(1)中和理论培训

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6.5—8.5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：①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。②中和剂能成溶液或浆料时，可用投加法；③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：Q１C１＝Q２C２式中Q１――酸性废水的流量，L／l；C１――酸性废水的当量浓度，克当量／L；Q２――碱性废水的流量，L／l；C2――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1K――考虑中和过程不完全的系数，一般采用1.5～2.0，特别是含重金属离子的废水，最好根据现场试验确定。aKBQBQssjj21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１中和各种酸所需的碱、盐的理论比耗量（g/g）酸的名称分子量NaOH40Ca(OH)274CaO56CaCO3100MgCO384Na2CO3106CaMg(CO3)2184HNO3630.6350.590.4450.7950.6680.840.732HCl36.51.101.010.771.371.151.451.29H2SO4980.8160.7550.571.020.861.080.94H2SO3820.9750.900.68－－1.291.122CO2441.821.63(1.27)（2.27）（1.91）－2.09C2H2O4600.6660.616(0.466)（0.83）（0.695）0.881.53CuSO4159.50.2510.4650.3520.6280.5250.6670.576FeSO4151.90.2640.4850.370.660.5530.7000.605H2SiF60.5560.510.380.690.730.63FeCl20.630.580.440.790.8350.725H3PO41.221.130.861.531.621.41注：１．在碱、盐的分子式下面的数值为该碱、盐的分子量；２．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。①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。②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：Ｖ＝(Q１+Q2)t式中V――中和池有效容积，ｍ３；Q１――酸性废水设计流量，ｍ３Q２――碱性废水设计流量，ｍ３ｔ――中和时间，ｈ。③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：H2SO4+Ca(OH)2=CaSO4+2H2O2HNO3+Ca(OH)2=Ca(NO3)2+2H2O2HCl+Ca(OH)2=CaCl2+2H2O2H3PO4+3Ca(OH)2=Ca3(PO4)2+6H2O2CH3COOH+Ca(OH)2=Ca(CH3COO)2+2H2O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：FeCl2+Ca(OH)2=Fe(OH)2+CaCl2PbCl2+Ca(OH)2=Pb(OH)2+CaCl23.1.2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：H2SO4+Ca(OH)2=CaSO4+2H2OH2SO4+CaCO3=CaSO4+H2O+CO2H2SO4+Ca(HCO3)2=CaSO4+2H2O+2CO2中和后生成的硫酸钙CaSO4·2H2O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：CO2+H2O+CaCO3=Ca(HCO3)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1.05～1.10，以干投或石灰浆投加时，K值采用1.05～1.5；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，m3/d；C1――废水含酸浓度，kg/m3；C2――废水中需中和的酸性盐浓度，kg/m3；α1――中和剂理论比耗量，及中和１kg酸所需的碱量，kg/kg，见表1；α2――中和1kg酸性盐类所需碱性药剂量，kg/kg，见表１；K――不均匀系数；α――中和剂的纯度，％。)(2211aCaCKQGa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1～2min，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2～20min。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CO2、SO2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+H2SO4＝Na2SO4+2H2ONH4OH+H2SO4＝(NH4)2SO4+2H2O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+CO2+H2O＝Na2CO3+2H2O2NaOH+SO2+H2O＝Na2SO3+2H2O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。碱的名称中和1克碱需酸的克数（g/g）H2SO4HClHNO3CO2SO2100%98%100%36%100%65%NaOH1.221.240.912.531.572.420.550.80KOH0.880.900.651.801.131.740.390.57Ca(OH)21.321.340.992.741.702.620.590.86NH32.882.932.125.903.715.701.291.88碱性废水处理方法比较处理方法适用条件主要优点主要缺点附注1．利用酸性废水相互中和1．适用于各种碱性废水2．酸碱废水中酸碱当量最好基本平衡1．节省中和药剂2．当酸碱基本平衡，且废水缓冲作用大时，设备即可简化，管理简单1．废水流量，浓度波动大时，须均化。2．酸碱当量不平衡时须投酸碱中和剂补充处理须注意二次污染2．加酸中和用工业酸或废酸用副产品中和剂时较经济用工业酸使成本较高。3．烟道气中和1．要求有大量能满足处理水量的烟气，且能连续供给2．当碱性废水间断而烟气不间断时，应有除尘水源1．废水为烟气除尘，烟气使废水pH降低至6~72．节省除尘用水及中和剂污水经烟气中和后，水温、色度、耗氧量、硫化物均有上升。1．出水其他指标上升有待进一步处理，使之达到排放标准2．水量小时，在特定情况下可用压缩CO2处理，操作简单，出水水质亦不致变坏，但费用高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