《污水的化学处 》PPT课件.ppt

第十六章-1污水的化学处理,本章讲授要点：主要介绍污水的化学处理法。包括化学混凝法、中和法、化学沉淀法、氧化还原法。重点：化学混凝法难点：化学混凝法的原理及混凝工艺与条件的确定。,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。,16.1 中和法(Neutralization),16.1.1 概述 酸和碱是常用的工业原料，使用酸和碱的工厂往往有酸性废水和碱性废水的产生。酸性废水有的含无机酸(如硫酸、硝酸、盐酸、磷酸、氢氟酸、氢氰酸等)，有的含有机酸(如醋酸、甲酸、柠檬酸等)。碱性废水中含有碱性物质，如苛性钠、碳酸钠、硫化钠及胺类等。酸性废水的危害程度比碱性废水要大。,1.分类,酸含量35 高浓度含酸废水，常称为废酸液；碱含量1-3 高浓度含碱废水，常称为废碱液。废酸液、废碱液往往要采用特殊的方法回收其中的酸和碱。酸含量小于3-5或碱含量小于l-3的低浓度酸性废水与碱性废水常采用中和法处理。,酸碱废水按pH值的不同可分为以下几类：强酸性废水 pHl0,2.来源,酸性废水主要来源于化工厂、化纤厂、电镀厂、煤加工厂及金属酸洗车间等。碱性废水主要来源于印染厂、造纸厂、炼油厂和金属加工厂等。3.中和法适用范围A 废水排入受纳水体前，其pH值指标超过排放标准。这时应采用中和处理，以减少对水生生物的影响；,B 工业废水排入城市下水道系统前，为避免对管道系统造成腐蚀；C 化学处理或生物处理之前。对生物处理而言，需将处理系统的pH维持在6.58.5范围内，以确保最佳的生物活力。对化学处理而言，也需要在一定的pH范围内才能取得好的处理效果。,16.1.2 酸、碱废水的中和处理,1.原理 酸碱盐水 或 HOH-H2O2.中和方法A 酸碱废水相互中和 是一种即简单又经济的以废治废的处理方法。,B.投加法（酸性废水）,中和试剂能制成溶液或浆料时，采用该法。投加法常用的药剂有石灰。电石渣、石灰石、苛性钠、碳酸钠。优点：能处理任何浓度、任何性质的酸性废水，对水质和水量波动适应性强，中和药剂利用率高。,中和方式:,A 干法中和 干法中和是把药剂直接加入到需中和的水中。特点：设备简单；但反应较慢，而且不易彻底，投药量大(需为理论量的1.4-1.5倍)；当石灰成块状时需要破碎；干法添加时工作条件不好，劳动强度大。,B 湿法中和 湿法中和，即把药剂配成一定浓度的溶液添加。,石灰湿法添加时石灰乳制备流程示意图,石灰消化槽，浓度为40%-50%,石灰乳液槽，制成浓度为5%-10%的石灰乳,石灰投加槽，其中有溢流堰，保持液面恒定，并能调节流量,泵，输送流量要大于需要量,分步中和工艺示意图,出水,搅拌,C.过滤中和（酸性废水）,定义：过滤中和(filtration neutralization)是指使废水通过具有中和能力的滤料进行中和反应的一种方法。适用范围：适用于含酸浓度不大于23g/L，并生成易溶盐的各种酸性废水的中和处理。当废水含大量悬浮物、油脂、重金属盐和其他毒物时，不宜采用。,常用滤料：石灰石(CaCO3)、白云石、大理石等，一般最常用的是石灰石。滤料的选择原则：滤料的选择与废水中含何种酸和含酸浓度密切相关。,过滤中和的设备和分类：,常用设备为中和滤池。水平流向 普通中和滤池 升流式滤池 竖流向 升流式膨胀中和滤池 降流式,普通中和滤池,升流式,降流式,等速升流式膨胀中和滤池示意图,配水系统 作用是使废水沿整个滤池截面均匀分布,卵石垫层 作用是支撑滤料和使水进一步分配均匀，卵石粒径为2040mm,石灰石滤料：粒径为0.53mm，平均1.5mm，滤料层厚度开始11.2m。,清水区 滤料与中和后的水在此分离,集水槽，中和后的水由此排出,D.喷淋塔处理（碱性废水）,烟道气中的CO2含量可高达24，此外有时还含有SO2和H2S，故可用来中和碱性废水。用烟道气中和碱性废水一般在喷淋塔中进行。,喷淋塔示意图,优点：以废治废，投资省，运行费用低；缺点：出水中的硫化物、耗氧量和色度都会明显增加，还需进一步处理。,16.2 化学混凝法,16.2.1 概述 混凝的主要对象是废水中的细小悬浮颗粒和胶体微粒（colloidal matters)，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。,分散相粒径 0.1-1 m 真溶液 分散相粒径 1-100 m 胶体溶液 分散相粒径 100 m 悬浮液 胶体溶液由于受自身结构特点的影响，使其一般处于稳定状态，不会发生自然沉降现象。,电位离子,反离子,扩散层,胶团边界,滑动面,胶粒,吸附层,胶核,电位,电位,16.2.2 胶体的结构,胶核和胶团：胶体分子聚合而成的胶体微粒称为胶核；胶核表面吸附了电位形成离子和部分反离子组成胶粒。