简介： 近年来，随着工业的发展，重金属废水日益增多，对环境安全及人体健康造成了极大的危害。针对重金属废水种类多样，毒性大等难点，用离子交换法处理重金属废水，跟其它处理方法相比。具有出水水质好，污泥量少，能耗少，且水可回用，金属可回收的优点。故本设计采用离子交换法进行重金属废水的处理。

关键字：重金属废水 离子交换法 离子交换柱

the design of weight ls waste water treatment plant

chen jia-qiang

college of resource and enviroment southwest agricultural university chongqing 400716

abstract: recently, with the development of industry, weight ls waste water is released to the nature, lead to great problems to the environmental security and human beings’ healthy. as there are many kinds of weight ls waste water, different concentration and poisonous, and so on . using the methods of exchange the hydronium to disposal weight ls used water, have more advantages than others disposal ways, such as better qualities of poured water , little quantities mud, less power used and reused the disposable water .so in this design , the method of exchange the hydronium is used to deal with the weigh ls waste water.

keywords: weight ls waste water the method of exchange the hydronium

pillar for exchange the hydronium

文献综述

一、水污染现状

水是一种宝贵的自然资源，随着工农业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，对水资源的要求，无论是从质而言，还是从量而言，都有了更高的标准。水并非是取之不尽，用之不竭的天然资源，它是有限资源，对于缺水地区来说，水就更加宝贵了，防止水污染，保护水环境，目前已引起广泛共识。

水污染是指水体因外界某种物质的介入，导致原有质量特性发生改变，从而影响了原有的功能和利用价值，甚至危害人体健康，破坏生态环境。人类社会为了满足生活及生产的需求，要从各种自然水体中取用大量的水，这些水被利用后，即产生生活污水和工业废水，并最终又排入天然水体，这样就构成了一个用水的循环。

二、重金属废水的来源及特征

1.采矿过程废水，金属矿的开采废水主要含有悬浮物和酸，这是因为金属矿石或围岩中，含有硫化矿物，这些矿物经风化，水及细菌等的作用，形成酸性废水。其反应式为

2fes2＋2h2o＋7o2——2feso4＋2h2so4

矿山酸性废水一般含有一种或几种金属，非金属离子，主要有钙，铁，锰，铅，锌，铜和等。

2.炼铁过程废水，高炉煤气洗涤水是炼铁工艺的主要废水，含有大量的悬浮固体，。其主要成分是铁，铝，锌和硅等氧化物。钢铁企业的轧钢酸洗，尤其是不锈钢表面酸洗除垢，也能产生含铁，镍，锌，铅等重金属废水

3.金属加工过程废水，主要是金属表面清洗除锈产生的酸性废液。金属材料多用硫酸和盐酸酸洗，而不锈钢则要用硝酸，氢氟酸混合酸洗。酸洗后的钢材又要用清水漂洗，产生漂洗酸性废水。一般情况下，漂洗后剩余的废液含酸百分之七左右，其中含有大量溶解铁质，漂洗水的ph值为1—2。酸性废液和漂洗水，如不经处理就外排，必将造成严重的污染。

4.电镀过程废水，电镀废水主要来自镀件的漂洗，也有少量工艺废弃液排出。电镀废水的水质按镀种和电镀工艺的不同而异。一般来说，电镀废水中的重金属比较单纯，虽然水量小，但其浓度往往比较高，毒性很大，主要含有酸和铜，铬，锌，镉，镍等金属离子。

三、金属废水对环境的污染

在高度集中的现代化大工业情况下，工业生产排出的废水，特别是重金属废水对周围环境的污染日益严重。重金属的污染是把含有重金属的工业废水排入江河湖海，它将直接对渔业和农业产生严重影响，同时直接或间接地危害人体健康。现将几种重金属的危害简介如下。

1.汞（hg+） 其毒性作用表现为损害细胞内酶系统蛋白质的巯基，摄取无机汞死量为75～300mg/人以上的汞，则汞在人体内就会积累，长期持续下去，就会发生慢性中毒，有机汞化合物，如烷基汞，苯基汞等，由于在脂肪中溶解度可达到在水中的100倍，因而易于进入生物组织，也有很高的积蓄作用。日本的水俣病公害就是无机汞转化为有机汞，这些汞经食物链进入人体而引起的。

2.镉（cd2+）镉的化合物毒性很强，动物吸收的镉很少可能排出，从而极易在人体内产生积蓄作用从而引起贫血，新陈代谢不良，肝病变以至死亡。镉在肾脏内蓄积引起病变后，会使钙的吸收失调，从而发生软骨病。日本富山县神通川流域发生的骨痛病公害，就是镉中毒引起的。

