(1)中和理论培训

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,北京清大国华环保科技有限公司,河南危险废物处置中心,物化处理系统基础理论培训（一）,中和理论,1.概 述,1.1酸碱废水的来源、特性及危害,酸碱废水的来源：,酸性工业废水和碱性工业废水来源广泛，如化工厂、化纤厂、电镀厂、煤加工厂及金属酸洗车间等都排出酸性废水。有的废水中含无机酸，有的废水中含有机酸，有的同时含有有机酸和无机酸。酸的浓度差别很大，从小于1到10以上。,印染厂、金属加工厂、炼油厂、造纸厂等排出碱性废水。其中有有机碱，也有无机碱。浓度可高达百分之几。,废水中除含酸或碱外，还可能含有酸式盐、碱式盐，以及其他无机和有机等物质。,酸碱废水的危害：,酸具有腐蚀性，能腐蚀钢管、混凝土、纺织品、烧灼皮肤；还能改变环境介质的pH，碱所造成的危害程度较小。将酸和碱随意排放不仅会造成污染、腐蚀管道、破坏农作物，危害渔业生产，破坏生物处理系统的正常运行，而且也是极大的浪费。因此，对酸或碱废水首先应当考虑回收和综合利用。当必须排放时，需要进行无害化处理。,1.2 酸碱中和原理和应用,中和法,是利用化学酸碱中和的原理消除废水中过量的酸或碱,使其pH值达到中性左右的过程。,当酸或碱废水的浓度很高时，如在3%5%以上时，应考虑回用和综合利用的可能性；当浓度不高，如小于3%时，才考虑中和处理。,在工业废水处理中，中和处理常用于以下几种情况：,A.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，会产生不良影响；,B.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；,C.在废水需要进行化学或生物处理之前，对于化学处理（如混凝、除磷等），要求废水pH值升高或降低到某一需要的最佳值。对于生物处理，废水的pH值通常应维持在6.58.5范围内，以保证处理构筑物内的微生物维持最佳活性。,1.3 中和方法,酸碱性废水常用的的中和方法有：,如果同一工厂或邻近工厂同时有酸性和碱性废水，可以先让两种废水互相中和，然后再用中和剂中和剩余的酸或碱。,中和剂能成溶液或浆料时，可用投加法；,中和剂为粒料或块料时，可用过滤法。,此外，用烟道气中和碱性废水时，可在塔式反应器中接触中和。,2.酸碱废水互相中和法,2.1 酸性或碱性废水的需要量,利用酸性废水和碱性废水互相中和时，应进行综合能力的计算中和时，两种废水的酸和碱的当量数应相等，即按当量定律来计算，公式如下：,Q,C,Q,C,式中Q,酸性废水的流量，Ll；,C,酸性废水的当量浓度，克当量L；,Q,碱性废水的流量，Ll；,C,2,碱性废水的当量浓度，克当量L。,在中和过程中，酸碱双方的当量恰好相等时称为中和反应的等当点。强酸强碱互相中和时，由于生成的强酸强碱盐不发生水解，因此等当点即中性点，溶液的pH值等于7.0。但中和的一方若为弱酸或弱碱时，由于中和过程中所生成的盐的水解，尽管达到等当点，但溶液并非中性，pH值的大小取决于所生成盐的水解度。,在实际处理中，预使两种废水混合后呈中性，可按下式核算,式中 Qj碱性废水流量（L/h）；,Bj碱性废水浓度（gmol/L）；,Qs酸性废水流量（L/h）；,Bs酸性废水浓度（gmol/L）；,a中和剂比耗量，即中和1kg酸所需的碱量，参见表1,K考虑中和过程不完全的系数，一般采用1.52.0，特别是含重金属离子的废水，最好根据现场试验确定。,纯净的强酸、强碱中和时，在pH=7的附近，酸碱稍一过量，pH即有剧烈的升降。但在废水中，由于往往有弱酸盐的共同粒子效应，存在明显的缓冲能力，在要求的出水pH范围内，允许酸碱一方有较大的过量。