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： 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。 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 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。 浓缩高浓度有机废水； 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。 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；