第十六章-污水的化学与物理化学处理1

水污染控制工程第16章污水的化学处理目录第一节中和法第二节化学混凝法第三节化学沉淀法第四节氧化还原法第五节吸附法第六节离子交换法第七节萃取法第八节膜析法第九节超临界处理技术第一节中和法定义：酸和碱反应生成盐和水称为中和反应一、酸碱污水的产生1．酸性污水－化工厂、化纤厂、电镀厂，金属加工厂等酸性污水pH＝1－4，腐蚀性强，改变水体的PH值，影响水生植物。2．碱性污水－印染厂、造纸厂、炼油厂的碱性污水PH＝10－14，腐蚀危害小于酸性水，影响水生植物。酸碱污水在浓度高时(3%－5％以上)，应考虑回收和综合利用，制造硫酸亚铁、硫酸铁、在浓度不高时方可采用处理的方法。二、中和剂1．酸性污水的中和剂：苏打NaCO3和苛性钠NaOH具有组成均匀，易于贮存，反应迅速，易溶于水，但价格较高。石灰Ca(OH)2来源广泛，价格便宜。（但产生杂质多，浮渣多，难处理，一般用于水量较小的水厂）石灰石CaCO3，白云石CaCO3＋MgCO3是开发的石料，在产地价格便宜，可以作为一种中和材料，主要用于滤床使用。2．碱性污水的中和剂：硫酸、盐酸、烟道气（含CO2，SO2)。三、中和方法分类1．酸碱污水相互中和法2、药剂中和法3．过滤中和法（多用于原料所在地）4、烟道气中和法1．酸碱污水相互中和法电镀厂的酸性污水和印染厂的碱性污水相互混合，达到中和目的。根据化学反应等当量原理，Q1C1=Q2C2计算污水中酸碱的含量及污水量，使酸碱污水等当量混合，达到等当量中和并略偏于碱性。2．药剂中和法用碱性、酸性物质为中和剂处理，常采用石灰处理酸性污水，石灰还是混凝剂，可凝聚水中的杂质，对于含杂质多的酸性污水有利。当污水中含有重金属离子时，加入石灰，碱性增大使水中重金属离子积大于溶度积产生沉淀。OHNOCaOHCaHNOOHCaSOOHCaSOH22324242422)()(22)(+→++→++++++→++→[phone])()()()(CaOHPbOHCaPbCaOHFeOHCaFe投加方式：干投、湿投药剂中和在混合池中进行，其后需设沉淀池和污泥干化，污水在混合反应池停留时间5分钟（给水反应池的停留时间是8-10分钟），在沉淀池停留时间1－2小时，污泥是污水的体积2%－5％，污泥需脱水干化。干投法－用机械将药剂粉碎，直径＜0.5mm，然后直接投入水中。湿投法－将药剂溶解成液体，用计量设备控制投加量，可节省药剂。3．过滤中和法（多用于原料所在地）使污水流经具有中和能力的滤池，例如石灰石、白云石、大理石等，产生中和作用。石灰石与硫酸反应白云石与硫酸反应白云石中含有，可生成溶解度较大的不会造成反应中滤池的堵塞，产生的是石灰石中和产生的50％，影响小一些，可以适当提高进水硫酸浓度。↑++↓→+↑++→[phone]COOHCaSOCaCOSOHCOOHCaClCaCOHCl↑+++↓→⋅[phone]COOHMgSOCaSOMgCOCaCOSOH3MgCO4MgSOCaSO4三、中和方法分类计算：石灰石与硫酸反应生成硫酸钙。9810013618生成硫酸钙微溶于水，18℃时溶解度为1.6g/L，采用石灰石能中和硫酸浓度为：1.6:136＝x:98x=1.15g/L分析：1）当进水硫酸浓度大于1.15g/L，中和反应生成的CaSO4浓度大于1.6g/L，超过浓度积，会析出CaSO4沉淀。2）由于存在盐效应的过饱和现象，一般进水的硫酸浓度可提高到2.0-2.4g/L。3）应用中要注意进水的硫酸浓度，不使滤池堵塞。4）采用升流式膨胀床可以减少硫酸钙结壳OHCaSOCaCOSOH24342+↓→+4．碱性污水中和处理（烟道气中和）常用于酸性污水中和，或者采用投酸中和或烟道气中和碱性污水，碱性污水中和处理需具备采用方法的条件，投加酸中和方法简单，但是费用过高，烟道气体中和方便实用。烟道气中含有CO2和SO2，溶于水中形成H2CO3和H2SO4，使碱性污水被中和，烟道气体中和的方法有：1）将碱性污水作为湿法除尘的喷淋水。（给排水，暖通交叉）2）使烟道气通入碱性污水鼓泡中和。