環(huán)境化學(xué)工程 課件 第2章 物理處理方法

2廢水的物理處理方法2.1格柵2.2沉沙池2.3沉淀2.4隔油2.5聚結(jié)除油2.6氣浮法〔浮選法〕除油2.7離心別離2.8過濾廢水的物理處理方法沉淀：格柵，沉沙池，沉淀，隔油。聚結(jié)除油：除去小油滴。氣?。撼ジ∮偷?。過濾：格柵，微孔過濾，膜過濾，深層過濾。萃?。喝コ袡C物和重金屬。污水汽提：除去氨、氮。2.3沉淀

2.3.1別離對象既可別離廢水中原有的懸浮固體〔如泥砂、鐵屑、焦粉等〕，又可別離在廢水處理過程中生成的次生懸浮物固體，如化學(xué)絮凝體以及微生物絮凝體等。2.3.3應(yīng)用特點別離方法簡單易行，別離效果好，而且別離懸浮物又往往是廢水處理系統(tǒng)不可缺少的予處理或后續(xù)處理工序，因此應(yīng)用十分廣泛。2.3.3沉淀類型〔1〕自由沉降自由沉降也叫離散沉降，是一種無絮凝傾向或弱絮凝傾向的固體顆粒在稀溶液中的沉降。由于懸浮固體濃度低，而且顆粒間不發(fā)生粘合，因此在沉降過程中顆粒的形狀、粒徑和比重都保持不變，各自獨立的完成沉降過程?！?〕絮凝沉降絮凝沉降是一種絮凝性顆粒在稀懸浮液中的沉降。雖然廢水中的懸浮固體濃度不變，但在沉降過程中各顆料之間能互相粘合成較大的絮體，因而顆粒的物理性質(zhì)和沉降速度不斷發(fā)生變化?！?〕成層沉降(集團沉降)當懸浮物濃度較高、顆粒彼此很近時，顆粒沉降受周圍顆粒作用力干擾，但顆粒之間相對的位置不變，成為一個整體的覆蓋層共同下沉。此時，水與顆粒群之間形成一個清晰的界面，沉降過程實際上就是這個界面的下沉過程。由于下沉的覆蓋層必須把下面同體積的水置換出來，二者之間存在著相對運動，水對顆粒造成不可無視的阻力，因此成層沉降又稱為受阻沉降?！?〕壓縮當廢水中的懸浮固體濃度很高時，顆粒之間便互相接觸，彼此支承。在上層顆粒重力的作用下，下層顆粒間隙中的水被擠壓出界面，顆粒相對位置發(fā)生變化，顆粒群被壓縮。聚結(jié)除油〔乳化油的粗?；臣夹g(shù)原理聚結(jié)除油技術(shù)〔乳化油的粗粒化技術(shù)〕原理聚結(jié)除油屬粗?；夹g(shù)，將小油?！擦皆?-30μm〕聚結(jié)成大油粒。利用疏水親油性材料作為介質(zhì)，當含油廢水通過這些介質(zhì)時，廢水中的細微油粒就會在介質(zhì)外表逐漸聚結(jié)成大油滴。借助大油滴浮力及水流沖力迅速上浮至水面，到達油水別離的目的。粗?；臋C理極為復(fù)雜，與乳狀液破乳、多孔物質(zhì)的毛細現(xiàn)象、高分子材料的凝聚力、滲透現(xiàn)象、物理吸附等多種過程有關(guān)。此外，它還受到油水外表水合作用、雙電層作用以及布朗運動、范德華力、固體外表張力等多種因素的支配。目前，尚無數(shù)學(xué)模型定量描述粗?；^程，但可將其合理簡化，把它歸納為細微粒在粗粒介質(zhì)上進行粘附、凝聚、脫落、上浮四個步驟分別進行定性討論。粘附：據(jù)外表物理化學(xué)理論，油滴在不同固體外表上有不同的潤濕作用，兩相接觸后體系能量降低的愈多，油滴在該固體外表上的潤濕作用愈強，而粗?；褪沁x擇對油粒具有強潤濕性能的親油性材料作為粘附微細油滴的介質(zhì)。對一種材料而言，粗?；橘|(zhì)的外表積愈大，油粒接觸介質(zhì)幾率愈大，被粘附的可能性就愈大。凝聚：如果粘附在粗?；橘|(zhì)的油粒外表雙電層受到削弱，油粒間的庫侖斥力降低，那么有利于油粒間的相互碰撞凝聚。脫落：隨著上述兩過程的進行，凝聚的油滴逐漸長大，當其大到一定程度時,其本身受到的浮力便大于它在介質(zhì)外表的粘附力，或因受到水流沖力,使大油滴從介質(zhì)外表脫落下來。小節(jié)從以上過程可知，油水別離好壞的關(guān)鍵是選擇適宜的材料。除此之外，介質(zhì)在粗粒化裝置中的填充密度，填充長度，以及水流速度等各因素都會影響粗?；Ч?。一般說來，有機材料較無機材料的親油性強，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、維尼龍、聚丙烯、聚酯等有機聚合物都有較強的親油性，其中聚丙烯纖維的吸油倍數(shù)為8-10g/g，吸水倍數(shù)為1-2g/g，吸油與吸水能力的差異在常見有機材料中較高，而且目前正用于海上撈油，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，材料來源有保證。對分散細微油珠的去除率均到達92%以上。2.6.1

