重金屬離子廢水處理站的設(shè)計(jì)

一、水污染現(xiàn)狀

水是一種寶貴的自然資源，隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，對(duì)水資源的要求，無(wú)論是從質(zhì)而言，還是從量而言，都有了更高的標(biāo)準(zhǔn)。水并非是取之不盡，用之不竭的天然資源，它是有限資源，對(duì)于缺水地區(qū)來(lái)說(shuō)，水就更加寶貴了，防止水污染，保護(hù)水環(huán)境，目前已引起廣泛共識(shí)。

水污染是指水體因外界某種物質(zhì)的介入，導(dǎo)致原有質(zhì)量特性發(fā)生改變，從而影響了原有的功能和利用價(jià)值，甚至危害人體健康，破壞生態(tài)環(huán)境。人類社會(huì)為了滿足生活及生產(chǎn)的需求，要從各種自然水體中取用大量的水，這些水被利用后，即產(chǎn)生生活污水和工業(yè)廢水，并最終又排入天然水體，這樣就構(gòu)成了一個(gè)用水的循環(huán)。

二、重金屬?gòu)U水的來(lái)源及特征

1.采礦過(guò)程廢水，金屬礦的開(kāi)采廢水主要含有懸浮物和酸，這是因?yàn)榻饘俚V石或圍巖中，含有硫化礦物，這些礦物經(jīng)風(fēng)化，水及細(xì)菌等的作用，形成酸性廢水。其反應(yīng)式為

2FeS2＋2H2O＋7O2——2FeSO4＋2H2SO4

礦山酸性廢水一般含有一種或幾種金屬，非金屬離子，主要有鈣，鐵，錳，鉛，鋅，銅和等。

2.煉鐵過(guò)程廢水，高爐煤氣洗滌水是煉鐵工藝的主要廢水，含有大量的懸浮固體，。其主要成分是鐵，鋁，鋅和硅等氧化物。鋼鐵企業(yè)的軋鋼酸洗，尤其是不銹鋼表面酸洗除垢，也能產(chǎn)生含鐵，鎳，鋅，鉛等重金屬?gòu)U水

3.金屬加工過(guò)程廢水，主要是金屬表面清洗除銹產(chǎn)生的酸性廢液。金屬材料多用硫酸和鹽酸酸洗，而不銹鋼則要用硝酸，氫氟酸混合酸洗。酸洗后的鋼材又要用清水漂洗，產(chǎn)生漂洗酸性廢水。一般情況下，漂洗后剩余的廢液含酸百分之七左右，其中含有大量溶解鐵質(zhì)，漂洗水的PH值為1—2。酸性廢液和漂洗水，如不經(jīng)處理就外排，必將造成嚴(yán)重的污染。

4.電鍍過(guò)程廢水，電鍍廢水主要來(lái)自鍍件的漂洗，也有少量工藝廢棄液排出。電鍍廢水的水質(zhì)按鍍種和電鍍工藝的不同而異。一般來(lái)說(shuō)，電鍍廢水中的重金屬比較單純，雖然水量小，但其濃度往往比較高，毒性很大，主要含有酸和銅，鉻，鋅，鎘，鎳等金屬離子。

三、金屬?gòu)U水對(duì)環(huán)境的污染

在高度集中的現(xiàn)代化大工業(yè)情況下，工業(yè)生產(chǎn)排出的廢水，特別是重金屬?gòu)U水對(duì)周圍環(huán)境的污染日益嚴(yán)重。重金屬的污染是把含有重金屬的工業(yè)廢水排入江河湖海，它將直接對(duì)漁業(yè)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，同時(shí)直接或間接地危害人體健康。現(xiàn)將幾種重金屬的危害簡(jiǎn)介如下。

1.汞（Hg+） 其毒性作用表現(xiàn)為損害細(xì)胞內(nèi)酶系統(tǒng)蛋白質(zhì)的巰基，攝取無(wú)機(jī)汞死量為75～300mg/人以上的汞，則汞在人體內(nèi)就會(huì)積累，長(zhǎng)期持續(xù)下去，就會(huì)發(fā)生慢性中毒，有機(jī)汞化合物，如烷基汞，苯基汞等，由于在脂肪中溶解度可達(dá)到在水中的100倍，因而易于進(jìn)入生物組織，也有很高的積蓄作用。日本的水俁病公害就是無(wú)機(jī)汞轉(zhuǎn)化為有機(jī)汞，這些汞經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體而引起的。

2.鎘（Cd2+）鎘的化合物毒性很強(qiáng)，動(dòng)物吸收的鎘很少可能排出，從而極易在人體內(nèi)產(chǎn)生積蓄作用從而引起貧血，新陳代謝不良，肝病變以至死亡。鎘在腎臟內(nèi)蓄積引起病變后，會(huì)使鈣的吸收失調(diào)，從而發(fā)生軟骨病。日本富山縣神通川流域發(fā)生的骨痛病公害，就是鎘中毒引起的。

3.鉻（Cr6+）六價(jià)鉻化合物及其鹽類毒性很大，其存在形態(tài)主要是CrO3 ,CrO42- ,Cr2等，易于在水中溶解存在。六價(jià)鉻有強(qiáng)氧化性，對(duì)皮膚，黏膜有劇烈腐蝕性，近來(lái)研究認(rèn)為，六價(jià)鉻和三價(jià)鉻都有致癌性。

4.鉛（Pb2+）鉛對(duì)人體各種組織均有毒性作用，其中對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)，造血系統(tǒng)和血管毒害最大。鉛主要蓄積在骨骼之中，慢性鉛中毒，其癥狀主要表現(xiàn)在食欲不振，便秘及皮膚出現(xiàn)灰黑色。