第三节化学沉淀法„用易溶的化学药(沉淀剂）使溶液中某种粒子以它的一种难溶的盐或氢氧化物从溶液中析出，在化学上称沉淀法（chemicalprecipitation)。„废水处理中，常用化学沉淀法去除废水中有害离子，如阳离子Hg2+、Cd2+、Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cr2+，阴离子SO42-、PO43-、CrO42-。原理：根据化学沉淀的必要条件，一定温度下，难溶盐MmNn在饱和溶液下，沉淀和溶解反应如下。m、n分别表示离子Mn+、Nm-的系数。根据质量作用原理，溶度积常数可表示为KMmNnMmNnnNmMmn⇔+−+nmmnMmNnNMK][][−+=溶度积常数KMmNn的影响因素：1）同名离子效应：当沉淀溶解平衡后，如果向溶液中加入含有某一离子的试剂，则沉淀溶解度减少向沉淀方向移动2）盐效应：在有强电解质存在状况下，溶解度随强电解质浓度的增大而增加，反应向溶解方向转移。3）酸效应：溶液的PH值可影响沉淀物的溶解度，称为酸效应。4）络合效应：若溶液中存在可能与离子生成可溶性络合物的络合剂，则反应向相反方向进行，沉淀溶解，甚至不发生沉淀。应用：如果污水中含有大量的Mn+离子，要降低浓度，可向污水中投入化学物质，提高污水中Nm-浓度，使离子积大于溶度积K，结果MmNn从污水中沉淀折出，降低Mn+浓度。一、氢氧化物沉淀法金属氢氧化物的溶解度与污水的PH值关系很大。M(OH)n表示金属的氢氧化物，Mm+表示金属离子。则电离方程式其溶度积为同时水发生电离水的离子积为nnOHMOHnM)()(⇔+−+nnOHMOHMKn]][[)(−+=−++⇔OHHOH214101]][[2−−+×=⇔OHHKOH代入上式将上式取对数将重金属离子的溶解度与PH值关系绘成曲线，从曲线中可以得到，重金属离子的浓度值。应用－采用氢氧化法处理污水，PH值是一个重要因素，处理污水中的Fe2+离子时，PH值大于9则可完全沉淀，而处理污水中AL3＋离子时，PH值严格为5.5，否则AL(OH)3沉淀物又会溶解。nOHOHMnHKKMn)][(][2)(++={}npHXnpHKnKHnKnKMOHOHn−=−−=−−=++22lglg]lg[lglg]lg[一、氢氧化物沉淀法二、硫化物沉淀法金属的硫化物溶解度一般比氢氧化物的溶解度小得多，可以采用硫化物沉淀法。电离方程式：采用硫化物沉淀法常用的药剂为硫化氢，硫化钠，硫化钾等。硫化氢在水中分两步电离。电离常数][][][][2222−+−+=+⇔SKMSMMSMS−+−−++⇔+⇔22SHHSHSHSH1522821102.1][]][[101.9][]][[－×==×==−−+−−+HSSHKSHHSHK由上二式可得总电离常数代入得在1大气压，25℃条件下，硫化氢在水中的饱和浓度为0.1M，则上式由上式可知，金属离子在水中溶解度与KMS和PH值有关222222221222][][101.1][101.1][][][+−−−−+×=×=×==HSHSKKSHSHK总]/[][22−+=SKM][101.1][]/[][101.1][222222222SHHKHSHKMMSMS−++−+×=×=2322222101.1][1.0101.1][][−+−++×=⋅×=HKHKMMSMS二、硫化物沉淀法三、钡盐沉淀法在处理含铬污水时，可用钡盐为沉淀剂，以碳酸钡为例，它与污水中铬酸进行反应，生成难溶的铬酸钡。碳酸钡是难溶的物质，但铬酸钡的溶度积更小一些，更难溶于水，象这样一种沉淀转化为另一种沉淀的过程为沉淀的转移。OHCOBaCrOCrOHBaCO224423++↓→+↓四、分析1．沉淀和溶解是暂时的，有条件的。2．只要条件改变，沉淀和溶解就能相互转移。3．如果离子积大于溶度积就会发生沉淀。4．反之离子积小于溶度积就会溶解。