冶金工业废水处理中泡沫控制技术.pdf

总第 1 9 6期 2 0 1 2年 第4期 河 北冶金 HE BEI M E TAL L UR GY To t a l NO． 1 9 6 2 0 1 2， Nu mb e r4 冶金工业废水 处理 中泡 沫控 制技术 茹振修 ， 柴路修 ， 茹冕 1 ． 中钢集团石家庄设计院， 河北 石家庄 0 5 0 0 2 1 ； 2 ． 北京科技大学， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 介绍了冶金工业废水的特点以及活性污泥生物处理过程中存在泡沫的问题； 分析了泡沫的形成机 理、 影响因素及物理 、 化学、 机械 、 生物法控制泡沫的原理和优缺点； 提出机械消泡是处理冶金工业高浓 度有机废水的最佳方案， 同时展望了机械消泡装置的发展方向。 关键词 冶金工业废水； 泡沫； 性质； 消泡 中图分类号 X 7 5 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 65 0 0 8 2 0 1 2 0 4 0 0 7 1 0 3 F OR M CO NT RO L T E C I -I N I QU E I N 【 E TA I 『I I 瓜 GI CAL 帅US TR Y W-AS TE W A m R TREA 玎 MENT Ru Zh e n x i u ，Ch a i Lu xi u ，Ru M i a n 1 ． S h i j i a z h u a n g D e s i g n I n s ti t u t e ， Z h o n g S t e e l G r o u p ， S i a z h u a g n ，H e b e i ， 0 5 0 0 2 1 ； 2 ．B e i j i n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， B e i j i n g ，1 0 0 0 8 3 Ab s t r a c t I t i s i n t r o d u c e d t h e c h a r a c t e r i s ti c o f me t a l l u r g i c a l i n d u s t r y wa s t e r wa t e r and the p r o b l e m o f f o r m p r o d u c e d i n a c ti v a t e d s l u d g e b i o l o g i c al t r e a t me n t ，an a l y z e d the f o r mi n g me c h an i s m o f f o a m ， i t s a f f ec t i n g f a c t o r s a s we l l a s the p r i n c i p l e s an d me ri t s an d d e me rit s o f p h y s i c al ，c h e mi c al ， me c h a n i c al an d b i o l o g i c al me tho d s t o c o n t r o l for m ，p r o p o s e d tha t the b e s t p l an t o t r e a t h i g hd e n s i t y o r g a n i c wa s t e wa t e r i n me t all u r g i c al i n d u s t r y i s me c ha n i c al f o rm e l i mi na tio n an d f or e c as t e d i t s d e ve l o pi ng d i r e c ti on． Ke y W o r d s wa s t e r wa t e r i n me t a l l ur g i c al i n d u s t r y；fo am；p r o p e y；fo rm e l i mi n a ti n g 1 引言 工业化时代的到来不仅为人类带来了现代化的 生活， 同时也带来了废水、 废渣、 废气， 使人类面临环 境污染和资源缺乏等难题。