文獻綜述

一、水污染現狀

水是一種寶貴的自然資源，隨著工農業(yè)的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，對水資源的要求，無論是從質而言，還是從量而言，都有了更高的標準。水并非是取之不盡，用之不竭的天然資源，它是有限資源，對于缺水地區(qū)來說，水就更加寶貴了，防止水污染，保護水環(huán)境，目前已引起廣泛共識。

水污染是指水體因外界某種物質的介入，導致原有質量特性發(fā)生改變，從而影響了原有的功能和利用價值，甚至危害人體健康，破壞生態(tài)環(huán)境。人類社會為了滿足生活及生產的需求，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，這樣就構成了一個用水的循環(huán)。

二、重金屬廢水的來源及特征

1.采礦過程廢水，金屬礦的開采廢水主要含有懸浮物和酸，這是因為金屬礦石或圍巖中，含有硫化礦物，這些礦物經風化，水及細菌等的作用，形成酸性廢水。其反應式為

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，也能產生含鐵，鎳，鋅，鉛等重金屬廢水

3.金屬加工過程廢水，主要是金屬表面清洗除銹產生的酸性廢液。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，漂洗水的PH值為1—2。酸性廢液和漂洗水，如不經處理就外排，必將造成嚴重的污染。

4.電鍍過程廢水，電鍍廢水主要來自鍍件的漂洗，也有少量工藝廢棄液排出。電鍍廢水的水質按鍍種和電鍍工藝的不同而異。一般來說，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、金屬廢水對環(huán)境的污染

在高度集中的現代化大工業(yè)情況下，工業(yè)生產排出的廢水，特別是重金屬廢水對周圍環(huán)境的污染日益嚴重。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，它將直接對漁業(yè)和農業(yè)產生嚴重影響，同時直接或間接地危害人體健康。現將幾種重金屬的危害簡介如下。

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

2.鎘（Cd2+）鎘的化合物毒性很強，動物吸收的鎘很少可能排出，從而極易在人體內產生積蓄作用從而引起貧血，新陳代謝不良，肝病變以至死亡。鎘在腎臟內蓄積引起病變后，會使鈣的吸收失調，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。六價鉻有強氧化性，對皮膚，黏膜有劇烈腐蝕性，近來研究認為，六價鉻和三價鉻都有致癌性。

4.鉛（Pb2+）鉛對人體各種組織均有毒性作用，其中對神經系統(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，其癥狀主要表現在食欲不振，便秘及皮膚出現灰黑色。

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

6.銅（Cu2+）銅的毒性較小，它是生命所必需的微量元素之一，但超過一定量后，就會刺激消化系統(tǒng)，引起腹痛，嘔吐，長期過量可促成肝硬化。銅對低等生物和農作物毒性較大，對于魚類，0.1～0.2mg/l為致死量，所以一般水產用水用求含銅量在0.01mg/l以下，對于農作物，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分吸收機能。

四、我國工業(yè)廢水污染與治理現狀

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

我國每天排放大量的工業(yè)的廢水，對江河湖海造成嚴重的污染。據統(tǒng)計，全國27主要河流，大多數被嚴重污染，有些河流中含酚，汞普遍超過指標數倍，乃至數十倍，使許多盛產魚蝦的河流的魚產量大幅度下降。水質污染，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有節(jié)制的排放重金屬廢水，也導致了水質的嚴重污染，造成長江流域的水的污染。

因此，重金屬廢水的治理刻不容緩，重金屬是一種永久性的污染物。對于重金屬廢水，必須進行適當的處理，首先應該設法減少廢水量，盡量回收其有用金屬，廢水適當處理后實行循環(huán)利用，盡可能不排或少排廢水。對必須排放的廢水進行凈化處理，使之達到排放標準，對處理產生的污泥和濃縮液，如無回收利用價值，也應該進行無害化處理，以免二次污染。而在重金屬廢水的治理方法中，離子交換法是最為常見，且處理效果較好的一種方法。

