【3】第二章-水的物理化学处理方法(3).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,粗大颗粒物质：格栅、筛网、沉砂,悬浮物质和胶体物质：沉淀、混凝,溶解性物质,按颗粒的大小,第二章 水的物理化学处理方法,水中的杂质：,第三节 水中溶解物质的去除,一、水的软化和除盐,二、离子交换法,三、吸附法,四、膜分离技术,第二章 水的物理化学处理方法,第三节 水中溶解物质的去除,CO,3,2-,、,HCO,3,-,、,SO,4,2-,、,Cl,-,Ca,2+,、,Mg,2+,、,Na,+,、,K,+,阳离子,阴离子,溶解气体,O,2,、,CO,2,天然水体,重金属离子,有机物质,气体,污水和废水,CH,4,、,NH,3,、,H,2,S,软化除盐、离子交换、吸附、膜分离、氧化还原法、生化法,药剂软化,离子交换,生成,CaCO,3,、,Mg(OH),2,石灰法、石灰,-,纯碱法、石灰,-,石膏法,离子交换剂将水中的,Ca,2+,、,Mg,2+,转换成,Na,+,。,会有少量不能沉淀，有残余硬度。,2,、水的除盐,蒸馏,将液体加热气化，同时使产生的蒸气冷凝液化并收集的联合操作过程叫做简单蒸馏或普通蒸馏，也简称蒸馏。,在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性，使溶液中的溶质与水分离的一种物化过程。,电渗析,一种借助于离子交换剂上的离子和污水中的有害离子进行交换反应而除去污水中有害离子的方法。,离子交换,第三节 水中溶解物质的去除,一、水的软化和除盐,二、离子交换法,三、吸附法,四、膜分离技术,第二章 水的物理化学处理方法,二、离子交换法,利用,离子交换树脂作为吸附剂,，将溶液中的待分离组分，依据其电荷差异，依靠库仑力与树脂可交换离子进行置换；然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离的目的。,实质,：不溶性离子化合物,(,离子交换剂,),上的可交换离子与溶液中的其他同性离子的交换反应，是一种特殊的吸附过程，通常是可逆化学吸附。,离子交换是可逆反应，其反应式可表达为：,交换树脂,交换离子,饱和树脂,在平衡状态下，树脂中及溶液中的反应物浓度符合下列关系式：,K,值的大小能定量地反映离子交换剂对某两个固定离子交换选择性的大小。,离子交换过程的,特点,：它主要吸附水中以离子态存在的物质，并进行等当量的离子交换。,在废水处理中，离子交换主要用于回收和去除废水中金、银、铜、镉、铬、锌等金属离子，对于净化放射性废水及有机废水也有应用。,1,、离子交换剂的分类和组成,离子交换剂分为,无机,和,有机,两大类。,无机的离子交换剂有天然沸石和人工合成沸石。沸石既可作阳离子交换剂，也能用作吸附剂。,有机的离子交换剂,有磺化煤和各种,离子交换树脂,。,离子交换树脂,是一类具有离子交换特性的有机高分子聚合电解质，离子交换树脂的合成一般是先制备母体，然后通过化学反应引入相应的离子交换基团。,生成离子交换剂的树脂母体最常用,苯乙烯聚合物。,离子交换树脂的结构,带有活性基团的网状高分子聚合物,酚醛树脂,聚乙烯树脂,交联剂,SO,3,H,COOH,NOH,NH,3,OH,母体,活性基团,酸性基团,特殊基团,碱性基团,离子交换树脂的结构,胺羧基团,氧化还原基团,骨架,是形成离子交换树脂的结构主体。它是以一种线形结构的高分子有机化合物为主，加上一定数量的交换剂，通过架桥作用构成的空间网状结构。,活性基团由固定离子和活动离子组成,固定离子固定在树脂骨架上，活动离子则依靠静电引力与固定离子结合在一起，两者电性相反、电荷相等，处于电性中和状态。,凝胶型树脂,按孔,隙结,构分,大孔型树脂,多孔凝胶树脂,巨孔型树脂,高巨孔型树脂,按活性基团分,阳离子交换树脂,阴离子交换树脂,螯合树脂,氧化还原树脂,两性树脂,按活性基团中酸碱的强弱分为,（,a,）,强酸性阳离子交换树脂,，活性基团一般为,SO,3,H,，又称磺酸型阳离子交换树脂。,（,b,）,弱酸性阳离子交换树脂,，活性基团一般为,COOH,。活性基团中的,H,可以被,Na,代替，因此又可分为,氢型和钠型,。,（,c,）,强碱性阴离子交换树脂,，活性基团一般为,NOH,，又称为季胺型阴离子交换树脂。