張崎，龍兵田
(武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院，湖北武漢430080)

　　摘 要：中和曝氣池是冷軋廠酸堿廢水采用化學(xué)沉淀法處理工藝中的重要構(gòu)筑物，但目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)和完整的參考資料可供使用。根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)踐，總結(jié)了中和藥劑的選擇和投加量計(jì)算、曝氣裝置的選擇、曝氣池容積計(jì)算等方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
　　關(guān)鍵詞：酸堿廢水；化學(xué)沉淀；中和曝氣池；設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
　　中圖分類(lèi)號(hào)：TU992.02
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào) ：1000-4602(2001)02-0037-03

　　1 廢水性質(zhì)和工藝流程

　　1.1酸堿廢水的性質(zhì)
　　冷軋廠在生產(chǎn)過(guò)程中需排出一些酸堿廢水，這是由于鋼材在軋制或進(jìn)行其他后處理工序(如 ：涂層、退火等)前必須進(jìn)行酸洗和堿洗，以去除鋼材表面的氧化鐵和油脂。酸堿廢水根據(jù) 排出點(diǎn)的不同，均有濃、稀之分，其水質(zhì)詳見(jiàn)表1。

　　堿性廢水含有大量的油，必須先除油才能進(jìn)入酸堿廢水處理系統(tǒng)。酸堿廢水除了含有酸、堿 、油、鐵外，根據(jù)其生產(chǎn)品種的不同，還可能含有一些重金屬離子如：鋅、鎳、銅、錫、鉻 等。
　　1.2 處理工藝流程
　　為了達(dá)到中和酸堿、去除重金屬離子的目的，一般采用化學(xué)沉淀法處理，常規(guī)工藝流程見(jiàn)圖1。

　　在圖1所示的處理系統(tǒng)中，中和曝氣池是其處理過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

　　2 中和曝氣池的設(shè)計(jì)計(jì)算

　　2.1中和劑的選用
　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)冷軋廠的廢水通過(guò)調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)以后均呈酸性，所以在中和曝氣池基本上是投加堿性中和劑，如氫氧化鈉、碳酸鈉和氫氧化鈣等。選擇藥劑考慮的主要因素有：價(jià)格、反應(yīng)速度、用量、貯存和制備裝置的費(fèi)用、輸送的難易程度以及化學(xué)反應(yīng)后的最終產(chǎn)物。以?xún)r(jià)格來(lái)說(shuō)，在處理效果相同的情況下，氫氧化鈉、碳酸鈉和氫氧化鈣三者之比為48∶100∶15；從反應(yīng)速度來(lái)說(shuō)，氫氧化鈉＞碳酸鈉＞氫氧化鈣；從用量、貯存和制備裝置的費(fèi)用來(lái) 說(shuō)，氫氧化鈉＜碳酸鈉＜?xì)溲趸}；從反應(yīng)生成物來(lái)說(shuō)，氫氧化鈣的生成物最容易脫水，使用氫氧化鈉中和時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量絮稠而難以沉淀的污泥，而碳酸鈉會(huì)因生成的CO₂釋放而產(chǎn)生發(fā)泡問(wèn)題。
　　經(jīng)綜合比較，中和劑一般采用氫氧化鈣的乳濁液即石灰乳。石灰乳的投加濃度一般為10%［以Ca(OH)₂計(jì)］，超過(guò)此濃度輸送比較困難，容易沉淀。
　　酸性中和劑一般采用鹽酸(HCl)或硫酸(H₂SO₄)。
　　2.2 中和劑投加量的計(jì)算
　　在中和曝氣池中，由于金屬離子與氫氧根生成不溶性的氫氧化物，會(huì)消耗大量的氫氧化鈣。
　　堿性中和劑主要消耗在以下四個(gè)方面：
　?、僦泻蛷U水中的游離酸；
　?、谥泻蛷U水中的酸性鹽；
　?、厶峁溲醺x子直接與金屬離子反應(yīng)生成不溶的氫氧化物沉淀；
　?、苷{(diào)節(jié)pH值至堿性，獲得有利于金屬氫氧化物沉淀的條件。
　　前三項(xiàng)Ca(OH)2的消耗量均可通過(guò)相應(yīng)的化學(xué)方程式計(jì)算得出。
　　2.3曝氣裝置的選擇
　　與城市污水的生化處理不同的是，冷軋廠酸堿廢水含有大量沉渣和廢酸，很容易產(chǎn)生堵塞和腐蝕。因此，選用曝氣設(shè)備時(shí)首先要考慮腐蝕和堵塞問(wèn)題，而不僅僅從效率方面考慮。
　　從各方面綜合考慮，一般冷軋廠酸堿廢水處理常采用穿孔管或雙螺旋曝氣器，這主要是因?yàn)閮烧叩母g和堵塞問(wèn)題較其他設(shè)施容易解決，且曝氣池結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，池體防腐容易處理。而表面曝氣器為了提高其曝氣效率需考慮水的流態(tài)，池體必須做成流線型，給施工和防腐增加了一定難度。
　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用穿孔管曝氣時(shí)，其穿孔孔徑一般取≥5mm，否則容易堵塞。同時(shí)，其產(chǎn)生的大氣泡需通過(guò)增加曝氣強(qiáng)度和機(jī)械攪拌設(shè)備來(lái)提高氧的傳遞速率，因?yàn)樵黾涌諝饬髁靠僧a(chǎn)生 附加紊動(dòng)，氣泡之間的碰撞可將大氣泡剪切為較小的氣泡，從而增加了氣水界面，提高了氧傳遞速率。
　　2.4 曝氣強(qiáng)度的計(jì)算
　　由于Fe(OH)2的溶度積為1.0×10^-15，而Fe(OH)₃的溶度積為3.2×10^-38，F(xiàn)e(OH)₂的溶解度遠(yuǎn)大于Fe(OH)₃，而且沉淀性能也不好，因此應(yīng)盡量使反應(yīng)的生成物朝Fe(OH)₃方向發(fā)展。在中和曝氣池中通入空氣時(shí)產(chǎn)生如下反應(yīng)：

