(整理)冷轧厂酸碱废水处理的中和曝气池设计

冷轧厂酸碱废水处理的中和曝气池设计

1 废水性质和工艺流程

1.1酸碱废水的性质

冷轧厂在生产过程中需排出一些酸碱废水，这是由于钢材在轧制或进行其他后处理工序(如：涂层、退火等)前必须进行酸洗和碱洗，以去除钢材表面的氧化铁和油脂。酸碱废水根据排出点的不同，均有浓、稀之分，其水质详见表1。

表1 冷轧厂酸碱废水水质表

废水分类酸碱浓度

(g/L)

温度

(℃)

COD

(g/L)

Fe2+

(g/L)

油脂

(g/L)

pH

浓酸废水(HCl)

70 60

110

稀酸废水(HCl) 14

60

6

浓碱废水(NaOH) 30

60～80

25 10 14

稀碱废水(NaOH) 5 50～60 3 1 12

碱性废水含有大量的油，必须先除油才能进入酸碱废水处理系统。酸碱废水除了含有酸、碱、油、铁外，根据其生产品种的不同，还可能含有一些重金属离子如：锌、镍、铜、锡、铬等。

1.2 处理工艺流程

为了达到中和酸碱、去除重金属离子的目的，一般采用化学沉淀法处理，常规工艺流程见图1。

在图1所示的处理系统中，中和曝气池是其处理过程中的重要环节，也是设计的重点。

2 中和曝气池的设计计算

2.1中和剂的选用

据统计，大多数冷轧厂的废水通过调节池调节以后均呈酸性，所以在中和曝气池基本上是投加碱性中和剂，如氢氧化钠、碳酸钠和氢氧化钙等。选择药剂考虑的主要因素有：价格、反应速度、用量、贮存和制备装置的费用、输送的难易程度以及化学反应后的最终产物。以价格来说，在处理效果相同的情况下，氢氧化钠、碳酸钠和氢氧化钙三者之比为48∶100∶15；从反应速度来说，氢氧化钠＞碳酸钠＞氢氧化钙；从用量、贮存和制备装置的费用来说，氢氧化钠＜碳酸钠＜氢氧化钙；从反应生成物来说，氢氧化钙的生成物最容易脱水，使用氢氧化钠中和时会产生大量絮稠而难以沉淀的污泥，而碳酸钠会因生成的CO2释放而产生发泡问题。

经综合比较，中和剂一般采用氢氧化钙的乳浊液即石灰乳。石灰乳的投加浓度一般为10%［以Ca(OH)2计］，超过此浓度输送比较困难，容易沉淀。

酸性中和剂一般采用盐酸(HCl)或硫酸(H2SO4)。

2.2 中和剂投加量的计算

在中和曝气池中，由于金属离子与氢氧根生成不溶性的氢氧化物，会消耗大量的氢氧化钙。

碱性中和剂主要消耗在以下四个方面：

①中和废水中的游离酸；

②中和废水中的酸性盐；

③提供氢氧根离子直接与金属离子反应生成不溶的氢氧化物沉淀；

④调节pH值至碱性，获得有利于金属氢氧化物沉淀的条件。

前三项Ca(OH)2的消耗量均可通过相应的化学方程式计算得出。

2.3曝气装置的选择

与城市污水的生化处理不同的是，冷轧厂酸碱废水含有大量沉渣和废酸，很容易产生堵塞和腐蚀。因此，选用曝气设备时首先要考虑腐蚀和堵塞问题，而不仅仅从效率方面考虑。

从各方面综合考虑，一般冷轧厂酸碱废水处理常采用穿孔管或双螺旋曝气器，这主要是因为两者的腐蚀和堵塞问题较其他设施容易解决，且曝气池结构形式简单，池体防腐容易处理。而表面曝气器为了提高其曝气效率需考虑水的流态，池体必须做成流线型，给施工和防腐增加了一定难度。

根据经验，采用穿孔管曝气时，其穿孔孔径一般取≥5mm，否则容易堵塞。同时，其产生的大气泡需通过增加曝气强度和机械搅拌设备来提高氧的传递速率，因为增加空气流量可产生附加紊动，气泡之间的碰撞可将大气泡剪切为较小的气泡，从而增加了气水界面，提高了氧传递速率。

2.4 曝气强度的计算

由于Fe(OH)2的溶度积为1.0×10-15，而Fe(OH)3的溶度积为3.2×10-38，Fe(OH)2的溶解度远大于Fe(OH)3，而且沉淀性能也不好，因此应尽量使反应的生成物朝Fe(OH)3方向发展。在中和曝气池中通入空气时产生如下反应：

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓

从反应过程可以看出，生成Fe(OH)3的关键因素在于系统中氧的含量，也就是曝气强度和充氧效果。

曝气强度计算过程如下：

①根据实际需氧量和废水的Fe2+含量计算出废水需要的实际供氧速率

N＝0.14×QFe2+(1)

式中N ——实际供氧速率，kg/h

QFe2+——Fe2+含量，kg/h

0.14——Fe2+氧化成为Fe3+所需氧量，kg/kg Fe2+，这是一个重要的设计参数

②根据实际供氧速率N计算标准供氧速率

No=(N×C s)/[α×(β×C sm-C o)×1 .024T-20] (2)

式中α——一般取0.8～0.85

β——一般取0.9～0.97

Cs ——标准条件下清水中饱和溶解氧(0.00917kg/m3)

C0——一般取0.002kg/m3

T——混合液温度，K

Csm——曝气装置在水下深度至池面的平均溶解氧值(kg/m3)，由下式计算

C sm=C s(Qt/42+Pb/2.086 ) (3)

式中Pb——曝气装置处的绝对压力

Qt——曝气池逸出气体中含氧量，%，可由下式计算

Q t=21(1-E A)/[79+21(1-E A)] (4)

式中EA ——充氧设备的氧利用率

③根据下式计算出压缩空气的耗量

Q YQ=No/(0.23×P t) (5)

式中QYQ ——压缩空气耗量，m3/h

0.23——空气中氧含量的质量百分比

Pt——当地空气密度，kg/m3

2.5 中和曝气池的容积计算

中和曝气池发生的化学反应中，除了Fe(OH)2氧化为Fe(OH)3的过程比较慢以外，其他的化学反应均可在很短的时间内完成，这是因为空气中的氧在废水中的传递有一定的速度。因此，中和曝气池的容积取决于酸碱废水中Fe2+的浓度和废水量。其中，废水的含铁量要以可能的最大含量来计算。

中和曝气池的有效容积

V=k×No/0.0084 (6)

式中k——不均匀系数，一般取1.1～1.2

0.0084——废水中氧传递速率，kg/(m3·h)

3 注意事项

3.1 pH值的控制

冷轧酸碱废水的除铁方法是将FeCl2转化成Fe(OH)2，然后通过曝气使Fe(OH)2转化为Fe(OH)3沉淀而去