电厂化学专业培训教材 - 图文

内蒙古岱海电厂一期2×600MW机组化学培训教材

第一章 化学在火力发电厂的作用

第一节 水在火力发电厂中的作用

热力发电就是利用热能转变为机械能进行发电。现在我国用得比较普遍的热能来自各种燃料的化学能，此种发电称为火力发电。本书以火力发电为主，对其用水质量的处理加以探讨。

在火力发电厂中，水进入锅炉后，吸收燃料（煤、油或天然气）燃烧放出的热能，转变成蒸汽、导入汽轮机；在汽轮机中，蒸汽的热能转变成机械能；汽轮机带动发电机，将机械能转变成电能。所以锅炉和汽轮机为火力发电的主要设备。为了保证它们正常运行，对锅炉用水的质量有很严的要求，而且机组中蒸汽的参 数愈高，对其要求也愈严。

在凝汽式发电厂中，水汽呈循环状运行。锅炉产生的蒸汽经汽轮机后进入凝汽器，在这里它被冷却成凝结水，此凝结水经泵送到低压加热器，加热后送入除氧器，再由给水泵将已除氧的水送到高压加热器后进入锅炉。图1－1所示就是这类发电厂水汽系统的主要流程。

图1－1 凝汽式发电厂水汽循环系统主要流程

1一锅炉j 2一汽轮机；3一发电机；4一凝汽器；5一凝结水泵；6一冷却水

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泵；7一低压加热器；8一除氧器；9一给水泵；10一高压加热器；11一水处理设备

在上述系统中，汽水的流动虽呈循环状，但这是主流，并非全部，在实际运行中总不免有些损失。造成汽水损失的主要原因有如下几个方面：

（1）锅炉部分。锅炉的排污放水，锅炉安全门和过热器放汽门的向外排汽，用蒸汽推动附属机械（如汽动给水泵），蒸汽吹灰和燃烧液体燃料（如油等）时采用蒸汽雾化法等，都要造成汽水损失。 （2）汽轮机机组。汽轮机的轴封处要连续向外排汽，在抽气器和除氧器排气口处会随空气排出一些蒸汽，造成损失。

（3）各种水箱。各种水箱伯疏水箱等）有溢流和热水的蒸发等损失。

（4）管道系统。各管道系统法兰盘连接处不严密和阀门漏泄等原因，也会造成汽水损失。‘’

为了维持发电厂热力系统的水汽循环运行正常，。就要用水补充这些损失这部分水称为补给水。“凝汽式发电厂在正常运行情况下，补给水量不超过锅炉额定蒸发量的2％~4％。例如额定蒸发量每小时为100t蒸汽的锅炉。其补给水量每小时不超过2-4t。

第二节 火力发电厂中水处理的重要性

长期的实践使人们认识到，热力系统中水的品质，是影响发电厂热力设备（锅炉、汽轮机等）安全、经济运行的重要因素之一。没有经过净化处理的天然水含有许多杂质，这种水如进入水汽循环系统，将会造成各种危害。为了保证热力系统中有良好的水质，必须对水进行适当的净化处理和严格地监督汽水质量。

现将热力发电厂中。，由于汽水品质不良而引起的危害，简述如下：

（1）热力设备的结垢。如果进入锅炉或其他热交换器的水质不良，则经过一段时间运行后，在和水接触的受热面上，会生成一些

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固体附着物，这种现象称为结垢，这些固体附着物称为水垢。因为金属的导热性比水垢的高几百倍，而这些水垢又极易在热负荷很高的锅炉炉管中生成，所以结垢对锅炉（或热交换器）。的危害性很大。它可使结垢部位的金属管壁温度过高，引起金属强度下降，这样在管内压力的作用下，就会发生管道局部变形、产生鼓包，甚至引起爆管等严重事故。结垢不仅危害安全运行。而且还会大大降低发电厂的经济性。例如，火力发电厂锅炉的省煤器中，结有lmm厚的水垢时，燃料用量就比原来的多消耗1.5％～2.0％。由于发电厂锅炉的容量一般都很大，每年使用的燃料量也很大(60万的机组煤耗为150-160万吨/年，所以燃料的消耗率虽只有微小的增加，却会给电厂造成巨额的经济损失。另外，在汽轮机凝汽器内结垢会导致凝汽器真空度降低，从而使汽轮机的热效率和出力下降。加热器的结垢会使水的加热温度达不到设计值，使整个热力系统的经济性降低。而且，热力设备结垢以后。必须及时进行清洗工作，这就要停止运行，减少了设备的年利用小时数，此外，还要增加检修工作量和费用等。

（2）热力设备的腐蚀。发电厂热力设备的金属经常和水接触，若水质不良，则会引起金属腐蚀。热力发电厂的给水管道、各种加热器、。锅炉省煤器、水冷壁、过热器和汽轮机凝汽器等，。都会因水质不良而腐蚀。腐蚀不仅要缩短设备本身的使用期限，造成经济损失，而且金属腐蚀产物转入水中，使给水中翻增多，从而加剧在高热负荷受热面上的结垢过程，结成的垢又会加速锅炉炉管腐蚀。”此种恶性循环，会迅速导致爆管事故。此外，金属的腐蚀产物被蒸汽带到汽轮机中沉积下来后，也会严重地影响汽轮机的安全、经济运行。

（3）过热器和汽轮机的积盐。水质不良会使锅炉不能产生高纯度的蒸汽，随蒸汽带出的杂质就会沉积在蒸汽通过的各个部位，如过热器和汽轮机，这种现象称为积盐。过热器管内积盐会引起金属管壁过热甚至爆管；汽轮机内积盐会大大降低汽轮机的出力和效

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率，特别是高温高压大容量汽轮机，它的高压部分蒸汽流通的截面积很小，所以少量的积盐也会大大增加蒸汽流通的阻力，使汽轮机的出力下降。当汽轮机积盐严重时，还会使推力轴承负荷增大，隔板弯曲，造成事故停机。

火力发电厂化学工作就是为了保证火力系统各部分有良好的水汽品质，以防止热力设备的结垢、积盐和腐蚀。因此，在火力发电厂中，化学工作对保证发电厂的安全、经济运行具有十分重要的意义。

火力发电厂的化学工作者，应主持或参与以下这些工作：

（1）净化原水，制备力系统所需质量的补给水。它包括除去天然水中的悬浮物和胶体状态杂质的澄清、过滤等处理；除去水中溶解的钙、镁离子的软化处理；或除去水中全部溶解盐类的除盐处理。这些制备补给水的处理，通常称为炉外水处理。

（2）对给水进行除氧、加药等处理。

（3）对汽包锅炉进行锅炉水的加药处理和排污，这些工作称为锅内水处理。

（4）对直流锅炉机组或某些亚临界压力、汽包锅．炉机组进行 凝结水的净化处理。

（5）在热电厂中，对生产返回水进行除油、除铁等净化处理。 （6）对冷却水进行防垢、防腐和防止有机附着物等处理。 （7）对热力系统各部分的汽水质量进行监督。

此外，化学清洗热力设备以及机炉停运期间的保养工作，化

学有直接关系，也应列入水处理工作。

第三节 岱海一期2×600MW机组主要参数

1．锅炉

锅炉是北京巴布科克·威尔科克斯有限公司生产的亚临界、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、全封闭布置、自然循环单汽包燃煤锅炉，其主要参数：