这在中和实际操作中是有利条件，可在现场作中和试验，绘出中和曲线，以求得其缓冲范围。,表中和各种酸所需的碱、盐的理论比耗量（g/g）,注：在碱、盐的分子式下面的数值为该碱、盐的分子量；,括弧中计入的药剂量，表示不建议采用的药剂，其反应很慢。,2.2 中和设备,中和设备可根据酸碱废水排放规律及水质变化来确定。,当水质水量变化较小或后续处理对pH要求较宽时，可在集水井（或管道、混合槽）内进行连续混合反应。,当水质水量变化大或后续处理对pH要求高时，可设连续流中和池。有效容积按下式计算：,(Q,+ Q,2,)t,式中V中和池有效容积，,；,Q,酸性废水设计流量，,Q,碱性废水设计流量，,中和时间，。,当水质水量变化较大，且水量较小时，连续流无法保证出水pH要求，或出水中还含有其它杂质或重金属离子时，多采用间歇式中和池池有效容积可按污水排放周期中的废水量计算中和池至少两座交替使用在间歇式中和池内完成混合、反应、沉淀、排泥等工序。,3.药剂中和法,3.1酸性废水的药剂中和处理,3.1.1中和剂,酸性废水中和剂有石灰、石灰石、大理石、碳酸钠、苛性钠、氧化镁等。常用者为石灰。当投加石灰乳时，氢氧化钙对废水中杂质有凝聚作用，因此适用于处理杂质多浓度高的酸性废水。在选择中和剂时，还应尽可能使用一些工业废渣，如化学软水站排出的废渣（白垩），其主要成分为碳酸钙；有机化工厂或乙炔发生站排放的电石废渣，其主要成分为氢氧化钙；钢厂或电石厂筛下的废石灰；热电厂的炉灰渣或硼酸厂的硼泥。,3.1.2 中和反应,石灰可中和不同浓度的酸性废水，在采用石灰乳时，中和反应方程式如下：,H,2,SO,4,+Ca(OH),2,=CaSO,4,+2H,2,O,2HNO,3,+ Ca(OH),2,=Ca(NO,3,),2,+2H,2,O,2HCl+ Ca(OH),2,= CaCl,2,+2H,2,O,2H,3,PO,4,+3Ca(OH),2,=Ca,3,(PO4),2,+6H,2,O,2CH,3,COOH+Ca(OH),2,=Ca(CH,3,COO),2,+2H,2,O,废水中含有其他金属盐类，如铁、铅、锌、铜、镍等也消耗石灰乳的用量，反应如下：,FeCl,2,+Ca(OH),2,= Fe(OH),2,+CaCl,2,PbCl,2,+Ca(OH),2,=Pb(OH),2,+CaCl,2,3.1.2 中和反应,最常用到的是硫酸废水的中和，根据使用的药剂的不同中和反应方程式如下：,H,2,SO,4,+Ca(OH),2,= CaSO,4,+2H,2,O,H,2,SO,4,+CaCO,3,=CaSO,4,+H,2,O+CO,2,H,2,SO,4,+Ca(HCO,3,),2,=CaSO,4,+2H,2,O+2CO,2,中和后生成的硫酸钙CaSO,4,2H,2,O在水中的溶解度很小，不仅生成沉淀，而且当硫酸浓度很高时，在药剂表面会产生硫酸钙的覆盖层，影响和阻止反应的继续进行所以当采用石灰石、白垩或白云石作中和剂时，药剂颗粒应在0.5mm以下。,碳酸盐中和强酸时，生成的二氧化碳与水中过剩的碳酸钙作用生成碳酸氢盐：,CO,2,+H,2,O+CaCO,3,=Ca(HCO,3,),2,但此反应进行得较慢，因此在强酸被完全中和的时间内，只有极少量的二氧化碳进行反应。同样其他一些弱酸与碳酸盐的中和反应也是很慢的，因此都不用它作中和剂。,3.1.3 中和剂用量,由于酸性废水中含有影响中和反应的杂质（如金属离子等）及中和反应混合不均匀，因此中和剂的实际耗量应比理论耗量为高，用不均匀系数K来表示。如无试验资料时，用石灰乳中和硫酸时，K采用1.051.10，以干投或石灰浆投加时，K值采用1.051.5；中和硝酸、盐酸时，K值采用1.05。