物化法污水处理技术与设备

物化法污水处理技术与设备演讲者：李晓蕾4、膜分离技术与设备2、萃取原理及其设备3、离子交换及其设备内容概要1、吸附的内涵与类型1.1吸附的内涵与类型当流体与多孔固体接触时，流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄，这一现象称为吸附净化。用来实现吸附分离操作的设备称为吸附设备。吸附设备是分离和纯化气体与气体，气体与液体，液体与液体混合物的重要操作单元。根据吸附剂表面与吸附质之间作用力的不同，吸附可分为物理吸附和化学吸附两大类。物理吸附：由于吸附剂与吸附质之间的分子间力的作用所产生的吸附。化学吸附：一种发生在固体颗粒表面的化学反应。由于吸附作用可以进行得相当完全，所以能有效地去除用一般手段难以处理的气体或液体中的低浓度污染物。实际的吸附过程通常是几种吸附综合作用的结果，但由于吸附质，吸附剂及其他因素的影响，起主要作用的可能是某种吸附。例如：有的吸附在低温时主要是物理吸附，在高温时则是化学吸附。表1物理吸附与化学吸附的比较项目物理吸附化学吸附作用力分子引力剩余化学键力选择性一般无选择性有选择性吸附层单分子或多分子层均可只能形成单分子层吸附热较小较大吸附速率快，几乎不要活化能慢，需要一定的活化能可逆性较易解析化合键时，吸附不可逆温度放热过程，低温有利于吸附温度升高，吸附速度增加1.2吸附的基本理论1.2.1吸附平衡与吸附速率A吸附平衡在一定条件下，当流体与吸附剂充分接触后，流体中的吸附质将被吸附剂吸附，该过程称为吸附过程。随着吸附过程的进行，吸附质在吸附剂表面上的数量逐渐增加，一部分已被吸附的吸附质，由于热运动的结果而脱离吸附剂的表面，回到混合气体中去，该过程称为解吸过程。在一定温度下，当吸附速度与解吸速度相等时，流体中吸附质浓度称为平衡浓度，而吸附剂对吸附质的吸附量为平衡吸附量。吸附量是吸附平衡时，单位质量吸附剂上所吸附的吸附质的质量，它表示吸附剂吸附能力的大小。一定体积和一定浓度的吸附质溶液中，投加一定的吸附剂，经搅拌混合直至吸附平衡，测定溶液中残余的吸附质浓度，则吸附量为式中V—溶液体积，L；C0，C—吸附质的初始浓度与平衡浓度,Kg/L,mj吸附剂投加量，Kg.jmccVq)(0B吸附速率吸附速率是指单位质量的吸附剂在单位时间内所吸附的吸附质量。吸附速率决定了污水和吸附剂的接触时间，吸附速率快，所需要的时间就短，需要的吸附设备容积就小。通常吸附质被吸附剂吸附的过程分为三步：（1）吸附质从气流主体穿过颗粒层周围气膜扩散至吸附剂颗粒的外表面，称为外扩散过程；（2）吸附质从吸附剂颗粒的外表面通过颗粒上的微孔扩散进入颗粒内部，达到颗粒的内表面，称为内扩散过程；（3）在吸附剂内表面上的吸附质被吸附剂吸附，称为表面吸附过程。解吸时逆向进行，首先进行吸附质的解吸，经内扩散传递至外表面，再从外表面扩散至流动相主体，完成解吸。对于物理吸附，通常吸附表面上的吸附过程进行得很快，所以决定吸附过程速率的是内扩散过程和外扩散过程。C影响吸附的因素吸附能力与吸附速度是衡量吸附过程的主要指标。固体吸附剂吸附能力的大小可用吸附量来衡量。在污水处理中，吸附速度决定了污水需要与吸附剂接触的时间，吸附速度快，则需要的接触时间就短，吸附设备的容积就小。多孔性吸附剂的吸附过程基本分为颗粒外部扩散、孔隙扩散、吸附反应三个阶段，吸附速度主要取决于外部扩散速度和孔隙扩散速度。1.3吸附剂的种类污水处理中采用的吸附剂种类有很多，常用的有活性炭、活化煤、硫化煤、焦炭、木炭、沸石、硅藻土、腐殖质、木屑及其他合成吸附剂。活性炭有粒状炭GAC和粉末炭PAC，粉末炭接触面积大，处理效果好。活性炭的特性：1、细孔构造提供巨大的比表面积；2、石墨型微晶体边缘的不饱和炭原子使活性炭具有一定极性；1.4吸附剂的解吸再生吸附剂的再生方法有加热再生、化学氧化再生、药剂再生和生物再生等方法。在选择再生方法时，主要考虑三方面的因素：吸附质的理化性质、吸附机理和吸附质的回收价值。