第四章物理化学处理法

1第四章物理化学处理法4.1凝聚和絮凝(Coagulationandflocculation)4.1.1胶体的基本性质胶体：一种高度分散的不均匀多相体系。它由不连续的分散相和连续分散的分散介质组成，其中分散相的大小10－7－10－9cm。（废水中粒径大于此范围的悬浮物）4.1.1.1动力学性质(1)统计热力学有一个基本的推导:在没有外力的作用下，所有悬浮质点都有一定的热运动能，其大小为E=(3/2)KT的动能。(2)布朗运动：俄国植物学家在观察花粉在水中的运动时第一次实验地观察到了这种热运动，而且发现它们的运动是无规律的，后来将此称为布朗运动。4.1.1.2电学性质现象：胶体粒子能在电场中作定向运动。结论：胶体粒子带电，带同种电荷的颗粒之间的排斥力是胶体稳定的另一个原因。带电的原因：A，结晶晶格中的缺陷。B，颗粒表面的基团的电离作用。C,颗粒对离子的优先吸附等。4.1.2胶粒的电荷分布虽然胶体粒子表面带电，但整个胶体体系是电中性的。那么正负电荷在颗粒表面是怎样分布的呢？有许多理论来说明胶粒的这一性质，下面我将其中的主要几种学说按历史发展的顺序进行简介。斯特恩（Stern）模型++++++++++++++++________3.4斯特恩（Stern）模型s离胶粒表面的距离+___扩散层紧密层o((11))模模型型::(a)反号离子靠近胶粒受离子大小的影响。(b)由于胶粒表面的静电引力或范德华力对溶液中离子有吸附作用，使得固体表面有一层紧密的离子吸附层（简称紧密层或Stern层），其厚度大约为水化离子半径的距离。(b)在Stern层外有一层弥散的扩散层。(c）斯特恩双电层由紧密离子吸附层和扩散层组成。在紧密层中其电位函数Ψ是呈直线下降，而扩散层中符合顾义－切普曼规律。2（2）胶粒的结构＋＋＋胶核＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－胶粒吸附层扩散层ABCζ电位(Ψs)Ψ0电位______+++图3.5胶粒的结构及其电位分布胶团胶核＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋___4.1.3.胶体的脱稳废水处理的预处理中的一项重要任务就是设法破坏这些胶体的稳定性，使之聚沉下来，进行固液分离。(1)压缩双电层的厚度水中胶粒的ξ电位是保持其稳定分散状态的主要原因，对于一种特定的胶粒，其ξ电位正比于其扩散层的厚度，扩散层越厚，ξ电位越高。因此，压缩双电层的厚度就可以降低胶体的稳定性。因为当双电层被压缩时，胶粒间的排出力减小，胶粒相互靠近，范德化力占优势。当胶粒相互碰撞时，就会相互吸引而聚集成大颗粒聚沉。凝聚(Coagulation)：通过压缩双电层的厚度使胶体脱稳的过程称为凝聚。（2）吸附－电性中和这种现象在水处理中出现的较多。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(3）吸附架桥法絮凝(Flocculation)：未脱稳的胶体通过加入极少的水溶性高分子化合物也可使胶体颗粒变大而沉淀，因这种沉淀形成大呈疏松棉絮状，故此过程称为絮凝。这些高分子化合物也因此称为絮凝剂。（4）网捕作用如果采用金属盐或氢氧化物（如FeCl3，Ca(OH)2）等作为凝聚剂时，若投药量较大，可以迅速形成网状沉淀。水中的胶体能被这些网状沉淀吸附，继而共同沉淀下来。因此，网捕作用也称卷扫作用或共沉淀作用。其特点是反应速度快，在水和废水处理中常常利用网捕作用。值得注意的是在水处理中往往是上述几种作用(凝聚,絮凝和共沉淀)综合再一起，故此过程称为混凝沉淀。但不同试剂有不同的侧重。对高分子混凝剂而言，以吸附架桥为主；对低分子的无机混凝剂以压缩双电层的凝聚作用为主。