離子交換現象最早發(fā)現于十八世紀中期，發(fā)現人為湯普森，后為J.托馬斯.韋（J.Thomas Way）全面研究，而在離子交換劑的發(fā)展進程過程中的最重要事件，乃是1935年B.A.亞當斯（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脂—聚酚醛系強酸性陽離子交換樹脂和聚苯胺醛系弱堿性陰離子交換樹脂。后來，由霍姆斯和當時德國I.G.染料工業(yè)公司對以上離子交換樹脂進行了改進并投入工業(yè)生產。隨后的幾年內，還發(fā)展了多種類別的縮聚型離子交換樹脂并在水處理方面得到應用。

離子交換樹脂的大發(fā)展主要是在二次世界大戰(zhàn)以后。當時美國和英國一些公司廣泛進行了合成離子交換樹脂的研究工作，G.F.達萊利奧（D Alelio）成功地合成了聚苯乙烯系陽離子交換樹脂，在此基礎上又陸續(xù)開發(fā)了交換容量高，物理—化學穩(wěn)定性好的其他聚苯乙烯系離子樹脂，相繼又開發(fā)了聚丙烯酸系陽離子樹脂。這時，離子交換樹脂已成為一類新型高分子材料，人們認識到，用它可以比較簡單地達到離子性物質的分離，純化和濃縮的目的，而不求助于結晶和消耗熱能的蒸發(fā)等工藝。

六十年代，離子交換樹脂的發(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構和過去完全不同的大孔結構離子交換樹脂，該類樹脂很快在美國羅姆—哈斯公司（Rohm and Hass）和西德拜耳公司（Bayer）投入生產。這類樹脂除具有普通離子交換樹脂的交換基團外，同時還有像無機和碳質吸附劑及催化劑那樣的大孔型毛細孔結構，使離子交換樹脂兼具了離子交換和吸附的功能，為離子交換樹脂的廣泛應用開辟了新的前景。

離子交換樹脂和它的應用技術的發(fā)展一直是相互促進，相互依賴的。隨著離子交換樹脂的發(fā)展，樹脂應用技術也在不斷改善，開始是間歇式工藝，很快就發(fā)展到固定床工藝，六十年代后逆流技術及連續(xù)式離子交換工藝，雙層床技術等獲得了很快的發(fā)展，這些新的應用和工藝的開發(fā)，使離子交換樹脂在許多領域的應用更加有效和經濟。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的發(fā)展。隨著高分子化學的發(fā)展，離子交換的應用越來越廣泛。在給水處理中，可用于水質軟化和脫鹽，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，回收有價值化學物品，重金屬和稀有元素，在國防，化工，生物制藥等方面，能有效地進行分離，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的離子與被處理的溶液中的離子通過離子擴散來實現的。推動離子交換的動力是離子間的濃度差和交換劑上的功能基對離子的親和能力，這就是離子交換的基本原理。

