第十六章-污水的化学处理

第十六章污水的化学处理•第一节化学混凝法•第二节中和法•第三节化学沉淀法•第四节氧化还原法第一节化学混凝法一、混凝对象和用途二、废水中胶体颗粒的稳定性及脱稳机理三、混凝剂与助凝剂四、影响混凝的因素五、投药方法及调制设备六、混合与反应七、混凝方法的优缺点一、混凝对象和用途•混凝是通过向废水中投加混凝剂(coagulant)，破坏胶体的稳定性，使细小悬浮颗粒和胶体微粒聚集(aggregation)成较粗大的颗粒而沉降与水分离，使废水得到净化。各种废水都是水和水中均匀分布的细小颗粒所组成的分散体系，按颗粒的大小，分散体系可以分成三类：•颗粒粒径小于1nm的真溶液；•颗粒粒径为1－100nm的胶体溶液；•颗粒粒径大于100nm的悬浮液。在通常情况下，胶体溶液和悬浮液采用混凝方法处理。二、废水中胶体颗粒的稳定性及脱稳机理1.胶体的特点：•粒径小，一般直径为10-9－10-7m；•布朗运动，颗粒在废水中受水分子热运动的碰撞而作无规则的布朗运动，布朗运动足以抵抗重力影响，具有动力学稳定性；•带电，同类胶体微粒带有同性电荷。•水化膜，许多水分子被吸引在亲水胶体微粒周围，形成水化膜。双电层结构模型2.胶体的结构滑动面以内的部分称胶粒胶粒与扩散层之间的电位差称ξ电位[胶核]电位离子，束缚反离子自由反离子[Fe(OH)3]mnH＋(n－x)Cl－x+Cl－胶核(nuclear)胶粒(colloidalparticle)吸附层(固定层）stationarylayer扩散层diffuselayer胶团(colloidalmicelle)胶粒在水中受影响分析：•胶粒间静电斥力，与ξ电位成正比•布朗运动，有靠动能将胶粒推近到范德华力作用距离范围的趋势。•范德华力，与胶粒间距的2次方成反比决定了：胶粒能相互聚结，还是长期保持稳定的分散状态3.胶体的脱稳机理•胶体颗粒保持分散的悬浮状态的特性称为胶体的稳定性（stabilization)。•胶体因电位降低或消除，从而失去稳定性的过程称为脱稳(destabilization)，脱稳的胶粒相互聚集为较大颗粒的过程称为凝聚(coagulation)。•混凝的机理：混凝可分为压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物网捕四种机理。（1）压缩双电层机理(modificationoftheelectricaldoublelayer)•双电层的厚度与溶液中的反离子的浓度有关。当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增高时，则扩散层的厚度将减小。•该过程的实质是加入的反离子与扩散层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，从而使扩散层厚度减小。•由于扩散层厚度的减小，胶粒得以迅速凝聚。（2）吸附电中和机理(electricalneutralization)•胶粒表面对异号离子、异号胶粒、链状离子或分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了电位离子所带电荷，减少了静电斥力，降低了电位，使胶体的脱稳和凝聚易于发生。（3）吸附架桥（桥连）机理(polymerbridgingofcolloids)•吸附架桥作用主要是指链状高分子聚合物在静电引力、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连的过程。•本机理能解释当废水浊度很低时有些混凝剂效果不好的现象。因为废水中胶粒少，当聚合物伸展部分一端吸附一个胶粒后，另一端因粘连不着第二个胶粒，只能与原先的胶粒粘连，就不能起架桥作用，从而达不到混凝的效果。高分子聚合物对胶体或微粒的吸附架桥作用示意图＋＋＋（4）沉淀物网捕机理(entrapmentintheflocstructure)•当铝盐或铁盐混凝剂投量很大而形成大量氢氧化物沉淀时，可以网捕，卷扫水中胶粒以至产生沉淀分离，称为卷扫或网捕作用，这种作用基本上是一种机械作用，所需混凝剂量与原水杂质含量呈反比。