1•絮凝
多數自來水水源中的雜質,包括黏土和膠體微粒,以及細菌、病毒、寄生蟲等致病微生物,大部分是以懸浮顆粒形式存在,并且使水渾濁。其中大于1微米的顆粒稱為懸浮顆粒,當水靜止時可以沉淀下來;大小在1納米到1微米之間的顆粒稱為膠體顆粒,因其太小,受布朗運動影響,膠體顆粒自身很難自然沉淀。膠體顆粒表面一般帶電,無機物膠體帶正電,有機物膠體帶負電。由于電的同性相斥作用,也由于帶電膠體表面吸附了一層水分子,使得膠體顆粒很難聚集成較大顆粒而沉淀。膠體的這種不易聚集沉淀的現象稱為膠體的穩定性。如果向水中投加絮凝劑,可以破壞膠體的穩定性,膠體顆??梢阅鄢奢^大的絮體(磯花)而沉淀,這就是絮凝的原理。絮凝一般需要設置投加絮凝劑的設備、藥劑和水進行混合的設施以及絮凝反應設施?;旌显O施要求攪動劇烈,快速均勻混合;絮凝設施攪動程度從入口到出口逐漸變慢,以防止絮體再次被打碎。
如果水中雜質顆粒的相對密度大于水,且有足夠大的尺寸,當水流變緩或靜止時,就會發生沉淀。沉淀是應用最多的水處理方法,可分為自由沉淀和擁擠沉淀。當水中雜質顆粒較少,沉淀時不相互干擾,此時的沉淀為自由沉淀;當水中雜質顆粒較多,沉淀時彼此相互擁擠干擾,此時的沉淀為擁擠沉淀。雜質顆粒的沉淀速度與其相對密度和粒徑有關,相對密度越大、粒徑越大,沉淀速度越快,所需的沉淀時間越短,沉淀池越??;反之沉淀速度越慢,所需的沉淀時間越長,沉淀池越大。膠體顆粒的沉淀需要借助絮凝來完成。沉淀效果與水流狀態有關,水流越慢,擾動越小,沉淀效果越好。在相同的流速下,沉淀過水斷面越小,水流越穩定,沉淀效果越好。
當雜質相對密度小于或等于水時,就無法用沉淀去除,此時可以改用氣浮方法。氣浮是設法在水中形成微小氣泡,氣泡吸附著雜質顆粒上浮到水面,澄清的水從下面流出。氣浮時氣泡越多、越均勻、越小,氣浮效果越好。同樣,投加少量絮凝劑,以形成較大絮狀顆粒,可提高氣浮效果。沉淀或氣浮效果還與沉淀深度有關,沉淀深度越大,沉淀時間就越長。同樣的沉淀效果,較淺的沉淀池,其長度也較短,或者說,同樣長的沉淀池,池身越淺,出水效果越好,這就是“淺池原理’。根據“淺池原理”,人們發明了斜管或斜板沉淀池,即在沉淀池置傾斜的板或蜂窩管,既可縮小沉淀距離,又可有效防止水流的擾動,所以可大幅度地提高沉淀效率,縮小沉淀池體積。另外,
澄清池是將混合、絮凝、分離等水處理過程綜合在一個構筑物中完成的沉淀類設施,具有工作效率高、出水水質穩定、占地面積少等特點。
沉淀或氣浮都不能使水中雜質達到飲用水標準,所以大多數凈水廠還需要設置過濾設施。過濾設施可以是池子(適用處理水量較大的場合),也可是鋼制罐子(適用于處理水量較小的情況),其內部裝有濾料,水從濾料中慢速流過時,雜質被濾料截留。過濾之所以能夠凈彳七水質,主要有以下幾個方面的機制。
(1)機械截留。
濾料的顆粒很小,其內部空隙尺度很小,大于濾料空隙的雜質因不能通過而被去除。
(2)吸附。
濾料有巨大的表面積,其物理彳七學性吸附能力很強,較小的雜質可以被吸附在濾料表面而被去除。這就是為什么很多遠遠小于濾料空隙的雜質也能夠被去除的道理。投加絮凝劑可以大幅度地提高濾料的吸附能力,所以吸附需要絮凝劑來幫助。
