工業(yè)用水的處理方法
抖化學 / 2022-11-28
工業(yè)用水的處理方法天然水中含有較多的雜質，若將其直接用于工業(yè)生產，勢必影響產品質量，增大設備耗損率，甚至造成生產事故?？梢姡?/span>需對水進行一定的處理，將其中的雜質含量降低到允許值以內使用。本章將介紹工業(yè)用水的一般處理方法。
水的沉淀處理與過濾
用沉淀法除去水中雜質的過程稱為沉淀處理。其中包括天然水中懸浮物的自然沉降;向水中加入各種混凝劑使其中細小懸浮物及膠體物質凝聚為沉淀物而除去;加入適當藥劑使水中鈣、鏷離子轉變?yōu)殡y溶化合物而除去(水的軟化法) ;以及水中除鐵、猛、硅的處理。本節(jié)先介紹除去水中細小懸浮物及膠體物質所用的凝聚(混凝)法。
(一)混凝
天然水中所含的懸浮物及膠體，如不預先除去，對于需要作進步離子交換處理使用的鍋爐給水、電子工業(yè)用水等，會造成高子交換劑的污染，影響交換效果。因此，一般將除去水中的懸訂物和膠體作為水處理的第一步——水的預處理。
水中較大顆粒的懸浮物在水的流速很慢或在靜置的情況下會自行配降下來。但顆粒越小，沉降越慢，且沉降不完全。水中的膠停雜質則不會沉降，用普通的過濾法也不能將其除去。膠體在水中路這種不易沉降的穩(wěn)定性，是由膠粒的結構特性決定的。眾新周知，股體是高分散度的體系，它有大的比面積(單位質量占有的面積)，從面有強的吸附性能，能從溶液中吸附某些離子使教粒表面帶電有。同種膠粒帶有同性電荷，彼此間存在著靜電斥力，粒子間不可能互相靠得太近，更不能結合成大的團粒自行沉降下來。從水中除去膠體的有效措施是混凝處理。所謂混凝處理，是在水中投入具有凝聚能力的化學藥劑，此藥劑在水中會促使膠粒凝聚和沉降。
用明礬來澄清水的方法，我國勞動人民已用了千百年，這就是一種混凝處理，明礬就是一種混凝劑。隨膠體化學的發(fā)展，對于混凝劑作用的認識已比較一致。 它主要有兩個過程:一是混凝劑本身發(fā)生水解，形成一種新的帶反電荷的膠體(膠粒所帶電荷
和水中自然膠體的相反)推動凝聚過程;二是水中雜質以中和、吸附和過濾等方式參與上述過程，其結果是新膠體和自然膠體共同凝聚和沉降。例如將硫酸鋁投入水中，.它很快進行水解反應生成氫氧化鋁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+
氫氧化鋁懸溶解度很小的化合物，它以膠體狀態(tài)從水中析出。在幾乎為中性的天然水中，氫氧化鋁膠粒帶正電荷，而天然水中的自然膠體大都帶負電荷,它們之間可起電性中和作用破壞了膠體的穩(wěn)定性;同時氫氧化鋁膠體又可吸附水中的自然膠體及懸浮物。
在這種中和作用和吸附作用下，水中的膠體微粒漸漸凝聚成粗大的絮狀物(通常稱為凝絮或礬花)并在重力作用下沉降。在沉降過程中，它好像一一個下降的過濾網，又可把懸浮物帶走。過濾網的形成主要是氫氧化鋁膠體在凝聚過程中會相互結成鏈，
起了架橋作用，組成許多網眼，包裹著懸浮物和水分--起下降。
由于混凝處理包括電離、水解、膠體形成、吸附、凝聚和沉降等許多過程，因而影響混凝效果的因素較多，現以硫酸鋁作混。凝劑為例，就其主要影響因素略述如下:
1.水的pH值(指加藥后水的pH值，非原水的pH值)水的pb值對混凝處理的效果影響很大,因Al2 (SO4)s是強酸弱堿所組成的鹽，水解時會使水的酸性增加，而水解產物A1(OH)s是兩性的，水的pH值太高或太低都會促使共溶解，結果使水中殘留的可溶性鋁含量增加。當pH值在5.5以下時，氫氧化鋁有明顯的堿的作用:
A1(OH)3+3H+——→A13+＋3H2O
當pH值在7.5以上時，它又起酸的作用:
A1(OH)3+OH~——→A1O2-＋2H2O
水中出現偏鋁酸根A1O2-。當pH>9時，水中就不再有A1(OH)s存在。另外，當水中有SO。-時，pH值在5.5~7.5之間能生成溶解度很小的堿式硫酸鋁，因而，pH值在5.5 ~7.5范圍內水中殘僧的錯量是很小的。
另一方面，膠體在水溶液中所帶的電荷與水中離子的組成特別是氯離予濃度有關，故pH值影響A1(OH)s膠粒的帶電性能。對AI(OH)a來說，當8,02>pH>5時, 它的膠粒帶正電; pH <5時帶負電當pH值在8附近時以中性氫氧化物的型態(tài)存在。同時，膠體的凝聚速度與膠體所帶的電荷量有關，電荷數值越小，膠粒間互斥力越弱，其凝聚速度就愈快。而電荷量的多少又取決于水的pH值，因而水的pH值是影響凝聚速度的重要因素。由于同時還有其它因素存在，所以最佳pH值需通過實驗來確定。用鋁'鹽作混凝削時，pH值- -般取6.5 ~7.5。用硫酸亞鐵FeSO,作混凝劑時，最適宜的pH值為8~10。在實際工作中，若pH值太低或太高，可分別用堿(加燒堿、純堿、石灰等)或酸(H2SO、HC1等)予以調整。
2.溫度 溫度直接影響混凝劑的水解過程和形成絮團的速度。當溫度較低時(5~10℃)，水解速度緩慢，產生的絮團含水量大，沉降速度就慢。一般取水溫25~40℃。
3.攪拌水和混凝劑的混 合速度是一個重要因素，它關系到混凝劑在水中分布的均勻性和顆粒間的碰撞機率。在水中剛加入混凝劑時，需要快速的攪拌，這可迅速生成大量的氫氧化物胺體，并擴散至水的各個部分，以便及時和水中雜質作用。當凝絮
形成和長大時，攪拌的速度就不宜快，以免凝絮碎裂。
4.混凝劑的加藥量由于混凝過程不是 單純的化學反應，所需的加藥量不能根據計算確定，應根據具體情況通過實驗確定最優(yōu)加藥量。采用A12 (SO4)s?18H2 O時的有效劑量一般為0.2~1.0mmol.L-1,相當于20 ~100mgL-1。采用FeSO?7H2O時的有效劑量一般為0.1~0.5mmol?L-1,相當于14~ 70mg?L-1。
(二)混凝劑
常用的混凝劑有以下幾種:
1.鋁鹽可作混凝劑的鋁鹽很多，如硫酸鋁[AI2 (SO4)3·18H2O]、明礬[A12 (SO4)3·K2SO4·24H2O]、偏鋁酸鈉(NaA1O2)及堿式氯化鋁等。在工業(yè)用水處理系統(tǒng)中常采用硫酸鋁，因它的含鋁量比明礬多。當原水堿度不足時，可同時用硫酸鋁與偏鋁酸鈉(先加入偏鋁酸鈉，因為偏鋁酸鈉溶液呈堿性)。
A12 (SO4)3+ 6NaA1O2 + 12H20——→8A1(OH)3+3Na2SO4兩種藥劑的比例應以能獲得最優(yōu)pH值來決定。
2.聚合鋁:聚合鋁是一類化合物的總稱，水處理工藝中常用的是聚氯化鋁(poly -a1uminum chloride縮寫PAC)，它是由堿式氯化鋁聚合而成的無機高分子化合物，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)對混凝效果影、響較大，一般可用堿化度(B)來表示;
[OH]
B=-------------×100%
3[A1]
如當n=3時，堿化度:
3
B=-------×100%=50%
3×2
一般要求堿化度在40~85%為佳。聚氯化鋁的優(yōu)點是溫度適應性高，形成凝絮速度快，用量少，操作容易，應用范圍廣，用它可縮小設備體積，提高出水事。其最優(yōu)pH值范圍為5~9。