　　4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O→4Fe(OH)₃↓

　　從反應(yīng)過(guò)程可以看出，生成Fe(OH)₃的關(guān)鍵因素在于系統(tǒng)中氧的含量，也就是曝氣強(qiáng)度和充氧效果。
　　曝氣強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程如下：
　　①根據(jù)實(shí)際需氧量和廢水的Fe²⁺含量計(jì)算出廢水需要的實(shí)際供氧速率

　　N＝0.14×QFe²⁺(1)

　　式中　N ——實(shí)際供氧速率，kg/h
　　　　　QFe²⁺——Fe²⁺含量，kg/h
　　　　　0.14——Fe²⁺氧化成為Fe³⁺所需氧量，kg/kg Fe²⁺，這是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)
　　②根據(jù)實(shí)際供氧速率N計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)供氧速率

　　No=(N×C_s)/[α×(β×C_sm-C_o)×1 .024^T-20] (2)

　　式中　α ——一般取0.8～0.85
　　　　　β ——一般取0.9～0.97
　　　　　Cs ——標(biāo)準(zhǔn)條件下清水中飽和溶解氧(0.00917kg/m³)
　　　　　C0——一般取0.002kg/m³
　　　　　T——混合液溫度，K
　　　　　Csm——曝氣裝置在水下深度至池面的平均溶解氧值(kg/m³)，由下式計(jì)算

　　C_sm=C_s(Qt/42+Pb/2.086 ) (3)

　　式中　Pb——曝氣裝置處的絕對(duì)壓力
　　　　　Qt——曝氣池逸出氣體中含氧量，%，可由下式計(jì)算

　　Q_t=21(1-E_A)/[79+21(1-E_A)] (4)

　　式中　EA ——充氧設(shè)備的氧利用率

　?、鄹鶕?jù)下式計(jì)算出壓縮空氣的耗量

　　Q_YQ=No/(0.23×P_t) (5)

　　式中　QYQ ——壓縮空氣耗量，m³/h
　　　　　0.23——空氣中氧含量的質(zhì)量百分比
　　　　　Pt——當(dāng)?shù)乜諝饷芏?，kg/m³

　　2.5 中和曝氣池的容積計(jì)算
　　中和曝氣池發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)中，除了Fe(OH)₂氧化為Fe(OH)₃的過(guò)程比較慢以外，其他的化學(xué)反應(yīng)均可在很短的時(shí)間內(nèi)完成，這是因?yàn)榭諝庵械难踉趶U水中的傳遞有一定的速度。因此，中和曝氣池的容積取決于酸堿廢水中Fe2+的濃度和廢水量。其中，廢水的含鐵量要以可能的最大含量來(lái)計(jì)算。
　　中和曝氣池的有效容積

　　V=k×No/0.0084 (6)

　　式中　k——不均勻系數(shù)，一般取1.1～1.2
　　　　　0.0084——廢水中氧傳遞速率，kg/(m³·h)

　　3 注意事項(xiàng)

