水污染的处理

为改善环境质量,保护人民健康,对于要送回到环境中的工业废水和生活污水应加以处理,使其达到国家规定的排放标准[11],再行排放。

废水处理的方法很多,各种方法都有其特点和适用范围。较大颗粒悬浮物、夹杂物可用重力分离法、过滤法分离;对不易沉降、很细小的悬浮物和胶态物质(见本章选读材料)可用混凝法;对于可溶性的无机污染物则可用化学反应的方法使其与所加试剂(药品)发生反应,而从废水中分离出去或者改变污染物的性质,也可用离子交换、电渗析、反渗透等方法将它们分离;对于有机污染物,通常采用生物法处理,该法是利用微生物对复杂有机污染物的降解作用,把有毒物质转化为无毒物质,使污水得到净化。实际处理中, 有时需采用几种方法联合使用才能达到要求。下面介绍混凝法和化学法。

  1. 混凝法

水中若有很细小的淤泥及其他污染物微粒存在,它们往往形成不易沉降的胶态物质悬浮于水中。此时可加入混凝剂使其沉降。

铝盐和铁盐是最常用的混凝剂。以铝盐为例,铝盐与水的反应通常可表达如下:

Al3+(aq)+H2O(l)=Al(OH)2+(aq)+H+(aq) Al(OH)2+(aq)+H2O(l)=Al(OH) + (aq)+H+(aq)

水污染的处理 - 图1Al(OH) + (aq)+H O(l) Al(OH) (s)+H+(aq)

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根据平衡移动原理可知,pH 值不同,Al(OH)2+、Al(OH) + 和 Al(OH) 三种

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形态所占比例不同。它们可从三个方面发挥混凝作用:①中和胶体杂质的电荷;②在胶体杂质微粒之间起粘结作用;③自身形成氢氧化物絮状体,在沉淀时对水中胶体杂质起吸附卷带作用。

影响混凝过程的因素有 pH 值、温度、搅拌强度等。其中以 pH 值最为重要。采用铝盐作为混凝剂时,pH 值应控制在 6.0~8.5 的范围内。采用铁盐时,pH 值控制在 8.1~9.6 时效果最佳。

在混凝过程中,有时还同时投加细粘土、膨润土等作为助凝剂。其作用是形成核心,使沉淀物围绕核心长大,增大沉淀物密度,加快沉降速度。

新型的无机高分子混凝剂如聚氯化铝[Al2(OH)nCl6-nxH2O]m,由于净水效果好,价廉,所以普遍采用。近年来发展起来的有机高分子絮凝剂,如聚丙烯酰胺(俗称 3#絮凝剂)能强烈地快速地吸附水中胶体颗粒及悬浮物颗粒形成絮状物,大大加快了凝聚速度。

在实际操作中,有时使用复合配方的混凝剂,净化的效果更为理想。例如,投加铁盐和聚丙烯酰胺的复合配方处理皮毛工业废水,要比单一药剂的效果更好。

  1. 化学法

主要介绍以沉淀反应和氧化还原反应为主的处理方法的原理。

  1. 以沉淀反应为主的处理法对于各种有毒或有害的金属离子可加入沉淀剂与其反应,使生成氢氧化物、碳酸盐或硫化物等难溶物质而除去。常用的沉淀剂有:CaO、Na2CO3、Na2S 等。例如,硬水软化方法之一,是用石灰- 苏打(CaO-Na2CO3)使水中的 Mg2+、Ca2+转变为 Mg(OH)2 和 CaCO3 沉淀而除去。若欲除去酸性废水中的 Pb2+,一般可投加石灰水,使生成 Pb(OH)2 沉淀。废水中残留的 Pb2+浓度与水中的 OH-浓度(即 pH 值)有关。根据同离子效应,加入适当过量的石灰水,可使废水中残留的 Pb2+进一步减少;但石灰水的用量不宜过多,否则会使部分 Pb(OH)2 沉淀溶解(为什么?)。

对于酸性废水,还可加入石灰石、电石渣[主要组分为 Ca(OH)2]等来调节 pH 值。对于碱性废水,可加入废酸或通入烟道气(含二氧化碳或二氧化硫等)来调节 pH 值。也可使酸性废水与碱性废水相互调节,以达到排放标准或去除重金属离子的目的。