5.鋅（Zn2+）鋅的鹽類能使蛋白質(zhì)沉淀，對(duì)皮膚和黏膜有刺激和腐蝕作用，對(duì)水生物和農(nóng)作物有明顯的毒性。

6.銅（Cu2+）銅的毒性較小，它是生命所必需的微量元素之一，但超過(guò)一定量后，就會(huì)刺激消化系統(tǒng)，引起腹痛，嘔吐，長(zhǎng)期過(guò)量可促成肝硬化。銅對(duì)低等生物和農(nóng)作物毒性較大，對(duì)于魚類，0.1～0.2mg/l為致死量，所以一般水產(chǎn)用水用求含銅量在0.01mg/l以下，對(duì)于農(nóng)作物，銅是重金屬中毒性最高者，它以離子的形態(tài)固定于根部，影響?zhàn)B分吸收機(jī)能。

四、我國(guó)工業(yè)廢水污染與治理現(xiàn)狀

在環(huán)境污染中，工業(yè)廢水的污染影響最大，20世紀(jì)60年代以來(lái)，世界上水體污染達(dá)到極為嚴(yán)重的程度，震驚世界的幾起公害事件相繼發(fā)生，引起了科學(xué)界和政界的重視，保護(hù)環(huán)境，治理污染成了人們普遍關(guān)注的問(wèn)題。

我國(guó)每天排放大量的工業(yè)的廢水，對(duì)江河湖海造成嚴(yán)重的污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)27主要河流，大多數(shù)被嚴(yán)重污染，有些河流中含酚，汞普遍超過(guò)指標(biāo)數(shù)倍，乃至數(shù)十倍，使許多盛產(chǎn)魚蝦的河流的魚產(chǎn)量大幅度下降。水質(zhì)污染，加劇了北方缺水地區(qū)的水源緊張程度。南方由于大量工廠沒(méi)有節(jié)制的排放重金屬?gòu)U水，也導(dǎo)致了水質(zhì)的嚴(yán)重污染，造成長(zhǎng)江流域的水的污染。

因此，重金屬?gòu)U水的治理刻不容緩，重金屬是一種永久性的污染物。對(duì)于重金屬?gòu)U水，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚�，首先�?yīng)該設(shè)法減少?gòu)U水量，盡量回收其有用金屬，廢水適當(dāng)處理后實(shí)行循環(huán)利用，盡可能不排或少排廢水。對(duì)必須排放的廢水進(jìn)行凈化處理，使之達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)處理產(chǎn)生的污泥和濃縮液，如無(wú)回收利用價(jià)值，也應(yīng)該進(jìn)行無(wú)害化處理，以免二次污染。而在重金屬?gòu)U水的治理方法中，離子交換法是最為常見(jiàn)，且處理效果較好的一種方法。

離子交換現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于十八世紀(jì)中期，發(fā)現(xiàn)人為湯普森，后為J.托馬斯.韋（J.Thomas Way）全面研究，而在離子交換劑的發(fā)展進(jìn)程過(guò)程中的最重要事件，乃是1935年B.A.亞當(dāng)斯（Adams）和H.L.霍姆斯（Holmes）研究合成了具有離子交換功能的高分子材料，即第一批離子交換樹(shù)脂—聚酚醛系強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和聚苯胺醛系弱堿性陰離子交換樹(shù)脂。后來(lái)，由霍姆斯和當(dāng)時(shí)德國(guó)I.G.染料工業(yè)公司對(duì)以上離子交換樹(shù)脂進(jìn)行了改進(jìn)并投入工業(yè)生產(chǎn)。隨后的幾年內(nèi)，還發(fā)展了多種類別的縮聚型離子交換樹(shù)脂并在水處理方面得到應(yīng)用。

離子交換樹(shù)脂的大發(fā)展主要是在二次世界大戰(zhàn)以后。當(dāng)時(shí)美國(guó)和英國(guó)一些公司廣泛進(jìn)行了合成離子交換樹(shù)脂的研究工作，G.F.達(dá)萊利奧（D Alelio）成功地合成了聚苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，在此基礎(chǔ)上又陸續(xù)開(kāi)發(fā)了交換容量高，物理—化學(xué)穩(wěn)定性好的其他聚苯乙烯系離子樹(shù)脂，相繼又開(kāi)發(fā)了聚丙烯酸系陽(yáng)離子樹(shù)脂。這時(shí)，離子交換樹(shù)脂已成為一類新型高分子材料，人們認(rèn)識(shí)到，用它可以比較簡(jiǎn)單地達(dá)到離子性物質(zhì)的分離，純化和濃縮的目的，而不求助于結(jié)晶和消耗熱能的蒸發(fā)等工藝。

六十年代，離子交換樹(shù)脂的發(fā)展又取得了重要突破，柯寧等采用E.F.梅特茲南（Meitzner）和J.A.奧林（Oline）發(fā)明的聚合新方法，合成了一系列物理結(jié)構(gòu)和過(guò)去完全不同的大孔結(jié)構(gòu)離子交換樹(shù)脂，該類樹(shù)脂很快在美國(guó)羅姆—哈斯公司（Rohm and Hass）和西德拜耳公司（Bayer）投入生產(chǎn)。這類樹(shù)脂除具有普通離子交換樹(shù)脂的交換基團(tuán)外，同時(shí)還有像無(wú)機(jī)和碳質(zhì)吸附劑及催化劑那樣的大孔型毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，使離子交換樹(shù)脂兼具了離子交換和吸附的功能，為離子交換樹(shù)脂的廣泛應(yīng)用開(kāi)辟了新的前景。

離子交換樹(shù)脂和它的應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展一直是相互促進(jìn)，相互依賴的。隨著離子交換樹(shù)脂的發(fā)展，樹(shù)脂應(yīng)用技術(shù)也在不斷改善，開(kāi)始是間歇式工藝，很快就發(fā)展到固定床工藝，六十年代后逆流技術(shù)及連續(xù)式離子交換工藝，雙層床技術(shù)等獲得了很快的發(fā)展，這些新的應(yīng)用和工藝的開(kāi)發(fā)，使離子交換樹(shù)脂在許多領(lǐng)域的應(yīng)用更加有效和經(jīng)濟(jì)。七十年代后，人們正以極大的興趣，注意著熱再生離子交換技術(shù)的發(fā)展。隨著高分子化學(xué)的發(fā)展，離子交換的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在給水處理中，可用于水質(zhì)軟化和脫鹽，制取軟化水，純水和超純水。在廢水處理中，可除去廢水中的某些有害物質(zhì)，回收有價(jià)值化學(xué)物品，重金屬和稀有元素，在國(guó)防，化工，生物制藥等方面，能有效地進(jìn)行分離，濃縮，提純等功能。

