第16章污水的化学与物理化学处理

LOGO第十六章污水的化学与物理化学处理1.概念利用化学反应作用来去除水中杂质。利用物理化学原理和化工单元操作去除水中杂质。针对无机物或者难以生物降解的有机物、高浓度杂质的回收利用、污水的深度处理2.化学处理方法混凝法、中和法、化学沉淀法、氧化还原法3.物理化学处理方法吸附法、离子交换法、萃取法、膜析法蒸发、蒸馏、结晶混凝沉淀池一.概述1.混凝向污水中预先投加化学药剂来破坏胶体的稳定性，使污水中的胶体和细小的悬浮物聚集成具有可分离性的絮凝体，再加以分离除去的过程。2.处理对象粒度在1nm~100μm部分悬浮液和胶体溶液第一节化学混凝法图3.1胶体结构及电位示意图3.胶体稳定性的原因（1）胶体颗粒间的静电斥力；（2）微颗粒的布朗运动（不足以将两个胶粒推近到使范德华引力发生作用）；（3）颗粒表面的水化作用（带电的胶粒将极性水分子吸引到周围形成水化膜，阻止胶粒之间的接触）。Al(OH)3溶胶4．混凝原理1)压缩双电层作用（降低或消除ζ电位，胶粒布朗运动的动能足以克服斥力）2)吸附架桥作用（高分子物质吸附多个胶粒，并相互粘结）3)网捕作用（沉淀物自身沉淀过程中，卷集、网捕水中的胶粒等并使之粘结）不同情况下高聚物对胶体的吸附架桥作用5.凝聚和絮凝1)凝聚向水中加入混凝剂搅拌混合，使胶体颗粒的脱稳，通过互相接触、吸附、卷带和桥连等机理凝聚在一起，形成小凝粒的过程。2)絮凝小凝粒互相接触，聚合形成大的凝絮体的过程。混凝过程1.混凝剂概念混凝过程中，为使悬浮粒子或胶体变成易于去除的大絮凝体而投加的主要化学药剂。种类1）无机盐类混凝剂及混凝特性2）有机合成高分子混凝剂二.混凝剂、助凝剂常用无机盐混凝剂及其主要性能混凝剂分类聚合硫酸铁（PFS）[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m天然高分子物质：淀粉、树胶、动物胶等铝盐铁盐无机类有机类硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O明矾Al2(SO4)3K2SO4·24H2O聚合氯化铝（PAC）[Al2(OH)nCl6-n]m硫酸亚铁FeSO4·7H2O三氯化铁FeCl3·6H2O阴离子型聚丙烯酸钠阳离子型乙烯吡啶共聚物非离子型聚丙烯酰胺（PAM）人工合成polyacrylamidePolymericferricsulfatePolyaluminiumChloride明矾聚合硫酸铁聚丙烯酰胺淀粉2.助凝剂常用的助凝剂作用：投加酸或碱类以调整pH值；投加活化硅酸、骨胶、海藻酸钠、PAM等，以增强絮凝体的密实性和沉降性能；投加氯、臭氧等氧化剂，以提高混凝效果。海藻酸钠骨胶三、影响混凝效果的主要因素水温无机盐混凝剂的水解是吸热反应温度低，粘度大，不利于胶粒的絮凝长大水的pH值（碱度）不同混凝剂适合的pH范围不同水中杂质的成分、性质和浓度需通过试验来确定合适的混凝剂和投加量水力条件（混合和反应）混合要求快速和剧烈搅拌反应阶段的搅拌强度和水流速度要随絮凝体的结大而降低P295-296四．水与混凝剂的混合与絮凝反应（一）混凝剂溶液的配制（湿投法）1.溶液池容积W12.溶解池容积W2（二）混凝剂溶液的投加1．计量设备（流量计）2．投加方式及设备1)泵前投加2)高位溶液池重力投加3)水射器投加4)采用计量泵投加P297高位溶液池重力投加图3－11水射器压力投加计量泵压力投加(三)混合设备1.混合设备的作用混合设备应满足下列要求：①保证药剂迅速均匀扩散到整个水中；②混合时间不宜过长；③能使水体产生强烈紊动。2.混合设备1）水泵混合（快速剧烈，不需另建设备，但要注意腐蚀和管线长度）2）隔板混合3）机械混合P299（四）反应设备(1)隔板反应池(2)机械搅拌反应池(3)折板絮凝池(4)栅条(网格)絮凝池(5)穿孔旋流絮凝池(6)其他形式的絮凝池P300主要设计参数(1)廊道中的流速起端取0.5-0.6m/s,末端取0.15-0.2m/s。