重金属废水占我国工业废水中相当大的比例，由于重金属在自然界没有自净与生物降解能力，排入水体后，通过生物链不断富集，对人畜等生命体造成很大危害，因此国内外均把重金属废水作为工业废水中的主要难题加以对待，投入相当大的人力、物力研究与开发重金属废水的有效处理方法。

    重金属废水有两类：一类是悬浮于废水中的不溶性重金属化合物，另一类是酸性重金属废水，重金属以离子状态溶解于水中。

    不溶性重金属废水在重金属废水中属少数，处理这类废水主要采用固液分离法。目前国内外基本采用自然沉降、气浮、斜管沉淀等，或者用连续真空过滤机，板框压滤机，甚至离心机等进行固液分离。对一些微粒在5微米以下采用上述分离技术很难保证排放水符合排放要求，往往处理前需加絮凝剂或者将第一次净化水再经过砂滤等过滤设备进行二次复滤，方保证排放质量。

    重金属废水大部分属酸性重金属废水。这类废水水量大、种类多，分布面广，大部分工业部门都产生酸性重金属废水，其中尤以电镀、金属制品、冶金、金属矿山等行业最多，因此，处理酸性重金属废水已成为当前处理重金属废水的主要任务。

    处理重金属废水，国外从五十年代开始，国内从六十年代才开始。七十年代之前，国内外主要采用吸附法处理，其中尤以无机吸附剂，如活性炭、沸石等，效果较差，性能不可靠。到了七十年代，国内外开始普遍采用有机离子交换树脂吸附，性能明显提高，但遇到操作麻烦，再生液二次污染及树脂价格高等问题。到了八十年代，国内外开始逐渐转向化学沉淀法，如美国1986年报导全国一万三千家电镀与金属加工厂中75%采用化学沉淀法。

    化学沉淀法的关键是固液分离，只要固液分离效率高，可绝对保证废水达到排放要求。目前国内外大多采用的方法是自然沉淀、气浮分离及斜管分离等。为了提高分离效率，许多厂也在水中投加絮凝剂，如聚丙烯酰胺等，然后以板框压滤机，带式挤压过滤等压滤设备进行污泥脱水，为了保证出水质量，往往将排放水再经过砂滤或其他更精细过滤设备进行二次复滤，这样的处理系统过于复杂，操作比较麻烦。

    我们于七十年代就开始以微孔过滤机处理重金属废水。

    1975年第一代微孔精密过滤机试制成功，首先在上海第四冷轧厂用于过滤“电解法处理酸性轧钢废水”中的Fe(OH)₃ 胶体，不久上海纺织器材厂用于含氢氧化锌过滤；1978年上海江南造船厂用于含铬废水处理中形成的氢氧化铬。以上这些过滤采用微孔PVC烧结管，而且没有气动快开结构，排出的渣干度较低；1976年，我们研制成功微孔PE过滤器，微孔PE管比微孔PVC管性能明显优势，在解决了微孔PE管安装方法以后，完全可以取代微孔PVC管。1978年第二代微孔精密过滤机试制成功。这种过滤机的特点是：（一）过滤介质完全采用微孔PE管，装拆方便；（二）过滤机中有气动快开排渣结构，利于干渣排除；（三）过滤机可以依靠气体反吹再生，微孔PE管可以使用较长时间不需化学再生。由于这些技术问题解决，为这种过滤机在国内广泛推广打下基础。80年代开始，上海在废水处理中重点抓重金属废水的处理，处理方法也从离子交换法转向化学沉淀法，但固液分离仍以气浮、斜管或自然沉降等分离方法，由于这些方法有前面所述的弊病，加上我们第一代研制的微孔过滤机已有以上三个厂应用的效果，它的一些特色开始为人们所认识，再加上我们研制的第二代微孔过滤机已试制成功，已在其他行业（如化纤生产）推广应用；1982年上海几个厂开始采用第二代微孔PE管过滤机过滤重金属废水。由于这种过滤机过滤效率高，水质稳定可靠，占地面积小，结构简单。可解决气浮等设备的弊病。1984年以后上海不少厂纷纷采用，外地许多厂也开始应用。经我院通过咨询、技术服务或协作形式推广的厂有50个厂，共109台微孔PE管过滤机用于过滤各种重金属废水。由于这些厂成功应用，许多同行厂根据这些厂应用效果与实践经验，不通过我们试验直接选用这些微孔PE管过滤机。目前全国有多少台微孔PE管过滤机用于重金属废水过滤，我们没有正确统计，初步估计，在500台以上，除台湾、西藏外每个省都有应用。于是“微孔PE管过滤机处理重金属废水”在我国开始成为一种新型处理方法而为大家所认识，并在不断获得推广。