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主蒸汽流量：2028．4 t/h

给水温度：280．3℃ 给水压力：17．5 M Pa

过热蒸汽温度：541℃ 过热蒸汽压力：17．5MPa

再热蒸汽出口温度：541℃ 再热蒸汽出口压力：3．3MPa

2．汽轮机

汽轮机是上海汽轮机厂生产的一次中间再热、单轴、四缸。四排汽、双背压凝汽式汽轮机，其主要参数如下：

主汽门前蒸汽压力：16．70 MPa 主汽门前蒸汽温度：538℃

额定进汽量：1757．223 t/h 3．发电机

制造厂家： 上海汽轮机厂 额定功率： 600MW 冷却方式： 氢冷

第四节 岱海一期2×600MW机组原水水质全分析报告

项目名称 ++阳 K+Na 单位 mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L #1 103.62 36.1 30.1 0 0.12 0 0 <0.002 #2 101.40 38.5 26.8 0.01 0.06 0 0 <0.002 #3 101.81 27.3 27.2 0.02 0.07 0 0.03 <0.002 Ca2+ Mg2+ Fe2+ 离 Fe3+ Al3+ NH4+ Mn2+ 5

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子 Sr2+ ∑ 项目名称 CL- 阴 离 子 SO42- CO32- HCO3- NO2- NO3- F- PO43- S2- ∑ 总固体 溶解固形物 悬浮性固体 电导率 总硬度 碳酸盐硬度 总碱度 酚酞碱度 甲基橙碱度 PH 游离二氧化碳 全硅 COD

mg/L mg/L 单位 mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L 0.112 197.05 #1 19.0 31.0 0 256.28 0 11.08 0.68 0.032 0.88 318.04 312 295 17 410 0.126 166.89 #2 20.0 28.0 0 231.88 0.007 11.06 0.65 0.033 0.79 291.59 301 292 9 400 198.2 190.2 190.15 0 190.15 7.85 25.08 17.80 0 0.102 156.54 #3 43.5 54.0 0 286.79 0.026 7.27 0.58 0.036 0.84 404.14 414 400 14 520 180.2 180.2 255.20 20.20 235.19 8.14 28.50 17.82 0 mg/L(CaCO3) 214.2 mg/L(CaCO3) 210.2 mg/L(CaCO3) 210.17 mg/L(CaCO3) 0 mg/L(CaCO3) 210.17 mg/L mg/L mg/L 7.86 35.20 19.08 2.01

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第五节 化学系统名词解释

1、原 水

原水是指未经任何处理的天然水（如江河、湖、地下水等），也称为生水，它是热力发电厂中各种用水的来源。

2、锅炉补给水

原水经过各种方法净化处理后，用来补充热力发电厂汽水循环系统汽水损失的水，称为锅炉补给水。锅炉补给水按其净化处理方法的不同，又可分为软化水、蒸馏水和除盐水等。

3、凝结水

在汽轮机中做功后的蒸汽经凝汽器冷凝成的水，称为凝结水。 4、疏 水

各种蒸汽管道和用汽设备中的蒸汽冷凝水，称为疏水。它经疏水器汇集到疏水箱或并入凝结水系统中。

5、返回水

热电厂向热用户供热后，回收的蒸汽冷凝水，称为返回水。返回水又有热网加热器冷凝水和生产返回冷凝水之分。

6、给 水

送进锅炉的水称为给水。凝汽式发电厂的给水，主要由凝结水、补给水和各种疏水组成。热电厂的给水组成中，还包括返回水。

7、锅炉水

在锅炉本体的蒸发系统中循环流动着的水，称为锅炉水，习惯上简称炉水。

8、冷却水

用作冷却介质的水称为冷却水。在电厂中，它主要是指通过凝汽器用以冷却汽轮机排汽的水。

9、内冷水

对于水-氢-氢式发电机，内冷水指冷却发电机定子绕组的水。 10、溶解固形物

溶解固形物是指水中除溶解气体之外各种溶解物的总量。它除了包括全部阴、阳离子外，还应加上非离子态的二氧化硅、铁铝氧化物和有机物的的含量。 11、含盐量

含盐量表示水中溶解盐类的总和，它可通过水质全分析后将

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阴、阳离子全部相加而得。含盐量有两种表示方法：其一是摩尔表示法，即将水中各种阳离子（或各种阴离子）均按带一个电荷的离子为一个基本单元，计算其含量（mmol/L），然后将它们全部相加；其二是重量表示法，即将水中各种阴阳离子的含量换算成mg/L，然后全部相加。

12、碱度

水的碱度是指水中含有能接受氢离子物质的量。天然水中碱度主要由重碳酸根所组成。

酸度 水的酸度是指水中含有能接受氢氧根离子的物质的量。可能形成酸度的物质有强酸，强酸弱碱盐、酸式盐和弱酸。 13、硬度

硬度是指天然水中多价阳离子的总浓度，对天然水来说主要是钙、镁离子，故水的硬度也就表示水中钙、镁离子之和。硬度可分为以下两种：1．碳酸盐硬度 碳酸盐硬度是指水中钙、镁的碳酸氢盐、碳酸盐之和。但由于天然水中碳酸根的含量非常少，所以一般将碳酸盐硬度看作钙、镁的碳酸氢盐。碳酸盐硬度又被称作暂时硬度，这是由于水长时间煮沸后，水中重碳酸钙和重碳酸镁会分解产生碳酸钙和氢氧化镁沉淀，使碳酸盐硬度消失，所以被称作暂时硬度。2．非碳酸盐硬度 水的总硬度和碳酸盐硬度之差是非碳酸盐硬度，它们是钙、镁的氯化物和硫酸盐等。它在水沸腾时不能被除去，所以又被称为永久硬度，其值近似等于非碳酸盐硬度。

14、电导率

在一定温度下，截面积为1平方厘米，相距为1厘米的两平行电极之间溶液的电导。衡量水中含盐量最简便和迅速的方法是测定水的电导率，因为组成天然水含盐量的主要物质为离子，而离子具有导电性。电导率的单位是S/m（S称为西，表示西门子）或us/cm。一般水质的电导率较小，电导率的常用单位是us/cm。实际测量中常用电导率表来测定。

15、生物需氧量（BOD）

生物需氧量表示用微生物氧化水中有机物所消耗的氧量。在氧化的第一阶段中，主要是有机物转化成二氧化碳、水和氨；第二阶段主要是氨转化成硝酸根和亚硝酸根。测定方法一般分为两种：BOD5和BOD21。目前常以20℃和黑暗条件下用微生物氧化有机物5天所需的氧量进行测定，以BOD5来表示。

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16、离子交换树脂

离子交换树脂是本身带有活性基团的有机合成物质，由于其外形与松树分泌的树脂相象而得名。树脂在水中其本身带有的活性基团中的离子与水中同符号的离子进行交换，如H型强酸性离子交换树脂遇到含有Ca2+的水时，就会发生如下交换反应：

2RH + Ca2+ ? R2Ca + 2H+

交换的结果，水中Ca2+被吸附在树脂上，树脂原有的H+进入水中，水中Ca2+被除去。

17、浓缩倍率

循环水中盐类的浓度与补充水中盐类浓度之比称为循环水的浓缩倍率。此盐类浓度若以含盐量表示，则因在浓缩过程中可能有盐类析出，不能代表实际的浓缩情况，所以通常是按不易沉淀的Cl–（或用SiO2作为标准）浓度估算浓缩倍率： 式中： ?——循环水中盐类的浓缩倍率；

浓度。 Cl?Cl?xBU——分别为循环水和补充水中的Cl

18、极限碳酸盐硬度

如果将循环水的补充水，在其工作温度下进行蒸发，则通常可以发现在其浓缩的初期水中碳酸盐硬度随着升高，但当达到某一极限值时，它便不再升高，而是停留在某一数值上。这个值称为此循环水在此温度下的极限碳酸盐硬度，其所以有一个极限是因为在此后的浓缩过程中有CaCO3沉淀物析出，水中碳酸盐硬度不再随着升高的关系。 19、溶液