电位(电动电位）和电位（总电位）：胶核表面上的离子和溶液之间形成的电位称为总电位，即电位；胶粒与扩散层间的电位差称为电动电位，即电位。,16.2.3 胶体的稳定性（stabilization),水中胶体的稳定性指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。胶体稳定性的主要原因：1.聚集稳定性 胶粒带电，胶体颗粒间形成静电斥力。2.动力学稳定性 胶体受水分子热运动影响，微粒形成布郎运动。,3.水化稳定性 胶体颗粒表面的水化作用，胶体颗粒外部形成一层水化壳。混凝的目的就在于通过向水中投加一些特殊药剂，使水中难以沉淀的胶体颗粒能互相聚合，长大至能自然沉淀的程度，从而再利用沉淀的方法加以处理。,16.2.4 混凝原理,1.相关概念脱稳(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。,化学混凝涉及的因素较多，因而其机理至今仍未被人类完全解释清楚。目前比较成熟的混凝理论有四种：压缩双电层 吸附电中和 吸附架桥 沉淀物网捕四种机理,2.压缩双电层机理(modification of the electrical double layer),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。,胶核,电位离子,束缚反离子，滑动面,胶团边界,3.吸附电中和机理(electrical neutralization)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。,4.吸附架桥（桥连）机理(polymer bridging of colloids),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。,高分子聚合物吸附架桥作用示意图,5.沉淀物网捕机理(entrapment in the floc structure)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。,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。,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。,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(coagulant aids)：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。,1.混凝剂,目前常用的混凝剂按化学组成可分为无机盐类和有机高分子类。,A 无机盐类,三氯化铁(ferric chloride)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。,硫酸亚铁(ferrous sulfate)硫酸亚铁离解出的Fe2只能生成最简单的单核络合物，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。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。,硫酸铝(aluminum sulfate,alum)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。,B 高分子混凝剂,无机高分子混凝剂 天然 人工合成 有机高分子混凝剂 阴离子型 阳离子型 非离子型,聚合氯化铝(poly-aluminum chloride,PAC)(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。(c)适宜的pH值范围较宽(在59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。,聚合硫酸铁(poly-ferric sulfate,PFS)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。,聚丙烯酰胺(polyacrylamides,PAM),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。,2.助凝剂,A 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。B 絮体结构改良剂 如活性硅酸、粘土等。C 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。,影响混凝效果的因素,1.废水水质的影响A 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。