表2吸附剂再生方法分类种类处理温度/℃主要条件加热再生加热脱附100-200水蒸气、惰性气体高温加热再生750-950水蒸气、燃烧气体、CO2药剂再生无机药剂常温-80HCl、H2SO4、NaOH、氧化剂有机药剂常温-80有机溶剂生物再生常温好养菌、厌氧菌湿式氧化分解180-220O2、空气、氧化剂电解氧化常温O2a加热再生加热再生就是采用加热的方法来改变吸附平衡关系，以达到脱附和分解的目的，这是比较常用的再生方法，几乎各种吸附剂都可以用加热再生法恢复吸附能力。根据吸附剂的容量在等压下随温度升高而降低的特点，用升高吸附剂温度的方法，使吸附质脱附再生。不同的吸附过程需要不同的温度，吸附作用越强，解吸时需加热的温度越高。b化学氧化再生化学氧化再生的方法有很多，可分为以下几种：湿式氧化法、电解氧化法及臭氧氧化法等。(1)湿式氧化法：湿式氧化法是在较高的温度和压力下用空气中的氧来氧化污水溶液和悬浮的有机物及还原性无机物的一种方法。(2)电解氧化法：电解氧化法是将炭作为阳极进行水的电解，在活性炭表面产生氧气将吸附质氧化分解。(3)臭氧氧化法：利用强氧化剂臭氧，将吸附在活性炭上的有机物加以分解，但由于经济指标等原因，此法实际应用不多。c其他方法（1）药剂再生。药剂再生就是利用药剂将被吸附剂的物质解吸出来。常用的溶剂有无机酸（HCl、H2SO4）、碱和有机溶剂（苯、丙酮、甲醇、乙醇、卤代烃）等。（2）生物再生。生物再生就是利用生物的作用，将被活性炭吸附的有机物加以氧化分解。在再生周期长、处理水量不大的情况下，采用此法。（3）溶剂萃取。溶剂萃取就是选择合适的溶剂，使吸附质在该溶剂中的溶解性能远大于吸附剂对吸附质的吸附作用，从而将吸附质溶解下来。例如，活性炭吸附SO2后，用水洗涤，再进行适当的干燥便可恢复吸附能力。（4）降压或真空解吸再生。气体吸附过程与压力有关，压力升高时有利于吸附，压力降低时解吸占优，因此，通过降低操作压力可使吸附剂得到再生。2.萃取原理及其设计2.1萃取原理向污水中投加一种与水互不相溶，但能良好溶解（水中）污染物的溶剂（萃取剂），由于污染物在萃取剂中的溶解度大于在水中的溶解度，因而大部分污染物转移到萃取剂中。然后分离净化水和含污染物的萃取剂。将萃取剂与其中的污染物分离可使萃取剂再生，分离的污染物也可回收利用。萃取的过程就是利用溶液中的溶质在原溶剂中溶解度与萃取剂的溶解度的差异，将溶剂从溶液中进行分离。萃取相E萃余相R原液相（A+B）萃取剂S萃取效果和所需费用主要取决于所用的萃取剂，选取萃取剂主要考虑：（1）萃取能力大；（2）分离性能好；（3）化学稳定性好；（4）易获取，价格便宜；（5）容易再生和回收溶质。2.2萃取工艺污水处理中萃取工艺过程如图所示，整个过程包括混合、分离和回收三道工序：（1）混合。混合就是把萃取剂S与污水进行充分接触，使溶质从污水中转移到萃取剂中去。（2）分离。分离就是使萃取相E与萃余相R分别分离。（3）回收。回收就是分别从两相中回收萃取剂S和溶质A。混合传质分层分离回收回收萃余相萃取液（回收利用）萃取剂萃取剂萃余剂（后续处理）返回利用污水萃取剂萃取相2.3萃取设备分类及设计（1）萃取设备的类型有许多种，最典型的分类方式是按两液相的接触方式分为逐级接触式和连续接触式两大类，如下图产生逆流的方式相分散的方法逐级接触式连续接触式重力重力筛板塔喷淋塔、填料塔、挡板塔旋转搅拌逐级混合澄清槽、立式混合澄清槽和偏心转盘塔（ARDC）转盘塔、带搅拌的填料萃取塔、带搅拌的挡板萃取塔、带搅拌的多孔萃取塔等往复搅拌—往复筛选塔机械振动—振动筛选塔、带溢流口的振动筛板塔、反向振动筛板塔脉冲空气脉冲混合澄清槽脉冲筛板塔、脉冲填料塔、控制循环脉冲筛板塔其他—静态混合器、超声波萃取器、管道萃取器、参数泵萃取器离心力离心力圆筒式单级离心萃取机、LX-168N型多级萃取机波德（POD）式离心萃取器另一类，萃取设备按结构分为混合澄清器、萃取塔和离心萃取机。混合澄清器由混合室和澄清室两部分组成,属于分级接触传质设备。