水处理I-第四章：水的物化处理

第四章污水的物化处理4.1热过程法

4.2吹脱和汽提4.3吸附法4.4膜分离法4.5离子交换法4.6萃取法§4.1热过程法（1）定义：依热量转移来实现处理目的的方法；（2）分类：蒸发、冷冻、及结晶；A、蒸发：加热废水，使水分子汽化逸出，从而达到制取纯水和浓缩废水中的溶质的目的。B、冷冻：将水温降到冰点以下，使水分子结成冰晶，然后分离冰晶与浓缩液；C、结晶：通过蒸发浓缩或者降温，使废水中具有结晶性能的溶质达到过饱和状态；从而将多余的溶质结晶出来。

蒸发、冷冻、结晶：分离和浓缩溶质；§4.1.1蒸发法一、基本原理（1）汽化：水分子逸入大气，变成蒸气的过程；◆蒸发汽化：沸点以下进行的表面汽化；◆沸腾汽化：沸点时发生的内部汽化过程；（2）蒸发过程的物料衡算：A、一次蒸气：用于加热废水，使之沸腾蒸发的蒸气；B、二次蒸气：废水在蒸发器内沸腾蒸发，逸出蒸气；C、蒸发前后溶质量不变；G1B1=G2B2+G3B3=G2B2+（G1-G2）B3●浓缩后的溶质浓度： B3=（G1B1-G2B2）/G3；●蒸发浓缩倍数：●去除效率：G-水量；B-溶质的浓度；二、蒸发工艺（1）单效蒸发工艺系统定义：二次蒸气冷凝后排出，不再利用（2）多效蒸发工艺系统A、定义：多次利用二次蒸气进行蒸发的工艺；B、条件：前一级产生的二次蒸气的温度必须高于后一级的废水沸腾温度；C、类型：并联式、顺流串联式、逆流串联式；三、蒸发法处理废水的应用（1）浓缩放射性废水：蒸发浓缩后，浓缩液密闭固封，让其自然衰变；（2）浓缩高浓度有机废水；蒸发浓缩后，综合利用或焚烧处理；（3）浓缩和回收废酸、废碱液；

§4.1.2结晶法（1）定义：通过蒸发浓缩或降温冷却，使溶液达到饱和，让多余的溶质结晶析出，加以回收利用；（2）结晶条件：过饱和状态——改变温度、移去部分溶剂（3）物质的溶解度及溶解曲线；◆物质的溶解度随温度升高而增大；KNO3、NaNO3◆物质的溶解度曲线有折点；Na2SO4·10H2O◆物质的溶解度受温度影响很小；NaCl（4）晶体过程的控制◆晶核的形成；◆晶核的长大；晶核的形成速率晶体的成长速率，晶粒小而多；晶核的形成速率晶体的成长速率，晶粒大而少；§4.1.3冷冻法（1）目的

◆浓缩高浓度有机或无机废液；

◆从废水中制取脱盐的高品质用水；（2）工艺过程◆冻结；◆固液分离；◆洗涤与融化；（3）流程及方法◆流程：

§4.2吹脱和汽提§4.2.1概述（1）分离实质：气—液相转移分离；（2）分离过程：气体（载气）废水溶解气体或易挥发溶质气液界面气相实现污染物的去除（3）载气类型A、吹脱：空气（伴随充氧和化学氧化作用）B、汽提：水蒸汽§4.2.2吹脱法（溶解气体和挥发性有机物）（1）气液相平衡理论◆亨利定律：P*=E·Xi(平衡状态)；（2）传质速度

当P<P*由液相向气相传质；当P>P*由气相向液相传质；◆提高传质速度的方法：①提高水温；②使用新鲜空气或负压操作；③增大气液接触面积；④增大接触时间；（3）吹脱设备A、吹脱池（曝气池）◆自然吹脱池：◆强化吹脱：◆吹脱效果：①吹脱时间②水层高度③接触面积◆适用条件：①溶解气体极易挥发；②水温较高；③风速较大；④有开阔地段，不产生二次污染的场合；B、吹脱塔◆功能：