,（,d,）,弱碱性阴离子交换树脂,，活性基团一般有,NH,3,OH,等。阴离子交换树脂中的氢氧根离子,OH,可以用氯离子,Cl,代替。因此又有,氢氧型和氯型,之分。,按活性基团中酸碱的强弱分为,2,、离子交换树脂的性质,物理性能指标,：外观、粒度、密度、含水率、溶胀性、机械强度、耐热性,化学性能指标,：交联度、酸碱性、离子交换选择性、交换容量,（,1,）密度,离子交换树脂的相对密度有三种表示方法,:,干真密度、湿真密度和湿视密度。,干密度,是指在,115,真空干燥后的密度；,湿真密度,是指树脂在水中充分膨涨后的质量与树脂所占体积（不包括空隙）之比；,湿视密度,是指树脂在水中充分膨涨后单位体积树脂所具有的质量。,（,2,）含水率,含水率通常以每克湿树脂（去除表面水分后）所含水分百分数来表示。主要取决于树脂的交联度，反映了树脂网架中的孔隙率。交联度越小，孔隙率越大，含水率就越高。,（,3,）溶胀性,树脂由于吸水或转型等条件改变，而引起的体积变化现象称为,溶胀性,。树脂由干变湿的膨胀度称,绝对溶胀度,；由一种可交换离子变为另一种可交换离子时的体积变化称,相对溶胀度,。如强酸阳离子交换树脂由钠型转变成氢型时，其体积溶胀度约为,5,-10,。,（,4,）耐热性,各种树脂所能承受的温度都有一个高限，超过这个极限，就会发生比较严重的热分解现象，影响交换容量和使用寿命。,（,5,）交联度,交联剂占单体质量的百分数称为,交联度,。,交联度直接影响树脂的性能，交联度越高，树脂的机械强度就越大，对离子的选择性就越强，但交换速度就越慢。,（,6,）选择性,离子交换树脂对水中某种离子能优先交换的性能称为,选择性,，它是决定离子交换法处理效率的一个主要因素。,1,）在低浓度和常温下，离子的交换势（即交换离子与固定离子结合的能力）,随溶液中离子价数的增加而增加,，例如：,Th,4+,Al,3+,Ca,2+,Na,+,2,）在低浓度和常温下，价数相同时，交换势,随原子序数增加而增加,。这是因为原子序数大，水化离子半径小，作用力就强。例如：,Ba,2+,Sr,2+,Ca,2+,Mg,2+,3,）,交换势随离子浓度的增加而增大,。高浓度的低价离子甚至可以把高价离子置换下来，这就是离子交换树脂能够再生的依据。,4,）,H,+,离子和,OH,-,离子的交换势，取决于它们与固定离子所形成的酸或碱的强度，,强度越大，交换势越小。,5,）金属在溶液中呈络阴离子存在时，一般来说交换势降低。,（,7,）化学稳定性,废水中的氧化剂，如氧、氯、铬酸、硝酸等，由于其氧化作用能使树脂网状结构破坏，活性基团的数量和性质也会发生变化。,防止树脂因氧化而化学降解的办法有三种：一是采用高交联度的树脂；二是在废水中加入适量的还原剂；三是使交换柱内的,pH,值保持在,6,左右。,除了上述几项指标外，还有树脂的外形、粘度、耐磨性、在水中的不溶性等。,（,8,）离子交换容量,交换容量,是树脂交换能力大小的标准，可以用重量法和容积法两种方法表示。,重量法,是指单位重量的干树脂中离子交换基团的数量，用,mmo1/g,或,mo1/g,来表示。,容积法,是指单位体积的湿树脂中离子交换基团的数量，用,mmol/L,或,mol/m,3,树脂来表示。由于树脂一般在湿态下使用，因此常用的是容积法。,全交换容量,是指树脂中活性基团的总数。,工作交换容量,是指在给定的工作条件下，实际所发挥的交换容量，实际应用中由于受各种因素的影响，一般工作交换容量只有总交换容量的,60,70,。,3,、水质对树脂交换能力的影响,1,）悬浮物和油脂,废水中的悬浮物会堵塞树脂孔隙，油脂会包住树脂颗粒，都会使交换能力下降。因此当这些物质含量较多时，应进行预处理。预处理的方法有过滤、吸附等。,2,）有机物,废水中某些高分子有机物与树脂活性基团的固定离子结合力很大，一旦结合就很难进行再生，结果是降低树脂的再生率和交换能力。,3,）高价金属离子,废水中,Fe,3,、,A1,3,、,Cr,3,等高价金属离子能引起树脂中毒，当树脂受铁中毒时，会使树脂颜色变深。,从阳离子树脂的选择性可看出，高价金属离子易为树脂吸附，再生时难于把它洗脱下来，结果会降低树脂的交换能力。,为了恢复树脂的交换能力可用高浓度酸长时间浸泡。,4,）,pH,值,强酸和强碱树脂的活性基团的电离能力很强，交换能力基本上与,pH,值无关。,但弱酸性树脂在,pH,值低时不电离或部分电离，因此，在碱性条件下，才能得到较高的交换能力。