離子交換是靠交換劑本身所帶的能自由移動(dòng)的離子與被處理的溶液中的離子通過(guò)離子擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的。推動(dòng)離子交換的動(dòng)力是離子間的濃度差和交換劑上的功能基對(duì)離子的親和能力，這就是離子交換的基本原理。

離子交換是可逆反應(yīng)，其反應(yīng)式可表達(dá)為

RH＋M＋←→RM＋H＋

交換 交換 飽和

樹(shù)脂 離子 樹(shù)脂

在平衡狀態(tài)下，樹(shù)脂中及溶液中的反應(yīng)物濃度符合下列關(guān)系式

（[RM][H+]）/（[RH][M+]）=K

K是平衡常數(shù)。K大于1，表示反應(yīng)能順利地向右方進(jìn)行。K值越大，越有利于交換反應(yīng)，而不利于逆反應(yīng)。K值的大小能定量地反映在離子交換劑對(duì)某兩個(gè)固定離子交換選擇性的大小。

在重金屬?gòu)U水的離子交換法處理過(guò)程中，由于工業(yè)廢水種類繁多，水質(zhì)復(fù)雜，故應(yīng)考慮工業(yè)廢水水質(zhì)對(duì)離子交換的影響。

1.懸浮雜質(zhì)和油類的影響

廢水中所含懸浮物和油類會(huì)堵塞樹(shù)脂內(nèi)部的孔隙，使樹(shù)脂的交換容量降低，因此，廢水在進(jìn)入離子交換柱只前應(yīng)進(jìn)行過(guò)濾等預(yù)處理，以去除懸浮雜質(zhì)和油類。

2.溶解鹽類的影響

有些工業(yè)廢水所含溶解雜質(zhì)中除了少量（或微量）有毒物質(zhì)外，還含有大量的一般鹽類，這些鹽對(duì)離子交換有重要影響。一般當(dāng)溶解鹽類含量超過(guò)1000～2000mg/L時(shí)，將大大縮短樹(shù)脂的工作周期，因此這種廢水不適宜采用離子交換法處理

3.PH值的影響

PK值對(duì)離子交換有兩方面的影響：第一，影響某些離子在廢水中的存在形態(tài)。第二，影響樹(shù)脂交換基團(tuán)的離解，如強(qiáng)酸，強(qiáng)堿性樹(shù)脂的交換基團(tuán)不受PH的限制，它們可以在各種PH值的廢水處理中，而弱酸，弱堿性樹(shù)脂則不然，其交換基團(tuán)的離解與PH值關(guān)系很大。如羧酸型（—COOH）陽(yáng)樹(shù)脂，只有在PH＞4時(shí)才顯示交換性，且PH值越大，交換能力越強(qiáng)（當(dāng)PH=5時(shí)。交換容量為0.5當(dāng)量/g樹(shù)脂，在在PH=8～9時(shí)，其交換容量可達(dá)9mg 當(dāng)量/g 樹(shù)脂）。同樣，弱堿性陰樹(shù)脂只有在PH值比較低的條件下，才能得到比較好的交換效果。

4.溫度的影響

工業(yè)廢水的溫度一般都比較高，這雖然可提高內(nèi)擴(kuò)散和膜擴(kuò)散速度，加速離子交換反應(yīng)，但溫度過(guò)高就可能引起樹(shù)脂的分解。每一種樹(shù)脂都有一定的耐熱性能，如果廢水溫度超過(guò)其高限度，在進(jìn)入交換樹(shù)脂以前應(yīng)采取降溫措施。

5.高價(jià)金屬離子的影響

有些廢水常含有大量高價(jià)金屬離子（如Fe3+ Al3+ Cr3+等），他們與樹(shù)脂交換基團(tuán)的固定離子有較強(qiáng)的結(jié)合力，可以優(yōu)先被交換，因此在只要求去除這些離子的情況下，可采用較大的流速而不影響交換效果。這對(duì)離子交換是有利的，但它們交換到樹(shù)脂上去以后，再生洗脫則比較困難。容易引起樹(shù)脂“中毒”。降低樹(shù)脂的工作交換容量。

6.氧化劑和高分子有機(jī)物的影響

有些廢水中含有各種氧化劑（如Cl2 O2 H2Cr2O7 HNO3等）和高分子有機(jī)物，造成樹(shù)脂被氧化破壞和有機(jī)污染，使樹(shù)脂的使用壽命縮短或工作交換容量降低。

綜上所述，在廢水處理中，離子交換主要用于回收和去除廢水中金，銀，銅，鎘，鉻，鋅等金屬離子，對(duì)于凈化放射性廢水及有機(jī)廢水也有應(yīng)用。離子交換法優(yōu)點(diǎn)為：離子的去除效率高，設(shè)備較簡(jiǎn)單，操作容易控制。目前在應(yīng)用中存在的問(wèn)題是：應(yīng)用范圍還受到離子交換樹(shù)脂品種，產(chǎn)量，成本的限制，對(duì)廢水的預(yù)處理要求較高，離子交換樹(shù)脂的再生及再生液的處理有時(shí)也是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。

廢水處理廠設(shè)計(jì)書

1廢水的水質(zhì)和水量

處理水量 700m3/d=29m3/h SS(200mg/l)

處理前金屬離子濃度 mg/l Ni2+ 220 Cu2+ 80 Co2+ 20 Pb2+ 10 Zn2+ 20 Fe3+ 10 Cl－1500 SO42－1000 PH=2.5