　　3.1 pH值的控制
　　冷軋酸堿廢水的除鐵方法是將FeCl₂轉(zhuǎn)化成Fe(OH)₂，然后通過(guò)曝氣使Fe(OH)₂轉(zhuǎn)化為Fe(OH)₃沉淀而去除。盡管Fe(OH)₂也可以沉淀，但在實(shí)際應(yīng)用中卻盡量使廢水中的鐵轉(zhuǎn)化成為Fe(OH)₃，其理由是：
　?、僭谥行詶l件下，F(xiàn)e³⁺的溶度積較Fe²⁺低；
　?、贔e(OH)₂沉渣的濃縮和脫水較Fe(OH)₃困難；
　?、跢e(OH)₂沉渣會(huì)緩慢氧化，隨之發(fā)生酸化；
　?、軓U水中殘存的Fe(OH)₂可與重鉻酸鉀起反應(yīng)，使廢水中的COD提高；
　?、輳U水中殘存Fe(OH)₂的緩慢氧化會(huì)使出水的pH值逐漸降低，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致出水超標(biāo)。
　　在化學(xué)沉淀法處理酸堿廢水的過(guò)程中，鐵離子是轉(zhuǎn)化為Fe(OH)₂還是Fe(OH)₃，pH值的控制是一個(gè)非常重要的因素。
　　在pH=5.5時(shí)，F(xiàn)e(OH)₃溶解度最?。籶H=12時(shí)，F(xiàn)e(OH)₃會(huì)重新溶解。在pH值為7.0～7.5條件下進(jìn)行曝氣，F(xiàn)e²⁺可迅速轉(zhuǎn)化為Fe³⁺；而在pH＞8時(shí)，則首先大量形成Fe(OH)₂沉淀。
　　因此在設(shè)計(jì)中，應(yīng)將一級(jí)中和曝氣池的pH值控制在7.0～7.5的范圍之內(nèi)，盡可能地使Fe²⁺轉(zhuǎn)化成為Fe³⁺。如果pH值調(diào)節(jié)過(guò)高，則Fe²⁺還沒(méi)有來(lái)得及轉(zhuǎn)化為Fe³⁺ 就已沉淀，導(dǎo)致后續(xù)處理困難。
　　重金屬離子的去除同樣采用中和沉淀法處理，其處理效果同樣與廢水的pH值有直接關(guān)系。
　　如果廢水中沒(méi)有其他重金屬離子或含量很少，以除鐵為主時(shí)，則可略為降低二級(jí)中和曝氣池的pH值，使廢水中的鐵盡可能地得到去除。
　　如果廢水中有其他有害重金屬離子，則應(yīng)該綜合考慮二級(jí)中和曝氣池的pH值控制，使廢水中的鐵及重金屬離子均最大程度地得到去除，使出水達(dá)到設(shè)計(jì)排放標(biāo)準(zhǔn)。
　　一般來(lái)說(shuō)，酸堿廢水中的重金屬離子含量相對(duì)于鐵離子含量來(lái)說(shuō)很低，且性質(zhì)與鐵離子相似，當(dāng)廢水中的鐵離子去除效果達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，其他重金屬離子的含量也同時(shí)可以滿(mǎn)足要求，因此一般設(shè)計(jì)上只考慮鐵離子的去除就可以了。
　　表2為各種金屬離子開(kāi)始生成氫氧化物沉淀時(shí)的pH值范圍。

　　3.2 曝氣效果對(duì)出水水質(zhì)的影響
　　Fe²⁺能否充分地氧化成Fe³⁺，除了需要合適pH值外，更主要的是廢水中要有充足的溶解氧。當(dāng)溶解氧不足時(shí)，處理過(guò)程的生成物主要是Fe(OH)₂，但其不穩(wěn)定，經(jīng)沉淀后廢水中仍有殘存，且在排放過(guò)程中被逐漸氧化，導(dǎo)致出水的pH值逐漸降低，甚至超出排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，由于Fe(OH)₂可被強(qiáng)氧化劑氧化，使廢水的COD提高，嚴(yán)重時(shí)可超標(biāo)。
某冷軋廠廢水處理站在實(shí)際運(yùn)行中曾經(jīng)有過(guò)類(lèi)似情況的發(fā)生，該站采用的是雙螺旋曝氣器，在運(yùn)行過(guò)程中曾損壞，造成曝氣量不足。雖然在廢水處理站排出口的pH值在7～8左右，但在排出口下游約500m處的總排放口處的pH值卻降到了5～6。據(jù)實(shí)測(cè)，廢水經(jīng)過(guò)中和處理后殘 存的懸浮物主要成分為Fe(OH)₂，而在總排放口處殘存的懸浮物質(zhì)卻主要是由Fe(OH)₂氧 化而成的Fe(OH)₃。這說(shuō)明采用化學(xué)沉淀法處理含F(xiàn)e²⁺廢水的過(guò)程中，曝氣效果直 接影響著處理效果的好壞。

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收稿日期：2000-07-12