冶金和制浆造纸工业废水中人为杂质的沉淀与分层

《Powder Technology》：Sedimentation and stratification of anthropogenic impurities in wastewater from metallurgical and pulp-and-paper industries

　　

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  研究了煤油、分散木屑、FeSO?、NaCl和Na?CO?杂质在水中的行为。
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  确定了不同类型杂质的单独和集体效应。
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  建立了预测废水关键沉淀和分层参数的数学表达式。
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  建立了混合物酸度与温度条件关系的解析表达式。
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  开发了污染水初级沉淀池的预测数学框架。

引言

随着工业的发展，河流和湖泊正受到未经充分处理的水、工业废物和水电站热排放的日益严重污染[1]。在废水排放方面，冶金和造纸行业是最主要的工业部门[2]。水处理和水调理系统是冶金和造纸企业最重要的组成部分之一[3]，因为工艺设备的可靠性和效率直接取决于水质[4]。典型的水处理系统是多级综合体[5]，根据水源水的质量和最终产品的要求，采用各种处理技术[6]。初级处理是净化过程中的关键阶段[7]，涉及水流入专门的储罐，如曝气池[8]、沉淀池[9]或厌氧消化器[10]。在重力作用和生物过程的影响下，这些单元分离了大型悬浮颗粒和有机污染物[11]。例如，曝气（曝气池中水的氧气饱和）刺激了好氧细菌的活动[8]，这些细菌积极分解有机物[12]，从而显著减少了后续处理阶段设备的负荷。

通常，在机械处理后，水中人为杂质的浓度不超过5%[13]，而悬浮颗粒的大小通常低于10 μm[14]。进一步的水处理应用了各种方法，包括物理化学和热方法。物理化学方法包括[15]混凝、絮凝、吸附和离子交换。混凝和絮凝通过改变悬浮颗粒的表面电荷并促进它们聚集成更大的絮体[17]，用于从水中去除悬浮颗粒[16]，然后可以更容易地进行过滤。使用活性炭吸附[18]对于去除有机物[19]、农药[20]和其他污染物非常有效，通过将它们结合到吸附剂表面来实现。离子交换则用于去除溶解的离子[21]，如硬度盐（钙和镁）和重金属[22]，通过与无害离子进行交换来实现。热方法，如蒸馏（<100 °C）[15]和蒸发（>350 °C）[5]，涉及将水加热至沸腾，然后冷凝蒸汽并收集冷凝物。这种方法可以去除几乎所有污染物，包括盐[23]、重金属[24]和细菌[25]，但其特点是能源消耗高[5]。

当应用物理化学和热处理方法时，必须确保从沉淀池提供的污染液体组成的稳定性[26]。组成异质性、分层和沉淀可能导致处理设施的严重故障、效率降低和设备损坏[27]。文献[26]提供了在不沉降和上浮条件下，悬浮液中不溶固体杂质颗粒运动过程的实验研究结果。对于含有几种常见杂质类型的系统，确定了颗粒沉降和上浮的集体效应。然而，文献[26]中使用了相对粗的颗粒（高达72 μm），并且没有分析杂质从水中分离过程中与特定工业应用（造纸和冶金行业）相关的特定效应。这种效应在某些情况下起着重要作用，特别是在多组分杂质的情况下。例如，文献[28]描述了几种油对使用烃类和氟碳表面活性剂混合物产生的泡沫性质产生的集体影响的有趣机制。研究表明，添加四种油导致混合物粘度非加和性增加，而电导率、表面活性、初始泡沫高度以不同的速率下降。油的存在加速了排水并有助于减少泡沫体积。此外，油加速了液体膜的变薄，影响排水行为，特别是对于密度较高、水溶性较好和挥发性较强的油。文献[29]测定了地下水和地表水的酸度（pH）值。结果表明，杂质对酸度的影响取决于水的类型：在地下水中，pH因添加镁、锌和锰而变得酸性或碱性。在地表水中，硫酸盐和铜对pH有负面影响，而钙和硝酸盐稳定了酸度值。确定碳酸盐系统在杂质相互作用和水中酸度形成中起着关键作用。文献[30]表明，废水酸度从酸性（pH 1.86）到碱性（pH 11.63）不等，取决于工艺过程：金属酸洗和硫酸的存在（电池）使废水酸化，而皮革生产中使用石灰使废水碱化。尽管许多研究者[3]、[31]对冶金和造纸行业废水中人为杂质去除过程中发生的物理化学过程给予了越来越多的关注，但仍然缺乏提供实际可靠的近似表达式的实验数据，该表达式将最常见的人为杂质的沉淀和分层速度与它们的浓度联系起来。

本工作的目的是根据实验研究，确定冶金和造纸行业废水中固体颗粒沉降过程和液体杂质分层过程的特性，以及获得描述杂质单独和联合运动的预测数学表达式。

章节摘要

材料

造纸和冶金行业的废水含有矿物、有机和生物污染物。表1列出了这些工业部门废水中最常见的杂质类型。

在本研究的范围内，调查了造纸和冶金行业废水中最常见的五种人为杂质。这些杂质的物理化学性质见表2、表3。为了确保……

实验方法和程序

沉降（沉降）是分散体系中颗粒在重力（或离心力）作用下移动和沉降，形成沉淀层的过程。沉降速度取决于颗粒的大小、浓度、形状和密度，以及液体介质的性质[26]。这个过程的关键特性是沉降速度（$V_{\mathrm{sd}}$）。为了计算它，基于……的准则方程。

水中不溶固体杂质

图8显示了实验建立的$V_{\mathrm{sd}}\left(c\right)$依赖关系。随着分散木屑和FeSO?颗粒在悬浮液中的质量浓度从0.5增加到5 wt%，它们的沉降速度分别降低了74%和85%。这种效应是由悬浮液中颗粒相互作用引起的，具体来说是形成团聚体，对运动产生额外阻力，从而减缓沉降过程。文献[26]表明相应的……

结果综合

所进行的实验和数值研究表明，固体杂质颗粒的沉降速度和液体组分的分层速度不能完全由经典的Stokes和Hadamard–Rybczynski模型描述（表8）。这些模型偏差是由受阻沉降（对于固体颗粒）和聚并效应（对于液滴）引起的。为了考虑这些沉淀/分层的物理特征，引入了系数$a$。在……

结论

• (i)
  根据实验结果，确定了固体人为杂质颗粒（以分散木屑和FeSO?为例）的沉降速度、液体杂质（以煤油为例）的分层速度和混合物的酸度。确定了在存在几种杂质类型时颗粒沉降和组分分层的集体效应。发现对于Na?CO?（1 wt%）+ 分散木屑的杂质组合……

CRediT作者贡献声明

M.E. Mikulich：撰写原稿、验证、方法学、正式分析。D.V. Antonov：软件、资源、数据管理、概念化。G.V. Kuznetsov：撰写审查和编辑、可视化、调查、概念化。P.A. Strizhak：撰写审查和编辑、监督、项目管理、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这可能会影响本文报告的工作。

致谢

研究得到了俄罗斯联邦科学和高等教育部（资助075-15-2025-007）的支持。

M.E. Mikulich|D.V. Antonov|G.V. Kuznetsov|P.A. Strizhak