隔板间距从进口到出口逐渐放宽；(2)池数不少于2个，反应时间为20-30min；(3)隔板间距应大于0.5m，池底坡度为0.02-0.03;(4)转弯处过水断面面积为廊道过水断面面积的1.2-1.3倍;(5)水头损失计算可分成数段进行计算。总水头损失为各段损失（包括沿程和局部损失）之和。隔板反应池主要设计参数：①每台搅拌设备上的浆板总面积为水流截面积的10%-20%，不超过25%.浆板长度不大于叶轮直径的75%，宽度为19-30cm；②叶轮半径中心点的旋转线速度，第一格用0.5-0.6m/s，以后逐渐减少，最后一格采用0.1-0.2m/s，不得大于0.3m/s；③反应时间为15-20min。机械搅拌反应池折板絮凝池网格絮凝池第二节中和法一.概念1.中和法利用碱性药剂或酸性药剂将废水从酸性或碱性调整到中性附近的一类处理方法。2.处理对象：废酸液和废碱液废酸液：酸含量大于5-10%的高浓度含酸废水；废碱液:碱含量大于3-5%的高浓度含碱废水。1.投药中和法（湿投加）2.过滤中和法（采用中和剂为滤料）1）普通中和滤池2）升流式膨胀床滤池（图16-3）3）喷淋塔（图16-4）3.以废治废酸性废水与碱性废水相互中和，节约中和剂中和法分类P288第三节化学沉淀处理一.概念1.化学沉淀法向水中投加某种化学药剂，使其与水中的溶解物质反应生成难溶物沉淀下来的方法。2.分级沉淀当溶液中有数种离子都能与同一种离子生成沉淀时，它们生成沉淀的顺序。二、处理对象废水中的重金属离子、贵金属和放射性元素等，如：Hg、Cr、Cd、Pb、Cu、Ag、Zn、Ni、Fe。。。给水处理中去除Ca、Mg硬度大量阴离子的去除，如S2-、SO42-、PO43-、F-。。。1.氢氧化物沉淀法2.硫化物沉淀法3.碳酸盐沉淀法4.铁氧体法P302表16-1三、沉淀类型铁氧体法四、沉淀原理和影响因素五、操作注意事项六、化学沉淀法的优缺点技术方法成熟、操作简单可选择性回收金属，产生一定收益处理后可能存在大量二次污染。沉淀剂用量的计算P303第四节氧化和还原法目录1直接氧化法2高级氧化技术3还原法概述利用氧化剂或还原剂，改变水中某些有毒有害化合物中的元素的化合价以及改变化合物的分子结构，使得毒性高的化合物转变为无毒或微毒的化合物，使得难于生物降解的有机物转化为可以生物降解的有机物。类型氧化法：向污水中投加氧化剂的方法。还原法：向污水中投加氧化剂的方法。引言1直接氧化法氧化剂空气、氯、臭氧等处理对象工业废水，地下水，深度处理（1）空气氧化把空气鼓入污(废)水中，利用空气中氧气氧化废水中的污染物特点：1.电对O2/O2-的半反应式中有H+或OH-离子参加，因而氧化还原电位与pH有关，低pH时，氧化还原电位更高。2.在常温常压下和中性pH条件，分子氧为弱氧化剂，用来处理易氧化物质。3.提高温度和氧分压，可以增大电极电位；添加催化剂，可以降低反应活化能例1：地下水除铁、锰在缺氧的地下水中常出现二价铁和锰。通过曝气，可以将它们分别氧化为Fe(OH)3和MnO2沉淀物。除铁HOHFeOHOFe4)(2521232222322328)(4284COOHFeOHOHCOFe2222]][[][OpOHFekdtFed氧化速度与氢氧根浓度平方成正比。在pH≤6.5条件下，氧化速度相当缓慢。反应动力学方程：考虑碱度影响除锰•比除铁难，相似条件下，反应时间漫长，需要寻找更强的催化剂或更强的氧化剂。MnO2对Mn2+的氧化具有催化作用。•曝气过滤除锰需要强烈曝气，尽量散去CO2，提高pH，再流入天然锰砂或石英砂过滤器。•MnO2对Fe2＋也具有催化作用，使其氧化速度加快•铁细菌以水中CO2为碳源，无机氮为氮源，氧化Fe2＋为Fe3＋获得能量；对锰的氧化起生物催化作用。)