水污染课件版 1谭江月

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环境与资源学院谭江月

污水的化学与物理化学处理中和法化学混凝法离子交换法膜析法

第一节中和法工业废水常为酸性或碱性，而排放要求：pH6~9。酸性和碱性废水的处理，常用的方法为中和法：用碱或碱性物质中和酸性废水时，把废水的pH值调升到7；用酸或酸性物质中和碱性废水时，把废水的pH值调低到7。如果同一工厂或相邻工厂同时有酸性和碱性废水，可先让两种废水相互中和，再用中和剂中和剩余的酸碱。

湿投加法

过滤法（中和剂能制成溶液或浆料）

（中和剂为粒料或块料）

中和法

一、湿投加法

投加法最常采用的药剂是石灰(CaO)、石灰石、白云石、电石渣等，有时也选用苛性钠和碳酸钠。

选择药剂时，不仅要考虑它本身的溶解性、反应速度、成本、使用方便等因素，而且还要考虑中和产物的性状、数量及处理费用等因素。湿投加中和法的一般工艺过程废水经预处理中和剂混合反应沉淀（澄清）出水污泥可分建也可合建湿投加中和法的优点是可处理任何浓度、任何性质的酸性废水；对水质、水量的波动适应性强；并且中和剂利用率高，中和过程容易调节。存在的缺点是劳动条件差，药剂配制及投加设备较多，基建投资大，泥渣多且脱水难。

二、过滤法

过滤中和法是选择滤料填充成一定形式的滤床，酸性废水流过此滤床即被中和。过滤中和法与投药中和法相比，具有操作方便，运行费用低及劳动条件好等优点，它产生的沉渣少．只有废水体积的0.1％，主要缺点是进水酸的浓度受到限制。

主要的碱性滤料有三种：石灰石、大理石、白云石。前两种的主要成分是CaCO3，后一种的主要成分是CaCO3•MgCO3。

过滤中和法的主要设备：升流式膨胀中和滤池喷淋塔酸性废水碱性废水

采用碳酸盐做中和滤料，均有CO2气体产生，它能附着在滤料表面，形成气体薄膜，阻碍反应的进行。酸的浓度愈大，产生的气体就愈多，阻碍作用也就越严重。采用升流过滤方式有利于消除气体的阻碍作用。滤料的选择和中和产物的溶解度有密切的关系。滤料的中和反应发生在颗粒表面上，如果中和产物的溶解度很小，就在滤料颗粒表面形成不溶性的硬壳，阻止中和反应的继续进行，使中和处理失败。各种酸在中和后形成的盐具有不同的溶解度，其顺序大致为：Ca(NO3)2、CaCl2＞MgSO4>CaSO4＞CaCO3、MgCO3。中和处理硝酸、盐酸时，滤料选用石灰石，大理石或白云石都行；中和处理碳酸时，含钙或镁的中和剂都不行，不宜采用过滤中和法；中和硫酸时，最好选用含镁的中和滤料(白云石)。

第二节化学混凝法

一、目标去除物1637年我国开始使用明矾净水1884年西方才开始使用水中微小悬浮物和胶体杂质。悬浮物粒径范围：1nm~0.1m

主要杂质：粘土、细菌、病毒、蛋白质和腐殖酸二、混凝法的用途

1、降低废水的浊度和色度

2、去除多种高分子有机物、某些重金属和放射性物质

3、改善污泥的脱水性能三、混凝过程涉及到三个方面的问题

1、水中胶体的性质

2、混凝剂在水中的水解与形态

3、胶体与混凝剂的相互作用水中胶体的性质

胶体具有稳定性：胶体颗粒保持分散的悬浮状态的特性。憎水性胶体亲水性胶体其稳定性可用双电层结构来说明（胶体带电相斥）其稳定性主要由于它所吸附的大量水分子所构成的水化膜来说明（水化膜的阻碍）

水中胶体胶体的双电层结构胶核电位离子

吸附层的厚度很薄，约2~3埃；扩散层很厚，可能是吸附层的几百倍厚。

电位离子反离子扩散层胶团边界滑动面胶粒吸附层胶核ξ电位Φ电位胶核胶粒在水中受几方面的影响：

1、带相同电荷的胶粒产生静电斥力，而且ξ电位愈高，胶粒间的静电斥力愈大；

2、微粒在水中作不规则的运动，即“布朗运动“；

3、胶粒之间还存在着相互引力——范德华引力。

一般水中的胶粒ξ电位较高。而布朗运动的动能不足以将两颗胶粒推近到使范德华引力发挥作用的距离。因此，胶体微粒不能相互聚结而长期保持稳定的分散状态。水化膜的阻碍

由于胶粒带电，将极性水分子吸引到它的周围形成一层水化膜。水化膜同样能阻止胶粒间相互接触。但因水化膜是伴随胶粒带电而产生的，如果胶粒的电位消除或减弱，水化膜也就随之消失或减弱。四、混凝原理

