明胶体稳定性的原因。2. 混凝过程中，压缩双电层何吸附电中和作用有何区别？简要叙述硫酸铝混凝作用机理及其与水的pH值的关系。3. 高分子混凝剂投量过多时，为什么混凝效果反而不好？4.为什么有时需要将PAM在碱化条件下水解成HPAM？PAM水解度是何涵义？一般要求水解度为多少？5.混凝控制指标有哪几种？为什么要重视混凝控制指标的研究？你认为合理的控制指标应如何确定？6.混合和絮凝反应同样都是解决搅拌问题，它们对搅拌有何不同？为什么？7.根据反应器原理，什么形式的絮凝池效果较好？折板絮凝池混凝效果为什么优于隔板絮凝池？8.采用机械絮凝池时，为什么要采用34档搅拌机且各档之间需用隔墙分开？
17、9.试述给水混凝与生活污水及工业废水混凝各自的特点。10.某粗制硫酸铝含Al2O315、不溶解杂质30，问：(1)商品里面Al2(SO4)3和溶解杂质各占的百分数；(2)如果水中加1克这种商品，计算在水中产生的Al(OH)3、不溶解杂质和溶解的杂质分别重多少？11.For a flow of 13500 m3/d containing 55mg/L of suspended solids, ferric sulfate is used as a coagulant at a dose of 50mg/L(a) Assuming that there is little alkalinity i
18、n the water, what is the daily lime dose?(b) If the sedimentation basin removes 90% of the solids entering it, what is the daily solids production from the sedimentation basin?12.隔板絮凝池设计流量75000m3/d。絮凝池有效容积为1100m3。絮凝池总水头损失为0.26m。求絮凝池总的平均速度梯度值和值各为多少？（水厂自用水量按5%计）13.某机械絮凝池分成3格。每格有效尺寸为2.6m（宽）2.6m（长）4.2m（
19、深）。每格设一台垂直轴桨板搅拌器，构造按图15-21，设计各部分尺寸为：r2=1050mm；桨板长1400mm，宽120mm；r0=525mm。叶轮中心点旋转线速度为：第一格 v1=0.5m/s第二格 v2=0.32m/s第三格 v3=0.2m/s求：3台搅拌器所需搅拌功率及相应的平均速度梯度值（水温按20计算）14. 当硫酸铝投加量为20毫克/升（商品重），消毒加氯量为5毫克/升，水厂产水量为10000米3/日，一级和二级泵房总提升高度为60米，试计算每日所耗药费和电费，又每千吨水的药费和电费为多少？（每吨硫酸铝和液氯分别按350元及1500元估算，工业用电按每千瓦小时0.5元算，功率E=Q
20、 H/102，千瓦；Q流量，升/秒；H水泵扬程，米；泵站总效率，一般为0.550.85）第三章沉淀与澄清1. 理想沉淀池应符合哪些条件？根据理想沉淀条件，沉淀效率与池子深度、长度和表面积关系如何？2. 影响平流沉淀池沉淀效果的主要因素有哪些？沉淀池纵向分格有何作用？3. Determine the settling velocity in m/s of a spherical sand particle with a specific gravity of 2.65 and diameter of 0.45 mm at temperature of 20 C.4.平流沉淀池设计流量为720m3
21、/h。要求沉速等于和大于0.4m/s的颗粒全部去除。试按理想沉淀条件，求：（1）所需沉淀池平面积为多少m3？（2）沉速为0.1mm/s的颗粒，可去除百分之几？5.原水泥砂沉降试验数据见下表。取样口在水面下180cm处。平流沉淀池设计流量为900m3/h，表面积为500m2。试按理想沉淀池条件，求该池可去除泥沙颗粒约百分之几？（C0表示泥砂初始浓度，C表示取样浓度）沉降试验数据取样时间（min）015203060120180C/C010.980.880.700.300.120.08 6. A laboratory settling analysis has been performed on a
22、 domestic wastewater exhibiting flocculent sedimentation with the results given in the following table. The column had a diameter of 14cm and total depth of 2.40m, with sampling ports spaced with 0.60m. The initial concentration of the wastewater was 300 mg/L. Determine the surface loading rate of s