原水胶体杂质含量少时，所需混凝剂量多，反之亦然。•以上介绍的混凝的四种机理，在水处理中往往可能是同时或交叉发挥作用的，只是在一定情况下以某种机理为主而已。三、混凝剂与助凝剂凝聚、絮凝和混凝这三个词常引起混淆。•凝聚(coagulation)是指胶体被压缩双电层而脱稳的过程；•絮凝(flocculation)则指胶体由于高分子聚合物的吸附架桥作用聚结成大粒絮体的过程；•混凝（coagulation-flocculation）则包括凝聚与絮凝两种过程。•凝聚是瞬时的，所需的时间是将化学药剂扩散到全部水中的时间。•絮凝则与凝聚作用不同，它需要一定的时间让絮体长大，但在一般情况下两者难以截然分开。•混凝剂(coagulant)：一般把能起凝聚与絮凝作用的药剂统称为混凝剂。•助凝剂(coagulantaids)：当单用混凝剂不能取得良好效果时，可投加某类辅助药剂以提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。水处理对混凝剂的要求：•混凝效果好；•对人类健康无害；•价廉易得；•使用方便。•目前常用的混凝剂传统上按化学组成可分为无机盐类和有机高分子类。1.混凝剂(1)无机盐类1）三氯化铁(ferricchloride)•无水物、结晶水物和液体，其中常用的是FeCl3·6H2O，极易溶于水。•优点：形成的矾花沉降性好，处理低温水或低浊度水效果比铝盐好，适宜的pH值范围较宽；•缺点：处理后的水的色度比铝盐的高，腐蚀性大。2）硫酸亚铁(ferroussulfate)•FeSO4·7H2O是半透明绿色晶体，易溶于水，在水温2O℃时溶解度为21％。•硫酸亚铁离解出的Fe2＋只能生成最简单的单核络合物，因此，不如三价铁盐混凝效果好。•残留在水中的Fe2＋会使处理后的水带色，Fe2＋与水中的某些有色物质作用后，会生成颜色更深的溶解物。因此，使用硫酸亚铁时应将二价铁先氧化为三价铁，然后再起混凝作用。3）硫酸铝(aluminumsulfate,alum)•工业产品有精制和粗制两种。精制硫酸铝是白色结晶体。粗制硫酸铝的Al203含量不少于14.5％－16.5％，不溶杂质含量不大于24％－30％。•优点：价格较低，使用方便，混凝效果好。•缺点：当水温低时硫酸铝水解困难，形成的絮体较松散。由于杂质含量高，所以渣量大。4）聚合氯化铝(poly-aluminumchloride,PAC)•聚合氯化铝是一种高分子混凝剂，简称PAC(poly-aluminiumchloride)其化学式可写为[Al2(OH)nCl6-n]m，式中n可取1到5中间的任何整数，m为10的整数。这个化学式实际是指m个Al2(OH)nCl6-n单体的聚合物。•聚合氯化铝中OH与Al的比值对混凝效果有很大关系，一般可用碱化度B表示：B=[0H]×100％/3[Al]，例如n＝4时，碱化度B=[4/（3×2）]×100％=66.7％。一般要求B为40％－60％。聚合氯化铝优点：(a)应用范围广，对各种废水都可以获得较好的混凝效果。(b)易快速形成大的矾花，沉降性能好，投药量一般比硫酸铝低，过量投加时也不会象硫酸铝那样造成水浑浊。(c)适宜的pH值范围较宽(在5－9之间)，且处理后水的pH值和碱度下降较小。(d)水温低时，仍可保持稳定的混凝效果。(e)其碱化度比其它铝盐、铁盐为高，因此药液对设备的侵蚀作用小。5）活化硅酸(activatedsilicate)•活化硅酸实质上是硅酸钠在加酸条件下水解聚合反应进行到一定程度的中间产物。•对胶体的混凝是通过吸附架桥使粒子粘连而完成的。•优点：絮凝体形成快且粗大、密实，在低水温、低碱度条件下也能良好絮凝，适用pH值范围宽。与其它的混凝剂配合使用，特别是与铝盐和铁盐混合使用，可缩短沉降时间，节省混凝剂用量。6）聚合硫酸铁(poly-ferricsulfate,PFS)•化学式为[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m•优点：投加剂量小，絮体生成快，对水质的适应范围广以及水解时消耗水中碱度少。