處理后金屬離子濃度 （mg/l） Ni2+ 1.0 Cu2+ 1.0 Co2+ 1.0 Pb2+ 1.0 Zn2+ 1.0 PH=6.5～8.5

廢水中各種重金屬的回收率

Ni的回收率=（220-1）/220=99.5℅

Cu的回收率=（80-1）/80=98.8℅

2工藝流程方案

工藝流程介紹如圖所示 重金屬?gòu)U水通過(guò)管道進(jìn)入集水調(diào)節(jié)池，投加一定的NaOH溶液以調(diào)節(jié)PH到中性并進(jìn)行水量調(diào)節(jié)，出水經(jīng)水泵進(jìn)入連續(xù)過(guò)濾池以去除水中固體懸浮物，過(guò)濾后，經(jīng)提升泵導(dǎo)入離子交換柱內(nèi)，在離子交換柱內(nèi)，重金屬離子與弱酸性Na離子樹(shù)脂發(fā)生離子交換反應(yīng)，重金屬即被固定到離子交換樹(shù)脂上，直到離子交換樹(shù)脂達(dá)到飽和為止。此時(shí)排出的一部分水用于淋洗再生后的樹(shù)脂，其他水外排。接著進(jìn)行樹(shù)脂的反洗，再生。樹(shù)脂再生后的洗脫液濃集了大量有毒而又有用的重金屬離子，將再生洗脫液導(dǎo)入廢酸收集槽內(nèi)，接著進(jìn)行樹(shù)脂的轉(zhuǎn)型，將轉(zhuǎn)型后的廢堿液導(dǎo)入廢堿收集槽內(nèi)，再用水泵將廢酸和廢堿同時(shí)導(dǎo)入中和池內(nèi)，最后重金屬經(jīng)回收處理。

3工藝設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1集水調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)計(jì)算

因?yàn)楣に嚵鞒滩捎玫氖侨跛嵝躁?yáng)離子樹(shù)脂，其交換基團(tuán)的離解與PH值關(guān)系很大。如羧酸型（—COOH）陽(yáng)樹(shù)脂，只有在PH大于4時(shí)才顯示其交換性，且PH值越大，交換能力越強(qiáng)（當(dāng)PH=5時(shí)，交換容量為0.5mg 當(dāng)量/g樹(shù)脂，而PH=8～9時(shí)，其交換容量可達(dá)9mg 當(dāng)量/g樹(shù)脂）所以首先要進(jìn)行PH調(diào)節(jié)，才能發(fā)揮其離子交換作用。

針對(duì)廢水PH=2.5，且含有多種重金屬離子，故采用投藥中和法進(jìn)行PH調(diào)節(jié)�？紤]到所處理的水量小，且不產(chǎn)生大量沉渣，故將中和劑（NaOH）投加在集水調(diào)節(jié)池中。即可不設(shè)混合反應(yīng)池，但須滿足混合反應(yīng)時(shí)間。

在均化池內(nèi)通常要進(jìn)行混合，其目的是要保證調(diào)節(jié)作用，通過(guò)混合與曝氣，防止可沉降的固體物質(zhì)在池中沉降下來(lái)和出現(xiàn)厭氧情況。還有預(yù)曝氣的作用。廢水中的還原性物質(zhì)可以被氧化，吹脫去除可揮發(fā)性物質(zhì)。

計(jì)算公式

WT=∑tQiTi

Qi—在T時(shí)段內(nèi)廢水的平均流量 m3/h

Ti—時(shí)段 h

取Ti==4h Wt=29×4=116m3

調(diào)節(jié)池尺寸有效水深取2m 池面積為58m2

池寬取4m 池長(zhǎng)為15m

集水調(diào)節(jié)池簡(jiǎn)圖如：

3.2過(guò)濾池設(shè)計(jì)計(jì)算

在水處理過(guò)程中，過(guò)濾一般是指以石英砂等粒狀濾料層截留水中懸浮雜質(zhì)，從而使水獲得澄清的工藝流程，過(guò)濾的作用主要是去除水中的懸浮或者膠態(tài)雜質(zhì)，特別是能有效的去除沉淀技術(shù)不能去除的微小粒子和細(xì)菌等，而且對(duì)BOD5和CODcr等也有某種程度的去除效果

考慮到進(jìn)水中SS高達(dá)200mg/L,要想取得好的過(guò)濾效果，需要采用連續(xù)流濾池，連續(xù)流濾池是普通快濾池在不延長(zhǎng)過(guò)濾周期，使濾池適應(yīng)頻繁清洗的要求下改進(jìn)而成的。

普通快濾池工藝流程 濾池本身包括濾料層，承托層，配水系統(tǒng)，集水渠和洗砂排水槽五個(gè)部分，快濾池管廊內(nèi)有原水進(jìn)水，清水出水，沖洗排水等主要管道和與其相配的控制閘閥。

快濾池的運(yùn)行過(guò)程只要是過(guò)濾和沖洗兩個(gè)過(guò)程的交替循環(huán)，過(guò)濾是生產(chǎn)清水過(guò)程，待過(guò)濾進(jìn)水經(jīng)來(lái)水干管和洗砂排水槽流入濾池，經(jīng)濾料層過(guò)濾截留水中懸浮物質(zhì)，清水則經(jīng)配水系統(tǒng)收集由清水平管流出濾池。在過(guò)濾中，由于濾層不斷截污，濾層孔隙逐漸減小，水流阻力不斷增大，當(dāng)綠曾的水頭損失達(dá)到最大允許值時(shí)，或當(dāng)過(guò)濾出水水質(zhì)接近超標(biāo)時(shí)。應(yīng)停止濾池運(yùn)行，進(jìn)行反沖洗。

