第四章污水的物化处理 §4.1热过程法 废水中的溶解态污染物除了可以用化学转化法进行处理外,还可以利用物化 分离法进行处理。物化分离法种类很多,其中依热量转移来实现处理目的的方法 称热过程法。其中包括蒸发、冷冻、冷却及结晶等法 (1)蒸发:加热废水(有时还兼施以减压)’,使水分子汽化逸出,从而达到制取纯 水和浓缩废水中的溶质的目的。 (2)冷冻:将水温降到冰点以下,使水分子结成冰晶,然后分离冰晶与浓缩液, 同,样可达到制取纯水与浓缩废水中溶质的目的。 (3)冷却:使热废水与冷流体接触,通过传热或蒸发冷却,以降低废水温度。 (4)结晶:通过蒸发浓缩或者降温,使废水中具有结晶性能的溶质:达到过饱和 状态;从而将多余的溶质结晶出来。 上述四种方法中,蒸发、冷冻和结晶都兼有分离和回收有用溶质的目的,而 冷却仅是为了降低废水温度,一般情况下,并不涉及其中溶质的分离和利用问题, 故本章仅讨论前三种方法 §41.1蒸发法 基本原理 水分子逸人大气,变成蒸气的过程,叫做汽化。沸点以下进行的表面汽化叫 做蒸发汽化;沸点时发生的内部汽化过程叫做沸腾汽化。工业上都采用沸腾汽化, 以期获得尽可能大的生产率。沸腾汽化既有传热过程,又有传质过程。根据蒸发 原废水 次蒸气 C什2结水 一次蒸气2 热冷 B,气漆水 前的物料衡算和能量衡算原理,可以推算出有关蒸发操作的基本关系式。 图41蒸发过程物料衡算图式 图4-1为蒸发过程物料衡算图,图中采用蒸气夹套加热废水,使之沸腾蒸发。设 加热蒸气叫做一次蒸气,其量为D,温度为ts;被加热的废水量为G1,溶质的 初浓度为B1,温度为t。废水在蒸发器内沸腾蒸发,逸出的蒸气叫做二次蒸气 经冷凝后变成水,其量为G2,含有的溶质浓度为B2。浓缩液(母液)的量为 G3=G1-G,溶质浓度为B3。根据蒸发前后溶质量不变物料衡算原理,得如下关 系式: GB1=G2B1+G3B3=G2B2+(G1-G2)B3 由此得浓缩后的溶质浓度为 B=(G1B1-G2B2)/G3 废水经蒸发后的污染物富集于浓缩液中,蒸发浓缩倍数为:
第四章 污水的物化处理 § 4.1 热过程法 废水中的溶解态污染物除了可以用化学转化法进行处理外，还可以利用物化 分离法进行处理。物化分离法种类很多，其中依热量转移来实现处理目的的方法 称热过程法。其中包括蒸发、冷冻、冷却及结晶等法。 (1)蒸发：加热废水(有时还兼施以减压)’，使水分子汽化逸出，从而达到制取纯 水和浓缩废水中的溶质的目的。 (2)冷冻：将水温降到冰点以下，使水分子结成冰晶，然后分离冰晶与浓缩液， 同，样可达到制取纯水与浓缩废水中溶质的目的。 (3)冷却：使热废水与冷流体接触，通过传热或蒸发冷却，以降低废水温度。 (4)结晶：通过蒸发浓缩或者降温，使废水中具有结晶性能的溶质：达到过饱和 状态；从而将多余的溶质结晶出来。 上述四种方法中，蒸发、冷冻和结晶都兼有分离和回收有用溶质的目的，而 冷却仅是为了降低废水温度，一般情况下，并不涉及其中溶质的分离和利用问题， 故本章仅讨论前三种方法。 § 4.1.1 蒸发法 一、基本原理 水分子逸人大气，变成蒸气的过程，叫做汽化。沸点以下进行的表面汽化叫 做蒸发汽化；沸点时发生的内部汽化过程叫做沸腾汽化。