环境化学工程第2章物理处理方法课件

2废水的物理处理方法2.1格栅2.2沉沙池2.3沉淀2.4隔油2.5聚结除油2.6气浮法（浮选法）除油2.72.8过滤废水的物理处理方法沉淀：格栅，沉沙池，沉淀，隔油。聚结除油：除去小油滴。气浮：除去更小油滴。过滤：格栅，微孔过滤，膜过滤，深层过滤。萃取：去除有机物和重金属。污水汽提：除去氨、氮。2.3沉淀

2.3.1分离对象

既可分离废水中原有的悬浮固体（如泥砂、铁屑、焦粉等），又可分离在废水处理过程中生成的次生悬浮物固体，如化学絮凝体以及微生物絮凝体等。2.3.3应用特点

分离方法简单易行，分离效果好，而且分离悬浮物又往往是废水处理系统不可缺少的予处理或后续处理工序，因此应用十分广泛。2.3.3沉淀类型（1）

自由沉降自由沉降也叫离散沉降，是一种无絮凝倾向或弱絮凝倾向的固体颗粒在稀溶液中的沉降。由于悬浮固体浓度低，而且颗粒间不发生粘合，因此在沉降过程中颗粒的形状、粒径和比重都保持不变，各自独立的完成沉降过程。（2）

絮凝沉降絮凝沉降是一种絮凝性颗粒在稀悬浮液中的沉降。虽然废水中的悬浮固体浓度不变，但在沉降过程中各颗料之间能互相粘合成较大的絮体，因而颗粒的物理性质和沉降速度不断发生变化。（3）

成层沉降(集团沉降)当悬浮物浓度较高、颗粒彼此很近时，颗粒沉降受周围颗粒作用力干扰，但颗粒之间相对的位置不变，成为一个整体的覆盖层共同下沉。此时，水与颗粒群之间形成一个清晰的界面，沉降过程实际上就是这个界面的下沉过程。由于下沉的覆盖层必须把下面同体积的水置换出来，二者之间存在着相对运动，水对颗粒造成不可忽视的阻力，因此成层沉降又称为受阻沉降。（4）

压缩当废水中的悬浮固体浓度很高时，颗粒之间便互相接触，彼此支承。在上层颗粒重力的作用下，下层颗粒间隙中的水被挤压出界面，颗粒相对位置发生变化，颗粒群被压缩。聚结除油（乳化油的粗粒化）技术原理聚结除油技术（乳化油的粗粒化技术）原理聚结除油属粗粒化技术，将小油粒（粒径在1-30μm）聚结成大油粒。利用疏水亲油性材料作为介质，当含油废水通过这些介质时，废水中的细微油粒就会在介质表面逐渐聚结成大油滴。借助大油滴浮力及水流冲力迅速上浮至水面，达到油水分离的目的。粗粒化的机理极为复杂，与乳状液破乳、多孔物质的毛细现象、高分子材料的凝聚力、渗透现象、物理吸附等多种过程有关。此外，它还受到油水表面水合作用、双电层作用以及布朗运动、范德华力、固体表面张力等多种因素的支配。

目前，尚无数学模型定量描述粗粒化过程，但可将其合理简化，把它归纳为细微粒在粗粒介质上进行粘附、凝聚、脱落、上浮四个步骤分别进行定性讨论。粘附：据表面物理化学理论，油滴在不同固体表面上有不同的润湿作用，两相接触后体系能量降低的愈多，油滴在该固体表面上的润湿作用愈强，而粗粒化就是选择对油粒具有强润湿性能的亲油性材料作为粘附微细油滴的介质。对一种材料而言，粗粒化介质的表面积愈大，油粒接触介质几率愈大，被粘附的可能性就愈大。凝聚：如果粘附在粗粒化介质的油粒表面双电层受到削弱，油粒间的库仑斥力降低，则有利于油粒间的相互碰撞凝聚。脱落：随着上述两过程的进行，凝聚的油滴逐渐长大，当其大到一定程度时,其本身受到的浮力便大于它在介质表面的粘附力，或因受到水流冲力,使大油滴从介质表面脱落下来。2.6.1