(222sMnOOMn慢)()(2222sMnOMnsMnOMn快22222)(MnOOsMnOMn很慢氧化吸附氧化空气深井泵除铁除锰装置水塔出水管进水管反冲洗排水管流量计人孔射流器除铁、除锰工艺流程图例2：工业废水脱硫•存在形式：Na2S,NaHS,(NH4)2S,NH4HS•在碱性溶液中，各电对具有较强的还原能力，可以利用分子氧氧化硫化物•方法：向废水中注入空气和蒸汽，硫化物发生如下反应：•装置：空气氧化脱硫塔•试验表明：操作温度90℃，废水含硫2900mg/L，脱硫效率达到98.3%,费用0.9元/m3；操作温度64℃，其它条件同，脱硫效率达到94.3%,费用0.6元/m3；4217.0324.02325.014.020SOHSOHOSSSHE2493.02358.023274.0508.02SOSOOSSS酸性溶液碱性溶液OHSOOHOOSOHOSOHSOHOSOHOS22422322232223222222222222含硫废水123456出水压缩空气蒸汽废气1-隔油池，2-泵，3-换热器，4-射流器，5-空气氧化塔，6-分离器空气氧化法处理含硫废水流程（2）氯氧化氯的存在形式•液氯、氯胺、漂白粉、次氯酸钠、二氧化氯有效氯（表征各药剂的氧化能力）•化合价大于-1的那部分氯具有氧化能力，称为有效氯。例3：氯消毒456789101110090807060504030201000102030405060708090100pHNHCl2,HOCl(%)NH2Cl,OCl-(%)HOCl0℃HOCl20℃氯胺25℃HOCl、OCl-所占的百分数与pH值和水温的关系OClHHOClHClHOClOHCl22氯气与水发生歧化反应，次氯酸在水中离解：电离常数K=[H+][OCl-]/[HOCl]pHKHOClOCllg][][lgHOCl与OCl-在溶液中的比例随pH值变化，关系如右图在酸性溶液中：HOCl＋H++2eCl-+H2OE0=1.49v在碱性溶液中：OCl-＋H2O+2eCl-+2OH-E0=0.9v在中性溶液中：E0=1.2vHOCl比OCl-的氧化能力强得多，OCl-带电，影响接触，氯氧化法在酸性溶液中较为有利氯氧化（消毒）原理OHClNHHOClNH223OHNHClHOClClNH222NH2Cl与NHCl2的分布由如下平衡决定：4222NHNHClHClNHNHCl2的杀菌能力比NH2Cl强，氯胺消毒还是依靠HOCl，当水中HOCl消耗后，上式反应向左进行，释放出HOCl，因而氯胺消毒比HOCl慢氯胺也是常用的消毒剂，主要包括一氯胺、二氯胺和三氯胺（NH2Cl，NHCl2和NCl3）加氯量mg/L余氯量mg/L游离性余氯化合性余氯BA0Ha1a2a3a4b1b2b3b41区2区3区4区需氯量试验结果图中虚线（该线，与坐标轴成45°角）表示水中无杂质时加氯量与余氯量的关系。实线表示氯与杂质化合后的情况，b值即需氯量—被氯氧化的杂质，a代表余氯量，a加b即加氯量。1区：氧化还原性物质，余氯为零；2区：氯与氨化合，产生氯胺，有余氯，是化合氯；3区：加氯量增加，氯胺被氧化成不起消毒作用的氯，余氯减少，到折点B；4区：完全是游离性余氯。———折点加氯加氯设备•采用加氯机：注意安全，防止腐蚀氯电磁阀水电磁阀水射器沉淀池虹吸管接触池余氯测试仪排放缓冲瓶真空泵压力表氯瓶给水水压0.25MPa废水投氯花管投氯池加氯机隔水瓶氯氧化系统例4：电镀废水脱CN-第一阶段：要求pH值10～11，需要5分钟，控制10-15分钟OHClCNOOHCNClOHCNClOHOClCNOClHHOCl2222第二阶段：要求pH值8～8.5，需要1小时232232CONCOOClCNO理论值：CN-:Cl2:NaOH=1:6.8:6.2实际控制投加CN-:Cl2=1:8P304（3）臭氧氧