提高吹脱效率，回收有用气体；

防止二次污染；◆类型：填料塔、板式塔；

板式塔的主要特征：

（4）吹脱气体量：Q—废水流量，m3／h；c0—原水中的气体浓度，mg／L；

c—出水中的气体浓度，mg／L；（5）吹脱影响因素：◆温度：升温对吹脱有利

◆气水比：工程上常采用80％作为设计气水比◆pH值：pH值5678910游离H2S，%10095641520游离HCN，%99.799.393.358.112.2游离H2S和HCN与pH的关系§4.2.3汽提法（1）去除对象：脱除挥发性溶解物质：酚、甲醛、苯胺、硫化氢（2）分离过程：◆废水与水蒸气直接接触；◆水中挥发性物质扩散到气相中；◆实现废水中污染物的分离；（3）含酚废水的处理 上段：汽提段A、汽提塔下段：再生段B、流程◆汽提段：脱除废水中酚◆再生段：用碱液从蒸汽中吸收酚（4）含硫废水的处理§4.3吸附法(Absorption)§4.3.1概述（1）定义：利用多孔性的固体物质，水废水中的一种或多种物质被吸附在固体表面而去除的方法：（2）吸附对象：

溶解性有机质

微生物

痕量重金属（3）吸附类型：物理吸附和化学吸附主要特征物理吸附化学吸附吸附力选择性吸附热吸附速度吸附层可逆性分子间力不明显较小<41.9kJ.mol-1速度快且易于平衡单分子或多分子可逆化学键力很明显较大，近于反应热83.7-418.7kJ.mol-1速度慢且难于平衡只能是单分子不可逆吸附特征对比表（4）吸附剂A、要求◆表面积大；◆吸附容量大；◆机械强度大；◆化学稳定性强；◆价格低廉；◆来源广泛；B、类型活性炭硅藻土磺化煤活化煤腐殖质酸焦炭活性白土C、吸附机理◆细孔构造（小、中、大孔）；◆化学不饱和性（石墨型晶体）；§4.3.2吸附平衡与吸附速度（1）吸附平衡

吸附过程：吸附质被吸附剂吸附；

解吸过程：吸附质脱离吸附剂表面回到液相中；

吸附平衡：吸附速度＝解吸速度；

平衡浓度：吸附平衡时吸附质在溶液中残余浓度；

吸附量：单位重量吸附剂所吸附的吸附质的量；式中：q—单位重量吸附剂所吸附物质量，g/g;V—废水体积，L；x—被吸附量，g；m—投加吸附剂(活性炭)量，g；C0—吸附前污水中吸附质质浓度，g/L;C—吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度，g/L;【例题分析】例4-1用活性炭吸附水中色素试验方程式为：q=3.9C0.5，今有100L溶液，色素浓度为0.05g/L，欲将色素除去90%，需加多少活性炭？解：平衡时的C=0.05×(1-90%)=0.005(g/L)故q=3.9×0.0050.5=0.276(g/g)由

得：

（2）吸附等温线（吸附量与平衡浓度关系曲线）A、Freurldlich型1/n=0.1-0.5易吸附1/n>2难吸附qC吸附等温线B、Langmuir型：◆适用条件：单分子层吸附式中：q—吸附量；C—吸附质平衡浓度；a、b—分别为与吸附量，吸附能量有关的常数；

◆当液相浓度很低时，即b·C〈〈1则q=abC；◆当液相浓度很高时，即b·C〉〉1则q=a吸附等温线qCaC、BET型（Brunauer-Emmett-Teller）

◆适用条件：多分子层吸附；式中：

Cs—吸附质的饱和浓度；C—吸附质的平衡浓度；q0—分别表示单分子层吸附时的最大吸附量；B—与吸附能量有关的常数；qCCS吸附等温线（3）吸附速度◆吸附速度接触时间吸附设备容积

◆吸附速度取决于吸附剂对吸附质的吸附过程:

◆吸附过程:

颗粒的外部扩散阶段（慢）；颗粒的内部扩散阶段（慢）；吸附反应阶段(快)；(细孔内表面)（4）影响吸附的因素

吸附剂的性质吸附剂的比表面积；吸附剂的种类；吸附剂的颗粒大小、细孔构造和分布、表面化学性质；吸附质的性质溶解度（低有利于吸附）

表面自由能

极性吸附质分子的大小和不饱和度；吸附质的浓度；废水的pH值共存物质温度：升高温度，吸附量减少；接触时间（5）活性炭柱吸附操作

A、吸附操作◆静态：小水量、间歇排放；◆动态：连续操作；B、吸附床◆固定床：升流式、降流式；升流式：运行时间长，易流失吸附剂；降流式：出水水质好，水头损失大，需反冲洗;