23、edimentation tank when SS overall removal of 65% is requested.Sampling ports depth (m)Percentage SS removed at the following settling times (%)5min10min20min40min60min90min120min0.61.21.84119155533316045386758547262597370637674717. 如何从理想沉淀池的理论分析得出斜板（管）沉淀的设计原理？8. 已知平流沉淀池的长度L=20m，池宽B=4m，池深H=2m。今欲改装成斜板
24、沉淀池，斜板水平间距10cm，斜板长度l=1m，倾角60度。如不考虑斜板厚度，当废水中悬浮颗粒的截留速度u0=1m/h，求改装后沉淀池的处理能力与原有池子比较提高多少倍？改装后沉淀池中水流的雷诺数Re为多少？与原有池子的Re相差多少倍？9. 澄清池的工作原理与沉淀池有何异同？运行上要注意什么问题？10.简述4种澄清池的构造、工作原理和主要特点。第四章 气 浮1. 是否任何物质都能粘附在空气泡上，取决于哪些因素？2. 为什么废水中的乳化油类不易相互粘聚上浮？3. 混凝剂与浮选剂有何区别？各起什么作用？4. 在处理同样水量的条件下，试比较加压溶气气浮、叶轮气浮与射流气浮三种设备的电耗比值。5. 造
25、纸废水量3000m3/d，悬浮物浓度平均为1,000mg/L，水温20，采用回流式加压溶气气浮处理流程，溶气水压力（表压）为3kg/cm2，溶气罐中停留时间2分钟，空气饱和率为70，问在气浮池中释放出的空气量有多少L/m3，回流水量占处理水量的百分比是多少？投入的空气量占处理水量的体积百分比是多少（假设原来废水中溶解氧为0）？第五章 过 滤1. 试述快滤池的工作原理。2.某天然海砂筛分结果见下表，根据设计要求：d100.54mm，K802.0。试问筛选滤料时，共需筛除百分之几天然砂粒（分析砂样200g）。筛孔（mm）留在筛上砂量通过该号筛的砂量质量（g）质量（g）2.360.80.4199.2
26、99.61.6518.49.2180.890.41.0040.620.3140.270.10.5985.042.555.227.60.2543.421.711.85.90.219.24.62.61.3砂底盘2.61.3合计2001003.某生活饮用水厂由于有预沉池，预沉池水的浊度保持在1618度，试考虑能否不投加混凝剂直接过滤，为什么？4.直接过滤有哪两种方式？采用直接过滤应注意哪些问题？5.什么叫“等速过滤”和“变速过滤”？两者分别在什么情况下形成？分析两种过滤方式的优缺点并指出哪几种滤池属“等速过滤”？6.什么叫滤料“有效粒径”和“不均匀系数”？不均匀系数过大对过滤和反冲洗有何影响？“均质
27、滤料”的涵义是什么？7.设滤池尺寸为5.4m（长）4m（宽）。滤层厚70cm。冲洗强度q14L/s.m2，滤层膨胀度e40。采用3条排水槽，槽长4m，中心距为1.8m。求：a)标准排水槽断面尺寸；b)排水槽顶距砂面高度；c)校核排水槽在水平面上总面积是否符合设计要求。8.滤池平面尺寸、冲洗强度及砂滤层厚度同上题，并已知：冲洗时间6min；承托层厚0.45m；大阻力配水系统开孔比0.25；滤料密度为2.62g/cm3；滤层孔隙率为0.4；冲洗水箱至滤池的管道中总水头损失按0.6计。求：a)冲洗水箱容积；b)冲洗水箱底至滤池排水冲洗槽高度。9.如果过滤速度为10米/时，过滤周期为24小时，初步估算
28、1米2滤池在过滤周期内扣去冲洗水，净生产多少水量，又砂层里截留了多少你（重量）？（停止过滤至冲洗完毕约需1020分钟，冲洗消耗清水约占滤池生产水量的13）。10.试述反冲洗配水不均匀的绝对性，怎样才能达到配水的相对均匀？11.理想的滤池应是怎样的？12.虹吸滤池分格数如何确定？虹吸滤池与普通快滤池相比有哪些主要优缺点？第六章 消 毒1The chlorine residuals measured when various dosages of chlorine were added to a wastewater are given below. Determine(a) the breakpoint dosage and(b) the design dosage to obtain a residual of 0.75mg/L free available chlorineDosage, mg/L0.10.51.01.52.02.53.0Resi