主要有四方面作用：

1、压缩双电层作用3、吸附架桥作用4、网捕作用2、吸附电中和作用压缩双电层作用

在水中投加电解质——混凝剂，由于混凝剂提供大量反离子，这些反离子会涌入扩散层甚至吸附层，大大降低ξ电位甚至使之消失（ξ电位等于零时称为等电状态）。ξ电位降低意味着胶粒间的静电斥力减小，当处于等电状态时，胶粒最易发生凝结。电位离子反离子扩散层胶团边界滑动面胶粒吸附层胶核ξ电位Φ电位

实际上，ξ电位只要降至某一程度而使胶粒间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就开始产生明显的聚结，这时的ξ电位称为临界电位。胶粒因电位降低或消除以致失去稳定性的过程，称为胶粒脱稳。脱稳的胶粒相互聚结，称为凝聚。

压缩双电层作用是阐明胶体凝聚的一个重要理论。它特别适用于无机盐混凝剂所提供的简单离子的情况。但该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以下两种现象：①混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；②与胶粒带异种电荷的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。吸附电中和作用

投加与胶粒异号的混凝剂，带入了大量的与胶粒异号的离子，而胶粒表面对异号离子有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了胶粒表面所带电荷，减少了静电斥力，降低了电位，使胶体的脱稳和凝聚易于发生。电位离子反离子扩散层胶团边界滑动面胶粒吸附层胶核ξ电位Φ电位吸附架桥作用

三价铝盐或铁盐以及其他高分子混凝剂溶于水后，经水解和缩聚反应形成高分子聚合物，具有线性结构。这类高分子物质可被胶体微粒所强烈吸附。因其线性长度较大．当它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐结大，形成肉眼可见的粗大絮凝体。这种由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的过程，称为絮凝。网捕作用

三价铝盐或铁盐等水解而生成沉淀物。这些沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体等微粒，使胶体粘结。

对高分子混凝剂特别是有机高分子混凝剂，吸附架桥可能起主要作用；对硫酸铝等无机混凝剂，压缩双电层作用和吸附电中和作用以及网捕作用都具有重要作用。

如何解释当废水浊度很低时有些混凝剂效果不好的现象？

用吸附架桥机理解释：废水中胶粒少，当聚合物伸展部分一端吸附一个胶粒后，另一端因粘连不着第二个胶粒，只能与原先的胶粒粘连，就不能起架桥作用，从而达不到混凝的效果。凝聚、絮凝和混凝这三个词常引起混淆：凝聚是指胶体被压缩双电层或发生吸附电中和而脱稳的过程；

絮凝则指胶体由于高分子聚合物的吸附架桥作用聚结成大粒絮体的过程；

混凝则包括凝聚与絮凝两种过程。五、混凝剂与助凝剂

混凝剂：一般把能起凝聚与絮凝作用的药剂统称为混凝剂。

助凝剂：当单用混凝剂不能取得良好效果时，可投加某类辅助药剂以提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。（1）混凝效果好；（2）对人体健康无害；（3）价廉易得；（4）使用方便。1、水处理对混凝剂的要求

目前常用的混凝剂按化学组成可分为无机盐类和有机高分子类。2、混凝剂的分类（PFS）（PFC）（1）三氯化铁3、常用的混凝剂

有无水物、结晶水物和液体，其中常用的是FeCl3·6H2O，极易溶于水。

优点：形成的矾花（絮体）沉降性好，处理低温水或低浊度水效果比铝盐好，适宜的pH值范围较宽；缺点：处理后的水的色度比铝盐的高，腐蚀性大。（2）硫酸亚铁

FeSO4·7H2O是半透明绿色晶体，易溶于水，在水温2O℃时溶解度为21％。硫酸亚铁离解出的Fe2＋只能生成最简单的单核络合物，因此，不如三价铁盐混凝效果好。（3）硫酸铝工业产品有精制和粗制两种。精制硫酸铝是白色结晶体。粗制硫酸铝的Al2O3含量不少于14.5％－16.5％，不溶杂质含量不大于24％－30％。

