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工業廢水處理的基本方法――物理法(二)

文章出處:未知發表時間:2021-05-11 10:23:58

工業廢水處理的基本方法――物理法(二)

 
    工業廢水處理在基本方法,就是采用各種技術與手段,將廢水中所含的污染物質分離去除、回收利用,或將其轉化為無害物質,使水質得到凈化。
       現代廢水處理技術,按原理可分為物理處理法化學處理法生物化學處理法等。

物理處理
       廢水的物理處理一般是在常溫常壓條件下,采用物理或機械的方法,如水質水量的調節、篩濾、澄清、沉淀、氣浮等,對廢水進行預處理,除去廢水中的不溶解的懸浮固體(包括油膜、油品)和漂浮物,為二級處理做準備。物理處理方法的最大優點是因為在處理過程中不改變物質的化學性質,設備簡單,操作方便,運行費用低,分離效果良好,因此應用極為廣泛,但物理法的缺點是僅能去除水中的固體懸浮物和漂浮物,COD的去除率一般只有30%左右,對水中的溶解性雜質基本無法去除。
      根據物理作用的不同,物理處理法可分為采用格柵和篩網的預處理、澄清、沉淀、氣浮、過濾、吸附、膜分離、蒸發濃縮、結晶等。

4、過濾法
      過濾是以某種多孔物質為介質來處理懸浮液,在外力作用下,懸浮液中的液體通過介質的孔道,而固體顆粒被截留下來,從而實現固、液分離的一種操作。過濾操作所處理的懸浮液稱為濾漿,所用的多孔物質稱為過濾介質,通過介質孔道的液體稱為濾液,被截留的物質稱為濾餅或濾渣。

過濾的分類
      根據過濾的原理,水處理所涉及到的各項過濾技術可分成兩大類:表層過濾和深層過濾。

      表層過濾,有時也叫餅層過濾,其特點是固體顆粒呈現餅層狀沉積于過濾介質的上游一側,適用于處理固相含量稍高(固相體積分率約在1%以上)的懸浮液。表層過濾的顆粒去除機理是機械篩除,過濾介質按其孔徑大小對過濾液體的顆粒進行截留分離。這處按機械篩除機理工作的水處理設備通常稱為過濾機械,常用的有硅藻土預涂層過濾、污泥脫水機(真空過濾機、帶式壓濾機、板框壓濾機)、微濾機、各種膜分離技術(微濾、超濾、納濾、反滲透)等。
       深層過濾的特點是固體顆粒的沉積發生在較厚的粒狀過濾介質床層內部,其顆粒去除的主要機理是接觸凝聚,懸浮液中的顆粒直徑小于床層孔道直徑,當顆粒隨流體在床層內的曲折孔道穿過時與濾料顆粒進行接觸凝聚,水中顆粒附著在濾料顆粒上而被去除。這種過濾適用于懸浮液中顆粒甚小且含量甚微(固相體積分率在1%以下)的場合,例如,自來水廠里用很厚的石英砂作為過濾介質來實現水的凈化。

過濾在水處理中的應用
      過濾在給水處理和廢水處理過程中是一個不可或缺的環節。
      在給水處理中,過濾通常置于沉淀池或澄清池之后,是保證凈化水質的一個不可缺少的關鍵環節。濾池的進水濁度一般在10NTU以上,經過濾后的出水濁度可以降到小于1NTU,滿足飲用水標準。過濾的功效不僅在于進一步降低水的的濁度,而且水中的有機物、細菌及至病毒等也將隨水的濁度降低而被部分去除。
      在廢水處理中,過濾主要用于深度處理或再生處理,二級生物出水可經混凝沉淀后再進行過濾,以進一步去除殘存有機物、懸浮雜質等,出水可用于一般市政雜用或對用作水質要求不高的工業用水,如補充工業冷卻用水等。此外,過濾還可以作為活性炭吸附以及離子交換、電滲析、反滲透、超濾等工藝的前處理。
 
5、吸附
      當氣體或液體與某些固體接觸時,在固體的表面上,氣體或液體分子會程度不同地變濃變稠,這種固體表面對流體分子的吸著現象稱為吸附,其中的固體物質稱為吸附劑,而被吸附的物質稱為吸附質。
      在水處理中,吸附法主要用于脫除水中的微量污染物,應用范圍包括脫色、除臭味,脫除重金屬、各種可溶性有機物、放射性元素等。在處理流程中,吸附法可作為離子交換、膜分離等方法的預處理,以去除有機物、膠體物及余氯等;也可用為二級處理后的深度處理手段,以保證回用水的質量。
      利用吸附法進行水處理,具有適用范圍廣、處理效果好、可回收有用物料、吸附劑可重復使用等優點,但對進水的預處理要求較高,運轉費用較高,系統龐大,操作較麻煩。

