水污染控制工程05 废水的物化处理

第一节 化学絮凝法

第二节 气浮法

第三节 吸附

第四节 离子交换法

第五节 膜分离技术

第一节 化学混凝法

一、混凝原理

化学混凝处理的对象主要是水中的微小悬浮物和胶体杂质。

1. 胶体的稳定性

胶体间的相互斥力不仅与ξ电位有关，还与胶粒的间距有关，距离越近，斥力越大。而布朗运动的动能不足以将两颗胶粒推进到使范徳华引力发挥作用的距离。因此，胶体微粒不能相互聚结而长期保持稳定的分散状态。

水化作用也使胶体不能相互聚结。

2. 混凝原理

(1) 压缩双电层作用

混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层, 使ξ电位降低。当ξ电位为零时, 称为等电状态。此时胶体间斥力消失, 胶粒最易发生聚结。

实际上，ξ电位电位只要降至某一程度而使胶粒间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就开始产生明显的聚结，这时的ξ电位称为临界电位。

胶粒因ξ电位电位降低或消除以至失去稳定性的过程，称为胶体脱稳。脱稳的胶粒相互聚结，称为凝聚。

上述反应中，降低水中H+(或H3O+)浓度或提高pH，使反应趋向右方，水合羟基络合物的电荷逐渐降低，最终生成中性氢氧化铝难溶沉淀物。

当pH<4时，水解受到抑制，水中存在的主要是[Al(H2O)3]3+ 。

当pH＝4~5时，水中有[Al(OH)(H2O)5]2+、[Al(OH)2(H2O)4]+及少量[Al(OH)3(H2O)3]。

当pH＝7~8时，水中主要是[Al(OH)3(H2O)3]沉淀物。

但在某一特定pH时，水解产物还有许多复杂的高聚物和络合物同时共存。

因为初步水解产物中的羟基OH-具有桥键性质。

在由[Al(H2O)6]3+转向[Al(OH)3(H2O)3]的中间过程中，羟基可将单核络合物通过桥键缩聚成多核络合物：

两个单羟基络合物通过羟基桥联可缩合成双羟基双核络合物：

从上述反应可以看出，三价铝盐发挥混凝作用的是各种形态的水解聚合物。

带有正电的水解聚合物，同时起到压缩双电层的脱稳和吸附架桥的作用。

为使硫酸铝达到优异的混凝效果，应尽量使胶体脱稳和吸附架桥作用都得到充分发挥。

当混凝剂投放水中后，应立即进行剧烈搅拌，使带电聚合物迅速均匀地与全部胶体杂质接触，使胶体脱稳，随后，脱稳胶体在相互凝聚的同时，靠聚合度不断增大的高聚物的吸附架桥作用，形成大的絮凝体，使混凝过程很好完成。

二、混凝剂和助凝剂

1. 混凝剂

2. 助凝剂

三、 影响混凝效果的主要因素

1. 水温

2. pH

3. 水中杂质的成分、性质和浓度

4. 水力条件

四、 化学混凝的设备

1. 混凝剂的配制和投加设备

(1) 混凝剂的溶液和配制

混凝剂在溶解池中进行溶解:

搅拌

药剂溶解完全后，将浓药液送入溶液

池，用清水稀释到一定的浓度备用。

溶解池的容积：

式中: W1——溶液池容积，m3；

qv——处理地水量，m3/h;

A——混凝剂地最大投加量，mg/L;

c——溶液浓度，％；

n——每天配置次数，一般为2~6次。

(2) 混凝剂溶液的投加

2. 混合设备

(1) 水泵混合

(2) 隔板混合

(3) 机械混合

3. 反应设备

(1) 隔板反应池

(2) 机械反应池

第二节 浮上法/气浮法

水和废水的浮上法处理是将空气以微小气泡形式通入水中，使微小气泡与在水中悬浮的颗粒粘附，形成水-气-颗粒三相混合体系，颗粒粘附上气泡后，密度小于水即上浮水面，从水中分离，形成浮渣层。

浮上法处理工艺必须满足下述基本条件：

必须向水中提供足够量的细微气泡；

必须使污水中的污染物质能形成悬浮状态；

必须使气泡与悬浮的物质产生粘附作用。

污水处理技术中，浮上法固-液或液-液分离技术应用的几方面：

石油、化工及机械制造业中的含油污水的油水分离;

工业废水处理;

污水中有用物质的回收;

取代二次沉淀池，特别是用于易产生活性污泥膨胀的情况;