,而弱碱性树脂在酸性溶液中才能得到较大的交换能力。,螯合树脂对金属的结合与,pH,值有很大关系，每种金属都有适宜的,pH,值。,5,）水温,水温高虽可加速离子交换的扩散，但各种离子交换树脂都有一定的允许使用温度范围。,6,）氧化剂,废水中如果含有氧化剂（如,Cl,2,、,O,2,、,H,2,Cr,2,O,7,等）时，会使树脂氧化分解。强碱性阴树脂容易被氧化剂氧化，使交换基团变成非碱性物质，可能完全丧失交换能力。氧化作用也会影响交换树脂的本体，使树脂加速老化，结果使交换能力下降。,4,、离子交换装置,离子交换装置,固定床,单层床,双层床,混合床,连续床,移动床,流动床,交换,反洗,再生,清洗,离子交换的运行操作步骤,交换：,利用离子交换树脂的交换能力，从废水中分离脱除需要去除的离子的操作过程,反洗：,反冲洗的目的有二：一是松动树脂层，使再生液能均匀渗入层中，与交换剂颗粒充分接触；二是把过滤过程中产生的破碎粒子和截留的污物冲走。为了达到这两个目的，树脂层在反冲洗时要膨胀,30%-40%,。冲洗水可用自来水或废再生液。,再生：,即交换反应的逆过程。使具有较高浓度的再生液流过树脂，将先前吸附的离子置换出来，从而使树脂的交换能力得到恢复。,再生液的浓度对树脂的再生程度有较大影响,。,清洗：,洗涤残留的再生液和再生时可能出现的反应产物。,再生剂的选择,强酸性阳离子交换树脂可用,HCl,或,H,2,SO,4,等强酸及,NaCl,、,Na,2,SO,4,等再生。,弱酸性阳离子树脂可以用,HCl,、,H,2,SO,4,等再生。,强碱性阴离子交换树脂可用,NaOH,等类强碱及,NaCl,再生，,弱碱性阴离子树脂可以用,NaOH,、,Na,2,CO,3,、,NaHCO,3,等再生。,5,、离子交换法在给水处理中的应用,软化,Na,型阳离子交换柱,除盐,H,型阳离子交换柱,OH,型阳离子交换柱,6,、离子交换法在处理工业废水中的应用,离子交换法近年来被广泛地应用于回收工业废水中的有用物质和去除有毒物质。,【1】,处理含铬废水,含铬废水是一种常见的废水，主要含有以,CrO,4,2-,和,Cr,2,O,7,2-,形态存在的六价铬以及少量的以,Cr,3,+,形态存在的三价铬。经预处理后，可用阳树脂去除三价铬离子和其他阳离子，用阴树脂去除六价铬离子，并可回收铬酸，实现废水在生产中的循环使用。,交换反应如下：,三价铬的交换,六价铬的交换,经阳柱和阴柱处理后，废水中金属离子和六价铬转移到树脂上，树脂上的,H,+,和,OH,-,被置换下来结合成水，因此可以得到纯度较高的水。,树脂失效后，阳柱可用一定浓度的,HCl,或,H,2,SO,4,再生，阴柱可用一定浓度的,NaOH,再生，反应式如下：,为了回收铬酸，可把再生阴树脂得到的再生洗脱液，通过,H,型树脂进行脱钠，即可得到铬酸，反应式为：,脱钠柱失效后可用,HCl,再生，反应式为：,如何实现工业化呢？,含铬废水处理工艺流程,【2】,处理含锌废水,化纤厂纺丝车间的酸性废水主要有,ZnSO,4,、,H,2,SO,4,和,Na,2,SO,4,等，用,Na,型阳树脂交换其中的,Zn,2+,，用芒硝作再生剂，即可得到,ZnSO,4,的浓溶液，反应式为：,含锌废水离子交换处理流程,ZnSO,4,浓缩液可直接回用于酸浴,回收的,ZnSO,4,浓缩液可直接回用于酸浴，交换器出水含有较浓的,H,2,SO,4,和,Na,2,SO,4,，可以作为软化设备的再生剂。,离子交换法的优点是去除离子的效率高，设备比较简单，操作易于掌握等。,存在的问题是目前受到树脂品种、产量、成本的限制，有时树脂的再生和再生洗脱液的处置也是一个难题。,第三节 水中溶解物质的去除,一、水的软化和除盐,二、离子交换法,三、吸附法,四、膜分离技术,第二章 水的物理化学处理方法,吸附是一种物质附着在另一种物质表面上的过程，它可以发生在气液、气固、液固两相之间。在污水处理中，吸附是用多孔性固体吸附剂吸附污水中的一种或多种污染物，达到污水净化的过程。,三、吸附法,1,、吸附的基本理论,（,1,）吸附过程及分类,吸附,是指利用多孔性固体物质吸附废水中某种或几种污染物，以回收或去除某些污染物，使废水得到净化的方法。,具有吸附能力的多孔性固体物质称为,吸附剂,。而废水中被吸附的物质称为,吸附质,。