污水的物理化学分离方法

1、第11章 厌氧生物处理法11.1 厌氧法的基本原理11.2 厌氧法的影响因素11.3 厌氧法的工艺和设备11.4 厌氧消化过程动力学11.5 厌氧产气量计算11.1 厌氧法的基本原理在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生化降解的过程，称为学作用，对有机物进行生化降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消厌氧生物处理法或厌氧消化法化法。若有机物的降解产物主要是有机酸，则此过程称为若有机物的降解产物主要是有机酸，则此过程称为不完全的厌氧消化不完全的厌氧消化，简称为简称为酸发酵或酸化酸发酵或酸化。若进

2、一步将有机酸转化为以甲烷为主的生物气，。若进一步将有机酸转化为以甲烷为主的生物气，此全过程称为此全过程称为完全的厌氧消化完全的厌氧消化，简称为，简称为甲烷发酵或沼气发酵甲烷发酵或沼气发酵。 厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体等。厌氧生物处理的方法和基本功能有二：污泥、动植物残体等。厌氧生物处理的方法和基本功能有二：（1 1）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供生物降解的基质；）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供生物降解的基质；（2 2）甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。完全的）

3、甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。完全的厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能，因而厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能，因而得到了广泛的发展和应用。得到了广泛的发展和应用。11.1 厌氧法的基本原理11.1 厌氧法的基本原理1、水解酸化阶段（产酸或酸化细菌）、水解酸化阶段（产酸或酸化细菌）11.1 厌氧法的基本原理2、产气阶段（甲烷细菌）、产气阶段（甲烷细菌） 乙酸化阶段乙酸化阶段甲烷化阶段甲烷化阶段11.2 厌氧法的影响因素一、温度条件一、温度条件11.2 厌氧法的影响因素二、二、pH值值 一般认为，实测值应一般认为，实测值应7.27.4

4、之间为好。低于之间为好。低于7.0时，时，pH值并不稳定，值并不稳定，有继续下降的趋势。低于有继续下降的趋势。低于6.5时，将使正常的处理系统遭到破坏。时，将使正常的处理系统遭到破坏。 如果有机物负荷太大，水解和产酸过程的生化速率大大超过气化速率，如果有机物负荷太大，水解和产酸过程的生化速率大大超过气化速率，将导致挥发性脂肪酸的积累和将导致挥发性脂肪酸的积累和pH值的下降，抑制甲烷细菌的生理机能。值的下降，抑制甲烷细菌的生理机能。最终使气化速率锐减，甚止停止。最终使气化速率锐减，甚止停止。 一般原液的一般原液的pH值为值为68。系统中挥发性脂肪酸浓度（以乙酸记）以不。系统中挥发性脂肪酸浓度（以

5、乙酸记）以不超过超过3000mg/L为佳为佳。 重碳酸盐及氨氮重碳酸盐及氨氮等物质是形成厌氧处理系统等物质是形成厌氧处理系统碱度碱度的主要物质。一般要的主要物质。一般要求系统中碱度在求系统中碱度在2000mg/L以上，氨氮浓度以介于以上，氨氮浓度以介于50200ng/L为佳。为佳。 11.2 厌氧法的影响因素三、氧化还原电位三、氧化还原电位厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件。厌氧环境主要以厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件。厌氧环境主要以体系中的氧化还原电位反映。体系中的氧化还原电位反映。引起发酵系统的氧化还原电位升高的原因引起发酵系统的氧化还原电位升高的原因：氧和

6、其它一些氧化剂或氧化态：氧和其它一些氧化剂或氧化态物质的存在物质的存在(如某些工业废水中含有的如某些工业废水中含有的Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性以及酸性废水中的废水中的H+等等)高温厌氧消化系统高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为适宜的氧化还原电位为-500-600mV；中温厌氧消化中温厌氧消化系统系统及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于-300-380mV。产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在+100-100mV的兼的兼性条件下生长繁殖；而性条件下生长繁殖

7、；而甲烷细菌甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为最适宜的氧化还原电位为-350mV或更低。或更低。就大多数生活污水的污泥及性质相近的高浓度有机废水而言，只要严密隔就大多数生活污水的污泥及性质相近的高浓度有机废水而言，只要严密隔断于空气的接触，即可保证必要的断于空气的接触，即可保证必要的ORP值。值。11.2 厌氧法的影响因素四、负荷率四、负荷率n 容积负荷率：容积负荷率：反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量，单位为反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量，单位为kg/m3d或或g/Ld。有机物量可用。有机物量可用COD.BOD.S和和VSS表示。表示。n 污泥负荷率：污泥负荷率：反应器内