離子交換是可逆反應，其反應式可表達為

RH＋M＋←→RM＋H＋

交換 交換 飽和

樹脂 離子 樹脂

在平衡狀態(tài)下，樹脂中及溶液中的反應物濃度符合下列關系式

（[RM][H+]）/（[RH][M+]）=K

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

在重金屬廢水的離子交換法處理過程中，由于工業(yè)廢水種類繁多，水質復雜，故應考慮工業(yè)廢水水質對離子交換的影響。

1.懸浮雜質和油類的影響

廢水中所含懸浮物和油類會堵塞樹脂內部的孔隙，使樹脂的交換容量降低，因此，廢水在進入離子交換柱只前應進行過濾等預處理，以去除懸浮雜質和油類。

2.溶解鹽類的影響

有些工業(yè)廢水所含溶解雜質中除了少量（或微量）有毒物質外，還含有大量的一般鹽類，這些鹽對離子交換有重要影響。一般當溶解鹽類含量超過1000～2000mg/L時，將大大縮短樹脂的工作周期，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，影響樹脂交換基團的離解，如強酸，強堿性樹脂的交換基團不受PH的限制，它們可以在各種PH值的廢水處理中，而弱酸，弱堿性樹脂則不然，其交換基團的離解與PH值關系很大。如羧酸型（—COOH）陽樹脂，只有在PH＞4時才顯示交換性，且PH值越大，交換能力越強（當PH=5時。交換容量為0.5當量/g樹脂，在在PH=8～9時，其交換容量可達9mg 當量/g 樹脂）。同樣，弱堿性陰樹脂只有在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，這雖然可提高內擴散和膜擴散速度，加速離子交換反應，但溫度過高就可能引起樹脂的分解。每一種樹脂都有一定的耐熱性能，如果廢水溫度超過其高限度，在進入交換樹脂以前應采取降溫措施。

5.高價金屬離子的影響

有些廢水常含有大量高價金屬離子（如Fe3+ Al3+ Cr3+等），他們與樹脂交換基團的固定離子有較強的結合力，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。這對離子交換是有利的，但它們交換到樹脂上去以后，再生洗脫則比較困難。容易引起樹脂“中毒”。降低樹脂的工作交換容量。

6.氧化劑和高分子有機物的影響

有些廢水中含有各種氧化劑（如Cl2 O2 H2Cr2O7 HNO3等）和高分子有機物，造成樹脂被氧化破壞和有機污染，使樹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，對于凈化放射性廢水及有機廢水也有應用。離子交換法優(yōu)點為：離子的去除效率高，設備較簡單，操作容易控制。目前在應用中存在的問題是：應用范圍還受到離子交換樹脂品種，產量，成本的限制，對廢水的預處理要求較高，離子交換樹脂的再生及再生液的處理有時也是一個難以解決的問題。

廢水處理廠設計書

1廢水的水質和水量

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 重金屬廢水通過管道進入集水調節(jié)池，投加一定的NaOH溶液以調節(jié)PH到中性并進行水量調節(jié)，出水經水泵進入連續(xù)過濾池以去除水中固體懸浮物，過濾后，經提升泵導入離子交換柱內，在離子交換柱內，重金屬離子與弱酸性Na離子樹脂發(fā)生離子交換反應，重金屬即被固定到離子交換樹脂上，直到離子交換樹脂達到飽和為止。此時排出的一部分水用于淋洗再生后的樹脂，其他水外排。接著進行樹脂的反洗，再生。樹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，將再生洗脫液導入廢酸收集槽內，接著進行樹脂的轉型，將轉型后的廢堿液導入廢堿收集槽內，再用水泵將廢酸和廢堿同時導入中和池內，最后重金屬經回收處理。

3工藝設計計算

3.1集水調節(jié)池設計計算

因為工藝流程采用的是弱酸性陽離子樹脂，其交換基團的離解與PH值關系很大。如羧酸型（—COOH）陽樹脂，只有在PH大于4時才顯示其交換性，且PH值越大，交換能力越強（當PH=5時，交換容量為0.5mg 當量/g樹脂，而PH=8～9時，其交換容量可達9mg 當量/g樹脂）所以首先要進行PH調節(jié)，才能發(fā)揮其離子交換作用。

針對廢水PH=2.5，且含有多種重金屬離子，故采用投藥中和法進行PH調節(jié)�？紤]到所處理的水量小，且不產生大量沉渣，故將中和劑（NaOH）投加在集水調節(jié)池中。即可不設混合反應池，但須滿足混合反應時間。

在均化池內通常要進行混合，其目的是要保證調節(jié)作用，通過混合與曝氣，防止可沉降的固體物質在池中沉降下來和出現厭氧情況。還有預曝氣的作用。廢水中的還原性物質可以被氧化，吹脫去除可揮發(fā)性物質。

