Chapter 13 工业废水的物理化学处理工业废水的物理化学处理7/20/20241水质工程学II主要内容：p 混凝混凝 Coagulationp 气浮气浮 Air Flotationp 吸附吸附 Adsorptionp 离子交换离子交换 Ion-exchangep 电渗析电渗析 Electrodialysisp扩散渗析、反渗透、超滤扩散渗析、反渗透、超滤 Diffusion Dialysis, Reverse Osmosis, Ultrafiltration7/20/20242水质工程学II13.1 混凝混凝1. 原理：向污水中投入电解质，压缩杂质双电层，降低或消除电位，杂质相互聚结沉淀。(1) 双电层机理利用电解质压缩双电层，降低电位，消除静电排斥能峰，使胶体脱稳聚和。(2) 吸附架桥机理利用高分子的吸附架桥能力，将杂质吸附，形成大絮体下沉。 2.材料：石灰、碳酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁、聚合铝7/20/20243水质工程学II13.1 混凝混凝3. 混凝的种类混凝的种类(1)化学混凝化学混凝利用正电荷的电解质，压缩污水中负电粒子的双电层，当大量正电荷进入胶粒的双电层内，使双电层变薄，电位减小，胶粒不带电，可以相互聚和下沉。(2)生物混凝生物混凝 利用微生物的吸附絮凝作用，吸附胶体颗粒一同下沉，活性污泥回流污泥达到吸附絮凝作用。 回流污泥目的： a. 接种，使生物种类多样 b. 预絮凝和生物混凝作用7/20/20244水质工程学II13.1 混凝混凝(3) 物理混凝物理混凝混凝经水解形成高聚物，大颗粒高聚物对杂质胶体有强烈的吸附能力，可吸附一定距离内的胶体共同下沉。 自身混凝自身混凝：高聚物大颗粒可在其作用空间内吸附胶体一同下沉。 有效作用空间： a. Rr; b. rR; c. A=r+R时吸附最佳。 增浓聚沉增浓聚沉：向污水中投入一些大颗粒杂质，使浓度增大，可沉淀的大颗粒吸附小颗粒迅速下沉。 应用：竖流式沉淀池增加污泥层的浓度达到增浓聚沉。 水力澄清池加入细泥沙增加泥沙浓度达到增浓聚沉。7/20/20245水质工程学II13.1 混凝混凝 通过混凝可去除污水的浊度、色度、各种高分子化合物，重金属离子等，常与其它方法一同使用。 混凝法只能去除胶体和悬浮物，不能去除溶解性物质，影响混凝的因素很多，混凝剂的种类，浓度等需要用试验确定。 混凝的应用：1 预处理 (SS可从2万降至5000) 2 深度处理 (已推广，由张杰院士提出，COD去除率为5060%)7/20/20246水质工程学II13.1 混凝混凝7/20/20247水质工程学II13.1 混凝混凝7/20/20248水质工程学II13.2 气浮气浮1. 气浮处理的理论基础 将空气通入水中，并以微小气泡析出，使水中固体杂质粘附气泡一同上浮至水面分离。 (1) 气浮流程 气污水气粒吸附泡沫分解含油污水中的油可通过 1隔油池 2粗粒化 3气浮 来去除7/20/20249水质工程学II13.2 气浮气浮2、气浮条件 去除比重近于1，直径60m悬浮物(大于60m的可下沉)气粒吸附气粒吸附属物理吸附。吸附放热，低温吸附效果较好极性相同，吸附效果较好(气泡是疏水性物质，即非极性)物理性质相同，吸附效果较好。吸附对象吸附对象吸附疏水性物质疏水性物质难为水润湿的物质，可以直接吸附。亲水性物质容易被水润湿的物质，需要转为疏水性物质。7/20/202410水质工程学II13.2 气浮气浮表面活性剂表面活性剂可以实现疏水亲水相互转移 表面活性剂由极性非极性分子组成，分子一端呈亲水性，另一端呈疏水性，也叫二亲分子。a. 表面活性剂对于亲水性物质有利，亲水性物质转为疏水性。b. 表面活性剂对于疏水性物质不利，疏水性物质转为亲水性。7/20/202411水质工程学II13.2 气浮气浮水中气、粒的粘附着力计算水中气、粒的粘附着力计算 在液、气、粒三相表面上，产生的表面力不同，其粘附着力也不同。 1表面能表面能 液体表面分子与内部分子受到的分子引力不同，表面分子所受到的力不平衡，该力把表面分子拉向液体内部，力图缩小表面积，减少表面能。 2表面能的物理现象表面能的物理现象 表面能力图使自由表面积最小，从而表面能最小。 液体内部分子引力使液体呈球状，减少表面积，避免展开。