第四章 污水的化學(xué)處理

第一頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五第一節(jié)化學(xué)混凝法第二頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五化學(xué)混凝法:在混凝劑的作用下，使廢水中的膠體和細(xì)微懸浮物凝聚為絮凝體，然后予以分離除去的方法。膠體粒子和細(xì)微懸浮物的粒徑分別為1~100nm和100~10000nm。由于布朗運(yùn)動(dòng)、水合作用，尤其是微粒間的靜電斥力等原因，膠體和細(xì)微懸浮物能在水中長(zhǎng)期保持懸浮狀態(tài)，靜置不沉。因此，必須首先投加混凝劑來(lái)破壞它們的穩(wěn)定性，使其相互聚集為數(shù)百微米以至數(shù)毫米的絮凝體，才能用沉降、過(guò)濾和氣浮等常規(guī)方法除去。

混凝就是在混凝劑的離解和水解產(chǎn)物作用下，使水中的膠體污染物和細(xì)微懸浮物脫穩(wěn)并聚集為具有可分離性的絮凝體的過(guò)程，其中包括凝聚和絮凝兩個(gè)過(guò)程。第三頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五膠體結(jié)構(gòu)及其脫穩(wěn)凝聚機(jī)理膠體結(jié)構(gòu)及其ζ電位如圖所示為膠體粒子的雙電層結(jié)構(gòu)及其電位分布示意圖。粒子的中心，是由數(shù)百以至數(shù)千個(gè)分散相固體物質(zhì)分子組成的膠核。在膠核的表面，有一層帶同號(hào)電荷的離子，稱為電位離子層。電位離子層構(gòu)成了雙電層的內(nèi)層。電位離子所帶的電荷稱為膠體粒子的表面電荷，其電性正負(fù)和數(shù)量的多少?zèng)Q定了雙電層總電位的符號(hào)和大小。第四頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五膠體粒子就整體而言是呈電中性的。為了平衡電位離子所帶的表面電荷，液相一側(cè)必然存在眾多電荷數(shù)與表面電荷相等而電性與電位離子相反的離子，稱為反離子。反離子層構(gòu)成了雙電層的外層，其中緊靠電位離子的反離子被電位離子牢固吸引著，并隨膠核一起運(yùn)動(dòng)，稱為反離子吸附層。吸附層一般為幾納米，它和電位離子層構(gòu)成膠體粒子的固定層。固定層外圍的反離子由于受到電位離子的引力較弱，受熱運(yùn)動(dòng)和水合作用的影響較大，因而不隨膠核一起運(yùn)動(dòng)，并趨于向溶液主體擴(kuò)散，稱為反離子擴(kuò)散層。固定層和擴(kuò)散層之間的交界面稱為滑動(dòng)面。當(dāng)膠核與溶液發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，膠體粒子就沿滑動(dòng)面一分為二，滑動(dòng)面以內(nèi)的部分是一個(gè)做整體運(yùn)動(dòng)的單元，稱為膠粒。由于其中的反離子所帶的電荷數(shù)少于表面電荷總數(shù)，所以膠?？偸菐в惺Ｓ嚯姾?。剩余電荷的電性與電位離子的電性相同，其數(shù)量等于表面電荷總數(shù)與吸附層反離子所帶電荷之差。膠粒和擴(kuò)散層一起構(gòu)成電中性的膠體離子（膠團(tuán)）。第五頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五膠核表面電荷的存在，使膠核與溶液主體之間產(chǎn)生電位，稱為總電位或ψ電位。膠粒表面剩余電荷，使滑動(dòng)層與溶液主體之間也產(chǎn)生電位，稱為電動(dòng)電位或ζ電位。膠體因ξ電位降低或消除，從而失去穩(wěn)定性的過(guò)程稱為脫穩(wěn)。脫穩(wěn)的膠粒相互聚集為微絮凝的過(guò)程稱為凝聚。不同的化學(xué)藥劑能使膠體以不同的方式脫穩(wěn)和凝聚。按機(jī)理，脫穩(wěn)和凝聚可分為壓縮雙電層、電性中和、吸附橋聯(lián)和網(wǎng)羅卷帶等4種。第六頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五壓縮雙電層壓縮雙電層是指在膠體分散系中投加能產(chǎn)生高價(jià)反離子的活性電解質(zhì)，通過(guò)增大溶液的反離子強(qiáng)度來(lái)減小擴(kuò)散層厚度，從而使ζ電位降低的過(guò)程。該過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是新增的反離子與擴(kuò)散層內(nèi)原有反離子之間的靜電斥力把原有反離子程度不同地?cái)D壓到吸附層，從而使擴(kuò)散層減薄。。電性中和當(dāng)投加的電解質(zhì)為鐵鹽、鋁鹽時(shí)，它們能在一定條件下離解和水解，生成各種絡(luò)合離子。這些絡(luò)合離子不但能壓縮雙電層，而且能夠通過(guò)膠核外圍的反離子層進(jìn)入固液界面，并中和電位離子所帶的電荷，使ψ電位降低，ζ電位隨之減小，達(dá)到膠粒的脫穩(wěn)和凝聚，這就是電性中和。第七頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五吸附橋聯(lián)如果投加的藥劑是水溶性鏈狀高分子聚合物并具有能與膠粒和細(xì)微懸浮物發(fā)生吸附的活性部位，它就能通過(guò)靜電引力、范德華力和氫鍵力等，將微粒搭橋聯(lián)結(jié)為一個(gè)個(gè)絮凝體（俗稱礬花）。