摘  要：采用新技術(shù)處理重金屬廢水，本文主要敘述了這新技術(shù)的關(guān)鍵裝置—微孔PE管過濾機(jī)，然后敘述了重金屬廢水的處理效果及相關(guān)的工程計(jì)算方法。由于這技術(shù)的處理效率既高又穩(wěn)定，污泥脫水容易，再生性能非常優(yōu)越，在中國已有1000多家企業(yè)成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：重金屬廢水  微孔塑料管  過濾

1、 概述

我國每天大量排放的工業(yè)廢水中，重金屬廢水占相當(dāng)大比例。機(jī)械、冶金、化工、醫(yī)藥、礦山等行業(yè)都有含鋅、銅、鎳、鉛與鎘等重金屬廢水。重金屬元素在自然條件下不僅不能自然凈化，還會(huì)通過生物鏈途徑不斷富集，對人類健康與環(huán)境安全構(gòu)成愈來愈大的危害，因此，國內(nèi)外均把重金屬廢水作為工業(yè)廢水治理的重點(diǎn)。重金屬廢水有酸性重金屬離子廢水、酸性微溶重金屬鹽廢水、中性重金屬氧化物廢水三大類。酸性重金屬離子廢水的水量最大，占80%以上；電鍍、金屬加工、金屬采礦、冶金等企業(yè)的廢水屬于這一類。

重金屬廢水處理技術(shù)不少，但普遍采用的僅兩大類，即吸附法與化學(xué)法。20世紀(jì)60年代之前的吸附法多數(shù)采用活性炭與沸石等無機(jī)吸附劑，到了70年代盛行有機(jī)離子交換樹脂。由于吸附法性能不穩(wěn)定，成本高，到了80年代，國內(nèi)外逐漸轉(zhuǎn)向化學(xué)法。據(jù)報(bào)導(dǎo)，美國13000家電鍍與金屬加工廠中，1986年就已有75%轉(zhuǎn)化為化學(xué)法。目前國內(nèi)絕大部分采用化學(xué)法處理各種重金屬廢水。

化學(xué)法中有中和法，碳酸鹽法與硫化法等。不管哪一種，化學(xué)處理后的固液分離是一關(guān)鍵操作。目前國內(nèi)外采用的分離裝置，如重力沉降、斜板、氣浮等傳統(tǒng)技術(shù)均難以達(dá)到高效分離；分離后的廢水往往還需二次精濾，方可達(dá)到排放要求，分離下來的固體僅是含固量很少的泥漿，需再用板框壓濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)或離心機(jī)等污泥脫水裝置，以致處理工藝過于復(fù)雜。

微孔PE管壓濾機(jī)處理重金屬廢水是一種新的處理技術(shù)，它將化學(xué)處理后的重金屬廢水直接進(jìn)入微孔PE管壓濾機(jī)進(jìn)行高效精密固液分離。水質(zhì)一次可達(dá)到排放要求；在微孔PE管壓濾機(jī)內(nèi)還進(jìn)行污泥脫水，不需其它脫水裝置，這樣的處理技術(shù)可將化學(xué)法處理工藝大為簡化；不僅水質(zhì)穩(wěn)定可靠，而且投資省、操作簡便、占地面積小、成本低。這一技術(shù)已在國內(nèi)上千家廠的重金屬廢水處理中獲得成功應(yīng)用。

2、 處理工藝

   不同類型的重金屬廢水，其處理工藝流程不完全相同。

2.1中性重金屬氧化物廢水

如Pb₃O₄、CuO、Fe₂O₃等，由于溶解度很小，只要將水中不溶性懸浮液微粒通過微孔PE管壓濾機(jī)濾住即可，其工藝流程如圖1所示。

2.2酸性重金屬離子廢水

   如Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Cr⁶⁺、Cr³+、Ni²⁺及Cd²⁺等；對這些離子廢水，需先進(jìn)行化學(xué)處理，使之形成溶度積最低的化合物，然后采用微孔PE管壓濾機(jī)過濾，水質(zhì)一次就可達(dá)標(biāo)。其工藝流程如圖2所示。

