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工业用水的处理方法


抖化学 / 2022-11-28

 工业用水的处理方法天然水中含有较多的杂质,若将其直接用于工业生产,势必影响产品质量,增大设备耗损率,甚至造成生产事故。可见,必需对水进行一定的处理,将其中的杂质含量降低到允许值以内使用。本章将介绍工业用水的一般处理方法。

   水的沉淀处理与过滤
用沉淀法除去水中杂质的过程称为沉淀处理。其中包括天然水中悬浮物的自然沉降;向水中加入各种混凝剂使其中细小悬浮物及胶体物质凝聚为沉淀物而除去;加入适当药剂使水中钙、镤离子转变为难溶化合物而除去(水的软化法) ;以及水中除铁、猛、硅的处理。本节先介绍除去水中细小悬浮物及胶体物质所用的凝聚(混凝)法。
  (一)混凝
   天然水中所含的悬浮物及胶体,如不预先除去,对于需要作进步离子交换处理使用的锅炉给水、电子工业用水等,会造成子交换剂的污染,影响交换效果。因此,一般将除去水中的悬订物和胶体作为水处理的第一步——水的预处理。
   水中较大颗粒的悬浮物在水的流速很慢或在静置的情况下会自行配降下来。但颗粒越小,沉降越慢,且沉降不完全。水中的胶停杂质则不会沉降,用普通的过滤法也不能将其除去。胶体在水中路这种不易沉降的稳定性,是由胶粒的结构特性决定的。众新周知,股体是高分散度的体系,它有大的比面积(单位质量占有的面积),从面有强的吸附性能,能从溶液中吸附某些离子使粒表面带电有。同种胶粒带有同性电荷,彼此间存在着静电斥力,粒子间不可能互相靠得太近,更不能结合成大的团粒自行沉下来。从水中除去胶体的有效措施是混凝处理。所谓混凝处理,是在水中投入具有凝聚能力的化学药剂,此药剂在水中会促使胶粒凝聚和沉降。
   用明矾来澄清水的方法,我国劳动人民已用了千百年,这就是一种混凝处理,明矾就是一种混凝剂。隨胶体化学的发展,对于混凝剂作用的认识已比较一致。 它主要有两个过程:一是混凝剂本身发生水解,形成一种新的带反电荷的胶体(胶粒所带电荷
和水中自然胶体的相反)推动凝聚过程;二是水中杂质以中和、吸附和过滤等方式参与上述过程,其结果是新胶体和自然胶体共凝聚和沉降。例如将硫酸铝投入水中,.它很快进行水解反应生成氢氧化铝A1(OH)3:
A12(SO4)3→2A13++3SO4²-
A13++H20→A1(OH)2++H+
A1(OH)2+H2O→A1(OH)2++H+
A1(OH)2++H2O→ A1(OH)3↓+H+
 
氢氧化铝悬溶解度很小的化合物,它以胶体状态从水中析出。在几乎为中性的天然水中,氢氧化铝胶粒带正电荷,而天然水中的自然胶体大都带负电荷,它们之间可起电性中和作用破坏了胶体的稳定性;同时氢氧化铝胶体又可吸附水中的自然胶体及悬浮物。
    在这种中和作用和吸附作用下,水中的胶体微粒渐渐凝聚成粗大的絮状物(通常称为凝絮或矾花)并在重力作用下沉降。在沉降过程中,它好像一一个下降的过滤网,又可把悬浮物带走。过滤网的形成主要是氢氧化铝胶体在凝聚过程中会相互结成链,
起了架桥作用,组成许多网眼,包裹着悬浮物和水分--起下降。
  由于混凝处理包括电离、水解、胶体形成、吸附、凝聚和沉降等许多过程,因而影响混凝效果的因素较多,现以硫酸铝作混。凝剂为例,就其主要影响因素略述如下:
