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第五章污水的物理化学处理
物理化学法是利用物理化学反应的原理來去除污水屮溶解的有害物质，回收有用组分，并使污水得到深度净化的方法。

污染物从一相转移到另一相，进行传质。

第一节吸附
吸附：在相界面上，物质的浓度自动发生累积或浓集的现象称为吸附.
吸附法，是利用多孔性的固体物质，使污水中的一种或多种污染物被吸附在固体表面而去除的方法。

具有吸附能力的多孔固体物质称为吸附剂，废水中被吸附的物质则称为吸附质。

一、吸附原理
⑴吸附的类型
①物理吸附
吸附剂和吸附质之间通过分子间力的吸附称为物理吸附。

分子间力引起，
吸附热小〈41.9 kj/mol,
是可逆过程，
形成单分子吸附层或多分子层。

②化学吸附
吸附剂和吸附质之间发生化学作用，由于化学键力引起的吸附热大, 83.7〜418. 7 kj/molo
有选择性，不可逆，
单分子吸附层，
物理吸附和化学吸附并不是独立的，常相伴发生。

⑵吸附剂
活性炭、磺化煤、活化煤、沸石、活性白土、硅藻土、腐殖质酸焦炭、木炭
①活性炭的制造
原料：木材、煤、果壳。

过程：高温炭化和活化，制成疏水性吸附剂。

原料一炭化（热解）一炭渣一活化〜多孔结构（活性炭）
②活性炭的细孔构造和分布
比表而积：每克吸附剂所具有的表面积称为比表面积。

活性炭500-1700 m2/g
细孔有效半径1〜10000 nm
半径（nm）容积(ml/g)表面积（%）小孔< 20. 15-0. 90> 95
过渡孔2-1000. 02-0. 10< 5
人孔100〜100000.2-0. 50. 5〜2 m2/g
③活性炭的表面化学性质
由形状扁平的石墨型微晶体构成，边缘碳原子共价键不包含易于与其它元素0、II等•结合形成含氧官能团，而具有些极性。

⑶吸附平衡和吸附容量
比吸附平衡(概念P165)
吸附过程为对逆过程，即吸附过稈与解吸过程，当吸附速度与解吸速度相等时，即单位时间内吸附的数量等于解吸的数量时，则吸附质在溶液中的浓度和吸附剂表面上的浓度都不再改变称为吸附平衡。

此时吸附质在溶液中的浓度称为平衡浓度。

b.吸附容量
吸附吸附剂能力的大小以吸附容量q (g/g)表示。

q——单位质量的吸附剂(g)所吸附的吸附质的质量(g)。

取一定容积V (1),含吸附质浓度为Co(g/1)的水样，向其屮投加活性炭的质量为W(g)o当达到平衡时，污水中剩余的吸附质浓度为C (g/1)，则吸附容量q可用下式表示：
q = V(Co-C)/ W (g/g)
式中：V-污水容积，1
w—活性炭投加量，g
Co —原污水吸附质浓度，g/1
C—吸附平衡时水中剩余的吸附质浓度，g/1
通过试验对计算吸附剂的吸附容量。

c.吸附等咼线
T 一定时，q随c提高而增加.
q〜c变化曲线称吸附等高线。

常见有两种类型⑷吸附等温式
①郎格谬尔等温式
q = Nm • (kc/l+kc)
Nm. k—常数
1/cj = [ (1/Nm • kc) • l/c]+l/Nm
[1/q]对[1/c]作图，得到一条直线
②弗里德里希等温式
q 二K C l/n
q —吸附容量
C—吸附质平衡浓度
k. n-常数
lg q二lg k + (1/n) • lgC
把C和其对应q值作图，便得到一条近似直线。

这条直线的截距为k,斜率为1/n。

1/n越小，吸附性能越好；
1/n二0. 1〜0.5容易吸附；
1/n > 2 难于吸附；
当1/n较大时，CZ , q/,吸附能力/・
吸附量q是选择吸附剂和设计吸附设备的重要数据。

⑸吸附速度
吸附速度，是指单位质量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质量。

吸附速度决定接触时间，吸附速度快接触时间短；
吸附速度决定于吸附剂对吸附质的吸附过程。

第一阶段:颗粒外部扩散阶段（膜扩散阶段）
在吸附剂颗粒周围存在着一层固定的溶剂薄膜，当溶液与吸附剂做相对运动时，这层溶剂薄膜不随溶液一同移动吸附质•首先通过这个薄膜才能到达吸附剂的外表面，所以吸附速度与液膜扩散速度有关。

