第二章化学处理法

•学时：6•本章内容简介：•废水处理直接用到的化学反应类型屈指可数，如：氧化、混凝沉淀、还原、中和、化学沉淀、光化学氧化。污染物分子中的原子的最终形态是气体、沉降分离，有些残留于水中。手段与过程。•常规化学处理法和高级化学处理法。第二章化学处理法2.1中和法•中和法中的几个问题：1处理方法有哪些？处理酸性废水和碱性废水都有滤料过滤法吗？硫酸废水中和处理后硫酸根去除了吗?硫酸盐也是污染物。2过滤法处理含有硫酸浓度较高的废水应该注意什么？3什么是大阻力配水系统？增大孔眼的水阻力远大于其余部分的阻力，使配水均匀。2.2混凝（coagulation）2.2.1、混凝原理•混凝的主要对象：细小悬浮颗粒和胶体微粒（colloidalmatters)，这些颗粒用自然沉降法很难从水中分离出去。•混凝剂(coagulant)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。1、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•亲水（hydrophilic）胶粒表面的极性基团对水分子的强烈吸附，使离子周围包裹一层较厚的水化膜阻碍胶粒相互靠近。水化膜越厚，胶体稳定性越好。胶体的双电层结构模型胶核定位离子束缚反离子，滑动面胶团边界2）.胶体的结构•胶体的构造:•胶核•紧密双电层•滑动面吸附层-扩散层(松散双电层)•胶粒（独立运动的粒子）•ξ电位胶体•由胶核、电位形成离子、束缚反离子、自由反离子组成。•双电层指吸附层和扩散层，吸附层的厚度很薄，约2-3埃；扩散层很厚，可能是吸附层的几百倍厚，扩散层中不仅有正负离子，而且可能有比胶核小的带正电荷和负电荷的胶粒。•胶团3）.胶体的脱稳机理•胶体颗粒的稳定性（stabilization)。•脱稳(destabilization)：胶体因电位降低或消除，从而失去稳定性的过程。•凝聚(coagulation)：脱稳的胶粒相互聚集为较大颗粒的过程。•絮凝（flocculation):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(凝聚+絮凝)的机理：压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物网捕四种机理。混凝过程中存在脱稳、凝聚，一般也存在絮凝（1）压缩双电层机理(modificationoftheelectricaldoublelayer)•双电层的厚度（扩散层和吸附层）与溶液中的反离子的浓度有关。•加入盐使扩散层厚度减小。或者从胶粒对反号离子的吸附平衡理解。•扩散层厚度减小，胶粒迅速凝聚。（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(直接电中和或其它部位)的吸附，电荷减少，电位降低，静电斥力减少，使胶体的脱稳和凝聚易于发生。（3）吸附架桥（桥连）机理(polymerbridgingofcolloids)•吸附力:静电引力、范德华力和氢键力等活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生桥连。高分子聚合物对胶体或微粒的吸附架桥作用示意图＋＋＋混凝剂过量会使悬浮粒子表面从负电转变为带正电。（4）絮体网捕机理(entrapmentintheflocstructure)•水中的胶粒和细微悬浮物在絮体形成或沉淀物下降所网捕。•同时或交叉发挥作用的，在一定情况下以某种机理为主。4）混凝剂在水中的化学反应•以硫酸铝为例：•水合形态[Al（H2O]3+6存在，水解、聚合或配合反应形成多种形态产物。如：•pH3时，多以水合形态存在pH=4.5—6.0时,多以多核羟基配合物存在pH=7.0—7.5时，以电中性氢氧化铝聚合物为主pH8.5时，以负离子形态出现其产物分成四类：未水解的水合铝离子；单核羟基配合物；多核羟基配合物或聚合物；氢氧化物沉淀物。铝盐混凝机理•以硫酸铝为例•铝离子、水合铝--压缩双电层作用•单核、多核羟基配合物—电性中和作用氢氧化铝聚合物---吸附架桥作用•氢氧化铝--网捕或卷扫作用•几种作用同时存在，程度不同。2.2.2、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(aggregation)是指胶体被压缩双电层而脱稳的过程；•絮凝（flocculation）•混凝coagulation（aggregation-flocculation）则包括凝聚与絮凝两种过程。•凝聚是瞬时的。•絮凝与凝聚作用不同，需要一定的时间让絮体长大。•混凝剂(coagulant)•助凝剂(coagulantaids)1.混凝剂•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。(1)无机盐类1）三氯化铁(ferricchloride)2）硫酸亚铁(ferroussulfate)3）硫酸铝(aluminumsulfate,alum)•混凝剂按化学组成可分为无机盐类和有机高分子类。普通无机盐4）聚合氯化铝(poly-aluminumchloride,PAC)•聚合氯化铝•PAC(poly-aluminiumchloride)•化学式为[Al2(OH)nCl6-n]m，式中n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。•与氯化铝的不同？•聚合氯化铝中OH与Al的当量数比值用碱化度B表示：B=[0H]含量×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间)，处理后水的pH值和碱度下降较小。(d)水温低时，保持稳定的混凝效果。(e)其碱化度比其它铝盐、铁盐为高，对设备的侵蚀作用小。