第16章污水的化学与物理化学处理第一节中和法第二节化学混凝法第三节化学沉淀法第四节氧化还原法本章主要内容目录第七节萃取法第五节吸附法第六节离子交换法第八节膜析法第九节超临界处理法第16章污水的化学与物理化学处理§16.1 中和法§16.1中和法1．药剂中和法 中和酸性废水常用的药剂: 石灰、电石渣、石灰石等，有时用苛性钠和碳酸钠。
药剂的投加量: 可按化学反应式进行估算。
或通过试验确定。
例如：碱性药剂的用量可按下式计算：G = (K/ P) (q v ρ1α1+ q v ρ2α2)式中：q v —废水流量，m 3/d ；ρ1—废水含酸量，kg/m 3；α1—中和1kg 酸所需的碱性药剂，kg ；α2—中和1 kg 酸性盐类所需的碱性药剂，kg ；ρ2—废水中需中和的酸性盐类量，kg/m 3；K—考虑部分药剂不能完全参加反应的加大系数。
用石灰湿投时，K 取1.05～1.10；P—药剂的有效成分含量。
一般生石灰含CaO 60％～80％，熟石灰含Ca(OH)265％～75％，电石渣含CaO 60％～70％。
石灰常用熟石灰，配成石灰乳液，浓度在10％左右，反应在池中进行。
石灰投药中和法流程:如图16-10所示。
1．药剂中和法1．药剂中和法石灰乳配制：浓度10% 采用图16-11的系统。
两者共同特点：石灰乳槽均装有搅拌设备。
混合：废水与药剂可用隔板构成狭道或用搅拌机械混合。
中和时间采用5～20min 。
运行方式:当废水量少，废水间断产生时采用间歇式运行。
设置2个池子，交替工作。
当废水量大时，用连续处理。
2．过滤中和法2．过滤中和法中和滤料：石灰石CaCO3、白云石CaCO3·MgCO3粗粒。
石灰石作滤料时，废水中硫酸浓度一般< 2g/L。
否则废水予以稀释。
升流式膨胀中和滤池构造：如图16-12。
当粒料的粒径较细(<3mm )，废水上升滤速较高(50～70m/h)时，滤床膨胀，粒料相互碰撞摩擦，有助于防止结壳。
采用升流式膨胀滤池，可改善硫酸废水的中和过滤。
滤池常采用大阻力配水系统，直径一般不大于1.5～2.0m。
3、接触中和法3、接触中和法接触中和反应器构造：用烟道气中和碱性废水时，常以滤床为反应器进行中和。
(见图16-13)中和原理：烟道气含有CO 2和少量的SO 2、H 2S 等酸性气体，来中和废水中的碱。
运行过程：碱性废水从塔顶用布液器喷出，流向填料床，烟道气则自塔底进入，升入填料床。
水、气在填料床接触过程中，废水和烟道气都得到了净化，使废水中和，烟尘消除。
缺点：出水的硫化物、耗氧量和色度都有显著增加。
§16.2化学混凝法§16.2化学混凝法定义：利用混凝剂去除污水中微小悬浮物和胶体物质的方法。
一、混凝原理水中微小悬浮物和胶体，能在水中长期保持分散悬浮状态，说明胶体微粒及细微悬浮颗粒具有一定的“稳定性”。
1．胶体的稳定性根据研究，胶体微粒通常是带有电荷的。
如：天然水中的粘土类胶体微粒污水中的胶态蛋白质和淀粉微粒等胶体微粒结构（示意图见图16-1）一、混凝原理体的中心称为胶核。
它由数百乃至数千个分散相固体物质组成。
在胶核表面吸附了一层带同号电荷的离子，这一离子层称为电位离子层。
它决定了胶粒电荷的大小和符号。
为维持胶体粒子的电中性，在电位离子层外吸附了一层电性相反的离子，称为反离子层。
反离子层的电量与电位离子层的总电量相同。
反离子层吸附层：随胶核一起运动的反离子层；扩散层：不随胶核一起运动的反离子层。
吸附层和扩散层就形成了胶体的“双电层”。
吸附层与扩散层之间的交界面称为滑动面。
滑动面以内的部分称为胶粒，胶粒与扩散层之间的电位差，称为电动电位（ξ电位）。