    微孔PE管七十年代国外就有厂生产，但除了个别广告外，对其报导很少，系统的研究报告几乎没有，主要用于一些含固量极少溶液的小面积澄清过滤，一般不再生；在废水处理中，微孔PE管主要在空气氧化中作空气鼓泡器使用，未见用于悬浮物废水过滤的报导，更未见用于酸性重金属废水过滤的报导。

    本文对“微孔PE管过滤机处理重金属废水”进行系统总结。

一． 主要特点“微孔PE管过滤机处理重金属废水”有以下特点：

（1） 流程简单：除了一水池（作集水池，兼作化学反应）就只需一种微孔PE管过滤机；不象自然沉降、斜管沉淀或气浮等分离设备，还需污泥脱水机，更不需砂滤等二次复滤设备；

（2） 水质稳定可靠，经过微孔PE管过滤的废水，无论那一种重金属废水过滤后的水中重金属离子浓度均低于排放标准的规定值。不象自然沉降、卸管沉淀或气浮等分离设备受水量或停留时间等影响因素干扰；

（3） 占地面积较少：微孔PE管都是立式管式结构，单位占地面积的过滤总面积比任何其他过滤设备都大。对某些厂房面积小的厂还可以将过滤机装在集水池上面；

（4） 操作方便：由于流程简化，其操作比任何其他方法都简单得多，劳动强度低，不需繁重劳力；

（5） 成本低：由于流程简化、操作方便，其设备投资费、动力费、维护费等费用均较低，因此操作成本比其他要少。

二．主要处理流程与装置：
 

1． 处理流程：

图1系重金属废水处理系统图，图2系重金属废水处理流程图，废水首先先进入集水池。对不溶性重金属废水集水池作过滤前的集水作用；而对可溶性酸性重金属废水，集水池除集水外，还作废水过滤前化学予处理用。集水池的水经离心泵直接输送到微孔PE管过滤机进行过滤。从过滤机上部出来的就是达到排放要求的水，从微孔过滤机下部可定时排出较干的废渣。

2． 主要装置：主要装置有以下：

（1）集水池：集水池一般在地下，其容量根据每天处理废水总容量而定，一般以储半天或一天总水量为宜；如果场地小，也可储4小时水量。储水池中需有空气搅拌用的气体分布管，以使废水中固体不在集水池中沉淀，能全部被泵压送到微孔PE管过滤机中进行过滤。

对不溶性重金属废水，由于废水的PH值一般不小于7，集水池可以用一般钢筋水泥砌成；对可溶性重金属废水、集水池内壁、管道及阀门需要耐酸材料。集水池需一隔为二，以便能一边化学处理另一边又能连续过滤。

（2）微孔PE管过滤机：这是本方法的主要设备，下面将另外介绍。

微孔PE管过滤机需有以下附属设备：

1） 小型空气压缩机：主要供应微孔过滤反吹卸渣与反吹再生，供应微孔过滤机开启气动快开底盖，滤渣正吹脱水以及供集水池空气搅拌用，气量一般为0.3~1米³/分，最高气压为7公斤/厘米²；

2） 储气缸：由于反吹渣与反吹再生时，气压高（6公斤/厘米²），在几秒种时间内气量要足，故需一个储气缸装在过滤机附近，以满足反吹时用气，储气缸一般1~3米³。

3） 离心泵：从集水池输送废水至微孔PE管过滤机过滤用。离心泵的流量根据废水每小时处理量，其扬程一般为20米；最好选用立式水泵直接装在水池内，其启动操作比较简单。