8、单位重量的污泥在单位时间内接纳的有机物量，单位为反应器内单位重量的污泥在单位时间内接纳的有机物量，单位为kg/kgd或或g/gd。n 投配率：投配率：每天向单位有效容积投加的新料的体积，单位为每天向单位有效容积投加的新料的体积，单位为m3/m3d。投配率的倒数为。投配率的倒数为平均停留时间或消化时间，单位为平均停留时间或消化时间，单位为d。投配率有时也可用百分数表示，例如，。投配率有时也可用百分数表示，例如，0.07m3/m3d的投配率也可表示为的投配率也可表示为7%。 确定厌氧消化装置的负荷率的原则是确定厌氧消化装置的负荷率的原则是：在两个转化（酸化和气化）速率保持稳定平衡在两个转化（酸化和

9、气化）速率保持稳定平衡的条件下，求得最大的处理目标（最大处理量或最大产气量）。的条件下，求得最大的处理目标（最大处理量或最大产气量）。 三种发酵状态三种发酵状态 n 当有机物负荷率很高时，消化液显酸性（当有机物负荷率很高时，消化液显酸性（pH1一般认为，一般认为，1/n 介于介于0.10.5，则易，则易于吸附；于吸附； 1/n2 时难以吸附。时难以吸附。12.1 吸附的基本理论12.1 吸附的基本理论 由图可见，由图可见，Langmuir吸附等温吸附等温式大体上适用。式大体上适用。12.1 吸附的基本理论qe = K ce1/n由图可见，由图可见，Freundlich吸附等温式也吸附等温式也适

10、用。适用。12.1 吸附的基本理论 三、影响吸附的因素三、影响吸附的因素（一）吸附剂结构（一）吸附剂结构 1、比表面积、比表面积 2、孔结构、孔结构 3、表面化学性质、表面化学性质 表面氧化物成为选择性的吸附中心，使吸附剂具表面氧化物成为选择性的吸附中心，使吸附剂具有类似化学吸附的能力，有助于对极性分子的吸附。有类似化学吸附的能力，有助于对极性分子的吸附。（二）吸附质的性质（二）吸附质的性质 活性炭的吸附容量随着有机物在水中溶解度的减活性炭的吸附容量随着有机物在水中溶解度的减少而增加，活性炭对有机酸的吸附量按甲酸少而增加，活性炭对有机酸的吸附量按甲酸乙酸乙酸丙酸丙酸阴树脂，强型的阴树脂，强型的

11、弱型的。对交换器反弱型的。对交换器反洗强度的确定、混合床树脂的选择等具有重要意义。洗强度的确定、混合床树脂的选择等具有重要意义。湿视密度湿视密度 = 湿树脂重湿树脂重/湿树脂堆积体积（湿树脂堆积体积（g/mL） 湿视密度是树脂在水中溶解后的质量与堆积体积之比。此值一般为湿视密度是树脂在水中溶解后的质量与堆积体积之比。此值一般为0.600.85g/mL。在设计交换器时，用它来计算树脂的用量。在设计交换器时，用它来计算树脂的用量。（2）含水率）含水率含水率含水率 = 溶胀水重溶胀水重/（干树脂重（干树脂重+溶胀水重）溶胀水重） 含水率是指在水中充分溶胀的湿树脂所含溶胀水重占湿树脂重的百分数。树脂的

12、含水率是指在水中充分溶胀的湿树脂所含溶胀水重占湿树脂重的百分数。树脂的含水率取决于树脂的交联度、交换基团的类型和数量等。其值一般在含水率取决于树脂的交联度、交换基团的类型和数量等。其值一般在50%左右。左右。13.2 离子交换法 （3）溶胀性）溶胀性溶胀率溶胀率 = 溶胀前后体积差溶胀前后体积差/溶胀前体积溶胀前体积 树脂的交联度越小，活性基团数量越多，越易离解，可交换离子水合半径越大，树脂的交联度越小，活性基团数量越多，越易离解，可交换离子水合半径越大，其溶胀率越大。水中电解质浓度越高，由于渗透压增大，其溶胀率越小。其溶胀率越大。水中电解质浓度越高，由于渗透压增大，其溶胀率越小。根据可交换离

13、子水合半径的大小，对强型树脂，其溶胀率大小顺序为：根据可交换离子水合半径的大小，对强型树脂，其溶胀率大小顺序为：H+Na+NH4+K+Ag + OH-HCO3- CO32-SO42-Cl- 因离子的水合半径不同，在树脂使用和转型时常伴随体积变化，即胀缩现象。因离子的水合半径不同，在树脂使用和转型时常伴随体积变化，即胀缩现象。（4）机械强度）机械强度 树脂在使用中由于受到冲击、碰撞、摩擦以及胀缩作用，会发生破碎。树脂的机树脂在使用中由于受到冲击、碰撞、摩擦以及胀缩作用，会发生破碎。树脂的机械强度应保证每年损耗量不超过械强度应保证每年损耗量不超过3%7%。 交联度越大，溶胀率越小，机械强度越高。交