這種作用就稱為吸附橋聯(lián)。聚合物的加入量、攪拌強(qiáng)度和攪拌時(shí)間必須嚴(yán)格控制，如果加入量過(guò)多，一開(kāi)始微粒就被若干個(gè)高分子鏈包圍，微粒再?zèng)]有空白部位去吸附其它的高分子鏈，結(jié)果形成無(wú)吸附部位的穩(wěn)定顆粒。如果攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或攪拌強(qiáng)度過(guò)大，橋聯(lián)就會(huì)斷裂，絮凝體破碎，并形成二次吸附再穩(wěn)顆粒。網(wǎng)羅卷帶當(dāng)用鐵、鋁鹽等高價(jià)金屬鹽類作混凝劑，而且其投加量和介質(zhì)條件足以使它們迅速生成難溶性氫氧化物時(shí)，沉淀就能把膠?；蚣?xì)微懸浮物作為晶核或吸附質(zhì)而將其一起除去。第八頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五混凝劑及其作用機(jī)理在混凝處理中，主要是通過(guò)壓縮雙電層和電性中和機(jī)理起作用的，所用添加劑常稱為凝聚劑；主要通過(guò)吸附橋聯(lián)機(jī)理起作用的則稱為絮凝劑；同時(shí)兼有以上功能的統(tǒng)稱為混凝劑助凝劑為了提高混凝效果，生成粗大、密實(shí)、易于分解的絮凝體，特別是在原水水質(zhì)狀況與混凝劑所要求的適宜條件不相適應(yīng)的情況下，就需要添加一些輔助藥劑。這些藥劑統(tǒng)稱為組凝劑，按其作用，組凝劑主要有以下三類：第九頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五pH調(diào)節(jié)劑在原水pH值不符合工藝要求，或在投加混凝劑后pH值發(fā)生較大變化時(shí)，就需要投加酸性或堿性物質(zhì)予以調(diào)整。常用的pH調(diào)整劑有H2SO4、CO2和Ca(OH)2、NaOH、Na2CO3等。絮體結(jié)構(gòu)改良劑氧化劑其作用是加大絮體的粒徑、密度和機(jī)械強(qiáng)度。這類物質(zhì)有水玻璃、活性硅酸和粉煤灰、粘土等。前二者主要為骨架物質(zhì)來(lái)強(qiáng)化低溫和低堿度下的絮凝作用；后二者則作為絮體形成核心來(lái)加大絮體密度，改善其沉降性能和污泥的脫水性能。當(dāng)原水中的有機(jī)物含量較高時(shí)，容易形成泡沫，不僅使感觀性狀惡化，絮凝體也不易沉降。此時(shí)，應(yīng)當(dāng)投加Cl2、Ca(ClO)2和NaClO等氧化劑來(lái)破壞有機(jī)物。當(dāng)用FeSO4作混凝劑時(shí)，則常用O2和Cl2將Fe2+氧化為Fe3+,以提高混凝效果。第十頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五影響混凝的因素混凝過(guò)程是混凝劑與水及膠體和細(xì)微懸浮物之間相互作用的復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程。為了獲得易于分離的絮凝體和盡可能低的出水濁度，就必須根據(jù)原水中膠體和細(xì)微懸浮物的性質(zhì)、濃度和介質(zhì)性狀，正確控制過(guò)程的工藝條件。這些條件主要有水溫、pH值、混凝劑的種類和用量，以及攪拌強(qiáng)度和攪拌時(shí)間。第十一頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五影響混凝的因素水溫:以20~30℃為宜，溫度過(guò)低，混凝劑水解緩慢，生成的絮體細(xì)碎松散，不易沉降。為了彌補(bǔ)水溫過(guò)低的不利影響，可采取廢熱加熱、配合使用鐵鹽混凝劑、投加活性硅酸助凝劑和粉煤灰、粘土等絮體加重劑，以及適當(dāng)提高介質(zhì)堿度來(lái)增大水解平衡常數(shù)等措施。每種混凝劑都有其適宜的pH值，這是因?yàn)閜H值的高低不但直接影響著污染物存在的形態(tài)和表面性質(zhì)，而且影響著混凝劑的水解平衡及產(chǎn)物的存在形態(tài)和存在時(shí)間。高分子絮凝劑除離解時(shí)產(chǎn)生H+和OH-外，一般受pH的影響很小。種類的選擇主要取決于膠體和細(xì)微懸浮物的種類、性質(zhì)和濃度。如果水中的污染物主要是細(xì)微懸浮物或次生化學(xué)沉淀物，可單獨(dú)采用高分子絮凝劑；如果污染物主要呈膠體狀態(tài)，且ζ電位較高，則應(yīng)首先投加無(wú)機(jī)混凝劑使其脫穩(wěn)凝聚，如絮體細(xì)小，還需投加高分子絮凝劑或配合使用活性硅酸等助凝劑。第十二頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五混凝劑選用原則陰離子和非離子型主要用于去除濃度較高的細(xì)微懸浮物，但前者更適于中性和堿性水質(zhì)，后者更適于中性至酸性水質(zhì)；陽(yáng)離子型主要用于去除膠體狀有機(jī)物，pH值為酸性至堿性均可；如果絮凝對(duì)象的ζ電位較高，則應(yīng)優(yōu)先選用電性相反的離子型絮凝劑；還應(yīng)考慮來(lái)源、成本和是否引入有害物質(zhì)等因素。第十三頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五攪拌時(shí)間