計算公式

WT=∑tQiTi

Qi—在T時段內廢水的平均流量 m3/h

Ti—時段 h

取Ti==4h Wt=29×4=116m3

調節(jié)池尺寸有效水深取2m 池面積為58m2

池寬取4m 池長為15m

集水調節(jié)池簡圖如：

3.2過濾池設計計算

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

考慮到進水中SS高達200mg/L,要想取得好的過濾效果，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過濾周期，使濾池適應頻繁清洗的要求下改進而成的。

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部分，快濾池管廊內有原水進水，清水出水，沖洗排水等主要管道和與其相配的控制閘閥。

快濾池的運行過程只要是過濾和沖洗兩個過程的交替循環(huán)，過濾是生產清水過程，待過濾進水經來水干管和洗砂排水槽流入濾池，經濾料層過濾截留水中懸浮物質，清水則經配水系統(tǒng)收集由清水平管流出濾池。在過濾中，由于濾層不斷截污，濾層孔隙逐漸減小，水流阻力不斷增大，當綠曾的水頭損失達到最大允許值時，或當過濾出水水質接近超標時。應停止濾池運行，進行反沖洗。

濾池反沖洗時，水流逆向通過濾料層，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污物排出。反沖洗水一般由沖洗水箱或沖洗水泵供給，經濾池配水系數進入濾池底部反沖洗，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濾，截留雜質能力強，雜質穿透深，產水能力大，適于在給水和廢水過濾處理中使用，故采用雙層濾料濾池。

過濾池計算公式

濾池面積公式 F=Q/VT

F=濾池總面積 m2

Q=設計日廢水量 m3/d

V=濾速 m/h

T=濾池的實際工作時間 T=T0-t1-t2

T0=濾池工作周期時間 h

T1=濾池運行后的停留時間 h

T2=濾池反沖洗時間 h

設計數據 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 沖洗強度q=12～16L/(s·m2) 沖洗時間6min

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

濾池實際工作時間為

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 每個濾池面積為

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

設計濾池長寬比L/B=1 則濾池尺寸L=B=√3.11=1.76m

較核強制濾速 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)

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

⑵經支承層水頭損失計算

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

根據沖洗流量和揚程選擇反沖洗水泵

各類過濾池的濾料必須定期進行反沖洗，這主要是因為在過濾過程中，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，過濾水頭損失不斷增加，當達到某一限度時，濾料需要進行清洗，使濾池恢復工作性能，繼續(xù)工作。

過濾時由于水頭損失增加，水洗對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，最終會使水中的懸浮物含量不斷上升。水質變差到一定程度使需要清洗濾料，從使恢復濾料層的納污能力。污水中的懸浮物中含有大量有機物，長期滯留在濾層中會發(fā)生厭氧腐敗現象，需定期清洗濾料。

3.3離子交換柱設計計算

離子交換是靠交換劑自身所帶的能自由移動的離子與被處理的溶液中的離子通過離子擴散來實現的，推動離子交換的動力是離子間的濃度差和交換劑上的動能基對離子的親合能力，這就是離子交換的基本原理。

針對Ni2+,Cu2+,Co2+,Fe3+等離子。采用弱酸氫離子交換樹脂。這種樹脂對氫離子選擇能力特別強，對多價離子的選擇能力也憂于低價離子。弱酸性陽離子交換樹脂指含有羧酸基（—COOH），磷酸基（—PO3H2）等的離子交換樹脂，其中以含有羧酸基的弱酸性樹脂用途最廣，含羧酸基的陽離子交換樹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脂是用甲基丙烯酸或丙烯酸與二乙烯苯進行懸浮共聚而后水解的方法制得，過去，聚丙烯酸系弱酸性樹脂以對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，根據它的高達9mg 當量/g左右的交換容量，容易再生，以及對二價金屬離子具有較好的選擇性的特點，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)點是：設備簡單，操作簡單，工作可靠。故在本設計中采用順流再生固定床工藝。

