水污染控制工程-水的物理化学处理方法

,第四章水的物理化学处理方法本章主要介绍污水的物理化学处理的基本原理、工艺条件、主要设备及其应用。其中吸附、离子交换、萃取及电渗析四种方法为基本和主要的方法，在学习中应牢固掌握。对其他的方法进行了解。通过学习及实验，应能达到对不同污水优选处理方法，确定合适工艺流程。,第一节吸附一、吸附原理吸附是一种物质附着在另一种物质表面上的过程，它可以发生在气-液、气-固、液-固两相之间。在污水处理中，吸附则是利用多孔性固体吸附剂的表面吸附污水中的一种或多种污染物，达到污水净化的过程。这种方法主要用于低浓度工业废水的处理。主要是去除溶解性的有机物质，还能去除合成洗涤剂、微生物、病毒和痕量重金属等，能脱色、除臭,1、基本概念吸附：在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象。在水处理中，主要利用固体物质表面对水中物质的吸附作用。吸附法：利用多孔性的固体物质，使水中的一种或多种物质被吸附在固体表面而去除的方法。吸附剂：具有吸附能力的多孔性固体物质。吸附质：水中被吸附的物质。,2、吸附类型根据固体表面吸附力的不同，可分为物理吸附和化学吸附。（1）物理吸附：吸附剂和吸附质之间通过分子间力产生的吸附。通常在低温下进行的。解吸：被吸附的分子由于热运动还会离开吸附表面的过程，是吸附的逆过程。,物理吸附,多分子吸附层,单分子吸附层,（2）化学吸附：是吸附剂和吸附质之间发生的化学作用，是由于化学键力引起的。在较高温度下进行的。一种吸附剂只能对某种或几种吸附质发生化学吸附，化学吸附有选择性。化学吸附只能形成单分子吸附层。是不可逆的。,3、吸附平衡和吸附容量吸附过程为可逆过程，当污水、吸附剂两相经充分接触后，最终达到吸附与脱附的动态平衡。当达到动态平衡时，吸附速度与脱附速度相等，吸附质在吸附剂及溶液中的浓度都将不改变。此时，吸附质在液相中的浓度称为平衡浓度。吸附剂对吸附质的吸附效果，一般用吸附容量和吸附速度来衡量。,4、吸附等温线吸附等温线：把在一定温度下，使活性炭与被处理的水接触，并达到平衡时的溶液浓度和活性炭所吸附的有机物数量之间的关系，所绘制的曲线。,（1）Langmuir型,单分子层吸附,q吸附量C液相浓度a与最大吸附量有关的常数；b与吸附能量有关的常数。,（2）BET型,Vm单分子层吸附时的最大吸附量,（3）Freundlich型,1/n为吸附指数；,二、影响吸附的因素1、吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标。（1）固体吸附剂吸附能力大小可用吸附容量来衡量。吸附容量指单位质量吸附剂所吸附的吸附质的质量。吸附容量可用公式表示：,式中：q吸附容量，g/g；V污水体积，L；c0原水中吸附质浓度，g/L；c吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度，g/L；W吸附剂投加量，g。吸附容量越大，单位吸附剂处理水量越大，吸附时间越长，运转管理费用越少。,例：用活性炭吸附水中色素的实验方程式为：q=3.9c0.5。今有100L溶液，色素浓度为0.05g/L，欲将色素除去90%，加多少活性炭？解：平衡时的c=0.05(1-90%)=0.005(g/L)q=3.90.0050.5=0.276(g/g),（2）吸附速度是指单位重量吸附剂在单位时间内所吸附的物质量。在水处理中，吸附速度决定了污水需要与吸附剂接触的时间；吸附速度快，则所需的接触时间就短，吸附设备的容积就小。吸附速度主要取决于外部扩散速度和空隙扩散速度。,多孔性吸附剂的吸附过程可分为：A、颗粒外部扩散阶段，即吸附质从溶液中扩散到吸附剂表面；B、孔隙扩散阶段，即吸附质在吸附剂孔隙中继续向吸附点扩散；C、吸附反应阶段，吸附质被吸附在吸附剂孔隙内的吸附点表面。,2、吸附剂的物理化学性质和吸附质的物化性质对吸附有很大影响。