  1.水的pH值(指加药后水的pH值,非原水的pH值)水的pb值对混凝处理的效果影响很大,因Al2 (SO4)s是强酸弱碱所组成的盐,水解时会使水的酸性增加,而水解产物A1(OH)s是两性的,水的pH值太高或太低都会促使共溶解,结果使水中残留的可溶性铝含量增加。当pH值在5.5以下时,氢氧化铝有明显的碱的作用:
        A1(OH)3+3H+——→A13++3H2O
当pH值在7.5以上时,它又起酸的作用:
        A1(OH)3+OH~——→A1O2-+2H2O
水中出现偏铝酸根A1O2-。当pH>9时,水中就不再有A1(OH)s存在。另外,当水中有SO。-时,pH值在5.5~7.5之间能生成溶解度很小的碱式硫酸铝,因而,pH值在5.5 ~7.5范围内水中残僧的错量是很小的。
   另一方面,胶体在水溶液中所带的电荷与水中离子的组成特别是氯离予浓度有关,故pH值影响A1(OH)s胶粒的带电性能。AI(OH)a来说,当8,02>pH>5时, 它的胶粒带正电; pH <5时带负电当pH值在8附近时以中性氢氧化物的型态存在。同时,胶体的凝聚速度与胶体所带的电荷量有关,电荷数值越小,胶粒间互斥力越弱,其凝聚速度就愈快。而电荷量的多少又取决于水的pH值,因而水的pH值是影响凝聚速度的重要因素。由于同时还有其它因素存在,所以最佳pH值需通过实验来确定。用铝'盐作混凝削时,pH值- -般取6.5 ~7.5。用硫酸亚铁FeSO,作混凝剂时,最适宜的pH值为8~10。在实际工作中,若pH值太低或太高,可分别用碱(加烧碱纯碱、石灰等)或酸(H2SO、HC1等)予以调整。
  2.温度 温度直接影响混凝剂的水解过程和形成絮团的速度。当温度较低时(5~10℃),水解速度缓慢,产生的絮团含水量大,沉降速度就慢。一般取水温25~40℃。
  3.搅拌水和混凝剂的混 合速度是一个重要因素,它关系到混凝剂在水中分布的均匀性和颗粒间的碰撞机率。在水中刚加入混凝剂时,需要快速的搅拌,这可迅速生成大量的氢氧化物胺体,并扩散至水的各个部分,以便及时和水中杂质作用。当凝絮
形成和长大时,搅拌的速度就不宜快,以免凝絮碎裂。
  4.混凝剂的加药量由于混凝过程不是 单纯的化学反应,所需的加药量不能根据计算确定,应根据具体情况通过实验确定最加药量。采用A12 (SO4)s?18H2 O时的有效剂量一般为0.2~1.0mmol.L-1,相当于20 ~100mgL-1。采用FeSO?7H2O时的有效剂量一般为0.1~0.5mmol?L-1,相当于14~ 70mg?L-1。
(二)混凝剂
   常用的混凝剂有以下几种:
   1.铝盐可作混凝剂的铝盐很多,如硫酸铝[AI2 (SO4)3·18H2O]、明矾[A12 (SO4)3·K2SO4·24H2O]、偏铝酸钠(NaA1O2)及碱式氯化铝等。在工业用水处理系统中常采用硫酸铝,因它的含铝量比明矾多。当原水碱度不足时,可同时用硫酸铝与偏铝酸钠(先加入偏铝酸钠,因为偏铝酸钠溶液呈碱性)。
       A12 (SO4)3+ 6NaA1O2 + 12H20——→8A1(OH)3+3Na2SO4两种药剂的比例应以能获得最优pH值来决定。
   2.聚合铝:聚合铝是一类化合物的总称,水处理工艺中常用的是聚氯化铝(poly -a1uminum chloride缩写PAC),它是由碱式氯化铝聚合而成的无机高分子化合物,可用[AIs(OH)m C13.-m或[A12 (OH)sCL6-s]表示,式中1≤n≤5, m≤10。 式(Al2(OH)sCI6-s]m中的n值(即OH和A1的比值)对混凝效果影、响较大,一般可用碱化度(B)来表示;