7/20/202412水质工程学II13.2 气浮气浮表面能大小计算表面能大小计算设液、气、固三相分别为1、2、3，表示表面能 则 液固，液气，气固分别用13、12、23表示根据热力学已知：界面能表面能界面面积 s界面面积(cm2)，取单位面积为1进行计算颗粒和气泡粘附前其表面能之和 (N/m)颗粒和气泡粘附后其表面能 (N/m)吸附前后界面能减少值为 7/20/202413水质工程学II13.2 气浮气浮根据图解，代入上式： 接触角 分析： 1)W越大，吸附越容易进行。 2)当接触角0时，cos1，(1cos)0，气固不易吸附。 3)当接触角180时，cos1，(1cos)2，气固易吸附。 4)接触角可判断物质被水润湿的性质，90为亲水性物质，不容易吸附，90为疏水性物质，容易吸附。7/20/202414水质工程学II13.2 气浮气浮气泡的稳定性气泡的稳定性1) 加入表面活性剂使气泡壁变厚，防止破碎。(外包一层水摸)2) 加入表面活性剂使液体表面蒸发量减少，浮渣稳定。(吸附水膜变厚，减少蒸发量)3) 根据气泡与内压的关系式： r气泡半径、12水气的表面张力、 P气泡的内压力。 当气泡内压一定时，水的表面张力越大，气泡直径越大；当气量一定时，气泡直径，表面积，不易吸附。 气泡大小应一致，否则小气泡内压大，大气泡内压小，小气泡易进入大气泡合并。4) 气泡越小越密集，效果越好。7/20/202415水质工程学II13.2 气浮气浮混凝剂与表面活性剂的关系混凝剂与表面活性剂的关系1) 混凝剂Al2(SO4)3，FeCl3，Fe2(SO4)3，可吸附水中固体使其凝聚，压缩双电层，相互聚合，生成一些大的絮凝体。2) 表面活性剂两亲分子， 对亲水性物质有利，对疏水性物质不利。 投量，气液界面张力12 ，泡沫稳定。 投量，疏水杂质严重乳化，影响吸附。 投量， 12 ，使气固吸附牢固。7/20/202416水质工程学II13.2 气浮气浮气浮的方法、系统与计算气浮的方法、系统与计算 将产生气泡的方法分为布气气浮，溶气气浮，电气浮。 1布气气浮布气气浮: 利用机械剪切力，将混于水中的空气粉碎成细小的气泡。(第一代气浮) 1) 水泵吸水管吸入气浮水泵吸水管吸入气浮 设备简单，但会破坏水泵工作特性。吸入空气不能过多，不大于吸水量10。 2) 射流气浮射流气浮(需水泵扬程大，耗电量高，已淘汰) 采用吸水带气的射流器，向污水中吸入空气进行气浮。 3) 扩散板气浮扩散板气浮(停止曝气时易堵，主要应用于给水，污水中已淘汰) 压缩空气通过具有微细孔隙的扩散板，使空气以细小气泡形式逸出，进行气浮。 4) 叶轮气浮叶轮气浮 电动机带动叶轮高速旋转，空气进入水中被叶轮打碎成为细小气泡。7/20/202417水质工程学II13.2 气浮气浮气浮的方法、系统与计算气浮的方法、系统与计算 溶气气浮溶气气浮(第二代气浮) 空气在一定压力下，溶解于水中，并达到过饱和状态，然后突然减压，溶解于水中的空气以微小形状从水中折出，进行气浮。 1) 加压溶气气体加压溶气气体 工作特征 污水由水泵加压34压力，在压力管上进入压缩空气，水气混合体在溶气罐内停留一定时间进行溶气，然后经减压阀进入气浮池气浮。 工艺流程 常用的加压溶气有：全加压溶气，部分加压溶气和部分回流加压溶气。 2) 溶气真空气浮溶气真空气浮 气浮池在负压下工作，空气在常压下和加压下溶于水中，溶于水中的空气在负压下过饱和，大量空气会折出形成气泡上浮。(但浮渣不能出来，出水必须靠水泵抽，且不易检修)7/20/202418水质工程学II7/20/202419水质工程学II13.2 气浮气浮电解气浮电解气浮 将含有电解质的污水作为电解介质通入直流电进行电解，可同时发生三种效应，电解氧化(IEO)，电解混凝(电絮凝)和电解气浮，当选用不溶性电极可充分发挥电解气浮效应。7/20/202420水质工程学II 7/20/202421水质工程学II13.3 吸附吸附 在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象称为吸附。 吸附就是利用多孔性的固体物质，使废水中的一种或多种物质被吸附在固体表面而去除的方法。7/20/202422水质工程学II7/20/202423水质工程学II13.3 吸附吸附产生吸附的原因产生吸附的原因 1物理吸附物理吸附 吸附剂和吸附质之间通过分子间力产生的吸附称为物理吸附。物理吸附可形成单分子吸附层或多分子吸附层。