我國于1972年首次在成都自來水公司應用成功后，在全國共它各大城市陸續(xù)投入生產使用，效果顯著。此外聚合氯化鋁也是廢水混凝沉淀處理中-個有效的混凝劑，它除了能去除水中的懸浮物及膠體，還能降低廢水中的化學耗氧量、生化耗氧量、油類、重金屬等物質，在印染廢水的處理中是目前國內公認的良好混凝劑之一。例如國內某廠用堿化度為50~-80%的聚合氯化鋁對染色廢水進行化學混凝沉淀處理。日處理量為2000t,經處理后色度去除率達90%以上, COD去除率約80%，懸浮物去除宰約65 %。出水能達到國家允許的排放標準。
3.鐵鹽常 用的是硫酸亞鐵(FeSO4?7H20)，也可用氯化鐵《FeCls?6HO)或硫酸鐵[Fc2(so4)3]。硫酸亞鐵又名綠礬，水榕液呈酸性，有較強的腐蝕性,但因制造簡單，來源充足，生成的既絮比A1(OH)3大，溫度影響小，所以應用較多。它的作用
過程與鋁鹽相似，但因水解生成的Fe(OH)2溶解度大，使混凝效果不好，所以必須在使用過程中將Fe2+氧化成Fe*+。通常當水的ρH值在8. 5以上時，Fe2+就易被水中溶解的氧氣氧化而成Fe*+,當pH值較低時氧化速度太慢而不實用，但當pH>6時，鐵離子與水中的腐植酸能生成不沉淀的有色化合物，所以對于以除去水申有機物為目的的處理，鐵鹽不適合，另外，某些對鐵含量限制很嚴的工業(yè)川水(如造紙)也不適用。
4.鎂鹽 氫氧化鎂與氫氧化鋁相似，是一種粘性沉淀物，可起混凝作用，但要求pH值較高(pH=10.5) ，這就必需加堿(常用CaO)。近年來有用碳酸鎂作為混凝劑并可循環(huán)使用的方案(見圖2-1)。將碳酸鎂與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↓再將生成的Mg(OH)2與CaCO3泥渣循環(huán)使用，利用反應Mg(OH)2 + CO2-→Mg (HCO3)2生成的Mg(HCO3)2是可溶的，即與CaCO3分離。分離出來的CaCO3經煅燒又制得CaO及沉淀池供溶解Mg (OH)2用的CO2。
(三)助凝劑
為了提高混凝的效果，有時需要加入一些輔助藥劑，稱助凝劑。助凝劑本身不起凝聚作用，僅幫助凝絮的形成。如用來調節(jié)出圖2-1碳酸鏷混 凝劑循環(huán)使用示意圖pH值的各種無機酸或無機堿、可破壞有機物及使Fe2+氧化成Fe8+的氣、漂白粉筑皆是常用的功凝劑。用新配制的活性二氧化、硅作助凝劑可加速凝絮過程并增加凝絮的牢固性，但不可避免地會增加水中二氧化硅的含量，因而在熱力發(fā)電廠的水處理中不宜采用。近年來由于推出了廉價的有機絮凝劑，所以逐漸減少了助凝劑的使用。
(四)有機絮凝劑
近20年來，由于有機合成高分子化學工業(yè)的飛速發(fā)展，混凝劑類物質中產生了一個新的分枝有機高分子絮凝劑，早先僅用天然高分子物質作架凝劑，如海藻酸鈉、丹寧酸等。近年來合成了各種高分子貂凝劑，如聚丙烯酸鈉、聚丙烯酰胺等(參見表2-1)。它們可分別單獨使用，也可與無機凝聚劑:一起使用。
有機高子子絮凝劑是水溶性的?？煞譃殛栯x子型、陰離子型、非離子型三種，在應用時要根據水質情況、處理要求和具體試驗:來加以選擇。由于高分子物質具有大量吸附活性基，能強烈的吸附水中雜質粒子，使顆粒瓦相粘附形成凝絮，這也就是利用
