第八章废水处理

第八章废水处理第一节水处理的基本方法一、水处理和水工业目前，水资源短缺和水环境污染造成的水危机已经成为我国社会经济发展的重要制约因素，为此，必须采用保护和利用相协调的水资源开采利用模式，通过对污水的净化和水体保护，使水资源不再受到破坏并能实现良性的再生循环。没有水的可持续利用和保护，社会经济的可持续发展就不可能实现。水工业是从事水的可持续利用和保护，并以满足社会经济可持续发展所需求的水量、水质为生产目标的特殊工业。它是随着水这种特殊产品的商品化和产业化生产而逐渐形成和完善的新兴工业。围绕水的开采、净化、供给、保护和再生等环节而产生的各种企业和部门构成了水工业的主体，水工业涉及众多学科领域，是科技、工程、装备及综合管理技术的集成，具有很强的综合性。水处理是给水处理和废水处理的简称，它是水工业科学技术的一个重要组成部分。50年代以前，给水处理和废水处理涵义的划分是很清楚的。从天然水源取水，为供生活或工业的使用(特别是生活使用)而进行的处理，称为给水处理；为了安全排放的目的，对于使用过而废弃的水所进行的处理，称为废水处理。但自从水的污染日益严重，水源逐渐紧张以来，给水处理与废水处理的界限也就逐渐模糊起来。现在，废水也可以作为水源，经处理后以供工业用水甚至生活用水。为了废水的再生或再用所进行的处理，就其水质来说是废水处理，就其处理的目的来说则属给水处理。在这种新形势下，笼统地使用水处理或水质控制这样的术语，可能更为方便和贴切。二、水处理内容水处理的主要内容可概括为以下三种：（1）去除水中影响使用的杂质以及对污泥的处置，这是水处理的最主要内容；（2）为了满足用水的要求，在水中加入其他物质以改变水的性质，如食用水中加氟以防止龋齿病，循环冷却水中加缓蚀剂及阻垢剂以控制腐蚀及结垢等；（3）改变水的物理性质的处理，如水的冷却和加热等。本章只讨论去除水中杂质的方法。三、水处理的方法分类废水中所含污染物的种类是多种多样的，不能预期只用一种方法就可以将所有的污染物都去除干净，因此水处理的方法也多种多样。根据不同的分类原则，通常对废水处理方法可做如下分类。1.1.按废水处理的程度来分类一般划分为一级处理、二级处理和三级处理(深度处理、高级处理)。一级处理主要是预处理，多采用物理方法或简单的化学方法（如初步中和酸碱度）去除废水中的悬浮固体、胶体、悬浮油类等污染物。一级处理的处理程度低，一般达不到规定的排放要求，尚须进行二级处理。二级处理主要是清楚可分解或氧化的呈胶状或溶解状的有机污染物，多采用较为经济的生物化学处理法。废水经过二级处理之后，一般可达到排放标准，但可能会残存有微生物以及不能降解的有机物和氮、磷等无机盐类，它们数量不多，通常对水体的危害不大。三级治理又称深度治理，只在有特殊要求时方才采用。它是将二级治理后的废水，再用物理化学技术做进一步的处理，以便去除可溶性的无机物和不能分解的有机物，去除各种病毒、病菌、磷、氮和其它物质，最后达到地面水、工业用水或接近生活用水的水质标准。表8-1废水的分级处理处理级别污染物质处理方法一级处理悬浮或胶态固体、悬浮油类、酸、碱格栅、沉淀、浮上、过滤、混凝、中和二级处理可生化降解的有机物生物化学处理三级处理难生化降解的有机物、溶解态的无机物、病毒、病菌、磷、氮等吸附、离子交换、电渗析、反渗透、超滤、化学处理法2.2.按水中污染物的化学性质是否改变来分类水处理方法可分为分离处理、转化处理和稀释处理三大类。(1)分离处理：是通过各种力的作用，使污染物从水中分离出来。一般来说，在分离过程中并不改变污染物的化学性质。(2)转化处理：是指通过化学的或生物化学的作用，将污染物转化为无害的物质，或转化为可分离的物质，然后再进行分离处理，在这一过程中污染物的化学性质发生了变化。(3)稀释处理：则既不把污染物分离出来，也不改变污染物的化学性质，而是通过稀释混合，降低污染物的浓度，从而使其达到无害的目的。3.3.按处理过程中发生的变化分类可分为物理处理法、化学处理法、物理化学法和生物处理法。