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1、 第十六章污水的化学和物理化学处理 16 1中和 一 基本原理 1 概念 中和法就是通过向污水中投加化学药剂 使其与污染物发生化学反应 调节污水的酸碱度 pH 使污水呈中性或接近中性 适宜下一步污水处理的pH值范围 1 污水排入受纳水体前 其pH值指标超过排放标准 这时应采用中和处理 以减少对水生生物的影响 2 适用场合 2 工业废水排入城市下水道系统前 采用中和处理以免污水对管道系统造成腐蚀 同时 工业废水在排入下水道前 对其进行中和处理比之工业废水与其他污水混合进行中和处理要经济得多 3 污水在化学处理或生物处理前 对生物处理而言 需将处理系统中污水的pH值维持在6 5 8 0范围内 以确
2、保微生物最佳的生物活力 二 酸性污水的中和处理 1 药剂中和法 药剂中和法能处理任何浓度 任何性质的酸性污水 对水质和水量波动适应性强 中和药剂利用率高 酸性污水一般多来源于化工 冶金 化纤 炼油 金属酸洗 电镀等工业的生产过程中 对浓度较高的酸性污水 首先考虑的是回收和综合利用 不易回收的酸性污水 酸含量小于3 5 可进行中和处理 中和处理常用药剂有石灰 苛性钠 碳酸钠 石灰石 电石渣等 2 过滤中和法 1 定义 过滤中和法是指选用碱性滤料形式的滤床处理酸性污水 当酸性污水流过滤床的碱性滤料时 酸性污水即被中和 2 适用范围 该法适用于含酸浓度不大于2 3mg L 并生成易溶盐的各种酸性污水
3、的中和处理 当污水含有大量悬浮物 油脂 重金属盐和其他毒物时 不宜采用过滤中和法 具有中和能力的滤料有石灰石 白云石 大理石等 一般最常用的是石灰石 3 优缺点 缺点是被处理污水酸的浓度受到限制 这种过滤床具有操作方便 运行费用低和劳动条件好等优点 4 过滤中和滤池类型 普通过滤中和滤池 恒流速升流式膨胀滤池 变流速升流式膨胀滤池 滚筒式中和滤池 普通过滤中和滤池 普通过滤中和滤池水的流向有平流和竖流2种 竖流又分升流式和降流式2种 普通中和滤池为固定床 滤床厚度一般为1 1 5m 过滤速度不大于5m h 粒径为30 50mm 当污水中含有堵塞滤料的物质时 应进行预处理 恒流速升流式膨胀滤池
4、该滤池由底部大阻力穿孔管进水装置 卵石垫层 滤料垫层 石灰石滤料 清水层和出水槽等组成 水由下向上流动 整个筒体过水断面不变 故上升流速恒定 由于在中和反应过程中产生CO2气体的作用 使滤料互相碰撞摩擦 所以滤料面不断更新 滤料利用率高 中和效果好 变流速升流式膨胀滤池 该滤池是把上述恒流速升流式膨胀滤池的直筒形设计成倒圆锥状 使其下部滤速为130 150m h 上部为40 60m h 水流上升速度逐渐减小 这样防止小滤料被水带走 滤料反应更完全 该滤池目前得到广泛应用 并有定型产品可供选用 滚筒式中和滤池 将酸性污水流经装有石灰石滤料的卧式旋转滚筒进行中和反应 滤料粒径小于150mm 由于滤
5、料在滚筒中的激烈摩擦碰撞 故滤料表面更新更快 可处理较高浓度的酸性污水 硫酸浓度可达3 3 5g L 但该设备噪音大 设备费用与动力费用较高 故很少采用 过滤中和的出水由于含有大量由中和反应产生的CO2 故其出水pH值一般为5左右 因此需设CO2吹脱塔 其形式一般有填料塔 筛板塔等 但最简单的为板条式脱气塔 经中和脱气后的污水进入沉淀池以分离其沉渣 操作简单 沉渣少 仅为污水量的0 1 出水pH值较稳定 不影响环境卫生 只能处理低浓度的硫酸污水 需定期倒床 劳动强度较大 过滤中和法优点 缺点 三 碱性污水的中和处理 1 利用酸性物质的中和法 通常采用的方法有利用废酸进行中和或利用烟道气进行中和
6、 烟道气和碱性污水的中和处理一般在喷淋塔内进行 该法优点是以污治污 投资省 运行费用低 缺点是出水含硫化物 耗氧量和色度都明显增加 2 药剂中和法 碱性污水的中和剂有H2SO4 HCl HNO3 投药中和应用最普遍的中和剂是石灰乳 它能对酸起中和作用 还对污水中其他金属盐有沉淀作用 并对污水中杂质具有凝聚作用 常用的为工业硫酸 因其价格较低 使用盐酸的最大优点是反应物溶解度大 泥渣量少 但出水中溶解固体浓度高 投加化学药剂的价格高 16 2混凝 内容 一 概述 二 混凝原理 三 混凝剂和助凝剂 四 影响混凝效果的因素 五 混凝设备 一 概述 1 化学混凝处理对象 水中胶体粒子和细小悬浮物 粒径