三．化学予处理：

（一）基本方法：对不溶性重金属废水，不需化学予处理，可直接采用微孔过滤机过滤即可。

对可溶性重金属废水则在过滤操作前，先进行化学予处理。化学予处理的目的，使酸性废水中可溶性重金属离子通过化学反应成为溶度积很小的化合物，使水中的重金属离子的溶解度小于国家规定的排放浓度。这样只要将这些沉淀化合物过滤掉，就可保证废水达到排放要求。

化学予处理有三种：碳酸盐沉淀、硫化物沉淀与氢氧化物沉淀。

（1） 碳酸盐沉淀法：采用Na₂CO₃等可溶性碳酸盐使废水中的重金属离子生产溶度积小的重金属碳酸盐；比较其他两种方法，碳酸盐在水中的溶解度高。因此，过滤水质难以达到排放要求，该方法目前使用很少。

（2） 硫化物沉淀法：采用Na₂S等可溶性化合物，使水中重金属离子形成溶度积很低的金属硫化物，此方法优点是形成的硫化物颗粒粗，溶度积很低，其对金属离子的结合力大于一些废水中的络合剂，对含络合剂的废水不必予先进行破络处理；硫化钠又是一种还原剂对于电镀络合废水，不必先进行还原反应，此方法在美国使用很普遍；次方法一个重要缺点是水中硫化氢含量较多，使得操作环境及处理的水中硫化氢浓度太高，必须将整个系统处于密闭操作；废水最后还需经过活性炭等类吸附剂吸附H₂S，然后才能排放，此方法我国几乎没有使用。

（3） 氢氧化物沉淀法：利用氢氧化物（如NaOH与Ca(OH)₂等）中和剂将废水中重金属离子形成重金属氢氧化物，此类氢氧化物的溶度积比碳酸盐下，只要将氢氧化物过滤掉，就可保证水中的重金属离子低于排放值。

但对含有络合剂的废水及需还原的重金属离子，在中和前需投加破络剂或还原剂。

此方法装置简单，不需特殊反应设备，只需耐酸集水池即可投加中和剂时只要控制至中性，操作容易，一般工人均可控制，甚至可配以PH自动调节器；因此，氢氧化物沉淀法在国内外已被广泛接受，我国国内基本都是氢氧化物沉淀法。

（二）氢氧化物中和反应：目前国内氢氧化物中和剂基本采用NaOH与石灰乳两类。

中和作用有二：（1）使酸性废水的PH中和到国家规定的排放标准（PH=6.5~9）。（2）使废水中各种重金属离子转化成溶度积很小的重金属氢氧化物。

（1） PH计算：

为了使废水中可溶性的重金属离子浓度低于国家排放值，应使废水的PH值控制到其最佳值，对不用重金属离子其理论值可按以下计算：

              (1)

式中：

     PH—中和时要控制的PH值；

     Ks—某一重金属离子的溶度积；

     n—该重金属离子的原子价；

     S—要控制的该重金属离子在水中的浓度（应小于排放规定的浓度）毫克/升；

M—该重金属离子的原子量。

（2）中和剂消耗量及成渣量计算：

关于中和剂耗量及相应形成的渣，按以下推导出来的公式计算：

A）、NaOH中和剂：

    若废水中的酸是硫酸与盐酸：

    则NaOH消耗量可按下式计算：

    （2）

其形成渣量可下式计算：

       (3)