胶核表面的电位离子与溶液之间的电位差称为总电位（φ电位）。
1、胶体的稳定性胶粒的特性：①胶粒带电胶粒之间产生静电斥力②在水中作不规则布朗运动；③胶粒之间存在着范德华引力范德华引力的大小与胶粒间距的2次方成反比，当间距较大时，此引力可忽略不计。
胶体颗粒在水中稳定存在的原因：①胶体颗粒带电，相互间存在着斥力ξ电位愈高，距离愈近，斥力愈大。
因布朗运动的动能不足以将两颗胶粒推近到范德华引力发挥作用的距离。
因此，胶体微粒不能相互聚集而长期保持稳定的分散状态。
②胶体微粒的水化作用由于胶粒带电，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。
如果胶粒的ξ电位消除或减弱，水化膜也就随之消失或减弱。
2．混凝原理(1)压缩双电层作用2．混凝原理(1) 压缩双电层作用在污水中投入铁盐或铝盐等混凝剂后，混凝剂提供的大量正离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层。
因为胶核表面的总电位不变，增加扩散层及吸附层中的正离子浓度，就使扩散层减薄被压缩，ξ电位就会降低。
当吸附层以致扩散层完全消失时，ξ电位为零，称为等电状态。
在等电状态下，胶粒间静电斥力消失，胶粒最易发生聚结。
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ξ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。
(2) 吸附架桥作用(2) 吸附架桥作用三价铝盐或铁盐以及其他有机高分子混凝剂溶于水后，经水解和缩聚反应可形成具有线性结构的高分子聚合物。
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，使颗粒逐渐聚结增大，形成肉眼可见的粗大絮凝体。
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。
(3)网捕（卷扫）作用(3)网捕（卷扫）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，使胶体粘结变大而沉淀。
上述三种作用产生的微粒凝聚和絮凝总称为混凝。
对于不同类型的混凝剂，三种作用机理所起的作用程度并不相同。
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架桥作用以及网捕作用都具有重要作用。
以硫酸铝为例讨论混凝的过程以硫酸铝为例讨论混凝的过程(SO4)3·18H2O溶于水后，离解出A13+；并结合有6个配位水硫酸铝Al2O)6]3+。
水合铝离子进一步水解，形成单羟基分子，成为水合铝离子[Al(H2单核络合物：O+浓度或提高pH值，使反应趋向右方，而水上述反应中，降低水中H3合羟基络合物的电荷逐渐降低，最终生成中性氢氧化铝难溶沉淀物。
O)6]3+；当pH<4时，水解受到抑制，水中存在的主要是[Al(H2O)5]2+、[A1(OH) 2(H2O) 4]+及少当pH=4～5时，水中有[A1(OH)(H2[A1(OH) 3(H2O) 3]；(H2O) 3] 沉淀物。
当pH=7～8时，水中主要是[A1(OH)3以硫酸铝为例讨论混凝的过程 上述反应式有助于理解pH 值对铝离子水解的影响，但远不能反映铝离子在水中化学反应的全部过程。
在某一特定pH 值时，水解产物还有许多复杂的高聚物和络合物同时共存。
因为初步水解产物中的羟基OH –具有桥键性质。
