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1水資源污染問題

工業(yè)化時代的到來不僅為人類帶來了現(xiàn)代化的生活，同時也帶來了廢水、廢渣、廢氣，使人類面臨環(huán)境污染和資源缺乏等難題。水資源的匱乏以及各種水體的污染等問題，要求人們既要節(jié)約用水，又要加強水資源的重復利用。而解決水資源短缺和水污染的一個主要途徑是通過水處理實現(xiàn)重復利用。冶金工業(yè)產(chǎn)品繁多，生產(chǎn)流程各成系列，廢水排放量大，是造成水體污染的主要因素之一。冶金廢水的主要特點是水量大、種類多、水質復雜多變。按廢水來源和特點分類，主要有:冷卻水，酸洗廢水，除塵和煤氣、煙氣洗滌廢水，沖渣廢水以及由生產(chǎn)工藝中凝結、分離或溢出的廢水等?，F(xiàn)階段冶金工業(yè)污水處理方法很多，主要有物理、化學、生物等方法。其中生物處理方法，因能耗低、效率高、不污染等優(yōu)點成為污水處理中的主要方法。水的生物處理根據(jù)菌種不同分為好氧和厭氧兩種。在深度處理高濃度冶金工業(yè)有機廢水時，好氧處理中的活性污泥法最為常用?；钚晕勰喾ㄊ悄壳拔鬯幚韽S應用最廣泛的生物處理方法［1］。在大多數(shù)采用活性污泥法的污水處理廠普遍存在生物泡沫問題。冶金工業(yè)有機廢水處理中也存在這樣的問題，因此，控制泡沫對污水處理效果產(chǎn)生的不良影響，對冶金工業(yè)廢水處理具有重要意義。

2泡沫的性質

2．1泡沫定義

泡沫是一種氣體分散在液體中的分散體系［2］，其中氣體是分散相，液體是分散介質。氣泡占很大的體積分數(shù)，氣體被連續(xù)的液膜分割開來，形成體積大小不等的氣泡，而液體所占體積分數(shù)很小。泡沫的結構包括氣泡中的氣體和隔開這些氣體的薄液膜以及Plateau邊界(圖1)。泡沫中的這些氣泡并不是球形的，而是呈多面體形［3］。根據(jù)拉普拉斯公式:Δp=2γ/R，式中p為壓力(Pa);γ為表面張力(N•m－1);R為曲率半徑(m)。由于液膜中的界面曲率為負值，使液膜中P點處壓力小于平表面A點的壓力，故液體會自發(fā)地從A向P處流動，使液膜不斷變薄，此過程稱為泡沫排液過程。(另一種排液過程是液體由于重力而下流，使液膜變薄。但這種排液過程僅液膜較厚的時候才比較顯著)。當液膜變薄到一定程度，便導致液膜破裂，泡沫破壞。但由于阻力的存在，液膜達到一定厚度就暫時平衡了。

2．2泡沫形成的機理

在含有表面活性劑的水溶液或者粘度比較大的液體中攪拌或者充氣就可以形成被溶液包圍的氣泡。表面活性劑以親水基的極頭伸入水中，疏水基的碳氫鏈伸入氣泡的氣相中。此時形成的泡沫是在氣－液界面上吸附了表面活性劑的單分子膜的氣泡。但氣泡上浮至水面時，與空氣接觸，表面活性劑就吸附在液面兩側形成雙分子膜，此時的氣泡有較長的壽命。當氣泡產(chǎn)生的數(shù)目多于破裂的數(shù)目就形成了泡沫［4、5］。

2．3影響泡沫穩(wěn)定性的因素

泡沫是一種亞穩(wěn)態(tài)體系，影響其穩(wěn)定性的因素是比較復雜的。溶液的表面張力、表面粘度、液相粘度等都是用來表征泡沫穩(wěn)定性的常用參數(shù)。當泡沫液膜受到?jīng)_擊變薄時，存在兩種機制可以使受沖擊的泡沫修復。一種是由于泡沫界面膜面積增大而造成表面張力上升，形成表面張力梯度使液膜有收縮趨勢，稱為Gibbs彈性;另一種是在表面張力梯度的作用下，表面吸附的分子從低表面張力區(qū)向高表面張力區(qū)遷移，稱為Marangoni效應。