B）以石灰乳作中和剂：

如废水中的酸为硫酸，石灰消耗量按下式：

  （4）

形成的渣量可按下式：

                                                                          （5）

如果废水中的酸为盐酸，其石灰耗量计算同式  （4）

其形成的渣量，只有一些重金属氢氧化物及石灰中的不溶性杂质，而形成CaCL2溶解度非常大，不形成渣，其渣量按下式：

      （6）

以上式中：

         PH1—废水中和前PH值。

         PH2—废水中和后的PH值。

         Si1—中和前废水中某重金属离子浓度  （毫克/升）

         Si2—中和后溶解在水中该重金属离子浓度  （毫克/升）

         Mi—该重金属离子的原子量。

         n—该重金属离子的原子价。

         C— 碱溶液中的NaOH的重量浓度  （%）

         η—石灰中有效CaO的重量浓度    （%）

四．微孔PE管过滤机：

1、微孔PE管过滤的原理：

微孔PE管过滤机是利用具有烧结微孔PE过滤孔PE过滤管作为过滤介质的一种精密过滤机。

微孔PE烧结管具有无数孔道弯弯曲曲的毛细孔，毛细孔之间互相连通，形成蜂窝型刚性结构。

这种过滤介质的过滤机理是：首先是毛细孔壁对微粒进行双电层吸附，逐渐在毛细孔形成“架桥”，最后导致孔口外滤渣层逐渐堆积，形成滤渣过滤作用，由于这种过滤原理，微孔管的平均毛细孔孔径可以明显大于被过滤的微粒大小。

重金属的氢氧化物的微粒很小，一般不超过5微米，最小为0.5微米，如果用滤布等常用介质，开始时大多都穿滤，但是选用恰当孔径的微孔PE管，依靠双电层吸附，孔口架桥及滤渣过滤三方面联合作用，可以把各种最细的重金属氢氧化物滤住，在微孔PE管管壁外面形成一定厚度的可压缩滤渣层，然后停止过滤，利用压缩空气进行反吹脱渣与反吹再生，使微孔PE管的毛细孔恢复过滤性能，进行第二次过滤。

2、微孔PE过滤机特点：

（1）过滤效率高：0.5微米以上的微粒均可以滤住，只要予处理合格。废水经微孔PE管过滤都可稳定达到排放要求；

（2）过滤机除进行过滤，在机内还可进行污泥滤渣脱水，含固量达30%左右，渣成型，可以运输；

（3）过滤机的下部采用气动排渣口，利用压缩空气开启底盖，利用压缩空气进行反吹排渣，操作简便；

（4）过滤机占地面积小，过滤面积大，安装要求低；

（5）微孔PE管可以反复再生使用、寿命长。

3、微孔PE过滤机结构参数：过滤机由顶盖、上部圆柱形壳体与下部锥台形壳体，及气动快开底盖组成。

图3给出微孔PE管压滤机简图。

圆柱形壳体内部平行安装若干排由微孔PE管组成的过滤管板所有过滤管板通过滤液汇总管与滤液引出管连接；滤液引出管把过滤水引到过滤机外，反吹时，通过滤液引出管把压缩空气或气水混合流体流进所有微孔PE管内部，进行反吹排渣与反吹再生。

气动快开底盖是一利用“”型自封圈进行密封的快开结构，利用左右两个汽缸进行底盖的开闭。根据每次排渣的体积选择快开底盖口的直径。

我们开发的微孔PE管过滤机，有以下五个结构参数：

F—过滤面积，米²

D—圆柱形壳体内径（毫米）

H—圆柱形壳体高度（毫米）

d—气动快开排渣口直径（毫米）

△h—微孔PE管管板间的间距（毫米）

微孔PE管废水过滤机型号由F*D*H*d*△h表示。至今我们已设计了以下结构参数：

过滤面积：F（米²）：15，20，30，40，60，100；

圆柱形壳体直径D（毫米）：1000，1200，1400，1500，1600；

圆柱形壳体高度（毫米）：1600，2200，2700，3200；

气动快开排渣口直径d（毫米）：200，400，550，800，1000，1200；

微孔PE管板之间间距△h（毫米）：30，40，80，100，120，140，200；

根据废水处理能力，滤渣的浓度，过滤周期，每周期的排渣等因素来选择F、D、H、d与△h等参数。

4、微孔PE管过滤机过滤重金属废水的计算方法：

（1）微孔PE管孔径计算：

选择微孔PE管平均毛细孔孔径，取决于要求的过滤精度：按以下经验公式计算：

    （7）

式中：

     d孔—要选择的微孔PE管的平均孔径（微米）

     x—要过滤的重金属化合物的微粒大小（微米）

     u—滤液通过微孔PE管（外表面）的平均线速度（米/时）

     ε—微孔PE管的孔隙率（%）

    A、B—参数，取决于微孔PE管的壁厚，滤液的粘度以及微粒同微孔PE管的互相作用。

对于微粒为重金属氢氧化物，液体为水，微孔管的壁厚为5毫米，试验得出：

A=27，B=18 于是式（7）可以写成

     (7′)