水资源的匮乏 以及各种 水体 的污染等 问题 ， 要求人们既要节约用水 ， 又要加 强水资源的重复利用。而解决水资源短缺和水污染 的一个主要途径是通过水处理实现重复利用。 冶金工业产品繁多， 生产流程各成系列 ， 废水排 放量大， 是造成水体污染的主要因素之一。冶金废 水的主要特点是水量大 、 种类多 、 水质复杂多变。按 废水来源和特点分类 ， 主要有 冷却水 ， 酸洗废水 ， 除 尘和煤气 、 烟气洗涤废水 ， 冲渣废水以及由生产工艺 中凝结 、 分离或溢出的废水等。现 阶段冶金工业 污 水处理方法很多， 主要有物理、 化学、 生物等方法。 收稿 日期 2 0 1 1 1 22 6 作者简介 茹振修 1 9 6 2一 ， 男， 高级工程师 ， 1 9 8 6年毕业于北京科 技大学矿山机械专业 ， 现在 中钢 集团石 家庄 设计 院工作 ， Ema i l mz h e n x i u s o h u ． C O rn 其中生物处理方法， 因能耗低、 效率高、 不污染等优 点成为污水处理 中的主要方法。水的生物处理根据 菌种不同分为好氧和厌氧两种。在深度处理高浓度 冶金工业有机废水时 ， 好氧处理中的活性污泥法最 为常用 。 活性污泥法是 目前污水处理厂应用最广泛的生 物处理方法⋯ 。在大多数采用活性污泥法的污水处 理厂普遍存在生物泡沫问题 。冶金工业有机废水处 理中也存在这样的问题 ， 因此 ， 控制泡沫对污水处理 效果产生的不 良影响 ， 对冶金工业废水处理具有重 要意义 。 2 泡沫的性质 2 ． 1 泡沫定义 泡沫是一种气体分散在液体中的分散体系 J ， 其中气体是分散相， 液体是分散介质。气泡 占很大 的体积分数， 气体被连续的液膜分割开来， 形成体积 大小不等的气泡， 而液体所占体积分数很小。 泡沫的结构包括气泡 中的气体和隔开这些气体 的薄液膜 以及 P l a t e a u边界 图 I 。泡沫中的这些 71 、 } ，一 一 排一 一 减一 一 能一 十 { 三 ，． }。 } 总第 1 9 6期 气泡并不是球形的， 而是呈多面体形 。 图 1 P l a t e a u交界 F i g． 1 P l a t e a ui n t e r f a c e 根据拉普拉斯公 式 A p2 y ／ R， 式 中 P为压力 P a ； 3 ／ 为表面张力 N m ； 为曲率半径 m 。 由于液膜中的界面曲率为负值 ， 使液膜 中 P点处压 力小于平表面 A点的压力 ， 故液体会 自发地从 A 向 P处流动 ， 使液膜不断变薄， 此过程称为泡沫排液过 程。 另一种排液过程是液体由于重力而下流， 使 液膜变薄。但这种排液过程仅液膜较厚的时候才 比 较显著 。当液膜变薄到一定 程度 ， 便导致 液膜破 裂， 泡沫破坏。但由于阻力的存在， 液膜达到一定厚 度就暂时平衡了。 2 ． 2 泡沫形成的机理 在含有表面活性剂的水溶液或者粘度比较大 的 液体中搅拌或者充气就可以形成被溶液包围的气 泡。表面活性剂 以亲水基的极头伸入水 中， 疏水基 的碳氢链伸人气泡的气相中。此时形成 的泡沫是在 气 一 液界面上吸附了表面活性剂的单分子膜的气 泡。但气泡上浮至水面时 ， 与空气接触 ， 表面活性剂 就吸附在液面两侧形成双分子膜， 此时的气泡有较 长的寿命。当气泡产生的数 目多于破裂的数 目就形 成了泡沫 J 。 2 ． 3 影响泡沫稳定性的因素 泡沫是一种亚稳态体系， 影响其稳定性的因素 是比较复杂的。溶液的表面张力、 表面粘度 、 液相粘 度等都是用来表征泡沫稳定性的常用参数。 当泡沫液膜受到冲击变薄时， 存在两种机制可 以使受冲击的泡沫修复。一种是由于泡沫界面膜面 积增大而造成表面张力上升， 形成表面张力梯度使 液膜有收缩趋势 ， 称为 G i b b s弹性 ； 另一种是在表面 张力梯度的作用下 ， 表面吸附的分子从低表面张力 区向高表面张力区迁移 ， 称为 Ma r a n g o n i 效应。 