污水的化学与物理化学处理

水污染控制工程污水的物化处理北京大学环境科学与工程学院污水的物化处理预处理生物法出水处理预处理生物处理备注：CASS是SBR工艺的改进型，使间歇式进水实现连续进水污泥处理污水处理流程目录第一节中和法第二节化学混凝法第三节化学沉淀法第四节氧化还原法第五节吸附法第六节离子交换法第七节萃取法第八节膜析法第九节超临界处理技术化学法物理法第一节中和法定义：酸和碱反应生成盐和水称为中和反应。天津王稳庄镇污水横流水塘蓄满酸性黑水早在2005年，天津市就被评为“国家环境保护模范城市”。而西青区王稳庄镇是天津市远近闻名的鱼米之乡，过去因盛产小站稻而驰名，还是天津市最大的鱼、肉、蛋无公害生产基地，但这里的河流基本上都因为众多小五金厂严重的污染变成了黄色或者黑色。独流减河王稳庄段堤北侧的巨大黄色污水河唐津高速下西兰坨村农田边上的污水沟王稳庄村里上百亩污水塘，蓄满强酸性黑色污水小金庄村一家无名小五金厂正向八路河内排放强酸性污水小泊扬水站长年向独流减河排放污水留下的黄色印迹为什么要中和？定义：酸和碱反应生成盐和水称为中和反应。中和处理适用于废水处理中的下列情况：（1）废水排入受纳水体前，pH超标，此时应该采取中和处理，减少水生生物的影响；（2）工业废水排入排水管网前，避免对管道造成腐蚀；（3）在生物处理法之前，调节废水pH在6.5~8.5范围，确保最佳的生物活性。为什么要中和？酸性废水利用碱性废水中和，向酸性废水中投加碱性废渣，以及通过碱性滤料层过滤中和等。碱性废水可利用酸性废水中和，向碱性废水投加中和剂，以及利用烟道气中和等。60年代中国发展了高速率石灰石滤料中和滤塔，用来处理低浓度酸性废水，效果很好。在进行中和处理时，要借助pH值自动测定仪进行监测和控制。•中和处理首先考虑以废治废的原则。•其次考虑采用中和剂。•常用的碱性中和剂有石灰(CaO)、电石渣Ca(OH)2和石灰石CaCO3、白云石。•常用的酸性中和剂有废酸、粗制酸和烟道气。概述•指在废水中投加化学药剂，使废水的pH值达到中性或接近中性状态的方法。33MgCOCaCO一、酸碱污水的产生1．酸性污水－化工厂、化纤厂、电镀厂，金属加工厂等酸性污水pH＝1－4，腐蚀性强，改变水体的PH值，影响水生植物。2．碱性污水－印染厂、造纸厂、炼油厂的碱性污水PH＝10－14，腐蚀危害小于酸性水，影响水生植物。酸碱污水在浓度高时(3%－5％以上)，应考虑回收和综合利用，制造硫酸亚铁、硫酸铁、在浓度不高时方可采用处理的方法。二、中和剂1．酸性污水的中和剂：苏打NaCO3和苛性钠NaOH具有组成均匀，易于贮存，反应迅速，易溶于水，但价格较高。石灰Ca(OH)2来源广泛，价格便宜，但产生杂质多，浮渣多，难处理，一般用于水量较小的水厂。沉淀量大，运输不便，石灰的粉末极易飘散，劳动卫生条件差。石灰石CaCO3，白云石CaCO3＋MgCO3是开发的石料，在产地价格便宜，可以作为一种中和材料，主要用于滤床使用。2．碱性污水的中和剂：硫酸、盐酸、烟道气（含CO2，SO2)。二、中和剂3、选择中和剂的标准：（1）反应速率；（2）污泥产量和污泥处理方法；（3）加药和储存安全方便；（4）化学进料和存放总设备的总费用；（5）副反应的发生：盐的溶解、水沟产生和热；（6）加药过量；（7）中和剂选取的粒径大小是否会阻塞滤床等等；三、中和设备中和设备有集水井、混合槽、连续流中和池以及间歇式中和池。（1）水质水量变化不大或者废水的缓冲能力较好，后续构筑物对水质pH要求不是很严格情况下：（2）水质水量变化较大，但是水量较小，或废水中还含有其他杂志的金属离子，出水水质要求较高情况下：（3）水质水量变化不大，废水有一定的缓冲能力，但是出水pH要求很严格情况下：不单独设置中和池管道混合槽内连续式反应间歇式中和池，先后完成混合、反应、沉淀、排泥工序连续流中和池管道混合槽内连续式反应四、中和方法分类1．酸碱污水相互中和法2、药剂中和法3．过滤中和法（多用于原料所在地）4、烟道气中和法1．