         [OH]
B=-------------×100%
        3[A1]
如当n=3时,碱化度:
       3
B=-------×100%=50%  
    3×2
一般要求碱化度在40~85%为佳。聚氯化铝的优点是温度适应性高,形成凝絮速度快,用量少,操作容易,应用范围广,用它可小设备体积,提高出水事。其最优pH值范围为5~9。
  我国于1972年首次在成都自来水公司应用成功后,在全国共它各大城市陆续投入生产使用,效果显著。此外聚合氯化铝也是废混凝沉淀处理中-个有效的混凝剂,它除了能去除水中的悬浮物及胶体,还能降低废水中的化学耗氧量、生化耗氧量、油类、金属等物质,在印染废水的处理中是目前国内公认的良好混凝剂之一。例如国内某厂用碱化度为50~-80%的聚合氯化铝对染色废进行化学混凝沉淀处理。日处理量为2000t,经处理后色度去除率达90%以上, COD去除率约80%,悬浮物去除宰约65 %。出水能达到国家允许的排放标准。
  3.铁盐常 用的是硫酸亚铁(FeSO4?7H20),也可用氯化铁《FeCls?6HO)或硫酸铁[Fc2(so4)3]。硫酸亚铁又名绿矾,水榕液呈酸性,有较强的腐蚀性,但因制造简单,来源充足,生成的既絮比A1(OH)3大,温度影响小,所以应用较多。它的作用
过程与铝盐相似,但因水解生成的Fe(OH)2溶解度大,使混凝效果不好,所以必须在使用过程中将Fe2+氧化成Fe*+。通常当水的ρH值在8. 5以上时,Fe2+就易被水中溶解的氧气氧化而成Fe*+,当pH值较低时氧化速度太慢而不实用,但当pH>6时,铁离子与水中腐植酸生成不沉淀的有色化合物,所以对于以除去水申有机物为目的的处理,铁盐不适合,另外,某些对铁含量限制很严的工业川水(如造纸)也不适用。
4.镁盐  氢氧化镁氢氧化铝相似,是一种粘性沉淀物,可起混凝作用,但要求pH值较高(pH=10.5) ,这就必需加碱(常用CaO)。近年来有用碳酸镁作为混凝剂并可循环使用的方案(见图2-1)。将碳酸镁与石灰一起投入沉淀池中,即可生成Mg (OH)2沉淀而起混凝作用:
   MgCO3 +CaO+H2O-→Mg(OH)2↓+CaCO3↓再将生成的Mg(OH)2与CaCO3泥渣循环使用,利用反应Mg(OH)2 + CO2-→Mg (HCO3)2生成的Mg(HCO3)2是可溶的,即与CaCO3分离。分离出来的CaCO3经煅烧又制得CaO及沉淀池供溶解Mg (OH)2用的CO2。
(三)助凝剂
  为了提高混凝的效果,有时需要加入一些辅助药剂,称助凝剂。助凝剂本身不起凝聚作用,仅帮助凝絮的形成。如用来调节出图2-1碳酸镤混 凝剂循环使用示意图pH值的各种无机酸或无机碱、可破坏有机物及使Fe2+氧化成Fe8+的氣、漂白粉筑皆是常用的功凝剂。用新配制的活性二氧化、硅作助凝剂可加速凝絮过程并增加凝絮的牢固性,但不可避免地会增加水中二氧化硅的含量,因而在热力发电厂的水处理中不宜采用。近年来由于推出了廉价的有机絮凝剂,所以逐渐减少了助凝剂的使用。
(四)有机絮凝剂
   近20年来,由于有机合成高分子化学工业的飞速发展,混凝剂类物质中产生了一个新的分枝有机高分子絮凝剂,早先仅用天然高分子物质作架凝剂,如海藻酸钠丹宁酸等。近年来合成了各种高分子貂凝剂,如聚丙烯酸钠、聚丙烯酰等(参见表2-1)。它们可分别单独使用,也可与无机凝聚剂:一起使用。
