第二节　常规分离单元

一、介质过滤

介质过滤是利用介质材料拦截水中颗粒物，是一种常用的水处理方法，一般用于去除废水中少量的颗粒物。普通过滤采用粒状滤料，常用的滤料为石英砂、无烟煤和核桃壳，普通过滤出水悬浮物浓度一般可达到5mg/L，滤速为6～10m/h^［2］。有时为了提高周期制水量和滤速，也有采用双层滤料的，双层滤料通常由无烟煤和石英砂构成。通常介质过滤采用重力流方式，但为了保证系统密封性或提高滤速，也有采用加压过滤方式的。目前，除了传统的现场浇灌过滤池（V形滤池、D形滤池）外，各种成型的标准化过滤罐的使用也越来越普遍。

近年来，为了提高过滤效率，国内外开发出了各种各样的滤料。纤维束滤池是一种结构先进、性能优良的重力式过滤系统，采用一种新型的纤维束软填料取代传统石英砂作为滤料，替代石英砂发挥过滤作用。纤维滤料的直径可达几十微米甚至几微米，具有比表面积和表面自由能大（纤维束d50μm，80000m²/m³；石英砂d1000μm，6000m²/m³）、过滤阻力小、滤速高、截污容量高等优点^［3］。

纤维束滤池由池底、滤料、滤板、布水系统、布气系统、纤维密度调节装置、反冲洗泵等组成^［4］。纤维的一端固定在滤床的底部，废水从上部进入滤床，反冲洗的气和水从底部进入，由于纤维被固定在滤床上，所以反冲洗强度可以很大。在滤池内设有纤维密度调节装置，目的是针对实际运行的水质和过滤要求对纤维束滤料的密度进行调节，以充分发挥纤维滤料的特点。高效纤维滤池运行时，纤维密度调节装置控制一定的滤层压缩量，使滤层孔隙度沿水流方向逐渐缩小，密度逐渐增大，相应滤层孔隙直径逐渐减小，实现了理想的深层过滤。当滤层达到截污容量需清洗再生时，纤维束滤料在气水脉动作用下即可方便地进行清洗，达到有效恢复纤维束滤料过滤性能的目的。滤层的加压及放松过程无需额外动力，均可通过水力自动实现^［4］。日本奥加诺公司研发的长纤维滤料型滤池（图1-2）的滤速可达20～100m/h，是传统石英砂滤池的3～8倍，且占地面积仅仅是传统石英砂滤池的1/3～1/2。

此外，国内近年来采用滤布滤池的情况也越来越多。滤布滤池技术是一种新型表面过滤技术，它使液体通过一层隔膜（滤料）的机械筛滤，去除悬浮于液体中的颗粒物质^［5］。在技术上可以替代传统的深床过滤设备。与传统过滤技术相比，滤布型滤池具有以下特点：结构紧凑、水头损失小（一般水损≤0.2m）、占地面积少（高程上无需前端设置二次提升泵池）、处理费用低、滤布表面清洗效率高、耗水少等^［6］。

滤布滤池的过滤器隔膜材料有金属织物、以不同方式编织的滤布和多种合成材料，也称为滤布转盘过滤器（见图1-3^［7］）。滤盘设在中空管上，通过中空管收集滤后水；反冲洗装置由反冲洗水泵、管配件及控制装置组成；排泥装置由集泥井、排泥管、排泥泵及控制装置组成。其工作原理如下^［5］：待处理水自外而内以重力流进入滤池，通过滤布过滤，过滤液通过中空管收集。过滤中部分污泥吸附于滤布外侧，逐渐形成污泥层。随着滤布上污泥的积聚，滤布过滤阻力增加，滤池水位上升，当达到预设的清洗水位时，滤盘驱动电机启动，转动滤盘，抽吸水泵通过负压抽吸，将滤布外层附着的污物排走，即使在清洗时仍能实现过滤。过滤期间，滤盘处于静态，有利于污泥的池底沉积。

