工業(yè)廢水處理的基本方法――物理法（二）

 
    工業(yè)廢水處理在基本方法，就是采用各種技術(shù)與手段，將廢水中所含的污染物質(zhì)分離去除、回收利用，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)，使水質(zhì)得到凈化。
       現(xiàn)代廢水處理技術(shù)，按原理可分為物理處理法、化學(xué)處理法和生物化學(xué)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(jī)械的方法，如水質(zhì)水量的調(diào)節(jié)、篩濾、澄清、沉淀、氣浮等，對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)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(jí)處理做準(zhǔn)備。物理處理方法的最大優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)樵谔幚磉^(guò)程中不改變物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，運(yùn)行費(fèi)用低，分離效果良好，因此應(yīng)用極為廣泛，但物理法的缺點(diǎn)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(duì)水中的溶解性雜質(zhì)基本無(wú)法去除。
      根據(jù)物理作用的不同，物理處理法可分為采用格柵和篩網(wǎng)的預(yù)處理、澄清、沉淀、氣浮、過(guò)濾、吸附、膜分離、蒸發(fā)濃縮、結(jié)晶等。

4、過(guò)濾法
      過(guò)濾是以某種多孔物質(zhì)為介質(zhì)來(lái)處理懸浮液，在外力作用下，懸浮液中的液體通過(guò)介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)固、液分離的一種操作。過(guò)濾操作所處理的懸浮液稱(chēng)為濾漿，所用的多孔物質(zhì)稱(chēng)為過(guò)濾介質(zhì)，通過(guò)介質(zhì)孔道的液體稱(chēng)為濾液，被截留的物質(zhì)稱(chēng)為濾餅或?yàn)V渣。

過(guò)濾的分類(lèi)
      根據(jù)過(guò)濾的原理，水處理所涉及到的各項(xiàng)過(guò)濾技術(shù)可分成兩大類(lèi)：表層過(guò)濾和深層過(guò)濾。

      表層過(guò)濾，有時(shí)也叫餅層過(guò)濾，其特點(diǎn)是固體顆粒呈現(xiàn)餅層狀沉積于過(guò)濾介質(zhì)的上游一側(cè)，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(guò)濾的顆粒去除機(jī)理是機(jī)械篩除，過(guò)濾介質(zhì)按其孔徑大小對(duì)過(guò)濾液體的顆粒進(jìn)行截留分離。這處按機(jī)械篩除機(jī)理工作的水處理設(shè)備通常稱(chēng)為過(guò)濾機(jī)械，常用的有硅藻土預(yù)涂層過(guò)濾、污泥脫水機(jī)（真空過(guò)濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)、板框壓濾機(jī)）、微濾機(jī)、各種膜分離技術(shù)（微濾、超濾、納濾、反滲透）等。
       深層過(guò)濾的特點(diǎn)是固體顆粒的沉積發(fā)生在較厚的粒狀過(guò)濾介質(zhì)床層內(nèi)部，其顆粒去除的主要機(jī)理是接觸凝聚，懸浮液中的顆粒直徑小于床層孔道直徑，當(dāng)顆粒隨流體在床層內(nèi)的曲折孔道穿過(guò)時(shí)與濾料顆粒進(jìn)行接觸凝聚，水中顆粒附著在濾料顆粒上而被去除。這種過(guò)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(chǎng)合，例如，自來(lái)水廠(chǎng)里用很厚的石英砂作為過(guò)濾介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)水的凈化。

過(guò)濾在水處理中的應(yīng)用
      過(guò)濾在給水處理和廢水處理過(guò)程中是一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。
      在給水處理中，過(guò)濾通常置于沉淀池或澄清池之后，是保證凈化水質(zhì)的一個(gè)不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。濾池的進(jìn)水濁度一般在10NTU以上，經(jīng)過(guò)濾后的出水濁度可以降到小于1NTU，滿(mǎn)足飲用水標(biāo)準(zhǔn)。過(guò)濾的功效不僅在于進(jìn)一步降低水的的濁度，而且水中的有機(jī)物、細(xì)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(guò)濾主要用于深度處理或再生處理，二級(jí)生物出水可經(jīng)混凝沉淀后再進(jìn)行過(guò)濾，以進(jìn)一步去除殘存有機(jī)物、懸浮雜質(zhì)等，出水可用于一般市政雜用或?qū)τ米魉|(zhì)要求不高的工業(yè)用水，如補(bǔ)充工業(yè)冷卻用水等。此外，過(guò)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(dāng)氣體或液體與某些固體接觸時(shí)，在固體的表面上，氣體或液體分子會(huì)程度不同地變濃變稠，這種固體表面對(duì)流體分子的吸著現(xiàn)象稱(chēng)為吸附，其中的固體物質(zhì)稱(chēng)為吸附劑，而被吸附的物質(zhì)稱(chēng)為吸附質(zhì)。
      在水處理中，吸附法主要用于脫除水中的微量污染物，應(yīng)用范圍包括脫色、除臭味，脫除重金屬、各種可溶性有機(jī)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(yù)處理，以去除有機(jī)物、膠體物及余氯等；也可用為二級(jí)處理后的深度處理手段，以保證回用水的質(zhì)量。
      利用吸附法進(jìn)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(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)進(jìn)水的預(yù)處理要求較高，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較高，系統(tǒng)龐大，操作較麻煩。