,吸附是一种界面现象，发生在两个相的界面上。,根据吸附剂与吸附质之间作用力不同，可分为,物理吸附、化学吸附,和,离子交换吸附,三种类型。,1,）物理吸附的特点,吸附剂和吸附质之间通过,分子间力,作用所发生的吸附为物理吸附，没有选择性。,物理吸附主要发生在,低温状态,下，放热较小。,可以是单分子层或多分子层吸附。,解吸容易。,影响物理吸附的主要因素是吸附剂表面积和细孔分布,。,2,）化学吸附的特点,吸附剂和吸附质之间发生由化学键力引起的吸附称为化学吸附。,有选择性，即一种吸附剂只对某种或特定几种物质有吸附作用。,吸附时放热量较大；通常需要一定的活化能。,在低温时，吸附速度较小。,吸附牢固，解吸困难。,3,）离子交换吸附的特点,指吸附质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带电点上，并置换出原先固定在这些带电点上的其他离子。,吸附力为静电引力,有一定的选择性,吸附热与物理吸附相近,（,2,）吸附平衡与吸附容量,当废水和吸附剂充分接触后，一方面吸附质被吸附剂吸附，另一方面一部分巳被吸附的吸附质由于热运动的结果，能够脱离吸附剂的表面，又回到液相中去。前者称为,吸附过程,，后者称为,解吸过程,。,当吸附速度和解吸速度相等时，即单位时间内吸附的数量等于解吸数量时，则吸附质在液相中和吸附剂表面上的浓度都不再改变，此时称为达到,吸附平衡,。,达到吸附平衡时吸附质在液相中的浓度称为,平衡浓度,。,吸附容量,是指单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的质量，一般用,q,表示，单位,mg/g,或,g/g,。,如果用,V,表示废水体积；,0,和,e,分别表示,初始浓度和平衡浓度,；,m,表示吸附剂的,质量,，则：,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吸附质的数量。,第一个阶段称为颗粒外部扩散（又称为膜扩散）阶段，吸附质从溶液中扩散到吸附剂表面；,第二阶段称为孔隙扩散阶段，吸附质在吸附剂孔隙中继续向吸附点扩散；,第三阶段称为吸附反应阶段，吸附质被吸附在吸附剂孔隙内的表面上。,2,、吸附的操作及设备,(1),吸附操作的分类,按吸附操作过程中废水的,流动状态,，可把吸附操作分为,静态吸附,和,动态吸附。,废水在不流动条件下进行吸附操作为,静态吸附操作,。,静态吸附操作工艺过程是把一定量的吸附剂投入欲处理的废水中，不断地进行搅拌达到吸附平衡后，再用沉降或过滤的方法使废水与吸附剂分开。,静态吸附操作是间歇式操作。有时需要进行多次。,如一次吸附后出水水质达不到要求时，往往采用多次静态吸附操作。由于多次吸附操作麻烦，在废水处理中应用较少。,静态吸附,动态吸附操作,是废水在流动条件下进行的吸附操作。,动态吸附操作是连续的过程。一般是废水连续通过一定厚度的活性炭床层，使废水中的污染物吸附在活性炭中。,从处理设备的类型上，可以分成,固定床方式,、,移动床方式,和,流化床方式,。,动态吸附,固定床是废水处理中常用的吸附装置。让废水连续地通过填充吸附剂的设备。这种动态吸附设备中，吸附剂在操作过程中是固定的，所以叫,固定床,。固定床根据水流方向又分为,升流式,和,降流式,两种。,降流式,出水水质较好，水头损失较大，易堵塞。,升流式,水头损失小，运行时间较长。不易堵塞，但吸附剂易流失。,固定床,固定床吸附塔示意图,粒状活性炭吸附层,固定床的操作是间断的，因为吸附饱和后需要更换新炭。,移动床,移动床,的运行操作方式是原水从吸附塔底部流入和吸附剂进行,逆流接触,，处理后的水从塔顶流出，再生后的吸附剂从塔顶加入，接近吸咐饱和的吸附剂从塔底排出，即,吸附剂由上而下移动,，所以称为移动床。,按吸附剂排出的方式又分为,间歇移动床,和,连续移动床,。,移动床充分利用吸附剂的吸附容量，水头损失小。,移动床吸附塔构造示意图,粒状活性炭吸附层,去再生系统,新的或再生后的活性炭,移动床的进出水是连续的，活性炭的进出可以是连续的也可以是间断的,流动床,流动床也叫做流化床。吸附剂在塔中处于膨胀状态，塔中吸附剂与废水逆向连续流动。,可使用小颗粒的吸附剂，吸附剂一次投量较少，不需反洗，设备小，生产能力大，预处理要求低。,运转中操作要求高，不易控制，同时吸附剂的机械强度要求高。