气浮原理

利用高度分散的微小气泡作为载体去粘附废水中的污染物，使其随气泡升到水面加以去除。气浮分离的对象是乳化油以及疏水性细微固体悬浮物。实现气浮分离过程的必要条件是使污染物能够粘附在气泡上。涉及到气、液、固三相介质的问题，首先要研究表面张力和界面能问题。引用博士论文

若，则出现不平衡状态，流体j将会在土壤固相表面无限制地扩展开，这个现象引出了固体被液体湿润的概念。对于流体j来说，若θ<90°，则称该流体能湿润固体；若θ>90°，则称该流体为非湿润性流体。对于土壤中气-液(water)-液(NAPL)-固体系，绝大多数情况下水是优先湿润，而空气则为非湿润性流体。

在土壤中，残留水优先占据土壤微孔，而土壤空气则以连续相状态占据大孔隙，伸展性NAPL主要以薄膜形式存在于残留水表面上。但在本文研究体系中，若NAPL在土壤孔隙中的饱和度较高，如油品大量进入土壤中的情形，大孔隙中将出现“自由态”NAPL并占有较高比例。由于薄膜态和自由态两种状态的NAPL存在于土壤中不同类别的孔道内，它们在向气相主体的传质行为显然是有差异的。液体表面分子和内部分子的受力情况是不同的：内部分子所受的来自各个方向的引力是相等的，表面分子受到的液面上方气体分子的引力要比内部分子的引力小得多。这种不平衡的趋势将表面分子拉向液体内部，以缩小液体的表面积。使液体缩小表面积的力就是表面张力。表面能是储存在液面上的位能，同其它位能一样，也有减小到最小的趋势。所以水中的油滴都是球形，并且相互之间有着自然团聚的趋势，以达到表面积和表面能最小。实际上，任何两相之间都具有界面，当气泡和颗粒共存于水中，即液、气、颗粒三相介质共有的情况下，每两相之间的界面上都存在着各自的界面和界面能。界面能也有降低到最小的趋势。当废水中存在气泡时，悬浮颗粒就力图粘附在气泡上而降低其界面能。但是并非所有的颗粒都能粘附上去，它们能否与气泡粘附取决于水对该种颗粒的润湿度。被水润湿的物质称为亲水性物质；反之，难于被水润湿的物质称为疏水性物质。一般的规律是疏水性颗粒与气泡粘附，而亲水性颗粒难以与气泡粘附。乳化油属疏水性颗粒，其本身比重又小于1，因而特别适宜于用气浮法进行分离。2.6.2

影响气浮效果的因素在气浮过程中需要形成大量细微而均匀的气泡作为载体。因此气浮效果的好坏在很大程度上取决于水中空气的溶解量和饱和度，以及气泡的分散程度和稳定性。气泡量愈多分散度愈高，它们与污染粘附的机会也愈多。气泡应有一定程度的稳定性，但过于稳定的泡沫也难于运送和脱水，因而稳定时间以数分钟为宜。气泡的数量，大小及均匀性直接与溶气压力有关，压力愈高，空气在水中的溶解度也愈大，气泡分散度也愈高，愈均匀，空气的溶解度还与废水的加压时间有关，但提高溶气压力将使能耗增大，故应选择适当压力。2.6.3