濾池反沖洗時(shí)，水流逆向通過(guò)濾料層，使濾層膨脹，懸浮，借小流剪切力和顆粒摩擦力清洗濾料層并將濾層內(nèi)污物排出。反沖洗水一般由沖洗水箱或沖洗水泵供給，經(jīng)濾池配水系數(shù)進(jìn)入濾池底部反沖洗，沖洗廢水由洗砂排水槽，廢水渠和排污管排出。

普通快濾池用于給水和清凈廢水的濾速可采用5-12m/h,粗砂快濾池用于處理廢水流速采用3.7-37m/h, 雙層濾料濾池的濾速采用4.8-24m/h,三層濾料濾池的濾速一般與雙層濾料濾池相同，因雙層濾料池屬于反粒度過(guò)濾，截留雜質(zhì)能力強(qiáng)，雜質(zhì)穿透深，產(chǎn)水能力大，適于在給水和廢水過(guò)濾處理中使用，故采用雙層濾料濾池。

過(guò)濾池計(jì)算公式

濾池面積公式 F=Q/VT

F=濾池總面積 m2

Q=設(shè)計(jì)日廢水量 m3/d

V=濾速 m/h

T=濾池的實(shí)際工作時(shí)間 T=T0-t1-t2

T0=濾池工作周期時(shí)間 h

T1=濾池運(yùn)行后的停留時(shí)間 h

T2=濾池反沖洗時(shí)間 h

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) Q=1.05×700m3/d=735m3/d 其中考慮了水廠自用水量（包括反沖洗用水）

V取流速5m/h 沖洗強(qiáng)度q=12～16L/(s·m2) 沖洗時(shí)間6min

濾池面積及尺寸 濾池的工作時(shí)間為24h，每次沖洗6min，停留時(shí)間40min,

濾池實(shí)際工作時(shí)間為

T=T0-t1-t2=24—40/（60×2）—6/（60×2）=23.62h

F=Q/VT=735/（5×23.62）=6.22m2

采用濾池兩個(gè) 每個(gè)濾池面積為

f=F/N=6.22/2=3.11m2

設(shè)計(jì)濾池長(zhǎng)寬比L/B=1 則濾池尺寸L=B=√3.11=1.76m

較核強(qiáng)制濾速 v=NV/（N—1）=10m/h

濾池總高 承托層H1采用0.45m，濾料層高度無(wú)煙煤層為400m，石英砂層為250mm，總高H2=650mm，濾料上水深H3為1.2m，超高H4為0.3m，濾板H5為0.12m。則濾池總高度為

H= H1+ H2+ H3+ H4=2.72m

濾池反沖洗水頭損失

⑴管式大阻力配水系水頭損失

h2=(q/(10aμ))2·(1/2g)

設(shè)計(jì)支管直徑d=70mm,b(壁厚)=5mm,孔眼d=9mm,孔口流量系數(shù)μ=0.68，配水系統(tǒng)開(kāi)a=0.25%,q=14L/(s·m2),得h2=3.5m

⑵經(jīng)支承層水頭損失計(jì)算

h3=0.022H1q=0.022×0.45×14=0.14(m)

⑶濾料層水頭損失及富余水頭為

h4=2m

⑷反沖洗水泵揚(yáng)程Ｈ＝濾池高度＋清水池深度＋管道、濾層水頭損失

H=2.72＋3＋(3.5＋0.14＋2)=11.36m

根據(jù)沖洗流量和揚(yáng)程選擇反沖洗水泵

各類過(guò)濾池的濾料必須定期進(jìn)行反沖洗，這主要是因?yàn)樵谶^(guò)濾過(guò)程中，原水中的懸浮物被濾料表面吸附并不斷地在濾料層中積累，由于濾層孔隙逐漸被污物堵塞，過(guò)濾水頭損失不斷增加，當(dāng)達(dá)到某一限度時(shí)，濾料需要進(jìn)行清洗，使濾池恢復(fù)工作性能，繼續(xù)工作。

過(guò)濾時(shí)由于水頭損失增加，水洗對(duì)吸附在濾料表面的污物的剪切力變大，其中有些顆粒在水洗的沖擊下移到下層濾料中去，最終會(huì)使水中的懸浮物含量不斷上升。水質(zhì)變差到一定程度使需要清洗濾料，從使恢復(fù)濾料層的納污能力。污水中的懸浮物中含有大量有機(jī)物，長(zhǎng)期滯留在濾層中會(huì)發(fā)生厭氧腐敗現(xiàn)象，需定期清洗濾料。具體參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3.3離子交換柱設(shè)計(jì)計(jì)算

離子交換是靠交換劑自身所帶的能自由移動(dòng)的離子與被處理的溶液中的離子通過(guò)離子擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的，推動(dòng)離子交換的動(dòng)力是離子間的濃度差和交換劑上的動(dòng)能基對(duì)離子的親合能力，這就是離子交換的基本原理。

針對(duì)Ni2+,Cu2+,Co2+,Fe3+等離子。采用弱酸氫離子交換樹(shù)脂。這種樹(shù)脂對(duì)氫離子選擇能力特別強(qiáng)，對(duì)多價(jià)離子的選擇能力也憂于低價(jià)離子。弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂指含有羧酸基（—COOH），磷酸基（—PO3H2）等的離子交換樹(shù)脂，其中以含有羧酸基的弱酸性樹(shù)脂用途最廣，含羧酸基的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂在水中的解離程度較弱，在10-5～10-7之間，所以顯弱酸性，其解離如下：

R—COOH←→R—COO－+H＋

它僅能在接近中性和堿性介質(zhì)中才能解離而顯示離子交換能力，含羧酸基的弱酸性離子樹(shù)脂是用甲基丙烯酸或丙烯酸與二乙烯苯進(jìn)行懸浮共聚而后水解的方法制得，過(guò)去，聚丙烯酸系弱酸性樹(shù)脂以對(duì)鏈霉素的特殊選擇交換吸附性能而主要用于鏈霉素的分離提煉。近年來(lái)，根據(jù)它的高達(dá)9mg 當(dāng)量/g左右的交換容量，容易再生，以及對(duì)二價(jià)金屬離子具有較好的選擇性的特點(diǎn)，已廣泛用于水處理及工業(yè)廢水處理等方面。

