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1、中北大学 2009 届毕业设计说明书第 1 页 共 33 页1 引言1.1 研究的目的和意义我国是一个淡水资源紧缺的国家，近几年，随着经济的持续高速发展和城市建设步伐的加快，城市缺水日益严重。然而我国水的浪费又相当严重，工业及生活排水又不断污染可利用的淡水资源，日趋严重的水污染降低了水体的使用功能，使本来就具有的水资源供需矛盾更加尖锐，给经济环境带来极大影响1。废水的大量排放，土壤和水源中重金属积累加剧，重金属的污染也日益严重。由于重金属易通过食物链而生物富集，构成对生物和人体健康的严重威胁2，如何有效地治理重金属污染已成为人类共同关注的问题。水资源短缺问题已成为国家经济社会可持续发展的严重制
2、约因素。因此，自然水资源的合理利用和寻找可利用的新水源显得尤为重要。1.2 重金属废水的主要来源重金属废水来源于电镀、采矿、化工等部门，主要来自矿山排水、废石场淋浸水、选矿厂尾矿排水、有色金属冶炼厂除尘排水、有色金属加工厂酸洗水、电镀厂镀件洗涤水、钢铁厂酸洗排水，以及电解、农药、医药、油漆、颜料等工业的废水。废水中重金属离子的种类、含量及其存在形态随不同生产种类而异，差异很大3。1.3 重金属危害铜、锌、镍都是人体所必需的微量元素。铜、锌参与人体糖代谢过程。铜对红血球的形成十分重要，锌有助于人体生长发育和骨骼成长，有助于避免动脉硬化和皮肤病。Ni 与人体催化激素调节有关， 避免人体生长缓慢，
3、而且镍有助于造血功能。 但是铜、锌、镍过量摄入，会对人体产生重大危害。铜过量会刺激消化系统，长期过量促使肝硬化。锌的毒性较弱，但锌的有机化合物如柠檬酸锌、酒石酸锌等毒性却较强。锌过量时，会引起发育不良，新陈代谢失调、腹泻等。镍过量初期发生头晕、头痛，有时恶心呕吐，长期过量则发高烧，呼吸困难等，甚至中枢神经障碍，一时精神错乱。若镍在水中与羰基化合物结合形成羰基镍则毒性很强。六价铬在人体中属于微量元素，参与葡萄糖和脂类代谢。但过量的三价铬易积存在肺泡中，引起肺癌，进入血液中引起肝和肾的障碍。六价铬有很大的刺激和腐蚀性，引起潰疡、喉炎和肠炎。流行病学研究表明；六价铬化合物是常见的致癌物质，吸入到血液
4、中夺取部分氧气，使血红蛋白变成高铁血红蛋白，红细胞携气机能障碍， 发生内息。 Hermann4研究了六价铬的毒性， 讨论了六价铬浓度对中北大学 2009 届毕业设计说明书第 2 页 共 33 页红细胞携气机能的影响，与三价铬相比，六价铬毒性远远大于三价铬。铜、锌、镍的硫酸盐、硝酸盐及氯化物易溶于水，性质稳定5。重金属酸洗废水影响鱼类和水生物生长，妨碍渔业生产。据资料报道，江苏某厂每年向附近水库排放酸洗电镀废水47000余吨，造成鱼产量从 15 万斤降至 2 万斤左右。昆明市每天排放铬酐40 多吨，滇池水体常死鱼，珍贵鱼种金线鱼、桂花鱼及海菜花已趋绝迹。重金属废水排入土壤，植物体内重金属逐步积累
5、，造成植物根部受抑制， 叶片退绿发黄。 植物生长发育受阻甚至死亡，造成农业、林业减产6。1974 年北京某厂排放的电镀废水污染农田，造成3000 亩小麦死亡7。1.4 有关国家制定的重金属废水排放标准表 1.1 各国家重金属排放标准（mg/L）重金属名称德国美国中国印度英国排放口排入地表水排放口排放口排入地表水排入地表水排放口六价铬0.5 0.5 0.09 0.5 0.5 0.09 铬总量4.0 2.0 1.6 0.6 5.0 铜及其化合物3.0 1.0 2.0 1.0 0.1 3.0 5.0 锌其化合物5.0 3.0 1.5 5.0 1.0 5.0 10.0 总溶解铁2.0 0.5 1.5