被吸附的分子由于热运动还会离开吸附剂表面，这种现象称为解吸，它是吸附的逆过程。(可逆的，是一种动态平衡) 2化学吸附化学吸附(成本高，基本不用) 化学吸附是吸附剂和吸附质之间由于化学键力引起的化学作用，一种吸附剂只能对某几种吸附质发生化学吸附，因此化学吸附具有选择性，不可逆性。 3离子吸附离子吸附 (使用也不多) 互相交换离子的吸附，依靠静电引力牢固吸附。7/20/202424水质工程学II13.3 吸附吸附吸附等温线吸附等温线1吸附平衡 吸附过程是可逆的，当吸附速度和解吸速度相等时，则吸附质在溶液中的浓度和吸附剂表面上的浓度都不改变而达到平衡，此时吸附质在溶液中的浓度称为平衡浓度。 吸附剂吸附能力的大小以吸附量q表示，指单位重量的吸附剂所吸附的吸附质的重量。 q = V (C0C)/W式中 V废水容积； W吸附剂投量； C0原水吸附质浓度； C吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度。7/20/202425水质工程学II13.3 吸附吸附吸附等温式吸附等温式(1)朗谬尔公式 朗谬尔公式是从动力学观点出发，通过一些假设条件而推导出来的单分子吸附公式。 式中q吸附量 C吸附质平衡浓度 a、b吸附常数。 将上式改为倒数式，即：7/20/202426水质工程学II13.3 吸附吸附吸附等温式吸附等温式(2)费兰德利希公式 q = K C1/n 式中q吸附量； C吸附质平衡浓度； K、1/n常数。 将上式改写为对数式：7/20/202427水质工程学II13.3 吸附吸附吸附速度吸附速度 吸附速度是指单位重量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质 量。吸附过程可分为3个阶段。 第一阶段为外部扩散阶段。在吸附剂周围存在着一层固定的水膜吸附质首先通过这个水膜才能到达吸附剂的表面，所以吸附速度与液膜扩散速度有关。 第二阶段称为颗粒内部扩散阶段。经水膜扩散到吸附剂表面的吸附质向细孔深处扩散。 第三阶段称为吸附反应阶段。吸附质被吸在细孔的内表面上。7/20/202428水质工程学II13.3 吸附吸附吸附影响因素吸附影响因素 1吸附剂的性质 一般是极性分子吸附剂易吸附极性分子吸附质，非极性分子吸附剂易于吸附非极性吸附质。(处理污水是常用非极性吸附剂-活性炭) 2吸附质的性质 吸附质的溶解度，表面自由能，极性，吸附质分子的大小，吸附质的浓度有关 3废水的pH 废水的pH影响吸附剂及吸附质的性质。 4共存物质 物理吸附时吸附剂可吸附多种吸附质。一般共存多种吸附质时，吸附剂对某种吸附质的吸附能力比只含该种吸附质时的吸附能力差。 5温度 因为物理吸附过程是放热过程，温度升高吸附量减少，反之吸附量增加。 6接触时间 在进行吸附时，应保证吸附质与吸附剂有一定的接触时间，使吸附接近平衡，充分利用吸附能力。7/20/202429水质工程学II13.3 吸附吸附吸附操作方式吸附操作方式 1静态吸附 在废水不流动的条件下，进行的吸附操作称为静态吸附操作，静态吸附在废水处理中采用较少。 2动态吸附 动态吸附是在废水流动条件下进行的吸附操作。当废水连续通过填充吸附剂的吸附设备时，废水中的吸附质便被吸附剂吸附，从吸附设备流出的废水中吸附质的浓度可以降低，吸附剂使用一段时间后，出水中的吸附质的浓度逐渐增加，当增加到某一数值时，将吸附剂进行再生。7/20/202430水质工程学II 7/20/202431水质工程学II13.3 吸附吸附 穿透曲线穿透曲线 向固定床连续地通人废水，发现有的填充层正在发生吸附作用，呈现明显的吸附带，在这段下部的填充层几乎没有发生吸咐作用，在其上部的填充层由于已达到饱和状态，不再起吸附作用。当有明显的吸附带时，吸附带随废水的不断流人而缓缓地向下移动。吸附带的移动速度比废水在填充层内流动的线速度要小的多。当吸附带下缘移到填充层下端时，从装置中流出的废水中便开始出现吸附质。以后继续通水，出水中吸附质的浓度将迅速增加，直到等于原水的浓度C0时为止。7/20/202432水质工程学II13.3 吸附吸附常用吸附剂常用吸附剂 废水处理中常用的吸附剂有活性炭，磺化煤、沸石、活性白土、硅藻土、焦炭等。 工程中使用较多的是活性炭，活性炭的比表面积可达5001700m2/g。7/20/202433水质工程学II