1、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 6080 25 10 14稀碱废水(NaOH) 5 5060 3 1 12碱
2、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
3、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 4810015；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(H 2SO4)。2.2 中和剂投加量的计算在中和曝气池
4、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：中和废水中的游离酸；中和废水中的酸性盐；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；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
5、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 1.010-15，而 Fe(OH)3的溶度积为 3.210-38，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
6、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+2H2O4Fe(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：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N0.14QFe 2+(1)式中 N 实际供氧速率，kg/hQFe 2+Fe2+含量，kg/h0.14Fe 2+氧化成为 Fe3+所需氧量，kg/kg Fe 2+，这是一个重要的设计参数根据实际供氧速率 N 计算标准供氧速率No=(NC s)/(C sm-Co)1 .024T-20
7、 (2)式中 一般取 0.80.85 一般取 0.90.97Cs 标准条件下清水中饱和溶解氧(0.00917kg/m 3)C0一般取 0.002kg/m3T混合液温度，KCsm曝气装置在水下深度至池面的平均溶解氧值(kg/m 3)，由下式计算C sm=Cs(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-EA)/79+21(1-EA) (4)式中 EA 充氧设备的氧利用率根据下式计算出压缩空气的耗量Q YQ=No/(0.23Pt) (5)式中 QYQ 压缩空气耗量，m 3/h0.23空气中氧含量的质量百分比Pt
8、当地空气密度，kg/m 32.5 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=kNo/0.0084 (6)式中 k不均匀系数，一般取 1.11.20.0084废水中氧传递速率，kg/(m 3h)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)
9、2转化为 Fe(OH)3沉淀而去除。尽管 Fe(OH)2也可以沉淀，但在实际应用中却尽量使废水中的铁转化成为 Fe(OH)3，其理由是：在中性条件下，Fe 3+的溶度积较 Fe2+低；Fe(OH) 2沉渣的浓缩和脱水较 Fe(OH)3困难；Fe(OH) 2沉渣会缓慢氧化，随之发生酸化；废水中残存的 Fe(OH)2可与重铬酸钾起反应，使废水中的 COD 提高；废水中残存 Fe(OH)2的缓慢氧化会使出水的 pH 值逐渐降低，严重时可能导致出水超标。在化学沉淀法处理酸碱废水的过程中，铁离子是转化为 Fe(OH)2还是 Fe(OH)3，pH 值的控制是一个非常重要的因素。在 pH=5.5 时，Fe(
10、OH) 3溶解度最小；pH=12 时，Fe(OH) 3会重新溶解。在 pH 值为 7.07.5 条件下进行曝气，Fe 2+可迅速转化为 Fe3+；而在 pH8 时，则首先大量形成 Fe(OH)2沉淀。因此在设计中，应将一级中和曝气池的 pH 值控制在 7.07.5 的范围之内，尽可能地使 Fe2+转化成为Fe3+。如果 pH 值调节过高，则 Fe2+还没有来得及转化为 Fe3+ 就已沉淀，导致后续处理困难。重金属离子的去除同样采用中和沉淀法处理，其处理效果同样与废水的 pH 值有直接关系。如果废水中没有其他重金属离子或含量很少，以除铁为主时，则可略为降低二级中和曝气池的 pH 值，使废水中的铁
11、尽可能地得到去除。如果废水中有其他有害重金属离子，则应该综合考虑二级中和曝气池的 pH 值控制，使废水中的铁及重金属离子均最大程度地得到去除，使出水达到设计排放标准。一般来说，酸碱废水中的重金属离子含量相对于铁离子含量来说很低，且性质与铁离子相似，当废水中的铁离子去除效果达到国家规定的排放标准时，其他重金属离子的含量也同时可以满足要求，因此一般设计上只考虑铁离子的去除就可以了。表 2 为各种金属离子开始生成氢氧化物沉淀时的 pH 值范围。表 2 几种金属开始生成氢氧化物沉淀时的 pH 值金属元素 pH 值 金属元素 pH 值Al3+ 3.710 Ni2+ 8.014Fe2+ 7.514 Zn2
12、+ 7.014Fe3+ 2.03.7 Cu2+ 6.013Cr3+ 4.714 Pb2+ 7.513Mn3+ 2.7 Sb3+ 0103.2 曝气效果对出水水质的影响 Fe 2+能否充分地氧化成 Fe3+，除了需要合适 pH 值外，更主要的是废水中要有充足的溶解氧。当溶解氧不足时，处理过程的生成物主要是 Fe(OH)2，但其不稳定，经沉淀后废水中仍有残存，且在排放过程中被逐渐氧化，导致出水的 pH 值逐渐降低，甚至超出排放标准。同时，由于 Fe(OH)2可被强氧化剂氧化，使废水的 COD 提高，严重时可超标。某冷轧厂废水处理站在实际运行中曾经有过类似情况的发生，该站采用的是双螺旋曝气器，在运行过程中曾损坏，造成曝气量不足。虽然在废水处理站排出口的 pH 值在 78 左右，但在排出口下游约 500m 处的总排放口处的 pH 值却降到了 56。据实测，废水经过中和处理后残 存的悬浮物主要成分为 Fe(OH)2，而在总排放口处残存的悬浮物质却主要是由 Fe(OH)2氧 化而成的 Fe(OH)3。这说明采用化学沉淀法处理含Fe2+废水的过程中，曝气效果直 接影响着处理效果的好坏。
