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)7060 110  稀酸废水(HCl)1460 6  浓碱废水(NaOH)3060～8025 1014稀碱废水(NaOH)550～603 112

　　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 .024^T-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：
　　①在中性条件下，Fe³⁺的溶度积较Fe²⁺低；
　　②Fe(OH)₂沉渣的浓缩和脱水较Fe(OH)₃困难；
　　③Fe(OH)₂沉渣会缓慢氧化，随之发生酸化；
　　④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；
　　⑤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(OH)₃溶解度最小；pH=12时，Fe(OH)₃会重新溶解。在pH值为7.0～7.5条件下进行曝气，Fe²⁺可迅速转化为Fe³⁺；而在pH＞8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7.0～7.5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⁺3.7～10Ni²⁺8.0～14Fe²⁺7.5～14Zn²⁺7.0～14Fe³⁺2.0～3.7Cu²⁺6.0～13Cr³⁺4.7～14Pb²⁺7.5～13Mn³⁺＞2.7Sb³⁺0～10

　　3.2 曝气效果对出水水质的影响 
　　Fe²⁺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7～8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5～6。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。