滤布滤池滤盘数量根据滤池设计流量而定，一般为1～15片，每片滤盘分成6小块，滤布表面清洗效率高，耗水少^［5］。滤布一般采用纤维滤布，平均孔径≤10μm。其过滤效果与砂滤相当，SS的一般设计进水浓度为30mg/L以下，出水浓度≤10mg/L^［6］。一般清洗间隔时间为1～2h，清洗历时1min左右，清洗水量仅为处理水量的1%～3%。

水处理领域应用较多的滤池有V形滤池、D形滤池、活性砂滤池及转盘滤池等。各种滤池各有优缺点，对各种滤池进行技术经济综合比较，结果见表1-1^［7］。表1-1表明，滤布转盘滤池一次性工程投资较高，但运行费用最低，占地面积小，运行维护管理方便。

二、化学沉淀法

化学沉淀法作为传统的废水处理方法得到了较多的应用，尤其是针对含重金属废水（机械加工业、矿山冶炼和部分化工企业等废水）的处理。除重金属废水的处理以外，化学沉淀法亦被广泛应用在各种工业废水中氮的去除和回收，如：通过将镁盐和磷酸盐加入焦化蒸氨废水中回收氨氮，生成的白色晶体粉末状磷酸铵镁（MgNH₄PO₄·6H₂O）沉淀（又称鸟粪石，MAP）作为高效的缓释肥为植物生长过程提供必需的N、Mg、P元素。

根据沉淀类型的不同，针对重金属去除和回收的化学沉淀法可分为中和沉淀法、絮凝沉淀法、硫化物沉淀法和铁氧化体法^［8，9］。

1.中和沉淀法

中和沉淀法又称氢氧化物沉淀法，是一种应用较广的方法。其原理是：当重金属废水中加入碱后，其中的金属阳离子以氢氧化物或盐（亚砷酸钙、砷酸钙等）的形式沉淀析出。但如果废水中的重金属离子以络合物形式存在，中和沉淀后水中重金属离子含量仍有可能超标。常用的沉淀剂有NaOH、CaCO₃、Ca（OH）₂、CaO等。从成本角度考虑，一般工业上处理含有重金属离子废水时多采用的沉淀剂为CaCO₃、Ca（OH）₂或CaO。pH值是影响重金属沉淀的关键因素之一。pH值控制过低时，重金属离子不能完全沉淀析出；pH值控制过高时会出现金属氢氧化物的反溶，使水溶液中的重金属离子含量增高。虽然中和沉淀方法处理含重金属的废水具有技术成熟、投资少、处理成本低、适应性强、管理方便、自动化程度高等诸多优点，但是该方法存在的不足是产生重金属污泥，并可能产生二次污染。沉淀氢氧化物溶度积常数较大的重金属离子时需要将pH值调整到10～11，而处理后排放时又需外加酸将pH值调回6～9，增加了处理成本。

氢氧化物处理废水后的固液分离，完全依赖于沉淀的重力作用，其最终沉降速度取决于沉淀的形状、粒径、密度以及废水的浓度和黏度。如何改善絮凝、混凝沉降效果成为氢氧化物沉淀法的一个研究方向。另外，石灰以石灰粉形式或是分段加入，可改进固液分离效果^［10］。改平流池、浓缩池为斜管、斜板澄清池、加速澄清池等可以提高固液分离效率。为进一步去除上述设备处理后的溢流液中的悬浮物可再加砂滤池等。