,3,、影响吸附的因素,（,1,）吸附剂性质的影响,1,）比表面积,单位重量吸附剂的表面积称为比表面积。吸附剂的粒径越小，或是微孔越发达，其比表面积越大。吸附剂的比表面积越大，则吸附能力越强。,2,）孔结构,吸附剂内孔的大小和分布对吸附性能影响很大。,孔径太大，比表面积小，吸附能力差。,孔径太小，则不利于吸附质扩散，并对直径较大的分子起屏蔽作用。,（,2,）吸附质的性质,不饱和较饱和物质更容易被吸附,对长链有机物的吸附优于对短链有机物的吸附,对溶解度低的物质的吸附优于对溶解度高的物质的吸附。,对非极性分子的吸附优于对极性分子的吸附,如活性炭对有机酸的吸附量按,甲酸,乙酸,丙酸,丁酸,的次序而增加。,4,、吸附剂,工业吸附剂必须满足下列要求,:,（,a,）吸附能力强；,（,b,）吸附选择性好；,（,c,）吸附平衡浓度低；,（,d,）容易再生和再利用；,（,e,）机械强度好；,（,f,）化学性质稳定；,（,g,）来源广；,（,h,）价格低。,一般工业吸附剂难于同时满足这八个方面的要求，应根据不同的场合选用。,活性炭,活性炭是一种非极性吸附剂。,是由含炭为主的物质为原料，经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。,外观为暗黑色，有,粒状,和,粉状,两种，目前工业上大量采用的是粒状活性炭。,活性炭主要成分除碳外，还含有少量的氧、氢、硫等元素，以及水分、灰分。,具有良好的吸附性能和稳定化学性质，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。,大孔,微孔,溶剂和吸附质均可进入的区域,溶剂和小吸附质可进入的区域,只有溶剂可进入的区域,活性炭的微孔结构,小孔,2nm,过渡孔,2,100nm,大孔,100,10000nm,比表面积,500-1700m,2,/g,活 性 炭,吸附剂再生的目的，就是在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，用某种方法将吸附质从吸附剂的细孔中除去，以便能够重复使用。,加热再生法,高温加热再生过程主要分五步进行,:,脱水 干燥 碳化 活化 冷却,4,、吸附剂的再生,5,、吸附法处理废水的应用,应用范围,：,脱色，除臭味，脱除重金属、各种溶解性有机物和放射性元素等。,作为离子交换、膜分离等方法的预处理，以去除有机物、胶体物及余氯等，,作为二级处理后的深度处理手段，保证回用水的质量。,案例,1,：,某石油化工厂采用活性炭吸附法进行炼油废水深度处理，处理水量,600m,3,/h,，原水,COD,平均为,90mg/L,，出水,COD,要求小于,30mg/L,。采用移动床吸附塔，主要设计参数为：空塔速度,10m/h,，接触时间,30min,，通水倍数,6m,3,/kg,，碳层密度,0.5t/m,3,。,采用,4,塔并联，每个吸附塔面积：,则，吸附塔直径取,4.5m,吸附塔高度,每个吸附塔装填活性炭体积,每个吸附塔装填活性炭重量,每日需炭量,案例,2,：,美国加利福尼亚某污水处理厂采用如下工艺处理,初次沉淀,曝气,二次沉淀,化学,除磷脱氮,砂滤,活性炭,吸附,氯消毒,处理,处理水量,2.85,万,m,3,/d,，其活性炭吸附塔的主要处理效果如下表：,项目,进水,mg/L,出水,mg/L,去除率,%,吸附容量,kg/kg,COD,20,10,50,0.4,BOD,5,4,1-3,25-75,-,色度,14,5-6,50,-,案例,3,：,铁路货车运输的货物品种多样，如牲畜、化肥、食品、农药等，其洗刷废水水质成分复杂。某车站采用混凝沉淀、过滤和活性炭吸附法处理货车洗刷废水，工艺流程图如下：,格栅,沉砂井,调节池,斜管,沉淀池,砂滤池,活性炭,吸附,氯消毒,处理,碱式氯化铝,浓缩池,污泥,干化场,外运,废水量,120m,3,/d,，经混凝沉淀和砂滤后，,COD,、,SS,、浊度、硫化物及挥发酚等大部分可被去除，但有机磷去除效果不明显，经活性炭吸附处理后，各项指标都达到了排放标准。