气浮方法按气泡产生的方法不同，分为充气上浮，溶气气浮和电解气浮三种。（1）充气上浮采用扩散板或微孔管直接向气浮池中通入压缩空气，或借水泵吸水管吸入空气。形成的气泡直径大约为1000μm。借助水泵吸水管吸入空气。这种方法设备简单，但由于受水泵工作特性的限制，吸入空气量一般不能大于吸水量的10%（按体积计），并且形成的气泡粒度大，因而气浮效果不好。用这种方法处理通过隔油池后的石油废水，除油效果只有50－60％。（a）射流气浮采用以水带气射流器向水中充以空气，由喷嘴射出的高速水流使吸入室内形成真空，并从吸气管吸入空气，气水混合物在喉管内进行激烈的能量交换，空气被粉碎成细微的气泡，进入扩散后，动能转化成势能，进一步压缩气泡，增大了空气在水中的溶解度，随后进入气浮池射流器各部尺寸的最佳值一般需要通过实验确定，有的认为，当进口水压为3－5kg/cm2时；喉管直径d2与喷嘴直径d1的最佳比值为2.0－2.5。（b）扩散板（管）气浮将压缩空气通过微小孔隙的扩散板（管），形成小气泡进入水中。这种方法简易行，但孔隙易被堵塞，而且，气泡较大，效果不好，现在很少采用。（c）叶轮气浮叶轮作高速旋转时，盖板下方形成负压，空气从气管进入，废水由盖板上的圆孔进入，在叶轮的搅动下空气被粉碎成微小的气泡，并充分混合后一起导向叶片甩出，在经过整流板稳流后，在池体内垂直上升，进行气浮。形成的泡沫不断被缓慢转动的刮沫板刮出池外。这种方法用于处理水量不大，但污染物浓度高的废水，其除油效率一般在80%左右。(2)

溶气气浮

一定压力下把空气溶于水中并全饱和状态，然后使废水压力骤然降低，这时微小的气泡从水中折出并进行气浮。

用该法形成气泡直径不到100μm，且可人为控制大小，因而净化效果比充气气浮好，应用也更为广泛。

根据气泡从水中析出时的压力不同，溶气气浮大可分为两方式：一种是常压下或加压下溶于水中，而在负压下析出，称为真空溶气气浮，另一种是空气在加压下溶于水中，而在常压下析出，称为加压溶气气浮。后者广泛用于石油废水的处理，通常作为隔油后的补充处理和生化前的予处理。（3）电解气浮

废水电解时，由于水的电解及有机物的电解氧化，在电极上会有气体放出如Ｈ2，Ｏ2及ＣＯ2、Ｃl2等，借助于电极上析出的微小气泡浮上分离疏水性杂质微粒的技术，称为电解气浮。电解时，不仅有气泡浮上作用，而且还兼有凝聚，共沉、电化学氧化及电化学还原等作用。废水在直流电场作用下，水被电解，在阳极析出Ｏ2，而在阴极析出Ｈ2

电化学氧化时，有机物可产生CO2，氯化物可产生Cl2，电解产生的气泡粒径很小，Ｈ2气泡为10－30μm，Ｏ2气泡为20－60μm；而加压时产生的气泡粒径为100－150μm，机械搅拌时产生的气泡直径为800－1000μm，由此可见电解产生的气泡捕获杂质微粒的能力比后两者为高，出水水质较好。

电解槽的电极又中和了胶体的部分电荷，使胶体易于凝聚。同时，如采用铝板或钢板作阳极，则电解溶蚀产生Fe2+和Al3+离子，可进一步生成具有凝聚、吸附及共沉淀作用的多核羟基络合物和胶状氢氧化铁、氢氧化铝，当水中含有重金属离子时，生成金属氢氧化物，能与氢氧化铁，氢氧化铝形成凝聚共沉体，迅速被气泡吸附而予以浮上分离。进行电解气浮时，阳极还具有降低ＢＯＤ和ＣＯＤ、脱色、脱臭、消毒的能力，阴极有沉淀重金属离子的能力。

