中和及pH值的控制
含酸碱废水来源很广,化工厂、化纤厂、电镀厂、炼油厂以及金属酸洗车间等都排出酸性废水。有的废水含有无机酸如硫酸、盐酸等;有的则含有蚁酸、醋酸等有机酸;有的则兼而有之。废水含酸浓度差别很大,从小于1%到10%以上。造纸厂、印染厂、金属加工厂等排出碱性废水,大多数情况下为无机碱,也有些废水含有机碱。其中某些废水含碱浓度很高,*高可达百分之几。废水中除含酸、碱外,还可能含有酸式盐、碱式盐,以及其他的无机物、有机物等物质。将酸和碱随意排放会对环境造成污染和破坏,而且也是一种资源的浪费。因此,对酸、碱废水首先应考虑回收和综合利用。当酸、碱废水的浓度较高时,例如达3%~5%以上,往往存在回用和综合利用的可能性。例如用以制造硫酸亚铁、硫酸铁、石膏、化肥,也可以考虑供其他工厂使用等。当浓度不高(例如小于2%),回收或综合利用经济意义不大时,才考虑中和处理。
一、原理
用化学法去除废水中过量的酸或碱,使其pH值达到中性左右的过程称为中和。处理含酸废水时通常以碱和碱性氧化物为中和剂,而处理碱性废水则以酸或酸性氧化物作中和剂。
在工业废水处理中,中和处理常常用于以下几种情况:
(1)在废水排入水体之前,因为水生生物对pH值的变化极其敏感,当大量废水排入后使水体的pH值变得偏酸或偏碱时,会产生**影响;
(2)在废水排入城市排水管道之前,由于酸、碱对排水管道产生腐蚀作用,一般城市排水管道对排入工业废水的pH值都有明确的规定;
(3)在废水需要进行化学或生物处理之前,对于化学处理(例如凝聚、除磷等),要求废水的pH值升高或降低到某一需要的*佳值。对于生物处理,废水的pH值通常应维持在6.5~8.5范围内,以保证处理构筑物的微生物维持*佳活性。
对于中和处理,首先应当考虑以废治废的原则,例如将酸性废水与碱性废水互相中和,或者利用废碱渣(电石渣、碳酸钙碱渣等)中和酸性废水。在没有这些条件时,才采用药剂(中和剂)中和处理法。
酸性废水中和处理经常采用的中和剂有石灰、石灰石、白云石、氢氧化钠、碳酸钠等。碱性废水中和处理则通常采用盐酸和硫酸。选用哪种中和剂要进行经济比较和优缺点的比较。表3-6和表3-7中列出了常用的中和剂及消耗量参考数据。
表3-6 碱性中和剂的单位消耗量
酸类名称 | 中和1g酸所需碱性物质的量/g |
CaO | Ca(OH)2 | CaCO3 | MgCO3 | CaCO3-MgCO3 |
硫酸(H2SO4) | 0.571 | 0.755 | 1.02 | 0.86 | 0.94 |
盐酸(HC1) | 0.77 | 1.01 | 1.37 | 1.15 | 1.29 |
硝酸(HNO3) | 0.445 | 0.59 | 0.795 | 0.668 | 0.732 |
醋酸(HCH3COOH) | 0.466 | 0.616 | 0.83 | 0.695 | |
表3-7 酸性中和剂的单位消耗量
碱类名称 | 中和1g碱所需酸性物质的量/g |
H2SO4 | HC1 | HNO3 |
100% | 98% | 100% | 36% | 100% | 65% |
NaOH | 1.22 | 1.24 | 0.91 | 2.53 | 1.37 | 2.42 |
KOH | 0.88 | 0.90 | 0.65 | 1.80 | 1.13 | 1.74 |
Ca(OH)2 | 1.32 | 1.34 | 0.99 | 2.74 | 1.70 | 2.62 |
NH3 | 2.88 | 2.93 | 2.12 | 5.90 | 3.71 | 5.70 |
二、类型
酸性废水的中和法可分为三类:酸性废水与碱性废水混合、投药中和及过滤中和。
(一)酸、碱性废水中和法
这种中和方法是将酸性废水和碱性废水共同引入中和池中,并在池内进行混合搅拌。中和结果,应该使废水呈中性或弱碱性。根据质量守恒原理计算酸、碱废水的混合比例或流量,并且实际需要量略大于计算量。
当酸、碱废水的流量和浓度经常变化,而且波动很大时,应该设调节池加以调节,中和反应则在中和池进行,其容积应按1.5-2.0h的废水量考虑。