3.铬（cr6+）六价铬化合物及其盐类毒性很大，其存在形态主要是cro3 ,cro42- ,cr2等，易于在水中溶解存在。六价铬有强氧化性，对皮肤，黏膜有剧烈腐蚀性，近来研究认为，六价铬和三价铬都有致癌性。

4.铅（pb2+）铅对人体各种组织均有毒性作用，其中对神经系统，造血系统和血管毒害最大。铅主要蓄积在骨骼之中，慢性铅中毒，其症状主要表现在食欲不振，便秘及皮肤出现灰黑色。

5.锌（zn2+）锌的盐类能使蛋白质沉淀，对皮肤和黏膜有刺激和腐蚀作用，对水生物和农作物有明显的毒性。

6.铜（cu2+）铜的毒性较小，它是生命所必需的微量元素之一，但超过一定量后，就会刺激消化系统，引起腹痛，呕吐，长期过量可促成肝硬化。铜对低等生物和农作物毒性较大，对于鱼类，0.1～0.2mg/l为致死量，所以一般水产用水用求含铜量在0.01mg/l以下，对于农作物，铜是重金属中毒性最高者，它以离子的形态固定于根部，影响养分吸收机能。

四、我国工业废水污染与治理现状

在环境污染中，工业废水的污染影响最大，20世纪60年代以来，世界上水体污染达到极为严重的程度，震惊世界的几起公害事件相继发生，引起了科学界和政界的重视，保护环境，治理污染成了人们普遍关注的问题。

我国每天排放大量的工业的废水，对江河湖海造成严重的污染。据统计，全国27主要河流，大多数被严重污染，有些河流中含酚，汞普遍超过指标数倍，乃至数十倍，使许多盛产鱼虾的河流的鱼产量大幅度下降。水质污染，加剧了北方缺水地区的水源紧张程度。南方由于大量工厂没有节制的排放重金属废水，也导致了水质的严重污染，造成长江流域的水的污染。

因此，重金属废水的治理刻不容缓，重金属是一种永久性的污染物。对于重金属废水，必须进行适当的处理，首先应该设法减少废水量，尽量回收其有用金属，废水适当处理后实行循环利用，尽可能不排或少排废水。对必须排放的废水进行净化处理，使之达到排放标准，对处理产生的污泥和浓缩液，如无回收利用价值，也应该进行无害化处理，以免二次污染。而在重金属废水的治理方法中，离子交换法是最为常见，且处理效果较好的一种方法。

离子交换现象最早发现于十八世纪中期，发现人为汤普森，后为j.托马斯.韦（j.thomas way）全面研究，而在离子交换剂的发展进程过程中的最重要事件，乃是1935年b.a.亚当斯（adams）和h.l.霍姆斯（holmes）研究合成了具有离子交换功能的高分子材料，即第一批离子交换树脂—聚酚醛系强酸性阳离子交换树脂和聚苯胺醛系弱碱性阴离子交换树脂。后来，由霍姆斯和当时德国i.g.染料工业公司对以上离子交换树脂进行了改进并投入工业生产。随后的几年内，还发展了多种类别的缩聚型离子交换树脂并在水处理方面得到应用。

离子交换树脂的大发展主要是在二次世界大战以后。当时美国和英国一些公司广泛进行了合成离子交换树脂的研究工作，g.f.达莱利奥（d alelio）成功地合成了聚苯乙烯系阳离子交换树脂，在此基础上又陆续开发了交换容量高，物理—化学稳定性好的其他聚苯乙烯系离子树脂，相继又开发了聚丙烯酸系阳离子树脂。这时，离子交换树脂已成为一类新型高分子材料，人们认识到，用它可以比较简单地达到离子性物质的分离，纯化和浓缩的目的，而不求助于结晶和消耗热能的蒸发等工艺。

六十年代，离子交换树脂的发展又取得了重要突破，柯宁等采用e.f.梅特兹南（meitzner）和j.a.奥林（oline）发明的聚合新方法，合成了一系列物理结构和过去完全不同的大孔结构离子交换树脂，该类树脂很快在美国罗姆—哈斯公司（rohm and hass）和西德拜耳公司（bayer）投入生产。这类树脂除具有普通离子交换树脂的交换基团外，同时还有像无机和碳质吸附剂及催化剂那样的大孔型毛细孔结构，使离子交换树脂兼具了离子交换和吸附的功能，为离子交换树脂的广泛应用开辟了新的前景。

离子交换树脂和它的应用技术的发展一直是相互促进，相互依赖的。随着离子交换树脂的发展，树脂应用技术也在不断改善，开始是间歇式工艺，很快就发展到固定床工艺，六十年代后逆流技术及连续式离子交换工艺，双层床技术等获得了很快的发展，这些新的应用和工艺的开发，使离子交换树脂在许多领域的应用更加有效和经济。七十年代后，人们正以极大的兴趣，注意着热再生离子交换技术的发展。随着高分子化学的发展，离子交换的应用越来越广泛。在给水处理中，可用于水质软化和脱盐，制取软化水，纯水和超纯水。在废水处理中，可除去废水中的某些有害物质，回收有价值化学物品，重金属和稀有元素，在国防，化工，生物制药等方面，能有效地进行分离，浓缩，提纯等功能。