◆移动床：优点：占地面积小，出水水质好，不需要反冲洗；缺点：不能使塔内吸附剂上下层互混，操作要求较高，◆流化床特点：

吸附剂保持流化状态，与水的接触面积增大；

设备小、生产能力大、基建费用低；

不需要反冲洗；C、穿透曲线（如图）(BreakthroughCurves)aba-穿透点b-吸附终点c0ca=(0.050.1)c0cb=(0.900.95)c0D、吸附容量的利用1)采用多床串联操作

2)采用升流式移动操作（6）吸附剂的再生◆加热再生法：低温再生:吸附碳氢和芳香化合物的活性碳再生;高温再生:适于粒状活性碳的再生;____脱水、干燥、炭化、活化、冷却；◆药剂再生法：无机药剂再生、有机溶剂再生；◆化学氧化法：湿式氧化、电解氧化、臭氧氧化；◆生物法；（7）吸附法的优点◆处理程度高；◆应用范围广；◆适应性强；◆吸附剂可再生重复利用；◆可回收有用物质；◆设备紧凑，管理方便；（8）吸附法在废水处理中的应用

染料化工废水的处理

调节池冷却沉降结晶废水池固定床吸附塔石灰石膨胀中和滤池 图二硝基氯苯废水处理工艺流程二硝基氯苯铁路货车洗刷废水处理§4.4离子交换法(IonExchange)§4.4.1概述◆处理对象：去除废水中有毒有害的离子；

◆离子交换树脂：空间网状结构骨架和附属在骨架上活性基团所构成的高分子化合物；RSO3-H+网状结构骨架活性基团固定部分活性基团可交换部分RCH3N+(CH3)3OH-◆交换反应：

强酸性阳离子交换剂(Strong-acidcationresins)

弱酸性阳离子交换剂(Weak-acidcationresins)强碱性阴离子交换剂(Strong-baseanionresins)

弱碱性阴离子交换剂(Weak-baseanionresins)◆交换过程

外扩散（慢）；内扩散（慢）；进行离子交换反应（快）；内扩散；外扩散；§4.4.2离子交换法基本原理RH+M+=RM+H+交换交换饱和树脂离子树脂平衡状态时有：

K越大表示树脂对该离子的交换能力越强；§4.4.3离子交换剂§4.4.3.1离子交换剂分类离子交换剂有机类无机类天然沸石合成沸石天然合成强酸阳离子交换树脂RSO3H

弱酸阳离子交换树脂RCOOH强碱阴离子交换树脂R-R3’NOH弱碱阴离子交换树脂R-NH3OH§4.4.3.2离子交换剂的交换能力影响因素（1）离子交换树脂的选择性1）强酸阳树脂的选择顺序：

Fe3+>Cr3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH+4>Na+>Li+2）弱酸阳树脂的选择顺序：

Fe3+>Cr3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+=NH+4>Na+>Li+3）强碱阴树脂的选择顺序：

Cr2O72->SO42->NO3->Cl->F->HCO3->HSiO3-

4）弱碱阴树脂的选择顺序：

Cr2O72->SO42->NO3->Cl->HCO3-（2）废水水质对交换能力的影响1）悬浮物和油脂2）有机物3）高价金属离子4）pH值：弱酸、碱离子交换树脂5）水温：732#阳树脂<110C，717#阴树脂<60C,6）氧化剂：O2、Cl2、H2Cr2O7（3）离子交换树脂的物理化学特性A、物理性能◆外观：透明或半透明球体；◆粒度：0.3—1.2mm； ◆密度：1.04-1.3g／mL。◆含水率：50％左右；◆交联度：8％-12％；◆机械强度：年损耗量<3％—7%；◆耐热性：贮藏和使用温度为5-40℃。◆导电性：干树脂不导电，湿树脂可以导电；B、化学性能◆树脂的交联度：树脂合成时采用交联剂的用量◆树脂的酸碱性：树脂活性基团在水中可解离RSO3-H+RCH3N+(CH3)3OH-◆选择性：化合价、离子半径；◆交换容量（1）定义：指一定量树脂中所含交换基团或可交换离子的摩尔数，以每g干树脂的摩尔数表示；（2）分类：全交换容量(E全)、工作交还容量(E工)；E工=(60%70%)E全

§4.4.3.3离子交换树脂的保存和使用（1）保存：温度：0-400C，饱和食盐水；（2）使用：◆新树脂：水、5%HCl、2-4%NaOH清洗2次，每次4-8小时；◆转型处理：阳树脂（HCl）、阴树脂（NaOH）§4.4.3.4离子交换树脂的再生（1）再生方法◆用酸、碱再生；◆用中性盐再生；◆用络合剂（焦磷酸钾）洗脱再生；（2）再生工艺◆顺流再生：再生剂流向与交换时水流方向相同；◆逆流再生：再生剂流向与交换时水流方向相反；§4.4.4离子交换的工艺过程和设备(1)离子交换的工艺过程