一种物质分散在另一种物质之中的体系称做分散体系，均一的分散体系叫做溶液。溶液中被分散的物质叫做溶质，用以分散溶质的物质叫做溶剂，发生这种均匀分散的现象叫做溶解。水能溶解很多种物质，是最常用的溶剂，通常所说的溶液是指水溶液。除此之外，酒精、汽油等也可做溶剂。当两种溶液互相溶解而形成溶液时，一般情况下量多的一种叫溶剂，量少的叫溶质。还有一种体系是，被分散后的物质微粒是由较多的分子或离子所组成，由于它们的颗粒较小，肉眼观察不到，外观也表现为均一的透明状态，但在光线照射下，却能看见由这些颗粒所散射的光束，这种体系为胶体溶液。

–

Cl??＝?x ClBU9

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如果分散体系在水中的颗粒很大，甚至用肉眼都能观察出来的，从外观看它就是不均匀的，而且经过静置后，大部分分散物质会沉降下来，这种体系称之为悬浊液。 20、浓度

在水处理工作中，常常需要知道某溶液中含有溶质的量，或者要配制某种浓度的溶液。这些都涉及到溶质和溶剂的数量关系。所谓浓度就是指在一定量的溶剂或溶液里所含溶质的量。表示浓度的方法很多，如： （1）质量分数

用溶质的质量占全部溶液的质量百分比来表示。

在实际应用中，为了方便，有时将100毫升溶液中含有溶质的克数来表示百分浓度，这是重量比体积的百分浓度可写为A%（质量/体积）。

（2）物质的量浓度

在1升溶液中所含溶质的物质的量。其单位常以M表示。 （3）用单位体积或单位质量溶液中含有溶质质量表示的浓度。 在工业上有时用1升溶液中含有溶质的克数表示溶液的浓度（相应的单位为克/升、毫克/升、微克/升）。对于以水为溶剂的稀溶液每升的质量近似的等于1千克，所以，上述浓度单位和克/千克、毫克/千克、微克/千克可看作是相等的。

ppm是指在一百万份质量的溶液中所含溶质质量的份数，它和毫克/千克的表示方法相同；ppb是表示在十亿份质量溶液中所含溶液的质量份数，它可看成是微克/千克。 21、电离

（1）电解质：在水溶液中或在加热熔融状态下能导电的物质。 （2）电离：电解质溶于水后，在水分子作用下，解离为带正电的和带负电的离子，它们能在水中自由移动，这种过程叫做电离。 （3）电离平衡：电解质可分为强电解质和弱电解质。强电解质在溶液中几乎能完全电离成离子；而弱电解质在溶液中只有部分电离，并且有可逆的过程。弱电解质这种电离的正向速度等于其逆向速度的状态称为电离平衡。

（4）水的pH 值：水是一种极弱的电解质，它只能微弱地电离为H+和OH- ，水的离子积为KSH = [H+][OH-] ，PH=-lg [H+] 25℃时，水的离子积KSH = [H+][OH-]=10-14 ， [H+]=[OH-]=10-7 。

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水中Ca2+不仅能与有机阴离子形成络合物，而且能与HCO3-生成CaHCO3+ 。水中的SO42-含量超过1000mg/L时，可有50%以上的Ca2+与SO42-生成CaSO4离子对。在碱性条件下、OH-、CO3-、PO43-也可与Ca2+生成离子对CaOH+、CaCO3、Ca PO4-，在一般天然水体中没有这种情况。

不同的天然水中钙离子的含量相差很大．一般在潮湿地区的河水中吹、的含量比其他任何阳离子都高（在20 mg/L左右）。在干旱地区的河水中，水中Ca2+含量较高。在封闭式的湖泊中由于蒸发浓缩作用，可能会出现CaCO3沉淀或CaSO4沉淀，从而使水的类型由碳酸盐型演变为硫酸盐型或氯化物型。

（2）镁离子 镁离子几乎存在于所有的天然水中，是火成岩镁矿物（橄榄石、辉石、黑云母）和次生矿（绿泥石、蒙鹏。蛇纹石）及沉积岩（菱镁石、水镁石）的典型组分。当水遇到这些矿物时，镁离子进人水中。

由于镁离子的离子半径比Ca2+、Na+都小，所以有较强的电荷密度，对水分子有较大的吸引力。在水溶液中，每一个Mg2+周围有6个水分子，形成一层较厚的水膜，水化后Mg2+表示为 Mg（H2O）62+。Mg2+可与SO42-、OH生成离子对硫酸镁、氢氧化镁，其中氢氧化镁称为羟基络合物。当水中SO42-、HCO3- 的含量大于1000mg/L时，Mg2+与SO42-、HCO3-形成络合物。

因为菱镁石（MgCO3）的溶解度比方解石（CaCO3）约大两倍，而水化菱镁石（MgCO3.3 H2O, MgCO3.5H2O）的溶解度又明显地大于菱镁石，所以在与白云石接触的天然水中Ca2+、Mg2+的含量几乎相等，但在过饱和的水溶液中，由于CaCO3析出，使水中的Mg2+的含量高于Ca2+

镁离子在天然水中的含量仅次于钠，很少见到以Mg2+为主要阳离子的天然水体。在淡水中 Ca是主要阳离子，在咸水中 钠是主要阳离子、在大多数的天然水体中，镁的含量一般在1～40mg/L。当水中溶解固形物的含量低于 500 mg/L时，Ca2+与Mg2+的摩尔比

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为4：1～2：1。当水中溶解固形物的含量高于1000mg/L时，Ca2+与Mg2+的摩尔比降至2：1~1：1。当水中溶解困形物含量进一步增大时，Mg2+的含量可能高出Ca2+许多倍。、。

（3）钠离子（Na+） 钠主要存在于火成岩的风化产物和蒸发岩中，钠几乎占地壳矿物组分的25％，其中以钠长石中的含量最高。这些矿物在风化过程中易于分解。释放出Na，所以在与火成岩相接触的地表水和地下水中普遍含有Na。在干旱地区岩盐是天然水中Na”的重要来源，被岩盐饱和的水中Na的含量可达150mg /L。

因为大部分钠盐的溶解度很高，所以在自然环境中一般不存钠的沉淀反应，也就不存在使水中Na含量降低的情况。Na在水中的含量在不同条件下相差非常悬殊．在咸水中Na含量可高达 100000 mg/L以上，在大多数河水中只有几毫克/L至几十毫克/L，在赤道带的河水中可低至1 mg /L左右。所以，在高含盐量的水中，Na是主要阳离子，如海水中 Na含量（按重量计）占全部阳离子的 81％。

当钠的含量低于1000mg /L时，水中的Na主要以游离状态存在水中。在高含盐量的水中。钠离子可与碳酸根、碳酸氢根、硫酸根形成离子对碳酸钠、碳酸氢钠、硫酸钠。在海水中几乎所有的阴离子都可与钠生成离子对。

在天然淡水中钠离子主要来源于铝硅酸盐矿物的溶解，钠离子与氯离子之间的摩尔关系为钠＞氯。在天然咸水中钠离子与氯离子之间的摩尔关系几乎相等。说明天然水中钠离子的主要来源是由于氯化钠的溶解。

（4）钾离子 在天然水中K的含量远远低于Na，一般为钠含量的4％～10％。由于含钾的矿物比含钠的矿物抗风化能力大，所以Na容易转移到天然水中，而K则不易从硅酸盐矿物中释放出来，即使释放出来也会迅速结合于粘土矿物中，特别是伊利石中。另外，K是植物的基本营养元素，在风化过程中释放出来的K容易被植物吸收、固定。从而使大部分天然水中Na含量比K高。在某

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些咸水中，K的含量可达到十几到几十毫克，在苦咸水中可达几十到几百毫克二对。