消毒是使水中致病微生物失去活性力,以防止引發介水傳染疾病。常用的消毒方法有氯消毒法、紫外線消毒法和臭氧消毒法。
(1)氯消毒。
利用含氯消毒劑對水中微生物進行滅活的方法,是使用最多、最普遍的飲用水消毒方法。常用的含氯消毒劑有液氯、二氧化氯、次氯酸鈉、次氯酸鈣(漂白粉)等。氯化:消毒法的原理是,含氯消毒劑加入水中后,水解形成的次氯酸體積微小,電荷為中性,具有較強的滲入細胞壁的能力。而次氯酸是強氧化劑,使蛋白質、核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)等物質釋出,并能使細菌細胞中的磷酸丙糖去氫酶中的疏基被氧化而破壞,且這種酶對吸收葡萄糖有重要作用,酶的破壞即可引起細菌的糖代謝發生障礙而死亡。
(2)紫外線消毒。
當水中的各種細菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其他病原體受到一定劑量的紫外線輻射后,其細胞組織中的DNA結構受到破壞,從而可在不使用任何化學藥物的情況下殺滅水中細菌和病毒,達到大流量水的消毒和凈化的目的。
紫外線光是電磁波頻譜的一部分,波長在100~400納米,殺菌波長范圍主要介于200~300納米。紫外線消毒系統的消毒效果和紫外線劑量有關,與紫外光強、曝光時間成正比。紫外線消毒并不是殺死微生物,而是破壞其繁殖能力進行滅活。紫外線消毒是一種物理消毒方法,不需要使用田可化學物質,因此,也不會產生化學殘余物質和化學副產物。
紫外線消毒無二次污染,對環境、生態和人類無害,使用安全,無須貯存、運輸及用任何有毒、腐蝕性化學物品,消毒成本低,運行維護簡單、方便、安全。與化學消毒相比,紫夕卜線消毒性能穩定,不受環境條件(如溫度和水中酸堿度)變化的影響。
(3)臭氧消毒。
臭氧(。3)是一種具有特殊氣味的無色氣體,由一個氧分子攜帶一個氧原子組成,具有很高的氧化電位(2.076V)和很強的氧化能力。臭氧溶解在水里自行分解成徑基自由基,間接地氧化有機物、微生物,從而達到殺菌消毒的效果。
臭氧對細菌的滅活反應總是進行得很迅速。與其他殺菌劑不同的是,臭氧能與細菌細胞壁脂類雙鍵反應,穿入菌體內部,作用于蛋白質和脂多糖,改變細胞的通透性,從而導致細胞死亡。臭氧還作用于細胞內的核物質,如核酸中的瞟吟和喀噪,破壞DNAo
臭氧對病毒的作用首先是破壞病毒的衣殼蛋白的4條多肽鏈,并使DNA受到損傷,特別是破壞其形成它的蛋白質。噬菌體被臭氧氧化后,電鏡觀察可見其表皮被破碎成許多碎片,從中釋放出許多核糖核酸,干擾其吸附到寄存體上。
臭氧是自然界中最有效的氧化劑之一,也是用于工業加工、水和空氣處理的理想物質。它能和污染物迅速發生反應,脫色和除臭,同時殺死微生物。由于其分解產物為氧氣,一般24小時內能徹底分解無殘留,較其他處理方法(如氯消毒、吸附、反滲透等)更環保、經濟。國際衛生組織對其滅菌功效曾進行了歸納比較,認為臭氧與其他性質殺菌劑對大腸桿菌的殺滅效果依次為:臭氧>次氯酸>氧化氫>銀離子>次氯酸根>高鐵酸鹽>氯胺。