酸碱污水相互中和法电镀厂的酸性污水和印染厂的碱性污水相互混合，达到中和目的。根据化学反应等当量原理，Q1C1=Q2C2计算污水中酸碱的含量及污水量，使酸碱污水等当量混合，达到等当量中和并略偏于碱性。2．药剂中和法用碱性、酸性物质为中和剂处理，常采用石灰处理酸性污水，石灰还是混凝剂，可凝聚水中的杂质，对于含杂质多的酸性污水有利。当污水中含有重金属离子时，加入石灰，碱性增大使水中重金属离子积大于溶度积产生沉淀。H2SO4+Ca(OH)2CaSO4+2H2O2HNO4+Ca(OH)2Ca(NO3)2+2H2OFe2++Ca(OH)2Fe(OH)2+Ca2+Pb2++Ca(OH)2Pb(OH)2+Ca2+投药中和法的工艺过程主要包括：废水的预处理；中和药剂的制合与投配、混合与反应；中和产物的分离；泥渣的处理与利用。废水的预处理包括悬浮杂质的澄清，水质及水量的均和。前者可以减少投药量，后者可以创造稳定的处理条件。投药中和法的工艺流程酸性废水投药中和流程图投加装置：干投、湿投药剂中和在混合池中进行，其后需设沉淀池和污泥干化，污水在混合反应池停留时间5分钟（给水反应池的停留时间是8-10分钟），在沉淀池停留时间1－2小时，污泥是污水的体积2%－5％，污泥需脱水干化。干投法－用机械将药剂粉碎，直径＜0.5mm，然后直接投入水中。干投时，为了保证均匀投加，可用具有电磁振荡装置的石灰投配器将石灰扮直接投入废水中。干投法设备简单，药剂的制备与投配容易，但反应缓慢，中和药剂耗用量大(约为理论用量的1.4～１.5倍)。投加装置：干投、湿投现在多采用湿投法。即将生石灰在消解槽内消解为浓度40～50%的乳液，排人石灰乳贮槽，并配成浓度为5～10%的工作液，然后投加。石灰乳投加量可用手动提板闸式投配器的孔口开度来控制，亦可通过投加阀的开度来控制(pH计自动控制或手动控制)。石灰乳贮槽及消解槽可用机械搅拌或水泵循环搅拌，以防止沉淀。搅拌不宜采用压缩空气，因其中的CO2易与CaO反应生成CaCO3沉淀，既浪费中和药剂，又易引起堵塞。加药间工作液用泵送到投配槽，经过投配器投入到混合设备。投配系统采用溢流循环方式，即石灰乳输运到投配槽中的量大于投加量，剩余量沿溢流管流回石灰乳贮槽，这样可维持投配槽内液面稳定不变，投加量只由孔口或阀门开度大小控制，还可以防止沉淀和堵塞。投配器湿投法采用石灰中和酸性废水时，混合反应时间一般为2-5min，但是废水如果含有金属盐类或者其他的毒物时，还应该考虑去除金属及其毒物的要求。混合反应装置中和槽有两种类型，应用广泛的是机械搅拌混合反应池。池中常设置隔板将其分成多室，以利混合反应。反应池的容积通常按5～20min的停留时间设计。另一种是带折流板的管式反应器，器中混和搅拌的时间很短，仅适用于中和产物溶解度大、反应速度快的中和过程。中和过程中形成的各种泥渣(如石膏、铁矾等)应及时分离，以防止堵塞管道。分离设备可采用沉淀池或浮上池。分离出来的沉淀(或浮渣)尚需进一步浓缩、脱水。混合反应装置投药中和法：间歇处理方式和连续处理方式通常，水量少时(例如每小时几立方米到十几立方米)采用间歇式处理。水量再大时，就采用连续式处理。此时，欲获得稳出可靠的中和效果，应采用多级式pH自动控制系统。投药中和法：优点：1、可处理任何浓度、任何性质的酸性废水；2、废水中容许有较多的悬浮杂质，对水质、水量的波动适应性强；3、并且中和剂利用率高；4、中和过程容易调节。缺点：劳动条件差，药剂配制及投加设备较多，基建投资大，泥渣多且脱水难。投药中和法特点3．过滤中和法（多用于原料所在地）酸性废水流过碱性滤料时，可使废水中和，这种中和方式叫过滤中和法。过滤中和法仅用于中和酸性废水。主要的碱性滤料有三种：石灰石、大理石、白云石。前两种的主要成分是CaCO3，后一种的主要成分是CaCO3·MgCO3。