4.1.4混凝剂4.1.4.1混凝剂的分类无机混凝剂、有机混凝剂和高分子絮凝剂三类3表3－1各种类型的混凝剂分类混凝剂无机混凝剂无机盐硫酸铝、硫酸亚铁、硫酸亚铁、铝酸钠、氯化亚铁、氯化锌、四氯化钛碱类氢氧化钙金属电解产物氢氧化铝、氢氧化铁固体细粉高岭土、膨润土、碳黑有机混凝剂阴离子型月桂酸钠、硬脂酸钠、油酸钠、十二烷基苯黄酸钠、松香酸钠阳离子型十二烷基胺醋酸、十八烷基胺醋酸、松香胺醋酸、烷基三甲基氯化铵、十八烷基二甲基二苯乙二酮氯化铵高分子混凝剂低聚合度（分子量一千至数万）阴离子型藻酸纳、羧甲基纤维素钠盐阳离子型水溶性苯胺树脂盐酸盐、具硫脲醋酸盐、聚乙烯氨基三氮茂、聚乙烯亚氨非离子型淀粉、水溶性尿素树脂两性型动物胶低聚合度（分子量数十万至数百万）阴离子型聚丙烯酸钠、水解聚丙烯酰胺阳离子型聚丙烯酰胺曼尼希变性物、聚乙烯吡啶季胺盐、聚二丙烯季胺盐非离子型聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯4.1.4.3常用混凝剂下面对几类常用的混凝剂：铝盐、铁盐和聚丙烯酰胺的特点做一简单介绍：1）硫酸铝Al2(SO4)3.18H2O]2)硫酸亚铁[FeSO4.7H2O]3）聚硫酸铁（PFS）[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m，常简称为聚铁。4）聚合氯化铝(PAC)[Al2(OH)6-nCln]m，常常简称为聚铝5）丙烯酰胺（PAM）5.5助凝剂有时当单用混凝剂不能取得较好的效果时，可以投加某种辅助药剂来调节和改善混凝条件，提高处理效率。这些辅助药剂便称为助凝剂。其作用如下：调节pH，常用石灰，NaOH和硫酸等改善絮体的结构，常用活性硅酸、高岭土和PAM等减少有机物，当废水中有机物含量太高时，易起泡沫，使絮体不易沉降。此时可加氧化剂，如氯气，次氯酸钠、溴氧等破坏和除去部分有机物。3.6混凝工艺过程混凝处理工艺唯一综合操作过程，包括药剂的配制、投加、混合、混凝和沉淀等几个过程，4.2气浮分离技术（AirFlotaion）CH2CHCONH2[]n44.2.1概述4.2.1.1气浮(全称：气泡浮上法)：利用高度的微小气泡作为载体去黏附废水中的污染物，并使其随气泡浮升到以实现固液分离的技术。4.2.2基本原理4.2.2.1气泡的特征1）气泡的结构：气泡由附着层和流动层组成。气泡外包着一层由定向有序排列的水分子构成的内膜（附着层），外层是疏松排列有序的极性分子，该层在气泡上浮的过程中，受浮力和阻力的影响而流动，因而称为流动层。2）气泡吸附的原理：由于附着层极性弱，相对体相来说具有一定的疏水性，因此能吸附一些疏水性物质和固体悬浮物。3)气泡的稳定性（气泡的稳定性受泡膜组成的影响）若溶液中存在大量的可溶性无机盐的话，带电无机离子的静电作用对附着层中定向有序排列的极性水分子有扰动和松懈作用，从而会大大减弱气泡膜的强度。因此，离子强度太大的废水是不适宜用气浮技术来处理。气泡受水陆紊动冲击时，可能四周受力不均，引起气泡破裂。若在水中加入长链的高分子物质，则可提高提高气泡膜的韧性和强度（肥皂水容易起泡）。4.2.3气浮水处理技术在废水处理中，按照气泡产生的方式不同，气浮水处理技术可分为三类:分散空气气浮（包括布气板气浮,充气气浮，叶轮气浮），溶气气浮和电解气浮三大类：4.2.3.1微孔板气浮：通过由微孔板，将压缩空气分散为小气泡，然后通过废水。这种方法设备简单，但一般情况下，产生的气泡较大（1～10mm）；若微孔板的孔径太小，则易堵塞。4.2.3.2充气气浮：充气气浮是借助水泵吸入空气，随水流向水中布气。这种方法设备简单，成本低。但由于水泵工作特性的限制，吸入空气的量一般不超过吸入水量的10％（按体积计）且气泡直径较大，因而气浮效果不佳。用这种方法处理通过隔油池的废水其除油率仅为50－65％。4.2.3.3射流气浮：由喷嘴射出的高速水流使吸入室形成负压，并从吸气管中吸入空气，水气在喉管内进行激烈的能量交换，空气被粉碎成微细的气泡，进入扩散段后动能转化为势能，在气浮池内形成大量的微小气泡。4.2.3.4叶轮气浮通过一个高速旋转的叶轮将空气引入，并通过叶轮的高速剪切运动将空气分散成为小气泡（1mm左右）。缺点:改法产生的气泡大小不均匀，无效气泡较多。优点：但该设备具有不易堵塞的特点，适用于处理悬浮物浓度较高的废水，如：洗煤废水，含油脂、羊毛等废水。