離子交換柱設計計算公式

（1）計算交換柱處理負荷 G=Q（C—Cp）

G—處理負荷 mol/h

Q—處理水量 m3/h

C—進水濃度　mol/m3

Cp—出水濃度　mol/m3

（2）計算所需樹脂的總體積　▽＝ＧＴ／ＥＯ

▽＝樹脂總體積　m3

T＝樹脂再生周期　h

EO＝工作交換容量　mol/m3

（3）設計離子交換柱的直徑

D＝√（４Q/πV）

D—離子交換柱直徑　　m

V—處理液在柱內流速　m/h

（4）計算離子交換柱高度

h=4▽/(D2π)

h—樹脂層高度　m

Ｈ—離子交換柱高度　m 　　Ｈ＝h(1+α)

α—樹脂清洗時膨脹率　可按４０％－５０％考慮

（5）離子交換再生液的計算

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

整個處理過程發(fā)生的化學反應（Na型陽離子交換柱）

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

轉型 R—COOH＋NaOH←→R—COONa＋H2O

3.3.1采用弱酸雙陽柱全飽和流程

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

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

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

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

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

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

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

合計 12.435mmol/L

每日應去除金屬離子負荷為

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

3.3.2計算Na型陽離子交換樹脂交換塔所需樹脂的體積，該弱酸陽樹脂工作交換容量E0=1500mol/m3,決定樹脂再生周期T=2d,所需樹脂的體積

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

計算交換塔尺寸 設交換塔直徑D=1800mm(1.8m) 則樹脂層厚度為

h=4▽/(D2π)=(11.606m3×4)/(π×1.82)=4.6m

a— 考慮反沖洗時樹脂的膨脹率α=50℅ 所以交換塔高

Ｈ＝h(1+α)=4.6×（1+50℅）=6.84m

采用2柱串聯，則每柱的樹脂深度為6.84/2=3.42m

3.3.3計算交換塔陽樹脂再生時的耗酸量，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

表見標注1

如配成5％濃度的鹽酸，查表得每升含鹽酸質量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計算轉型液用量

轉型液用量為樹脂體積的1.5倍即11.606×1.5=17.409m3

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

轉型周期為12h

3.3.5新樹脂的預處理

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

預處理用水量=11.606×6=69.636m3

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

淋洗用水量=11.606×6=69.636m3

3.3.6離子交換柱尺寸設計

離子交換柱簡圖如右圖所示再生液入口管離子交換柱管徑的確定 根據公式

d=18.8（Q/v）1/2

d—管內徑（mm）

Q—介質容積流量（m3/h）

v—介質平均流速（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 則進出水管直徑 視鏡濾速表見標注2

根據經驗 排氣口管直徑比進水管小1～2號即排氣管的直徑為90mm.

因再生需要12個小時，且在12個小時的總流量為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

轉型所需時間為12小時，且在12個小時的總流量為

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

濾速表見標注2

3.3.7 離子交換柱殼體壁厚設計計算

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

殼體材料應滿足交換柱強度及耐柱內工作液腐蝕的要求。在本設計中，采用碳素鋼及低合金鋼。

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

視鏡通常為耐腐蝕的材料作成，常用有機玻璃制成。

在本設計中，采用凸緣構成的視鏡，它結構簡單，不易粘料，有比較寬闊的視察范圍。標準視鏡的公稱直徑有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離子交換柱封頭設計

采用標準橢圓形封頭,封頭用碳素鋼材料制成

標準橢圓形封頭壁厚計算公式

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(鋼板負偏差)