在由[Al(H 2O)6] 3+转向[A1(OH)3(H 2O)3]的中间过程中，羟基可将单核络合物通过桥键缩聚成多核络合物，如：以硫酸铝为例讨论混凝的过程上述反应也可称为高分子缩聚反应。
pH 值低时，高电荷低聚合度的络合物占多数；pH 值高时，低电荷高聚合度的高聚物占多数。
从上面的化学反应过程可以看出：三价铝盐发挥混凝作用的是各种形态的水解聚合物。
带有正电荷的水解聚合物，同时起到压缩双电层的脱稳和吸附架桥作用。
因此，混凝剂投放水中后，应立即进行剧烈搅拌，使带电聚合物迅速均匀地与全部胶体杂质接触，使胶粒脱稳，随后，脱稳胶粒在相互凝聚的同时，靠聚合度不断增大的高聚物的吸附架桥作用，形成大的絮凝体后，搅拌速度要缓慢，以免打碎大的絮凝体，使混凝过程很好完成。
二、混凝剂和助凝剂1．混凝剂二、混凝剂和助凝剂1．混凝剂要求：混凝效果良好，对人体健康无害，价廉易得，使用方便。
(1)低分子混凝剂铝盐类粗制硫酸铝：Al 2O 3含量≥14.5％~16.5％，不溶杂质含量≤24％~30％，价格较低，但质量不稳定，不溶杂质较多，增加了排除废渣等方面的困难。
明矾：Al 2(SO 4)3·K 2SO 4·24H 2O ，Al 2O 3含量约10.6％，是天然矿物。
硫酸铝混凝效果较好，使用方便，但处理后的水质会有残余铝的离子的影响。
但水温低时，硫酸铝水解困难，形成的絮凝体较松散，效果不及铁盐。
铁盐类三氯化铁：褐色结晶体，极易溶解，形成的絮凝体较紧密，易沉淀；但腐蚀性强，易吸水潮解，不易保管。
硫酸亚铁：半透明绿色结晶体，二价铁离子的混凝作用不及三价铁盐，使用时应将二价铁氧化成三价铁。
同时，残留在水中的Fe 2+会使处理后的水带色，Fe 2+与水中某些有色物质作用后，会生成颜色更深的溶解物。
(1)低分子混凝剂(2)高分子混凝剂①无机高分子混凝剂品种：聚合铝；聚合铁 聚合氯化铝的混凝效果比硫酸铝好。
原因：聚合铝是在人工控制的条件下预先制成最优形态的聚合物，投入水中后可发挥优良的混凝作用。
特点：水质适应性较强；适用的pH 值范围较广；低温水处理效果也较好；形成的絮凝体粒大而重；投药量少（约为硫酸铝的1/2～1/3）。
②有机高分子混凝剂天然的有机高分子混凝剂使用较少。
目前主要使用人工合成有机高分子混凝剂。
这类混凝剂都具有巨大的线性分子。
我国当前使用较多的是人工合成的聚丙烯酰胺（PAM ）分子结构为：分子量高达150万~600万。
(2)高分子混凝剂阳离子型链节上可离解基团离解后带正电的；分类：阴离子型链节上可离解基团离解后带负电的；非离子型链节上不含可离解基团的；如：PAM 但PAM 可通过水解构成阴离子型，也可通过引入基团制成阳离子型。
特点：对水中胶体微粒有极强的吸附作用，混凝效果优异。
阴离子型高聚物，对负电胶体也有强的吸附作用；但对于未经脱稳的胶体，由于静电斥力有碍于吸附架桥作用，通常作助凝剂使用。
阳离子型的吸附作用尤其强烈，且在吸附的同时，对负电胶体有电中和的脱稳作用。
存在的问题：1、制造过程复杂，价格较贵；2、聚丙烯酰胺的单体—丙烯酰胺有一定的毒性。
因此它们的毒性问题引起人们的注意和研究。
2. 助凝剂2. 助凝剂定义：当单用混凝剂不能取得良好效果时，可投加某些辅助药剂以提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。
功能：1、用以调节或改善混凝的条件；例如：原水的碱度不足时可投加石灰或重碳酸钠等；采用硫酸亚铁作混凝剂时可加氯气将Fe 2+氧化成Fe 3+等2、用以改善絮凝体的结构。