14、联度越大，溶胀率越小，机械强度越高。（5）耐热性）耐热性 540（6）孔结构）孔结构 孔径，孔容，比表面积，交换容量孔径，孔容，比表面积，交换容量13.2 离子交换法 B、化学性能、化学性能（1）酸碱性）酸碱性 强酸或强碱型树脂在水中离解度大，受强酸或强碱型树脂在水中离解度大，受pH值的影响小；弱酸或弱碱性树脂在值的影响小；弱酸或弱碱性树脂在水中离解度小，受水中离解度小，受pH值的影响大。值的影响大。（2）选择性）选择性 离子交换树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为离子交换选择性。本质离子交换树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为离子交换选择性。本质上取决于交换离子与活性基团中固定离子的亲合

15、力。选择性大小用选择性系数来上取决于交换离子与活性基团中固定离子的亲合力。选择性大小用选择性系数来表征。表征。若若KAB1，树脂对，树脂对B有选择性有选择性 KABAl3+Ca2+ Na+H+Li+ SO42+NO3-Cl-OH-F-HCO3-HSiO3-（3）交换容量）交换容量 定量表示树脂的交换容量定量表示树脂的交换容量体积表示法体积表示法EV：单位体积湿树脂的交换能力，：单位体积湿树脂的交换能力，mmol/ml湿树脂湿树脂重量表示法重量表示法EW：单位重量干树脂的交换能力，：单位重量干树脂的交换能力，mmol/g干树脂干树脂总交换容量总交换容量：活性基团的总数：活性基团的总数工作交换容量

16、工作交换容量：树脂在给定的工作条件下实际所发挥的交换能力。一般是：树脂在给定的工作条件下实际所发挥的交换能力。一般是总交换容量的总交换容量的60%70%。13.2 离子交换法 二、离子交换平衡二、离子交换平衡RA + B+RB+ A+ q0 c0 0 0 q0qB cB qB c0cB对等价离子，有对等价离子，有 KAB = qB(C0-cB)/(q0-qB)cB或qB/q0树脂的失效度树脂的失效度cB/c0 溶液中离子残留率溶液中离子残留率13.2 离子交换法 三、离子交换速度三、离子交换速度单位时间单位体积树脂内扩散的离子量为单位时间单位体积树脂内扩散的离子量为S单位体积树脂的表面积单位体

17、积树脂的表面积树脂颗粒有效直径树脂颗粒有效直径 孔隙率孔隙率13.2 离子交换法 三、离子交换速度三、离子交换速度影响离子交换扩散速度的因素：影响离子交换扩散速度的因素：n 树脂的交联度树脂的交联度孔隙度孔隙度内扩散内扩散n 树脂颗粒树脂颗粒内扩散距离和液膜扩散的表面积内扩散距离和液膜扩散的表面积扩散速度扩散速度n 溶液离子浓度：溶液离子浓度：c00.1M，整个交换速度偏向受内孔扩散控制，整个交换速度偏向受内孔扩散控制 C00.003M，过程偏向受膜扩散控制，过程偏向受膜扩散控制n 提高温度和增强搅动都有利于离子扩散。提高温度和增强搅动都有利于离子扩散。 四、离子交换系统四、离子交换系统（一）

18、离子交换软化系统（一）离子交换软化系统1、Na离子交换软化系统离子交换软化系统Ca2+、Mg2+Na2+ 系统碱度基本不变。一级系统碱度基本不变。一级Na离子交换离子交换一般可将水中硬度降低到一般可将水中硬度降低到0.5mmol/L，可作低压锅炉的补给水；二级可作低压锅炉的补给水；二级Na离子交离子交换可将水中硬度降低到换可将水中硬度降低到0.005mmol/L，可作中、高压锅炉的补给水。可作中、高压锅炉的补给水。 13.2 离子交换法2、离子交换脱碱软化系统、离子交换脱碱软化系统采用采用H-Na离子器联合处理工艺离子器联合处理工艺 部分原水经过部分原水经过Na离子交换器，适合离子交换器，适合

19、原水碱度比较高的场合。原水碱度比较高的场合。 13.2 离子交换法 全部原水经过全部原水经过Na离子交换器，适合原水离子交换器，适合原水硬度比较高的场合。硬度比较高的场合。 3、除盐系统、除盐系统 13.2 离子交换法五、离子交换过程五、离子交换过程（一）固定式离子交换器工作过程（一）固定式离子交换器工作过程1、交换、交换 2、再生、再生（1）再生方式）再生方式 （2）再生剂用量）再生剂用量 （3）再生液浓度）再生液浓度（4）再生液流速）再生液流速 （二）、连续式离子交换器工作过程（二）、连续式离子交换器工作过程 第14章 膜析法 14.1 渗析法14.2 电渗析法14.3 反渗透法14.4