第二阶段:颗粒内部扩散阶段
经液膜扩散到吸附剂表面的吸附质间吸孔深处扩散.
第三阶段:吸附反应阶段
吸附质被吸在细孔内表面上。

根据试验得知：
颗粒的外部扩散速度与溶液浓度成正比，颗粒的外部扩散速度与吸附剂的外表面积（膜表面积）的大小成止比，表面积与颗粒直径成反比，直径小，扩散速度大。

外部扩散与搅动程度有关，增加溶液与颗粒Z间的相对速度，会使液膜变薄,可提高外部扩散速度。

颗粒的内部扩散速度比较复杂，与吸附剂细孔大小构造•吸附质颗粒大小等因索有关。

⑹影响吸附的因素
三、吸附的操作
在废水处理中，吸附操作分静态和动态两种.
1.静态吸附
在废水不流动的条件卜；进行的吸附操作称为静态吸附操作。

2.动态吸附
动态吸附是在废水流动条件下进行的吸附操作.
⑴吸附设备
废水处理常用的动态吸附设备冇固定床，移动床和流化床。

①固定床
固定床分为升流式和降流式
设计参数:塔径1~3. 5m
吸附塔高度 3 〜10m
填充层与塔径比1:1〜4:1
吸附剂颗粒0. 5〜2 mm
接触时间10〜50min
容积速度（固定床）2 m3 /h - m3
（移动床）5 m3/h • m3
线速度（固定床）2〜10m/h
（移动床）10〜30m/h
固定床根据处理水量，原水的水质和处理要求可分为单床式，多床串联式和多床并联式三种。

②移动床
一次除炭量5%〜20%
除炭周期数小时〜一周
进水悬浮物〈30 mg/1不反冲洗
床高 5 — 10 m
③流化床
吸附剂在塔内处于膨胀状态或流化状态，连续除炭和投炭，废水与炭逆流接触。

3 •吸附剂的再生
去除的微量呈溶解状态的有机物.
四、吸附装置的工艺设计实例
第二节离子交换法
一、5.2.1离子交换剂
1 •离子交换树脂的选择性
离子交换剂
无机离子交换剂：天然沸石、合成沸石
有机离了交换剂：阳离子交换树脂（强酸型、弱酸型）
阴离子交换树脂（强碱型、弱碱型）
螯合树脂
有机吸附树脂
采用离子交换法处理废水时必须考虑树脂的选择性，树脂对各种离
子的交换能力的大小主要取决于各种离子对该种树脂的亲和力与选择
性的大小。

在常温下,低浓度时各种树脂对各种离子的选择性大小可归纳如下几个规律：
二、离子交换的皋本理论
(1)离子交换过程
RA+ + B+ - RB+ + 障
(R‘)C + D - (R‘ )+ D「+ C-
式中：R、(R‘ T——树脂母体
A+、C_——树脂上可被交换的离子
B+、D' ——溶液屮的交换离子
在离子交换反应中，反应方向取决于树脂对离子的亲和力，即交换势。

可以通过选择性系数Ks来判断一定的离子交换反应能否向希望的方向进行。

Ks = [RB] [A] / [RA] [B]
[RB]、[RA]——树脂中A'・B*的浓度
[A]、[B]——溶液中A*・B+的浓度
当Ks > 1时,IT交换势大于A：反应从左向右进行
(2)污水水质对离子交换树脂交换能力的影响
三、离子交换的工艺过程
1・离子交换方式与设备
离子交换装置
静态：
动态：固定床单床、多床、复床、混合床、联合床。

连续床移动床。

流化床。

（1）操作步骤（以固定床为例）
四个步骤：
①交换:原水自上而下流过树脂层，出水即得到净化；
②反洗：当树脂使用到终点时，自卜•而上逆流通水进行反洗，除公杂质,松动树脂层；
③再生：自上而下（顺流）或自卜•而上逆流通入再生剂进行再生，使树脂恢复交换能力；
④正洗（逆洗）：自上而下（或自下而上）通入清水进行淋洗，洗去树脂层中夹带剩余再生剂。