由于在一般天然水中K的含量不高，而且化学性质与Na相似，因此在水质分析中，常以（Na＋K）之和表示它们的含量，并取其加权平均值25作为两者的摩尔质量。

（5）铁离子 在天然水中除了以上四种阳离子之外，在一部分地下水中还含有Fe，当含有二氧化碳的水与菱铁矿FeSO4或FeO的地层接触时，发生以反应：最终生成了铁离子。

在含有机质的地下水中，由于微生物的厌氧分解，常含有一定量的H2S气体，可将地层中三氧化二铁还原，并在二氧化碳的作用下溶于水中。从而使地下水中含有一定数量的一价铁离子。Fe在地表水中含量很小，因为地下水暴露大气后 二价铁离子很快被水中氧氧化成 三价铁离子，进而形成难溶于水的氢氧化铁胶体沉淀出来。

（6）碳酸氢根和碳酸根 碳酸氢根是淡水的主要成分，它主要来源于碳酸盐矿物的溶解，碳酸氢根在水中的含量也与水中二氧化碳的含量有关。

水中的碳酸氢根、碳酸根 、二氧化碳共同组成了一个碳酸化合物的平衡体系，水中的碳酸氢根含量与氢离子浓度［H＋］成反比，计算表明，当水的 pH＜4．0时，碳酸氢根的含量已很少了，即在酸性条件下不存在碳酸氢根。在一般的地表水中，碳酸氢根的含量一般在 50～400毫克/升之间，在少数水中达到800毫克/升。 水中碳酸根含量也与氢离子成反比，计算表明，当水的pH＜8．3时，碳酸根的含量也很少了，即在中性和酸性条件下不存在碳酸根。

（7）硫酸根 硫不是地壳矿物的主要成分，但它常以还原态金属硫化物的形式广泛分布在火成岩中。当硫化物与含氧的天然水接触时，硫元素被氧化成明一。火山喷出的二氧化硫和地下泉水中的硫化氢也可被水中氧氧化成硫酸根。另外，沉积岩中的无水石

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膏（CaSO4）和有水石膏都是天然水中硫酸根的主要来源。含有硫的动植物残体分解也会增加水中硫酸根的含量。

硫酸根在天然水中的含量是居中的阴离子，在一般的淡水中，碳酸氢根＞硫酸根＞氯离子，在咸水中也是碳酸氢根＞硫酸根＞氯离子。在含有硫酸钠和硫酸镁的天然咸水中，硫酸根的含量除了与各种硫酸盐的溶解度有关以外，还与水中是否存在氧化还原条件有关。在还原条件下，硫酸根是不稳定的，可被水中的硫酸盐还原菌还原为自然硫S和硫化氢H2S。

水中的硫酸根易与某些金属阳离子生成络合物和离子对，水中硫酸根的含量增加。

（8）氯离子 氯离子也不是地壳矿物中的主要成分，在火成岩中的含氯矿物中主要是方钠石和氯磷灰石所以火成岩不会使正常循环的天然水体中含有很高的氯离子。天然水中的CI 比较重要的来源与蒸发岩有关，氯化物主要存

在于古海洋沉积物和干旱地区内陆湖的沉积物中。另外，还存在于曾经遭受海水侵蚀过的岩石孔隙中以及海洋泥质岩中。在所有这些岩石和沉积物中，几乎都是Na和CL伴随在一起。

氯离子几乎存在于所有的天然水中，但其含量相差很大，在某些河水中只有几个毫克/升，在海水中却高达几十克/升。由于氯化物的溶解度大，又不参与水中任何氧化还原反应，也不与其他阳离子生成络合物及不被矿物表面大量吸附，所以氯离子在水中的化学行为最为简单。

（9）硅 硅的氧化物（二氧化硅）是火成岩和变质岩中大部分矿物的基本结构单元，也是天然水中硅化合物的基本结构单元。在锅炉水处理中，水中的硅均一二氧化硅表示。由于硅化物在锅炉的金属表面上或者在汽轮机的叶片上形成沉积物后，非常难以清除，所以成为锅炉水处理中的重点清除对象。

天然水中的硅主要来源于硅酸盐、铝硅酸盐的水解，所以，硅酸盐矿物的水解，不仅是天然水中碱金属和碱土金属阳离子的主要

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来源，也是水中硅酸化合物的主要来源。

硅酸是一种复杂的化合物，在水中可呈离子态、分子态和胶态。它的通式常表示为xSiOyH2O。当X＝1，y二1时，分子式写成H2SiO3，称为偏硅酸；当X=1，y=2时，分子式写成H4SiO4，称为正硅酸；当X＞1时，硅酸呈聚合态，称为多硅酸；当硅酸的聚合度较大时，由溶解态变为胶态；当浓度再大和聚合度更大时，会呈凝胶状从水中析出。

天然水中硅化合物的含量一般在 1～20毫克/升范围内，地下水有时高达 60毫克/升以上。这与二氧化硅和水之间的溶解平衡有关。

由于硅酸化合物有多种存在形态，所以它的测定方法与其他化合物有些不同。通常采用的钼蓝比色法只能测得水中分子量较低的硅酸化合物，分子量较大的硅酸，有的不与钼酸反应，有的反应缓慢，所以根据反应能力不同，将水中硅酸化合物分成两种：凡是能够直接用比色法测得的称为活性二氧化硅（简称活性硅），凡是不能直接用比色法测得的称为非活性二氧化硅（简称非活性硅）。 2．呈分子状态的气体

天然水中常见的溶解气体有氧，二氧化碳和氮，有时还有硫化氢、二氧化硫和氨等。

大气中的任何一种气体分子（G（g））与水溶液中相应的同一种气体分子G（aq）之间存在以下平衡：

G（g）= G（aq）

按亨利定：气体在水溶液中的溶解度G（aq）与水溶液相接触的那种气体的分压P成正比，由于亨利定律没有考虑某些气体可能在水溶液中进行某些化学反应，所以，有的气体在水溶液中的实际量比亨利定律的计算值高得多，也有的气体在水溶液中的实际量又比亨利定律的计算值低得多。表1－1给出25℃时某些气体的亨利定律常数值。

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Ps——在光源垂直方向产生的散射光强度；

Pt——在光源光束方向产生的透射光和散射光之和； l——水样槽的长度； K/l——常数。

浊度测定原理

二、溶解固形物

溶解固形物是指水中除溶解气体之外的各种溶解物质的总量。它和悬浮物一样包含水中许多物质，只是一种理论上的指标，没有找到与它涵义相同的测定方法。它虽然也可以按测定悬浮物的重量分析法来测定，但同样存在操作麻烦、费时的问题，所以目前都是采用一些与其涵义相近似的指标进行测定。 1．含盐量

含盐量表示水中各种溶解盐类的总和，可由水质全分析得到的全部阳离子和阴离子相加而得，单位用mg/L（或PPm）表示。也可用摩尔表示，即将得到的全部阳离子（或全部阴离子）均按一个电荷的离子为基本单元相加而得，单位用mmol/L表示。

水质全分析操作起来比较麻烦，只能定期(如一个季度或一年）测定，不宜作运行控制指标。 2．蒸发残渣

蒸发残渣是指过滤后的水样在105~110度下蒸干所得的残渣量。由于在蒸发过程中水中的碳酸氢盐转变成了碳酸盐及在此温度下还有一些湿分和结晶水不能除尽，所以它并不与溶解固形物完全

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相等，只是相近。 3．灼烧残渣

灼烧残渣是将蒸发残渣在800℃下灼烧所得的残渣量，由于在灼烧过程中大部分有机物被烧掉，所以经常用蒸发残渣与灼烧残渣量之差．即灼烧减量表示有机物的多少，但它不完全与有机物相等，因为在灼烧过程中，残存的湿分、结晶水及一些氯化物挥发掉了，一部分碳酸盐分解了。 4．电导率

