第三章水的化学处理

第三章 水的化学处理水的化学处理方法是借助于化学反应来去除水中污染物，从而达到改善水质、控制污染的目的。

本章主要介绍中和、混凝、化学沉淀、氧化还原和消毒。

通过本章学习，要求掌握各种化学处理方法的基本原理、工艺流程、工艺条件以及各种方法的应用范围。

化学处理法所需要的药剂和相应的处理设备，要求能够熟练计算药剂的用量及设备尺寸的计算。

第一节 中和工业生产中总伴随有酸性废水和碱性废水。

酸性废水中常见的酸性物质有硫酸、硝酸、氢氟酸、氢氰酸、磷酸等无机酸以及醋酸、甲酸、柠檬酸等有机酸。

碱性废水中常见的碱性物质有苛性钠、碳酸钠、硫化钠及胺等。

如果将这些废水随意排放，不仅会污染环境，而且会造成巨大的浪费。

因此，对酸或碱性废水首先应考虑回收和综合利用，必须排放时，需要进行无害化处理。

当酸性或碱性废水浓度较高，例如在3％～5％以上时，应考虑回收和综合利用的可能性；当浓度不高时，例如低于3％～5％，回收和综合利用经济意义不大时，可考虑中和处理，使废水的pH 值恢复到中性附近的一定范围。

一、基本原理中和处理发生的主要反应是酸与碱生成盐和水的中和反应。

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，由于中和过程所生成的盐的水解，尽管达到等当点，但溶液并非中性，pH 值大小取决于所生成盐的水解度。

中和处理所采用的药剂称中和剂。

酸性废水处理时所用中和剂有石灰、石灰石、白云石、苏打、苛性钠等。

碱性废水处理时所用中和剂有盐酸和硫酸。

中和处理时首先应考虑将酸性废水与碱性废水互相中和，其次再考虑向酸性或碱性废水中投加药剂中和以及过滤中和等。

二、酸性废水的中和处理（一）酸碱废水互相中和酸碱废水相互中和是一种简单又经济的以废治废的处理方法。

利用酸性废水和碱性废水互相中和时，应进行中和能力的计算。

中和时两种废水的酸或碱的当量数应相等。

在中和过程中应控制碱性废水的投加量，使处理后的废水呈中性或弱碱性。

根据化学反应当量原理，可按下式进行计算：∑∑≥k B Q B Q aa b b α （3-1） 式中 Q b －碱性废水流量，m 3/h ；B b －碱性废水浓度，mg/L ；Q a －酸性废水流量，m 3/h ；B a－酸性废水浓度，mg/L；－药剂比耗量，即中和1kg酸所需碱量，见表3-1；k－反应不完全系数，一般取1.5～2表3-1 碱性中和剂的比耗量（二）药剂中和投加药剂中和法常用于酸性废水的处理。

以石灰石、电石渣、石灰作中和剂，也有采用碳酸钠和苛性钠作中和剂的。

反应原理都是酸、碱中和反应，中和剂的投加量，可按化学反应式进行估算。

由于药剂中常含有不参与中和反应的惰性杂质(如砂土、粘土)，因此药剂的实际耗量比理论耗量要大些。

药剂的纯度应根据药剂分析资料确定。

当没有分析资料时，可参考下列数据：生石灰含有效CaO 60％～80％，熟石灰含Ca(OH)265％～75％；电石渣及废石灰含有效CaO 60％～70％；石灰石含CaCO390％～95％；白云石含CaCO345％～50％。