20、超滤 第14章 膜析法 膜析法是利用薄膜以分离水溶液中某些物质的方法的统称。膜析法是利用薄膜以分离水溶液中某些物质的方法的统称。 14.1 渗析法半透膜：半透膜：n 依靠薄膜中孔道的大小分离大小不同的分子或粒子；依靠薄膜中孔道的大小分离大小不同的分子或粒子；n 依靠薄膜的离子结构分离性质不同的离子，如阳离子交换膜、阴离子交换膜；依靠薄膜的离子结构分离性质不同的离子，如阳离子交换膜、阴离子交换膜；n 依靠薄膜的有选择的溶解性分离某些物质，如醋酸纤维膜有溶解某些液体和气体的性能，依靠薄膜的有选择的溶解性分离某些物质，如醋酸纤维膜有溶解某些液体和气体的性能，而是这些物质透过薄膜。而是这些物质透过薄膜

21、。 14.1 渗析法 14.2 电渗析法一、原理一、原理 14.2 电渗析法二、应用二、应用 14.2 电渗析法电渗析法回收酸洗废水中的硫酸和铁电渗析法回收酸洗废水中的硫酸和铁阳极反应：阳极反应：阴极反应：阴极反应： 14.2 电渗析法 14.2 电渗析法三、电渗析器的结构三、电渗析器的结构 14.2 电渗析法四、影响电渗析操作的主要问题四、影响电渗析操作的主要问题1、浓差极化、浓差极化 当电流强度提高到一定程度以后，淡水侧的边界层中会当电流强度提高到一定程度以后，淡水侧的边界层中会出现水分子的电离，产生出现水分子的电离，产生H+和和OH-，参与传导电流，以补，参与传导电流，以补充离子的不足。

22、这种情况称为充离子的不足。这种情况称为浓差极化浓差极化。 由于浓差极化，使电渗析运行电耗增加，膜寿命缩短，由于浓差极化，使电渗析运行电耗增加，膜寿命缩短，并容易结垢沉积，堵塞水流通道。并容易结垢沉积，堵塞水流通道。 防止浓差极化、消除沉积的措施有：防止浓差极化、消除沉积的措施有：（1）控制操作的极限电流，在极限电流密度的）控制操作的极限电流，在极限电流密度的7090%状况下运行；状况下运行；（2）倒换电极；）倒换电极；（3）增加水流速度，是膜边界层变薄；）增加水流速度，是膜边界层变薄；（4）定期酸洗）定期酸洗2、腐蚀、腐蚀 在阳极发生氧化反应，生成大量在阳极发生氧化反应，生成大量O2和和Cl2

23、，具有强烈腐蚀性。所以要用抗腐蚀电极和膜，或，具有强烈腐蚀性。所以要用抗腐蚀电极和膜，或加大极区水流速度，使电极反应产物被迅速带走。加大极区水流速度，使电极反应产物被迅速带走。 14.3 反渗透法一、反渗透原理一、反渗透原理1、渗透和反渗透、渗透和反渗透 14.3 反渗透法2、渗透压、渗透压任何溶液都有渗透压，其值为任何溶液都有渗透压，其值为i范特霍夫系数；对电解质溶液，范特霍夫系数；对电解质溶液，i等于离解等于离解的阴阳离子总数；对非电解质溶液，的阴阳离子总数；对非电解质溶液，i=1膜单位面积水通量膜单位面积水通量 14.3 反渗透法膜单位面积盐通量膜单位面积盐通量膜的除盐率膜的除盐率 14

24、.3 反渗透法二、反渗透膜二、反渗透膜 14.3 反渗透法二、反渗透膜二、反渗透膜醋酸纤维素膜的结构和性能醋酸纤维素膜的结构和性能 14.3 反渗透法二、反渗透膜二、反渗透膜醋酸纤维素膜的结构和性能醋酸纤维素膜的结构和性能反渗透膜透过机理反渗透膜透过机理（1）氢键理论）氢键理论（2）优先吸附）优先吸附-毛细管流理论毛细管流理论14.3 反渗透法二、反渗透装置二、反渗透装置 1、管式装置、管式装置 管式装置水力条件好，适当调节水流状态可防止浓差极化和膜污染，能够处理含悬管式装置水力条件好，适当调节水流状态可防止浓差极化和膜污染，能够处理含悬浮固体的溶液，但单位体积中膜面积小，制造和安装费用较高。浮固体的溶液，但单位体积中膜面积小，制造和安装费用较高。14.3 反渗透法2、螺旋卷式装置、螺旋卷式装置 螺旋卷式装置单位体积的膜表面积较大，透水量大。紊流效果好，不易产生浓差极螺旋卷式装置单位体积的膜表面积较大