物理法是利用物理作用来分离水中的悬浮物，处理过程中只发生物理变化。常用的物理处理方法有：格栅、筛滤、过滤、沉淀和浮上等。化学法是利用化学反应的作用来处理水中的溶解物质或胶体物质。处理过程中发生的是化学变化。常用的化学处理方法有：中和法、化学沉淀法、氧化还原法等。物理化学法是运用物理和化学的综合作用使废水得到净化的方法。物理化学法处理废水既可以是独立的处理系统，也可以是与其它方法组合在一起使用。其工艺的选择取决于废水的水质、排放或回收利用的水质要求、处理费用等。如为除去悬浮和溶解的污染物而采用的混凝法和吸附法就是比较典型的物理化学处理法。常用的物理化学处理方法有：吸附法、离子交换法以及膜技术(电渗析、反渗透、超滤等)。生物法则是利用微生物的作用去除水中胶体的和溶解的有机物质。常用的生物处理法有：好氧活性污泥法、生物膜法，厌氧消化池法等。本章将按后一种分类原则对各种主要的水处理方法加以介绍第二节物理处理方法物理处理方法主要用于分离废水中的悬浮物质，常用的方法有：重力分离法、离心分离法、过滤法以及蒸发结晶法等。该方法最大的优点是简单、易行，并且十分经济。一、筛滤筛滤是去除废水中粗大的悬浮物和杂物，以保护后续处理设施能正常运行的一种预处理方法。筛滤的构件包括平行的棒、条、金属网、格网或穿孔板。其中由平行的棒和条构成的称为格栅；由金属丝织物或穿孔板构成的称为筛网。其中格栅去除的是那些可能堵塞水泵机组及管道阀门的较粗大的悬浮物；而筛网去除的是用格栅难以去除的呈悬浮状的细小纤维。根据清洗方法，格栅和筛网都可设计成人工清渣或机械清渣两类。当污染物量大时，一般应图8-1人工清除污物的格栅采用机械清渣，以减少工人劳动量。1．格栅格栅是由一组平行的金属栅条制成的框架，斜置在废水流经的管道上或泵站集水池的进口处，或取水口进口端部，用以截留水中粗大的悬浮物和漂浮物，以免堵塞水泵及沉淀池的排泥管。格栅通常是废水处理流程的第一道设施。格栅本身的水流阻力并不大，水头损失只有几厘米，阻力主要产生于筛余物堵塞栅条。一般当格栅的水头损失达到10～15cm时就该清洗。截留在格栅上的污染物，可用手工清除或机械清除。目前许多废水处理厂，为了消除卫生条件恶劣的人工劳动，一般都改用机械自动清除式格栅。人工清除污物的格栅见图8-1。格栅按形状可分为平面格栅和曲面格栅两种，按格栅栅条的间隙，可分为用粗格栅(50～100mm)、中格栅(10～40mm)、细格栅(3～10mm)三种。新设计的废水处理厂一般都采用粗、中两道格栅，甚至采用粗、中、细三道格栅。我国目前采用的机械格栅的栅条间距大都在20mm以上，多采用50mm左右。机械格栅的间距过小则易使耙齿卡在格栅间。机械格栅的倾斜度较人工格栅的大，一般为60O～70o，采用电力系统或液压系统传动。齿耙用链条或钢丝绳拉动，移动速度一般为2m/min左右。图8-2所示为履带式机械格栅的一种。格栅链条作回转循环转动，齿耙固定在链条上，并伸入栅隙间。这种格栅设有水下导向滑轮，利用链条的自重自由下滑，齿耙在移动过程中将格栅上截留的悬浮物清除掉。2．筛网筛网主要用于截留尺寸在数毫米至数十毫米的细碎悬浮态杂物，尤其适用于分离和回收废水中的纤维类悬浮物和动植物残体碎屑。这类污染物容易堵塞管道、孔洞或缠绕于水泵叶轮。用筛网分离具有简单、高效、运行费用低廉等优点。筛网过滤装置很多，有振动筛网、水力筛网、转鼓式筛网、转盘式筛网、微滤机等。不论何种形式，其结构既要截留污物，又要便于卸料及清理筛面。图8-3为一种水力回转筛的结构示意图，它由锥筒回转筛和固定筛组成。回转筛的小头端用不透水的材料制成，内壁装设固定的导水叶片。当进水射向导水叶片时，便推动锥筒旋转，悬浮物被筛网截留，并沿斜面卸到固定筛上进一步脱水；水则穿过筛孔，流入集水槽。3．筛余物的处置可将收集的筛余物运至处置区填埋或与城市垃圾一起处理；当有回收利用价值时，可送至粉图8-2履带式机械格栅碎机或破碎机磨碎后再用；对于大型系统，也可采用焚烧的方法彻底处理。