因为纯水本身的导电能力是非常小的，但只要水中含有少量离子杂质就会使导电能力明显增加。水中所含离子杂质越多，导电能力越大。所以可借用测电导的方法测定水中的含盐量。

水的导电能力不仅与水中离子杂质的含量有关，而且还与水的温度和离子之间的相对比例有关，所以测定水的电导率时要求水温一定和水中离子保持相对稳定。

如果水的溶解固形物总量（TDS）在50－5000ms／L之间，水的电导率与TDS之间有以下关系：

lgTDS=1.006lgkH2O-0.215

式中kH2O——水的电导率，US／Cm； TDS一水的溶解固形物总量，mg／L。

三、硬度（H）

硬度表示水中多价金属离子的总浓度，对天然水体来说主要是钙离子和镁离子，其他多价金属离子很少，所以通常称水中钙离子和镁离子之和为硬度，它在一定程度上表示了水中结垢物质的多少。水中钙、镁离子的含量对饮用水或一般工业用水并无严格要求，但它是衡量锅炉给水水质好坏的一项重要技术指标。

硬度按阳离子分为：钙硬（Hca）和镁硬（Hmg）

硬度按阴离子分为：碳酸盐硬度（HT）和非碳酸盐硬度（HF） 四、碱度（B）和酸度（A）

水的碱度表示水中所含能接受氢离子物质的总量。对一般天然

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水来讲，水中碱度主要是碳酸氢根。

水的酸度表示水中所含能与强碱发生中和反应的物质总量。对一般天然水来讲，水中酸度只是碳酸和碳酸氢盐。 五、有机物

天然水中的有机物种类众多，成分也很复杂，如果受到工业废水或生活污水的污染，成 分就更加复杂。它们是以溶液、胶体和悬浮状态存在的，因此难以进行逐个测定。但可以利用有机物的可氧化性或可燃性，用某些指标间接地反映水中有机物的含量，这对水处理工作来讲已足够了。下面对这些间接技术指标的概念作简单介绍。

1．化学需氧量 （COD）

化学需氧量是指用化学氧化剂氧化水中有机物时所需要的氧量，单位以mg/l O2表示。化学需氧量越高，表示水中有机物越多。且前常用的氧化剂有高锰酸钾和重铬酸钾口由于每一种有机物的可氧化性不同，每一种氧化剂的氧化能力也不同，所以化学需氧量只能表示所用氧化剂在规定条件下所能氧化的那一部分有机物的含量，并不表示水中全部有机物的含量。如用重铬酸钾作氧化剂，在强酸加热沸腾回流的条件下对水中有机物进行氧化（并以银离子作催化剂人可将水中 80％以上的有机物氧化（CODcr）；如用高锰酸钾作氧化剂，只能将水中 70％左右的有机物氧化（COD）。所以高锰酸钾法多用于轻度污染的天然水和清水 的测定。

2．生化需氧量（BOD）

生化需氧量是指利用微生物氧化水中有机物所需要的氧量，‘单位也是用mg/l O2表示。生化需氧量越高，表示水中可生物降解的有机物含量越多。样，它也不能表示水中全部的有机物

由于利用微生物氧化水中有机物是一种生化反应，所以反应速率一般比化学反应慢，而且受温度的影响。因此，测定生化需氧量时，一般规定在20℃下测定。当温度等于20℃时，河流中有机物

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的氧化分解时间大约一百多天才能完成，全过程需要的氧量叫总生化需氧量。因此，目前都以5d或20d作为测定生化需氧量的标准时间，分别用BOD5和BOD20表示。对于一般有机物BOD相当于最终需氧量的60％～70％，BOD20相当于最终需氧量的70％左右。 3．总需氧量（TOD）

因为水中的有机物如碳水化合物、蛋白质、脂肪等的主要元素都是碳、氢、氧、氮、硫，所以当有机物全部被氧化时。碳氧化成二氧化碳，氢、氮、硫分别被氧化成水、一氧化氮和二氧化硫，这时的需氧量称为总需氧量。 4．总有机碳（TOC）

总有机碳是指水中有机物的总含碳量，即将水样中的有机物在900℃高温测和催化剂的条件下气化、燃烧。这时水样中的有机碳和无机碳全部氧化成二氧化碳，然后利用红外线气体分析仪分别测定总的二氧化碳量和无机碳产生的二氧化碳量，两者之差即为总有机碳量。

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第三章 水的预处理

第一节 水中胶体颗粒的主要特性

天然水体中常含有泥砂、粘土、腐殖质等悬浮物和胶体杂质及细菌、真菌、藻类、病毒等微生物，它们在水中具有一定的稳定性，是造成水体混浊、颜色和异味的主要原因。混凝处理、沉降澄清和过滤处理，就是以除去这些杂质为主要目的，使水中悬浮物的含量降至5mg/l以下，即得到澄清水，习惯上称它们为水的预处理。经过预处理后的水，根据不同的用途再进行深度处理。如作为锅炉用水，还必须用离子交换的方法除去水中溶解性的盐类及用加热或抽真空和鼓风的方法除去水中溶解性的气体。如不首先除去这些杂质，后续处理如除盐等）将无法进行。因此，水的混凝处理是水处理工艺流程中的一个重要环节。

混凝处理包括药剂、水的混合及反应（包括脱稳、凝聚、絮凝）两个阶段。为了提高凝处理的效果，必须选用性能良好的药剂，创造适宜的化学和水力学条件。 一、胶体分散体系

根据胶体化学的概念，一种或几种物质均匀地分散在另一种物质中，它们共同组成的体系称为分散体系，其中被分散为许多微小粒子的物质称为分散相，而微小粒子周围的另一种连续物质称为分散介质。如悬浮粘土颗粒分散在水中，粘土颗粒叫分散相，水就是分散介质。

把天然水中粒径在10-4-10-6的各种微小粒子都划为胶体范围，是因为它们都具有胶体的性质。这些微小粒子可以是细小的粘土颗粒，也可以是溶质分子的集合体或分子量比较大的高分子化合物。粘土颗粒和溶质分子的集合体都占有一定的体积和面积，由于它们不溶于水，所以与水之间存在相间分面，组成一个微多相分散体系，也称热力学不稳定体系。高分子化合物与水组成的分散体系，在水中处于溶解状态，与周围水之间没有分界面，属于单相体系，也称

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热力学稳定体系。

天然水体虽然是一种由多种胶体颗粒共存的体系，但其中以粘土矿物质及腐殖质最为普遍。粘土微粒是造成天然水体混浊的主要物质，其中粒径大于10pm的主要是石英、长、云母等原生矿物颗粒，粒径小于10mp的主要是高岭石、蒙脱石等次生矿物颗粒，后者是混凝处理的主要对象。高岭石、蒙脱石各类粘土矿物质都属于铝硅酸盐类，具有不同的形状，呈非对称性，即长度和宽度比厚度大得多。

腐殖质是分子量在300～30000以上的有机高分子化合物，按其在酸、碱溶液中的溶解特性。分为三类：富里酸，是指既溶于酸也溶于碱的部分，分子量从几百到数千；腐殖酸，是指只溶于稀碱溶液不溶于酸的部分，分子量从数千到数万；腐里物，是指在酸、碱溶液中都不溶的部分厂在腐殖质的分子结构中，除含有苯环以外，还含有大量的一OH基团和一COOH基团，它们在水中进行解离，形成带有负电荷的长链阴离子。由于活性基团相互排斥，分子结构伸展，亲水性增强。具有稳定性，故在水处理中也划为胶体范畴。