,pH,值,COD,悬浮物,挥发酚,浊度,有机磷,砷,氰化物,硫化物,原水,8.5,552,556,0.152,160,0.16,0.09,0.011,2.95,进水,7.4,9.8,47,0.046,15,0.12,0.02,0.003,0,出水,7.9,23.6,24,0.002,2,0,0,0,0,第三节 水中溶解物质的去除,一、水的软化和除盐,二、离子交换法,三、吸附法,四、膜分离技术,第二章 水的物理化学处理方法,四、膜分离技术,主要内容：,1,、膜分离法的分类和应用范围,2,、电渗析,3,、反渗透,4,、超过滤,1,、概述,膜分离法,是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。,溶剂透过膜的过程称为,渗透,。,溶质透过膜的过程称为,渗析,。,几种主要膜分离法的特点：,膜过程,推动力,传质机理,透过物及其尺寸,截留物,膜类型,电渗析,电位差,离子选择性透过,溶解性无机物,非电解质大分子,离子交换膜,反渗透,压力差,2-10MPa,溶剂的扩散,水或溶剂,溶质、盐、,SS,非对称膜,纳滤,压力差,0.4-1.0MPa,筛滤及表面作用,水、部分盐,高价离子、有机物、,SS,非对称膜,超过滤,压力差,0.1-0.4MPa,筛滤及表面作用,水、盐及部分有机物,胶体大分子、蛋白质,非对称膜,微滤,压力差小于,0.1MPa,筛滤及表面作用,水、盐及有机物,SS,、细菌等,非对称膜,膜分离技术有以下共同的特点：,（,a,）膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。,（,b,）膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩；,（,c,）装置简单，操作简单，控制、维修容易，且分离效率高。与其它水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点；,（,d,）目前膜的成本较高，所以膜分离法投资较高，有些膜对酸或碱的耐受能力较差。所以目前膜分离法在水处理中一般用于回收废水中的有用成分或水的回用处理。,2,、电渗析,a,、原理,电渗析,的原理是在直流电场的作用下，依靠对水中离子有选择透过性的,离子交换膜,，使离子从一种溶液透过离子交换膜进入另一种溶液，以达到分离、提纯、浓缩、回收的目的。,电渗析过程示意图,阳膜,只允许阳离子通过,阴膜,只允许阴离子通过,电极,浓水,淡水,出水时,阳离子,阴离子,进水时,进水,浓水室,淡水室,b,、离子交换膜,常用的离子交换膜按其选择透过性可分为,阳膜、阴膜、复合膜,等数种。,阳膜,含有阳离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有负电，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其通过。,阴膜,含有阴离子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离子并使其通过。,复合膜,复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做成，具有方向性的电阻。,当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，,正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻。,当膜的朝向与上述相反时,，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。,c,、电渗析的应用,处理碱法造纸废液，从浓液中回收碱，从淡液中回收木质素；,从含金属离子的废水中分离和浓缩重金属离子，然后对浓缩液进一步处理或回收利用；,从放射性废水中分离放射性元素；,从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化纳；,处理电镀废水和废液等，含,Cu,2+,、,Zn,2+,、,Cr,6+,、,Ni,2+,等金属离子的废水都适宜用电渗析法处理,阳极反应式：,阴极反应式：,海水淡化电渗析法示意图,3,、反渗透,开始时两边液面相同,由于浓度差存在，半透膜又不允许溶质通过，所以水透过膜，使浓水一边液面升高，产生渗透压,在浓水边加压，当压力超过渗透压时，则水透过半透膜，即反渗透，实现净化过程。