2.3酸性微溶重金屬鹽廢水

   化工生產(chǎn)上此類廢水不少，如PbSO₄、PbC₂O₄等。這類廢水既有大量不溶性重金屬鹽，又有一定量可溶性鹽濾住，然后再按酸性重金屬離子的方法進(jìn)行處理。其流程如圖3所示。

1、 化學(xué)處理

除了中性重金屬氧化物廢水外，其它重金屬廢水均需進(jìn)行化學(xué)處理，使水中重金屬離子形成不溶于水的重金屬化合物。

3.1主要處理方法的原理與計(jì)算

3.1.1中和法  利用OH^-離子與重金屬離子Mn⁺結(jié)合成沉淀的M(OH)_n。

不同金屬氫氧化物的溶度積的值，見表1。

表1 某些金屬氫氧化物的溶度積值KSP

3.1.2碳酸鹽法 利用水中的CO₃2-與水中重金屬離子Mn⁺形成溶度積小的碳酸鹽M₂(CO₃)n,碳酸鹽法一般采用Na₂CO₃、NaHCO₃或CaCO₃等。如用Na₂CO₃或NaHCO₃，溶液中有OH^-，不僅形成金屬碳酸鹽，同時(shí)還形成氫氧化物。若氫氧化物的溶解度小于碳酸鹽的溶解度，則得到幾乎是

氫氧化物，如Fe³⁺、Cr³⁺等屬于此類。若兩者的溶解度差不多，則得到堿式碳酸鹽，如Cu²⁺等。若碳酸鹽溶解度小于氫氧化物溶解度，則形成正碳酸鹽，如Mn²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺等。表2給出某些重金屬鹽的溶度積的值。

表2  某些重金屬鹽的溶度積值KSP

3.1.3硫化法 利用S2^-與水中重金屬離子Mn⁺形成溶度積小的重金屬硫化物，硫化劑一般可用可溶性硫化物(Na2S或NaHS)，也可用微溶性硫化物(FeS或CaS)。表3給出某些重金屬硫化物溶度積的值。

表3  某些重金屬鹽的溶度積值KSP

3.2幾種化學(xué)處理方法比較

3.2.1中和法  優(yōu)點(diǎn)：(1)裝置較簡單，處理效果可靠；(2)成本低；(3)不產(chǎn)生廢氣污染；(4)易于自動(dòng)控制。缺點(diǎn)：(1)PH值范圍小，操作要求較嚴(yán)格；(2)受絡(luò)合劑的干擾大，如廢水中有某種絡(luò)合劑，中和前應(yīng)進(jìn)行還原處理；(3)不能去除Cr⁶⁺,必須預(yù)先進(jìn)行還原形成Cr³⁺,方可進(jìn)行中和反應(yīng)；(4)形成的氫氧化物顆粒細(xì)而粘，壓縮性大，脫水困難。

3.2.2 碳酸鹽法  性能與中和法基本類似，但操作成本較高，應(yīng)用不多。

3.2.3 硫化法  優(yōu)點(diǎn)：(1)硫離子對廢水中重金屬離子的結(jié)合力很強(qiáng)，即使PH值低，也能達(dá)到很高的去除率；廢水中如有氰、氨或其它絡(luò)合劑，也難以干擾硫化反應(yīng)，因此預(yù)先不必進(jìn)行破絡(luò)處理；(2)硫離子對Cr⁶⁺有還原作用，不需預(yù)先另加還原劑進(jìn)行還原反應(yīng)；(3)重金屬的硫化物的顆粒粗，粘性小，脫水容易。缺點(diǎn)：(1)處理過程中易產(chǎn)生H2S，必須使反應(yīng)裝置密閉；(2)廢水排放前，應(yīng)進(jìn)行脫H2S的處理，否則無法排放，這樣裝置復(fù)雜，成本增加。

   目前我國基本都采用中和法，而美國絕大部分采用硫化法。

2、 微孔PE管精密過濾

本技術(shù)處理重金屬廢水的主要特色是采用微孔PE壓濾機(jī)對化學(xué)處理后的重金屬廢水進(jìn)行高效精密固液分離與污泥脫水，取代傳統(tǒng)的分離效率不穩(wěn)定的固液分離裝置。