三、中和方法分类白云石与硫酸反应H2SO4+CaCO3CaSO4+H2O+CO2334422H2SO4+CaCOMgCOCaSO+MgSO+H2O+CO白云石中含有MgCO3，可生成溶解度较大的MgSO4不会造成反应中滤池的堵塞，产生的CaSO4是石灰石中和产生的50％，影响小一些，可以适当提高进水硫酸浓度。3．过滤中和法（多用于原料所在地）使污水流经具有中和能力的滤池，例如石灰石、白云石、大理石等，产生中和作用。石灰石与硫酸反应2HCl+CaCO3CaCl2+H2O+CO2一、滤料的选择滤料的选择和中和产物的溶解度有密切的关系。滤料的中和反应发生在颗粒表面上，如果中和产物的溶解度很小，就在滤料颗粒表面形成不溶性的硬壳，阻止中和反应的继续进行，使中和处理失败。中和后形成的盐具有不同的溶解度，其顺序大致为：由此可知：中和处理硝酸、盐酸时，滤料选用石灰石，大理石或白云石都行；中和处理碳酸时，含钙或镁的中和剂都不行，不宜采用过滤中和法；中和硫酸时，最好选用含镁的中和滤料(白云石)。中和后形成的盐具有不同的溶解度，其顺序大致为：但是，白云石的来源少、成本高，反应速度慢，所以，如能正确控制硫酸浓度，使中和产物(CaSO4)的生成量不超过其溶解度，则也可以采句石灰石或大理石。根据硫酸钙的溶解度数据可以算出，以石灰石为滤料时，硫酸允许浓度在1～1.2g／L。如硫酸浓度超过上述允许值，可使处理后的出水回流，用以稀释原水；或改用白云石滤料。采用升流过滤方式和较大的过滤速度，有利于消除气体的阻碍作用。另外，过滤中和产物CO2溶于水使出水pH值约为5，经曝气吹脱CO2，则pH值可上升到6左右。脱气方式可用穿孔管曝气吹脱、多级跌落自然脱气，板条填料淋水脱气等。为了进行有效的过滤，还必须限制进水中悬浮杂质的浓度，以防堵塞滤料。滤料的粒径也不宜过大。另外，失效的滤渣应及时清除，并随时补加滤料，直至例床换料。采用碳酸盐做中和滤料，均有CO2气体产生，它能附着在滤料表面，形成气体薄膜，阻碍反应的进行。酸的浓度愈大，产生的气体就愈多，阻碍作用也就越严重。二、中和滤池普通中和滤池普通中和滤池一般是为固定床重力式，水的流向分平流式和竖流式（又分升流式和降流式），滤料粒径一般为30-50mm，不得混有粉料杂质，当废水中含有可能堵塞滤料的物质时，应进行预处理，过滤速度一般不大于5m/h，接触时间不小于10min，滤床厚度一般为1-1.5m。但是，当进水的硫酸浓度较大时，这种滤池极易在滤料表面结垢，并且不易冲掉，从而中断中和反应进程。实践表明，这种滤池的中和效果很差。9810013618生成硫酸钙微溶于水，18℃时溶解度为1.6g/L，采用石灰石能中和硫酸浓度为：1.6:136＝x:98x=1.15g/L分析：1）当进水硫酸浓度大于1.15g/L，中和反应生成的CaSO4浓度大于1.6g/L，超过浓度积，会析出CaSO4沉淀。2）由于存在盐效应的过饱和现象，一般进水的硫酸浓度可提高到2.0-2.4g/L。3）应用中要注意进水的硫酸浓度，不使滤池堵塞。4）采用升流式膨胀床可以减少硫酸钙结壳计算：石灰石与硫酸反应生成硫酸钙。H2SO4+CaCO3CaSO4+H2O升流式膨胀中和滤池（恒速）由于粒径小，就增大了反应面积，缩短中和时间；由于流速大，滤科可以悬浮起来，通过互相碰撞，使表面形成的硬壳容易剥离下来，从而可以适当增大进水中硫酸的允许含量；由于是升流运动，剥离的硬壳容易随水流走，CO2气体易排出，不致造成滤床堵塞。滤料层厚度在运行初期为1～1.2m，最终换料时为2m，滤料膨胀率保持50％。池底设0.15～0.2m的卵石垫层，池项保持0.5m的清水区。采用升流式膨胀中和滤池处理合硫酸废水，硫酸允许浓度可提高到2.2～2.3g／L。升流式膨胀中和滤的特点是滤料粒径小(0.5～3mm)、滤速高(66～70m／k)、废水由下向上流动。变速升流式膨胀中和滤池如果改变升流式滤池的结构，采用变截面中和滤池，使下部滤速仍保持60～70m／h，而上部滤速减为15～20m／h，则可获双重好处：既保持较高的过滤速度，又不致于使细小滤料随水流失，