張崎，龍兵田
(武漢鋼鐵設計研究總院，湖北武漢430080)

　　摘 要：中和曝氣池是冷軋廠酸堿廢水采用化學沉淀法處理工藝中的重要構筑物，但目前國內還沒有相關的設計手冊和完整的參考資料可供使用。根據設計實踐，總結了中和藥劑的選擇和投加量計算、曝氣裝置的選擇、曝氣池容積計算等方面的設計經驗。
　　關鍵詞：酸堿廢水；化學沉淀；中和曝氣池；設計經驗
　　中圖分類號：TU992.02
　　文獻標識碼：C
　　文章編號 ：1000-4602(2001)02-0037-03

　　1 廢水性質和工藝流程

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

　　堿性廢水含有大量的油，必須先除油才能進入酸堿廢水處理系統。酸堿廢水除了含有酸、堿 、油、鐵外，根據其生產品種的不同，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
　　為了達到中和酸堿、去除重金屬離子的目的，一般采用化學沉淀法處理，常規工藝流程見圖1。

　　在圖1所示的處理系統中，中和曝氣池是其處理過程中的重要環節，也是設計的重點。

　　2 中和曝氣池的設計計算

　　2.1中和劑的選用
　　據統計，大多數冷軋廠的廢水通過調節池調節以后均呈酸性，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：價格、反應速度、用量、貯存和制備裝置的費用、輸送的難易程度以及化學反應后的最終產物。以價格來說，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；從反應速度來說，氫氧化鈉＞碳酸鈉＞氫氧化鈣；從用量、貯存和制備裝置的費用來 說，氫氧化鈉＜碳酸鈉＜氫氧化鈣；從反應生成物來說，氫氧化鈣的生成物最容易脫水，使用氫氧化鈉中和時會產生大量絮稠而難以沉淀的污泥，而碳酸鈉會因生成的CO₂釋放而產生發泡問題。
　　經綜合比較，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］，超過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，會消耗大量的氫氧化鈣。
　　堿性中和劑主要消耗在以下四個方面：
　　①中和廢水中的游離酸；
　　②中和廢水中的酸性鹽；
　　③提供氫氧根離子直接與金屬離子反應生成不溶的氫氧化物沉淀；
　　④調節pH值至堿性，獲得有利于金屬氫氧化物沉淀的條件。
　　前三項Ca(OH)2的消耗量均可通過相應的化學方程式計算得出。
　　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，很容易產生堵塞和腐蝕。因此，選用曝氣設備時首先要考慮腐蝕和堵塞問題，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，這主要是因為兩者的腐蝕和堵塞問題較其他設施容易解決，且曝氣池結構形式簡單，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，池體必須做成流線型，給施工和防腐增加了一定難度。
　　根據經驗，采用穿孔管曝氣時，其穿孔孔徑一般取≥5mm，否則容易堵塞。同時，其產生的大氣泡需通過增加曝氣強度和機械攪拌設備來提高氧的傳遞速率，因為增加空氣流量可產生 附加紊動，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 曝氣強度的計算
　　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，Fe(OH)₂的溶解度遠大于Fe(OH)₃，而且沉淀性能也不好，因此應盡量使反應的生成物朝Fe(OH)₃方向發展。在中和曝氣池中通入空氣時產生如下反應：

　　4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O→4Fe(OH)₃↓

　　從反應過程可以看出，生成Fe(OH)₃的關鍵因素在于系統中氧的含量，也就是曝氣強度和充氧效果。
　　曝氣強度計算過程如下：
　　①根據實際需氧量和廢水的Fe²⁺含量計算出廢水需要的實際供氧速率

　　N＝0.14×QFe²⁺(1)

　　式中　N ——實際供氧速率，kg/h
　　　　　QFe²⁺——Fe²⁺含量，kg/h
　　　　　0.14——Fe²⁺氧化成為Fe³⁺所需氧量，kg/kg Fe²⁺，這是一個重要的設計參數
　　②根據實際供氧速率N計算標準供氧速率

　　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 ——標準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)，由下式計算