目前，处置沉淀渣的方法主要有：送尾矿库与尾矿混堆，送往废石堆堆存，单独建库堆存及综合利用等。综合利用沉淀渣常见的工艺有：①部分沉淀渣泥返回处理流程，如北京矿冶研究总院已完成了多项HDS（高浓度泥浆）工艺工业实验、工程设计及项目实施，江西铜业集团公司德兴铜矿废水处理站采用HDS工艺改造、铜化集团新桥铁矿废水处理站改造、韶关冶炼厂废水处理工业实验、新建葫芦岛锌厂污酸废水处理工程等；②固化沉淀渣，如制砖、水泥等，不仅解决了沉渣的出路，还节省制砖、水泥用土；③充填，如遂昌金矿采用以干尾砂为充填物料，完全用沉淀渣浆作为造浆水的方案，可处理全部沉淀渣浆；④湿法处理沉淀渣以回收有用金属。

2.絮凝沉淀法

絮凝沉淀法借助加入或利用废水中原有的Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺和Mg²⁺等离子，并加入碱且调节pH值至适当水平生成氢氧化物胶体，并与水中的重金属离子进一步反应生成难溶盐化合物的方式去除或回收金属。具体的方法有石灰-铝盐法、石灰-高铁法、石灰-亚铁法^［11］。

刘小澜等^［12］采用化学沉淀剂MgCl₂·6H₂O和Na₂HPO₄·12H₂O（或MgHPO₄·3H₂O）与焦化废水中的N反应，生成磷酸铵镁沉淀，探讨了不同操作条件对氨氮去除率的影响。在pH值为8.5～9.5的条件下，投加的药剂Mg²⁺∶N∶P（摩尔比）为1.4∶1∶0.8时，废水氨氮的去除率达99%以上，出水氨氮的质量浓度由2000mg/L降至15mg/L。

3.硫化物沉淀法

常用的硫化物沉淀剂有Na₂S、NaHS、H₂S等。硫化物沉淀法对pH值条件要求苛刻。只有当溶液的pH值大于硫化物沉淀平衡pH值时，金属硫化物沉淀才可以析出，pH值低时会生成有毒的H₂S气体。此外，控制溶液的pH值还可以选择性地沉淀析出溶度积较小的金属硫化物。在处理酸性含重金属离子的废水中，硫化物沉淀法具有许多优点：①可以选择性地回收废水中的金属，生产金属硫化物产品，收益可以抵消水处理成本；②处理后的出水可以循环使用或者达标排放；③与中和沉淀法结合使用，硫化物沉淀法可以减少石灰的用量及硫酸钙渣的产生，同时可减少伴随石灰产生的二氧化碳排放量；④硫化物沉淀法回收重金属的成本随浓度变化较小，和同样规模的石灰处理系统相比，投资成本较低。

但是，由于硫化物沉淀剂本身在水中残留，遇酸后生成H₂S气体，产生二次污染，需要采用相关的尾气吸收及净化装置来控制或消除H₂S污染。当投加的硫化物沉淀剂过量时还会导致水溶性多硫化物的生成，从而降低重金属离子的去除效率。此外，由于硫化物沉淀细小，不易沉降，应考虑添加助凝剂使之形成大絮体后共沉降。

4.铁氧化体法^［13］

铁氧化体法是化学沉淀法中一个新型的工艺，它是1973年由日本电气公司（NEC）首先提出的一种处理含重金属离子的方法，其原理是通过向废水中投加铁盐，并控制工艺条件，使废水中的铁氧化体包裹重金属离子并将其夹带进入铁氧体的晶格中，形成复合铁氧体，最后通过固液分离的手段一次性将废水中的多种重金属离子去除。按照产物生成过程的不同，可以将铁氧化法分为中和法和氧化法两种。中和法是将Fe²⁺与铁氧溶液混合，在一定条件下通过碱的中和作用直接形成尖晶石型铁氧体；氧化法则是通过Fe²⁺与其他可溶性重金属离子溶液混合，调节pH值后曝气，将Fe²⁺部分氧化而形成晶石型铁氧体。