高分子物質的鏈狀結構起架橋作用。對于水溶性離子型高分子物質，還能與帶異電荷的膠體粒子中和，從而可加速混凝的過程。常用;絮凝劑的分子量可由數千至數百萬，鏈狀分子長度約400~800mum。高分子絮凝劑溶于水后能分散為巨大數量的線型高分子。如分子量為10萬的絮凝劑在水中的濃度若為0.2mg.L1時，每升水中的鏈狀分子數約為120萬億個，它們能發(fā)揮高效能的混凝作用，投藥量約為無機混凝劑的1/30~1/200，因而是有發(fā)展前途的一類水處理藥劑。
(五)混凝沉淀處理裝置
進行混凝沉淀處理的裝置主要有沉淀池和澄清池。
1.沉淀池用來進行沉降分離的設備叫作沉淀池。用沉淀池進行混凝處理時，先將水和混凝劑通過混合器進人反應器后再送入池內。目前常用的沉淀池為斜管式或斜板式兩種。圖2-2為斜管式沉沈池示意圖。在池中設置了許多密集的斜管，讓沉降過程在斜管中進行。也有采用將許多斜管集合成蜂窩狀的，稱為“蜂窩斜管式”沉淀池。加過藥的水經混合、反應后由下部進入沉淀池，水由下而上，通過許多密集成蜂窩狀的斜管然后經集水管流入集水池，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，把斜板做成圖2-3的形狀，斜板的斜角一般為55~60°。采用此種方法沉降，其優(yōu)點是加快分離速度，縮短沉降時間，減少設備體積。
2.澄清池它也是沉淀處理設備的一種，但必須起到下面一些作用:水的引入，藥劑的加入，水和藥劑的混合，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。這樣的設備體積相當大，相當于四層樓高(15m高)。它能將混凝處理和石灰除暫硬處理同時進行。設備為圓筒形(見圖2-4)，水由下部
通過噴嘴沿筒璧成切線方向射入混合區(qū)I,這種進水方法使水沿水平方向發(fā)生轉動，促進水與藥物混合，以利反應。藥劑則在高于進水口100 ~200mm處加入。上升的水經水平隔板及垂直隔板(隔板.上有小孔可通水)，水就不再旋轉而穩(wěn)定勻速上升。經反應區(qū)II，過濾區(qū)I至出水區(qū)IV。在出水區(qū)上部設有用來保持出水均勻的水棚和集水箱。用一個設在澄清池中央的垂直圓筒型排泥系統(tǒng)將反應生成的泥渣排至泥渣濃縮器后再排出。這種澄清器操你運行不太方便，因而還發(fā)展了其它多種型式的高速混凝沉降裝
置，如水力循環(huán)澄清池(圖2-5)、懸浮澄清池(圖2-6)等，這里就不一一介紹了。
(六)水的過濾
天然水經過混凝沉降處理后，從外表上看已經清澈透明，但實際上水中還有少量細小懸浮顆粒，這對需進-步處理的水(如進行離子交換除鹽等)尚不符合要求。同時水在澄清池中靠重力作川只能除掉顆粒粗大而較重的泥渣，水中微粒懸浮物的沉降則很費時間。為了徹底地使水澄清以及縮短水在澄清池中的停留時間，防止下一步軟化處理時懸浮物進人軟化器，降低軟化劑交換容量，所以要進行過濾。此時的特點是水中懸浮物含量不多而水量大，所以常用砂子、無煙煤碎粒等粒狀濾料過濾。作過濾用的
濾池類型不少，可按水流通過濾池的方向或所用濾料的類型來分類。也可按濾速來分類，因而名稱很多，這里僅介紹幾種。
1.普通濾池根據水流特性可分壓力式及重力式。壓力濾池通常川鋼板作成圓柱形罐，水加壓后進入罐內，過濾壓力可高達，1×10°Pao又由于罐頂被封閉，在操作運行時不易觀察，設備;消耗侗材又多，因此僅小型供水情況下采用。重力式濾池通常無
流，水面與大氣相通，依靠謔層上水深(通常2.5~3.5m) 借重力加速過濾。