氣浮原理

利用高度分散的微小氣泡作為載體去粘附廢水中的污染物，使其隨氣泡升到水面加以去除。氣浮別離的對象是乳化油以及疏水性細微固體懸浮物。實現(xiàn)氣浮別離過程的必要條件是使污染物能夠粘附在氣泡上。涉及到氣、液、固三相介質(zhì)的問題，首先要研究外表張力和界面能問題。引用博士論文當一種流體與另一種物質(zhì)〔流體或固體〕接觸時，在它們之間存在自由界面能。這種界面能是由于各相內(nèi)部的分子與在接觸面處的分子間向內(nèi)的引力差引起的。假設(shè)具有自由能的外表可以收縮，那么自由界面能就以界面張力的形式表現(xiàn)出來。界面張力σik的定義為：當物質(zhì)k與物質(zhì)i別離時，每分出單位面積所需作的功，恒溫下對任意兩種物質(zhì)的界面張力為常數(shù)。物質(zhì)i與其自身蒸汽的界面張力稱為外表張力σi。假設(shè)∑>0，表示有機物與水和空氣的界面張力較小，由式可知，此時NAPL、水和空氣間不可能形成平衡，那么NAPL將在水和空氣之間擴展開；相反，假設(shè)∑<0，那么表示NAPL可以與水和空氣間形成平衡。