混合室中装有搅拌器，用以促进液滴破碎和均匀混合。有些搅拌器能从其下方抽汲重相，借此保证重相在级间流转。用于萃取的塔设备，有填充塔、筛板塔、转盘塔、脉动塔和振动板塔等。塔体都是直立圆筒。轻相自塔底进入，由塔顶溢出；重相自塔顶加入，由塔底导出；两者在塔内作逆向流动。除筛板塔外，各种萃取塔大都属于微分接触传质设备。离心萃取机就是利用离心力加速液滴的沉降分层，所以允许加剧搅拌使液滴细碎，从而强化萃取操作。离心萃取机特别适用于两相密度差很小的物系，由于物料在机内的停留时间很短，因而也适用于化学和物理性质不稳定的物质的萃取。（2）塔式萃取设备的设计塔式萃取设备的设计主要是计算塔径和塔高。塔径的计算。在脉冲筛板萃取塔中，在污水和萃取剂都是竖流的，塔径D可按下式计算式中A1-污水过水面积，m2；A2-萃取剂过水面积，m2；Qs-污水的设计流量，m3/h；Qj-萃取剂的设计流量，m3/h；v1-污水的设计流速，m/h;v2-萃取剂的设计流速，m/h;塔高的计算。塔高包括塔身高（萃取段）H1、塔顶高（上分离段）H2和塔底分离室高（下分离段）H3。塔身高H1可按此式计算H1=（n-1）h+500式中n-筛板块数；500-安装布水器的空间高度，mm；h-筛板间距，mm塔总高H可按下式计算H=H1+H2+H3。π）（π2121//4)(4vQvQAADjs3.离子交换及其设备设计离子交换法就是一种借助离子交换剂上的离子和污水中的离子进行交换反应而除去污水中有害离子的方法。离子交换过程是一种特殊的吸附过程，在许多方面与吸附过程类似，与吸附法比较，其特点是：主要吸附污水中的离子化物质，进行“等当量”的离子交换。在污水处理中，离子交换主要用于回收和去除污水中的金、银、铜、铬、锌等金属离子，也用来对有机污水进行处理和净化放射性污水。3.1离子交换基本理论（1）离子交换原理。离子交换是指水溶液通过树脂时，发生在固体颗粒与液体之间的界面上固-液间离子相交换的过程。离子交换反应是可逆反应，离子交换对不同组分显示出不同的平衡特性。在污水处理中最常见的离子交换反应是水的软化、除盐、去除或回收污水中的重金属离子等。水中的阳离子与交换剂上的Na+上进行交换反应，即2RNa+M2+=R2M+2Na+式中R-离子交换剂的骨架；Na+-离子交换剂上可交换离子；M2+-水溶液中的二价阳离子。水的软化：我们通常把水中钙、镁离子的含量用硬度这个指标来表示，低于8度的水称为软水。采用强酸性阳离子树脂将原水中的钙、镁离子置换出来，再经该软化水设备过滤出的锅炉进水就是成为硬度极低的锅炉用软化净水。工作原理：当树脂吸附到一定量的钙、镁离子后必须进行再生——即用高浓度的饱和盐水浸泡树脂。从而把树脂里的钙、镁离子置换出去，恢复树脂的软化及交换能力，并且在软化水设备运行的同时将废弃的液体排出。整个再生过程包括：反洗——松动树脂层——吸盐——慢洗——发生交换反应——冲洗（正洗）——将化学反应交换下来的钙、镁离子冲净——注水（为了下次再生），共计八个操作过程。（2）离子交换剂。离子交换剂由骨架和交换集团组成。根据骨架，离子交换剂分为无机和有机两大类。无机离子交换剂有天然沸石和人工沸石，沸石即可作阳离子交换剂，也能用作吸附剂。有机离子交换剂有磺化煤和各种离子交换树脂。离子交换树脂是一种具有离子交换特性的有机高分子聚合电解质，它是疏松、具有多孔结构的固体球形颗粒，粒径一般为0.6-1.2mm(大粒径树脂)、0.3-0.6mm(中粒径树脂)、0.02-0.1mm(小粒径树脂)。离子交换树脂不溶于水，也不溶于电解质，其结构可分为不溶于水的树脂本体和具有活性的交换集团两部分。树脂本体为有机化合物和交联剂组成的高分子共聚物，交联剂的作用是使树脂本体形成立体的网状结构；交换集团由起交换作用的离子与树脂本体连接的离子组成。3.2离子交换工艺离子交换整个工艺过程包括交换、反冲洗、再生和清洗四个阶段，这四个阶段依次进行，形成不断循环的工作周期。交换阶段：就是利用离子交换树脂的