爱华网环境科学讲座第二篇 4.水体污染治理
四：水体污染物的物理、化学去除
1．化学沉淀法去除水体污染物
化学法就是通过化学反应改变废水中污染物的化学性质或物理性质，使之发生化学或物理状态的变化，进而将其从水中除去。例如化学沉淀法，就是利用某些化学物质作沉淀剂，与废水中的污染物（主要是重金属离子）进行化学反应，生成难溶于水的物质沉淀析出，从废水中分离出去。如可用石灰（Ca（OH）2）与废水中Cd2+，Hg2+等重金属离子形成难溶于水的氢氧化物沉淀：
利用沉淀反应除去废水中污染的重金属离子，是水溶液中主要化学反应之一，也是沉淀－溶解平衡的应用。
一个在一定条件下能发生的化学反应体系中，随着反应的进行，反应物浓度逐渐减少，而产物浓度逐渐增加，最终化学反应达到其进行的限度，即达到平衡。不同的化学反应达到平衡态的时间不尽相同，但作为化学平衡态，都具有共同的特征：
（1）平衡建立时反应中各物质的浓度或分压不再随时间而改变，且只要外界条件不变（即温度、压力和浓度等都不变），无论经过多长时间，平衡时各物质的浓度或分压应保持不变，这一特征对实际生产具有重要的指导作用；
（2）化学平衡是动态平衡，从宏观上看，化学反应达到平衡态，各物质的浓度或分压不再随时间改变，反应似乎“停止”了，但从微观上看，正逆两方面的反应仍继续进行，只是它们的反应速率相等；
（3）化学反应在一定条件下达到平衡态，可用相应的平衡常数描述反应进行的限度。
用石灰与废水中Cd2+形成难溶物Cd（OH）2，而难溶物在溶液中总有一定的溶解度，在一定条件下，当溶解与沉淀速率相等时，便建立了固体难溶电解质与溶液中离子间的多相平衡，即：
这个平衡的特点是反应物为Cd（OH）2固体，生成物为溶液中的Cd2+和OH-，其平衡浓度分别用[Cd2+]和[OH-]表示，其平衡常数表达式为：
Ksp=[Cd2+][OH-]2
当温度一定时，难溶电解质的饱和溶液中，其离子浓度的乘积为一常数，这个常数叫做溶度积。这个溶度积是饱和溶液中各离子浓度幂的乘积，其中离子浓度与标准浓度比的指数就是溶解平衡方程式中该离子的化学计量数。对于下列难溶电解质溶解平衡通式：AmBn(s) mAn++nBm-，其溶度积表达式为：
书写标准平衡常数表达式必须与相应的化学反应方程式写法相符，标准平衡常数表达式中不考虑反应中出现的纯固体、纯液体和溶剂。平衡常数是化学反应的一个特征常数，其数值大小与各物质的分压或浓度无关，但随反应温度而变，因此写平衡常数时，一般要注明温度，若未注明，通常是指室温（298 K）。
对难溶电解质的溶解平衡，显然Ksp越小，其在相同温度下溶解度越小；反之Ksp越大，其溶解度越大。下表列出某些难溶电解质的溶度积。
金属硫化物的溶解度一般都比较小，因此用硫化钠或硫化氢作沉淀剂能更有效地处理含重金属离子的废水，特别是对于经过氢氧化物沉淀法处理后，尚不能达到排放标准的含Hg2+和Cd2+的废水，再通过反应生成极难溶于水的硫化物沉淀：
Hg2++S2-—→HgS↓
Cd2++S2-—→CdS↓
这样自然沉降后的出水中，Hg2+含量可由起始的400mg·L-1左右降至1mg·L-1以下。
难溶电解质的平衡是一个动态平衡，改变条件可以移动平衡。在实际生产中，可利用同离子效应（在难溶电解质的饱和溶液中，加入含有共同离子的另一电解质，而使难溶电解质溶解度降低的效应），即加入过量的沉淀剂，就可使沉淀反应趋于完全。这里说的“完全”并非溶液中就不存在欲沉淀分离的离子，一般定性分析中，溶液中该离子浓度不超过10-5mol·L-1，就可以认为已沉淀完全了。
化学沉淀法处理废水，一般有投药、混合、反应、沉淀等过程。其工艺流程如图5－1所示。
2．氧化还原法去除水体污染物
化学氧化法常用来处理工业废水，特别适宜处理难以生物降解的有机物，如大部分农药、染料、酚、氰化物，以及引起色度、臭味的物质。常用的氧化剂有氯类（液态氯、次氯酸钠、漂白粉等）和氧类（空气、臭氧、过氧化氢、高锰酸钾等）。
用氯、次氯酸钠、漂白粉等可以氧化废水中的有机物、某些还原性无机物以及用来杀菌、除臭、脱色等。氯氧化法处理含氰废水是废水处理的一个典型实例。在碱性条件下（pH=8.5～11），液氯可将氰化物氧化成氰酸盐：
CN-+2OH-+Cl2—→CNO-+2Cl-+H2O
氰酸盐的毒性仅为氰化物的千分之一。若投加过量氧化剂，可将氰酸盐进一步氧化为二氧化碳和氮：
2CNO-+4OH-+3Cl2—→2CO2↑+N2↑+6Cl-+2H2O
使水质得以进一步净化。
空气中的氧是最廉价的氧化剂，但氧化能力不够强，只能氧化易于氧化的污染物。过氧化氢（H2O2）具有强氧化能力，适于处理多种含有毒有味化合物及难以处理的有机废水，如含硫、氰、苯酚等的废水。高锰酸钾（KMnO4）也是强氧化剂，主要用于除去锰、铁和某些有机污染物。
化学还原法主要用于处理含有汞、铬等重金属离子的废水。例如用废铁屑、废铜屑、废锌粒等较汞活泼的金属作还原剂处理含汞废水，将上述金属放在过滤装置中，当废水流过金属滤层时，废水中的Hg2+即被还原为金属汞：
Fe(Zn，Cu)+Hg2+—→Fe2+(Zn2+，Cu2+)+Hg↓
生成的铁（锌、铜）汞渣经焙烧炉加热，可以回收金属汞。
对于含铬废水，可先用硫酸酸化（pH=3～4），然后加入5％～10％的硫酸亚铁，使废水中的六价铬还原为三价铬：
然后再加入石灰，降低酸度，调至pH为8～9，三价铬离子形成难溶于水的氢氧化铬沉淀，即自然沉降而与水分离。
2Cr3++3Ca(OH)2—→2Cr(OH)3+3Ca2+
3． 物理化学法去除水体污染物
物理化学处理法是指运用物理和化学的综合作用使废水得到净化的方法。常用的有吹脱、吸附、萃取、离子交换、电解等方法，有时也归类于化学方法。常用化学方法处理废水的原理和处理对象见表5－2。
应该指出的是，不同的处理方法有其自身的特点和适应的处理对象，需合理地选择和采用。例如对成分复杂的废水，化学沉淀法往往难于达到排放或回用的要求，则需与其他处理方法联合使用。