7、分别为1 l00nm和100 l0000nm 由于布朗运动 水合作用 尤其是微粒间的静电斥力等原因 胶体和细微悬浮物能在水中长期保持悬浮状态 静置而不沉 因此 胶体和细微悬浮物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 为什么这些物质需要用混凝法处理 2 混凝概念 混凝就是在混凝剂的离解和水解产物作用下 使水中的胶体污染物和细微悬浮物脱稳并聚集为具有可分离性的絮凝体的过程 其中包括凝聚和絮凝两个过程 统称为混凝 二 混凝原理 1 胶体结构 胶体粒子都带有电荷 天然水中的粘土类胶体粒子
8、以及污水中的胶态蛋白质和淀粉微粒等都带有负电荷 在它周围必然吸引许多带正电荷的离子 形成一个电中性的胶团 胶团的中心称为胶核 由于电位离子的静电引力 在其周围又吸附了大量的异号离子 或叫反离子 形成了所谓的 双电层 吸附层和扩散层之间的交界面称为滑动面 滑动面以内的部分称为胶粒 胶粒与扩散层之间有一个电位差 此电位称为胶体的电动电位 常称为 电位 而胶体表面的电位离子与溶液之间的电位差称为总电位或 电位 电位和 电位的区别是 对于特定的胶体 电位是固定不变的 而 电位则随温度 pH值及溶液中的反离子强度等外部条件而变化 是表征胶体稳定性强弱和研究胶体凝聚条件的重要参数 2 胶体稳定的原因 1
9、胶粒在水中受到静电斥力和范德华引力作用 一般水中胶粒 电位较高 其相互间斥力不仅与 电位有关 还与胶粒的间距有关 距离愈近 斥力愈大 而布朗运动的动能不足以将两颗胶粒推近到使范德华力发挥作用的距离 2 水化作用 由于胶粒带电 将极性水分子吸引到它的周围形成一层水化膜 水化膜同样能阻止胶粒间相互接触 但是 水化膜是伴随胶粒带电而产生的 如果胶粒的 电位消除或减弱 水化膜也就随之消失或减弱 3 混凝原理 1 压缩双电层作用 2 吸附电中和机理 3 吸附架桥 4 网捕或卷扫 向水中投加电解质 混凝剂 如铁盐或铝盐等 混凝剂提供的大量正离子与原有反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中 从而
10、使扩散层厚度变小 胶体所带电荷数减少 电位相应降低 因此 胶粒间相互排斥力也减少 1 压缩双电层作用 当大量正离子涌入吸附层 以致扩散层完全消失时 电位为零 称为等电状态 等电状态下 胶粒间静电斥力消失 胶粒最易发生聚结 实际上 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 电位称为临界电位 胶粒因 电位降低或消除以致失去稳定性的过程 称为胶粒脱稳 脱稳的胶粒相互聚结 称为凝聚 压缩双电层理论成功解释了胶体的稳定性与凝聚作用 其缺点在于忽视了水中反离子水解形态的专属化学吸附作用 不能解释混凝过程中出现的胶粒改变电性而重新稳定的现象 2 吸附
11、电中和机理 指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子 高分子物质 胶粒等 来降低 电位 这一点与第1条机理不同 高价混凝剂在水中经水解缩聚而形成带正电的高分子物 由于静电作用 带负电的胶粒与带正电的水解产物之间发生吸附 产生电性中和 导致胶粒 电位降低 最终发生凝聚 当胶粒吸附足够多正电荷时 其电性发生改变 变成正电荷胶体 重新形成稳定 3 吸附架桥 指链状高分子物质在静电力 范德华力和氢键力等作用下 通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥联作用的过程 吸附桥联过程中 胶粒并不一定要脱稳 也无需直接接触 这个机理可以解释非离子型或带同号电荷的离子型高分子絮凝剂得到好的絮凝效果的现象 图16