第二节化学混凝法混凝过程具有两个作用：●第一个作用：使水中原有的离散微粒首先具有粘附在固体颗粒上的性质——凝聚（coagulation）●第二个作用：使这些具有粘附性的离散微粒能够粘结成絮体——絮凝（flocculation）混凝（coagulation-flocculation）一、混凝原理1、胶体的稳定性①水处理中常见胶体：粘土颗粒（对于d4μm），大部分细菌（0.2‾80μm），病毒（10‾300nm），蛋白质。②稳定性：胶体颗粒在水中保持分散状态的性质。③胶体可分为憎水性胶体，亲水性胶体或介于两者之间。④对憎水性胶体，其稳定性可用双电层结构来说明。对于亲水性胶体，其稳定性主要由于它所吸附的大量水分子所构成的水壳来说明。2、（憎水性）胶体的双电层结构及其稳定性水中胶体表面都带有电荷，在一般水质中，粘土、细菌、病毒等都是带负电的胶体。而氢氧化铝或氢氧化铁等微晶体都是带正电的胶体胶核荷电示意图电位离子反离子扩散层胶团边界滑动面胶粒吸附层胶核ξ电位Φ电位胶体的双电层结构2）胶体的双电层结构图6-2相互作用势能与颗粒距离关系（a)双电层重叠；(b)势能变化曲线rrEmaxEa0c(a)ErEa吸引势能EA排斥势能ER间距x3.胶体的脱稳及凝聚（混凝原理）„压缩双电层作用:通过向水中投加电解质等混凝剂，消除或降低胶粒的ζ地位，使颗粒碰撞聚结，失去稳定性（凝聚）。−++=243342SO3Al2)SO(Al++++⇔+OH])OOH)(H[ALOH])OH(Al[32522362（++++⇔+OH]4)O(HOH)[ALOH])OH(Al(OH)[3222252（+++↓⇔+OH])OH()OH(Al[OH])OH()OH(Al[33232422„吸附架桥作用：三价铝盐或铁盐以及其他高分子混凝剂溶于水后，经水解和缩聚反应形成具有线性结构高分子聚合物，当它一端吸附某一颗粒后，另一端又吸附另一颗粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐结大，形成肉眼可见的粗大絮凝体（絮凝）。„网捕作用：三价铝盐或铁盐等水解而生成沉淀物。这些沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体等颗粒，使胶体粘结。胶体的脱稳和凝聚机理2、吸附电中和3、吸附架桥胶体结构及其脱稳机理矾花二、混凝剂和助凝剂1、常用混凝剂及其性能名称代号分子式主要性能三氯化铁FCFeCl.6H2O混凝效果不受水温影响，最佳PH为6.0‾8.4，但在4.0‾11范围内仍可使用。易溶解，絮体大而密实，沉降快，但腐蚀性大，在酸性水中易生成HCl气体而污染空气聚合硫酸铁PFS[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m用量小，絮体生成快，大而密实。腐蚀性比FeCl3小，所需碱性助剂量小于PAC以外的铁铝盐。适宜水温10‾50oC，PH5.0‾8.5，但在4.0‾11范围内仍可使用精制硫酸铝ASAl2(SO4).18H2O含Al2(SO4)250‾60%。适宜水温20‾40oC，PH6.0‾8.5。水解缓慢，使用时需加碱性助剂，卫生条件好，但在废水处理中应用较少，在循环水中易生成坚硬的铝垢聚合氯化铝PAC[Al2(OH)nCl6-n]m对水温、PH值和碱度的适应性强，絮体生成快且密实，使用时无需加碱性助剂，腐蚀性小。最佳PH值为6.0‾8.5，聚合硫酸铝PAS[Al2(OH)n(SO4)3-n/2]m使用条件与硫酸铝基本相同，但用量小，性能好。最佳PH值为6.0‾8.5，使用时一般无需加碱性助剂聚硫氯化铝PACS[Al4(OH)2nCl1-2n(SO4)]m系新型品种，絮体生成快，大而密实。对水质的适应性强，脱色效果优良。最佳PH为5.0‾9.0，消耗水中碱度小于其他铁铝盐，无需加碱性助剂2、助凝剂(1)pH调整剂在原水pH值不符合工艺要求，或在投加混凝剂后pH值发生较大型化时，就需要投加酸性或碱性物质子以调整。常用的pH调整剂有H2SO4、CO2和Ca(OH)2、NaOH、Na2CO3等。(2)絮体结构改良剂其作用是加大絮体的粒径、密度和机械强度。这类物质有水玻璃、活性硅酸和粉煤灰、粘土等。(3)氧化剂当原水中的有机物含