吸附的分類

(1)交換吸附
      指溶質(液體)的離子由于靜電引力作用聚集在吸附劑表面的帶電點上,并置換出原先固定在這些帶電點上的其他離子。通常離子交換屬于此范圍。影響交換吸附的重要因素是離子電荷數和水合半徑的大小。

(2)物理吸附
       是指溶質(氣體或液體分子)與吸附劑之間由于分子間力(也稱“范德華力”)而產生的吸附,這是一種可逆過程。當固體表面分子與氣體或液體分子間的引力大于氣體或液體內部的分子間力時,氣體或液體分子則吸著在固體表面上。生產、生活中常見的物理吸附為活性炭吸附。物理吸附的特點是沒有選擇性,吸附質并不固定在吸附劑表面的特定位置上,而多少能在界面范圍內自由移動,因而其吸附的牢固程度不如化學吸附。
      當溫度升高時,氣體(或液體)分子的動能增加,分子將不易滯留在固體表面,而越來越多地逸入氣體(或液體)中去,即脫附,這種吸附-脫附的可逆現象在物理吸附中均存在。工業上利用這種現象,通過改變操作條件,使吸附質脫附,達到吸附劑的再生并回收吸附物質或分離的目的。
      物理吸附主要發生在低溫狀態下,過程的放熱量較少,可以是單分子層或多分子層吸附。影響物理吸附的主要因素是吸附劑的比表面積和細孔分布。

(3)化學吸附
      是指溶質與吸附劑發生化學反應,形成牢固的吸附化學鍵和表面絡合物,吸附質分子不能在表面自由移動,因此化學吸附結合牢固,再生較困難,必須在高溫下才能脫附,脫附下來的可能還是原吸附質,也可能是新的物質,化學吸附往往是不可逆的。
     化學吸附的選擇較強,即一種吸附劑只對某種或幾種物質有吸附作用,一般為單分子層吸附。通常需要一定的活化能,在低溫時,吸附率很小。這種吸附與吸附劑的表面化學性能和吸附質的化學性能有密切關系。

     物理吸附后再生容易,且能回收吸附質;而化學吸附往往是不可逆的。利用化學吸附處理毒性很強的污染物更安全。
     物理吸附和化學吸附雖然在本質上有區別,但在實際的吸附過程中往往同時存在,有時難以明確區分。例如,某些物質分子在物理吸附后,其化學鍵被拉長,甚至拉長到改變這個分子的化學性質。物理吸附和化學吸附在一定條件下也可以互相轉化。同一物質,可能在較低溫度下進行物理吸附,而在較高溫度下經歷的往往是化學吸附,也可能同時發生兩種吸附,如氧氣為木炭所吸附的情況。
 
6、膜分離
      廣義的“膜”是指分隔兩相界面的一個具有選擇透過性的屏障,稱其為“薄膜”,簡稱為“膜”。膜的形態有很多種,有固態和液態、均相和非均相、對稱和非對稱、帶電和不帶電等之分。一般的膜很薄,其厚度可以從幾微米(甚至到0.1μm)到幾毫米。
 
      膜分離是指以具有選擇透過功能的薄膜為分離介質,通過在膜兩側施加一種或多種推動力,使原料的某組分選擇性地優先透過膜,從而達到混合物分離和產物提取、濃縮、純化等的目的。
     膜分離的過程有多種,不同的分離過程所采用的膜及施加的推動力不同。依據膜分離的推動力和傳遞機理,可將膜分離過程進行分類,見表1。
 

表1  幾種主要的膜分離過程

過程推動力傳遞機理透過組分截留組分膜類型
微濾(MF)壓力差0-100kPa顆粒大小 、形狀溶液、微粒(0.02~10μm)懸浮物(膠體細菌)、粒徑較大的微粒多孔膜、非對稱性膜
超濾(UF)壓力差100-1000kPa分子特性、形狀、大小溶劑、少量小分子溶質大分子溶質非對稱性膜
反滲透膜(RO)壓力差1000-10000kPa溶劑的擴散傳遞溶劑、中性小分子懸浮物、大分子、離子非對稱性膜或復合膜
滲析(D)濃度差溶劑的擴散傳遞小分子溶質大分子和懸浮物、非對稱性膜、離子交換膜
電滲析(ED)電位差電解質離子的選擇傳質電解質離子非電解質、大分子物質離子交換膜
氣體分離(GP)壓力差1000-10000kPa(分壓差)氣體和蒸氣的擴散滲透易滲氣體或蒸氣難滲氣體或蒸氣均勻膜、復合膜、非對稱性膜
滲透汽化(PV)分壓差選擇傳遞(物性差異)膜內易溶解組分或易揮發組分不易溶解組分或較大、較難揮發物均勻膜、復合膜、非對稱性膜
液膜分離(LM)化學反應和擴散傳遞促進傳遞和溶解擴散傳遞雜質(電解質離子)溶劑、非電解質離子液膜