   有机高子子絮凝剂是水溶性的。可分为阳离子型、阴离子型、非离子型三种,在应用时要根据水质情况、处理要求和具体试验:来加以选择。由于高分子物质具有大量吸附活性基,能强烈的吸附水中杂质粒子,使颗粒瓦相粘附形成凝絮,这也就是利用
高分子物质的链状结构起架桥作用。对于水溶性离子型高分子物质,还能与带异电荷的胶体粒子中和,从而可加速混凝的过程。常用;絮凝剂的分子量可由数千至数百万,链状分子长度约400~800mum。高分子絮凝剂溶于水后能分散为巨大數量的线型高分子。如分子量为10万的絮凝剂在水中的浓度若为0.2mg.L1时,每升水中的链状分子数约为120万亿个,它们能发挥高效能的混凝作用,投药量约为无机混凝剂的1/30~1/200,因而是有发展前途的一类水处理药剂。
(五)混凝沉淀处理装置
  进行混凝沉淀处理的装置主要有沉淀池和澄清池。
1.沉淀池用来进行沉降分离的设备叫作沉淀池。用沉淀池进行混凝处理时,先将水和混凝剂通过混合器进人反应器后再送入池内。目前常用的沉淀池为斜管式或斜板式两种。图2-2为斜管式沉沈池示意图。在池中设置了许多密集的斜管,让沉降过程在斜管中进行。也有采用将许多斜管集合成蜂窝状的,称为“蜂窝斜管式”沉淀池。加过药的水经混合、反应后由下部进入沉淀池,水由下而上,通过许多密集成蜂窝状的斜管然后经集水管流入集水池,池渣由斜管上滑下沉入泥斗再排出。斜板式沉淀池是以
斜板代替斜管式沉淀池中的斜管,把斜板做成图2-3的形状,斜板的斜角一般为55~60°。采用此种方法沉降,其优点是加快分离速度,缩短沉降时间,减少设备体积。
2.澄清池它也是沉淀处理设备的一种,但必须起到下面一些作用:水的引入,药剂的加入,水和药剂的混合,沉淀物的生成,沉淀物的沉降,清水的引出和沉淀物的排除等。这样的设备体积相当大,相当于四层楼高(15m高)。它能将混凝处理和石灰除暂硬处理同时进行。设备为圆筒形(见图2-4),水由下部


通过喷嘴沿筒璧成切线方向射入混合区I,这种进水方法使水沿水平方向发生转动,促进水与药物混合,以利反应。药剂则在高进水口100 ~200mm处加入。上升的水经水平隔板及垂直隔板(隔板.上有小孔可通水),水就不再旋转而稳定匀速上升。经反应区II,过滤区I至出水区IV。在出水区上部设有用来保持出水均匀的水棚和集水箱。用一个设在澄清池中央的垂直圆筒型排泥系统将反应生成的泥渣排至泥渣浓缩器后再排出。这种澄清器操你运行不太方便,因而还发展了其它多种型式的高速混凝沉降装
置,如水力循环澄清池(图2-5)、悬浮澄清池(图2-6)等,这里就不一一介绍了。
(六)水的过滤
天然水经过混凝沉降处理后,从外表上看已经清澈透明,但实际上水中还有少量细小悬浮颗粒,这对需进-步处理的水(如进行离子交换除盐等)尚不符合要求。同时水在澄清池中靠重力作川只能除掉颗粒粗大而较重的泥渣,水中微粒悬浮物的沉降则很费时间。为了彻底地使水澄清以及缩短水在澄清池中的停留时间,防止下一步软化处理时悬浮物进人软化器,降低软化剂交换容量,所以要进行过滤。此时的特点是水中悬浮物含量不多而水量大,所以常用砂子、无烟煤碎粒等粒状滤料过滤。作过滤用的
滤池类型不少,可按水流通过滤池的方向或所用滤料的类型来分类。也可按滤速来分类,因而名称很多,这里仅介绍几种。