交换阶段反冲洗阶段松动树脂层，使再生液能均匀渗入层中;冲走的破碎粒子和截留的污物;再生阶段清洗阶段洗涤残留的再生液和再生时出现的反应产物;(2)离子交换设备单床多床混合床移动床连续床流动床固定床动态法静态法离子交装置复床流动床：床内树脂呈流动状态，产水、再生、清洗都是连续进行；RNaCa(HCO3)2Mg(HCO3)2CaCl2MgCl2CaSO4MgSO4NaHCO3Na2SO4NaCI软化水单床系统示意图RNaRNa原水出水二级Na型离子交换系统示意图CFAF原水出水复床离子交换系统示意图CF阳离子树脂AF阴离子树脂CFAFLMCF-阳离子交换树脂；AF-阴离子交换树脂；LM-阴、阳离子交换树脂原水出水混合床离子交换系统§4.4.5离子交换在水处理中的应用(1)水的软化与除盐2RH+Ca(HCO3)2=R2Ca+2CO2+2H2O2RH+Mg(HCO3)2=R2Mg+2CO2+2H2O2RH+CaCl2=R2Ca+2HCl2RH+MgSO4=R2Mg+H2SO4Ca2+R2CaRH+Mg2+=R2Mg+H+Na+RNa2ROH+SO42-=R2SO4+2OH-ROH+Cl-=RCl+OH-（2）离子交换处理含铬废水(Cr3+、Cr2O72-、CrO42-)；

◆三价铬的交换（阳柱）3RH+Cr3+=R3Cr+3H+

◆六价铬的交换（阴柱）2ROH+CrO42-=R2CrO4+2OH-

2ROH+Cr2O72-=R2Cr2O7+2OH-◆阳柱、阴柱的再生2R3Cr+3H2SO4=6RH+Cr2(SO4)3R2CrO4+2NaOH=2ROH+Na2CrO4R2Cr2O7+4NaOH=2ROH+2Na2Cr2O7+H2O◆工艺流程阳离子交换柱（氢型）阴离子交换柱（氢氧型）阳离子交换柱（氢型）电镀废水Mn+和CrO42-Cr2O72-Cr2O72-H2SO4M2(SO4)n再生废液Cr2O72-净化水(回用)再生液NaOHNa2CrO4Na2SO4H2SO4回收铬酸离子交换法处理含铬废水（3）离子交换处理含汞废水；

聚硫代苯乙烯阳离子交换树脂对Hg2+、CH3Hg+用盐酸再生；

（4）离子交换处理含锌废水；

6RSO3Na+ZnSO4=(RSO3)2Zn+Na2SO4（交换）(RSO3)2Zn+Na2SO4=2RSO3Na+ZnSO4（再生）§4.5膜分离法(MembraneSeparationProcessses)§4.5.1概述（1）定义：利用隔膜使溶剂同溶质或微粒分离的方法；（2）类型电渗析扩散渗析反渗透超滤、微滤液膜分离（3）特点：◆膜分离过程不发生相变；◆膜分离过程在常温下进行；◆分离过程中不需要投加其他物质；◆装置简单，操作容易，易控制、维修；◆分离效率高；§4.5.2电渗析（Electro-dialysis）（1）电渗析原理与过程◆定义：在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性（即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。★推动力：电位差；★传递机理：电解质离子选择性透过；★透过物及大小：溶解性无机物，0.0004-0.1m；（2）离子交换膜的分类I按膜体结构分A、异相膜：离子交换剂和粘合剂混合加工而成的薄膜，

化学结构不连续；◆优点：制造容易、机械强度较高；◆缺点：选择性差、膜电阻大；B、均相膜：具离子交换基团的高分子材料制成或在高分子膜上接上活性基团而制成的膜；C、半均相膜：成膜材料与活性基团混合得十分均匀，但没有化学结合；◆优点：制造方便、电化学性能较好；◆缺点：长期使用，活性基团可能从膜材料上脱落；II按活性基团分A、阳离子交换膜；B、阴离子交换膜；C、特种膜

◆两极膜：阴、阳膜贴在一起复合而得◆两性膜：阴、阳离子活性基团同时存在，分布均匀III按材料性质分A、有机离子交换膜（聚乙烯、聚氯乙烯）B、无机离子交换膜（磷酸钙）（3）离子交换膜的必备条件

