污水的化学与物理化学处理课件

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十六章污水的化学处理与物理化学处理污水的化学处理污水的化学处理是利用化学反应的作用以去除水中的杂质。处理对象主要是污水中无机的或有机的(难于生物降解的)溶解物质或胶体物质。常用的化学处理方法有化学混凝、中和法、化学沉淀法和氧化还原法。第一节中和法1.中和处理的目的—中和废水中过量的酸或碱以及调整废水的酸碱度，使中和后的废水呈中性或接近中性，以适宜下一步处理或外排的要求。2.适用情况：（1）废水排入受纳水体前，pH值超过排放标准（2）工业废水排入城市的下水道系统前，以免对管道系统造成腐蚀（3）化学处理或生物处理前。来源：酸水种类：处理方法：酸性废水与碱性废水相互中和药剂中和过滤中和无机酸：HCl、H2SO4、HF、HCN、H3PO4有机酸：醋酸，柠檬酸，甲酸化工厂，电镀厂，化纤厂，金属酸洗车间3、酸性废水与碱性的废水酸水的危害较碱水大得多㈠利用碱性废水中和以废治废：酸碱当量数应相同中和设备：一、酸性废水的中和处理（1）集水井，管道或混合槽：水质和水量较稳定或后续处理对pH值要求较宽。V＝（Q1＋Q2）×t其中：t—中和时间1～2hQ1—酸性废水设计流量m3/hQ2—碱性废水设计流量m3/h（2）连续流中和池：水质和水量较稳定及后续处理对pH值要求高时。中和池体积：水质水量变化较大，连续流很难满足出水pH值时。（3）间歇式中和池：（二）中和药剂投加法对水质水量波动适应性强1.主要药剂：石灰，苛性钠，碳酸钠，石灰石，电石渣等最常用H2SO4+Ca(OH)2=CaSO4+2H2OQ—酸性废水量，m3/dc1、c2—酸、酸式盐浓度，kg/m3a1、a2－中和1kg酸、酸式盐所需碱量，kg/kgP—中和剂纯度，％k—不均匀系数)(2211acacKQGa2、中和药剂投加量：通过试验绘制中和曲线。P沉渣体积：2％处理水沉渣量：G（kg/d）)dcs()e(aQGG＝3、沉渣量φ—消耗单位重量药剂所生成的难溶盐及金属氢氧化物量，kg/kge—单位药剂中杂质含量，kg/kgs—废水中悬浮物浓度，kg/m3c—中和后溶于水中的盐量，kg/m3d—出水悬浮物浓度，kg/m3消耗药剂产生的沉渣量中和后悬浮物的沉渣量4、药剂投加法的工艺主要包括：废水的预处理药剂的制备与投配混合与反应中和产物的分离泥渣的处理与利用。(1)干投法：石灰振荡设备优点：缺点：5、投加石灰的方法设备简单，药剂的制备与投配容易反应慢，不够充分，中和剂耗用量大(理论量的1.4～1.5倍)机械搅拌水泵循环隔板式机械搅拌(2)湿投法消解槽乳液槽投配槽混合反应器石灰溢流40%-50%5%-10%停留时间5-10s连续流式处理：废水量大，多级串联间歇处理：废水量少，间断排出6、运行方式：产物分离和沉渣处理（1)沉淀池浮上池(2)沉渣处理：浓缩,脱水等.7、投药中和法特点优点：•可处理任何浓度、任何性质的酸性废水；•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；•并且中和剂利用率高，中和过程容易调节。缺点：•劳动条件差;•设备较多，基建投资大;•泥渣多且脱水难。操作方便，运行费用低，劳动条件好优点：缺点：（三）过滤中和—选择碱性滤料填充成一定形式的滤床，酸性废水流过此滤床即被中和进水酸浓度受到限制1、滤料的选择：酸的种类，酸的浓度HCl，HNO3：H2SO4：石灰石，大理石（CaCO3）；白云石（MgCO3•CaCO3）白云石滤料的选择和中和产物的溶解度有密切的关系。各种酸中和后形成的盐具有不同的溶解度，其顺序大致为：Ca(NO3)2、CaCl2＞MgSO4＞CaSO4＞CaCO3、MgCO3。（1）普通中和滤池水流方向：‘’2、中和滤池：玻璃钢、塑料或耐酸混凝土等耐酸材料平流式竖流式升流式降流式滤料粒径：φ30-50mm，不能混有粉质（2）升流式膨胀滤池等速升流式中和滤池下部滤料膨胀不起来，上部带出小颗粒滤料。变速升流式膨胀滤池-U下=60～70m/h，U上=15～20m/h粒径小,0.5～3mm，滤层高度1～1.2m（新滤料），最终换料时的滤层高度≥2m；U=60～80m/h膨胀率50%，上部清水区高度为0.5m硫酸允许浓度可提高到2.2～2.3g／L。••（3）滚筒式中和滤池装于滚筒中的滤料随滚筒一起转动，使滤科互相碰撞，及时剥离由中和产物形成的覆盖层，可以加快中和反应速度。废水由滚筒的一端流入，由另一端流出。优点：进水的硫酸浓度可以很大，滤料粒径却不必破碎得很小。缺点：负荷率低、构造复杂、动力费高、噪音大，同时对设备材料的耐蚀性能要求高。含酸废水，烟道气（CO2、SO2、H2S）二、碱性废水的中和处理（一）利用酸性物质中和喷淋塔:水、气逆流优点:以废治废缺点:处理后的水色度,好氧量,硫化物都有增加.（二）药剂中和法：H2SO4、HCl、压缩CO2价格低反应物溶解度高、渣少逆流接触反应器用CO2做中和剂的优点在于：由于pH值不会低于6左右，因此不需要pH值控制装置。第二节化学混凝法一、混凝原理和用途二、混凝的工艺过程三、废水中胶体颗粒的稳定性及脱稳机理四、混凝机理五、混凝剂与助凝剂六、影响混凝效果的主要因素七、化学混凝的设备八、混凝方法的特点一、混凝原理和用途•混凝的主要对象是废水中的细小悬浮颗粒和胶体微粒（colloid)，这些颗粒用自然沉降法很难从水中分离出去。•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。