C2=1mm（單向腐蝕）

δ=（1×1800）/（2×170×1－0.5×1）+1=6mm

當碳素鋼封頭厚度在4～8mm,封頭直邊h高度取25mm

3.3.9離子交換柱的支座設計 采用支承式支座

用鋼板組焊接的支承式支座已經標準化，通過查表得

Di=1800mm時，支座的主體負荷為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

每個支座質量23.4kg 采用三個支座

支座規(guī)格表見標注3

3.3.10離子交換柱的開孔及補強，凸緣設計。

當筒體內徑Di﹥1500mm時，開孔最大直徑d≦Di/3 且d≦1000mm

接入再生液進口管時，S封=4mm d排=40mm 查表得開孔規(guī)格

外徑D=160mm 內徑d=80mm

轉型液進口管和淋洗水進口管管徑均為40mm S封=6mm 查表得開孔規(guī)格

外徑D=160mm 內徑d=80mm

接入排氣管時 S封=6mm d排=90mm 查表得開孔規(guī)格

外徑D=180mm 內徑d=93mm

接入進水管時 S封=6mm d進=100mm 查表得開孔規(guī)格

外徑D=200mm 內徑d=112mm

開孔規(guī)格表見標注4

以上開孔后均采用凸緣代替接管，凸緣本身具有加強開孔的作用，不需要另行補強缺點是螺栓斷在螺栓孔中后，取出較困難。凸緣與管道法蘭配用，因此其連接尺寸應根據所選用的管法蘭確定。

3.3.11離子交換柱法蘭聯接設計

法蘭聯接是由一對法蘭，若干螺栓螺母和一個墊片組成法蘭技術發(fā)展至今，已有一套法蘭標準規(guī)格。

對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：

法蘭尺寸表見標注5

法蘭的標準號為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）㎜

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

管法蘭尺寸示意圖規(guī)格如下：

管法蘭尺寸見標注6

3.3.12離子交換柱的人孔設計

因本離子交換柱直徑為1800㎜，所以應開設人孔，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㎜，本設計中取D=500㎜。

人孔主要由簡節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成，本設計中采用回轉蓋人孔。

人孔的規(guī)格為：人孔AⅣPN1.0DN500 JB580—79，

人孔補強，本設計選用的人孔簡節(jié)內徑d=500㎜，厚δn=4㎜，

補強圈尺寸確定如下：內徑D1=534㎜，外徑D2=840㎜，

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

考慮離子交換柱體與人孔簡節(jié)都有一定的壁厚裕量，故補強圈取5㎜。

人孔簡圖如下:

3.3.13離子交換柱支承裝置及填料壓板

填料支承結構不但要有足夠的剛度和強度，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。

在本設計中，采用的支承結構是柵板，因離子交換柱的直徑是1800㎜，故采用分塊式柵板。當塔徑為1800㎜時，根據經驗設計尺寸得：

柵板分塊數：5

填料環(huán)直徑50㎜

D=1710㎜

h×s=60×10

t=50

柵板1：I1=418㎜，柵條數8，連接板長度418㎜，

柵板2：I=418㎜，柵條數7，連接板長度368㎜，

支持圈數量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)設計計算

上下布水系統(tǒng)的作用主要是保證布水均勻，并防止樹脂逸出。

在本設計中，上下布水系統(tǒng)均采用多孔板排水帽式（如下圖），其優(yōu)點是易損壞，其尺寸規(guī)格如下：水帽隙縫長50mm，隙縫寬0.3～0.4mm,材料為聚苯乙烯或尼龍1010（耐熱，機械強度高）

3.3.15廢酸堿液槽、重金屬回收槽、中和池的尺寸設計

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 長取6m 寬取4m

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

中和池是廢酸液和廢堿液進行中和的場所，其容積應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，長取3.5m,寬取2m。

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

所以V轉型取50m3，所需再生液容積為17m3,所以V再生取50m3.兩個池深均取3m，長寬均取4m.

4 主要設備

5工程投資

投資估算為250W，其中設備購置費100萬元，安裝工程費30萬元，建筑工程費100萬元，設備調試等其它費用20萬元。

人員配備14人，其中技術員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。

參考文獻

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1表見P428 樹脂工藝性能設計參數

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[12] 顧芳珍、陳國桓編.化工設備設計基礎.天津大學出版社.1997

3表見P73支承式支座的尺寸

4表見P75補強圈尺寸（JB1207—73）

5表見P63甲型平焊法蘭尺寸

6表見P65PN0.6MPa凸面式平焊鋼制管法蘭（GB9119. 6—88）㎜