再生階段的液流方向和交換時(shí)水流方向相同稱為順流再生，反之稱為逆流再生。順流再生的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，工作可靠。故在本設(shè)計(jì)中采用順流再生固定床工藝。

離子交換柱設(shè)計(jì)計(jì)算公式

（1）計(jì)算交換柱處理負(fù)荷 G=Q（C—Cp）

G—處理負(fù)荷 mol/h

Q—處理水量 m3/h

C—進(jìn)水濃度　mol/m3

Cp—出水濃度　mol/m3

（2）計(jì)算所需樹(shù)脂的總體積　▽＝ＧＴ／ＥＯ

▽＝樹(shù)脂總體積　m3

T＝樹(shù)脂再生周期　h

EO＝工作交換容量　mol/m3

（3）設(shè)計(jì)離子交換柱的直徑

D＝√（４Q/πV）

D—離子交換柱直徑　　m

V—處理液在柱內(nèi)流速　m/h

（4）計(jì)算離子交換柱高度

h=4▽/(D2π)

h—樹(shù)脂層高度　m

Ｈ—離子交換柱高度　m 　　Ｈ＝h(1+α)

α—樹(shù)脂清洗時(shí)膨脹率　可按４０％－５０％考慮

（5）離子交換再生液的計(jì)算

再生劑的用量�。停絨0E0▽

M—再生劑的用量　g

Q0—再生劑耗量　g/mol

▽—飽和樹(shù)脂的體積　m3

再生液的體積　　 ▽I=M／Ci

▽I—在一定濃度下的再生液的體積　L

Ci—再生液中所含再生劑的濃度　g/l

整個(gè)處理過(guò)程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)（Na型陽(yáng)離子交換柱）

去除 2R—COONa＋M2+←→（R—COO）2M＋2Na+

式中 M2=Ni2+,Cu2+,Zn2+,Pb2+,Co2+等

再生 （R—COO）2M＋2HCl←→2R—COOH＋MCl2

轉(zhuǎn)型 R—COOH＋NaOH←→R—COONa＋H2O

3.3.1采用弱酸雙陽(yáng)柱全飽和流程

離子交換柱應(yīng)去除的金屬離子的物質(zhì)的量，考慮到出水中金屬離子的含量比較少（Cp≈0）

Ni2+（220mg/L）物質(zhì)的量濃度為C （1/2Ni2+）=7.48mmol/L

Cu2+ (80mg/L)物質(zhì)的量濃度為C （1/2Cu2+）=2.52mmol/L

Co2+ (20mg/L)物質(zhì)的量濃度為C （1/2Co2+）=0.59mmol/L

Fe3+ (10mg/L) 物質(zhì)的量濃度為C （1/3Fe3+）=0.19mmol/L

Pb2+ （10mg/L）物質(zhì)的量濃度為C （1/2Pb2+）=.1.035mmol/L

Zn2+ (20mg/L) 物質(zhì)的量濃度為C （1/2Zn2+）=.0.62mmol/L

合計(jì) 12.435mmol/L

每日應(yīng)去除金屬離子負(fù)荷為

G=Q（C—Cp）=700m3/d×(12.435—0)mmol/L=8704.5mol/d

3.3.2計(jì)算Na型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂交換塔所需樹(shù)脂的體積，該弱酸陽(yáng)樹(shù)脂工作交換容量E0=1500mol/m3,決定樹(shù)脂再生周期T=2d,所需樹(shù)脂的體積

▽＝ＧＴ／Ｅ0=(8704.5mol/d×2d)/1500mol/m3=11.606m3

計(jì)算交換塔尺寸 設(shè)交換塔直徑D=1800mm(1.8m) 則樹(shù)脂層厚度為

h=4▽/(D2π)=(11.606m3×4)/(π×1.82)=4.6m

a— 考慮反沖洗時(shí)樹(shù)脂的膨脹率α=50℅ 所以交換塔高

Ｈ＝h(1+α)=4.6×（1+50℅）=6.84m

采用2柱串聯(lián)，則每柱的樹(shù)脂深度為6.84/2=3.42m

3.3.3計(jì)算交換塔陽(yáng)樹(shù)脂再生時(shí)的耗酸量，查表得HCL的再生劑耗量為 q0=50g/mol

再生一次所需的酸量（M）為：

Ｍ＝q0E0▽=50g/mol×1500mol/m3×11.606m3=870450g

表見(jiàn)標(biāo)注1

如配成5％濃度的鹽酸，查表得每升含鹽酸質(zhì)量51.2g，即濃度Chcl=51.2g/L.故所需5％的鹽酸再生液體積：

▽HCL=M/CHCL=870450g/(51.2g/l)=17000L

再生周期為12h。

3.3.4計(jì)算轉(zhuǎn)型液用量

轉(zhuǎn)型液用量為樹(shù)脂體積的1.5倍即11.606×1.5=17.409m3

取轉(zhuǎn)型液（NaOH）濃度（4℅）轉(zhuǎn)型 即為1mol/L(NaOH的密度約等于水的密度)

轉(zhuǎn)型周期為12h

3.3.5新樹(shù)脂的預(yù)處理

弱酸陽(yáng)樹(shù)脂再生淋洗宜用低純水，水量約為樹(shù)脂體積的6倍，淋洗流速先用再（0.4m/h）,后逐步增大到交換流速（10m/h）.、

預(yù)處理用水量=11.606×6=69.636m3

轉(zhuǎn)型淋洗要用低純水，大量約為樹(shù)脂體積的6倍，淋洗到出水PH=8—9，淋洗開(kāi)始用再生流速，然后用交換濾速淋洗。

淋洗用水量=11.606×6=69.636m3

3.3.6離子交換柱尺寸設(shè)計(jì)

離子交換柱簡(jiǎn)圖如右圖所示再生液入口管離子交換柱管徑的確定 根據(jù)公式

d=18.8（Q/v）1/2

d—管內(nèi)徑（mm）

Q—介質(zhì)容積流量（m3/h）

v—介質(zhì)平均流速（m/s）

因廢水中含有重金屬離子和氯離子，硫酸根離子

查表得 鹽水的濾速通常為1.0～2.0m/s

取v1=1.0m/s 則進(jìn)出水管直徑 視鏡濾速表見(jiàn)標(biāo)注2

根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 排氣口管直徑比進(jìn)水管小1～2號(hào)即排氣管的直徑為90mm.