剩余活性污泥的浓缩。

浮上法的类型

电解废水可同时产生三种作用：

电解氧化还原；

电解混凝；

电气浮。

电 解 浮 上 法

电解浮上法是将正负极相间的多组电极浸泡在废水中，当通以直流电时，废水电解，正负两级间产生的氢和氧的细小气泡粘附于悬浮物上，将其带至水面而达到分离的目的。

电解浮上法产生的气泡小于其他方法产生的气泡，故特别适用于脆弱絮状悬浮物。电解浮上法的表面负荷通常低于4m3/(m2·h)。

电解浮上法主要用于工业废水处理方面，处理水量约在10~20m3/h。由于电耗高、操作运行管理复杂及电极结垢等问题，较难适用于大型生产。

电 解 浮 上 法

电 解 浮 上 法

分散空气浮上法

从溶解空气和

析出条件来看

加压溶气浮上法：空气在加压条件下溶解，常压下使过饱和空气以微小气泡形式释放出来

需要溶气罐、空压机或射流器、水泵等设备

真空浮上法：空气在

常压下溶解，真空条件下释放

优点：无压力设备

缺点：溶解度低，气

泡释放有限，需要密闭设备维持真空，运行维护困难

溶解空气浮上法

真空浮上法

加压溶气浮上法的基本原理

空气在水中的溶解度与压力的关系

空气在水中的

溶解度的表示

加压溶气气浮

空气在水中的溶解度与温度、压力有关。

在一定范围内，温度越低、压力越大，其溶解度越大。

一定温度下，溶解度与压力成正比。

空气从水中析

出的过程分两个步骤，即气泡的形成过程与气泡的增长过程。

气泡核的形成过程起决定性作用，有了相当数量的气泡核，就可以控制气泡数量的多少与气泡直径的大小。溶气气浮法要求在这个过程中形成数目众多的气泡核，溶解同样空气，如形成的气泡核的数量越多，则形成的气泡的直径也就越小，越有利于满足浮上工艺的要求。

加压溶气的两种方式

存在问题：

填料长膜；

压缩气含油；

调节不便；

时而需放气。

存在问题：

设备较复杂；

造价偏高。

部分溶气加压气浮法

化学药剂的投加对气浮效果的影响

一般的疏水性或亲水性的物质，均需投加化学药剂，以改变颗粒的表面性质，增加气泡与颗粒的吸附。这些化学药剂分为下述几类：

化学药剂的投加对气浮效果的影响

一般的疏水性或亲水性的物质，均需投加化学药剂，以改变颗粒的表面性质，增加气泡与颗粒的吸附。这些化学药剂分为下述几类：

化学药剂的投加对气浮效果的影响

一般的疏水性或亲水性的物质，均需投加化学药剂，以改变颗粒的表面性质，增加气泡与颗粒的吸附。这些化学药剂分为下述几类：

化学药剂的投加对气浮效果的影响

一般的疏水性或亲水性的物质，均需投加化学药剂，以改变颗粒的表面性质，增加气泡与颗粒的吸附。这些化学药剂分为下述几类：

化学药剂的投加对气浮效果的影响

一般的疏水性或亲水性的物质，均需投加化学药剂，以改变颗粒的表面性质，增加气泡与颗粒的吸附。这些化学药剂分为下述几类：

压力溶气浮上法系统的组成

压力溶气系统

压力溶气系统

压力溶气系统

压力溶气系统

加压水泵

压力溶气罐

空气供给设备

附属设备

空气释放系统是由溶气释放装置和溶气水管路组成。

溶气释放装置的功能是将压力容器水减压，使溶气水中的气体以微气泡的形式释放出来，并能迅速、均匀地与水中的颗粒物质粘附。

常用的溶气释放装置有减压阀、溶气释放喷嘴、释放器等。

空气释放系统

气浮池的功能是提供一定的容积和池表面积，使微气泡与水中悬浮颗粒充分混合、接触、粘附，并使带气颗粒与水分离。

目前最常用，其反应池与气浮池合建。废水进入反应池完全混合后，经挡板底部进入气浮接触室以延长絮体与气泡的接触时间，然后由接触室上部进入分离室进行固液分离。池面浮渣由刮渣机刮入集渣槽，清水由底部集水槽排出。

平流式气浮池的优点是池深浅、造价低、构造简单、运行方便。

缺点是分离部分的容积利用率不高等。

气浮池的有效水深通常为2.0~2.5m，一般以单

格宽度不超过10m、长度不超过15m为宜。

废水在反应池中的停留时间与混凝剂种类、投加量、反应形式等因素有关，一般为5~15min。

为避免打碎絮体，废水经挡板底部进入气浮接触室时的流速应小于0.1m/s。废水在接触室中的上升流速一般为10~20mm/s，停留时间应大于60s。

竖流式气浮池的基本工艺参数与平流式气浮池相同。

其优点是接触室在池，水流向四周扩散，水力条件较好。

缺点是与反应池较难衔接，容积利用率较低。

有经验表明，当处理水量大于150~ 200m3/h、废水中的可沉物质较多时，宜采用竖流式气浮池。

气 浮 池

竖流式气浮池

平流式气浮池

第三节 吸 附

一、 吸附原理

吸附剂：固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的能力,比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力。

表明被吸附物的量与浓度之间的关系式称为吸附等温式。

2. Langmuir等温式

二、影响吸附的因素

吸附速度主要取决于外部扩散速度和孔隙扩散速度。

吸附剂的物理化学性质和吸附质的物理化学性质对吸附有很大影响。

三、吸附剂

1. 活性炭

在水处理中较多采用颗粒活性炭。

再生是在吸附剂本身的结构基本不发生变化的情况下，用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去,恢复它的吸附能力。