吸附的分類(lèi)

（1）交換吸附
      指溶質(zhì)（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(diǎn)上，并置換出原先固定在這些帶電點(diǎn)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(shù)和水合半徑的大小。

（2）物理吸附
       是指溶質(zhì)（氣體或液體分子）與吸附劑之間由于分子間力（也稱(chēng)“范德華力”）而產(chǎn)生的吸附，這是一種可逆過(guò)程。當(dāng)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(nèi)部的分子間力時(shí)，氣體或液體分子則吸著在固體表面上。生產(chǎn)、生活中常見(jiàn)的物理吸附為活性炭吸附。物理吸附的特點(diǎn)是沒(méi)有選擇性，吸附質(zhì)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(nèi)自由移動(dòng)，因而其吸附的牢固程度不如化學(xué)吸附。
      當(dāng)溫度升高時(shí)，氣體（或液體）分子的動(dòng)能增加，分子將不易滯留在固體表面，而越來(lái)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(xiàn)象在物理吸附中均存在。工業(yè)上利用這種現(xiàn)象，通過(guò)改變操作條件，使吸附質(zhì)脫附，達(dá)到吸附劑的再生并回收吸附物質(zhì)或分離的目的。
      物理吸附主要發(fā)生在低溫狀態(tài)下，過(guò)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(xì)孔分布。

（3）化學(xué)吸附
      是指溶質(zhì)與吸附劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成牢固的吸附化學(xué)鍵和表面絡(luò)合物，吸附質(zhì)分子不能在表面自由移動(dòng)，因此化學(xué)吸附結(jié)合牢固，再生較困難，必須在高溫下才能脫附，脫附下來(lái)的可能還是原吸附質(zhì)，也可能是新的物質(zhì)，化學(xué)吸附往往是不可逆的。
     化學(xué)吸附的選擇較強(qiáng)，即一種吸附劑只對(duì)某種或幾種物質(zhì)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(shí)，吸附率很小。這種吸附與吸附劑的表面化學(xué)性能和吸附質(zhì)的化學(xué)性能有密切關(guān)系。

     物理吸附后再生容易，且能回收吸附質(zhì)；而化學(xué)吸附往往是不可逆的。利用化學(xué)吸附處理毒性很強(qiáng)的污染物更安全。
     物理吸附和化學(xué)吸附雖然在本質(zhì)上有區(qū)別，但在實(shí)際的吸附過(guò)程中往往同時(shí)存在，有時(shí)難以明確區(qū)分。例如，某些物質(zhì)分子在物理吸附后，其化學(xué)鍵被拉長(zhǎng)，甚至拉長(zhǎng)到改變這個(gè)分子的化學(xué)性質(zhì)。物理吸附和化學(xué)吸附在一定條件下也可以互相轉(zhuǎn)化。同一物質(zhì)，可能在較低溫度下進(jìn)行物理吸附，而在較高溫度下經(jīng)歷的往往是化學(xué)吸附，也可能同時(shí)發(fā)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(gè)具有選擇透過(guò)性的屏障，稱(chēng)其為“薄膜”，簡(jiǎn)稱(chēng)為“膜”。膜的形態(tài)有很多種，有固態(tài)和液態(tài)、均相和非均相、對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)、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(guò)功能的薄膜為分離介質(zhì)，通過(guò)在膜兩側(cè)施加一種或多種推動(dòng)力，使原料的某組分選擇性地優(yōu)先透過(guò)膜，從而達(dá)到混合物分離和產(chǎn)物提取、濃縮、純化等的目的。
     膜分離的過(guò)程有多種，不同的分離過(guò)程所采用的膜及施加的推動(dòng)力不同。依據(jù)膜分離的推動(dòng)力和傳遞機(jī)理，可將膜分離過(guò)程進(jìn)行分類(lèi)，見(jiàn)表1。
 

表1  幾種主要的膜分離過(guò)程

 
       在膜分離時(shí)，使原料中的溶質(zhì)透過(guò)膜的現(xiàn)象一般叫做滲析，使溶劑透過(guò)膜的現(xiàn)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(shù)，其共同優(yōu)點(diǎn)是在常溫下可分離污染物，且不耗熱能，不發(fā)生相變化，設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作。
 