因再生需要12個(gè)小時(shí)，且在12個(gè)小時(shí)的總流量為17m3+69.636m3=86.636m3考慮到多用的水量取V總=90m3

d=18.8（Q/v）1/2 查表得鹽酸的常用流速v2=1.5 m/s

Q總=90/12=7.5m3/h

d2=18.8(7.5/1.5)1/2=42mm 取40mm

轉(zhuǎn)型所需時(shí)間為12小時(shí)，且在12個(gè)小時(shí)的總流量為

17.409m3+69.363m3=86.772m3考慮到多用的水量取V總=90m3

d=18.8（Q/v）1/2 查表得NaOH的常用流速v3 =2.0m/s

Q總=90/12=7.5m3/h

d3=18.8(7.5/2)1/.2=36mm 取40mm

濾速表見(jiàn)標(biāo)注2

3.3.7 離子交換柱殼體壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算

殼體的空間高度除交換樹(shù)脂層，壓脂層占有的高度，還應(yīng)能滿足樹(shù)脂層所必需的反洗膨脹高度，此高度一般應(yīng)為樹(shù)脂層于壓脂層高度的50-60℅。

殼體材料應(yīng)滿足交換柱強(qiáng)度及耐柱內(nèi)工作液腐蝕的要求。在本設(shè)計(jì)中，采用碳素鋼及低合金鋼。

殼體的附件有，上進(jìn)水管，下出水管，排氣管，視鏡等，視鏡的位置應(yīng)能觀察樹(shù)脂下部動(dòng)態(tài)及顏色變化，樹(shù)脂層面是否波動(dòng)和樹(shù)脂層反洗膨脹后的層面等，故視鏡該采用2個(gè)。

視鏡通常為耐腐蝕的材料作成，常用有機(jī)玻璃制成。

在本設(shè)計(jì)中，采用凸緣構(gòu)成的視鏡，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易粘料，有比較寬闊的視察范圍。標(biāo)準(zhǔn)視鏡的公稱直徑有50～100mm五種，考慮到筒體直徑為1800mm,故視鏡直徑為100mm較為合適，分別設(shè)置在交換柱上布水系統(tǒng)下部和支承層上部。

因容器處于常溫常壓下，采用公式δmin=2Di/1000mm

δmin=(2×1800)/1000=3.6mm 考慮到鋼板被腐蝕應(yīng)加上1mm的厚度附加量，

即殼體厚度為4.6mm

3.3.8離子交換柱封頭設(shè)計(jì)

采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,封頭用碳素鋼材料制成

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭壁厚計(jì)算公式

δ=PDi/(2[σ]tφ-0.5P)+C1+C2

已知 P=1MPa Di=1800mm [σ]t=170MPa φ=1(整體沖壓) Ci=0.6mm(鋼板負(fù)偏差)

C2=1mm（單向腐蝕）

δ=（1×1800）/（2×170×1－0.5×1）+1=6mm

當(dāng)碳素鋼封頭厚度在4～8mm,封頭直邊h高度取25mm

3.3.9離子交換柱的支座設(shè)計(jì) 采用支承式支座

用鋼板組焊接的支承式支座已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)查表得

Di=1800mm時(shí)，支座的主體負(fù)荷為2.5T

支座的支承面積為444cm2

支承面上的單位壓力為5.6×10-1MPa

支座尺寸L=290mm H=350mm a=180mm b=215mm c=250mm e=90mm s=16mm

地腳螺栓尺寸孔徑d=30mm 直徑M24

每個(gè)支座質(zhì)量23.4kg 采用三個(gè)支座

支座規(guī)格表見(jiàn)標(biāo)注3

3.3.10離子交換柱的開(kāi)孔及補(bǔ)強(qiáng)，凸緣設(shè)計(jì)。

當(dāng)筒體內(nèi)徑Di﹥1500mm時(shí)，開(kāi)孔最大直徑d≦Di/3 且d≦1000mm

接入再生液進(jìn)口管時(shí)，S封=4mm d排=40mm 查表得開(kāi)孔規(guī)格

外徑D=160mm 內(nèi)徑d=80mm

轉(zhuǎn)型液進(jìn)口管和淋洗水進(jìn)口管管徑均為40mm S封=6mm 查表得開(kāi)孔規(guī)格

外徑D=160mm 內(nèi)徑d=80mm

接入排氣管時(shí) S封=6mm d排=90mm 查表得開(kāi)孔規(guī)格

外徑D=180mm 內(nèi)徑d=93mm

接入進(jìn)水管時(shí) S封=6mm d進(jìn)=100mm 查表得開(kāi)孔規(guī)格

外徑D=200mm 內(nèi)徑d=112mm

開(kāi)孔規(guī)格表見(jiàn)標(biāo)注4

以上開(kāi)孔后均采用凸緣代替接管，凸緣本身具有加強(qiáng)開(kāi)孔的作用，不需要另行補(bǔ)強(qiáng)缺點(diǎn)是螺栓斷在螺栓孔中后，取出較困難。凸緣與管道法蘭配用，因此其連接尺寸應(yīng)根據(jù)所選用的管法蘭確定。

3.3.11離子交換柱法蘭聯(lián)接設(shè)計(jì)

法蘭聯(lián)接是由一對(duì)法蘭，若干螺栓螺母和一個(gè)墊片組成法蘭技術(shù)發(fā)展至今，已有一套法蘭標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。