离子交换是靠交换剂本身所带的能自由移动的离子与被处理的溶液中的离子通过离子扩散来实现的。推动离子交换的动力是离子间的浓度差和交换剂上的功能基对离子的亲和能力，这就是离子交换的基本原理。

离子交换是可逆反应，其反应式可表达为

rh＋m＋←→rm＋h＋

交换 交换 饱和

树脂 离子 树脂

在平衡状态下，树脂中及溶液中的反应物浓度符合下列关系式

（[rm][h+]）/（[rh][m+]）=k

k是平衡常数。k大于1，表示反应能顺利地向右方进行。k值越大，越有利于交换反应，而不利于逆反应。k值的大小能定量地反映在离子交换剂对某两个固定离子交换选择性的大小。

在重金属废水的离子交换法处理过程中，由于工业废水种类繁多，水质复杂，故应考虑工业废水水质对离子交换的影响。

1.悬浮杂质和油类的影响

废水中所含悬浮物和油类会堵塞树脂内部的孔隙，使树脂的交换容量降低，因此，废水在进入离子交换柱只前应进行过滤等预处理，以去除悬浮杂质和油类。

2.溶解盐类的影响

有些工业废水所含溶解杂质中除了少量（或微量）有毒物质外，还含有大量的一般盐类，这些盐对离子交换有重要影响。一般当溶解盐类含量超过1000～2000mg/l时，将大大缩短树脂的工作周期，因此这种废水不适宜采用离子交换法处理

3.ph值的影响

pk值对离子交换有两方面的影响：第一，影响某些离子在废水中的存在形态。第二，影响树脂交换基团的离解，如强酸，强碱性树脂的交换基团不受ph的限制，它们可以在各种ph值的废水处理中，而弱酸，弱碱性树脂则不然，其交换基团的离解与ph值关系很大。如羧酸型（—cooh）阳树脂，只有在ph＞4时才显示交换性，且ph值越大，交换能力越强（当ph=5时。交换容量为0.5当量/g树脂，在在ph=8～9时，其交换容量可达9mg 当量/g 树脂）。同样，弱碱性阴树脂只有在ph值比较低的条件下，才能得到比较好的交换效果。

4.温度的影响

工业废水的温度一般都比较高，这虽然可提高内扩散和膜扩散速度，加速离子交换反应，但温度过高就可能引起树脂的分解。每一种树脂都有一定的耐热性能，如果废水温度超过其高限度，在进入交换树脂以前应采取降温措施。

5.高价金属离子的影响

有些废水常含有大量高价金属离子（如fe3+ al3+ cr3+等），他们与树脂交换基团的固定离子有较强的结合力，可以优先被交换，因此在只要求去除这些离子的情况下，可采用较大的流速而不影响交换效果。这对离子交换是有利的，但它们交换到树脂上去以后，再生洗脱则比较困难。容易引起树脂“中毒”。降低树脂的工作交换容量。

6.氧化剂和高分子有机物的影响

有些废水中含有各种氧化剂（如cl2 o2 h2cr2o7 hno3等）和高分子有机物，造成树脂被氧化破坏和有机污染，使树脂的使用寿命缩短或工作交换容量降低。

综上所述，在废水处理中，离子交换主要用于回收和去除废水中金，银，铜，镉，铬，锌等金属离子，对于净化放射性废水及有机废水也有应用。离子交换法优点为：离子的去除效率高，设备较简单，操作容易控制。目前在应用中存在的问题是：应用范围还受到离子交换树脂品种，产量，成本的限制，对废水的预处理要求较高，离子交换树脂的再生及再生液的处理有时也是一个难以解决的问题。

废水处理厂设计书

1废水的水质和水量

处理水量 700m3/d=29m3/h ss(200mg/l)

处理前金属离子浓度 mg/l ni2+ 220 cu2+ 80 co2+ 20 pb2+ 10 zn2+ 20 fe3+ 10 cl－1500 so42－1000 ph=2.5

处理后金属离子浓度 （mg/l） ni2+ 1.0 cu2+ 1.0 co2+ 1.0 pb2+ 1.0 zn2+ 1.0 ph=6.5～8.5

废水中各种重金属的回收率

ni的回收率=（220-1）/220=99.5℅

cu的回收率=（80-1）/80=98.8℅

2工艺流程方案

工艺流程介绍如图所示 重金属废水通过管