6、国内外处理方法目前已开发应用的废水处理方法主要有3 种：第一种是废水中重金属离子通过发生化学反应除去的方法， 包括中和沉淀法、 硫化物沉淀法、 铁氧体共沉淀法、 化学还原法、电化学还原法、高分子重金属捕集剂法等；第二种是使废水中的重金属在不改变其化学形态的条件下进行吸附、浓缩、分离的方法，包括吸附、溶剂萃取、离子交换等方法；第三种是借助微生物或植物的絮凝、吸收、积累、富集等作用去除废水中重金属的方法，包括生物絮凝、生物吸附、植物整治等方法8。1.5.1 中和沉淀法在含重金属的废水中加入碱进行中和反应，使重金属生成不溶于水的氢氧化物沉淀中北大学 2009 届毕业设计说明书第 3 页 共 33 页
7、形式加以分离。中和沉淀法操作简单，是常用的处理废水方法9。实践证明，在操作中需要注意以下几点 （1）中和沉淀后， 废水中若 pH 值高，需要中和处理后才可排放；（2）废水中常常有多种重金属共存，当废水中含有锌，铅，锡，铝等两性金属时，pH 值偏高，可能有再溶解倾向； （3）废水中有些阴离子，如卤素、氰根、腐殖质等，有可能与重金属形成络合物，因此在中和之前需经过预处理；（4）有些颗粒小，不易沉淀，则须加入絮凝剂辅助沉淀生成。1.5.2 硫化物沉淀法加入硫化物沉淀剂使废水中重金属离子生成硫化物沉淀除去的方法，与中和沉淀法相比，硫化物沉淀法的优点是 :重金属硫化物溶解度比其氢氧化物的溶解度更低，而且
8、反应的 pH 值在 79 之间，处理后的废水一般不用中和。硫化物沉淀法的缺点是：硫化物沉淀物颗粒小，易形成胶体；硫化物沉淀剂本身在水中残留，遇酸生成硫化氢气体，产生二次污染。1.5.3 铁氧体共沉淀法向需要处理的含重金属离子的废水中投加铁盐，通过工艺控制，达到有利于形成铁氧体的条件，使污水中的多种重金属离子与铁盐生成稳定的铁氧体共沉淀，再通过适当的固液分离手段，达到去除重金属离子的目的。铁氧体共沉淀的优点是可一次去除废水中多种重金属离子， 形成的沉淀颗粒大， 容易分离，颗粒不会再溶， 不会产生二次污染，而且形成的沉淀物是一种优良的半导体材料，但是这种方法在操作过程中需要加热到70左右，或更高，
9、并且在空气中慢慢氧化，因此操作时间长，消耗能量多。1.5.4 高分子重金属捕集剂法高分子重金属捕集剂是水溶性高分子的一种，高分子基体具有亲水性的螯合形成基，它与水中的重金属离子选择性的反应生成不溶于水的金属络合物，此法在电镀废水处理中得到广泛应用。1.5.5 化学还原法利用重金属的多种价态，在废水中加入一定的氧化剂或还原剂，使重金属获得人们所需价态的方法。常用的还原剂有铁屑、铜屑、硫酸亚铁、亚硫酸氢钠、硼氢化钠等，常用的氧化剂有液氯、空气、臭氧等等10。在实际操作中，应当考虑选择适当的氧化剂或还原剂，使生成物低毒或无毒，避免二次污染;同时价格便宜，易于取得，反应所需的pH 不必太高或太低。目前
10、化学氧化还原法一般用作废水处理的预处理方法使用。中北大学 2009 届毕业设计说明书第 4 页 共 33 页1.5.6 电化学还原法电化学还原法是溶液与电源的正负极接触并发生氧化还原反应的方法。当对重金属废水进行电解时，废水中的重金属离子在阴极得到电子而被还原。这些重金属或沉淀在电极表面或沉淀到反应槽底部，从而降低废水中重金属含量。这种方法消耗能量大，适合于重金属浓度较高的废水。1.5.6 溶剂萃取法溶剂萃取法是分离和净化物质常用的方法。由于液 -液接触，可连续操作， 分离效果较好。使用这种方法时，要选择有较高选择性的萃取剂，废水中重金属一般以阳离子或阴离子形式存在，例如在酸性条件下，与萃取剂
11、发生络和反应，从水相（W）被萃取到有机相（ O） ，然后在碱性条件下被反萃取到水相，使溶剂再生以循环利用。这就要求在萃取操作时注意选择水相酸度。尽管萃取法有较大优越性，然而溶剂在萃取过程中的流失和再生过程中能源消耗大，使这种方法存在一定局限性，应用受到很大的限制。1.5.7 吸附法吸附法是应用多孔吸附材料吸附处理废水中重金属的一种方法。传统吸附剂是活性碳。活性碳有很强吸附能力，去除率高，但价格贵，应用受到限制。近年来，逐渐开发出有吸附能力的多种吸附材料，有凹凸棒、浮石、整合树脂、麦饭石、蛇纹石、大洋多结核矿、硅藻土等。目前，有些已经应用到工业生产中。如有大洋多结核矿吸附，它比表面积大，多孔结构
