吉師大水污染控制工程教案第8章 污水的化學(xué)與物理化學(xué)處理

污水的化學(xué)與物理化學(xué)處理本章重點(diǎn)混凝的基本概念及其機(jī)理混合的機(jī)理和設(shè)備混凝劑、助凝劑的概念影響混凝的主要因素中和法處理酸堿廢水吸附工藝及其設(shè)備離子交換法膜析法本章難點(diǎn)混凝劑的概念和混凝的機(jī)理；膜析法本章內(nèi)容8.1、廢水的混凝混凝（絮凝）的基本概念：混凝（絮凝）：通過向污水中加入化學(xué)藥劑，使廢水（污水）中的膠體顆粒或其他物質(zhì)能夠凝聚成大顆粒從而與水相分離的方法，一般有混凝沉淀和混凝氣浮兩大類?；炷^程具有兩個作用：處理對象：膠體態(tài)及難沉物；第一個作用：使水中原有的離散微粒首先具有粘附在固體顆粒上的性質(zhì)——凝聚（coagulation）。第二個作用：使這些具有粘附性的離散微粒能夠粘結(jié)成絮體——絮凝（flocculation）混凝（coagulation-flocculation）膠體顆粒的基本性質(zhì)①水處理中常見膠體：粘土顆粒（對于d<4μm），大部分細(xì)菌（0.2~80nm），病毒（10~300nm），蛋白質(zhì)。②穩(wěn)定性：膠體顆粒在水中保持分散狀態(tài)的性質(zhì)。③憎水性膠體，親水性膠體或介于兩者之間。④對憎水性膠體，其穩(wěn)定性可用雙電層結(jié)構(gòu)來說明。對于親水性膠體，其穩(wěn)定性主要由于它所吸附的大量水分子所構(gòu)成的水殼來說明。1、混凝原理及藥物混凝是廢水處理中最具代表意義的技術(shù)，混凝原理涉及界面與膠體科學(xué)的內(nèi)容，目前混凝研究仍處在瓶頸階段。所謂的混凝四大機(jī)理：1.壓縮雙電層，2.吸附電中和，3.吸附架橋，4.沉淀網(wǎng)捕。其實(shí)對混凝科學(xué)的研究幫助不大。關(guān)鍵問題是混凝的定量性存在與否，定量性依據(jù)是什么的問題。膠團(tuán)示意圖水處理混凝劑一覽藥劑的溶解和投加過程2.混合的機(jī)理和設(shè)備混合在多相的廢水處理中是一個重要的單元操作，包括（1）一種物質(zhì)和另一種物質(zhì)的完全混合。（2）可互溶液體物質(zhì)間的摻混。（3）廢水的混凝（Coagulation&Flocculation)（4）廢水中懸浮體的持續(xù)維持（5）熱的傳遞混合可分為（1）持續(xù)性快速混合（小于30秒）（2）持續(xù)性慢速混合（大于30秒）（3）間歇式混合?；旌鲜且环N能量耗散，促成紊流是混合的要領(lǐng)?；旌嫌懈鞣N手段，衡量優(yōu)劣的是混和效率化學(xué)混凝的設(shè)備混凝劑的配制和投加設(shè)備；混合設(shè)備；反應(yīng)設(shè)備；分離設(shè)備兩種方式的混合攪拌漿板式機(jī)械混合池反應(yīng)設(shè)備反應(yīng)設(shè)備中，攪拌強(qiáng)度沿水流方向應(yīng)逐漸減小。思考：這樣做的目的是什么？反應(yīng)設(shè)備主要設(shè)計參數(shù)是：攪拌強(qiáng)度：用速度梯度G表示。攪拌時間：t速度梯度G速度梯度：指由于攪拌在垂直水流方向上引起的速度差。Gt值間接表示整個反應(yīng)時間內(nèi)顆粒碰撞的總次數(shù)，可以用來控制反應(yīng)效果。（104－105）GtC也可以應(yīng)用，C為膠體濃度。（100左右）水平軸機(jī)械反應(yīng)池垂直軸機(jī)械反應(yīng)池全自動加藥工藝流程助凝劑概念助凝劑指用于混凝劑共同（在前、在后、同時）使用時，可促進(jìn)水的混凝過程的化學(xué)藥劑.其主要作用有：1.調(diào)整水的pH值，例如投加酸堿，對天然水常用的是石灰，使混凝劑處在最佳pH值范圍內(nèi)。2.增大礬花的粒度，重度和結(jié)實(shí)度。3.氧化作用。影響混凝的主要因素內(nèi)部因素：1.原水的水質(zhì)和水溫2.混凝劑種類和投量3.pH值4.離子強(qiáng)度外部因素：1.藥劑的配制和投放2.