摘   要： 采用新技術(shù)處理重金屬?gòu)U水，本文主要敘述了這新技術(shù)的關(guān)鍵裝置 —微孔PE管過(guò)濾機(jī)，然后敘述了重金屬?gòu)U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(guó)已有1000多家企業(yè)成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 重金屬?gòu)U水   微孔塑料管  過(guò)濾

1、 概述

我國(guó)每天大量排放的工業(yè)廢水中，重金屬?gòu)U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?gòu)U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(guò)生物鏈途徑不斷富集，對(duì)人類(lèi)健康與環(huán)境安全構(gòu)成愈來(lái)愈大的危害，因此，國(guó)內(nèi)外均把重金屬?gòu)U水作為工業(yè)廢水治理的重點(diǎn)。重金屬?gòu)U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(lèi)。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(lèi)。

重金屬?gòu)U水處理技術(shù)不少，但普遍采用的僅兩大類(lèi)，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(wú)機(jī)吸附劑，到了70年代盛行有機(jī)離子交換樹(shù)脂。由于吸附法性能不穩(wěn)定，成本高，到了80年代，國(guó)內(nèi)外逐漸轉(zhuǎn)向化學(xué)法。據(jù)報(bào)導(dǎo)，美國(guó)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(guó)內(nèi)絕大部分采用化學(xué)法處理各種重金屬?gòu)U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(guó)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(lái)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(guò)于復(fù)雜。

微孔 PE管壓濾機(jī)處理重金屬?gòu)U水是一種新的處理技術(shù)，它將化學(xué)處理后的重金屬?gòu)U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(jiǎn)化；不僅水質(zhì)穩(wěn)定可靠，而且投資省、操作簡(jiǎn)便、占地面積小、成本低。這一技術(shù)已在國(guó)內(nèi)上千家廠的重金屬?gòu)U水處理中獲得成功應(yīng)用。

2、 處理工藝

   不同類(lèi)型的重金屬?gòu)U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 Pb ₃ O ₄ 、 CuO、Fe ₂ O ₃ 等，由于溶解度很小，只要將水中不溶性懸浮液微粒通過(guò)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Cu ²⁺ 、 Zn ²⁺ 、 Pb ²⁺ 、 Cr ⁶⁺ 、 Cr ³ +、Ni ²⁺ 及 Cd ²⁺ 等；對(duì)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(guò)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(lèi)廢水不少，如PbSO ₄ 、 PbC ₂ O ₄ 等。這類(lèi)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?gòu)U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(jiàn)表 1。

表 1 某些金屬氫氧化物的溶度積值KSP

金屬氫氧化物	KSP	金屬氫氧化物	KSP
Al(OH) 3 Cd(OH) 2 Cr(OH) 3 Cu(OH) 2 Fe(OH) 3 Hg(OH) 2 Mn(OH) 2	1.3*10-33 2.8*10-14 6.3*10-31 1.3*10-20 3.2*10-38 4.8*10-26 1.9*10-13	Ni(OH) 2 Pb(OH) 2 Sn(OH) 2 Zn(OH) 2 Au(OH) 3 Ce(OH) 3 Mn(OH) 3	2.0*10-15 1.2*10-15 6.3*10-27 3*10-17 5.5*10-46 6.3*10-22 1*10-36

 

3.1.2碳酸鹽法 利用水中的CO ₃ 2-與水中重金屬離子Mn ⁺ 形成溶度積小的碳酸鹽 M ₂ (CO ₃ )n,碳酸鹽法一般采用Na ₂ CO ₃ 、 NaHCO ₃ 或 CaCO ₃ 等。如用 Na ₂ CO ₃ 或 NaHCO ₃ ，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 Fe ³⁺ 、 Cr ³⁺ 等屬于此類(lèi)。若兩者的溶解度差不多，則得到堿式碳酸鹽，如 Cu ²⁺ 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 Mn ²⁺ 、 Cd ²⁺ 、 Hg ²⁺ 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

金屬氫氧化物	KSP	金屬氫氧化物	KSP
CuCO 3 Cu(OH)CO 3 ZnCO 3 PbCO 3 MnCO 3	2.3*10-10 1.7*10-34 1.4*10-11 7.4*10-14 5*10-10	AgCO 3 CdCO 3 NiCO 3 FeCO 3 HgCO 3	8.1*10-12 5.2*10-12 1.3*10-7 2.1*10-11 8.9*10-17

 

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

金屬氫氧化物	KSP	金屬氫氧化物	KSP
CuS CdS NiS(a) NiS(β) NiS(γ) AgS	6*10-36 8*10-27 3*10-19 1*10-24 2*10-26 6*10-50	PbS ZnS(a) ZnS(β) FeS SnS MnS	1.3*10-28 1.6*10-24 2.5*10-22 6*10-38 1*10-29 1.4*10-15

 

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(jiǎn)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Cr ⁶⁺ ,必須預(yù)先進(jìn)行還原形成Cr ³⁺ ,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(lèi)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(duì)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(duì)Cr ⁶⁺ 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(guò)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(wú)法排放，這樣裝置復(fù)雜，成本增加。