又如,含 Hg2+的废水中加入 Na2S,可使 Hg2+转变成 HgS 沉淀而除去。

沉淀转化法也被应用于废水处理。例如,用 FeS 处理含 Hg2+的废水,发生以下反应:

FeS(s)+Hg2+(aq)=HgS(s)+Fe2+(aq)

该反应的平衡常数 K 值相当大(约 7.9×1033,读者可自行计算),因此, 沉淀转化程度很高。

近 年 来 , 在 沉 淀 法 的 基 础 上 发 展 了 吸 附 胶 体 浮 选(absorbingcolloidflotation 简称 ACF)处理含重金属离子废水的新技术。方法是利用胶体物质[如 Fe(OH)3 胶体]作为载体,可使重金属离子(如 Hg2+ 、

Cd2+、Pb2+等)吸附在载体上;然后加入表面活性剂[或称为捕收剂(见第五章选读材料),如十二烷基磷酸钠与正己醇以 1:3 比例的混合物],使载体疏水, 则重金属离子会附着于预先在加压下溶解的空气所产生的气泡表面上,浮至液面而除去。本法与一般沉淀法相比,具有速度快、泥渣量少、重金属离子高度富集等优点。

  1. 以氧化还原反应为主的处理法利用氧化还原反应将水中有毒物转变成无毒物、难溶物或易于除去的物质是水处理工艺中较重要的方法之一。常用的氧化剂有 O2(空气)、Cl2(或 NaClO)、H2O2、O2 等,常用的还原剂有 FeSO4、Fe 粉、SO2、Na2SO3 等。例如,水处理中常用曝气法(即向水中不断鼓入空气), 使其中的 Fe2+氧化,并生成溶度积很小的 Fe(OH)3 沉淀而除去。又如 Cl2 可将废水中的 CN-氧化成无毒的 N2、CO2 等。

对于 Cr2O 2− ,则可加入 FeSO 作还原剂,使发生以下反应:

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Cr2O 2− +6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H O

然后再加 NaOH,调节溶液的 pH 值为 6~8,使 Cr3+生成 Cr(OH)3 沉淀而从污水中除去。

  1. 离子交换法

离子交换法的原理是利用离子交换树脂能与水中杂质离子进行交换反应,将杂质离子交换到树脂上去,达到使水纯化的目的。离子交换树脂是一种人工合成的不溶于水的高分子化合物。按交换的性能,一般可分为阳离子(又称为正离子)交换树脂和阴离子(又称为负离子)交换树脂。它们均由树脂母体(有机高聚物)及活性基团(能起交换作用的基团)两部分组成。阳离子交换树脂含有的活性基因如磺酸基(-SO3H)能以 H+离子与溶液中的金属离子或其他正离子发生交换;阴离子交换树脂含有的活性基团如季胺基[-N(CH3)3OH] 能以 OH-离子与溶液中的负离子发生交换。若以 R 表示树脂母体部分,则阳离子交换树脂可表示为 R-SO3H,阴离子交换树脂可表示为 R-N(CH3)3OH。水中杂质离子(正离子以 M+表示,负离子以 X-表示)与离子交换树脂的交换反应分别可表示如下:

R-SO3H+M+=R-SO3M+H+

R-N(CH3)3OH+X-=R-N(CH3)3X+OH-

  1. 电渗析法和反渗透法

电渗析法和反渗透法都是应用薄膜分离新技术的水处理工艺。电渗析法的原理是在一外加直流电源作用下,水中的正、负离子分别向阴、阳两极迁移。在阴、阳两极之间布置了若干对离子交换膜[一张阳离子交换膜(简称阳膜)和一张阴离子交换膜(简称阴膜)称为一对],由于阳膜只允许正离子通过,阴膜只允许负离子通过,在电场作用下,水中的正离子在向阴极迁移过程中能透过阳膜而不能通过阴膜,负离子在向阳极迁移过程中能透过阴膜而不能通过阳膜。待处理水经这样处理后,造成了淡水区和浓水区,如图 3.4 所示,把淡水汇总引出,可得到较纯的水或称为除盐水。

反渗透法是应用一种强度足以经受所用的高压力,同时又只能让水分子透过,不让待处理水中杂质离子透过的薄膜(半透膜),在相当大的外加压力下,能将纯水从含杂质离子的水中分离出来(见 3.1 节)的工艺。