,因此药剂总耗量可按下式计算,式中Ga药剂总耗量，kg/d；,Q酸性废水量，m,3,/d；,C1废水含酸浓度，kg/m,3,；,C2废水中需中和的酸性盐浓度，kg/m,3,；,1,中和剂理论比耗量，及中和kg酸所需的碱量，kg/kg，见表1；,2,中和1kg酸性盐类所需碱性药剂量，kg/kg，见表；,K不均匀系数；,中和剂的纯度，。,3.1.4 药剂中和处理工艺流程,有间歇处理和连续式处理两种方式。为获得稳定可靠的中和处理效果宜采用多级式自动控制系统。目前多采用二级或三级。投药量由pH值检测仪控制。,1）投药装置,采用石灰作中和剂时，药剂投配方法分干投和湿投。一般采用湿法投配。,2）混合反应装置,用石灰中和酸性废水时，混合时间一般采用12min，但废水中含重金属盐或其他毒物时，上应考虑出重金属及除毒物的要求。采用其它中和剂时，混合反应时间采用220min。当废水量较少和浓度低且不产生大量沉渣时，可不设混合反应池，中和剂可直接投加在水泵吸水井中，在管道中进行反应。当然必须满足反应时间的要求。当废水量大时，一般需设混合反应池，混合反应可在同一池内进行，石灰乳在池前投入。,3）沉淀池,当沉渣量少，且重力排渣时，可采用竖流式沉淀池；当沉渣量大，重力排泥困难时，可采用平流式沉淀池，沉渣用污泥泵排出。,4）沉渣脱水装置,可采用机械脱水或干化场脱水。,3.2 碱性废水的药剂中和处理,（1）中和剂,碱性废水中和剂有硫酸、盐酸、硝酸等。常用的药剂为工业硫酸、工业盐酸。有条件时，也可以采取向碱性废水中通入烟道气（含CO,2,、SO,2,等）的办法加以中和。,（2）中和反应,以含氢氧化钠和氢氧化铵碱性废水为例、中和剂用工业硫酸，其化学反应如下：,2NaOH+H,2,SO,4,Na,2,SO,4,+2H,2,O,NH,4,OH+H,2,SO,4,(NH4),2,SO,4,+2H,2,O,以含氢氧化钠碱性废水为例，用烟道气中和，其化学反应如下：,2NaOH+CO,2,+H,2,ONa,2,CO,3,+2H,2,O,2NaOH+SO,2,+H,2,ONa,2,SO,3,+2H,2,O,表2 中和各种碱所需酸的比耗量,由于工业废水中含有的成分复杂，因此药剂投加量不能只按化学计算得到，应留有一定余量，最好做中和曲线后再进行估算。,碱性废水处理方法比较,4.过滤中和法,酸性废水流过碱性滤料时与滤料进行中和反应的方法称为过滤中和法。过滤中和法仅用于酸性废水的中和处理。特别适用于较洁净的主要含盐酸或硝酸的污水，但不适于中和浓度高的酸性废水。对硫酸废水，因中和过程中生成的硫酸钙在水中溶解度小，易在滤料表面形成覆盖层，阻碍滤料和酸的接触反应。,过滤中和法较石灰药剂法具有操作简便，运行费用低及劳动条件好等优点。另外，废水中铁盐、泥沙及惰性物质的含量亦不能过高，否则会使滤池堵塞。而且，当污水中含有大量悬浮物、油质、重金属盐和其它毒物时，也不宜采用。中和酸性废水常用的滤料有石灰石、白云石及白垩等。,中和池分三类：普通中和滤池、升流式膨胀中和滤池。,4.1,普通中和滤池,4.1.1 反应方程式,普通过滤中和一般采用石灰石作滤料，采用石灰石作滤料时，其中和反应方程式如下：,2HCl+CaCO,3,=CaCl,2,+H,2,O+CO,2,2HNO,3,+CaCO,3,=Ca(NO,3,),2,+H,2,O+CO,2,H,2,SO,4,+CaCO,3,=CaSO,4,+H,2,O+CO,2,为避免在滤料表面形成硫酸钙覆盖层，当硫酸的浓度在25g/L范围内，可用白云石作滤料，因中和时产生的硫酸镁易溶于水，结垢较石灰石少。反应速度较石灰石慢，反应式为：,2H,2,SO,4,+CaCO,3,MgCO,3,=CaSO,4,+MgSO,4,+2H,2,O+2CO,2,由以上反应式可知，所有过滤中和反应均产生CO,2,，CO,2,溶于水为碳酸。