优点：价格较低，使用方便，混凝效果好。

缺点：当水温低时硫酸铝水解困难，形成的絮体较松散。由于杂质含量高，所以渣量大。（4）聚合氯化铝（PAC）

聚合氯化铝是一种高分子混凝剂，简称PAC。其化学式可写为[Al2(OH)nCl6-n]m，式中n可取1到5中间的任何整数，m为10的整数。

聚合氯化铝的优点：

1、应用范围广，对各种废水都可以获得较好的混凝效果。

2、易快速形成大的矾花，沉降性能好，投药量一般比硫酸铝低，过量投加时也不会象硫酸铝那样造成水浑浊。

3、适宜的pH值范围较宽(在5~9间)。

4、水温低时，仍可保持稳定的混凝效果。

5、其碱化度比其它铝盐、铁盐为高，因此药液对设备的侵蚀作用小。（5）聚丙烯酰胺（PAM）分子式：—CH2—CH—CONH2n

PAM产量占高分子混凝剂总产量的80％，PAM可单独作为混凝剂使用，也常作为助凝剂与其他混凝剂一起使用，可产生较好的混凝效果。聚丙烯酰胺的投加次序与废水水质有关。聚丙烯酰胺的使用

※当废水浊度低时，宜先投加其他混凝剂，再投加聚丙烯酰胺，使胶体颗粒先脱稳到一定程度，为聚丙烯酰胺的絮凝作用创造有利条件；

※当废水浊度高时，应先投加聚丙烯酰胺，再投加其它混凝剂，以让聚丙烯酰胺先在高浊度水中充分发挥作用，吸附部分胶粒，使浊度下降，其余胶粒由其它混凝剂脱稳，再由聚丙烯酰胺吸附，这样可以降低其它絮凝剂的用量。

（1）pH调整剂

常用的pH调整剂包括石灰、硫酸、氢氧化钠、碳酸钠等。主要包括：

4、助凝剂

（2）絮体结构改良剂如活性硅酸、粘土活化硅酸、骨胶、高分子絮凝剂等

（3）氧化剂

可投加氯气、次氯酸钠、臭氧等氧化剂来破坏有机物，以提高混凝效果。

2、混凝剂的影响

六、混凝的影响因素

3、水力条件的影响1、废水水质的影响

1、水温

水温会影响无机盐类的水解，水温低，水解反应慢。另外水温低，水的粘度增大，布朗运动减弱，混凝效果下降。废水水质的影响

2、pH值

在混凝过程中，都有一个相对最佳pH值存在，使混凝反应速度最快，絮体溶解度最小。不同混凝剂最佳pH值要通过试验确定。

3、共存杂质

有些杂质的存在能促进混凝过程。而有些物质则不利于混凝的进行。

1、混凝剂种类

如水中污染物主要呈胶体状态，且电位较高，则应先投加无机混凝剂使其脱稳凝聚，如絮体细小，还需投加高分子混凝剂或配合使用活性硅酸等助凝剂。很多情况下，将无机混凝剂与高分子混凝剂并用，可明显提高混凝效果，扩大应用范围。混凝剂的影响复配

2、混凝剂投加量对任何废水的混凝处理，都存在最佳混凝剂和最佳投药量的问题，应通过试验确定。

3、混凝剂投加顺序当使用多种混凝剂时，其最佳投加顺序可通过试验来确定。一般而言，当无机混凝剂与有机混凝剂复配使用时，先投加无机混凝剂，再投加有机混凝剂。但当处理的胶粒在50m以上时，常先投加有机混凝剂吸附架桥，再加无机混凝剂压缩扩散层而使胶体脱稳。

水力条件对混凝效果有重要影响。水力条件的影响两个主要的控制指标：搅拌强度和搅拌时间。

混合阶段：要求混凝剂与废水迅速均匀混合（快速搅拌），搅拌时间应在30s~2min。

反应阶段：既要创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件让絮体有足够的成长机会，又要防止生成的小絮体被打碎，因此搅拌强度要逐渐减小，而反应时间要长（15~30min)。

采用无机絮凝剂AlCl3与有机高分子絮凝剂CPF复配处理生活污水（COD：360mg/L）。关于混凝的问题分析

CPF的高分子链上带有正电荷，其化学结构为：

取1000ml污水样于1000ml烧杯中，在高转速（100~120r/min）搅拌下加入一定量的无机絮凝剂，搅拌1.5min后加入CPF絮凝剂，再搅拌1.5min后，降低转速至40r/min，搅拌5min后静置20min，取上层清液测定COD。CPF絮凝剂与AlCl3的投加量对处理效果的影响编号

CPF+AlCl3投加量（mg/L）COD/(mg/L)COD去除率/%

10.5+7100.472.120.8+1068.481.031.1+1337.189.741.4+1723.493.551.7+2013.396.362.0+2314.496.072.3+2617.395.282.6+2928.4