2．3．1內(nèi)部因素

泡沫的衰變主要決定于液體從薄液膜上的流失(排液)和氣體透過液膜的擴散兩個步驟。因而，液膜的穩(wěn)定性直接決定著泡沫的穩(wěn)定性。從液膜性質的方面考慮影響泡沫穩(wěn)定性的因素包括:起泡溶液的表面張力、表面粘度、液相粘度、Gibbs表面彈性和Marangoni效應;表面活性劑分子結構、液膜的表面電荷(分離壓力)等等?，F(xiàn)有技術提高泡沫穩(wěn)定性的方法一般是以上述理論為指導，向溶液體系中添加不同的穩(wěn)泡物質:如利用無機鹽改變?nèi)芤后w系的電性，增強泡沫穩(wěn)定性;提高基液粘度來減緩泡沫的排液速度，從而提高泡沫的穩(wěn)定性;增加液膜的彈性，減少泡沫的透氣性。高分子表面活性劑，如烷基甲酰胺纖維素的衍生物、乙基(羥乙基)纖維素、黃原膠、蛋白質、聚合物非離子表面活性劑和離子型表面活性劑復配可以增加表面膜的粘彈性，減慢排液速度，從而大大增加泡沫的穩(wěn)定性。總之，使泡沫增強穩(wěn)定性的方法就是增強泡沫液膜的穩(wěn)定性。

2．3．2外部因素

(1)泡沫的直徑

因為形成的泡沫大小不一樣，根據(jù)拉普拉斯公式(Δp=2γ/r)，泡沫中的小泡內(nèi)的壓力比大泡內(nèi)的壓力大。因此小泡內(nèi)的氣體會通過液膜向大氣泡擴散，使小氣泡變小直至消失，大氣泡變大使液膜變薄，最后破裂［6］。因此泡沫中的氣泡直徑越均勻，氣泡間越不易發(fā)生氣體擴散，則氣泡的壽命越長，泡沫越穩(wěn)定。

(2)表面電荷

吸附了離子型表面活性劑的泡沫，界面膜上形成兩層離子吸附的雙電層結構。當泡沫界面膜變薄至一定厚度時，雙電層的靜電斥力就發(fā)揮作用，阻礙泡沫的雙電層相互接近，減少排液速度，即表面電荷越強的活性劑，形成的泡沫也越穩(wěn)定。

(3)表面活性劑的濃度

蛋白質、磷脂等助泡劑在吸水后可以形成水凝膠性質的表面膜，其具有高表面粘度，可緩解對泡沫的沖擊，泡沫界面膜彈性也隨之增加，進而增強了泡沫的自修復能力，可以提高泡沫的穩(wěn)定性。

(4)溶液的pH值

溶液的pH值對泡沫穩(wěn)定性的影響主要是在表面活性劑的溶解性和表面層吸附狀態(tài)的兩個方面起作用。

(5)體系的溫度

溫度升高，泡沫界面膜的表面張力、粘度降低，排液速度加快，使得泡沫界面膜變薄，導致泡膜的穩(wěn)定性降低。

(6)沖擊

輕微的沖擊，可由泡膜的“Marangoni效應”來彌補。但是若沖擊過強，就可直接擊碎泡沫界面膜，達到消泡的目的。

3泡沫控制

消除泡沫的目的是使泡沫中的氣泡及時破裂，即隔開氣體的液膜由厚變薄，直至破裂使氣相和液相分離開。根據(jù)泡沫形成的機理及其影響因素，消除泡沫可以采用物理、化學、機械和生物的方法［7、8］。

3．1物理方法

利用升溫或降溫破壞泡沫的穩(wěn)定性。一般地說，在較高溫度下液體的粘度下降、溶劑蒸發(fā)，起泡物質起化學變化等等，泡沫多易破壞。在低溫下泡沫界面彈性減小，以及結冰等作用促使泡沫不穩(wěn)定，以致達到消泡的目的。物理方法消除泡沫裝置簡單，但會存在加熱變質的危險。