若，則出現(xiàn)不平衡狀態(tài)，流體j將會在土壤固相表面無限制地擴展開，這個現(xiàn)象引出了固體被液體濕潤的概念。對于流體j來說，若θ<90°，則稱該流體能濕潤固體；若θ>90°，則稱該流體為非濕潤性流體。對于土壤中氣-液(water)-液(NAPL)-固體系，絕大多數(shù)情況下水是優(yōu)先濕潤，而空氣則為非濕潤性流體。在土壤中，殘留水優(yōu)先占據(jù)土壤微孔，而土壤空氣那么以連續(xù)相狀態(tài)占據(jù)大孔隙，伸展性NAPL主要以薄膜形式存在于殘留水外表上。但在本文研究體系中，假設(shè)NAPL在土壤孔隙中的飽和度較高，如油品大量進入土壤中的情形，大孔隙中將出現(xiàn)“自由態(tài)〞NAPL并占有較高比例。由于薄膜態(tài)和自由態(tài)兩種狀態(tài)的NAPL存在于土壤中不同類別的孔道內(nèi)，它們在向氣相主體的傳質(zhì)行為顯然是有差異的。液體外表分子和內(nèi)局部子的受力情況是不同的：內(nèi)局部子所受的來自各個方向的引力是相等的，外表分子受到的液面上方氣體分子的引力要比內(nèi)局部子的引力小得多。這種不平衡的趨勢將外表分子拉向液體內(nèi)部，以縮小液體的外表積。使液體縮小外表積的力就是外表張力。外表能是儲存在液面上的位能，同其它位能一樣，也有減小到最小的趨勢。所以水中的油滴都是球形，并且相互之間有著自然團聚的趨勢，以到達外表積和外表能最小。實際上，任何兩相之間都具有界面，當氣泡和顆粒共存于水中，即液、氣、顆粒三相介質(zhì)共有的情況下，每兩相之間的界面上都存在著各自的界面和界面能。界面能也有降低到最小的趨勢。當廢水中存在氣泡時，懸浮顆粒就力圖粘附在氣泡上而降低其界面能。但是并非所有的顆粒都能粘附上去，它們能否與氣泡粘附取決于水對該種顆粒的潤濕度。被水潤濕的物質(zhì)稱為親水性物質(zhì)；反之，難于被水潤濕的物質(zhì)稱為疏水性物質(zhì)。一般的規(guī)律是疏水性顆粒與氣泡粘附，而親水性顆粒難以與氣泡粘附。乳化油屬疏水性顆粒，其本身比重又小于1，因而特別適宜于用氣浮法進行別離。2.6.2影響氣浮效果的因素在氣浮過程中需要形成大量細微而均勻的氣泡作為載體。因此氣浮效果的好壞在很大程度上取決于水中空氣的溶解量和飽和度，以及氣泡的分散程度和穩(wěn)定性。氣泡量愈多分散度愈高，它們與污染粘附的時機也愈多。氣泡應(yīng)有一定程度的穩(wěn)定性，但過于穩(wěn)定的泡沫也難于運送和脫水，因而穩(wěn)定時間以數(shù)分鐘為宜。氣泡的數(shù)量，大小及均勻性直接與溶氣壓力有關(guān)，壓力愈高，空氣在水中的溶解度也愈大，氣泡分散度也愈高，愈均勻，空氣的溶解度還與廢水的加壓時間有關(guān)，但提高溶氣壓力將使能耗增大，故應(yīng)選擇適當壓力。

氣浮方法按氣泡產(chǎn)生的方法不同，分為充氣上浮，溶氣氣浮和電解氣浮三種?！?〕充氣上浮采用擴散板或微孔管直接向氣浮池中通入壓縮空氣，或借水泵吸水管吸入空氣。形成的氣泡直徑大約為1000μm。借助水泵吸水管吸入空氣。這種方法設(shè)備簡單，但由于受水泵工作特性的限制，吸入空氣量一般不能大于吸水量的10%〔按體積計〕，并且形成的氣泡粒度大，因而氣浮效果不好。用這種方法處理通過隔油池后的石油廢水，除油效果只有50－60％。〔a〕射流氣浮采用以水帶氣射流器向水中充以空氣，由噴嘴射出的高速水流使吸入室內(nèi)形成真空，并從吸氣管吸入空氣，氣水混合物在喉管內(nèi)進行劇烈的能量交換，空氣被粉碎成細微的氣泡，進入擴散后，動能轉(zhuǎn)化成勢能，進一步壓縮氣泡，增大了空氣在水中的溶解度，隨后進入氣浮池射流器各部尺寸的最正確值一般需要通過實驗確定，有的認為，當進口水壓為3－5kg/cm2時；喉管直徑d2與噴嘴直徑d1的最正確比值為2.0－2.5。〔b〕擴散板〔管〕氣浮將壓縮空氣通過微小孔隙的擴散板〔管〕，形成小氣泡進入水中。這種方法簡易行，但孔隙易被堵塞，而且，氣泡較大，效果不好，現(xiàn)在很少采用。〔c〕葉輪氣浮葉輪作高速旋轉(zhuǎn)時，蓋板下方形成負壓，空氣從氣管進入，廢水由蓋板上的圓孔進入，在葉輪的攪動下空氣被粉碎成微小的氣泡，并充分混合后一起導(dǎo)向葉片甩出，在經(jīng)過整流板穩(wěn)流后，在池體內(nèi)垂直上升，進行氣浮。形成的泡沫不斷被緩慢轉(zhuǎn)動的刮沫板刮出池外。這種方法用于處理水量不大，但污染物濃度高的廢水，其除油效率一般在80%左右。(2)