二、胶体颗粒的主要特性 1．水中分散颗粒的稳定性

表3-1是球形悬浮颗粒（砂）在10℃水中的沉降速度（相对密度为2．65）。

颗粒直颗粒 沉降速沉降1米颗粒直颗粒 沉降速度(mm/s) 沉降1米需时 径（mm） 名称 度(mm/s) 10 1 0．1 1000 径（mm） 名称 需时 1秒 10秒 2分 0．001 细泥土 0．00154 7天 细砂 100 细砂 8 0．0001 细泥土 0．0000154 2年 0．00001 胶体 0．000001200年 54 0．01 泥土 0．154 2时 表3－1 球形颗粒的沉降速度

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表3-1中的数据说明，颗粒直径大于0．1mm以上的细砂，可借助重力在2分以内除去。而颗粒直径小于0．001mm的细粒粘土，沉降速度非常缓慢。当颗粒直径达到胶体大小时，实际上已不可能自行沉降，它们能长时间在水中保持悬浮分散状态，这种现象统称为“分散颗粒的稳定性”。因为从水处理的观点，凡沉降速度缓慢的颗粒都不可能在停留时间很短的水处理设备中沉降分离出来，所以认为它们在水中均是稳定的。 2．胶体颗粒的动力稳定性

分散于水中的各种悬浮颗粒，随时都受到水分子热运动的撞击。当悬浮颗粒直径比较大时，每一个颗粒从各个方向同时受到水分子的数次撞击，所以各个方向的撞击力可以相互平衡抵消，使这种颗粒能在重力作用下沉降分离。当颗粒直径小至胶体范围时，每一个颗粒受到水分子撞击的次数较少，各个方向的撞击力在瞬间内达不到平衡，朝合力的方向不断高速位移，运动的轨迹是不规则的，这种运动被称为“布朗运动”。另外，由于这种颗粒质量很小，重力沉降作用甚微，从而导致胶体颗粒处于均匀的分散状态，这称为胶体颗粒的动力稳定性。这是粘土颗粒能长期稳定存在于水中。致使天然水体产生混浊的主要原因。

布朗运动的速度与颗粒的直径大小有关。拉径越九布朗运动的速度就越小，当颗粒直径达到3～5um以上时，布朗运动就停止了。 3．胶体颗粒的带电现象。

如果将胶体础的水溶液放人一支U形管中，两端插人电极并接直流电源，可见到水中胶体颗粒向某一个电极方向迁移和浓集，说明这些胶体颗粒是带亘电的。有的胶体颗粒向正极方向移动，如粘i颗粒、细菌及蛋白质一类的高分子有机化合物，说明它们带有负电荷；有的胶体颗粒向负极方向移动，如金属铝和铁的氢氧化物等，说明它们带有正电荷。由于胶体颗粒的这种带电现象，使相同的胶体颗粒之间产生相互排斥作用，不能相互凝聚，而长期稳定的存在于水中。

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4．胶体颗粒的溶剂化作用

胶体颗粒按其对溶剂（水）的亲合力强弱，分为亲水性胶体和憎水性胶体。亲水性胶体在水中保持稳定性的原因是在胶体颗粒表面上有一个具有一定厚度的水膜。水膜具有定向排列结构，当两个亲水性胶体颗粒相碰时，水膜被挤压变形，但因水膜有力图恢复原定向排动结构的能力，而使水膜具有弹性，从而使两个相碰撞的胶体颗粒“擦肩而过”，而不凝聚。

天然水体中的亲水胶体主要是一些高分子的有机化合物，

在其分子结构中含有带正电的氨离子或带负电的碳酸氢根等极性基团。它们具有吸附大量水分子的能力，在其表面形成一个水膜，增加了这种胶体颗粒在水中的稳定性。憎水胶体颗粒在水中的稳定性在于它的带电性，这可由双电层结构来说明。

第二节 联体颗粒的稳定性与脱稳方法

一、肢体颗粒的双电层结构

根据胶体化学的概念，胶体颗粒由胶核、吸附层和扩散层三部分组成。现以Fe（OH）3胶体为例说明其双电层的结构。胶核是许多yi（on方分子的集合体，它不溶于水而成为胶体颗粒的核心，故称胶核。胶核具有较大的表面积，有从水中吸附某些离子的能力，如吸附FeO+，使胶核表面上拥有一层带电离子，称为电位决定离子。如果电位决定离子为阳离子，胶核就带正电荷；如果电位决定离子为阴离子，胶核就带负电荷。

胶核表面的电位决定离子在静电引力的作用下，吸引水溶液中电荷符号相反、电荷量相等的离子（氯离子、硫酸根离子）到胶核周围，被吸引的离子称为反离子。这样就在胶核与周围水溶液之间的界面区域内形成了一个双电层结构，内层为胶核的电位决定离子层，外层为溶液中的反离子层。其中部分反离子因受到较大的静电引力，与胶核表面的电位决定离子接合紧密、牢固，形成吸附层（也

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称固定层），其厚度大约有一个离子的厚度（约0．2~0．3nm）。由于在吸附层以外的反离子受到的静电引力弱，在反离子热运动和浓差扩散作用的推动下，分散到溶液深处，形成一个扩散层，其厚度比吸附层大得多。胶核、电位决定离子与反离子的吸附层一起叫胶粒，胶粒是带电的。胶核电位决定离子、反离子的吸附层和散层组成一个整体，叫胶团，胶团是不带电的，可表示为

式中的地、n、p表示任何正整数，m表示胶核中Fe（OH）3的分子数，n表示吸附在胶校表示面上的电位决定离子数，力表示扩散层中的反离子数。图3．1k）示出胶体颗粒的结构。

水中的粘土颗粒（如高岭石）大都是一些规则排列的片状结晶体，当在水中溶解了一部分原子或吸附了水中某些阴离子。（如OH－）后，便变成了一个带电荷的粒子。同样会由于

静电引力作用吸引水中某些阳离子（反离子）构成吸附层和扩散层，形成一个双电层结构。

当胶体颗粒在某种力的作用下与水溶液之间发生相对位移时，吸附层中的反离子和扩散层中的部分反离子随胶核一起运动，而扩散层的其余反离子滞留在水溶液中，这样就形成了一个脱开的界面。称为滑动面，滑动面的电位叫￡电位，吸附层与扩散层分界面处的电位用gd表示，胶核表面上的电位叫总电位，也称热力学电位90，如图3-3。

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图3．3 胶体结构和双电层中的电位分布

二、胶体颗粒之间的排斥力与吸引力

带有相同电荷的胶体颗粒之间除了存在静电排斥力之外，还存在有吸引力，这种吸引力称为范德华引力。

当两个胶体颗粒在运动中相互接近时，实际上它们是以滑动面为界面的带相同电荷的两个颗粒相互接近。按库仑定律，相同电荷的两个颗粒之间的静电斥力大小与两个颗粒中心距的2—3次方成反比关系，即靠得越近斥力越大，如图3－4所示。

图3－4 相互作用位能与颗粒间距的关系

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两个胶体颗粒之间的范德华吸引力是由胶体中的分子产生的引它包括三个部分：静电力、感应力和色散力。 三、胶体颗粒的脱稳

胶体颗粒的脱稳是指通过降低胶体颗粒的电位或减小水化膜的厚度，破坏它的稳定性，使相互碰撞的颗粒聚集成大的絮凝物，最后从水中沉降分离出来的过程。下面介绍在水处理领域内经常采用的几种脱稳方法。

1．投加带高价反离子的电解质

在含有带负电荷的粘土胶体颗粒的水中，投加带高价反离子的电解质后，水中反离子浓度增大，胶体颗粒的扩散层因受到压缩而变薄，Z电位降低或消失。此时颗粒之间的排斥位能减小或消失，总位能为吸附位能，颗粒之间很容易凝聚。Z电位等于零的状态，称为等电点。但凝聚不一定在Z电位降至等电点时才开始发生，而在Z电位大致等于0．03H时就开始凝聚，这一电位值是胶体颗粒保持稳定的限度，故称临界电位值。