◆高的离子选择透过性；

◆高的交换容量；

◆低的电阻和渗水性；◆足够的化学和机械稳定性；（4）离子交换膜的性能

◆交换容量◆含水量：30-50%◆破裂强度：0.3-1.0MPa◆厚度：异相膜（1mm），均相膜（0.2-0.6mm）◆导电性：干膜不导电；◆离子的选择透过性和膜电位；（5）离子交换膜的选择透过机理A、双电层理论RCH3N+(CH3)3OH-固定基团解离离子磺酸型阳膜RSO3-

H+固定基团解离离子季胺型阴膜◆阳膜固定基团带负电，只允许阳离子靠近和穿透膜；◆阴膜固定基团带正电，只允许阴离子靠近和穿透膜；B、Donnan膜平衡理论NaCl（II）=NaCl（I）（化学平衡）[Na+](I)·[Cl-](I)=[Na+](II)·[Cl-](II)电中性原则：[Na+](II)=[Cl-](II)

[Na+](I)=[Cl-](I)+[RSO3-](I)根据以上三式得：[Cl-]2(II)=[Cl-]2(I)+[Cl-](I)[RSO3-](I)

[Na+]2(II)=[Na+]2(I)-[Na+](I)[RSO3-](I)

[Cl-](II)>[Cl-](I)

[Na+](II)<[Na+](I)

阳离子膜的选择透过性！Na+RSO3-Na+CI-（I）（II）膜相液相磺酸钠型阳膜（6）电渗析器的构造A、主要部件◆离子交换膜◆隔板◆电极：石墨和金属◆夹紧装置B、组装：一级一段、两级一段、一级两段、两级两段；（7）工艺流程A、电渗析器本体的脱盐系统：◆直流式、循环式、部分循环式B、电渗析与其他设备组合工艺系统：①原水→预处理→电渗析→除盐水②原水→预处理→电渗析→消毒→除盐水③原水→预处理→软化→电渗析→除盐水④原水→预处理→电渗析→离子交换→纯水或高纯水（8）应用◆海水淡化（或含盐废水的浓缩）◆废水处理§4.5.3扩散渗析(Diffusedialysis)（1）定义：使高浓度溶液中的溶质透过膜向低浓度溶液中迁移的过程；（2）作用机制：溶质扩散；（3）透过物及大小：低分子物质、离子(0.0004-0.15m)（4）扩散渗析应用§4.5.4反渗透(Reverseosmosis)（1）渗透现象与渗透压◆水分子由纯水一侧通过膜向咸水一侧透过；

原因：纯水的化学位高于咸水中水的化学位；

=0+RTlnx◆渗透压

=iCRT—溶液的渗透压，Pa；R—理想气体常数，8.314;T—绝对温度；Ki—系数（强电解质=阴、阳离子总数，非电解质=1）C—溶质的浓度，mol/m3；（2）反渗透分离原理A、推动力：压力差；B、分离机理：溶剂的扩散（如图）

纯水咸水半透膜P(P>

)反渗透

（3）反渗透器类型A、板式（承压板、透水板、膜）B、管式（膜衬在耐压微孔管内壁）C、卷式D、中空纤维式（4）膜的清洗水力清洗水气混合冲洗逆流清洗等

氢氧化铁—柠檬酸铵乳化油废水—表面活性剂

物理法化学法§4.5.5超滤（Ultrafiltration）（1）分离对象：大分子（M>500D=0.005-10m）微粒（细菌、病毒、蛋白质等）（2）推动力：压力差（0.1～0.5MPa）（3）分离机理：筛滤及表面作用；◆膜表面孔径机械筛分作用（主要作用）；◆膜孔阻塞、阻滞作用；◆膜孔对杂质的吸附作用；（4）超滤膜的种类及组件：◆醋酸纤维素超滤膜◆聚砜超滤膜（PS）◆组件：板式、管式、卷式、中空纤维式（5）超滤在环境保护中的应用A、超滤法处理染色废水；B、超滤法处理含油废水；还原蒸箱储液池溢流废水氧化槽超滤器加压废水循环液染料研磨拼、配色轧槽染料废水处理工艺流程预处理储存槽乳化油废水UF超滤液UF浓缩液中间槽RORO浓缩液反渗透超滤处理乳化油废水工艺出水方法推动力传递机理透过物截留物膜类型电渗析电位差离子选择性透过溶解性无机物0.0004-0.1um非电解质大分子离子交换膜反渗透压力差溶剂的扩散水、溶剂0.0004-0.06um溶质、盐(SS