混合、反應(yīng)、分離和輸送混凝實(shí)驗(yàn)的一般步驟（巨量的燒杯實(shí)驗(yàn)）1.原水調(diào)查（特別是目標(biāo)物質(zhì)的選定，電導(dǎo)率）；2.原水的初試（試管實(shí)驗(yàn)）；3.專項(xiàng)分析，確定跟蹤和表征指標(biāo)，電導(dǎo)率和吸光度很有作用；4.選擇幾種方案，比較幾種藥物；5.對目標(biāo)藥劑進(jìn)行化學(xué)計量方面的實(shí)驗(yàn)，確定最佳投量，比例關(guān)系，操作條件等；6.進(jìn)行機(jī)理的探討和研究（普遍欠缺）；7.進(jìn)行混合等工程學(xué)方面的參數(shù)實(shí)驗(yàn)。8.2、中和法酸堿廢水的產(chǎn)生和處置方法。酸和堿是常用的工業(yè)原料。而酸堿廢水對排水管網(wǎng)有腐蝕危害，所以必須對其進(jìn)行處理。酸性廢水的處置方法大致可以用以下兩種：投加法；過濾法投加法：如果中和劑能制成溶液或漿料，可以將其直接投入中和池進(jìn)行中和反應(yīng)。投加法的藥劑工業(yè)上主要是:石灰：熟石灰Ca(OH)2），制成乳液，濃度10％左右；電石渣：電石CaC、Ca(OH)2；石灰石：CaCO3；有時也用苛性鈉（NaOH）和碳酸鈉（Na(OH)2）。冷軋廠酸堿廢水的處理過濾法：用石灰石、白云石作為中和劑時，常將其制成粗粒狀，作為濾料，采用過濾法處理酸性廢水。以石灰石為濾料時，廢水硫酸濃度一般不超過1-2g/L。如果硫酸濃度過高，可以用回流水稀釋。升流式膨脹濾池：當(dāng)粒料粒經(jīng)較小（<3mm）時，廢水上升濾速應(yīng)在50－70m/h，這樣濾床膨脹，粒料互相摩擦有助于防止結(jié)殼。處理煙氣中和堿性廢水：煙氣中含有CO2和少量的SO2、H2S，可以中和堿性廢水。同時，該工藝其實(shí)也是煙氣脫硫的方法之一。廢氣和堿性廢水都得到一定凈化和調(diào)節(jié)。不過出水一般含有硫化物，而且色度顯著增加、含氧量較低，仍需進(jìn)一步處理方可排出。8.3吸附法物理化學(xué)法：主要處理污水中的無機(jī)或有機(jī)（難于生物降解的）溶解物質(zhì)或膠體物質(zhì)。尤其是用于處理：雜質(zhì)濃度很高的廢水；濃度很低的廢水。水處理中主要應(yīng)用以下幾種物化工藝：吸附；離子交換；萃??；膜析。吸附原理：固體表面有吸附水中溶解及膠體物質(zhì)的能力，比表面積大則吸附能力也大。吸附可以分為： 物理吸附：吸附劑與吸附物質(zhì)之間通過分子間力（范德華力）而產(chǎn)生的吸附?；瘜W(xué)吸附：吸附劑與被吸附物質(zhì)之間產(chǎn)生化學(xué)作用，生成化學(xué)鍵引起吸附。兩種吸附并不是相互對立的，多數(shù)情況是幾種吸附的綜合結(jié)果。吸附劑：活性碳：吸附力強(qiáng)，比表面積可達(dá)800-2000m2/g，價格低，制備容易，再生困難。再生方法1)加熱再生法：提高溫度，使吸附分子脫附。注意加熱再生爐應(yīng)在缺氧狀態(tài)下工作，炭量損失少。2)化學(xué)再生法：通過化學(xué)反應(yīng)使吸附質(zhì)轉(zhuǎn)化為易溶于水的物質(zhì)解析下來。腐植酸類吸附劑：主要有天然富含腐植酸的風(fēng)化煤、泥煤、褐煤等。目前已經(jīng)有很多成型產(chǎn)品（填料）投放市場，用于水處理吸附。吸附工藝和設(shè)備間歇式：攪拌反應(yīng) 靜止沉淀 排出澄清液連續(xù)吸附工藝：固定床：吸附劑固定填放在吸附柱（塔）中。移動床：定期將接近飽和的吸附劑排出，同時填入新吸附劑流化床：吸附劑在吸附柱內(nèi)處于膨脹狀態(tài)。其中固定床最為常用。8.4離子交換法用途：水處理中主要用于軟化和除鹽，廢水處理中主要用于去除廢水中的金屬離子（回收含鉻廢水）。實(shí)質(zhì)：不容性的離子化合物（離子交換劑）上的可交換離子與溶液中的其它同性離子的交換反應(yīng)，是一種特殊的吸附過程，通常是可逆的化學(xué)吸附。