式（7′）可以用于重金属氢氧化物过滤时选择微孔PE管平均孔径之用。

（2） 过滤面积与生产能力的计算：

   （8）

式中：Ñ—每次过滤水的体积（米3）

      α—滤渣比阻 （1/米²）

      C—滤渣的体积浓度（%）

     Dp—过滤压差（公斤/米²）

      t—每次过滤时间 （秒）

      u—水的粘度 （公斤/米秒）

     R介—微孔PE管的阻力 （1/米）

过滤滤渣比阻α同过滤压差Dp有关；

     （9）

式中：α0，λ，S由实验测定。

过滤最佳压差Dp佳按下式计算：

   （10）

式中：h—滤渣厚度（米）

如果α>R介/h则（10）可简化为

      （10）

过滤机的平均过滤速度W可按下式计算：

   （11）

如果α*c>R介时，则方式（11）可简化为

   （11）

五．重金属废水过滤有关的一些基本性能参数及过滤效果的测定：

我们用显微镜测定了一系列重金属化合物粒度，表1给出这些数据：

表1  某些重金属化合物微粒粒度的测定

化学反应条件变化，微粒大小也会有些变化，对不同厂的废水测定结果不会完全相同。表1的数据仅作参考，最好现场测定。

2、微孔PE管过滤重金属化合物的过滤效果测定：

现列出几个应用厂采用微孔PE管过滤机过滤重金属废水现场测定的效果，表2、3、4、5系这些测定的记录数据。由这些测定结果可见，微孔 PE管无论对那一种重金属废水都是非常有效的。

表2  微孔PE管过滤重金属废水测定效果之一

上海新新机器厂电镀混合废水

表3  微孔PE管过滤重金属废水测定效果之二

表4  微孔PE管过滤重金属废水测定效果之三

表5 微孔PE管过滤重金属废水测定效果之四

表3  微孔PE管过滤重金属废水测定效果之二

表4  微孔PE管过滤重金属废水测定效果之三

表5微孔PE管过滤重金属废水测定效果之四

表6  各种重金属废水滤渣的比阻、压缩指数及最佳压力之测定值

3、重金属废水过滤中形成滤渣的比阻、压缩指数、最佳过滤压力的测定：

计算微孔PE管过滤机过滤能力的关键数据是所形成的滤渣的比阻。压缩指数及最佳压力等参数，表6系几个厂的参数的测定值，不同厂的这些数值可能不完全相同，但基本在一个数量级内，据表6的数据可以用于设计计算参考用。

4、微孔PE过滤机过滤重金属废水的过滤流量的测定：

表7系上海江南造船厂，采用微孔PE管过滤机处理含铬废水的等压过滤的流量测定数据。该厂的含铬废水是Cr+6，用亚硫酸钠还原成Cr+3，经NaOH 中和成Cr(OH)³,其比阻等参数见表6，该厂微孔PE管过滤机的过滤面积F=12.5米²，滤渣浓度C=6.7*10-2米³/米³，过滤水的粘度μ=1*10-3公斤/秒*米，过滤介质阻力R介=1.26*10151/米²表7的实测数据系压差为2kg/cm²等压过滤时平均流速，表中计算值系按式（11）计算，由表7的数据可以看出，实测值与计算值相当接近，说明前面的一些公式可以用于设计计算用。

表7  含铬废水处理中氢氧化铬等压过滤的平均过滤速度的实测值与计算值

表8 含锌铁废水处理中非等压过滤的滤水量及平均过滤速度测定值

表8系上海城西拉丝厂含锌铁废水中过滤Zn(OH)₂×Fe(OH)₃ 在不等压条件下平均滤速测定值。这种物料的最佳压力为0.975公斤/厘米²，滤渣的体积浓度C=0.0241米3/米3，该厂过滤机为两台PG-30型，每台过滤面积为30米²，过滤管平均孔径20~25微米。原设计过滤时间为2小时，平均过滤速度为0.17米3/米²小时，即每台为5米3/米²小时，由表8数据可以看出，测定值基本接近原设计值。