铁氧化体法具有良好的重金属废水处理效果，尤其是针对工业生产过程中产生的含有多种重金属离子的废水。在自然条件下，铁氧法工艺不仅产生的沉渣少，不易二次污染，而且可以将铁氧体作为磁性材料进行回收利用。但是铁氧体的形成过程中一般需要加热，能耗较高。由于多种重金属离子被同时沉淀，铁氧法不能用来回收有用的特有金属。另外，铁氧法还有不适宜处理含Hg和络合物的废水等缺点，且反应温度高、能耗大、不能连续操作、处理时间长、沉淀物不易分离。为此许多学者提出了铁氧体法与其他污水处理方法相结合的工艺，如电偶（GT）-铁氧体法、电解-铁氧体法、铁氧体-高梯度磁分离（HGMS）法、离子交换-铁氧体法、活性炭吸附-铁氧体法、铁氧体-磁流体法等^{［14～16］}。

随着对铁氧体法处理重金属废水工艺的深入研究，日本又发明了铁氧体法处理含重金属废水的反应器^［14］。国外还出现了一种将过滤吸附和铁氧体法结合的工艺。日本电气公司发明了用超声波作用使铁氧体粗粒化，而易于进行固液分离的废水处理新方法^［17］。目前，铁氧体工艺正由单极向多极和多种工艺复合的趋向发展，与其他处理工艺相结合，互相取长补短，构成新工艺，使重金属废水处理更加完善。

三、吸附和离子交换

1.吸附

吸附法主要用于去除水中溶解态的有机物、重金属离子以及一些无机阴离子等污染物，是一种成熟而简单易行的方法，特别适用于水量大、污染物浓度低的废水。根据吸附的机理不同，主要分为物理吸附和化学吸附^［18］。物理吸附是吸附剂通过分子间力吸附，对溶液pH值依赖性普遍较大^［19］；而化学吸附主要是基于化学键合成作用，吸附力更强。但这两种机理实际上很难完全分开。

对于水中有机物的吸附，最常用的吸附剂是活性炭。活性炭可用于废水的深度处理，也可用于卤代烃等挥发性有机物的去除，但对于极性较强的有机物去除效果较差。用于挥发性有机物去除时，可通过加热再生的方式将吸附的有机物脱除后循环利用。活性炭在应用中主要有粉末活性炭和颗粒活性炭两种形态。使用粉末活性炭时需要考虑活性炭的分离，通常是利用混凝沉淀的方式进行活性炭分离，利用膜进行分离也是一种方式。颗粒活性炭吸附通常是在吸附塔或池中进行，需要定期进行反冲洗，防止炭床的堵塞。

但对于大分子有机物、胶体类有机物，利用铁盐或铝盐的混凝吸附往往是一种比较经济有效的手段。这些金属盐水解形成的羟基氧化物形态通常带有正电，可通过电中和、羟基交换等方式去除带负电荷的有机物。

活性氧化铝是一种表面带有丰富活性羟基的吸附剂，可通过电中和、羟基交换等方式去除水中各种阴离子型污染物，在除砷、除氟方面有较广泛的应用。吸附饱和后可利用硫酸铝进行再生。近年来，羟基氧化铁、稀土类金属氧化物以及铁-铈、铁-锰等复合金属氧化物对砷、氟、磷酸盐等阴离子污染物的高吸附能力也受到关注。

2.离子交换法

离子交换法是指利用离子交换树脂的交换、选择、吸附和催化等功能，去除废水中的有害阴阳离子的过程。通过阳离子与H⁺或者Na⁺，阴离子与OH^-的交换，工业废水中的重金属、贵金属和稀有金属可以被回收，有毒物质被净化，废水中酸性或碱性有机物（如酚、酸、胺）亦可得以去除。因其具有除盐、分离、精制、脱色和催化等功能，被广泛应用于电力、化工、冶金、医药、食品和核工业等部门^［20］。

离子交换树脂是一种含有离子交换基团的交联聚合物，是一种多孔性网状高分子材料。它由基本骨架和以固定离子和可交换离子组成的活性基团组成，不溶于酸碱溶液及各种有机溶剂，具有交换、选择、吸附和催化等功能。每一个树脂颗粒都由交联的具有三维立体空间结构的网络骨架组成，在骨架上连接着许多较为活泼的功能基团。这种功能基团能解离出离子，从而与溶液中的带有相反电荷的离子进行交换^［21］。