电解气浮的特点：电解气浮法具有去除污染范围广，泥渣量少，工艺简单，设备小等优点，主要缺点是耗电量大，若采用脉冲电流，电耗可大大降低,与其它方法配合使用将更经济。应用：电解气浮多用于去除细分散悬浮固体和油状物,如钢铁厂废水中悬浮固体(主要是Fe粉)、橄榄油。对于造纸厂废水，出水固体含量可降至30mg/l，若水中含有高岭土，投加30mg/l的Al2(SO4)3可改善去除效率。应用电解气浮法可从乳酪制造厂废水中回收蛋白质，采用50ppm的木质磺酸钠作凝聚剂，调pＨ值至4，可回收40%蛋白质和50%的脂肪。（1）气泡与絮粒的碰撞黏附作用：絮粒与微气泡带有一定增水性，表面积很大，有剩余自由能。他们都有相互吸附而降低各自表面能的倾向。当发生碰撞时，拉开外层水膜而靠近，通过范德华力而黏附。（2）絮粒的网捕、包卷和架桥作用：形成夹泡性带气絮粒（3）微小气泡与微絮粒之间的共聚作用（4）表面活性剂的参与作用：表面活性剂影响絮粒的增水性能及微气泡的大小、数量和牢度2.7离心分离2.7.1

理论基础物体作旋转运动时将产生离心力，用这一离心力分离废水中悬浮物的方法是离心分离法。转速一定下，离心力场内物质受到离心力的大小取决于质点的质量。当含悬浮物的废水作高速园周运动时，由于悬浮物的质量与水不同，它们受到的离心力也不相同，质量比水大的悬浮固体被甩到外围，而质量比水小的悬浮物（如乳化油）则被推向内层，这样，如果适当地安排悬浮物和水各自出口，就可以使悬浮物与水分离。在离心力场中，能够进行离心沉降和离心上浮两种操作。（1）水力旋流器（旋液分离器）

水力旋流器的离心力是由于废水在水泵压力或重力（靠进出水压力差）作用下，以切线方向进入设备造成运动而产生，它有压力和重力两种。2.7.2

离心分离设备压力式水力旋流器：压力式水力旋流器上部呈园桶形，下部为截头园锥体；待分离的含悬浮体的废水在水泵压力的作用下，以切线方向进入旋流器发生高速旋转；在离心力作用力下，固体颗粒被抛向器壁，并随旋流下降到锥形底部的出口；澄清后的废水或含有较细微粒的废水，形成螺旋上升的内层旋流，由上端中央溢流管排出；旋流器的中心部分上下贯通，形成空气旋涡柱，空气一般由下部进入，上部排出。使口流速在6－10m/s，为了使水流贴近器壁，进口做成压力式水力旋流器能分离出直径在5μm以上的颗粒。旋流器部分尺寸彼此之间相互关系很重要，如果相关尺寸不协调，则分离效果将受影响，水利旋流器的进水口一般做成收缩形，矩形。进水管一般稍加下倾3－5，压力式水力旋流器具有体积小，单位容积自理力高，构造简单，本身无活动部分，于安装和维修等优点，就以较广泛地应用于废水的澄清和浓缩处理，近等来还用于高浊度河水的予处理，以代替庞大的予沉淀池。水力旋流器的缺点是水泵和设备容磨损，设备费用高，动力消耗也较大。重力式水力旋流器：水流在重力水流旋流器内的旋转靠进出口来达到，废水以切线方向进入器内，造成旋流，在离心力和重力作用下，其中悬浮颗粒甩向器壁，并向器底水池集中，使的到净化。高能重力式旋器的沉淀池与一般沉淀池相比，占地面积小，基操作用省管理方便，待水旋流器相比，避免了水泵及设备磨损较大缺点，动力消耗小，缺点是沉淀池地大总分较大，在地不水位高，江河日下旺盛的地，施工较困难。（2）离心机常速离心机主要用于分离一般悬浮液和污泥脱水；高速离心机主要用于分离粒状和细粒子悬浮液；超高速离心机主要用于分离颗粒极细的乳化液，油类，离心机设备紧凑，效率高，但因为高速转，高备复杂，只适用于处理小批量的很难用一般过滤方法处理的废水。2.8过滤（1）