五．国内目前推广应用情况：

由于微孔PE管过滤机过滤重金属废水具有其他处理设备无法比拟的突出优点，从1980年后，在国内逐渐获得广泛，经我们直接推广应用的有50家。表9给出这些厂的厂名，废水种类及微孔PE管过滤机使用规模，经我们最近回访，除了极少数三家厂，由于转产或其他原因不用外，其他厂至今一直正常使用。

这些过滤机的过滤流量平均为0.1~0.3米³/米²小时，视废水种类及废水中重金属浓度而变化，一般可达0.15~0.2米³/米²小时，每台30米²过滤机平均每小时可过滤4.5~6米³废水。

表9  我院直接推广应用的国内重金属废水处理的工厂使用微孔PE管过滤机的汇总表

我院直接的厂除了表9所列的外，还有的目前正在施工，如上海大丰化工厂含铅废水，100米²PE管过滤机四台，预计今年底调试投入使用。

除了我们推广的，还有不少厂根据上述厂的使用经验而直接应用的，据我们初步了解有：

表10

目前全国生产微孔PE管过滤机有8家，平均每年生产200多台各种规格的过滤机，1988年生产的30米²微孔PE管过滤机达300多台，这些过滤机约有一半用于重金属过滤。

六．主要存在问题与今后改进方向

1、主要存在问题：

（1）微孔过滤机加工质量问题：微孔PE管过滤机生产厂目前有8家之多，其中只有2家与我院有协作关系，其余6家与我院没有任何关系。这些厂的产品质量不符合我院原来研究的要求，他们仍生产我院第一代过滤机，由于流体力学结构非常不合理，故在使用中暴露的最大问题是微孔PE管堵塞速度快，用户每年化学再生次数增多。（一般合格的产品每年只需一次至二次）造成上述原因的是我国没有对微孔PE管过滤机执行产品合格证制度。

（2）产品的性能。选用方法及操作特性等基础知识普及不够：

微孔PE管过滤机是一种新型精密过滤机其性能与其他固液过滤设备有很大不同，其选用方法与操作特性也不一样，但由于对其宣传与普及不够，许多人把它看作与其他传统分离设备一样，不懂得正确选用，选用的型号与规格不合理，或者没按其特点操作使用，以致国内有些厂使用不理想，甚至失败，这类情况在上海地区较少，其他地区常有发生。

2、今后改进方向：

（1）微孔PE管过滤机内部滤液汇总管，目前采用金属材料，加工价格较贵，尽可能用高分子材料以减低过滤机造价。

（2）目前微孔PE管过滤机的操作是手动，这对于含固量少而每天排渣次数不多的过滤机是适宜，对含固量高，过滤周期在一小时的操作以手动就无法应付了，应尽早研制自控操作的过滤机。
 

结          语

1、“微孔PE管过滤机处理重金属废水”是我国创制的新型的重金属废水处理技术，国外至今未见报导

这一技术效果可靠，操作方便，设备简便，投资费与操作费较省，因而在国内受到愈来愈多厂矿欢迎，多年的推广应用，已在国内取得重大经济效益与社会效益。

2、 这一新技术能否成功地在生产上应用，取决于以下几点：

（1） 对每一个厂的废水，必须进行严密测定物料的过滤参数，并进行严格的科学计算，选出最佳的微孔PE管的型号及过滤机的规格，选出最适宜的附属装置；

（2） 微孔PE管及其过滤机的制造质量必须合格，目前除了浙江省温州洪利水处理器材厂的质量较稳定可靠外，其他制造厂都或多或少存在各种质量弊病，这是今后应解决的产品管理问题；

（3） 使用厂的管理往往成为这一新技术能否长期运转的很重要因素，必须严格按操作规程操作，必须及时进行维护保养，这是管理中最关键之处，凡是这样做的厂，都能成功地应用；

（4） 微孔PE管过滤机还应继续改进。以使结构更简单，防腐性能更好，操作与维修更方便。

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