工业上都采用沸腾汽化， 以期获得尽可能大的生产率。沸腾汽化既有传热过程，又有传质过程。根据蒸发 前的物料衡算和能量衡算原理，可以推算出有关蒸发操作的基本关系式。 图 4-1 蒸发过程物料衡算图式 图 4-1 为蒸发过程物料衡算图，图中采用蒸气夹套加热废水，使之沸腾蒸发。设 加热蒸气叫做一次蒸气，其量为 D，温度为 t。；被加热的废水量为 G1，溶质的 初浓度为 B1，温度为 t1。废水在蒸发器内沸腾蒸发，逸出的蒸气叫做二次蒸气， 经冷凝后变成水，其量为 G2，含有的溶质浓度为 B2。浓缩液(母液)的量为 G3=G1-G2，溶质浓度为 B3。根据蒸发前后溶质量不变物料衡算原理，得如下关 系式： G1B1=G2B1+G3B3=G2B2+（G1-G2）B3 由此得浓缩后的溶质浓度为： B3=（G1B1-G2B2）/G3 废水经蒸发后的污染物富集于浓缩液中，蒸发浓缩倍数为：
a= G.-G. G 蒸发法的丢数举2-马士B2×109%) B 一般条件下,蒸发法去污效率可以达95-999 蒸发过程热量衡算关系: 式中:D一一次蒸汽用量(kgh); 次蒸汽冷凝热(kJ/kg) C一废水比热(kJ/kg·℃); t2、t一分别为废水沸点与原水温度(℃); Y一水的汽化潜热(kJ/kg); 二、蒸发设备 (1)列管式蒸发器(自然循环、强制循环) (2)薄膜式蒸发器 特点 废水仅通过加热管一次,不作循环; 废水在加热管壁上形成一层很薄的水膜 分类: 长管式(升膜、降膜、升-降膜) 旋流式(旋流运动-形成水膜) 旋片式(叶片旋转-形成水膜) 冷却水进口 加热肃气1 废水 出口 冷凝液 浓缩液不凝性气体 1加热室;2-蕊发室,3-挡板分液器,4一浓缩液贮槽,5一旋风分族器:6一冷 凝器,7一冷凝液贮糟,8一离空泵 (3)浸没燃烧式蒸发器 三、蒸发工艺 1、单效蒸发工艺系统,如图4-2。二次蒸气冷凝后排出,不再利用。 图4-2单效真空蒸发流程 蒸发系统多在负压下运行,其优点为:(1)废水沸点降低,从币增大了温度差, 提高了传热效率;(2)可采用低压蒸气或废蒸气作为热源,降低了设备费用:(3) 操作温度低,热损失小,而且设备腐蚀问题容易解决。但缺点是:(1)需设置真 空泵和冷凝器;(2)由于在负压下操作,浓缩液的排出教困难,往往需要将蒸发 室安装于高处
一般条件下，蒸发法去污效率可以达 95-99%。 蒸发过程热量衡算关系： 式中：D—一次蒸汽用量（kg/h）； γ’—一次蒸汽冷凝热（kJ/kg）； C—废水比热（kJ/kg·℃）； t2、t1—分别为废水沸点与原水温度（℃）； γ—水的汽化潜热（kJ/kg）； 二、蒸发设备 （1）列管式蒸发器（自然循环、强制循环） （2）薄膜式蒸发器 特点： 废水仅通过加热管一次，不作循环； 废水在加热管壁上形成一层很薄的水膜； 分类： 长管式（升膜、降膜、升-降膜） 旋流式（旋流运动-形成水膜） 旋片式（叶片旋转-形成水膜） （3）浸没燃烧式蒸发器 三、蒸发工艺 1、单效蒸发工艺系统，如图 4-2。二次蒸气冷凝后排出，不再利用。 