溶氣氣浮

一定壓力下把空氣溶于水中并全飽和狀態(tài)，然后使廢水壓力驟然降低，這時微小的氣泡從水中折出并進行氣浮。

用該法形成氣泡直徑不到100μm，且可人為控制大小，因而凈化效果比充氣氣浮好，應(yīng)用也更為廣泛。

根據(jù)氣泡從水中析出時的壓力不同，溶氣氣浮大可分為兩方式：一種是常壓下或加壓下溶于水中，而在負壓下析出，稱為真空溶氣氣浮，另一種是空氣在加壓下溶于水中，而在常壓下析出，稱為加壓溶氣氣浮。后者廣泛用于石油廢水的處理，通常作為隔油后的補充處理和生化前的予處理?！?〕電解氣浮廢水電解時，由于水的電解及有機物的電解氧化，在電極上會有氣體放出如Ｈ2，Ｏ2及ＣＯ2、Ｃl2等，借助于電極上析出的微小氣泡浮上別離疏水性雜質(zhì)微粒的技術(shù)，稱為電解氣浮。電解時，不僅有氣泡浮上作用，而且還兼有凝聚，共沉、電化學(xué)氧化及電化學(xué)復(fù)原等作用。廢水在直流電場作用下，水被電解，在陽極析出Ｏ2，而在陰極析出Ｈ2電化學(xué)氧化時，有機物可產(chǎn)生CO2，氯化物可產(chǎn)生Cl2，電解產(chǎn)生的氣泡粒徑很小，Ｈ2氣泡為10－30μm，Ｏ2氣泡為20－60μm；而加壓時產(chǎn)生的氣泡粒徑為100－150μm，機械攪拌時產(chǎn)生的氣泡直徑為800－1000μm，由此可見電解產(chǎn)生的氣泡捕獲雜質(zhì)微粒的能力比后兩者為高，出水水質(zhì)較好。電解槽的電極又中和了膠體的局部電荷，使膠體易于凝聚。同時，如采用鋁板或鋼板作陽極，那么電解溶蝕產(chǎn)生Fe2+和Al3+離子，可進一步生成具有凝聚、吸附及共沉淀作用的多核羥基絡(luò)合物和膠狀氫氧化鐵、氫氧化鋁，當水中含有重金屬離子時，生成金屬氫氧化物，能與氫氧化鐵，氫氧化鋁形成凝聚共沉體，迅速被氣泡吸附而予以浮上別離。進行電解氣浮時，陽極還具有降低ＢＯＤ和ＣＯＤ、脫色、脫臭、消毒的能力，陰極有沉淀重金屬離子的能力。

電解氣浮的特點：電解氣浮法具有去除污染范圍廣，泥渣量少，工藝簡單，設(shè)備小等優(yōu)點，主要缺點是耗電量大，假設(shè)采用脈沖電流，電耗可大大降低,與其它方法配合使用將更經(jīng)濟。應(yīng)用：電解氣浮多用于去除細分散懸浮固體和油狀物,如鋼鐵廠廢水中懸浮固體(主要是Fe粉)、橄欖油。對于造紙廠廢水，出水固體含量可降至30mg/l，假設(shè)水中含有高嶺土，投加30mg/l的Al2(SO4)3可改善去除效率。應(yīng)用電解氣浮法可從乳酪制造廠廢水中回收蛋白質(zhì)，采用50ppm的木質(zhì)磺酸鈉作凝聚劑，調(diào)pＨ值至4，可回收40%蛋白質(zhì)和50%的脂肪?！?〕氣泡與絮粒的碰撞黏附作用：絮粒與微氣泡帶有一定增水性，外表積很大，有剩余自由能。他們都有相互吸附而降低各自外表能的傾向。當發(fā)生碰撞時，拉開外層水膜而靠近，通過范德華力而黏附?！?〕絮粒的網(wǎng)捕、包卷和架橋作用：形成夾泡性帶氣絮?！?〕微小氣泡與微絮粒之間的共聚作用〔4〕外表活性劑的參與作用：外表活性劑影響絮粒的增水性能及微氣泡的大小、數(shù)量和牢度2.7離心別離

