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(xiàn)代廢水處理技術，按原理可分為物理處理法、化學處理法和生物化學處理法等。

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(jié)、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(yōu)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(jù)物理作用的不同，物理處理法可分為采用格柵和篩網(wǎng)的預處理、澄清、沉淀、氣浮、過濾、吸附、膜分離、蒸發(fā)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(xiàn)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(jù)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(xiàn)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(fā)生在較厚的粒狀過濾介質床層內(nèi)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(nèi)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(xiàn)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(huán)節(jié)。
      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(huán)節(jié)。濾池的進水濁度一般在10NTU以上，經(jīng)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(jīng)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(yè)用水，如補充工業(yè)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(xiàn)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(yōu)點，但對進水的預處理要求較高，運轉費用較高，系統(tǒng)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(shù)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)、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(nèi)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(xiàn)象在物理吸附中均存在。工業(yè)上利用這種現(xiàn)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(fā)生在低溫狀態(tài)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(fā)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(qū)別，但在實際的吸附過程中往往同時存在，有時難以明確區(qū)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(jīng)歷的往往是化學吸附，也可能同時發(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具有選擇透過性的屏障，稱其為“薄膜”，簡稱為“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(yōu)先透過膜，從而達到混合物分離和產(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(jù)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

 
       在膜分離時，使原料中的溶質透過膜的現(xiàn)象一般叫做滲析，使溶劑透過膜的現(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，其共同優(yōu)點是在常溫下可分離污染物，且不耗熱能，不發(fā)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(qū)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(fā)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(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(fā)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(jié)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(wěn)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(xiàn)自動化控制，運行穩(wěn)定。

因此，膜分離技術除大規(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域也逐漸得到了推廣和應用。
 
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，從而達到濃縮廢水中溶質的目的。
    工業(yè)上的蒸發(fā)操作是將溶液加熱至沸點，使之在沸騰狀態(tài)下蒸發(fā)。工業(yè)生產(chǎn)中應用蒸發(fā)操作的有以下幾種場合：
      a、濃縮稀溶液直接抽取產(chǎn)品或將濃溶液再處理（如冷卻結晶）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、同時濃縮溶液和回收溶劑，如有機磷農(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)過程的優(yōu)缺點
       蒸發(fā)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(fā)操作中溶液汽化所生成的蒸汽稱為二次蒸汽，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)操作無法進行。
    按操作壓力，蒸發(fā)可分為常壓、加壓和減壓蒸發(fā)操作。
 
8、結晶
     固體物質以晶體狀態(tài)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(tài)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(chǎn)生過飽和溶液，對于溶質濃度較低的廢水，可采用加熱蒸發(fā)的方法產(chǎn)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(tài)混合物中獲得非常純凈的晶體產(chǎn)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(yè)中最常用的結晶方法。