根据离子交换树脂所带的活性基团的性质，其可分为强酸型阳离子、弱酸型阳离子、强碱型阴离子、弱碱型阴离子、螯合型、两性及氧化还原型树脂^［22］。

根据离子交换树脂的孔型，其可分为凝胶型和大孔型。凝胶型树脂交换容量大，但孔径小、易堵塞；而大孔型树脂则具有较强的抗有机污染的能力^［23］。

根据合成离子交换树脂单体的不同，其可分为苯乙烯系、丙烯酸系、环氧系、酚醛系和脲醛系等。其中苯乙烯系树脂生产数量最多，应用最广^［23］。

离子交换的程度受以下因素的影响^［1］：①交换离子的价态；②废水中交换离子的浓度；③交换树脂的物理和化学方面特性；④温度。

阳离子交换的容易度为^［17］：

Ra²⁺＞Ba²⁺＞Sr²⁺＞Ca²⁺＞Ni²⁺＞Cu²⁺＞Co²⁺＞Zn²⁺＞Mn²⁺＞U＞Ag⁺＞Cs⁺＞K⁺＞N＞Na⁺＞Li⁺

阴离子交换的容易度为^［17］：

HCr＞Cr＞Cl＞Se＞S＞N＞Br^-＞HP，HAs，Se＞C＞CN^-＞N＞Cl^-＞H₂P，H₂As，HC＞OH^-＞CH₃COO^-＞F^-

离子交换树脂法适宜处理浓度低、排放量大、含有毒金属的废水，其中以危害最大的工业废水之一含汞废水为代表。应用离子交换法处理重金属废水的过程可以分为以下几个步骤^［24］：①废水中的重金属离子通过对流和扩散到达树脂表面的静止液膜；②重金属离子通过静止液膜扩散到树脂表面，并进一步扩散到树脂内部；③浸入树脂的重金属离子与树脂上的活性基团进行交换；④交换下的离子扩散至树脂内部，并通过静止液膜扩散进入溶液；⑤交换下的离子在溶液中对流、扩散。

叶一芳^［25］选用离子交换树脂并经过两年的运行表明：硫化钠-明矾化学凝聚沉淀预处理后，通过离子交换树脂法的二级处理，可使低浓度含汞废水达到排放标准，且能实现封闭循环、连续稳定的运行，排放的废水可以作为冷却水回用。失效后的树脂不再回收，作为汞废渣进行汞的回收，防止了二次污染。因此，应用离子交换法处理低浓度含汞废水，有明显的社会效益和经济效益。

离子交换树脂还在含锌、含铀、含镉废水等含有重金属离子废水分离和提纯金属方面有着广泛的用途。刘宝敏等^［26］应用强酸性阳离子交换树脂去除焦化废水中的氨氮，系统考察了强酸性阳离子交换树脂对高浓度焦化废水中氨氮的吸附行为。实验表明，强酸性阳离子交换树脂对高浓度焦化废水中氨氮具有吸附平衡快、吸附能力强的特点；应用树脂脱除焦化废水中的氨氮，废水流速在0.139～1.667mL/s范围时，对废水中氨氮吸附量和吸附率没有明显影响。树脂失效后，经再生可反复使用。同时也对其吸附去除氨氮的机理进行了分析与阐述。

离子交换技术能去除废水中的重金属，净化后出水中重金属离子浓度远低于化学沉淀法处理后出水中重金属离子的浓度，通过再生，回收再生后溶液，可以实现重金属的回收，降低重金属离子进入环境的风险，同时也避免采用化学沉淀法处理重金属废水时产生的大量污泥，具有较高的经济合理性，对增加可利用资源和改善环境质量具有十分重要的意义。