B 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。,C 水温(temperature)水温会影响无机盐类的水解（吸热反应），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。D 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,A 混凝剂种类(kinds of coagulants)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。,B 混凝剂投加量(dosage)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。C 混凝剂投加顺序(sequence)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50m以上时，常先投加有机混凝剂吸附架桥，再加无机混凝剂压缩扩散层而使胶体脱稳。,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，为此要求速度梯度G在5001000s1，搅拌时间t应在1030s。反应阶段：既要创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件让絮体有足够的成长机会，又要防止生成的小絮体被打碎，因此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2070s-1和1530min。,废水,混凝剂,混合,反应,沉降（澄清）,出水,污泥,混凝的工艺过程,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,1.投药方法及设备,混凝剂的投配方法有干法和湿法。干投法是将经过破碎易于溶解的混凝剂直接投放到被处理的水中。干投法占地面积小，对药剂的粒度要求严格，投配量较难控制，对机械设备要求高，劳动条件较差。,混凝剂在溶解池中进行溶解:,搅拌,湿投法是将药剂配制成一定浓度的溶液，在按处理水量大小定量投加。,混凝剂的水力调制设备,混凝剂的压缩空气调制,溶液池的容积计算：,式中：a混凝剂最大用量，mg/L；Q处理水量，m3/h；c溶液浓度，按药剂固体重量百分数计算，一般为1020；n每天配制次数，一般为26次。,溶药池体积V1(0.20.3)V,计量设备,水射器投加：设备简单，使用方便，溶液池高度限制小，但效率低，易磨损。,废水与混凝剂和助凝剂进行充分混合，是进行反应和混凝沉淀的前提。对混合要求是速度快。一般有两种混合型式：借水泵的吸水管或压水管混合 混合槽内进行混合（有机械混合槽，分流隔板式混合槽，多孔隔板式混合槽）,混合设备,水泵混合,利用提升水泵进行混合是一种常用的方法。药剂在水泵的吸水管上或吸水喇叭口处投入，利用水泵叶轮的高速转动达到快速而剧烈的混合目的。水泵混合效果好，不需另建混合设备。,机械混合,用电动机带动桨板或螺旋桨进行强烈搅拌，是一种有效的混合方法。机械搅拌强度可以调节，比较机动。缺点是使用了机械设备，增加了维修保养工作和动力消耗。,分流隔板式混合槽,多孔隔板式混合槽,混合完成后，水中已经产生细小絮体，但还未达到自然沉降的粒度，反应设备的任务就是使小絮体逐渐絮凝成大絮体而便于沉淀。反应设备应有一定的停留时间和适当的搅拌强度，以让小絮体能相互碰撞，并防止生成的大絮体沉淀。但搅拌强度太大，则会使生成的絮体破碎，且絮体越大，越易破碎，因此在反应设备中，沿着水流方向搅拌强度应越来越小。,3.反应设备,机械搅拌反应池,机械式搅拌反应池设计参数絮凝时间10-15分。池内一般设34挡搅拌机。搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确定，速度第一挡0.5m/s逐渐减小至末挡的0.2m/s。桨板总面积宜为水流截面积的1020，不宜超过75，桨板长度不大于叶轮半径的75，宽度宜取1030cm。,隔板絮凝池的设计参数：流速：起端，末端段数：46段；转弯处过水断面积为廊道过水断面积的1.21.5倍；絮凝时间：2030min；隔板间距：不大于0.5m，池底应有0.020.03坡度直径不小于150mm的排泥管；廊道的最小宽度不小于0.5m。,混凝方法的优缺点优点：设备简单，维护操作易于掌握，处理效果好，间歇或连续运行均可以。缺点：由于不断向废水中投药，经常性运行费用较高，沉渣量大，且脱水较困难。,16.3 化学沉淀法,概述1.定义,用易溶的化学药剂(沉淀剂)使溶液中某种离子以它的一种难溶的盐或氢氧化物形式从溶液中析出，在化学上称沉淀法，在化工和环境工程上称化学沉淀法。