       溶質(zhì)或溶劑透過(guò)膜的推動(dòng)力是電動(dòng)勢(shì)、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(dòng)力的膜分離過(guò)程。當(dāng)在膜兩側(cè)施加一定的壓力時(shí)，混合液中的一部分溶劑及小于膜孔徑的組分透過(guò)膜，而微粒、大分子、鹽等被截留下來(lái)，從而達(dá)到分離的目的。這四種膜分離過(guò)程的主要區(qū)別在于被分離物質(zhì)的大小和所采用膜的結(jié)構(gòu)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(zhì)，壓力差與溶液中的溶質(zhì)濃度有關(guān)，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(zhì)。

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

膜分離過(guò)程的特點(diǎn)：
    a、在膜分離過(guò)程中，不發(fā)生相關(guān)，能量轉(zhuǎn)化效率高；
    b、一般不需要投加其他物質(zhì)，不改變分離物質(zhì)的性能，并節(jié)省原材料和化學(xué)藥品；
    c、膜分離過(guò)程中，分離和濃縮同時(shí)進(jìn)行，可回收有價(jià)值的物質(zhì)；
    d、可在一般溫度下操作，不會(huì)破壞對(duì)熱敏感和對(duì)熱不穩(wěn)定的物質(zhì)，并且不消耗熱能；
    e、膜分離法適應(yīng)性強(qiáng)，操作及維護(hù)方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，運(yùn)行穩(wěn)定。

因此，膜分離技術(shù)除大規(guī)模用于海水淡化、苦咸水淡化、純水生產(chǎn)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(yè)廢水處理與回收利用等領(lǐng)域也逐漸得到了推廣和應(yīng)用。
 
7、蒸發(fā)濃縮
     蒸發(fā)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(dá)到濃縮廢水中溶質(zhì)的目的。
    工業(yè)上的蒸發(fā)操作是將溶液加熱至沸點(diǎn)，使之在沸騰狀態(tài)下蒸發(fā)。工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用蒸發(fā)操作的有以下幾種場(chǎng)合：
      a、濃縮稀溶液直接抽取產(chǎn)品或?qū)馊芤涸偬幚恚ㄈ缋鋮s結(jié)晶）制取固體產(chǎn)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(shí)濃縮溶液和回收溶劑，如有機(jī)磷農(nóng)藥苯溶液的濃縮脫苯、中藥生產(chǎn)中酒精浸出液的蒸發(fā)等。
      c、為了獲得純凈的溶劑，如海水淡化等。

蒸發(fā)過(guò)程的優(yōu)缺點(diǎn)
       蒸發(fā)操作主要采用飽和水蒸氣加熱。當(dāng)溶液的沸點(diǎn)較高時(shí)，可以采用其他高溫載熱體、融鹽加熱或電加熱等。當(dāng)溶液的黏度較高時(shí)，也可以采用煙道氣直接加熱。蒸發(fā)操作中溶液汽化所生成的蒸汽稱(chēng)為二次蒸汽，以區(qū)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(fā)操作無(wú)法進(jìn)行。
    按操作壓力，蒸發(fā)可分為常壓、加壓和減壓蒸發(fā)操作。
 
8、結(jié)晶
     固體物質(zhì)以晶體狀態(tài)從溶液、熔融混合物或蒸氣中析出的過(guò)程稱(chēng)為結(jié)晶。結(jié)晶是獲得純凈固態(tài)物質(zhì)的重要方法之一。結(jié)晶是從過(guò)飽和溶液中結(jié)晶析出具有結(jié)晶性的固體污染物的過(guò)程。對(duì)于溶質(zhì)濃度很高的廢水，可直接利用降溫冷卻的方法產(chǎn)生過(guò)飽和溶液，對(duì)于溶質(zhì)濃度較低的廢水，可采用加熱蒸發(fā)的方法產(chǎn)生過(guò)飽和溶液。
     與其他分離過(guò)程比較，結(jié)晶過(guò)程的主要特點(diǎn)是：能從雜質(zhì)含量很多的溶液或多組分熔融態(tài)混合物中獲得非常純凈的晶體產(chǎn)品；對(duì)于許多其他方法難分離的混合物系如共沸物系、同分異構(gòu)體物系以及熱敏性物系等，采用結(jié)晶分離往往更為有效；此外，結(jié)晶操作能耗低，對(duì)設(shè)備材質(zhì)要求不高，一般亦很少有“三廢”排放。
     結(jié)晶過(guò)程可分為溶液結(jié)晶、熔融結(jié)晶、升華結(jié)晶及沉淀結(jié)晶四大類(lèi)，其中溶液結(jié)晶是過(guò)程工業(yè)中最常用的結(jié)晶方法。