3、污水的pH值对吸附也有影响，活性炭一般在酸性条件下比在碱性条件下有较高的吸附量。,三、吸附剂水处理中常用的吸附剂：活性炭、磺化煤、活化煤、沸石、焦碳等。多孔物质或磨的很细的物质，由于具有巨大的表面积，才有吸附能力。活性炭的吸附发生在细孔的表面上。,1、活性炭种类很多。粉末状：吸附能力强，制备容易，价格较低，但再生困难，一般不重复使用。颗粒状：价格贵，可再生后重复使用，操作管理方便，多用。2、活性炭的比表面积可达8002000m2/g，有高的吸附能力。3、颗粒状活性炭使用一段时间后，吸附了大量吸附质，逐步趋向饱和并丧失工作能力，此时应进行更换或再生。,4、再生：在吸附剂本身的结构基本不发生变化的情况下，用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去，恢复它的吸附能力。再生的方法：（1）加热再生法在高温条件下，提高了吸附质分子的能量，但其易于从活性炭的活性点脱离；而吸附的有机物则在高温下氧化和分解，成为气态逸出或断裂成低分子。,（2）化学再生法：通过化学反应，使吸附质转化为易溶于水的物质而解吸下来。例：吸附了苯酚的活性炭，可用NaOH浸泡，形成酚钠而解吸。,四、吸附工艺和设备在进行吸附操作之前，原水应先经过预处理，去除水中悬浮物及油类等杂质，以免堵塞吸附剂的孔隙。吸附操作方式分间歇式和连续式两种。,1、间歇式：将废水和吸附剂放在吸附池内进行搅拌30min左右，然后静置沉淀，排除澄清液。主要应用小水量废水的处理和实验研究，两个吸附池交换工作。,2、连续式：有固定床、移动床、流动床三种方式。（1）固定床：固定床有降流式（又分重力式和压力式），也有升流式，或称膨胀式，炭层的膨胀度为10-15%。两种形式的处理效果基本相同。,（2）移动床：操作方式是水从吸附塔底部进入，由塔顶流出。塔底部接近饱和的某一段高度的吸附剂间歇地排出，再生后从塔顶加入。优点：占地面积小，连接管路少，基本上不需要反冲洗。缺点：难于均匀排出炭层；操作要求较高，不能使塔内吸附剂上下层互混。,（3）流动床（流化床）：是由下往上的水使吸附剂颗粒相互之间有相对运动，一般可以通过整个床层进行循环，起不到过滤作用，适于处理悬浮物含量较大的水。,五、穿透曲线当废水连续通过吸附剂层时，运行初期出水中溶质几乎为零。随着时间的推移，上层吸附剂达到饱和，床层中发挥吸附作用的区域向下移动。吸附区前面的床层尚末起作用。出水中溶质浓度仍然很低。当吸附区前沿下移至吸附剂层底端时，出水浓度开始超过规定值，此时称床层穿透。,以后出水浓度迅速增加，当吸附区后端面下移到床层底端时，整个床层接近饱和，出水浓度接近进水浓度，此时称床层耗竭。将出水浓度随时间变化作图，得到的曲线称穿透曲线。,六、吸附法在污水处理中的应用由于吸附法对进水的预处理要求高，吸附剂的价格昂贵，因此在废水处理中，吸附法主要用来去除废水中的微量污染物，达到深度净化的目的。如：废水中少量重金属离子的去除，少量有害的生物难降解有机物的去除、脱色除臭等。,1、吸附法除汞活性炭有吸附汞和汞化合物的性能，但因其吸附能力有限，只适宜于处理含汞量低的废水。,某工厂用活性炭作为含汞废水的最终处理，其流程如图。该厂的废水量不大(1020m3/d)，但含汞的浓度较高，因此先用化学沉淀法（如Na2S，同时加石灰和硫酸亚铁）处理，处理后废水含汞约1mg/L，高时达23mg/L，不符合排放标准。然后，用活性炭作进一步处理。有两个间歇式吸附池，每池容积40m3，交替工作，池内共盛放2.7吨次品活性炭（相当于池水的5%左右）。当某池盛满废水后，用压缩空气搅拌30min，再静置2h，经取样测定废水含汞量符合排放标准（0.05mg/L），排放上清液。活性炭每年更换一次，用加热干馏法再生（干馏温度1000），可取得纯净的汞。,2、炼油厂、印染厂废水的深度处理某炼油厂含油废水，经隔油，气浮和生物处理后，再经砂滤和活性炭过滤深度处理。废水的