2 ． 3 ． 1 内部因素 泡沫的衰变主要决定于液体从薄液膜上的流失 排液 和气体透过液膜的扩散两个步骤。因而， 液 7 2 膜的稳定性直接决定着泡沫的稳定性。 从液膜性质的方面考虑影响泡沫稳定性 的因素 包括 起泡溶液 的表面张力 、 表面粘度 、 液相粘度 、 G i b b s 表面弹性和 Ma r a n g o n i 效应 ； 表面活性剂分子 结构、 液膜的表面电荷 分离压力 等等。 现有技术提高泡沫稳定性的方法一般是以上述 理论为指导 ， 向溶液体系中添加不同的稳泡物质 如 利用无机盐改变溶液体系的电性 ， 增强泡沫稳定性 ； 提高基液粘度来减缓泡沫 的排液速度 ， 从而提高泡 沫的稳定性； 增加液膜的弹性， 减少泡沫的透气性。 高分子表面活性剂， 如烷基甲酰胺纤维素的衍生物、 乙基 羟乙基 纤维素 、 黄原胶 、 蛋白质、 聚合物非离 子表面活性剂和离子型表面活性剂复配可以增加表 面膜的粘弹性 ， 减慢排液速度 ， 从而大大增加泡沫的 稳定性 。总之 ， 使泡沫增强稳定性的方法就是增强 泡沫液膜的稳定性。 2 ． 3 ． 2 外部因素 1 泡沫的直径 因为形成的泡沫大小不一样 ， 根据拉普拉斯公 式 A p 2 3 , ／ ， ． ， 泡沫中的小泡内的压力 比大泡内的 压力大。因此小泡内的气体会通过液膜向大气泡扩 散 ， 使小气泡变小 直至消失 ， 大气泡变 大使液膜变 薄， 最后破裂 J 。因此泡沫中的气泡直径越均匀， 气 泡间越不易发生气体扩散， 则气泡的寿命越长， 泡沫 越稳定。 2 表面电荷 吸附了离子型表面活性剂的泡沫 ， 界 面膜上形 成两层离子吸附的双电层结构。当泡沫界面膜变薄 至一定厚度时 ， 双电层的静电斥力就发挥作用 ， 阻碍 泡沫的双 电层相互接近 ， 减少排液速度 ， 即表面电荷 越强的活性剂 ， 形成的泡沫也越稳定。 3 表面活性剂的浓度 蛋白质、 磷脂等助泡剂在吸水后可以形成水凝 胶性质的表面膜 ， 其具有高表面粘度 ， 可缓解对泡沫 的冲击 ， 泡沫界面膜弹性也随之增加 ， 进而增强 了泡 沫的自 修复能力， 可以提高泡沫的稳定性。 4 溶液的 p H值 溶液的p H值对泡沫稳定性的影响主要是在表 面活性剂 的溶解性和表面层吸附状态的两个方面起 作用。 5 体系的温度 温度升高， 泡沫界面膜的表面张力、 粘度降低， 排液速度加快， 使得泡沫界面膜变薄， 导致泡膜的稳 定性降低 。 河北冶金 2 0 1 2年第 4期 6 冲击 轻微 的冲击 ， 可 由泡膜 的“ Ma r a n g o n i 效应” 来 弥补。但是若冲击过强， 就可直接击碎泡沫界面膜， 达到消泡 的目的。 3 泡沫控制 消除泡沫的 目的是使泡沫 中的气泡及时破裂 ， 即隔开气体的液膜 由厚变薄， 直至破裂使气相和液 相分离开。 根据泡沫形成 的机理及其影响因素， 消除泡沫 可以采用物理 、 化学 、 机械和生物的方法 。 3 ． 1 物 理方 法 利用升温或降温破坏泡沫的稳定性。一般地 说 ， 在较高温度下液体 的粘度下降、 溶剂蒸发 ， 起泡 物质起化学变化等等， 泡沫多易破坏。在低温下泡 沫界面弹性减小 ， 以及结冰等作用促使泡沫不稳定 ， 以致达到消泡 的 目的。物理 方法消 除泡沫装 置简 单 ， 但会存在加热变质的危险。 3 ． 2 化 学方 法 一 般采用投加化学药剂， 例如投加氯和氧化剂、 混凝剂和消毒剂季铵盐 、 消泡剂等等。 3 ． 2 ． 1 消泡原理 常用的消泡剂都是容易在溶液表面铺展 ， 具有 低表面张力的有机液体， 使泡沫的液膜变薄直至破 裂 ， 其消泡机理如下。 1 使泡沫界面膜的局部表面张力降低而达到 消泡的目的。 2 破坏界面膜的弹性使界面膜失去 自修复作 用而消泡。 3 降低界面膜的粘度以减少泡沫的寿命而消 泡 。 加入消泡剂就是要破坏和抑制泡沫的形成 。当 产生大量泡沫后 ， 加入消泡剂 ， 其分子立即散布于泡 沫表面 ， 快速在泡沫的界面膜上铺展开来 ， 进一步扩 散 、 渗透 ， 层状入侵 ， 从而置换起泡剂进入原泡膜薄 壁。