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。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
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
金屬氫氧化物 | KSP | 金屬氫氧化物 | KSP |
CuCO3 Cu(OH)CO3 ZnCO3 PbCO3 MnCO3 | 2.3*10-10 1.7*10-34 1.4*10-11 7.4*10-14 5*10-10 | AgCO3 CdCO3 NiCO3 FeCO3 HgCO3 | 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：(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)易于自動控制。缺點：(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：(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：(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)底部是一氣動快開底蓋，通過左右兩個氣缸快速啟閉底蓋。
4.1.3移動式空氣壓縮機(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儲氣罐 由于氣動排渣時需短時內(nèi)（幾分鐘）用大量氣，故利用儲氣罐儲氣。
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再生液儲罐 微孔PE管壓濾機(jī)經(jīng)長時間（半年至1年）使用后，微孔被逐漸堵塞，影響正常使用，需利用再生液儲罐內(nèi)的再生液對微孔PE管進(jìn)行動態(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，一般不會波動。
（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，動力消耗省。
4.3微孔PE管精密過濾的主要計算
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)，僅僅計算d孔時作參考用。
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，可按下式計算：
(6)
表4 某些重金屬化合物微粒的ds值
重金屬 化合物 | Ds (μm) | 重金屬 化合物 | Ds (μm) |
Cr(OH)3 | 0.5~5 | Pb(OH)2 | 2~10 |
Zn(OH)2 | 1~5 | Pb3O4 | 1~5 |
Cu(OH)2 | 0.3~1.5 | V2O5 | 5~9 |
Cd(OH)2 | 0.3~1 | PbS | 2~8 |
Ni(OH)2 | 1~5 | CdS | 3~6 |
Fe(OH)3 | 0.5~2 |
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。
重金屬化合物 | α=α0+λ*Dps | Dp佳(Mpa) |
Cr(OH)3 | α=8.33*1014+ 20091*Dp2.4 | 0.23 |
Pb(OH)2 | α=1.44*1014+7.9 *1026*Dp-3.25 | |
Al(OH)3 | α=3.84*1014+1.66 *109*Dp3.59 | 0.42 |
Fe(OH)3 | α=1.77*1015+3.62 *Dp3.59 | 0.095 |
Cd(OH)2 | α=7.01*1015+4.36 *10-7*Dp5.05 | 0.19 |
Zn(OH)2 | α=4.47*1013+0.593* *Dp3.81 | 0.033 |
Cu(OH)2 | α=2.47*1014+6.19* 10-12*Dp6.66 | 0.054 |
Ni(OH)2 | α=-1.697*1013+6.29 *1010*Dp0.94 | 0.077 |
PbS | α=9.59*109+3.63 *108*Dp1.006 | — |
CdS | α=5.25*1014+7.15 *1019*Dp1.012 | — |
ZnS | α=3.025*1014-2.236 *1018*Dp-1.001 | — |
Cu2CO3×(OH)2 | α=1.4*1014+1.63 *10-20*Dp9.1 | 0.043 |
MnCO3 | α=1.73*1013+4.16 *108*Dp1.2 | 0.27 |
Pb3O4 | α=8.19*1016+1.017 *10-75*Dp24.15 | 0.056 |
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)可用于計算微孔PE管壓濾機(jī)的平均濾速，由于α*C>Rm，故用式(4)計算。
表7列出平均過濾速度ψ的實測值與計算值的對比，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本文提出的計算設(shè)計方法完全可用于本技術(shù)的工程設(shè)計。
表6 上海XXX廠電鍍混合廢水過濾前后水質(zhì)對比
試測項目 | Ni2+ | 總Cr | Cr6+ | Cu2+ | Zn2+ | PH |
過濾前原液(mg/l) | 38 | 68 | 66 | 66 | 240 | 5.1 |
20~25μm微孔PE管過濾后的水 | 0.2 | 0.15 | 檢不出 | 0.1 | 0.2 | 9 |
15~20μm微孔PE管過濾后的水 | 0.14 | 0.05 | 檢不出 | 0.09 | 0.12 | 9 |
表7 微孔PE管壓濾機(jī)平均過濾速度ψ的實測值與計算值
累計過濾時間 t(s) | 平均過濾速度[m3/(m2*h)] | 累計過濾時間 t(s) | 平均過濾速度[m3/(m2*h)] | ||
實測值 | 計算值 | 實測值 | 計算值 | ||
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)計與計算，《第一屆全國非均相分離會議論文集》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
技術(shù)支持：
設(shè)備咨詢前請完善我司工況調(diào)查表，以便我司工程師提供更完善的過濾方案！
常用過濾設(shè)備-流體化學(xué)適應(yīng)性表；
規(guī)范過濾機(jī)濾布的更換、使用和維護(hù)；