石灰的投加方式可以用干投或湿投。

干投是将石灰粉直接计量投入水中。

投加时，可使用具有电磁振荡装置的石灰投配器。

石灰投入废水渠，经混合槽折流混合0.5~1min，然后进入沉淀池将沉渣进行分离。

干投法设备简单，但是反应不彻底，反应速度慢，投药量大，为理论值的1.4~1.5倍，劳动强度大，卫生条件差。

目前常用的是湿投法。

湿投法先将石灰消解，配制成石灰乳液，然后投加。

石灰乳液浓度在10％左右，用泵送到投配器，经投配器投入到混合反应设备。

送到投配器的石灰乳量大于投加量，剩余部分回流，保持投配器液面不变，投加量由投配器控制。

当短时间停止投加石灰乳时，石灰乳可在系统内循环，不易堵塞。

石灰消解槽不易采用压缩空气搅拌，因为石灰乳与空气中的CO2会反应生成CaCO3沉淀，既浪费药剂又引起堵塞。

一般采用机械搅拌。

湿投法设备较多，但反应迅速彻底，投药量少，仅为理论值的1.05~1.10倍。

流程如图3-1所示。

图3-1石灰乳投配装置中和反应较快，废水与药剂边混合，边中和，可用隔板构成狭道或用搅拌机械混合药剂和废水，停留时间采用5~20min 。

中和池可间歇运行也可连续运行。

当废水量少、废水间歇产生时采用间歇运行较合理。

设置两个池子，交替工作，当废水量大时，一般用连续处理。

中和过程产生的泥渣应及时分离，以防止堵塞管道。

分离设备可采用沉淀池或气浮池。

投药中和法适用于任何浓度、任何性质的酸性废水。

对水质水量的波动适应性强，中和剂利用率高，中和过程容易调节。

但劳动条件差，药剂配制和投加设备多，基建投资大，泥渣多且脱水困难。

投药中和酸性废水时，投药量)/(h kg G b 可以按式3-2计算：100⨯=αak G G a b （3-2）式中Ga －废水中酸的含量，kg/h ；a －中和剂比耗量，见表3-1；α－中和剂纯度，％，k －反应不均匀系数，一般取1.1~1.2；石灰乳中和硫酸时取1.1，中和盐酸或硝酸时可取1.05。

如果用投药中和法处理碱性废水，常选用硫酸作中和剂，其优点是反应速度快，中和完全。

如果用工业废酸中和，则消耗成本更低。

（三）过滤中和废水流经具有中和能力的滤料并与滤料进行中和反应的方法称为过滤中和法。

工业上常用石灰石、大理石或白云石作中和滤料处理酸性废水，反应在中和滤池中进行。

水流方式为竖流式(升流或降流均可)。

过滤中和法较药剂投加中和法具有操作方便、运行费用低及劳动条件好等优点。

但用石灰石作滤料处理浓度较高的酸性废水尤其是硫酸废水时，因中和过程中生成的硫酸钙在水中溶解度很小，易在滤料表面形成覆盖层，阻碍滤料和酸的接触反应。

因此，废水的硫酸浓度一般不超过1～2g／L。

用白云石作为滤料，硫酸浓度可以适当提高。

如硫酸浓度过高，可以回流出水，予以稀释。

过滤中和所使用的中和滤池有普通中和滤池、升流式膨胀中和滤池和滚筒式中和滤池。

1.普通中和滤池普通中和滤池为固定床，水的流向有平流式和竖流式。

目前多采用竖流式。

竖流式又分为升流式和降流式两种。

普通中和滤池的滤料粒径一般为30~50mm，不能混有粉料杂质。

废水中如含有可能堵塞滤料的物质时，应进行预处理，过滤速度一般不大于5m/h，接触时间不小于10min，滤床厚度一般为1~1.5m。

2. 升流式膨胀中和滤池采用升流式膨胀中和滤池，可以改善硫酸废水的中和过滤。

具体操作是废水从滤池的底部进入，水流自下向上流动，从池顶部流出。

废水上升滤速高达有50～70m ／h，滤料间相互碰撞磨擦，加上生成的CO2气体作用，有助于防止结壳，滤料表面不断更新，具有较好的中和效果。

滤池分为四部分：底部为进水设备，一般采用大阻力穿孔管布水，孔径9~12mm，进水设备上面是卵石垫层，厚度为0.15~0.2m，卵石粒径为20~40mm，垫层上面为石灰石滤料，石灰石滤料粒径较小(0.5~3mm)，滤床膨胀率保持在50％左右，膨胀后的滤层高度为1.5~1.8m，滤层上部清水区高度为0.5m，水流速度逐渐缓慢，出水由出水槽均匀汇集出流。