12、，矿物大部分以晶形存在，因此吸附废水中重金属离子的效果好，不仅吸附量大、速度快、效率高（最高去除率可达99%以上） ，而且操作简单，可以循环利用。1.5.8 离子交换法离子交换法是利用离子交换剂分离废水中有害物质的方法，已应用的离子交换剂有离子交换树脂、沸石等。离子交换是靠交换剂自身所带的能自由移动的离子与被处理的溶液中的离子通过离子交换来实现的。推动离子交换的动力是离子间浓度差和交换剂上的功能基对离子的亲和能力。多数情况下离子是先被吸附，再被交换，具有吸附、交换双重作用。目前这种材料的应用越来越多，如膨润土、天然沸石等。但天然沸石在对重金属废水的处理方面比膨润土具有更大的优点。1.5.9 膜
13、分离技术膜分离技术是利用一种特殊的半透膜，在外界压力的作用下，在不改变溶液中化学中北大学 2009 届毕业设计说明书第 5 页 共 33 页形态的基础上，将溶剂和溶质进行分离或浓缩的方法。包括隔膜电解和电渗析。电渗析是在直流电场作用下，利用阴阳离子交换膜对溶液阴阳离子选择透过性使水溶液中重金属离子与水分离。隔膜电解是以膜隔开电解装置的阳极和阴极而进行电解的方法，实际上是把电渗析与电解组合起来的一种方法。1.5.10 生物絮凝法利用微生物或微生物产生的代谢物进行絮凝沉淀的一种除污方法。微生物絮凝剂是由微生物自身产生的、具有高效絮凝作用的天然高分子物质，它的主要成分是糖蛋白、黏多糖、纤维素、蛋白质
14、和核酸等。一般来讲，分子量越大，絮凝活性越高，线性结构的大分子絮凝效果较好，而支链或交联结构的大分子絮凝效果较差；处于培养后期凝剂产生菌，细胞表面疏水性增强，产生的絮凝剂活性也越高11。对微生物絮凝剂引起絮凝的机理目前较为普遍接受的是“架桥作用”。该机理认为絮凝剂大分子表面具有较高电荷或较强的亲水性和疏水性，能与颗粒通过离子键、氢键和范得华力同时吸附多个胶体颗粒，在颗粒间产生“架桥”现象，形成一种网状三维结构而沉淀下来，从而表现出絮凝能力。目前已开发出对重金属有絮凝作用的微生物有12 种。陈天等利用壳聚糖为絮凝剂回收模拟工业废水中二价铅，三价铬，二价铜，废水中各离子重量的浓度在10010-6以
15、内加入 10 mg 壳聚糖，处理后溶液中三价铬，二价铜浓度都小于0.110-6，二价铅浓度小于 110-6，得到令人满意的结果12。用微生物絮凝法处理废水安全方便无毒，不产生二次污染，絮凝范围广，絮凝活性高，生长快，絮凝作用条件粗放，大多不受离子强度、 pH 值及温度的影响，易于实现工业化等特点。此外，微生物可以通过遗传工程，驯化或构造出具有特殊功能的菌株，因而微生物絮凝法具有广阔的应用前景。1.6 研究内容通过本次设计了解到冶炼工业重金属废水的污染物组成、来源、危害以及目前国内外重金属废水的处理技术的发展情况。在深入了解各种重金属废水处理方法的同时，比较各种方法的利弊，选择出一种合理的工艺路
16、线。具体工作内容如下：（1）处理冶炼工业重金属废水，废水量5000m3/d；（2）废水的进水水质和出水水质如表1.1 和表 1.2；（3）根据废水排量及水质，优选较好的处理方法，设计工艺流程及装置；（4）通过计算确定工艺条件和各构筑物，绘制相应的工艺流程图和构筑物图。中北大学 2009 届毕业设计说明书第 6 页 共 33 页表 1.2 废水进水水质表（mg/L）主要成分PH 锌铅铜铬砷废水均值218.2 8.7 3.8 5.3 3.4 范围26 100350 520 35 415 16 表 1.3 净化回用水的技术指标（mg/L）成分SS铜铅铬锌砷钙有机磷范围20 mg/L、铬15 mg/L、锌300 mg/L 的情况下，难于使净化水处理合格19。因此，我厂从加强现场管理入手，杜绝跑冒滴漏，控制好废水水质，实现废水处理的达标排放。中北大学 2009 届毕业设计说明书第 11 页 共 33 页3.2.2 终点 pH 值的影响反应终点 pH 值控制是否得当是影响合格率的关键，当二价铅、二价铬含