(二)投药中和法
酸性废水中和处理采用中和剂有石灰、石灰石、白云石、氢氧化钠、碳酸钠等。其中碳酸钠因价格较贵,一般较少采用。石灰来源广泛,价格便宜,所以使用较广。用石灰作中和剂能够处理任何浓度的酸性废水。*常采用的是石灰乳法。氢氧化钙对废水杂质具有混聚作用,因此它适用于含杂质多的酸性废水。
用石灰中和酸的反应:
H2SO4+Ca(0H)2→CaSO4↓+2H2O
2HNO3+Ca(OH)2→Ca(NO3)2+2H2O
2HC1+Ca(OH)2→CaC12+2H2O
当废水中含有其他金属盐类例如铁、铅、锌、铜等时,也能生成沉淀:
ZnSO4+Ca(OH)2→Zn(OH)2↓+CaSO4↓
FeC12+Ca(OH)2→Fe(OH)2↓+CaC12
PbC12+Ca(OH)2→Pb(OH)2↓+CaC12
计算中和药剂的投量时,应增加与重金属化合产生沉淀的药量。
(三)过滤中和法
这种方法适用于含硫酸浓度不大于2~3g/L和生成易溶盐的各种酸性废水的中和处理。
使酸性废水通过具有中和能力的滤料,例如石灰石、白云石、大理石等,即产生中和反应。例如石灰石与酸的反应:
2HC1+CaCO3→CaC12+H2O+CO2↑
H2SO4+CaCO3→CaSO4+H2O+CO2↑
2HNO3+CaCO3→Ca(NO3)2+H2O+CO2↑
白云石与硫酸的反应:
2H2SO4+CaCO3·MgCO3→CaSO4↓+MgSO4+2H2O+2CO2↑
采用白云石为中和滤料时,由于MgSO4的溶解度很大,不致造成中和的困难,而产生的石膏量仅为石灰石反应生成物的一半,因此进水的硫酸允许浓度可以提高;不过白云石的缺点是反应速度比石灰石慢。
用石灰石做滤料时,进水含硫酸浓度应小于2000mg/L;用白云石做滤料时,应小于4000mg/L。当进水的硫酸浓度短期超过限值时,应及时采取措施,降低进水量(多余的废水可在调节池内暂时储存),同时用清洁水反冲、稀释。当滤料使用到一定期限,滤料中的无效成分积累过多时,可逐渐降低滤速,以*大限度地消耗掉滤料。在生产实践中,一般都是根据运行经验,总结出每处理一定的水量补充一定量的滤料。同时,按照每消耗一定量的滤料,进行一次清渣。
过滤中和时,废水中不宜有浓度过高的重金属离子或惰性物质,要求重金属离子含量小于50mg/L,以免在滤料表面生成覆盖物,使滤料失效。
含HF的废水中和过滤时,因CaF2溶解度很小,要求HF浓度小于300mg/L。如浓度超过限值,宜采用石灰乳进行中和。
过滤中和法的优点是操作管理简单,出水pH值较稳定,不影响环境卫生,沉渣少,一般少于废水体积的0.1%;缺点是进水酸的浓度受到限制。
(四)碱性废水的中和处理
碱性废水的中和处理法有用酸性废水中和、投酸中和和烟道气中和三种。
在采用投酸中和法时,由于价格上的原因,通常多使用93%~96%的工业浓硫酸。在处理水量较小的情况下,或有方便的废酸可利用时,也有利用盐酸中和法的。在投加酸之前,一般先将酸稀释成10%左右的浓度,然后按设计要求的投量经计量泵计量后加到中和池。
在原水pH值和流量都比较稳定的情况下,可以按一定比例连续加酸。当水量及pH值经常有变化时,应当考虑设计自动加药系统,例如采用HBPH-3型工业酸度计与CHEM-TECH型系列计量泵组合成的自动pH控制系统,已比较广泛地用于废水处理工程。
由于酸的稀释过程中大量放热,而且在热的条件下酸的腐蚀性大大增强,所以不能采用将酸直接加到管道中的做法,否则管道很快将被腐蚀。一般应该设计混凝土结构的中和池,并保证一定的容积,通常可按3~5min的停留时间考虑。如果采用其他材料制作中和池或中和槽时,则应该充分考虑到防腐及耐热性能的要求。
烟道气中含有CO2和SO2,溶于水中形成H2CO3和H2SO3,能够用来使碱性废水得到中和。用烟道气中和的方法有两种,一是将碱性废水作为湿式降尘器的喷淋水,另一种是使烟道气通过碱性废水。这种中和方法效果良好;其缺点是会使处理后的废水中悬浮物含量增加,硫化物和色度也都有所增加,需要进行进一步处理。