,半透膜,反渗透膜的分类,按成膜材料,可分为,有机膜,和,无机高聚物膜,；,按膜的形状,可分为,平板状,、,管状,、,中空纤维状,膜；,按膜结构,可分为多孔性和致密性膜，或,对称牲,(,均匀性,),和,不对称性,(,各向异性,),结构膜；,按应用对象,可分为海水淡化用的,海水膜,、咸水淡化用的,咸水膜,及用于,废水处理,、,分离提纯,等的膜。,醋酸纤维素膜的结构及性能,膜的结构,醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子化合物。,外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜厚,l00,250,m,。,这种膜有不对称结构，表面结构致密，孔隙很小，通称为表皮层或致密层、活化层；下层结构较疏松，孔隙较大，通称为多孔层或支撑层。,醋酸纤维素膜的结构示意图,99,表皮层，孔径,（,8,10,）,10,10,m,过渡层，孔径,20010,10,m,多孔层，孔径,（,1000-4000,）,10,10,m,1%,反渗透装置,工业生产中使用的膜分离设备是由多个构造相同的单个装置组合而成的，一般把构成设备的相同的装置称为,膜组件,。,反渗透膜组件有,板框式,、,管式,、,螺旋卷式,和,中空纤维式,等四种。,（,a,）板框式反渗透膜组件装配图,进水,透过水,浓缩水,耐压容器,透水板,半透膜,板框式膜组件工作过程示意图,特点：,结构简单，体积比管式的小。,（,b,）管式反渗透膜组件,管式膜组件又分为内压式和外压式,内压式管式膜组件的内部结构示意图,特点,:,水力条件好，安装、清洗、维修比较方便。,能耐高压，可以处理高粘度的原水。,缺点是膜的有效面积小，装置体积大，而且两端要较多的联结装置。,淡水,淡水,膜表皮层,玻璃纤维管,进水,4,、超过滤,超过滤简称超滤，它同反渗透一样，都是利用膜来分离废水中溶解的物质。,两种方法的共同点在于：,两种过程的动力同是溶液的压力，在溶液的压力下，溶剂的分子通过薄膜，而溶解的物质被阻滞在膜表面上。,两者区别在于：,膜不同：,超过滤所用的膜,(,超滤膜,),较疏松，透水量大，除盐率低，一般用超过滤分离高分子和低分子有机物以及无机离子等，能够分离的溶质分子至少要比溶剂的分子大,10,倍，在这种系统中渗透压已经不起作用了。,反渗透所用的膜,(,反渗透膜,),致密，透水量低，除盐率高，具有选择透过能力，用以分离分子大小大致相同的溶剂和溶质，,机理不同：,超过滤的去除机理主要是筛滤作用。在反渗透膜上分离过程伴随有半透膜、溶解物质和溶剂之间复杂的物理化学作用。,工作压力不同：,超过滤的工作压力低,(0.07,0.7MPa),。,反渗透,所需的工作压力高,(,大于,2.8MPa),。,超过滤技术在废水处理中的应用,在废水处理中，超滤技术可以用来去除废水中的淀粉、蛋白质、树胶，油漆等有机物，以及粘土，微生物等；此外，超滤还可用于污泥脱水，以及用来代替澄清池等。,第四节 水中有害微生物的去除,一、,概述,二、,氯消毒,三、其它消毒法,第二章 水的物理化学处理方法,鼠疫杆菌,霍乱弧菌,一、概述,1,、水中的细菌和病毒,大肠杆菌,2,、消毒目的,消毒主要是杀死对人体健康有害的病原微生物。,对,“,消毒,”,一词的理解，有二点需要强调：,a,、消毒是针对,病原微生物,，并不要求消除或杀灭所有微生物；,b,、消毒是相对的而不是绝对的，一般来说，若能使微生物在消毒过程中的存活概率达到,10,-3,，则认为是消毒合格的。,灭菌：,杀灭或去除,外环境中,一切微生物,的处理称为灭菌。这里所说的一切微生物，包括一切致病的和非致病的微生物，亦包括细菌芽孢和一些原虫。,消毒是相对的而灭菌则是绝对的，意为完全杀灭或去除灭菌物品上的一切微生物。目前国际上规定，灭菌过程必须使物品中的微生物的存活概率减少到,10,-6,。,3,、中国消毒水质标准：,生活饮用水卫生规范（国家卫生部）：,细菌总数：,9 NH,2,Cl,占优,pH=7.0 NH,2,Cl,和,NHCl,2,近似相等,pH6.5 NHCl,2,占优,pH4.4 NCl,3,存在,消毒效果,用氯消毒，,5,分钟内可杀灭细菌达,99%,以上；用氯氨消毒时，相同条件下，,5,分钟内仅达,60%,，接触时间延长到十几小时，才能达到,99%,以上的灭菌效果。,NHCl,2,消毒效果胜过,NH,2,Cl,。低,pH,值时，,NHCl,2,所占比例大，效果好。