離子交換劑水處理中的離子交換劑主要有：磺化煤：天然煤為原料，經(jīng)濃硫酸磺化以后制成。交換容量低、機(jī)械強(qiáng)度差、化學(xué)不穩(wěn)定。離子交換樹脂：人工合成的高分子聚合物，由樹脂本體（母體或骨架）和活性基團(tuán)兩個部分組成。離子交換樹脂的分類按照樹脂類型和孔結(jié)構(gòu)分為:凝膠型樹脂；大孔型樹脂；多孔型樹脂；巨孔型樹脂（MR）；高巨孔型樹脂（超MR型）等。按活性基團(tuán)分：陰離子交換樹脂（含酸性基團(tuán)）；陽離子交換樹脂（含堿性基團(tuán)）；螯合樹脂（含胺羧基團(tuán)）；氧化還原樹脂（氧化還原基團(tuán)）。離子交換在水處理中的用途廢水種類有害物質(zhì)交換樹脂廢水出路再生劑再生液出路電鍍（鉻）廢水（鍍件清洗水）CrO42-大孔陰離子循環(huán)食鹽燒堿氫型陽離子交換除鈉后回用電鍍廢水Cr3+Cu2+氫型強(qiáng)酸性陽離子循環(huán)18%-20%硫酸蒸發(fā)濃縮后回用含汞廢水Hg2+，HgClx（x-2）氯型強(qiáng)堿性大孔陰離子中和后排放鹽酸回收汞粘膠纖維廢水Zn2+強(qiáng)酸性陽離子中和后排放硫酸回用放射性廢水放射性離子強(qiáng)酸堿陰陽離子排放硫酸鹽酸燒堿進(jìn)一步處理氯苯酚廢水氯苯酚弱堿大孔型排放2%NaOH甲醇回收酚及甲醇8.5膜析法膜析法：是利用薄膜以分離水溶液中某些物質(zhì)的方法的統(tǒng)稱。目前膜析法主要有：擴(kuò)散滲析法（滲析法）、電滲析法、反滲透法、超過濾法等。滲析現(xiàn)象半透膜滲析作用的類型篩分：依靠薄膜中“孔道”的大小分離不同分子或離子；離子交換：依靠薄膜的離子結(jié)構(gòu)分離不同性質(zhì)的離子。選擇性溶解：依靠薄膜的有選擇的溶解性分離某些物質(zhì)，如醋酸纖維膜有溶解某些氣體和液體的性能。廢水處理中最常用的半透膜是離子交換膜。膜析法分類物質(zhì)透過薄膜需要動力，目前主要有：分子擴(kuò)散作用；電力；壓力。按照動力不同可以分為：滲析法：依靠分子自然擴(kuò)散，也稱為擴(kuò)散滲析法。電滲析：電力推動的滲析法。反滲透和超過濾：壓力推動的滲析法。擴(kuò)散滲析法電滲析法電滲析技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用電滲析器在食品中的主要是飲用水、飲料、酒類的給水處理、大豆低聚糖等食品物料的除鹽、酶制劑等的提純濃縮。反滲透法：一種借助壓力促使水分子反向滲透，以濃縮溶液或廢水的方法。反滲透裝置一般分為：板框式、管式、螺旋卷式、中空纖維式。超過濾法超過濾法與反滲透法相似，超過濾膜孔徑比反滲透要大，在0.005-1μm之間。機(jī)理并不是單純的過濾，而是包括：吸附：溶質(zhì)在膜表面、孔壁上的吸附；阻塞：溶質(zhì)嵌在孔內(nèi)；截留：大顆粒溶質(zhì)在膜表面截留。幾種膜的特性膜類型機(jī)理分離下限μm能分離物質(zhì)致病菌有機(jī)物無機(jī)物電滲析荷電0.0001無無全部反滲透篩分；擴(kuò)散0.0001細(xì)菌、病毒合成有機(jī)物全部納濾篩分；擴(kuò)散0.001細(xì)菌、病毒合成有機(jī)物全部超濾篩分0.001細(xì)菌、病毒無無微濾篩分0.01細(xì)菌、病毒無無8.6臭氧氧化法臭氧（O3），是氧氣的同素異形體，與氧氣有顯著不同的性質(zhì)。臭氧為淡藍(lán)色，有特殊的“新鮮”氣味，在低濃度下使人感到清爽，濃度高時，具有特殊的臭味，而且有毒。臭氧密度為氧的1.5倍，水中溶解度比氧大10倍，比空氣大25倍。臭氧氧化性極強(qiáng)，氧化還原電位僅次于F2。臭氧的制備：目前臭氧制備方法有：無聲放電法、放射法、紫外線輻射法、等離子射流法和電解法等。水處理中常用的是無聲放電法。1）臭氧發(fā)生器:臭氧發(fā)生器通常由多組放電發(fā)生單元組成，有管式和板式兩類。管式有立管式和臥管式兩種；板式也有奧托板式和勞澤板式兩種。目前生產(chǎn)上使用得較為廣泛的是管式。