混凝法是废水处理中常采用的方法•可以用来降低废水的浊度和色度，去除多种高分子有机物、某些重金属和放射性物质。•混凝法还能改善污泥的脱水性能。分散相粒度真溶液胶体溶液悬浮液0.1～1nm1～100nm100nm100μm以上的悬浮液—沉淀或过滤1nm～100μm间的部分悬浮液和胶体溶液—混凝返回目录二、混凝的工艺过程26废水混凝剂混合反应沉降（澄清）出水污泥混合目的是使混凝剂尽快与水混合，需要短时间高强度搅拌。反应阶段的目的是使药剂与水中的细小颗粒或胶体物质作用生成尽可能大的絮体，为沉降分离创造条件，需要低强度长时间搅拌。许多因素影响反应过程。澄清的目的是使所生成的絮体与水分离，完成净化过程。三、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10-3－10-8mm；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；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胶体微粒周围，形成水化膜。28胶体的双电层结构模型胶核电位离子束缚反离子，滑动面胶团边界2.胶体的结构胶粒边界29[Fe(OH)3]mnH＋(n－x)Cl－x+xCl－胶核(nuclear)胶粒(colloidalparticle)吸附层stationarylayer扩散层diffuselayer胶团(colloidalmicelle)例：氢氧化铁胶体由三氯化铁水解形成。试写出氢氧化铁胶体粒子的结构式。解：氢氧化铁胶体粒子的结构式如下所示：电位形成离子自由反离子束缚反离子其中，m为胶核中的分子数；n为被吸附的电位离子数；(n-x)为吸附层中反离子数；x为扩散层中的反离子数。φ电位——胶核与溶液主体之间由于表面电荷的存在所产生的电位。对某类胶体而言，φ电位固定不变，但无法测出ξ电位——胶粒与溶液主体之间由于胶粒剩余电荷的存在所产生的电位。可通过电泳或电渗计算得出—溶液中反离子浓度、温度、pH值吸附层与胶核一起运动硅酸溶胶[S2O2]m•nSiO32-•2(n-x)H+2x-•2xH+氢氧化铁溶胶[Fe(OH)3]m•nH+•(n-x)Cl-x+•xCl-带正电：Fe(OH)3、Al(OH)3带负电：碱式Al(OH)3、蛋白质、粘土、AgI溶液返回目录四、混凝机理胶体微粒同性相斥胶体保持稳定性的原因水化壳ξ电位越大，胶体越稳定脱稳—胶体因ξ电位降低或消除，从而失去稳定性的过程凝聚—脱稳的胶粒相互聚集为较大颗粒的过程絮凝—未经脱稳的胶体形成较大颗粒的过程331.压缩双电层机理•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。①扩散层厚度↓，ξ电位排斥力↓②扩散层厚度↓，相撞时的距离↓，吸引力↑吸引力为主，胶粒迅速凝聚港湾处泥沙沉积现象？（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。•显然，其结果与压缩双电层相同，但作用机理是不同的。•铝盐和铁盐混凝剂投加量过多，凝聚效果反而下降的现象，可以用本机理解释。因为胶粒吸附了过多的反离子，使原来的电荷变号，排斥力变大，从而发生了再稳现象。36（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。L•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。37高分子聚合物对胶体或微粒的吸附架桥作用示意图＋＋＋在吸附桥联过程中，胶粒并不一定要脱稳，也无需直接接触。该机理可解释非离子型或带同号电荷离子型高分子絮凝剂得到好的絮凝效果的现象。沉淀金属氢氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3)或带金属的碳酸盐(如CaCO3)时，水中的胶粒和细微悬浮物可被这些沉淀物在形成时作为晶核或吸附质所网捕。•高分子絮凝剂-吸附架桥•铝盐、铁盐-压缩双电层、吸附架桥、网捕4.沉淀物网捕机理返回目录39五、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。40•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。41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。•目前常用的混凝剂按化学组成可分为无机盐类和高分子类。（一）混凝剂类别名称剂量范围mg/L最佳pH值范围应用特点无机盐类硫酸铝Al2(SO4)35～506左右混凝效果较好，使用方便；最佳pH值范围窄；使用水温：20～30℃硫酸亚铁FeSO45～508.5～11.0适用碱度及硬度均较高的水；水温对混凝效果影响较小；絮凝体形成快，较稳定；产品及溶液腐蚀性强氯化铁FeCl34～408.5～11.0处理高浊度水；絮凝体较坚固，沉淀性较好；固体产品吸湿性强，对包装运输不利无机高分子混凝剂聚合氯化铝（PAC）2～205～9适用于低温低浊及高浊度水；投药量少，混凝效果好；适用pH值范围广；产品腐蚀性强聚合硫酸铁（PFS）20～605～11适用于低温低浊及高浊度水；易溶于水；适用pH值范围广；净化后水的pH值与碱度变化幅度较小；宜当日配置当日投加有机高分子混凝剂聚