　　C_sm=C_s(Qt/42+Pb/2.086 ) (3)

　　式中　Pb——曝氣裝置處的絕對壓力
　　　　　Qt——曝氣池逸出氣體中含氧量，%，可由下式計算

　　Q_t=21(1-E_A)/[79+21(1-E_A)] (4)

　　式中　EA ——充氧設備的氧利用率

　　③根據下式計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——空氣中氧含量的質量百分比
　　　　　Pt——當地空氣密度，kg/m³

　　2.5 中和曝氣池的容積計算
　　中和曝氣池發生的化學反應中，除了Fe(OH)₂氧化為Fe(OH)₃的過程比較慢以外，其他的化學反應均可在很短的時間內完成，這是因為空氣中的氧在廢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計算。
　　中和曝氣池的有效容積

　　V=k×No/0.0084 (6)

　　式中　k——不均勻系數，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

　　3.1 pH值的控制
　　冷軋酸堿廢水的除鐵方法是將FeCl₂轉化成Fe(OH)₂，然后通過曝氣使Fe(OH)₂轉化為Fe(OH)₃沉淀而去除。盡管Fe(OH)₂也可以沉淀，但在實際應用中卻盡量使廢水中的鐵轉化成為Fe(OH)₃，其理由是：
　　①在中性條件下，Fe³⁺的溶度積較Fe²⁺低；
　　②Fe(OH)₂沉渣的濃縮和脫水較Fe(OH)₃困難；
　　③Fe(OH)₂沉渣會緩慢氧化，隨之發生酸化；
　　④廢水中殘存的Fe(OH)₂可與重鉻酸鉀起反應，使廢水中的COD提高；
　　⑤廢水中殘存Fe(OH)₂的緩慢氧化會使出水的pH值逐漸降低，嚴重時可能導致出水超標。
　　在化學沉淀法處理酸堿廢水的過程中，鐵離子是轉化為Fe(OH)₂還是Fe(OH)₃，pH值的控制是一個非常重要的因素。
　　在pH=5.5時，Fe(OH)₃溶解度最小；pH=12時，Fe(OH)₃會重新溶解。在pH值為7.0～7.5條件下進行曝氣，Fe²⁺可迅速轉化為Fe³⁺；而在pH＞8時，則首先大量形成Fe(OH)₂沉淀。
　　因此在設計中，應將一級中和曝氣池的pH值控制在7.0～7.5的范圍之內，盡可能地使Fe²⁺轉化成為Fe³⁺。如果pH值調節過高，則Fe²⁺還沒有來得及轉化為Fe³⁺ 就已沉淀，導致后續處理困難。
　　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值有直接關系。
　　如果廢水中沒有其他重金屬離子或含量很少，以除鐵為主時，則可略為降低二級中和曝氣池的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，則應該綜合考慮二級中和曝氣池的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，使出水達到設計排放標準。
　　一般來說，酸堿廢水中的重金屬離子含量相對于鐵離子含量來說很低，且性質與鐵離子相似，當廢水中的鐵離子去除效果達到國家規定的排放標準時，其他重金屬離子的含量也同時可以滿足要求，因此一般設計上只考慮鐵離子的去除就可以了。
　　表2為各種金屬離子開始生成氫氧化物沉淀時的pH值范圍。

　　3.2 曝氣效果對出水水質的影響
　　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。當溶解氧不足時，處理過程的生成物主要是Fe(OH)₂，但其不穩定，經沉淀后廢水中仍有殘存，且在排放過程中被逐漸氧化，導致出水的pH值逐漸降低，甚至超出排放標準。同時，由于Fe(OH)₂可被強氧化劑氧化，使廢水的COD提高，嚴重時可超標。
某冷軋廠廢水處理站在實際運行中曾經有過類似情況的發生，該站采用的是雙螺旋曝氣器，在運行過程中曾損壞，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。據實測，廢水經過中和處理后殘 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卻主要是由Fe(OH)₂氧 化而成的Fe(OH)₃。這說明采用化學沉淀法處理含Fe²⁺廢水的過程中，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