 

 
       在膜分離時,使原料中的溶質透過膜的現象一般叫做滲析,使溶劑透過膜的現象叫滲透。水處理膜分離法通常是指采用特殊固膜的電滲析法、超濾、微濾、納濾及反滲透等技術,其共同優點是在常溫下可分離污染物,且不耗熱能,不發生相變化,設備簡單,易于操作。
 
       溶質或溶劑透過膜的推動力是電動勢、濃度差或壓力差。微濾、超濾、納濾和反滲透都是以壓力差為推動力的膜分離過程。當在膜兩側施加一定的壓力時,混合液中的一部分溶劑及小于膜孔徑的組分透過膜,而微粒、大分子、鹽等被截留下來,從而達到分離的目的。這四種膜分離過程的主要區別在于被分離物質的大小和所采用膜的結構和性能不同。微濾的分離范圍為0.05~10μm,壓力差為0.015~0.2MPa;超濾的分離范圍為0.001~0.05μm,壓力差為0.1~1MPa;反滲透常用于截留溶液中的鹽或其他小分子物質,壓力差與溶液中的溶質濃度有關,一般在2~10MPa;納濾介于反滲透和超濾之間,脫鹽率及操作壓力通常比反滲透低,一般用于分離溶液中分子量為幾百至幾千的物質。

     電滲析是指在電場力作用下,溶液中的反離子發生定向遷移并通過膜,以去除溶液中離子的一種膜分離過程,所采用的膜為荷電的離子交換膜。目前電滲析已經大規模用于苦咸水脫鹽、純凈水制備等,也可以用于有機酸的分離與純化。

膜分離過程的特點:
    a、在膜分離過程中,不發生相關,能量轉化效率高;
    b、一般不需要投加其他物質,不改變分離物質的性能,并節省原材料和化學藥品;
    c、膜分離過程中,分離和濃縮同時進行,可回收有價值的物質;
    d、可在一般溫度下操作,不會破壞對熱敏感和對熱不穩定的物質,并且不消耗熱能;
    e、膜分離法適應性強,操作及維護方便,易于實現自動化控制,運行穩定。

因此,膜分離技術除大規模用于海水淡化、苦咸水淡化、純水生產外,在城市生活飲用水凈化、城市污水處理與利用以及各種工業廢水處理與回收利用等領域也逐漸得到了推廣和應用。
 
7、蒸發濃縮
     蒸發是將溶液加熱至沸騰,使其中的部分溶劑汽化并被移除,從而達到濃縮廢水中溶質的目的。
    工業上的蒸發操作是將溶液加熱至沸點,使之在沸騰狀態下蒸發。工業生產中應用蒸發操作的有以下幾種場合:
      a、濃縮稀溶液直接抽取產品或將濃溶液再處理(如冷卻結晶)制取固體產品,如電解燒堿液的濃縮、食糖水溶液的濃縮及各種果汁的濃縮等。
      b、同時濃縮溶液和回收溶劑,如有機磷農藥苯溶液的濃縮脫苯、中藥生產中酒精浸出液的蒸發等。
      c、為了獲得純凈的溶劑,如海水淡化等。

蒸發過程的優缺點
       蒸發操作主要采用飽和水蒸氣加熱。當溶液的沸點較高時,可以采用其他高溫載熱體、融鹽加熱或電加熱等。當溶液的黏度較高時,也可以采用煙道氣直接加熱。蒸發操作中溶液汽化所生成的蒸汽稱為二次蒸汽,以區別于加熱用蒸汽。二次蒸汽必須不斷地用冷凝等方法加以移除,否則蒸汽和溶液漸趨平衡,致使蒸發操作無法進行。
    按操作壓力,蒸發可分為常壓、加壓和減壓蒸發操作。
 
8、結晶
     固體物質以晶體狀態從溶液、熔融混合物或蒸氣中析出的過程稱為結晶。結晶是獲得純凈固態物質的重要方法之一。結晶是從過飽和溶液中結晶析出具有結晶性的固體污染物的過程。對于溶質濃度很高的廢水,可直接利用降溫冷卻的方法產生過飽和溶液,對于溶質濃度較低的廢水,可采用加熱蒸發的方法產生過飽和溶液。
     與其他分離過程比較,結晶過程的主要特點是:能從雜質含量很多的溶液或多組分熔融態混合物中獲得非常純凈的晶體產品;對于許多其他方法難分離的混合物系如共沸物系、同分異構體物系以及熱敏性物系等,采用結晶分離往往更為有效;此外,結晶操作能耗低,對設備材質要求不高,一般亦很少有“三廢”排放。
     結晶過程可分為溶液結晶、熔融結晶、升華結晶及沉淀結晶四大類,其中溶液結晶是過程工業中最常用的結晶方法。
 


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