理論根底物體作旋轉(zhuǎn)運動時將產(chǎn)生離心力，用這一離心力別離廢水中懸浮物的方法是離心別離法。轉(zhuǎn)速一定下，離心力場內(nèi)物質(zhì)受到離心力的大小取決于質(zhì)點的質(zhì)量。當含懸浮物的廢水作高速園周運動時，由于懸浮物的質(zhì)量與水不同，它們受到的離心力也不相同，質(zhì)量比水大的懸浮固體被甩到外圍，而質(zhì)量比水小的懸浮物〔如乳化油〕那么被推向內(nèi)層，這樣，如果適當?shù)匕才艖腋∥锖退髯猿隹?，就可以使懸浮物與水別離。在離心力場中，能夠進行離心沉降和離心上浮兩種操作?！?〕水力旋流器〔旋液別離器〕

水力旋流器的離心力是由于廢水在水泵壓力或重力〔靠進出水壓力差〕作用下，以切線方向進入設(shè)備造成運動而產(chǎn)生，它有壓力和重力兩種。

離心別離設(shè)備壓力式水力旋流器：壓力式水力旋流器上部呈園桶形，下部為截頭園錐體；待別離的含懸浮體的廢水在水泵壓力的作用下，以切線方向進入旋流器發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)；在離心力作用力下，固體顆粒被拋向器壁，并隨旋流下降到錐形底部的出口；澄清后的廢水或含有較細微粒的廢水，形成螺旋上升的內(nèi)層旋流，由上端中央溢流管排出；旋流器的中心局部上下貫穿，形成空氣旋渦柱，空氣一般由下部進入，上部排出。使口流速在6－10m/s，為了使水流貼近器壁，進口做成壓力式水力旋流器能別離出直徑在5μm以上的顆粒。旋流器局部尺寸彼此之間相互關(guān)系很重要，如果相關(guān)尺寸不協(xié)調(diào)，那么別離效果將受影響，水利旋流器的進水口一般做成收縮形，矩形。進水管一般稍加下傾3－5，壓力式水力旋流器具有體積小，單位容積自理力高，構(gòu)造簡單，本身無活動局部，于安裝和維修等優(yōu)點，就以較廣泛地應(yīng)用于廢水的澄清和濃縮處理，近等來還用于高濁度河水的予處理，以代替龐大的予沉淀池。水力旋流器的缺點是水泵和設(shè)備容磨損，設(shè)備費用高，動力消耗也較大。重力式水力旋流器：水流在重力水流旋流器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)靠進出口來到達，廢水以切線方向進入器內(nèi)，造成旋流，在離心力和重力作用下，其中懸浮顆粒甩向器壁，并向器底水池集中，使的到凈化。高能重力式旋器的沉淀池與一般沉淀池相比，占地面積小，基操作用省管理方便，待水旋流器相比，防止了水泵及設(shè)備磨損較大缺點，動力消耗小，缺點是沉淀池地大總分較大，在地不水位高，江河日下旺盛的地，施工較困難?！?〕離心機常速離心機主要用于別離一般懸浮液和污泥脫水；高速離心機主要用于別離粒狀和細粒子懸浮液；超高速離心機主要用于別離顆粒極細的乳化液，油類，離心機設(shè)備緊湊，效率高，但因為高速轉(zhuǎn)，高備復(fù)雜，只適用于處理小批量的很難用一般過濾方法處理的廢水。2.8過濾〔1〕