濾池常用鋼筋混凝土建造，投資較少;又是敞開式的，側于維護、檢修及觀察運行情況。冰池運行時主要包括過被及反沖洗兩個步驟。水流經濾料過德的過程中，濾層逐漸被懸浮物堵塞，使過濾阻力增大或出水水質不良，所以要及時地對濾料進行反沖洗，使它恢復過濾能力。運行步驟省由人工開閉閥門來實現，則勞動強度大，操作復雜，不利于控制，因而現在都改用自動運行的無閥濾池，其形式也有多種。
無閥冰池的特征是沒有閥門，其操作、維護等都比較簡單，這和共它過濾器恰成鮮明的對照。
無閥濾池的具體結構形式有多種多樣，它可以是壓力式，也可以是重力式，圖2-7所示為重力式無閥濾池。其工作原理為:米水由進水管送入濾池，經過濾層自上而下的過濾，濾后清水進入清水箱內貯存，待水箱滿后，水從出口流出。在濾池運行中，濾層不斷截留懸浮物，濾層阻力逐漸增加，因而促使虹吸上升管內的水位不斷上升，當阻力繼續(xù)增加使水面上升到虹吸管口時，水自此管中急劇下落，而發(fā)生虹吸作用。此時，水箱中的清水就自下而上地通過濾層，對濾料進行反沖洗。且濾池仍在進水，反沖洗開始后，進水和沖洗廢水同時經排水虹吸管，由排水溝排出。當沖洗水箱中水位下降到虹吸破壞管的管口時，由于空氣進入虹吸管內，虹吸作用遭到破壞，濾池反洗結束，進入下一周期運行。
無閥濾池完全不用控制儀表，所以從這點上來說，它是典型的自動運行濾池。
2.移動沖洗罩濾池它屬于自動沖 洗濾池之一，但沖洗方式別具一格。濾池由許多濾格(面積約2m2)組成，利用一個可移動的沖洗罪，輪流對各個過濾失效的濾格進行反沖洗，沖洗用水是濾池中共它源格過濾后的水。
過濾時水由上向下流過濾格。在過濾的進程中,隨著阻力增大,濾格內水位不斷上升，至預定值時，在機電裝置(目前發(fā)展成由微計算機)的控制下將裝有沖洗水泵和排水泵的移動罩移至濾格上，在保證罩體與濾格間密封的情況下進行反沖洗，沖洗完后再移至另一濾格上。這種濾池的特點是池體結構簡單，無沖洗水箱、管件及閥門，造價低廉。濾池中濾層厚度比普通濾池淺些而濾料粒徑較小，從而能保證出水的水質。不過用機電設備來控制，增加了操作管理和維修的難度，故適用于大中型水廠。
3.移動床濾池在通常 的濾池中濾料靜止不動，過濾與反沖洗均在一個池體內進行。在移動床濾池中情況與之相反。原水經過濾層過濾后流出池外，濾層表面上被堵塞并儒沖洗的濾料則定期被推出池外，經過清洗后由濾層的下部送回，在池體內水流的
方向與濾料移動的方向相反，這樣保證出水的水質，且能連續(xù)出水。濾層移動的大致過程是:在濾層下部有一可移動的隔板，靠水力推動隔板使濾層向上移動。當隔板下移回到原位時，已清洗過的濾料靠重力降落充滿了由于隔板下移而在濾料下層所產生的一段空隙空間。圖2-9為移動床濾池運行示意圖。
常用的泡料是0.6~0.8mm的砂，屬于較粗的一種，但它的固體負背最比階通濾池高，應用于廢污水處理中是較好的。國外已有的最大移動床其處理能力為950m³·d-¹。運行和維護較復雜，遭價也較高，屬于發(fā)展中濾池之一。
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.jpg "高分子絮凝劑種類")
.jpg "斜管式沉淀池")
.jpg "澄清器示意圖")
.jpg "水力循環(huán)澄清器示意圖")
.jpg "懸浮澄清池透視圖")
.jpg "圖2-7無閥濾他的工作原理圖")
.jpg "圖2-8為移動沖洗W濾池示意圖")
.jpg "移動床濾池示意圖")
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