二、沉淀与上浮沉淀与上浮是利用水中悬浮颗粒与水的密度差进行分离的基本方法。当悬浮物的密度大于水时，在重力作用下，悬浮物下沉形成沉淀物；当悬浮物的密度小于水时，则上浮至水面形成浮渣(油)。通过收集沉淀物和浮渣可使水获得净化。沉淀法可以去除水中的砂粒、化学沉淀物、混凝处理所形成的絮体和生物处理的污泥，也可用于沉淀污泥的浓缩。上浮法主要用于分离水中轻质悬浮物，如油、苯等，也可以让悬浮物粘附气泡，使其视密度小于水，再用上浮法除去。1．沉淀沉淀是水处理中广泛应用的一种方法，主要用于去除粒径在20～100m以上的可沉固体颗粒。对胶体粒子（粒径约为1～100nm）和粒径为100～10000nm的细微悬浮物来说，由于布朗运动、水合作用，尤其是微粒间的静电斥力等原因，它们能在水中长期保持悬浮状态，因此不能直接用重力沉降法分离，而必须首先投加混凝剂来破坏它们的稳定性，使其相互聚集为数百微米以至数毫米的絮凝体，才能用沉降、过滤和气浮等常规固液分离法予以去除。(1)沉淀类型根据水中悬浮颗粒的浓度及絮凝特性(即彼此粘结、团聚的能力)，通常分为下述四种沉淀类型。第一类是自由(或分离)沉淀：沉淀过程中，颗粒呈离散状态，彼此互不聚合、粘合或干扰，而是单独地进行沉降。因而，颗粒的物理性质(大小、形状、比重等)在此过程中均不发生任何变化。在废水中悬浮物的浓度不太高、颗粒多为无机物时常发生自由沉淀，如在沉砂池中，砂粒的沉降便是典型的自由沉淀。第二类是絮凝或混凝沉淀：此种类型废水中的悬浮物浓度虽不很高，但沉淀过程中悬浮物的颗粒却具有附聚、凝聚的性能，造成了颗粒的相互粘合，结成较大的絮凝体或混凝体，导致悬浮物颗粒及其沉降速度随着沉降深度的增加而增加。例如，经絮凝的泥土在水中的沉淀，为了提高沉淀效率，常向废水中投加絮凝剂或混凝剂，使水中的胶体悬浮物颗粒失去稳定性后，相互碰撞和附聚，搭接成为较大的颗粒或絮状物，从而使悬浮物更容易从水中沉淀分离出来。混凝沉淀(有时也称混凝澄清)是水处理中的常规方法，多用于给水处理，但目前在废水处理中也得到了广泛应用。它既可以自成独立的处理系统，又可以与其它单元过程组合，作为预处理、中间处理和最终处理过程。由于需要投加化学药剂而产生絮凝作用，故此种沉淀属于化学处理的范畴。第三类是拥挤沉淀或浅层沉淀：当废水中悬浮物的浓度增加到一定程度时，由于悬浮物浓度较高而发生颗粒间的相互干扰，造成沉降速度减小，甚至互相拥挤在一起，使悬浮物颗粒形成绒体(毯状)状的大块面积的沉降，并在下沉的固体层与上部的清液层之间有明显的交界面。例如，高浊度水、活性污泥等。第四类是压缩沉淀：当悬浮液中的悬浮固体浓度很高时，颗粒互相接触，互相支撑，在上层颗粒的重力作用下，下层颗粒间隙中的水被挤出，颗粒相对位置不断靠近，颗粒群体被压缩。压缩沉淀发生在沉淀池的底部，进行得很缓慢。对于不同的工业废水，在不同的处理阶段中，上述四种沉淀现象都有发生。图8-3水力回转筛结构示意图(2)沉淀设备大部分工业废水含有的无机或有机悬浮物，可通过沉淀池实现沉淀。对沉淀池的要求是能最大限度地除去废水中的悬浮物，以减轻其它净化设备的负担。沉淀池的工作原理是让废水在池中缓慢地流动，使悬浮物在重力作用下沉降。根据其功能和结构的不同，可以建造出不同类型的沉淀池。根据废水在池中的流动方向，可将沉淀池分为平流式、竖流式、辐流式和旋流式四种基本型式，它们各具特点，可适用于不同的场合。如平流式池，构造简单，沉淀效果较好，但占地面积较大，排泥存在的问题较多，目前大、中、小型废水处理厂均有采用；竖流式池，占地面积小，排泥较方便，且便于管理，然而池深过大，施工困难，使池的直径受到了限制，因此一般仅适用于中小型废水处理厂使用；辐流式池，最适宜于大型水处理厂采用，有定型的排泥机械，运行效果较好，但要求较高的施工质量和管理水平。一般，废水在沉淀池中的停留时间为1~3小时，悬浮物的去除率约为50~70%。图8-4为设有链带式刮泥机械的平流式沉淀池。水通过进水槽