格柵格柵是去除廢水水中漂浮物和懸浮顆粒的最簡單而有效方法，格柵可分成兩種類型。即固定格柵和活動，格柵。細格柵柵條間隔13－25mm，粗格柵條間隔一般為51－64mm，使用時可視廢水中漂浮物大小來定。固定格柵一般由間隔的固定金屬柵條構(gòu)成，廢水從間隙中流過柵條通常做成有一漸變的橫斷面，用最寬的一側(cè)面對著廢水流過，以防固體特技間隙中被卡住，并便于耙除截留物。根據(jù)截留物被耙除的方式不同，固定格柵又可分為手耙式和機械，耙除兩，手耙式最簡單，這旨將柵條安置成與60角，這樣既增大了柵條被廢水浸沒的面積，又利于留物的耙除。機械耙除通常用電動機驅(qū)動，近年來也有用水力驅(qū)動的?；顒痈駯庞挚煞譃殇摻z索格柵和輪格柵兩種。鋼絲索格柵是由一組在滾輪上轉(zhuǎn)動的鋼絲索套構(gòu)成，廢水眾鋼絲索面間流過，截留在鋼絲索上的大顆粒固體隨著鋼絲索的轉(zhuǎn)動篩濾室并在鋼絲索回到篩濾室之前被刷除掉，這種格柵的優(yōu)點是不用耙子，固體物不會長在格柵的間隙中。鼓輪格柵實際上是量種篩網(wǎng)過濾裝置，它是由局部浸入篩濾室的旋轉(zhuǎn)鼓輪構(gòu)成，鼓輪繞水平軸旋轉(zhuǎn)，周邊被金屬網(wǎng)覆蓋，鼓輪的一端封閉，廢水從另一端沿軸向進入鼓輪內(nèi)，通過金屬網(wǎng)過濾流出鼓外，截留在鼓內(nèi)的懸浮物被轉(zhuǎn)鼓帶列上部時，被噴射出來的水反沖洗到排渣槽內(nèi)排出。2.8過濾〔2〕

顆粒濾料過濾顆粒濾料過濾利用顆粒介質(zhì)的物理截留，以及沉淀，吸附等作用來除去廢水中細小的懸浮物，常用的過濾介質(zhì)有石英砂、無煙煤和拓榴石等。顆粒濾料過濾的分類方法好幾種，按操作方式分，可分為重力式和壓力式兩種，前者為敞開式，后者為密封式，采用壓力過濾，按濾料組成分，可分為單層和多層式，前者是由一種濾料組成的過濾層；后者是由多種濾料組成的具有峽谷層以上的過濾層，一般由二或三層組成，按廢水的流動方式分，可分為下流式，上流式和雙流式。以防止活性炭或離子交換相脂堵塞，在煉油廠中，含油廢水流程砂濾池處理以后，再進行活性炭吸附處理。廢水由上而下通過濾料層，濾料層由具有過濾水效果的細砂層和在下部承托細砂層用的粗砂和礫石組成。濾池的下部是集水室，它的主要作用是收集濾過水以將其送到清水池，并在反沖洗期均勻分配沖洗水到過濾層。集水裝置的形成有許多種，如濾頭式，濾球式，穿孔管式和有孔砌塊式等，濾池還沒有反沖洗裝置。影響過濾效率的主要因素有濾料粒徑的大小及配置層序，濾料孔隙度大小，濾料厚度廢水的渾濁和性質(zhì)，過濾速度，終點水頭損失以及出水水質(zhì)的要求等，在濾池中只要濾料的粒徑，配置層孔孔隙度和厚度，其它因素均可在過濾運行期間進行調(diào)整。當過濾進行到濾料間隙變截留和沉積的懸浮物堵塞時，過濾阻力增大，使濾難以繼續(xù)進行。這時應(yīng)暫時停止過濾，通過反沖洗使床更新，反沖洗水的流量，流速能使濾層體積膨脹至1.25－1.5倍。只有這樣，才能保證濾料充分浮動，使懸浮物以通過濾料間隙，反沖洗新需的時間，水量和流速應(yīng)根據(jù)污染物的性質(zhì)，濾料的比重和粒徑等確定。一般反沖洗時間5－8min，反沖洗速度是0.5－1.2m3/m2.min；反沖洗排水量一般是過濾水量的1－6％?；旌蠟V料濾池的濾床采用三種或四種不同粒度和比重的濾料堆成，在水力作用下，它們能按不同比重和粒度而組成復(fù)合床層。這種混合的復(fù)合濾床在過濾的過程中，空隙很均勻地由大到小〔普通濾床小到大〕。這樣就可以利用全部床層截留懸浮物質(zhì)。從而增加濾床的截污量并提高濾池的效率，廢水處理常用的三種濾料百無煙煤〔比重見1.55〕占55－60％，硅石砂〔比重2.6〕占25－30％，鈦鐵礦柘榴石〔比重>4.0〕占