,NCl,3,作用极差，恶臭，一般自来水中不太可能产生。,生产实践表明，,pH,值越低则消毒作用越强，,HOCl,是消毒的主要因素,。,氯与其它杂质的作用,氯还可以与水中的其他杂质特别是还原性物质起化学作用；,氯与水中有机物生成的副产物（如三氯甲烷、氯乙酸等氯代有机物）致癌。,加氯量可分为两部分：需氯量和余氯。,余氯：包括自由性余氯和化合性余氯。,自由性,余氯（游离性）：,HOCl,、,OCl,-,化合性,余氯：,NH,2,Cl,、,NHCl,2,、,NCl,3,需氯量,=,加氯量,-,余氯,3,、加氯量,不同水质加氯量与余氯量关系,如水中无细菌、有机物和还原性物质等，则需氯量为零。,余氯,a,（,mg/L,）,0,加氯量与余氯量关系,加氯量,c,（,mg/L,）,1,a,1,=,加量,c,(b,1,=0),b,2,a,2,a:,余氯量,b:,需氯量,2,M,当水中有机物较少，并且含很少游离氨氮和含氮化合物时，需氯量满足后出现余氯，且余氯量随着加氯量的增加而增加。,B,H,0,余氯,（,mg/L,）,加氯量（,mg/L,）,C,a,b,化合性余氯,自由性余氯,1,区,折,点,加,氯,A,2,区,3,区,4,区,需氯量,当水中的有机物主要是氮化合物，并成分比较复杂时，需氯量由试验确定,第一区：,水中杂质耗尽氯，余氯量为零。,第二区,：氯与氨反应，有化合性余氯存在（主 要是,NH,2,Cl,），故有一定消毒效果。,第三区,：继续产生化合性余氯，并且随着加氯 量增加，发生下列反应：,2NH,2,Cl+HOClN,2,+3HCl+H,2,O,余氯量反而减少，最后到达,B,点。,第四区,：,水中已没有消耗氯的物质，出现自由性余氯。此段效果最好。,1),加氯机,转子真空加氯机,2),氯瓶,立式氯瓶、卧式氯瓶,3),氯库和加氯间,靠近投氯点，位于主导风向下游，与经常有人值班的车间隔开。,4,、加氯设备,三、其它消毒方法,物理消毒法（加热消毒、紫外线消毒）,臭氧消毒,二氧化氯消毒,其他化学消毒法（重金属消毒、其他氧化剂消毒）,1,、物理消毒法,加热消毒,紫外线消毒,微生物细胞中的核糖核酸（,RNA,）和脱氧核糖核酸（,DNA,）吸收光谱的范围为,240-280nm,，对波长,250-260nm,的紫外线吸收量最大。紫外线消毒灯所产生的光波之波长恰好在此范围内。当紫外光被微生物核酸吸收后，不仅使酸发生突变而阻止其复制、转录，并封锁其蛋白质合成，而且产生自由基，引起光电离，致使微生物细胞死亡，由此达到杀菌目的。,速度快、不影响水的物理化学性质、操作简单；电耗大，不能解决管网污染,O,臭氧能有效地使大肠杆菌失活，其机理是臭氧与其细胞表面物质反应，并通过渗入其细胞膜内且与细胞质物质反应而改变其细胞内,DNA,结构，即使在很低的臭氧浓度下，也仍存有这样作用。,欧洲普遍用臭氧处理饮用水，在美国也逐渐流行。,2,、臭氧消毒法,臭氧消毒不需要很长的接触时间，也不受水中氨氮和,pH,的影响。,臭氧能氧化水中的有机物，可以用于去除水中的铁、锰，并能去除嗅、味和色度，还能完全去除水中的酚。,剩余臭氧量和接触时间决定臭氧的处理效果。,作为消毒剂，不会产生三卤甲烷副产物，杀菌和氧化能力比氯强。,臭氧法基建投资大、耗电量大；但由于臭氧在水中不稳定，易散失，因此在,O,3,之后，往往需要投加少量的氯；需边生产边使用，不能储存；水量和水质变化时，调节臭氧投加量比较困难。,但近年来臭氧化的副作用也开始引起人们的关注。,3,、二氧化氯消毒,在常温下为黄绿色至橘红色气体。,二氧化氯易溶于水，但不和水起化学反应，在水中极易挥发，其水中溶液呈黄绿色，敞开存放时能被光分解，因此不宜贮存，必须在现场边生产边使用；在密闭，避光条件下存放，很稳定，如果轻度酸化则更稳定。,二氧化氯在酸性条件下有很强的氧化性。,ClO,2,气体与,Cl,2,气味相似，易溶于水，溶解度比,Cl,2,高,5,倍，,ClO,2,在水中是纯粹的溶解状态，不与水产发生化学反应，在水的,PH,介于,6-8,时，消毒作用几乎不受影响，这是它与,Cl,2,区别之一，在较高的,PH,值下，消毒能力比,Cl,2,强。,在给水处理中，,ClO,2,的制取方法有两种：,用亚氯酸钠（,NaClO,2,),和氯（,Cl,2,）,制取,用酸与亚氯酸钠反应制取,4,、其他消毒方法,重金属消毒,其他卤素,高锰酸钾等,