  1.普通滤池根据水流特性可分压力式及重力式。压力滤池通常川钢板作成圆柱形罐,水加压后进入罐内,过滤压力可高达,1×10°Pao又由于罐顶被封闭,在操作运行时不易观察,设备;消耗侗材又多,因此仅小型供水情况下采用。重力式滤池通常无
,水面与大气相通,依靠谑层上水深(通常2.5~3.5m) 借重力加速过滤。
  滤池常用钢筋混凝土建造,投资较少;又是敞开式的,侧于维护、检修及观察运行情况。冰池运行时主要包括过被及反冲洗两个步骤。水流经滤料过德的过程中,滤层逐渐被悬浮物堵塞,使过滤阻力增大或出水水质不良,所以要及时地对滤料进行反冲洗,使它恢复过滤能力。运行步骤省由人工开闭阀门来实现,则劳动强度大,操作复杂,不利于控制,因而现在都改用自动运行的无阀滤池,其形式也有多种。
  无阀冰池的特征是没有阀门,其操作、维护等都比较简单,这和共它过滤器恰成鲜明的对照。
  无阀滤池的具体结构形式有多种多样,它可以是压力式,也可以是重力式,图2-7所示为重力式无阀滤池。其工作原理为:米水由进水管送入滤池,经过滤层自上而下的过滤,滤后清水进入清水箱内贮存,待水箱满后,水从出口流出。在滤池运行中,滤层不断截留悬浮物,滤层阻力逐渐增加,因而促使虹吸上升管内的水位不断上升,当阻力继续增加使水面上升到虹吸管口时,水自此管中急剧下落,而发生虹吸作用。此时,水箱中的清水就自下而上地通过滤层,对滤料进行反冲洗。且滤池仍在进水,反冲洗开始后,进水和冲洗废水同时经排水虹吸管,由排水沟排出。当冲洗水箱中水位下降到虹吸破坏管的管口时,由于空气进入虹吸管内,虹吸作用遭到破坏,滤池反洗结束,进入下一周期运行。
无阀滤池完全不用控制仪表,所以从这点上来说,它是典型的自动运行滤池。
2.移动冲洗罩滤池它属于自动冲 洗滤池之一,但冲洗方式别具一格。滤池由许多滤格(面积约2m2)组成,利用一个可移动的冲洗罪,轮流对各个过滤失效的滤格进行反冲洗,冲洗用水是滤池中共它源格过滤后的水。

  过滤时水由上向下流过滤格。在过滤的进程中,随着阻力增大,滤格内水位不断上升,至预定值时,在机电装置(目前发展成由微计算机)的控制下将装有冲洗水泵和排水泵的移动罩移至滤格上,在保证罩体与滤格间密封的情况下进行反冲洗,冲洗完后再移至另一滤格上。这种滤池的特点是池体结构简单,无冲洗水箱、管件及阀门,造价低廉。滤池中滤层厚度比普通滤池浅些而滤料粒径较小,从而能保证出水的水质。不过用机电设备来控制,增加了操作管理和维修的难度,故适用于大中型水厂。
  3.移动床滤池在通常 的滤池中滤料静止不动,过滤与反冲洗均在一个池体内进行。在移动床滤池中情况与之相反。原水经滤层过滤后流出池外,滤层表面上被堵塞并儒冲洗的滤料则定期被推出池外,经过清洗后由滤层的下部送回,在池体内水流的
向与滤料移动的方向相反,这样保证出水的水质,且能连续出水。滤层移动的大致过程是:在滤层下部有一可移动的隔板,靠力推动隔板使滤层向上移动。当隔板下移回到原位时,已清洗过的滤料靠重力降落充满了由于隔板下移而在滤料下层所产生的一段空隙空间。图2-9为移动床滤池运行示意图。

常用的泡料是0.6~0.8mm的砂,属于较粗的一种,但它的固体负背最比阶通滤池高,应用于废污水处理中是较好的。国外已有的最大移动床其处理能力为950m³·d-¹。运行和维护较复杂,遭价也较高,属于发展中滤池之一。

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