由于置换处 的表面张力较低 ， 泡沫 同时又受到 周围表面张力大 的膜层强力 牵引， 使得泡沫周 围应 力失衡 ， 从而导致其“ 破泡” 。不溶 于体系 的消泡剂 分子再重新进入另一个泡沫膜的表面， 如此重复 ， 所 有泡沫全部覆灭。 3 ． 2 ． 2 消泡剂应具备 的特性 消泡剂微滴是在泡沫界面膜上起作用而破坏泡 沫的。理想的消泡剂应具有的特性 1 比发泡溶液更低 的表面张力。 2 水溶性低。 3 扩散速率高。 4 分子间聚合力小 ， 不会增加溶液表面粘度。 5 环境友好 ， 对人和环境无毒害作用。 3 ． 2 ． 3 化学 消泡 的优 、 缺点 在活性污泥中加化学药剂以控制生物泡沫产生 的方法 比较常见。与机械 消泡相 比， 消泡剂使用方 便 ， 作用迅速， 每次只需要加入很少 的量 ， 就可以取 得理想的消泡效果 ， 并且对泡沫的产生还具有抑制 作用。 使用化学药剂 消除泡沫 ， 消泡剂在实际使用 的 过程中， 会因失去活性 而丧失消泡抑泡 的作用。因 此消泡剂的投加通常采用多次少量的加入方法 ， 这 样会不可避免地增加染菌的机会。过多的使用消泡 剂会降低溶液的 p H值和溶氧能力， 对好氧型的处 理环境是不利的。有时消泡剂存在残余现象， 对其 产品品质产生影响。近些年 ， 随着石油价格的上涨 ， 合成消泡剂成本也有上涨 的趋势 ， 在一定程度上会 增加水处理厂 的运行费用。 3 ． 3 生物方 法 生物方法消除泡沫 ， 其原理是通过改变微生物 生长环境 ， 抑制容 易产生泡沫 的丝状 细菌的繁殖 。 该方法只适用于微生物存在 的环境中， 适用范 围有 一 定 的局限性 。 3 ． 4 机械消泡 机械消泡是借助机械力引起剧烈震动或压力变 化起到消泡作用。 3 ． 4 ． 1 原 理 机械消泡是利用一定的机械能量破坏泡沫的稳 定性 ， 降低 泡沫界 面膜 的强度 ， 达 到破 碎气泡的 目 的。 3 ． 4 ． 2 优点与不足 机械消泡的优点在于消泡过程 中， 很少甚至不 需要加入消泡剂 。可减少不必要的污染问题 ， 并且 机械消泡装置便于消毒 ， 可重复使用 ， 耗能低。 机械消泡的不足之处是机械消泡装置的效果有 时并不是很理想 ， 不能从根本上达到消除泡沫 目的。 当泡沫大量生成时 ， 机械消泡不能像消泡剂那样及 时有效地把泡沫消除 ， 而且有部分形式的机械消泡 方法需要和消泡剂配合使用。 4 结语 综上所述 ， 尽管机械消泡的效果不是特别的理 想， 但从经济性、 环保性、 实用性等角度综合考虑， 机 械消泡是最好 的选择。因此 ， 在处理冶金工业高浓 度有机废水中， 采用机械消泡技术是最佳方案 ， 处理 效果 明显 。 下转第6 5页 73 河北冶金 2 0 1 2年 第4期 经多次配合 比试验 ， 确定选用水化热较低 、 强度 等级为 4 2 ． 5的普通水泥 ， 掺入 1 2 ％粉煤灰取代部 分水泥 ， 添加 N F减水剂和 C E A微膨胀剂 。 3 ． 3 严格控制混凝土入模温度 要求混凝土人模温度不大于 2 5℃ ， 而浇筑时的 最高气温 已达到 2 9℃ ， 要满足此要 求有一定 的难 度。为此 ， 混凝土搅拌站采用地下水使搅拌水 温度 低于 1 5℃ ， 粗细骨料放置于 阴凉处 ； 混凝土运输过 程 中铺设湿麻袋降温 ， 通过降温措施 ， 保证 了混凝土 的人模温度在 2 5℃以下。 3 ． 4 分层推进。 薄层浇筑 基础混凝土浇筑分 2层 向前推进 ， 先浇筑下层 ， 待推进到一定高度后 ， 并且在混凝土初凝前开始浇筑 上一层混凝土。在各层混凝土浇筑中， 采用 “ 一个坡 度 ， 落层浇筑 ， 一次到顶” 的方法 ， 保证 了底板的连续 浇筑， 避免出现施工冷缝 ， 尽可能地增大 了混凝土的 散热面 ， 有利于早期混凝土水化热的散发。通过采取 以上措施 ， 混凝土中心实际温度在浇筑 3 4天后达 到最大值 5 8 o C 左右 ， 取得了预期的效果。 3 ． 5 混凝土养护 基础上层采用覆盖 1层塑料薄膜和 2层麻草袋 洒水养护 ， 基础侧 面为 4层麻草袋覆盖。养护 时间 1 5 天 ， 昼夜安排人员养护、 监测。