,2.应用范围A 给水处理去除钙、镁离子；B 除重金属（汞、锌、镉、铬、铅、铜等）离子态污染物；C 除阴离子（硫酸根、磷酸根）态污染物。,基本原理,物质在水中的溶解能力可用溶解度表示。溶解度1g/100g H2O 可溶物 溶解度0.1g/100g H2O 难溶物 溶解度 1-0.1g/100g H2O 微溶物,溶液中 An+mBm-n KSP AB物质开始沉淀 溶液中 An+mBm-n KSP AB物质继续溶解 溶液中 An+mBm-n KSP AB物质溶解、沉淀处于平衡状态开始沉淀。,当溶液中有数种离子共存时，加入沉淀剂后，离子的沉淀顺序和该沉淀物的溶度积、该离子的浓度有关。,16.3.3 沉淀类型,1.氢氧化物沉淀法 通过调节改变溶液的酸、碱环境，使金属离子以氢氧化物及各种羟基络合物的形式沉淀。2.硫化物沉淀法 金属硫化物比氢氧化物的溶度积更小，所以在废水处理中也常用生成硫化物的方法从废水中去除金属离子。（H2S/Na2S）,16.4 氧化还原法,16.4.1 概述1.定义 对于废水中呈溶解状态的无机物和有机物，通过化学反应使物质发生氧化或还原，转化成微毒、无毒物质（有机物）或易于水分离的形态（无机物），从而达到处理的目的。,2.特点,化学氧化还原法需较高的运行费用，主要用于饮用水处理、特种工业用水处理、有毒工业废水处理和以回用为目的的废水深度处理。对于无机物氧化还原的实质是发生电子的转移。有机物加氧脱氢称为氧化，而加氢脱氧称为还原。,16.4.2 处理方法,1.氧化法 投加化学氧化剂可以处理废水中的CN-、S2-、金属离子、酚类、醛类、醇类、洗涤剂、油类、氰化物。常用的化学氧化剂 活泼非金属中性分子 如 Cl2、O2、O3、H2O2、ClO2等。含氧酸根及高价金属离子 如 ClO-、MnO4-、Cr2O7-、Fe3+等。新生态O原子,氯化处理应用：给水处理/废水处理常用药剂:液氯、漂白粉、次氯酸钠，二氧化氯等。应用：氯氧化处理含氰废水 废水来源：（电镀、炼焦和一些化工厂）基本原理：两阶段氧化工艺,第一阶段：局部氧化阶段 OCl 2Ca+2H2O 2 HOCl+Ca(OH)2+CaCl2 Cl Cl2+H2O HOCl+HCl HOCl H+OCl-CN-+OCl-+H2O CNCl+2OH-CNCl+2OH-CNO-+Cl-+H2O 反应速度快，与pH无关，中间产物CNCl在酸性介质中较稳定，易挥发，其毒性和HCN相当。反应pH越高，反应速度越快。pH9.5反应不完全；pH10-11反应10-15min即可完成。,第二阶段：完全氧化阶段 CNO-的毒性只有HCN的千分之一，为保证水体安全，增加药剂投加量，完全破坏C-N键。2CNO-+OCl-CO2+N2+3Cl-+CO32-,液氯在钢瓶中贮存和运输,臭氧氧化 臭氧氧化法是利用臭氧（O3)的强氧化能力，使污水中的污染物质氧化分解成低毒、无害的化合物，使水质得到净化。该方法可降低水中的BOD/COD，而且可以起到脱色、除臭、除味、杀菌等效用。,2.高级氧化技术,处理对象：难以生物降解或对生物有毒害作用的有机污染物；技术实质：借助-OH自由基参与的氧化过程；特点：高氧化性、反应速率快，生物可降解性效率高、无副产物生成；代表工艺：Fenton 试剂/H2O2-UV工艺/湿式氧化和催化湿式氧化工艺。,Fenton试剂氧化法(一)基本原理 Fenton试剂：H2O2(氧化剂)+Fe2+(催化剂)H2O2在Fe2+的作用下，可分解产生氧化能力很强的游离基HO，反应过程：Fe2+H2O2 Fe3+OH-+HO HO+H2O2 HO2+H2O HO2+H2O2 O2+H2O+HO Fe2+HO Fe3+OH-Fe3+H2O2 Fe2+HO2-+H+HO可从有机物分子上抽出H原子或加成到双键上，形成有机游离基，最终形成含羟基过氧化物。,(二)影响氧化反应的因素（1）pH值:最佳pH为3，（2）Fe2+的浓度:H2O2:Fe2+=10:1（3）H2O2的投加量和投加方式(三)应用 废水脱色/难降解有机物的氧化(四)问题 成本高，需要现场制备,废水中的某些金属离子在高价态时毒性很大，可用化学还原法将其还原为低价态后分离除去。常用的还原剂有下列几类。某些电极电位较低的金属，如铁屑、锌粉等。反应后：某些带负电的离子，如NaBH4中的B5-，反应后某些带正电的离子，如FeSO4或FeCl2中的Fe2+，反应后,3.化学还原法,还原除铬,还原除铬通常包括二步。首先，废水中的Cr2O72-在酸性条件下(pH4为宜)与还原剂反应生成Cr2(SO4)3，再加碱(石灰)生成Cr(OH)3沉淀，在pH89时，Cr(OH)3的溶解度最小。亚硫酸石灰法的反应式如下：,作 业,1.化学混凝法的原理和适用条件是什么？2.高级氧化工艺的特点有哪些？3.论述影响混凝效果的因素。,