使出水pH在5左右，需用曝气等方法脱CO,2,，将pH提高至6左右。,4.1.2普通中和滤池的形式,普通中和滤池为固定床。滤池按水流方向分为平流式和竖流式两种，目前多用竖流式。竖流式又可分为升流式和降流式两种，见下图（a为升流式，b为降流式）。,普通中和滤池的滤料粒径不宜过大，一般为30 50mm，不得混有粉料杂质。当废水含有可能堵滤料的杂质时，应进行预处理。过滤速度一般为1 1.5m/h，不大于5m/h，接触时间不少于10min，滤床厚度一般为11.5m。,4.1.3 中和剂用量,滤料消耗量可按下式计算：,M=KaQB,式中 K系数，一般采用1.5,a药剂比耗量；,Q污水流量（m3/d）；,B污水中酸的浓度（kg/m3）,滤料理论工作周期T（d）可按下式计算：,式中 P滤料装载量（kg）；,M,X,滤料实际消耗量，对白云石，M,X,=1.5M,4.2 升流式膨胀中和滤池,升流式膨胀中和滤池，废水从滤池底部进入，从池顶流出，使滤料处于膨胀状态。升流式膨胀滤池又可分为恒滤速和变滤速两种。恒滤速升流膨胀中和滤池的滤柱横截面固定不变，当滤速提高到6070m/h，可使滤料相互摩擦，不易结垢，垢屑和CO,2,易于排走，不致造成滤床堵塞。对于硫酸废水，限制浓度可提高到2g/L。,滤柱底部配水应均匀，当采用大阻力穿孔布水系统时，孔径为912mm，孔距及孔数可根据计算确定。卵石承托层厚为0.150.2m，粒径为2040mm。滤料粒径为0.53mm，滤层高度应根据酸性废水浓度、滤料粒径、中和反应时间等条件确定。滤层厚度在运转初期为1m1.2，最终换料时为2m，滤料膨胀率采用50%；滤柱顶部设缓冲层，一般为0.5m。滤柱总高一般为3m左右。每个滤柱直径宜小于2m，且至少应设一个备用，以供倒床换料。,变滤速升流膨胀中和滤池（见图 ）的滤柱下部截面小，上部截面大，使下部滤速达130150m/h，上部为4060m/h，因而全部滤料都能膨胀，但上部出水可少带料，可使最小粒径达0.25mm，改变了恒速升流膨胀中和下部膨胀不起来，上部却带走小颗粒滤料的缺点。对于硫酸污水，变速膨胀滤池的限制浓度可进一步提高到2.5g/L以上。,经中和后的滤池出水pH值可达4.24.5，将水中CO2用除气塔除去后，废水pH可提高到66.5。膨胀中和滤池一般每班加料24次。当出水pH4.2时，须倒床换料。滤料量大时，加料及倒床宜考虑机械化，以减轻劳动强度。,4.3 滚筒式过滤中和,卧式过滤中和，滚筒由钢板制成，内衬防腐层。筒径1m以上，筒长为筒径的67倍，旋转轴向出水方向倾斜0.51，转速为1020r/min。污水与滤料由筒的一端进入，在筒内随筒一起转动，一面相互作用，污水在另一端经多空滤板流出。筒内壁焊有数条纵向挡板，带动滤料不断翻滚。筒的有效装料体积为筒体积的一半，滤料粒径可达十几毫米。同膨胀滤池一样，出水也需脱除CO,2,。该装置的优点是对含硫酸的废水硫酸限制浓度可提高数倍，而且滤料不必粉碎到很小粒径，滤料也不怕堵塞，但是它结构复杂，动力费用高，运行时设备噪声较大，且设备的腐蚀问题还有待解决。,酸性废水处理方法比较,此外，酸性废水还可根据排出情况及含酸浓度，对中和方法进行选择,酸性废水中和方法的选择,注：,1,表中“,+”,表示建议采用；“”表示可以采用；“,-”,表示不宜采用。,2,对升流膨胀石灰石中和滤池，中和硫酸废水时，含酸浓度不宜大于,2g/L,。,物化车间所采用的中和反应,酸性废水中和试剂：氢氧化钠溶液,碱性废水中和试剂：硫酸溶液,选取以上两种试剂的原因：,氢氧化钠溶液：,1.调整控制pH值快速精确，浓度易于控制,2.不会生成其它剩余物质，影响反应效果（与石灰比较）,硫酸溶液：反应快速精确，浓度易于控制,PART END,北京清大国华环保科技有限公司,