滤床总高度为3m左右，直径大于2m。

图3-2为升流式膨胀中和滤池。

图3-2 升流式膨胀中和滤池当废水硫酸浓度小于2200mg／L时，经中和处理后，出水的pH值可提高到6～6.5。

滤池在运行中，滤料有所消耗，应定期补充。

膨胀中和滤池一般每班加料2～4次。

当出水的pH值≤4.2时，须倒床换料。

滤料量大时，须考虑加料和倒床机械化操作，以减轻劳动强度。

3. 滚筒式中和滤池如图3-3所示。

装于滚筒中的滤料随滚筒一起转动，使滤料相互碰撞，及时剥离由中和产物形成的覆盖层，可以加快中和反应速度。

废水由滚筒的另一端流出。

图3-3 滚筒式中和滤池滚筒直径1m或更大，长度约为直径的6~7倍。

滚筒转速约为10r/min，转轴倾斜角度为0.5。

~1。

滤料粒径十几毫米，装料体积约为转桶体积的一半。

进水中硫酸浓度可以超过允许浓度的数倍，滤料粒径不必碎得很小。

但负荷率低（约为36m3/m2.h），构造复杂且动力费用较高，运转时噪声较大，同时对设备材料的耐腐蚀性能要求较高。

三、碱性废水的中和处理（一）药剂中和碱性废水的中和剂主要是采用工业硫酸，因为其价格较低。

使用盐酸的优点是反应产物的溶解度高，泥渣量少，但出水溶解固体浓度高。

无机酸中和碱性废水的工艺、设备和酸性废水的加药中和设备基本相同。

酸性中和剂的比耗量见表3-2。

表3-2 酸性中和剂比耗量（二）烟道气中和在工业上还常用另外一种形式的滤床，称为喷淋塔，用它来处理碱性废水。

中和剂则是含有CO2和少量SO2、H2S的烟道气。

烟道气中的CO2和少量SO2、H2S与碱性废水反应式如下：CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OSO2+2NaOH=Na2SO3+H2OH2S+2NaOH=Na2S+2H2O喷淋塔也是一种竖流式滤池，其滤料是一种惰性填料，本身并不参与中和反应。

运行时碱性废水从塔顶用布液器喷出，流向填料床，烟道气则自塔底进入，升入填料床。

水、气在填料床接触过程中，废水和烟道气都得到了净化，使废水中和、烟尘消除。

图3-4 喷淋塔四、中和处理在工程中的应用江西某钢厂新建14×104 t/a无缝钢管。

酸洗车间所产生的废酸液总量：2.26×104 m3/a，含硫酸50g/L，FeSO4230g/L；酸性废水总量：27.28×104m3/a，含硫酸0.7g/L，FeSO41.72g/L。

综合考虑，确定采取工艺流程如下：废酸液先进入石灰中和池进行中和预处理，石灰中和池出水再与酸性废水集中进入调节池调节水质水量，然后通过耐酸泵打入升流式膨胀中和滤塔，塔内用白云石作中和滤料，再经脱气塔去除CO2，如果出水pH值还达不到排放标准，则需要再通过溶解槽补加部分碱液进一步中和，然后进入平流式沉淀池进行沉淀，沉淀池出水进入清水池以作回用或外排。

石灰中和池沉淀废渣、调节池污泥和沉淀池污泥一起打入污泥浓缩池浓缩，再经带式压滤机进行脱水后外排。

其处理工艺流程见图3-5。

图3-5 酸性废水处理工艺流程设计参数：石灰中和池HRT＝3h；调节池HRT＝10h；变速升流式膨胀滤塔上部滤速40m/h，下部滤速140m/h；脱气塔填料层高2m，共3层；反应槽HRT＝2.5h；平流式沉淀池HRT＝1.5h，q＝2m3/(m2.h)；污泥浓缩池HRT＝3h。

滤料粒径为0.5~3mm，平均粒径1.2mm。

该处理站进水pH值为2.1~3.4，经处理后出水pH值为6.1~6.9。

第二节混凝化学混凝所处理的对象，主要是水中微小悬浮物和胶体杂质。

大颗粒的悬浮物(粒度大于100nm)由于受重力作用而沉降，可以用沉淀法除去。