即可进入下一循环工序。

交换、反洗、再生、正洗。

四个步骤所经历的时间称为离子交换器的作用周期。

交换为工作阶段，反洗、再生、正洗称再生阶段。

（2）离子交换器的结构
2.离子交换树脂的再生
RA + B — RB + A
（1）再生剂的种类及用量
阳离子交换树脂阴离子交换树脂
强酸型弱酸型强碱型弱碱型
HCL HCL NaOH NaOH
H2S04H2S04NaCL Na2CO3
NaCL NaHCO3
(2)再生方式
顺流再牛
逆流再生
3.参数计算
(1)设备工作面积(F)
F 二Q / v
Q——产水量，m3 /h
v——交换设备中水流速度，m/h
一般阳床流速20 m/h,最大30m/h,混合床40m/h,最大60m/h o
(2)一台设备工作面积(f)
f 二F / n
n ----- 设备台数.
⑶设备直径(D)
D 二二1. 13 f
(4)一台设备一个周期离子交换容量(Ec)
Ec 二Qi • Co • T
Qi ----- 一台设备产水量,m3 /h.
Co——进水中需去除的阳(阴)离子总量.
T ——交换柱运行一个周期的工作时间.
(5)一台设备装填树脂量(UR)
VR 二Ec / Eo
Eo ——树脂交换容量.
(6)交换柱内树脂装填高度(h K)
m 二％ / f
四、在污水处理中的应用
电镀废水处理
废水中含有的阳离子：M n+. Zn2+. Cu2+. Nit Cr3+
阴离子：Cr04 .Cr2072'
再生: Rn Mn n + nHCL nR_H+ + M n+ Cln
R2Cr207 + 4NaOIl 2 ROH + 2Na2CrO4 + 1120
第三节浮选(气浮)
一、基本原理
原理：向水中通入空气，使水产生大量的微细气泡，并使其粘附于杂质颗粒上，形成比重小于水的浮体•上浮水面从而获得分离杂质，使水质得到净化。

为促进气粒粘附常使用混凝剂。

粘附微气泡颗粒的上升服从于斯托克斯定律：
u=[ g(P S — P)/18u]-d2
投加絮凝剂形成的絮体，密度与水相连，沉速较慢，而粘附了一定数量微气浮的絮体•其整体密度就会大大低于周围的液体，因而其上浮速度要比原絮体下沉速度快得多。

气泡的大小是气浮效果净水的关键.
二、压力溶气气浮工艺
优点：①在加压条件下空气的溶解度大，气泡数量多，气浮效果好。

②溶入的气体经骤然减压释放，产生的气泡微细，均匀密集度
大,上浮稳定，对液体扰动小。

③工艺设备简单，管理维护方便。

工艺流程图：
1 •混凝剂投加设备
2 •水泵3•絮凝池4 .气浮池接触室
5 •气浮池分离室6.排渣槽7 •集水管 &回流水泵
9 .溶气罐10.空压机11 •溶气水泵12.溶气释放器
三部分：压力溶气系统、溶气释放系统、气浮分离系统。

（1）压力溶气系统
水泵、空压机、压力溶气罐。

压力溶气罐工艺参数：过流密度3000-5000 m3/m2• d
填料层高度0.8〜1.3m
液位控制高度0.6-1.0 m（从罐底计）
溶气罐承压能力0.6Mpa以上
（2）溶气释放系统
溶气释放器，溶气水管路。

溶气释放器的功能：将压力溶气水消能，减压，使溶入水中的气休以微气泡的形成释放出来，并能迅速而均匀地与水中杂质相粘附。

主要工艺参数：释放器前管道流速lm/s以下
释放器的出口流速0.4〜0.5m/s
冲洗时狭缝张开度 5 mm
每个释放器作用范围30~110cm
（3）气浮分离系统
功能：确保…泄的容积与池表面积，使微气泡群与絮凝体充分混合, 接触,粘附，以及带气絮体淸水分离。

一般分为：分流式、竖流式、
（4）设计参数
1.溶气压力0.2〜0.4Mpa,冋流比5-25%
2•絮凝反应时间5~15min
3•进入接触室的流速0.1 m/s以下
4•接触室水流上升流速10-20 mm/s,室内停留时间不小于60秒
5 •根据回流量选择释放器
6•分离室水流（向下）流速1.5〜3.0 mm/s
分离室表面负荷5.4~10.83/m2• h
7•有效水深2.0〜2.5m,停留时间10〜20min
&长〈15m ,宽〈10m
9.舌I」渣机行午速度小于5 m/min
10.穿孔集水管最大流速O・5m/S左右
11.压力溶气罐填料高度1〜1.5 m 过水面积100〜200 m3/m2• h , 罐高2.5〜3.0m
(5)气浮池
①平流式
优点:池身浅，造价低，构造简单，管理方便
②竖流式
优点：接触室在屮央水流向四周扩散，水力条件好。