再生方法

2. 腐植酸类吸附剂

种类：天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等，它们可以直接使用或经简单处理后使用；将富含腐植酸的物质用适当的黏合剂制备成的腐植酸系树脂。

腐植酸是一组芳香结构的，性质与酸性物质相似的复杂混合物。

腐植酸类物质能吸附工业废水中的许多金属离子，如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。

腐植酸对阳离子的吸附，包括离子交换、螯合、表面吸附、凝聚等作用。

腐植酸类物质在吸附重金属离子后,可以用H2SO4、HCl、NaCl等进行解吸。

四、 吸附工艺和设备

操作方式

五、吸附法在污水处理中的应用

1. 吸附法除汞

活性炭有吸附汞和汞化合物的性能，但因其吸附能力有限，只适宜于处理含汞量低的废水。

吸附法除汞流程

2. 炼油厂、印染厂废水的深度处理

某炼油厂含油废水，经隔油，气浮和生物处理后，再经砂滤和活性炭过滤深度处理。

废水的含酚量从0.1mg/L(生物处理后)降至0.005mg/L，氰从0.19mg/L降至0.048mg/L，COD从85mg/L降至18mg/L。

第四节 离子交换法

实质：不溶性离子化合物(离子交换剂)上的可交换离子与溶液中的其他同性离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆化学吸附。

离子交换是可逆反应，其反应式可表达为：

交换树脂

交换离子

饱和树脂

在平衡状态下，树脂中及溶液中的反应

物浓度符合下列关系式：

K值的大小能定量地反映离子交换剂对某两个固定离子交换选择性的大小。

一、离子交换剂

离子交换树脂是人工合成的高分子聚合物，由树脂本体(又称母体或骨架)和活性基团两个部分组成。

二、离子交换树脂的选用

1. 离子交换树脂的有效pH范围

树脂类型

强酸性离子交换树脂

弱酸性离子交换树脂

强碱性离子交换树脂

弱碱性离子交换树脂

有效pH范围

1~14

5~14

1~12

0~7

2. 交换容量

定量表示树脂交换能力的大小，单位为mol/kg(干树脂)或mol/L(湿树脂)

3. 交联度

交联度较高的树脂，孔隙较低，密度较大，离子扩散速度较低，对半径较大的离子和水合离子的交换量较小，浸泡在水中时，水化度较低，形变较小，也就比较稳定，不易破碎。

4. 交换势

交换势大，交换离子越容易取代树脂上的可交换离子，也就表明交换离子与树脂之间的亲和力越大。

规 律

（1）离子的交换的交换势, 除同它本身和离子交换树脂的化学性质有关外, 温度和浓度的影响都很大。

（2）在常温和低浓度水溶液中，阳离子的价态越高，它的交换势越大。

（3）在常温和低浓度水溶液中，同价阳离子的交换势大致上是原子序数越高，交换势越大；但是稀土元素情况正好相反。

（4）氢离子对阳离子交换树脂的交换势，取决于树脂的性质。

（5）在常温和低浓度水溶液中，对弱碱性阴离子交换树脂来说, 酸根(阴离子)的交换序列如下：SO42-> CrO42- >柠檬酸根>酒石酸根 >NO3- >AsO43- >PO43- >MoO42- >醋酸根、I-、Br- >Cl- >F-。

（6）对强碱性阴离子交换树脂讲，离子的交换势随树脂的性质而异，没有一般性的规律。

（7）氢氧基对阴离子交换树脂的交换势决定于树脂类型。

（8）离子量高的有机离子和金属络合离子的交换势特别大。

（9）大孔型树脂具有很强的吸附性能，往往可以吸附废水中的非离子型杂质。

三、离子交换的工艺和设备

1. 交换

开启进水阀1和出水阀2，其余阀门关闭。

2. 反洗

3. 再生

先关闭阀门3和4，打开排气阀7及排水阀5，将水放到离树脂层表面10cm左右，再关闭阀门5，开启进再生液阀门8，排出交换器内空气后，即关闭阀门7，再适当开启阀门5，进行再生。

四、离子交换法在废水处理中的应用

1. 电镀含铬废水的处理

生产实践表明，在电镀车间铬镀槽的洗涤水闭路循环系统中采用离子交换法分离、回收铬酸是有效的。

2. 离子交换法处理含汞废水

日本和瑞士的氯碱厂采用阴离子交换树脂和螯合树脂处理含汞(氯化汞络合离子)废水。

第五节 膜分离技术

膜析法是利用薄膜以分离水溶液中某些物质的方法总称。

一、渗析法

二、 电

渗析法

海水淡化电渗析法示意图

阳极反应式：

阴极反应式：

三、反渗透法

反渗透法是以压力为驱动力的膜法分离技术。

当完全解离时，i等于阴、阳离子的总数；对非电解质，则i＝1。

装置

四、 超滤法

超滤的过程是动态过程，即在超滤膜的表面既受到垂直于膜面的压力，使水分子得以透过膜面并与被截留物质分离，同时又产生一个与膜表面平行的切向力，以将截留在膜表面的物质冲开。

主要用于分离有机的溶解物, 如淀粉、蛋白质、树胶、油漆等。