试验证明，投加的电解质，其反离子的价数越高，脱稳的效果越好。在投加量相同的情况下，2价离子的脱稳效果为二价离子的50～60倍，3价离子为1价离子的700—1000倍，即要使水中带负电荷的胶体颗粒脱稳，所需正1价、2价、3价离子的投加量之比，大致为1：102：103，这条规则被称为 Schulze-Hardy法则。 对于亲水胶体颗粒，要使其脱稳．主要是压缩水化膜的厚度，也可由投加电解质来完成，只是投加量要比憎水胶体大得多。 2．投加带相反电荷的胶体

向天然水中投加与原有胶体电荷相反的胶体后，由于电性中和作用，使两种胶体的电位值均降低或消失而发生脱稳，产生凝聚。为使两种胶体凝聚，必须控制适当的投加量，如投加量不足，仍保持一定的Z电位值，凝聚效果不好。但如果投加量过大，由于原来水中带负电荷的粘土颗粒因吸附了过多的正离子而带正电荷，使胶体颗粒发生再稳现象，这称为电荷变号。例如，向水中投加带正电

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荷的十二烷基氨离子，可使水中粘土颗粒脱稳而凝聚。但它与加人相同价数的Na离子不同。一是十二烷基氨离子的凝聚能力比Na离子大得多，二是Na离子过量投加不会使胶体颗粒发生再稳现象，而二十烷基氨离子过量投加，会发生再稳。这说明它是一种吸附和电性中和作用，这种作用还可能伴随有一些物学作用，如范德华引力、共价键或氢键等。 3．投加高分子絮凝剂。

高分子絮凝剂是一种水溶性的线型化合物，分子呈链状，由大量的键节组成，每一个键节是一个化学单体。如果化合物中的单体含有可离解的官能团，则称为聚合电解质。聚丙烯酸胺（PAM）就是一种典型代表，

当高分子絮凝剂投加到水中后，开始时是某一个链节的官能团吸附在某一个胶粒上，而另一个链节伸展到水中吸附在另一个胶粒上；，从而形成了一个“胶体颗粒 高分子絮凝剂一胶体颗粒”的絮凝体，即高分子絮凝剂在两个颗粒之间起到一个吸附架桥作用，如图3－3反应2所示。

如果高分子絮凝剂伸展到水中的链节没有被另一个胶体颗粒所吸附，就有可能折回吸附到所在胶体颗粒表面上的另一个吸附位上，使胶体颗粒表面的吸附位全部被占据，从而失去再吸附的能力，形成再稳定状态，如图3－3反应3所示。

如果投加的高分子絮凝剂过多，致使每一个胶体颗粒的吸附位都被高分子絮凝剂所占据，失去同其他胶体颗粒吸附架桥的可能性，胶体颗粒的稳定性不但不被破坏。反而得到加强，这种现象称为胶体的保护作用，如图3-3反应4所示。

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图3－3 高分子絮凝剂的吸附架桥作用示意

1一高分子絮凝剂；2-胶粒

如果受到强烈的搅动作用，通过吸附架桥作用形成的絮凝体将被打碎，断裂的高分子链节就会折转过来再吸附在本身所占颗粒的其它吸附位上，又重新成为分散稳定状态。

除了链状高分子化合物以外，无机高分子化合物如铁盐、铝盐的水解产物，也能起到吸附架桥作用。

第三节 过滤器的特性

水经过澄清处理后，浊度通常在10—20mg/L。这种水还不能直接送人后续除盐系统，例如逆流再生离子交换器要求将进水浊度降低到2mg/L以下。进一步降低水中浊度的方法之一就是过滤处理。

水通过多孔材料层除去悬浮物的过程，称为过滤一用于过滤的多孔材料称为滤料或过滤介质。石英砂是最常用的粒状过滤材料。过滤设备中堆积的滤料层称为滤层或滤床。装填粒状滤料的钢筋混凝土构筑物称为滤池。装填粒状滤料的钢制设备称为过滤器，运行时相对压力大于零的过滤器又称机械过滤器。悬浮杂质在滤床表面

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截留的过滤称为表面过滤；而在滤床内部截留的过滤称为深层过滤或滤床过滤。水流通过滤床的空塔流速简称滤速。慢滤池的滤速一般为0．1～0．3m/h，快滤池的滤速一般大于5m/h。快滤池出力大，应用最为普遍。

快滤池经过100多年发展，已演变成多种池型：按水流方向分有下向流、上向流、双向流和辐射流滤池；按构成滤床的滤料品种数目分有单层滤料、双层滤料和三层滤料滤池；按阀门数分有四阀滤池。双阀滤池、单间滤池和无间滤池，等等。过滤设备通常位于沉淀油或澄清池之后。；进水浊度一般在15mg/L以下，滤出水浊度一般在2mg/L以下。当原水浊度低于150mg/L时，也可以采用原水直接过滤或接触混凝过滤。有的地下水。虽然浊度较低（一般在5mg/L以下），但为了除硅或者除铁除锰，常用接触混凝过滤或者锰砂过滤。过滤不仅可以降低水的浊度，而且随浊度的降低可同时除去水中的有机物，细菌甚至病毒，这对提高饮用水处理的质量和改善消毒效果有科。“过滤”和“反洗”是过滤设备基本的操作。过滤设备的运行实际上是“过滤一反洗一过滤一反洗??”的周而复始的过程。

滤层由滤料构成。滤料有粒状、粉状和纤维状多种。常用粒状滤料有石英砂、无烟煤。活性炭、磁铁矿、拓榴石、陶瓷＿塑料球等；粉状滤料有粉末离子交换树脂和粉末活性炭等；纤维滤料有纸浆纤维＿活性炭纤维、聚丙烯纤维等。本节仅介绍粒状滤料。 一、滤料粒度和滤层厚度

滤料的粒度（又称滤料的级配）和滤层厚度对过滤性能起决定作用。粒度包括滤料的粗细和大小的分散程度两个方面。表示滤料粗细的指标主耍有。有效粒径、平均粒径、当量粒径、最大粒径和最小粒径；

滤层厚度是指滤料在过滤设备中的堆积高度。过滤时，达到某规定水质所需要的滤层厚度，称悬浮杂质的穿透深度。穿透深度加上一定安全因素的厚度（即为滤层的设计厚度。研究结果表明，滤

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料粒径对穿透深度和滤层的截污容量等有较大的影响。

据资料，目前国内实际使用的双层滤床组成情况是：无烟煤的粒径为0．7～2.0rnm，石英砂的粒径为0.35～2.0mrn。三层滤床则是：无烟煤的粒径为1、0~2．0 mm，石英砂的粒径为0．4～0.8mm，重质滤料的粒径为0．25－0．5mm。 二、孔隙率

滤层的孔隙即滤料之间的空隙。孔隙率是表示滤料颗粒群堆积特性的指标，以单位堆积体积滤料层中空隙的体积表示，又称空隙率。

滤层的孔隙率与滤料颗粒形状、粗细程度、堆积时的松密程度等有关。均径的球状颗粒层，孔隙率在0．26～0．48之间。非均径颗粒，因小颗粒可嵌人大颗粒之间的孔隙中，孔隙率减少。颗粒越带棱角，越偏离球形，则孔隙率越大，甚至高达0石以上。一般，石英砂滤料层的孔隙率在0．38—0．43之间。

滤层的孔隙既是水流通道，又是贮泥空间。过大的孔隙率，悬浮杂质易穿透；过小的孔隙率，则贮泥空间小，过滤周期短，水流阻力大。虽然孔隙率对过滤有影响，但是目前人们还不能像控制粒度和层高那样，自由地选择孔隙率使之最佳，一般任其自然。 三、滤料颗粒的大小排列方式与过滤性能的关系