(6)气浮池设计实例
设计资料：流水量Q= 1800 m3/d悬浮物浓度SS=700 mg/1
水温=40°C气固比G/S = 0.02
溶气压力(表压)P = 324.2 kpa
大气压下空气在水屮饱和溶解度Ca=18.5 mg/1
解：①溶气水量Q R的确定
Q R=G/S • [SaQ • 101.3/Ca( fp-101.3 )]
f—溶气效率一般取0.6〜0.8
p—溶气压力(绝压)kpa 绝压二表压+大气压
Q R = 0.02 X {700 X 1800 X
101. 3/18. 5[0.6(324. 2+101. 3)-101. 3]} =896 (m3/d )
取回流水量900 m3/d即Q R = 0.5Q
②气浮池设计
溶气水与污水接触混合时间T2二5min,气流分离时间Ta二38min , 则接触
混合段的容积为
V F (Q+ QR) T2/24x60 = (1800+900)x5/24x60 = 9.375 (m3) 分离段的容积
V2 = (Q+ QR) Ta/24x60 = (1800+900)x38/24x60 = 71.25 (m3) 气浮池有效容积
V二V] + V2 二9. 375 + 71. 25 二80. 625 (m3)
气浮池分离室水流(向下)流速取1.6mm/s,则分离面积
F = Q+ QR/24x3600-v= 1800+900/24x3600x 1.6x 10"3 = 19.53 (m2)
取气浮池宽B = 4m,水深H = 3.5m
则池长L=V/B H = 80.625/4x3.5 = 5.76 (m)~ 5.8 (m)
复核表面积B • L = 4X5.8 = 23.2 (m2) >F
设计的表而积可行。

第四节膜分离
膜分离：利用特殊的薄膜对液体中某些成分进行选择性透过的过程称膜分离。

电渗析、反渗透、超滤、微滤、纳滤。

一、电渗析
在物理化学中，将溶质透过膜的现象称为“渗析” O
电渗析：在直流电场的作用下，溶液中的离子冇选择性地透过离子交换膜
的迁移过程。

阳离子交换膜
阴离子交换膜
1 •原理
以NaCl水溶液为例：
地下水f吸砂滤f臭氧催化氧化一生物炭f二级砂滤一电渗析一贮水箱一
用户
—水呈酸性，阳极腐蚀阳极室—氧化反应- - C】2、0 2
_
阴极室—还原反应- _ H2—-水呈碱性，阴极结水垢
阳极2C1 " -2o _Cl2 t
H20 - H+ + OH _40H " —4e -> 02 t + 2H20 阴极H20 - H+ + OFT 2H+ + 2e - H2 t
电渗析的特点：
(1)只对电解质离子起选择性迁移作用；
(2)设冇物相变化，因而能量消耗低；
(3)不需添加任何物质,也不使用化学药剂，属清洁工艺；
(4)常温常压下进行。

适用范围：
①水的除盐.如海水淡化、若咸水淡化・、淡水除盐；
②去除水中硬度和碱度(水的软化)；
③去除水中氟化物、硝酸盐
④纯水制取
⑤废水的回收与利用
2.电渗析的除盐方式
直流式、循环式、部分循环式。

3.电渗析的应用实例
⑴处理电镀含镰废水(北京市环科院一北京无线电五厂)
运行结果：膜对电压/(V膜对)1.0,电流密度/(mA/cm)2〜4；
浓缩液中N1S04 - 7H2O/(g/l) 起始20(g/l),终了100(g/1)；回收槽液中NiS04 • 71120/(g/1) 起始5. 8 (g/1),终了
0.48(g/1), 除镰率(%) 91.7；
回收llg NiS04 耗电2~3kWo
⑵城市废水脱盐再生利用
含盐量1000—1500 mg/1
工艺流程：
城市废水一一级处理一二级处理一化学澄清一过滤
一活性炭吸附一电渗析脱盐一消毒一回用
二、反渗透
反渗透是以压力为驱动力的膜法分离技术。

优点：无相变、能耗低、工艺简单、不污染环境。

1.分离原理
⑴ 渗透压(n )
(a) (b) (c)
渗透渗透平衡(正渗透) 反渗透当P二兀时,盐水与纯水两侧液位相等，动态平衡；
当P>兀时,盐水液位下降，纯水液体提高——“反渗透” o
渗透压的大小与溶液中离子种类及浓度有关。