12、2高分子絮凝剂对微粒的吸附架桥模式 a 初期吸附 b 絮凝体形成 4 网捕或卷扫 采用铝盐 铁盐或石灰等高价金属盐类作为凝聚剂时 当投加量大足以迅速产生金属氢氧化物 Al OH 3 Fe OH 3 或金属碳酸盐 如CaCO3 时 水中胶粒和细微悬浮物可被这些沉淀物在形成时作为晶核或吸附质所网捕 三 混凝剂和助凝剂 表16 1常用的混凝剂 1 混凝剂 无机复合聚合物混凝剂 聚合硫酸铝铁 PFAS 聚合氯化铝铁 PFAC 聚合硫酸氯化铁 PFSC 聚合硫酸氯化铝 PASC 聚合铝硅 PASi 聚合铁硅 PFSi 聚合硅酸铝 PSA 聚合硅酸铁 PSF 无机 有机复合 聚合铝 铁 聚丙烯酰胺 聚合铝
13、 铁 甲壳素 聚合铝 铁 天然有机高分子 聚合铝 铁 其它合成有机高分子 有机高分子絮凝剂 阳离子有机化合物 天然改性高分子絮凝剂 无毒易降解 如甲壳素等 多功能絮凝剂 絮凝 缓蚀阻垢 杀菌灭藻 微生物絮凝剂 发展方向 2 助凝剂 当单用某种混凝剂不能取得良好效果时 可投加某些辅助药剂以提高混凝效果 这种辅助药剂称为助凝剂 1 酸碱类 调整水的pH 如石灰 硫酸等 2 加大矾花的粒度和结实性 如活化硅酸 SiO2 nH2O 骨胶 高分子絮凝剂 3 氧化剂类 如投加Cl2 O3等 破坏干扰混凝的物质 如有机物 助凝剂可调节或改善混凝的条件 可以参加混凝 也可不参加混凝 四 影响混凝效果的因素 1
14、 水温 低温 混凝效果差 原因是 1 无机盐水解吸热 尤其是硫酸铝 水温低于5 水解速率非常缓慢 2 温度降低 粘度升高 布朗运动减弱 3 胶体颗粒水化作用增强 妨碍凝聚 改善方法 投加高分子助凝剂 或是用气浮法代替沉淀法作为后续处理 2 pH及碱度 pH对混凝的影响视混凝剂品种而异 高分子絮凝剂尤其是有机高分子絮凝剂受此影响小 1 无机盐水解 造成pH下降 影响水解产物形态 2 根据水质 去除对象 最佳pH范围也不同 需碱度来调整pH 碱度不够时需要投加石灰 3 水中杂质成分 组成和浓度 1 成分 2 组成 除硫 磷化合物以外的其他各种无机金属盐 均能压缩胶体扩散层 促进胶体凝聚 天然水中含
15、粘土类杂质为主 需要投加的混凝剂的量就少 污水中含有大量有机物 需要投加的量较多 PO43 SO32 高级有机酸 氯 螯合物 水溶性高分子物质和表面活性剂都不利于混凝 3 浓度 对策 1 加高分子助凝剂2 加粘土3 投加混凝剂后直接过滤 杂质浓度低 颗粒间碰撞几率下降 混凝效果差 4 水力条件 混凝过程中水力条件对絮凝体的形成影响极大 整个混凝过程可分为2个阶段 混合和反应 混合的要求是 使药剂迅速均匀地扩散到全部水中以创造良好的水解和聚合条件 使胶体脱稳并借颗粒的布朗运动和紊动水流进行凝聚 该阶段要求快速和剧烈搅拌 在几秒或1分钟之内完成 反应的要求是 使混凝剂的微粒通过絮凝形成大的具有良好
16、沉淀性能的絮凝体 反应阶段的搅拌速度或水流速度应随着絮凝体的结大而逐渐降低 以免打碎絮凝体 如果在化学混凝后不经沉淀处理而直接进行接触过滤或气浮处理 则反应阶段可省略 五 混凝设备 化学混凝的设备包括 混凝剂的配制和投加设备 混合设备和反应设备 1 混凝剂的配制和投加设备 混凝药剂投加方法有2种 干投法和湿投法 目前常用的湿投法是将混凝剂先溶解 再配制成一定浓度的溶液后定量地投加 因此 它包括溶解配制设备和投加设备 1 混凝剂的溶解和配制 混凝剂在溶解池中进行溶解 溶解池中有搅拌装置 其目的是加速药剂的溶解 搅拌方法 机械搅拌 压缩空气搅拌 水泵搅拌 溶液池的容积计算 式中 a 混凝剂最大用量 mg L Q 处理水量 m3 h c 溶液浓度 按药剂固体重量百分数计算 一般为10 20 n 每天配制次数 一般为2 6次 溶药池体积W1 0 2 0 3 W 2 混凝剂溶液的投加 药剂投入原水中的方式 有2种 重力投加 压力投加 重力投加 依靠溶液池的液位将药液投入水泵的吸水口 与原水一起吸入水泵进行混合 图16 6泵前重力投加1 吸水管 2 出水管 3 水泵 4 水封箱 5 浮球阀 6 溶
