冶金工业废水处理中泡沫控制技术

Posted 2023-01-12 泡沫

篇首语：人起心发，树起根发。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了冶金工业废水处理中泡沫控制技术相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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。
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。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，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Plateau边界(图1)。泡沫中的这些气泡并不是球形的，而是呈多面体形。

根据拉普拉斯公式：Δp=2γ/R，式中p为压力(Pa)；γ为表面张力(N.m-1)；R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，疏水基的碳氢链伸入气泡的气相中。此时形成的泡沫是在气-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[4、5]。
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Gibbs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Marangoni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、Gibbs表面弹性和Marangoni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(Δp=2γ/r)，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。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pH值
溶液的pH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。
(6)冲击
轻微的冲击，可由泡膜的“Marangoni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[7、8]。
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pH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。
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。