对于稀溶液
n 二4>R T C
式中：兀一溶液渗透压，10'Pa
R —理想气体常数，& 314J/(K - mol)
T —绝对温度，K
C —溶液中溶质的浓度，mol/1
© —渗透系数，表示溶液屮离子的离解状态.
(2) 反渗透膜
①维素脂类膜
乩二醋酸纤维素膜(CA膜)
制作工艺：原料15〜25%醋酸纤维素
溶剂丙酮
添加剂高氯酸镁
铸膜液配制一过滤脱泥一刮膜一蒸发冷凝固化一热处理
(致密)
特点：透水速度快，脱盐率高，耐氯性好，价格便宜.
缺点：易受微生物侵蚀，易水解.
适用的PH值范围3〜8；工作温度V 35°Co
b.醋酸纤维素复合膜及中空纤维膜
二醋酸纤维素复合膜（CTA）（美国uop公司生产）
海水脱盐：操作压力5. 3Mpa , 水通量0. lln?/n]2 • d
操作压力8. OMpa, 水通量0. 21m3/m2 - d
分离率99%
CTA中空纤维（美国道氏化学公司生产）用于低盐度若咸水淡化和超纯水制备。

对30000mg/lNaCl 水溶液压力1. 5Mpa,水通量0. 12m3/m2 -d , 分离率85%O
②非纤维素脂类膜
a・芳香族聚酰胺膜（美国杜邦公司生产）
中空纤维组件适用丁若咸水淡化，海水脱盐。

操作压力5.5-7 Mpa,温度0〜35°C, PH值4〜9,脱盐率＞98. 5%o
b.聚苯并咪呼酮膜（PBIL）
具有优良的化学稳定性和热稳定性；
使用PH值范围1〜12,温度10〜70°C；
操作压力8 Mpa,水通量0.36 m3/m2 - d,膜脱盐率＞98%。

（3）膜分离组件
平板式、管式、螺旋卷式、中空纤维式。

①平板式
承压板、微孔支撑板、反渗透膜
②管式
管式组件：圆管状膜，多孔耐压支承筲
管式膜组件：内压管式膜
外压管式膜
圆孔管状膜
多孔耐圧支承管
③螺旋卷式
④中空纤维式
截面圆环形，无支撑材料，外径40〜250 um,外径：内径二2〜4： 1, 儿十万至上百万根中空纤维弯成U形装入耐压容器，将开口端用环氧树脂灌封。

各种反渗透组件技术物性
组件类型
膜装填密
度(m2/m3)操作压力
(105 Pa)
水通量
(m3/m2• d)
单位体积产水
丨L
里
(m3/ m3• d)
板式49254.9 1.00502
内压管式32854.9 1.00335
螺旋卷式65654.9 1.00670
(4)工艺流程
①…级…段循环式
②一级一段连续式
③一级多段循环式
④一级多段连续式
(4)膜清洗工艺
①物理清洗
水力冲洗、水汽混合冲洗；
逆流冲洗、海绵球冲洗。

②化学清洗
化学清洗溶液对膜面进行清洗。

三、超滤(UF)
超滤是对料液施加一定压力后，高分子物质、胶体、蛋门质、微粒等被半透膜所截留，而溶剂和低分了物质则透过膜的过程。

1 •超滤原理
分离过程：①在吸表面及微孔内吸附(一次吸附)
②在孔中停留而被去除(堵塞)
③在膜面的机械截留(筛分)
2.超滤的浓差极化
在超滤工艺中，出于高分子的低扩散性和水的高渗透性，溶质会在膜表面积聚并形成从膜面到主体溶液之间的浓度梯度，这种现象被称为膜的浓差极化。

浓差极化f凝胶层f阻力增加f膜通量下降
措施：①提高料液流速，控制料液的流动状态，让膜面处的液体与主流更好地混合；
②不断清洗膜面，消除凝胶层.
3.超滤膜
醋酸纤维素膜（CA）、聚矶膜（PS）、聚矶酰胺膜（PSA）、聚丙烯睹膜（PAN）、聚偏氯乙烯膜（PVDF）。

聚砚膜一抗氧化性稳定性优良，耐酸耐碱不易水解；
聚丙烯月青一亲水性、耐污性好。

4.超滤膜组件
管式、板框式、螺旋卷式、中空纤维.
5.操作流程
⑴间歇操作
⑵连续式操作
⑶重过滤
6.膜清洗
水力清洗、化学清洗。