對(duì)于離子交換柱筒體其公稱直徑Di=1800mm

采用甲型平焊法蘭，平面型密封面，法蘭的各部分尺寸查表得知：

法蘭尺寸表見(jiàn)標(biāo)注5

法蘭的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為JB1158—82

法蘭尺寸 D=1930㎜，D1=1890㎜，D2=1855㎜，D3=1841㎜，D4=1838㎜，

δ=56㎜，d=23㎜，

螺栓規(guī)格：M20 數(shù)量52，墊片材料選用石棉橡膠板，螺栓材料選用Q235-A，

螺母材料選用Q215-A。

法蘭尺寸示意圖規(guī)格如圖：

對(duì)于離子交換柱的管道法蘭，如下表：

PN0.6MPa凸面板式平焊鋼制管法蘭（GB9119.6 －88）㎜

再生液進(jìn)水管，淋洗水進(jìn)水管，轉(zhuǎn)型液進(jìn)水管的管徑均為40㎜，排氣管管徑為90㎜，進(jìn)水管管徑為100㎜，所以采取以上兩種法蘭。

管法蘭尺寸示意圖規(guī)格如下：

管法蘭尺寸見(jiàn)標(biāo)注6

3.3.12離子交換柱的人孔設(shè)計(jì)

因本離子交換柱直徑為1800㎜，所以應(yīng)開(kāi)設(shè)人孔，人孔的形狀有圓形和橢圓形兩種，圓形人孔的直徑一般為450—600㎜，本設(shè)計(jì)中取D=500㎜。

人孔主要由簡(jiǎn)節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成，本設(shè)計(jì)中采用回轉(zhuǎn)蓋人孔。

人孔的規(guī)格為：人孔AⅣPN1.0DN500 JB580—79，

人孔補(bǔ)強(qiáng)，本設(shè)計(jì)選用的人孔簡(jiǎn)節(jié)內(nèi)徑d=500㎜，厚δn=4㎜，

補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸確定如下：內(nèi)徑D1=534㎜，外徑D2=840㎜，

補(bǔ)強(qiáng)圈厚度按下式估算：δ補(bǔ)=d×δe/（D2- D1）=500×（4-0.5）/（840-534）=5.7㎜，

考慮離子交換柱體與人孔簡(jiǎn)節(jié)都有一定的壁厚裕量，故補(bǔ)強(qiáng)圈取5㎜。

人孔簡(jiǎn)圖如下:

3.3.13離子交換柱支承裝置及填料壓板

填料支承結(jié)構(gòu)不但要有足夠的剛度和強(qiáng)度，而且必須要有足夠的自由截面，使在支承處不致首先發(fā)生液泛。

在本設(shè)計(jì)中，采用的支承結(jié)構(gòu)是柵板，因離子交換柱的直徑是1800㎜，故采用分塊式柵板。當(dāng)塔徑為1800㎜時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)尺寸得：

柵板分塊數(shù)：5

填料環(huán)直徑50㎜

D=1710㎜

h×s=60×10

t=50

柵板1：I1=418㎜，柵條數(shù)8，連接板長(zhǎng)度418㎜，

柵板2：I=418㎜，柵條數(shù)7，連接板長(zhǎng)度368㎜，

支持圈數(shù)量8

支持圈：b=60㎜，δ（碳鋼）=10

尺寸示意圖如右圖：

3.3.14上下布水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

上下布水系統(tǒng)的作用主要是保證布水均勻，并防止樹(shù)脂逸出。

在本設(shè)計(jì)中，上下布水系統(tǒng)均采用多孔板排水帽式（如下圖），其優(yōu)點(diǎn)是易損壞，其尺寸規(guī)格如下：水帽隙縫長(zhǎng)50mm，隙縫寬0.3～0.4mm,材料為聚苯乙烯或尼龍1010（耐熱，機(jī)械強(qiáng)度高）

3.3.15廢酸堿液槽、重金屬回收槽、中和池的尺寸設(shè)計(jì)

廢酸收集槽的作用是收集再生后淋洗水,所以廢酸收集槽的容積=V再生洗脫液=69.636m3

考慮水的流量變化 取V酸=72m3。池深取3m 長(zhǎng)取6m 寬取4m

廢堿收集槽的作用是收集轉(zhuǎn)型廢液和轉(zhuǎn)型后淋洗水，V=V轉(zhuǎn)型劑用量+V轉(zhuǎn)型后淋洗水=17.409m3+69.636 m3=87.045m3，考慮水的流量變化 取V堿=90m3。池深取3m 長(zhǎng)取6m 寬取5m。

中和池是廢酸液和廢堿液進(jìn)行中和的場(chǎng)所，其容積應(yīng)為廢酸收集槽容積和廢堿收集槽的容積之和，即V中和=72m3+90m3=162m3，池深取3m 長(zhǎng)取9m 寬取6m。

重金屬回收槽的作用的收集再生洗脫液，所以重金屬回收槽的容積V重金屬回收槽=17m3，考慮水的流量變化 取V槽=20m3，池深取3m，長(zhǎng)取3.5m,寬取2m。

轉(zhuǎn)型液、再生液槽的容積通常為所需轉(zhuǎn)型液容積的3倍。所需轉(zhuǎn)型液的容積為17m3

所以V轉(zhuǎn)型取50m3，所需再生液容積為17m3,所以V再生取50m3.兩個(gè)池深均取3m，長(zhǎng)寬均取4m.

4 主要設(shè)備

5工程投資

投資估算為250W，其中設(shè)備購(gòu)置費(fèi)100萬(wàn)元，安裝工程費(fèi)30萬(wàn)元，建筑工程費(fèi)100萬(wàn)元，設(shè)備調(diào)試等其它費(fèi)用20萬(wàn)元。

人員配備14人，其中技術(shù)員4人，控制室人員2人，一般工作人員3人，維修工2人，工勤人員3人。（谷騰水網(wǎng)）