图 4-2 单效真空蒸发流程 蒸发系统多在负压下运行，其优点为： (1)废水沸点降低，从币增大了温度差， 提高了传热效率；(2)可采用低压蒸气或废蒸气作为热源，降低了设备费用；（3） 操作温度低，热损失小，而且设备腐蚀问题容易解决。但缺点是：（1）需设置真 空泵和冷凝器；（2）由于在负压下操作，浓缩液的排出教困难，往往需要将蒸发 室安装于高处。 3 1 1 2 1 G G G G G = − = 100(%) 1 1 2 − = B B B 蒸发法的去污效率 1 2 1 2 ' D = G •C(t − t ) + G
接真空系 废水 冷却水 (a)井联式,(b)颗流串联式,(Q)逆濟串联式(1、2、3为一效、二效、三效 的二次蒸气) 2、多效蒸发工艺系统 图4-3多效蒸化发系统运行方式 多效蒸发就是多次利用二次蒸气进行蒸发的工艺。例如,几个蒸发器串联起 来,第一级的二次蒸气通入第二级蒸发器,作为热源;第二级的二次蒸气又通入 第三级作为热源,依次类推。通常把每一蒸发器称为一效,第一个蒸发器称为第 效,第二个蒸发器称为第二效,第n个蒸发器称为第n效。 由于前一效的二次蒸气用来加热后一效的废水,因而前一效的子次蒸气温度 必须高于后一效的废水沸腾温度。或者前一效的蒸气压强必须高于后一效的蒸气 压强(沸点与压强相适应);否则,后一效的沸腾蒸发就无法实现。为此,工程上 大多采用真空操作系统。工程上常用的三种多效蒸发运行系统。见图4-3。 、蒸发法处理废水的应用 1、浓缩放射性废水:放射性废水的常用处理方法是采用蒸发法浓缩,然后将浓 缩液密封固封,让其自然衰变。 2、浓缩高浓度有机废水 3、浓缩和回收废酸、废碱液 §41.2结晶法 结晶法用以分离废水中具有结晶性能的固体溶质。其实质是通过蒸发浓缩或 降温冷却,使溶液达到饱和,让多余的溶质结晶析出,加以回收利用 结晶的原理 结晶和溶解是两个相反的过程。任何固体物质与它的溶液接触时,如溶液未 饱和,固体就会溶解,如溶液过饱和,则溶质就会结晶析出。所以,要使溶液中 的固体溶质结晶析出,必须设法使溶液呈过饱和状态。 固体与其溶液间的相平衡关系,通常以固体在溶剂中的溶解度表示。物质的 溶解度与它的化学性质、溶剂性质与温度有关。一定物质在一定溶剂中的溶解度 主要随温度而变化,压力及该物质的颗粒大小对其影响很小。各种物质的溶解度 数据,都是用实验方法求出的,通常将其绘成与温度相关的曲线,如图44所示
2、多效蒸发工艺系统 图 4-3 多效蒸化发系统运行方式 多效蒸发就是多次利用二次蒸气进行蒸发的工艺。例如，几个蒸发器串联起 来，第一级的二次蒸气通入第二级蒸发器，作为热源；第二级的二次蒸气又通入 第三级作为热源，依次类推。通常把每一蒸发器称为一效，第一个蒸发器称为第 一效，第二个蒸发器称为第二效，第 n 个蒸发器称为第 n 效。 由于前一效的二次蒸气用来加热后一效的废水，因而前一效的子次蒸气温度 必须高于后一效的废水沸腾温度。或者前一效的蒸气压强必须高于后一效的蒸气 压强(沸点与压强相适应)；否则，后一效的沸腾蒸发就无法实现。为此，工程上 大多采用真空操作系统。工程上常用的三种多效蒸发运行系统。见图 4-3。 三、蒸发法处理废水的应用 1、浓缩放射性废水：放射性废水的常用处理方法是采用蒸发法浓缩，然后将浓 缩液密封固封，让其自然衰变。 