顺着过滤水流方向观察滤料粒径的变化，共有四种不同情况，即粒径相同的均径滤床。粒径由小变大的向下流普通滤床、粒径每层由大变小但同一层内部粒径由小变大排列的多层 滤床和粒径由大到小的向上流滤床，见图5－4。

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图5－4 滤床粒径排列示意

（1）均粒滤床；（2）普通滤床；（3）向上流滤床(4)多层滤床（以

双层滤床为例）

在水的过滤过程中，水中悬浮杂质在滤层行进过程中沿程逐级截留。悬浮杂质是一群各种不同尺寸的杂质混合群体，因其尺寸和粘着力的差异，被截留的难易程度不同，它们被除去的顺序是先易后难。因此，水在滤层流动过程中，易除去的悬浮杂质优先被上游滤层截获，残留的较难除去的悬浮杂质进人下游滤层。沿过滤水流方向看，越往下游所剩悬浮杂质的除去难度越大。

从滤料的截污能力看，粒径小，比表面积大，过滤系数人大，吸着能力强，同时由于颗粒间孔隙率小，悬浮杂质的输送效率提高，滤层的筛分作用增强。所以，滤层的截污能力随滤料粒径增大而变小。

均径滤料床，水中悬浮物除去难度沿程增加，而滤料截污能力没有相应增强。因此，上游没能截留的悬浮物也难被下游滤层截获，或者说需要更厚一层滤料才能达到与游同等的截污效果。普通滤料床，在水流反冲洗水力分级以后，粒径小的滤料在上层，愈往下层粒径愈大。因此，由上而下滤层的截污能力逐渐减弱，上层最强，下层最弱。水流自上而下地在滤层孔一隙间行进过程中，杂质首先接触到的是截污能力最强的上层细滤料，大颗粒悬浮物最先被除去，剩下一些小颗粒悬浮物被输送到下一层。由于下层滤料比上一

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层要粗。其截留能力不及上一层，故需要比较厚的一层滤料去拦截这些微小悬浮物，越往下层，这一现象愈加明显。从整体上看，这种过滤方式是用截污能力最强的细滤料（表层）去拦截水中最容易除去的大颗粒杂质，用截污能力最弱的粗滤料（底层）去拦截水中最难除去的小颗粒杂质，也就是说沿着水流方向滤床截污能力由强到弱的变化与水中杂质先易后难的分级筛除很不适应。所以，该滤床出水水质差，过滤周期短。这种过滤，事实上会造成污泥绝大部分堆积在上层，导致局部阻力增长过快，因而总的水头损失大。 从上面分析可以看出，单层滤料向下流过滤的固有缺陷是沿过滤水流方向滤料颗粒由小到大排列。消除这一缺陷，实现滤料颗粒由大到小这一理想排列方式。有两条途径：①改变水流方向，让水自下而上通过滤料层，即采用向上流过滤；②用多层滤料。它通过选择密度不同的两种或三种滤料，做到反冲洗后轻而粗的滤料在上层，细而重的滤料处于下层。形成上粗下细的较佳排列。多层滤料过滤器中每种滤料装填一定高度形成一层，各层叠加共同构成滤床。多层滤床客观上受滤料种类的限制，不可能装填无限层，现已用于生产实际的只双层滤床（如煤一砂）和三层滤床（如煤一砂一磁铁矿）。

下面以三层滤料床为例，说明多层滤料床的构成。三层滤床的上层粒径最大。由密度小的轻质滤料如无烟煤或活性炭组成，中层粒径居中，由密度比上层大比下层小的中等密度滤料如石英砂组成,下层则由粒径最小。密度比上面两层都大的重质滤料如磁铁矿构成。这种滤床水力反冲洗分层后，密度大的细滤料在底层，密度小的粗滤料在上层，介于两者之间的在中层，最终形成上粗下细三层。 当水由上而下通过三层滤料床时，上部粗滤料除去水中较大尺寸的杂质，起粗滤作用；下部细滤料进一步除去细小的剩余杂质，起精滤作用。这样每层滤料发挥自己的特长，截污能力得到充分发挥。所以，三层滤床出水法度小，过滤周期长，水头损失小，过滤性能比单层优越。不过。就三层滤床的每一层而言。在反冲洗以后，

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每层都有各自的水力分级，仍然是上细下粗，单层滤料床的固有缺陷并没有彻底消除，，但从层与层之间的整体看仍然是上粗下细。 向上流滤床，滤料沿程从粗到细，截污能力沿程渐增，因而实现了整层滤料截污能力与残留杂质除去难度的最佳匹配。这种滤床性能优越，截污容量大，。过滤周期长，出水水质好，水头损失增长速度慢。。

从上述分析可知，沿过滤水流方向滤料颗粒由大到小排列的滤床最为理想。 四、承托层

承托层的作用是支承滤料，防止滤料从配水系统流失，以及均匀分布反洗水和收集出水。目前，承托层主要有两种形式，即水帽式和卵石层敷设于滤料层和配水系统之间。

承托层应保持一定厚度，以便将孔眼射流的动能转化为位能，均匀分配射流水，消除偏流。从水力学角度看，要求过水断面上承托层本身的水头损失处处相同以及水头损失较小。

第四节 过滤设备的工作过程 下面以机械过滤器为例，介绍过滤设备的工作过程。 一、过滤

图5－6所示机械过滤器由进水管、出水管、筒体、滤层和阀门等组成。

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在进水管和出水管上分别安装有压力表P1和P2，其示值分别为p1和p2，过滤时的水头损失。管上分别安装有压力表N和PZ其示值分别为A和PZ，过滤时hft为＊－PZ相当于过滤器的水头损失。出水管上还接有浊度计Z，用来监测滤出水浊度激滤层厚度通常在700～1200mm。过滤时，关闭反洗水进水阔K3、反洗排水问K4、进压缩空气阀KS和出水阀KZ，开启进水间KI和正洗排水阀K6，浑水自上而下流经滤料层，不合格出水经K6排放。当排水浊度下降至满足要求时，关闭K6，打开K4，过滤正式开始。过滤时，水进人滤层后就在这弯弯曲曲的空隙间流动。滤层的孔隙分布很像一个网，整个滤层就是这许许多多筛网层层叠加而成，形成拦截水中悬浮杂质的一道道屏障。这种筛孔不是普通的筛孔，它既能机械筛除比孔眼大的杂质又能吸附比孔眼小的部分杂质不让其通过，剩余的比孔眼小的杂质被输送到下游，由下层滤料滤除，最后只剩下少量微小杂质残留在出水中。原水杂质是随水在滤层流动过程中被滤料筛除或吸附的。在过滤初期，杂质截留主要发生在最上一层滤料中，而大部分下层滤料尚处在等待状态。随着过滤的进行，上层滤料污泥不断增多，孔隙减少，水流通道变窄。其结果，一方面使水流阻力增加即hft增加，另一方面水流速度增大，对已截留的污泥冲刷剥落作用增强，迫使一部分杂质输送到下一层滤除，成

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时水中悬浮物的截留带从上层转。移到下一层。继续过滤，截留带1进一步向下推进，当截留带前锋接近最底部滤层后再继续过滤，则出水浊度增加。过滤过程中水头损失hft和出水浊度产呈现图5－7那样的变化趋势。

图5S是某石英砂滤层不同深度处水中浊度的经时变化。图中曲线P》P3、P。和P。分别代表深度200nun、400rum、600nun和800rum处的浊度经时变化。可以看出，随着过滤的进行，截留带依次向纵深推进，水中浊度依内一内～P4－－＊PS曲线排列的先后顺序上升。

为了保证出水水质，控制制水能耗，过滤器通常运行到一定程度后停止过滤，然后实施反冲洗，清除滤层中的污泥，恢复滤料过滤能

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