3．2化學方法

一般采用投加化學藥劑，例如投加氯和氧化劑、混凝劑和消毒劑季銨鹽、消泡劑等等。

3．2．1消泡原理

常用的消泡劑都是容易在溶液表面鋪展，具有低表面張力的有機液體，使泡沫的液膜變薄直至破裂，其消泡機理如下。(1)使泡沫界面膜的局部表面張力降低而達到消泡的目的。(2)破壞界面膜的彈性使界面膜失去自修復作用而消泡。(3)降低界面膜的粘度以減少泡沫的壽命而消泡。加入消泡劑就是要破壞和抑制泡沫的形成。當產(chǎn)生大量泡沫后，加入消泡劑，其分子立即散布于泡沫表面，快速在泡沫的界面膜上鋪展開來，進一步擴散、滲透，層狀入侵，從而置換起泡劑進入原泡膜薄壁。由于置換處的表面張力較低，泡沫同時又受到周圍表面張力大的膜層強力牽引，使得泡沫周圍應力失衡，從而導致其“破泡”。不溶于體系的消泡劑分子再重新進入另一個泡沫膜的表面，如此重復，所有泡沫全部覆滅。

3．2．2消泡劑應具備的特性

消泡劑微滴是在泡沫界面膜上起作用而破壞泡沫的。理想的消泡劑應具有的特性:(1)比發(fā)泡溶液更低的表面張力。(2)水溶性低。(3)擴散速率高。(4)分子間聚合力小，不會增加溶液表面粘度。(5)環(huán)境友好，對人和環(huán)境無毒害作用。

3．2．3化學消泡的優(yōu)、缺點

在活性污泥中加化學藥劑以控制生物泡沫產(chǎn)生的方法比較常見。與機械消泡相比，消泡劑使用方便，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，并且對泡沫的產(chǎn)生還具有抑制作用。使用化學藥劑消除泡沫，消泡劑在實際使用的過程中，會因失去活性而喪失消泡抑泡的作用。因此消泡劑的投加通常采用多次少量的加入方法，這樣會不可避免地增加染菌的機會。過多的使用消泡劑會降低溶液的pH值和溶氧能力，對好氧型的處理環(huán)境是不利的。有時消泡劑存在殘余現(xiàn)象，對其產(chǎn)品品質產(chǎn)生影響。近些年，隨著石油價格的上漲，合成消泡劑成本也有上漲的趨勢，在一定程度上會增加水處理廠的運行費用。

3．3生物方法

生物方法消除泡沫，其原理是通過改變微生物生長環(huán)境，抑制容易產(chǎn)生泡沫的絲狀細菌的繁殖。該方法只適用于微生物存在的環(huán)境中，適用范圍有一定的局限性。

3．4機械消泡

機械消泡是借助機械力引起劇烈震動或壓力變化起到消泡作用。

3．4．1原理

機械消泡是利用一定的機械能量破壞泡沫的穩(wěn)定性，降低泡沫界面膜的強度，達到破碎氣泡的目的。

3．4．2優(yōu)點與不足

機械消泡的優(yōu)點在于消泡過程中，很少甚至不需要加入消泡劑?？蓽p少不必要的污染問題，并且機械消泡裝置便于消毒，可重復使用，耗能低。機械消泡的不足之處是機械消泡裝置的效果有時并不是很理想，不能從根本上達到消除泡沫目的。當泡沫大量生成時，機械消泡不能像消泡劑那樣及時有效地把泡沫消除，而且有部分形式的機械消泡方法需要和消泡劑配合使用。

4結語

綜上所述，盡管機械消泡的效果不是特別的理想，但從經(jīng)濟性、環(huán)保性、實用性等角度綜合考慮，機械消泡是最好的選擇。因此，在處理冶金工業(yè)高濃度有機廢水中，采用機械消泡技術是最佳方案，處理效果明顯。對于控制泡沫來說，計算機的使用可降低成本，更好地控制電機的轉速，降低能耗。將消泡劑和機械裝置聯(lián)合使用以及自動化控制的引進，將會使泡沫控制條件更加精確，同時可提高泡沫消除率。