2、浓缩高浓度有机废水； 3、浓缩和回收废酸、废碱液； § 4.1.2 结晶法 结晶法用以分离废水中具有结晶性能的固体溶质。其实质是通过蒸发浓缩或 降温冷却，使溶液达到饱和，让多余的溶质结晶析出，加以回收利用。 一、结晶的原理 结晶和溶解是两个相反的过程。任何固体物质与它的溶液接触时，如溶液未 饱和，固体就会溶解，如溶液过饱和，则溶质就会结晶析出。所以，要使溶液中 的固体溶质结晶析出，必须设法使溶液呈过饱和状态。 固体与其溶液间的相平衡关系，通常以固体在溶剂中的溶解度表示。物质的 溶解度与它的化学性质、溶剂性质与温度有关。一定物质在一定溶剂中的溶解度 主要随温度而变化，压力及该物质的颗粒大小对其影响很小。各种物质的溶解度 数据，都是用实验方法求出的，通常将其绘成与温度相关的曲线，如图 4-4 所示
a: CO,. 10H, O SO·10HO 混度(℃) 图4-4几种物质的溶解度曲线 由图可见,大多数物质的溶解度随温度的升高而显著增大,如NaNO3、KNO3 等;有些物质的溶解度曲线有折点,这表明物质的组成有所改变,如 Na2SO4·10H2O转变为NaSO4;有些物质如NaSO4和钙盐等的溶解度随温度升 高反而减小;有些物质的溶解度受温度影响很小,如NaCl。 根据溶解度曲线,通过改变溶液温度或移除一部分溶剂来破坏相平衡,而使 溶液呈过饱和状态,析出晶体 、结晶的方法 结晶的方法主要分为两大类:移除一部分溶剂的结晶和不移除溶剂的结晶。 在第一方法中,溶液的过饱和状态可通过溶剂在沸点时的蒸发或在低于沸点时的 汽化而获得,它适用于溶解度随温度降低而变化不大的物质结晶,如NaCl、KBr 等,在第二法中,溶液的过饱和状态用冷却的方法获得,适用于溶解度随温度的 降低而显著降低的物质结晶,如KNO,K4Fe(CN)6·3H2O等。 三、晶体过程的控制 ◆晶核的形成 ◆晶核的长大 晶核的形成速率>晶体的成长速率,晶粒小而多 晶核的形成速率<晶体的成长速率,晶粒大而少
图 4-4 几种物质的溶解度曲线 由图可见，大多数物质的溶解度随温度的升高而显著增大，如 NaNO3、KNO3 等 ； 有些 物质 的溶 解 度曲 线有 折点 ，这 表明 物 质的 组成 有所 改变 ， 如 Na2SO4·10H2O 转变为 Na2SO4；有些物质如 Na2SO4 和钙盐等的溶解度随温度升 高反而减小；有些物质的溶解度受温度影响很小，如 NaCl。 根据溶解度曲线，通过改变溶液温度或移除一部分溶剂来破坏相平衡，而使 溶液呈过饱和状态，析出晶体。 二、结晶的方法 结晶的方法主要分为两大类：移除一部分溶剂的结晶和不移除溶剂的结晶。 在第一方法中，溶液的过饱和状态可通过溶剂在沸点时的蒸发或在低于沸点时的 汽化而获得，它适用于溶解度随温度降低而变化不大的物质结晶，如 NaCl、KBr 等，在第二法中，溶液的过饱和状态用冷却的方法获得，适用于溶解度随温度的 降低而显著降低的物质结晶，如 KNO3，K4Fe(CN)6·3H2O 等。 三、晶体过程的控制 ◆晶核的形成； ◆晶核的长大； 晶核的形成速率>晶体的成长速率，晶粒小而多； 晶核的形成速率<晶体的成长速率，晶粒大而少；