5）活化硅酸(activatedsilicate)•基本制备法。•吸附架桥使粒子粘连。•改善絮体结构•絮凝体快、粗大、密实•低温、低碱度也能良好絮凝，pH值范围宽。与其它的混凝剂配合使用，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：用量小，絮体快，对水质的适应范围广以及水解时消耗水中碱度少。(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。•可分为阴离子型(anionic)、阳离子型(cationic)和非离子型(nonionic)1)人工合成有机高分子类混凝剂•特点：高分子混凝剂一般为链状结构，水溶。•单体总数称聚合度，高分子混凝剂的聚合度约从1000－5000，甚至更高，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，阳离子还有电中和。如离子型的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：•产量占高分子混凝剂总产量的80％，•其聚合度可达2×104－9×104。相应的相对分子质量高达1000万以上。—CH2—CH—CONH2n其中n称为聚合度阳离子聚丙烯酰胺阴离子聚丙烯酰胺2）微生物絮凝剂3）天然改性絮凝剂•有机高分子絮凝剂的发展:1超高分子量、低单体残留、高水溶性;2两性和两亲;•同时含有正、负2种电荷基团的水溶性高分子,水溶性好、分子量很高;适用于处理带不同电荷的污水,pH范围宽及抗盐性好等优良特性。亲水和亲油3脱水溶性污染物;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、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。2.2.3、影响混凝的因素混凝剂种类和投加量水温水质（成分组成和浓度）时间水流状态pH混凝效果1.废水水质的影响（1）浊度(turbidity)•低温低浊水的混凝更为困难。（2）水的pH值和碱度•pH值的影响应该从对混凝剂和胶体颗粒表面化学状态的分析•pH对哪些混凝剂影响小?为什么?•对混凝剂和水中污染物的影响•对铝盐和铁盐混凝剂：不同的pH值，其水解产物的形态不同，混凝效果也各不相同。•对聚合铝和聚合铁的影响较小。•高分子混凝剂：其混凝效果受水的pH值影响较小。pH影响某些胶体和微细颗粒的表面的电位赤铁矿微细颗粒的表面的电位与pH的关系•续：pH影响微生物絮凝剂及悬浮颗粒表面电荷的性质、数量,不同絮凝剂对pH的变化敏感程度不同,同一种絮凝剂对不同的被絮凝物有不同的最适pH.（3）水温(temperature)•对不同的混凝剂影响不同。•低温时水解困难•低温水粘度大，布朗运动减弱，不利凝聚和沉淀•水流剪力增大，影响絮凝体的成长•胶体颗粒水化作用增强，不利于颗粒间的粘附•低温絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散•水温过高，无机混凝剂水解速度加快，产生的絮凝体大而轻，沉速慢•污泥含水量高，体积大，难处理（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。•硫酸根氯离子含粘土颗粒可减少絮凝剂用量含大量的有机物会增加絮凝剂用量Ca2+在菌体絮凝过程中,能显著改变胶体的ζ电位,降低其表面电荷,促进大分子与胶体颗粒的吸附和架桥.2.混凝剂的影响（1）混凝剂种类(kindsofcoagulants)和性质絮凝剂的分子结构、形状、分子量和所带基团对絮凝剂活性也有影响。线性结构。相对分子质量越大,絮凝活性就越高，溶解性差。（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。•最佳投药量的问题，应通过试验确定。•投加量越大,去除率为什么增加不大甚至降低?（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。3.水力条件的影响•两个主要的控制指标是搅拌强度和搅拌时间。•混合阶段：要求混凝剂与废水迅速均匀混合，速度梯度G在500–1000s－1V1V2L121()vvGsL搅拌时间在10–30s。•反应阶段：•搅拌小心谨慎•搅拌强度要逐渐减小，而反应时间要长，相应G和t值分别应在20－70s-1和15－30min。废水混凝剂混合反应沉降（澄清）出水污泥2.2.4、混凝的工艺过程和设备混凝剂尽快与水混合，需要短时间高强度搅拌反应阶段生成尽可能大的絮体，需要低强度长时间搅拌。生成的絮体与水分离，净化1工艺过程四、混凝设备•投药方法有干(dry)投法和湿(wetted)投法。•干投法,目前应用的较少。•湿投法是混凝剂和助凝剂溶液，按处理水量大小定量添加。混凝剂的湿法投加包括药剂的配制、药剂的计量和药剂的投加三个过程。1溶解和配制混凝剂的水力调制设备溶解混凝剂的压缩空气调制•溶液的投加•计量•方式2、混合与反应(mixingandreaction)1.混合•两种混合型式：•一种水泵的吸水管或压水管混合。•另一种混合槽内进行混合。•混合槽混合常用的有机械混合槽，分流隔板式混合槽，多孔隔板式混合槽。（1）分流隔板式混合槽（3）多孔隔板式混合槽3.反应(reaction)•反应池内水流特点是流速由大到小，要预防沉降。•小心结成更大的矾花。•反应池的型式有机械搅拌、隔板反应池，涡流式反应池等。（1）隔板反应池（平流式）隔板宽度变大，水流速度逐渐减小转弯处和隔板间的流速（1）隔板反应池回转式（2）机械搅拌反应池（3）涡流式反应池进水出水•反应池后还有处理设施。混凝方法的优缺点优点：•设备简单，维护操作易于掌握，间歇或连续运行均可以。缺点：•经常性运行费用较高，沉渣量大（如何减少？），且脱水较困难