•它与聚合铝盐都是具有一定碱化度的无机高分子聚合物，且作用机理也颇为相似。返回(2)有机高分子类混凝剂(polyelectrolytes)•分类：高分子混凝剂分为天然和人工两种，其中天然高分子混凝剂的应用远不如人工的广泛，主要原因是电荷密度小，分子量较低，且容易发生降解而失去活性。•根据高分子聚合物所带基团能否离解及离解后所带离子的电性，有机高分子混凝剂可分为阴离子型(anionic)、阳离子型(cationic)和非离子型(nonionic)(2)有机高分子类混凝剂•特点：高分子混凝剂一般为链状结构，各单体间以共价键结合。•单体的总数称为聚合度，高分子混凝剂的聚合度约从1000－5000，甚至更高。高分子混凝剂溶于水中，将生成大量的线形高分子。作用机理：（a）由于氢键结合、静电结合、范德华力等作用对胶粒的吸附结合；（b）线型高分子在溶液中的吸附架桥作用。在一般情况下，不论混凝剂为何种离子型，对不同电性的胶体和细微悬浮物都是有效的。但如为离子型，且电性与胶粒电性相反，就能起降低电位和吸附架桥双重作用，可明显提高絮凝效果。聚丙烯酰胺简介(polyacrylamides,PAM)•分子式：示意•产量占高分子混凝剂总产量的80％，•按性状，聚丙烯酰胺产品有胶状(含量5％－10％)、片状(含量20％－30％)和粉状(含量90％－95％)三种。其聚合度可达2×104－9×104。相应的相对分子质量高达1.5×106－6.0×106。•聚丙烯酰胺也常作为助凝剂与其他混凝剂一起使用，可产生较好的混凝效果。聚丙烯酰胺的投加次序与废水水质有关。—CH2—CH—CONH2n其中n称为聚合度•当废水浊度低时，宜先投加其他混凝剂，再投加聚丙烯酰胺，使胶体颗粒先脱稳到一定程度，为聚丙烯酰胺的絮凝作用创造有利条件；•当废水浊度高时，应先投加聚丙烯酰胺，再投加其它混凝剂，以让聚丙烯酰胺先在高浊度水中充分发挥作用，吸附部分胶粒，使浊度下降，其余胶粒由其它混凝剂脱稳，再由聚丙烯酰胺吸附，这样可以降低其它絮凝剂的用量。(3)微生物絮凝剂•也称第三代絮凝剂，首先在日本研制开发成功。是通过微生物发酵抽取，精制而成的一种高效水处理药剂。与普通混凝剂相比，具有更强的凝聚性能，可使一些难降解的高浓度废水得到混凝，另外它易于固液分离，形成沉淀物少，易被微生物降解，无毒无害，无二次污染，使用范围广，具有除浊脱色功能。2.助凝剂（1）pH调整剂•常用的pH调整剂包括石灰、硫酸、氢氧化钠、碳酸钠等。（2）絮体结构改良剂•如活性硅酸、骨胶、聚丙烯酰氨和粘土等。（3）氧化剂•可投加氯气、次氯酸钠、臭氧等氧化剂来破坏有机物，以提高混凝效果。四、影响混凝的因素1.废水水质的影响（1）浊度(turbidity)•浊度过高或过低都不利于混凝，浊度不同，所需的混凝剂用量也不同。（2）pH值•在混凝过程中，都有一个相对最佳pH值存在，使混凝反应速度最快，絮体溶解度最小。不同混凝剂最佳pH值要通过试验确定。（3）水温(temperature)•水温会影响无机盐类的水解，水温低，水解反应慢。另外水温低，水的粘度增大，布朗运动减弱，混凝效果下降。（4）共存杂质(impurities)•有些杂质的存在能促进混凝过程。而有些物质则不利于混凝的进行。2.混凝剂的影响（1）混凝剂种类(kindsofcoagulants)•混凝剂的选择主要取决于胶体和细微悬浮物的性质、浓度。•如水中污染物主要呈胶体状态，且电位较高，则应先投加无机混凝剂使其脱稳凝聚，如絮体细小，还需投加高分子混凝剂或配合使用活性硅酸等助凝剂。•很多情况下，将无机混凝剂与高分子混凝剂并用，可明显提高混凝效果，扩大应用范围。（2）混凝剂投加量(dosage)•投加量除与水中微粒种类、性质、浓度有关外，还与混凝剂品种、投加方式及介质条件有关。•对任何废水的混凝处理，都存在最佳混凝剂和最佳投药量的问题，应通过试验确定。（3）混凝剂投加顺序(sequence)•当使用多种混凝剂时，其最佳投加顺序可通过试验来确定。一般而言，当无机混凝剂与有机混凝剂并用时，先投加无机混凝剂，再投加有机混凝剂。•但当处理的胶粒在50m以上时，常先投加有机混凝剂