用無聲放電法制備臭氧的理論比電耗為0.95kwh/kgO3，而實(shí)際電耗大很多。臭氧產(chǎn)率，實(shí)際值僅為理論值的10％左右，其余能量均變?yōu)闊崮?，使電極溫度升高。為此要設(shè)冷卻設(shè)備。2）臭氧接觸反應(yīng)設(shè)備:分為汽泡式、水膜式和水滴式三類。3）承壓式異向流反應(yīng)器：增設(shè)了陳流和升流管，反應(yīng)器底部壓力增大，可提高臭氧在水中的溶解度，從而提高臭氧的利用率。降流管的有效水深為10一12m，流速應(yīng)小于150mm／s。各格有效水深為2m．流速為13mm／s，接觸時間為2．5mm，臭氧的利用率可達(dá)90％以上。4）表面曝氣式反應(yīng)器：這種反應(yīng)器適用于加注臭氧量較低的場合，缺點(diǎn)是銘耗較大。5）篩板塔和泡罩塔：6）水膜式臭氧接觸反應(yīng)器和水滴式臭氧接觸反應(yīng)器：臭氧可使廢水中的污染物氧化分解．常用于降低BOD、COD，脫色、除奧、除味，殺菌、殺藻，除鐵、錳、氰、酚等。臭氧用于消毒過濾飲用水時，微量不大于1mg/L，接觸時間不大于15min，且不受水中氨氮含旦和PH值的影響。用于城市生活污水二級處理后的深度處理，臭氧投量一般為10一20mg/L，接觸時間5—20min。BOD5降低60％一70％；合成表面活性物質(zhì)降低90％；致癌物質(zhì)降低80％。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：a．氧化能力強(qiáng)，對除臭、脫色、殺菌、能去除有機(jī)物和無機(jī)物b．處理后廢水中的臭氧易分解，不產(chǎn)生二次污染；c．制備臭氧用的空氣和電不必貯存和運(yùn)輸．操作管理也較方便。d．處理過程中一般不產(chǎn)生污泥。缺點(diǎn)：a．造價高；b．處理成本高。8.7過氧化氫氧化法過氧化氫是淡藍(lán)色粘稠液體，熔點(diǎn)-0.43℃在水處理中的應(yīng)用:Fenton試劑：亞鐵離子和過氧化氫的組合。產(chǎn)生羥基自由基，具有高氧化性，其氧化還原電位高于臭氧。類Fenton試劑：在Fenton工藝基礎(chǔ)上，與其他工藝相結(jié)合的方式，如電-Fenon、光-Fenton等等。過氧化氫單獨(dú)氧化。8.8濕式氧化法濕式氧化法（WetAirOxidation簡稱WAO）是在高溫、高壓下，利用氧化劑將廢水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，從而達(dá)到去除污染物的目的。與常規(guī)方法相比，具有適用范圍廣、處理效率高、無二次污染、氧化速度快、可回收能量及有用物料等特點(diǎn)。存在的缺點(diǎn)主要有：1高溫高壓條件下進(jìn)行，中間產(chǎn)物有有機(jī)酸類，所以對設(shè)備要求較高。2由于反應(yīng)高溫，對大量廢水不經(jīng)濟(jì)。3某些有機(jī)物，如多氯聯(lián)苯、小分子羧酸取出效果不理想。4濕式氧化可能會產(chǎn)生毒性更強(qiáng)的中間產(chǎn)物。濕式氧化法反應(yīng)機(jī)理：應(yīng)用舉例：湛江東興石油企業(yè)有限公司撫順石油化工研究院濕式氧化工藝處理煉油廢堿液8.9光化學(xué)氧化TiO2光催化的方法又稱為納米光催化氧化法。此工藝采用半導(dǎo)體金屬氧化物為催化劑，用氧氣作為氧化劑。經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)金屬氧化物都不適合，只有TiO2具有良好的反應(yīng)特性。氧化鈦光催化劑屬n型半導(dǎo)體，當(dāng)它接受紫外線(400nm)時，形成電子(Electron)及電子束(ElectronHole)，生成有強(qiáng)烈氧化作用的-OH及O2-，這兩種物質(zhì)把有機(jī)化合物進(jìn)行氧化分解，使之變成水(H2O)及二氧化碳(CO2)。8.10超臨界水氧化技術(shù)超臨界水氧化技術(shù)（Supercrit