4.1主要處理裝置與流程

   圖4給出微孔PE管壓濾機(jī)處理重金屬廢水的流程。主要裝置如下：

4.1.1集水池或集水箱  既作廢水集水池，又作化學(xué)反應(yīng)池。

4.1.2微孔PE管壓濾機(jī)  這是本技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，圖5系該過濾機(jī)的主要結(jié)構(gòu)圖。該機(jī)由直立圓柱形殼體組成。殼體內(nèi)平行安裝微孔PE管，濾液通過濾液匯總管引起過濾機(jī)外。利用壓縮空氣進(jìn)行反吹排渣。過濾機(jī)底部是一氣動(dòng)快開底蓋，通過左右兩個(gè)氣缸快速啟閉底蓋。

4.1.3移動(dòng)式空氣壓縮機(jī)  提供氣源供集水箱化學(xué)反應(yīng)的攪拌，微孔PE管壓濾機(jī)底蓋啟閉，反吹排渣與再生等用。

4.1.4儲(chǔ)氣罐  由于氣動(dòng)排渣時(shí)需短時(shí)內(nèi)（幾分鐘）用大量氣，故利用儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣。

4.1.5料液輸送泵  將化學(xué)反應(yīng)后的料液輸送至微孔PE管壓濾機(jī)內(nèi)進(jìn)行精密過濾。

4.1.6再生液儲(chǔ)罐  微孔PE管壓濾機(jī)經(jīng)長時(shí)間（半年至1年）使用后，微孔被逐漸堵塞，影響正常使用，需利用再生液儲(chǔ)罐內(nèi)的再生液對微孔PE管進(jìn)行動(dòng)態(tài)再生。

4.2微孔PE管精密微孔過濾的主要特色

與其它固液分離技術(shù)比較，微孔PE管精密微孔過濾技術(shù)有如下主要特色：

（1） 過濾分離效率高，不管哪一類重金屬廢水，一次過濾就可達(dá)到排放要求，濾液清澈透明；分離效率不僅高，而且穩(wěn)定，一般不會(huì)波動(dòng)。

（2） 微孔PE管壓濾機(jī)不僅連續(xù)對水進(jìn)行精密過濾，在過濾機(jī)內(nèi)還能污泥脫水；脫水時(shí)間短，渣干度達(dá)30%~40%，不必另備污泥脫水裝置。

（3） 微孔PE管壓濾機(jī)底部具有氣動(dòng)快開底蓋，又利用壓縮空氣快速反吹法排渣，操作迅速、方便，機(jī)械化程度高。

（4） 微孔PE管利用壓縮空氣與水的混合流進(jìn)行經(jīng)常性反吹再生與定時(shí)化學(xué)再生，再生效率高，使用壽命長。

（5） 微孔PE管耐酸、堿、鹽及大部分有機(jī)溶劑，機(jī)械強(qiáng)度高，不易損壞。

（6） 微孔PE管壓濾機(jī)為直立靜止結(jié)構(gòu)，占地面積小，安裝要求低。

（7） 一般為低壓過濾，動(dòng)力消耗省。

4.3微孔PE管精密過濾的主要計(jì)算

4.3.1微孔PE管毛細(xì)孔平均孔徑d孔的選擇可按以下公式計(jì)算：

     
（1）

式中DS—微孔PE管的壁厚(mm)

    μ—濾液粘度[1*10-3kg/(m*s)];

    A,B—與微孔管的壁厚及物料性能有關(guān)的系數(shù)。

對重金屬廢水與壁厚5mm微孔PE管，式(1)可化為：

 
（2）

表4列出某些重金屬化合物的ds值。在不同條件下產(chǎn)生的ds不完全相同；重金屬化合物，尤其氫氧化物還有自動(dòng)絮凝作用，因此表4的數(shù)據(jù)不能作標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，僅僅計(jì)算d孔時(shí)作參考用。