实测温差和降温 速率与预计基本相符。 养护期间采取不同的养护方式， 以保证混凝土 质量并缩短工期 。 1 混凝 土终凝前进行人工反复抹 压， 以消除 表面干缩及沉缩裂缝 。 2 终凝至温度峰值出现采用保温散热的方 法 ， 即洒水后覆盖一层塑料薄膜 。 3 降温开始第 1 天覆盖减半， 严格按计算选 定的养护材料及覆盖厚度养护。 1 0天时 ， 通过测压现场 同条件养护 的试块 ， 证 明强 度已达设计强度等级标准值 的 8 0 ％以上， 以后逐渐 减少了养护材料厚度和洒水频率。 3 ． 6 混凝土测温 通过采用 对循环水 回水温 度的测量来指 导养 护， 确定是否改变养护材料厚度和养护方式， 使整个 养护期间混凝土处于受控状态。混凝土核心实际最 高温度基本符合以下关系式 混凝土核心最高温度 人模温度 3 1 3 4 与理论计算最高温度 入模温度 3 1 ． 9 9 7基 本～致。 4 混凝土内拉应力控制措施 混凝土不是一种简单的脆性材料 ， 而是具有相 当的流变特征即徐变和应力松弛特性 。若能尽量降 低荷载速度， 混凝土的极限拉伸应力可提高 1 ～ 3 倍， 故可利用混凝土的应力松弛特性来降低由降温 引起的最大拉应力。 混凝土的松弛系数与发生约束变形时混凝土的 龄期有关， 尽可能缓慢地降温， 使降温曲线变缓， 降 温时间变长 ， 最 终叠加起来 的松 弛应力就会变小 。 由此分析 ， 基础混凝土浇筑 的温控 目的除控制 内外 温差外， 主要是尽可能减缓基础混凝土的降温速率。 为此 ， 采取 了以下措施 1 循环水箱内不得补充温度过低的新水， 只 让循环水在水箱内自然降温。 2 增加覆盖厚度 ， 延长覆盖保温 、 保湿养护 的 时间。 5 结语 基础养护期间 ， 由市级建筑试验室用 T D S一 3 0 3 温度监测系统对基础 内部温度进行监测 ， 实测混凝 土中心的降温曲线平缓， 达到了控制降温速率和内 外温差的 目的 ， 避免了混凝土开裂。 4 大体积混凝 土 由于处在高温环境下 ， 到第 ， ， l l l ， ， ， l ， l ， ， l ， ，’ ， ， l ， ll ● ， l ’ l ， ， ’ ， l ， l ， ’’ ， l， l ’ ， ， l’ ，l ， ’ l ， ， ’’ ， l ，， 上接第7 3页 对于控制泡沫来说 ， 计算机的使用可降低成本 ， 更好地控制 电机 的转速， 降低能耗 。将 消泡剂和机 械装置联合使用以及 自动化控制的引进， 将会使泡 沫控制条件更加精确 ， 同时可提高泡沫消除率 。 参考文献 [ 1 ] 李探微， 彭永臻， 陈志根， 等． 活性污泥法的生物泡沫形成和控制 [ J ] ． 中国给水排水， 2 0 0 1 ， 1 7 4 7 3 ～ 7 6 ． [ 2 ] 张亨． 消泡研究进展[ J ] ． 精细石油化工进展， 2 0 0 6 ， 1 7 4 4 4 8． f 3 ] 赵 国玺． 表 面活性 剂作 用原 理 [ M1 ． 北 京 中国轻工 、 l 出版社 ， 2 0 0 3 5 3 5～5 6 0． [ 4 ] 赵玉索． 工业生产过程中的泡沫及消泡技术[ J ] ． 浙江工业大学 学报 ， 1 9 9 9 ， 2 7 3 2 6 0～ 2 6 3 ． [ 5 ] 徐燕莉 ． 表 面活性剂 的功 能[ M] ． 北 京 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 0 1 3 81 6 3 ． [ 6] 王明梅 ， 常志东 ， 习海玲 ， 等． 水基泡沫 的稳定 性评 价技术及影 响 因素研究 [ J ] ． 化工进 展 ， 2 0 0 5 ， 2 4 7 7 2 3～ 7 2 8 ． [ 7 ] 方书起， 李肖斌， 雪金勇． 机械搅拌式发酵罐中的消泡技术研究 与探讨 [ J ] ． 化学工程 ， 2 0 0 9 ， 3 7 5 3 4～ 3 7 ． [ 8 ] 杨云龙， 赵志强， 鹿敬鸿． 污水处理厂泡沫问题浅析[ J ] ． 山西建 筑 ， 2 0 0 9， 3 1 0 1 7 2～1 7 3 ． 65