54.2.3.5溶气气浮A定义：使空气在一定压力下溶入水中并呈饱和状态，然后使废水压力骤然降低，这时溶解的空气便以微小的气泡从水中析出并进行气浮。根据气泡从水中析出时所处的压力不同，溶气气浮又可分为两种方式：一种是空气在常压或加压下溶入水中，在负压下析出，称为真空气浮；另一种是空气在加压下溶入水中，在常压下析出，称为加压溶气气浮。B分类溶气真空气浮:空气在常压或加压下溶入水中，在负压下析出。加压溶气气浮：空气在加压下溶入水中，在常压下析出。C加压溶气气浮流程与设备加压溶气气浮全部进水溶气、部分进水溶气和部分处理水溶气浮。不论是那种类型，其基本过程：溶气－释气－分离溶气系统－释气系统－分离系统在部分进水溶气和部分处理水溶气浮流程中，用于加压的水量只分别占总水量的30－35％和10－20％。因此，在相同能耗的情况下，溶气的压力可大大提高，形成的气泡更小，更均匀，絮体也不会破坏。D关键设备：压力溶气罐（安全和自动控制－控制进水和压缩空气）；释放器（产生微小气泡），其示意图如下：主要由缝隙小于1mm的两块圆盘构成。由于缝隙小，流速快，全部的静压能转变为动能。由于水流速度快，致使缝隙进口处出现负压，有利于溶气的完全释放。E优点：在加压的情况下，空气的溶解度增加，产生的气泡多，气浮效果好。溶入的气体突然减压释放，产生的气泡不仅细小、均匀且上浮速度稳定，对液体的挠动较小，因此适合处理细小颗粒或疏松絮体的固液分离。4.2.3.6电解气浮（电气浮）定义：借助电解时电极上析出的微小气泡而上浮分离固体颗粒。如用铝板或铁板作为阳极的话电解溶蚀产生的Al3＋和Fe2＋离子经水解、聚合具有凝聚和共沉淀的作用，因此这种气浮又称为电解凝聚气浮。优点：1气泡很小（H210－30m,O220-60m0）(压力溶气气浮100－150m，机械搅拌800－1000m)捕获微小颗粒的能强，出水好。2．兼有凝聚，阳极氧化和阴极还原的特点。缺点：电能消耗和电极损耗较大，运行费用较高。4．2.4气浮法与沉淀法比较与选择4.2.4.1比较由于净水工艺沉淀法沿用了几百年，人们选择气浮法时自然地要与沉淀法比较，其实两种方法各有特点：由于气浮法有较高的表面负荷，可达12m/mh，水在池中的停留时间只需10-20min，且池深只需1m左右，故占地面积小。气浮池有预曝气的作用，出水和浮渣都含有一定的氧，有利于后续的处理或再用，泥渣不易腐化。浮渣含水率低，一般在96以下，比沉淀池污泥体积小2-4倍，这对污泥的后续处理有利，6而且表面刮渣也比池底排泥方便。气浮法所需药剂量比沉淀法节省。但是，气浮法电耗较大，处理没吨废水比沉淀法多耗电约0.002-0.004kWh；目前使用的溶气减压释放器易堵塞。4.2.4.1选择的原则：对轻飘杂质，采用气浮法；对密实易沉的杂质，采用沉淀法；对不易沉也不易浮的杂质，一般通过投药、混凝发应后形成的絮体采用气浮时上浮的速度快于沉淀的速度，则尽量选用气浮法好，因为气浮占地面积小，仅为沉淀法的1/8-1/12，出水水质好，且排出污泥的含水率远低于沉淀法排出的污泥。这给污泥的进一步处理和处治带来较大的方便，节省费用。44..33..膜膜分分离离技技术术44..33..11膜膜分分离离技技术术及及其其发发展展44..33..11..11定定义义在某一驱动力的作用下，利用特殊薄膜对液体中某些成分进行选择性透过技术的统称驱动力：压力差，电位差，浓度差膜：固态膜，液态膜，渗透膜，半渗透膜，均相膜，非均相膜，天然膜，人工膜4.3.1.2分类55..22电电渗渗析析法法4.3.2电渗析法4.3.2.1引言4.3.2.2渗析1）扩散：高浓度物质向低浓度的运输过程2）渗析：当两种不同水溶液用一张半透膜（如离子交换膜）隔开时只能让某些物质选择性的从一种溶液扩散到另一溶液中去,此过程变称为渗析或扩散渗析。4.3.2.1.电渗析过程电渗析：离子在电场中的定向运动与扩散渗析过程的组合1）主要过程：阳离子通过阳膜，阴离子通过阴膜。2）次要过程：A)水的电渗透；B)水的电离；C）水的渗透；D）离子的渗透4.3.3.2电渗析装置