4.3.2微孔PE管壓濾機(jī)的平均過濾能力ψ的計(jì)算

     
（3）如果α*C>Rm，則式（3）成為：

     
 (4)式中ψ—微孔PE管過濾機(jī)平均過濾能力[m3/(m2*h)];

    V—濾液總體積（m3）；

    F—過濾面積（m2）；

    t—過濾總時(shí)間(s)；

    μ—過濾水的粘度[kg/(m*s)]；

    DP—過濾壓差（Mpa）；

    Rm—微孔PE管阻力（1/m）；

    α—濾渣層的平均比阻（1/ m2）；

α同Dp之間符合以下關(guān)系式

     （5）

式中α0、λ、s—系數(shù),同物料性能有關(guān)。重金屬化合物的濾渣一般有一最佳壓差DP佳，可按下式計(jì)算：

 (6)

表4 某些重金屬化合物微粒的ds值

表5給出某些重金屬化合物的比阻α與過濾壓差Dp的關(guān)系式以及Dp佳的計(jì)算式在不同條件下形成的化合物α不完全相同；廢水中如含有其它成分，α也會(huì)變化，因此表5的關(guān)系式僅作參考。

表5  某些重金屬化合物的濾渣α與Dp關(guān)系式及Dp佳值。

4.4微孔PE管壓濾機(jī)的使用效果

應(yīng)用微孔PE管壓濾機(jī)處理各種重金屬廢水的廠國內(nèi)已近千家，絕大多數(shù)應(yīng)用成功。

目前最大處理量的為每天2000~2500t廢水，最小處理量為每天20t。機(jī)械、電子、冶金、化工、輕工、紡織及礦山等等工業(yè)部門的鉻、銅、鉛、鎘等重金屬廢水都有采用。

4.4.1微孔PE管壓濾機(jī)過濾水的質(zhì)量表6給出上海xxx廠電鍍混合廢水的質(zhì)量后水質(zhì)對比數(shù)據(jù)。幾乎所有廠的重金屬廢水經(jīng)過濾后都達(dá)到這一效果。由表6可見，過濾后水中的重金屬離子的濃度遠(yuǎn)低于國家規(guī)定的排放濃度。過濾效率不僅高，而且能長期保持穩(wěn)定。

4.4.2微孔PE管過濾機(jī)的過濾流速  上海xx廠使用1臺(tái)微孔PE管壓濾機(jī)過濾含鉻廢水化學(xué)處理后的Cr(OH)₃，過濾面積F=12.5m2，過濾壓差Dp=0.2Mpa，濾渣體積濃度C=0.067，濾液粘度μ=1*10-3kg/(ms)，比阻α=1.26*1015，過濾介質(zhì)Rm=5*10101/m。

式(3)或(4)可用于計(jì)算微孔PE管壓濾機(jī)的平均濾速，由于α*C>Rm，故用式(4)計(jì)算。

表7列出平均過濾速度ψ的實(shí)測值與計(jì)算值的對比，兩者相當(dāng)接近。

3、 結(jié)語

5.1微孔PE管壓濾機(jī)處理重金屬廢水是一高效與可靠的新技術(shù)，適宜于所有的重金屬廢水，尤其適宜于中、小規(guī)模的廢水處理。

5.2本文提出的計(jì)算設(shè)計(jì)方法完全可用于本技術(shù)的工程設(shè)計(jì)。

表6 上海XXX廠電鍍混合廢水過濾前后水質(zhì)對比

表7  微孔PE管壓濾機(jī)平均過濾速度ψ的實(shí)測值與計(jì)算值

參  考  文  獻(xiàn)

1、宋顯洪：重金屬氫氧化物過濾的研究，《水處理技術(shù)》1987 Vol.13 No.1.pp25-28

2、Robert.W.Petere and Young Ku:Removal sulfides from water and waste water by active carbon.《Reaction polymers ion exchange sorbents》1987 Vol5.No.1    pp93-104

3、宋顯洪等：濾餅過濾的設(shè)計(jì)與計(jì)算，《第一屆全國非均相分離會(huì)議論文集》1987年7月pp106-110

4、湯鴻霄：用廢水化學(xué)基礎(chǔ)，中國建筑工業(yè)出版社1979年5月

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