   目前我國(guó)基本都采用中和法，而美國(guó)絕大部分采用硫化法。

2、 微孔PE管精密過(guò)濾

本技術(shù)處理重金屬?gòu)U水的主要特色是采用微孔 PE壓濾機(jī)對(duì)化學(xué)處理后的重金屬?gòu)U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?gòu)U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(guò)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(guò)濾液匯總管引起過(guò)濾機(jī)外。利用壓縮空氣進(jìn)行反吹排渣。過(guò)濾機(jī)底部是一氣動(dòng)快開(kāi)底蓋，通過(guò)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(guò)濾。

4.1.6再生液儲(chǔ)罐  微孔PE管壓濾機(jī)經(jīng)長(zhǎng)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(duì)微孔PE管進(jìn)行動(dòng)態(tài)再生。

 

4.2微孔PE管精密微孔過(guò)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(guò)濾技術(shù)有如下主要特色：

（ 1） 過(guò)濾分離效率高，不管哪一類(lèi)重金屬?gòu)U水，一次過(guò)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(duì)水進(jìn)行精密過(guò)濾，在過(guò)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(kāi)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(zhǎng)。

（ 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(guò)濾，動(dòng)力消耗省。

4.3微孔PE管精密過(guò)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(duì)重金屬?gòu)U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(guò)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(guò)濾機(jī)平均過(guò)濾能力[m3/(m2*h)];

    V—濾液總體積（m3）；

    F—過(guò)濾面積（m2）；

    t—過(guò)濾總時(shí)間(s)；

    μ—過(guò)濾水的粘度[kg/(m*s)]；

    DP—過(guò)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(guò)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?gòu)U水的廠國(guó)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(mén)的鉻、銅、鉛、鎘等重金屬?gòu)U水都有采用。

4.4.1微孔PE管壓濾機(jī)過(guò)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(duì)比數(shù)據(jù)。幾乎所有廠的重金屬?gòu)U水經(jīng)過(guò)濾后都達(dá)到這一效果。由表6可見(jiàn)，過(guò)濾后水中的重金屬離子的濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家規(guī)定的排放濃度。過(guò)濾效率不僅高，而且能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。

4.4.2微孔PE管過(guò)濾機(jī)的過(guò)濾流速  上海xx廠使用1臺(tái)微孔PE管壓濾機(jī)過(guò)濾含鉻廢水化學(xué)處理后的Cr(OH) ₃ ，過(guò)濾面積 F=12.5m2，過(guò)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(guò)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(guò)濾速度ψ的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比，兩者相當(dāng)接近。

 

3、 結(jié)語(yǔ)

5.1微孔PE管壓濾機(jī)處理重金屬?gòu)U水是一高效與可靠的新技術(shù)，適宜于所有的重金屬?gòu)U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(guò)濾前后水質(zhì)對(duì)比

試測(cè)項(xiàng)目	Ni 2+	總 Cr	Cr 6+	Cu 2+	Zn 2+	PH
過(guò)濾前原液 (mg/l)	38	68	66	66	240	5.1
20~25μm 微孔 PE 管過(guò)濾后的水	0.2	0.15	檢不出	0.1	0.2	9
15~20μm 微孔 PE 管過(guò)濾后的水	0.14	0.05	檢不出	0.09	0.12	9

 

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

累計(jì)過(guò)濾時(shí)間 t(s)	平均過(guò)濾速度 [m 3 /(m 2 *h)]		累計(jì)過(guò)濾時(shí)間 t(s)	平均過(guò)濾速度 [m 3 /(m 2 *h)]
	實(shí)測(cè)值	計(jì)算值		實(shí)測(cè)值	計(jì)算值
180 330 630 930 1230 1530 1830 2130	0.60 0.46 0.36 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18	0.601 0.404 0.32 0.264 0.23 0.21 0.19 0.175	2430 3030 3630 4230 4830 7230 9030 18030	0.15 0.15 0.15 0.14 0.14 0.12 0.09 0.03	0.168 0.146 0.134 0.124 0.12 0.095 0.085 0.06

 

參   考  文  獻(xiàn)

1、宋顯洪：重金屬氫氧化物過(guò)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(guò)濾的設(shè)計(jì)與計(jì)算，《第一屆全國(guó)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(guó)建筑工業(yè)出版社1979年5月

 

技術(shù)支持：

如何選擇過(guò)濾設(shè)備 —工況調(diào)查表

常見(jiàn)流體的粘度；

常見(jiàn)顆粒物的大小及設(shè)備選型參考；

常見(jiàn)流體化學(xué)適應(yīng)性表；

選擇過(guò)濾精度時(shí)微米和目數(shù)的關(guān)系；

常見(jiàn)管道尺寸對(duì)照表；

如何挑選合適的過(guò)濾袋 - 過(guò)濾芯 ；

過(guò)濾機(jī)理和形式 ；

過(guò)濾行業(yè)中的常用術(shù)語(yǔ) ；

過(guò)濾行業(yè)常見(jiàn)的單位換算 ；

過(guò)濾的種類(lèi)及模式 ；

過(guò)濾行業(yè)中的一些名詞定義 ；

常見(jiàn)顆粒物粒徑大小 ；

常用壓濾機(jī)濾布分類(lèi) ；

過(guò)濾機(jī)理 ；

幾種過(guò)濾方法能耗分析 ；

幾種金屬顆粒和化合物粒徑分布 ；

顆粒尺寸和對(duì)應(yīng)的過(guò)濾分離方式 ;