格栅格栅是去除废水水中漂浮物和悬浮颗粒的最简单而有效方法，格栅可分成两种类型。即固定格栅和活动，格栅。细格栅栅条间隔13－25mm，粗格栅条间隔一般为51－64mm，使用时可视废水中漂浮物大小来定。固定格栅一般由间隔的固定金属栅条构成，废水从间隙中流过栅条通常做成有一渐变的横断面，用最宽的一侧面对着废水流过，以防固体特技间隙中被卡住，并便于耙除截留物。根据截留物被耙除的方式不同，固定格栅又可分为手耙式和机械，耙除两，手耙式最简单，这旨将栅条安置成与60角，这样既增大了栅条被废水浸没的面积，又利于留物的耙除。机械耙除通常用电动机驱动，近年来也有用水力驱动的。活动格栅又可分为钢丝索格栅和轮格栅两种。钢丝索格栅是由一组在滚轮上转动的钢丝索套构成，废水众钢丝索面间流过，截留在钢丝索上的大颗粒固体随着钢丝索的转动筛滤室并在钢丝索回到筛滤室之前被刷除掉，这种格栅的优点是不用耙子，固体物不会长在格栅的间隙中。鼓轮格栅实际上是量种筛网过滤装置，它是由部分浸入筛滤室的旋转鼓轮构成，鼓轮绕水平轴旋转，周边被金属网覆盖，鼓轮的一端封闭，废水从另一端沿轴向进入鼓轮内，通过金属网过滤流出鼓外，截留在鼓内的悬浮物被转鼓带列上部时，被喷射出来的水反冲洗到排渣槽内排出。2.8过滤（2）

颗粒滤料过滤颗粒滤料过滤利用颗粒介质的物理截留，以及沉淀，吸附等作用来除去废水中细小的悬浮物，常用的过滤介质有石英砂、无烟煤和拓榴石等。颗粒滤料过滤的分类方法好几种，按操作方式分，可分为重力式和压力式两种，前者为敞开式，后者为密封式，采用压力过滤，按滤料组成分，可分为单层和多层式，前者是由一种滤料组成的过滤层；后者是由多种滤料组成的具有峡谷层以上的过滤层，一般由二或三层组成，按废水的流动方式分，可分为下流式，上流式和双流式。以防止活性炭或离子交换相脂堵塞，在炼油厂中，含油废水流程砂滤池处理以后，再进行活性炭吸附处理。废水由上而下通过滤料层，滤料层由具有过滤水效果的细砂层和在下部承托细砂层用的粗砂和砾石组成。滤池的下部是集水室，它的主要作用是收集滤过水以将其送到清水池，并在反冲洗期均匀分配冲洗水到过滤层。集水装置的形成有许多种，如滤头式，滤球式，穿孔管式和有孔砌块式等，滤池还没有反冲洗装置。影响过滤效率的主要因素有滤料粒径的大小及配置层序，滤料孔隙度大小，滤料厚度废水的浑浊和性质，过滤速度，终点水头损失以及出水水质的要求等，在滤池中只要滤料的粒径，配置层孔孔隙度和厚度，其它因素均可在过滤运行期间进行调整。当过滤进行到滤料间隙变截留和沉积的悬浮物堵塞时，过滤阻力增大，使滤难以继续进行。这时应暂时停止过滤，通过反冲洗使床更新，反冲洗水的流量，流速能使滤层体积膨胀至1.25－1.5倍。只有这样，才能保证滤料充分浮动，使悬浮物以通过滤料间隙，反冲洗新需的时间，水量和流速应根据污染物的性质，滤料的比重和粒径等确定。一般反冲洗时间5－8min，反冲洗速度是0.5－1.2m3/m2.min；反冲洗排水量一般是过滤水量的1－6％。混合滤料滤池的滤床采用三种或四种不同粒度和比重的滤料堆成，在水力作用下，它们能按不同比重和粒度而组成复合床层。这种混合的复合滤床在过滤的过程中，空隙很均匀地由大到小（普通滤床小到大）。这样就可以利用全部床层截留悬浮物质。从而增加滤床的截污量并提高滤池的效率，废水处理常用的三种滤料百无烟煤（比重见1.55）占55－60％，硅石砂（比重2.6）占25－30％，钛铁矿柘榴石（比重>4.0）占10－15％。上层是粗而比重小的无烟煤，常用的粒径是2。0mm；底层是细而比重在大的滤料，常用粒径0.2