石灰在水处理中的应用

石灰在水处理中的应用 汪本洋11241034 摘要：石灰在水处理中有着广泛的应用，是水处理中常用的一种药剂。本文描述了石灰在水处理中的反应机理及石灰在几种不同行业水处理中的应用。 Abstract:Lime has been widely used in water treatment , which is one of the commonly used medicaments . This paper describes the reaction mechanism of lime in water treatment and its applications in several different water treatment industries. 1 石灰在水处理中的反应机理 1.1 降低水中硬度和碱度 在水处理系统中，石灰预处理设置在离子交换的前面，从而减低水中碱度，这种方法在国外是比较普遍的。将配置溶液或是悬浮液（石灰乳）的石灰加入经过预热的水中。由于石灰的溶解和水解，水中Ca2+ 和OH- 离子浓度增加，导致水中H+ 与OH- 之间的平衡发生变动，部分H+ 与OH- 结合成水分子，水中H+ 离子浓度降低破坏碳酸平衡，决定水碱度的HCO3- 离解而生成CO32-，水中CO32- 离子浓度增加达到并超过碳酸钙的溶解度积而发生CaCO3 沉淀。当有足够的石灰剂量时，水中OH- 浓度升高，当PH>10.5 至使Mg(OH)2 沉淀出来，这样除降低碱度外，硬度和溶解固形物也相应降低。此外，还有其他复杂的化合物生成，对其成分研究尚不足。 石灰处理过程以下列方程式说明： Ca(OH)2 → Ca2+ + 2OH-; OH- + H+ → H2O ｝综合：OH-+ HCO3-=H2O+ CO3- 2HCO3- → H+ + CO32- Ca2+ + CO32- → CaCO3; Mg2+ +2 OH- → Mg(OH)2 根据上述反应可知，一般天然水水质均适用石灰处理，且可使水中碱度降至0.5 ～ 0.8 毫克当量/ 升，这决定于原水的性质和处理条件。如水中有负硬（碳酸氢钠），不适于石灰处理，倘若一定要采用时，则必须添加氯化钙或硫酸钙使负硬转换成碳酸钙沉淀。 1.2 助凝作用 投加石灰的主要作用是调节水体的pH，同时石灰对水体中的胶体微粒能起助凝作用。作为颗粒核增重剂，石灰具有加速不溶物的沉淀分离、提高改善混凝沉淀效果、增加水体的化学稳定性的作用。 助凝剂用于调节或改善混凝条件，目前水厂内常用的助凝剂有骨胶、石灰、聚丙烯酰胺及其水解产物、活化硅酸、海藻酸钠等。从广义上讲，凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂都可以称为助凝剂，当原水碱度不足而使铝盐混凝剂水解困难时，可投加碱性物质以促进混凝剂水解反应。 2 石灰在几种不同行业水处理中的应用 2.1 石灰在重金属废水处理中的应用 以汨罗工业园重金属废水处理为例。汨罗工业园主要从事废铝、废铜、废铅、废不锈钢等废旧金属的回收与加工，排放的污水中含镉、铬、铅、铜、锌等重金属污染物。汨罗工业园重金属污水提质处理工程采用铁盐—石灰沉淀法，对企业排入重金属污水收集管道的污水进行提质处理。 2.1.1 铁盐—石灰沉淀法的工作原理及主要影响因素 多数重金属氢氧化物的溶解度较小，铁盐—石灰法主要利用这一原理将污水中的重金属分离出来，达到净化污水的目的。铁盐对不同重金属离子的去除原理不同，去除镉时铁盐起到共沉剂的作用；去除六价铬时铁盐则作为还原剂，使六价铬还原为三价铬，因此只能用二 价铁盐；去除其它重金属时主要起到絮凝剂的作用。 除铬原理：含六价铬的污水宜优先回收铬，只有在含铬量较低、回收困难或成本过高时，才采用化学法处理。化学法处理是先将六价铬还原成三价铬．然后调到适当的pH值使三价铬生成Cr(OH)3后沉淀除去。铁盐—石灰法除铬主要反应过程如下： 3Fe2+ + Cr6+ → 3Fe3+ + Cr3+ Cr3+ + 3 OH— → Cr(OH)3↓ Fe3+ + 3 OH— → Fe(OH)3↓（共沉） 除铅、铜、锌原理：铅、铜、锌等重金属离子与OH—反应，形成金属氢氧化物。Fe2+与OH—反应，形成Fe(OH)2沉淀，起到共沉剂的作用。 Pb2+ + 2 OH— → Pb(OH)2↓ Cu2+ + 2 OH— → Cu(OH)2↓ Zn2+ + 2 OH— → Zn(OH)2↓ Fe2+ + 2 OH— → Fe(OH)2↓（共沉） pH值对处理效果的影响 在实际应用中，因Cr、Cd、Pb、Zn、Cu的金属氢氧化物具有两性，Cr(OH)3、Zn(OH)2为两性氢氧化物，Cd(OH)2、Cu(OH)2呈较弱的两性（偏碱）。pH值超过特定值之后，沉淀物可发生再溶，且随着碱性的增大，其溶解度也直线增加。去除废水中的重金属时，控制pH值、确保产生的金属氢氧化物不发生再溶是关键。 2.1.2 工艺流程 调节池→中和反应池→混凝沉淀池→过滤→尾水回用系统 2.2 石灰在纺织废水处理中的应用 2.2.1 石灰在纺织废水处理中的工作原理 近年来，混凝法处理纺织废水在我国取得了很大的进展，治理技术较成熟，处理效果也很好。但由于所用的混凝剂铝盐和铁盐等价格较高，水处理费用居高不下，治污工作受到了一定限制，导致水污染治理达不到预期的效果。 研究发现，以石灰作为主要混凝剂，另投加少量助凝剂的废水处理新工艺，应用于废水处理。结果明，化学需氧量和悬浮物去除率均达到90%以上，且处理费用低、运行效果可靠。 2.2.2 石灰在纺织废水处理中的工艺流程 处理工艺流程图 将助凝剂和石灰乳调成定浓度药液，在泵前加入废水管道中，通过水泵的离心旋转，将废水和混凝剂充分混合。之后进入特制混您反应器，在其中完成混凝反应，经过反应物特制混凝反应器，在其中完成混凝反应，经过反应污染物呈絮状，进入沉淀池3-4h，上清液进入脱色吸附反应器。脱色吸附剂采用的事廉价易取的粉煤灰，用减速机搅拌进行搅拌，反应时间为15-20min。在多孔粉煤灰的作用下，CODcr和色度等污染物被吸附除去。然后再进入沉淀池3-4h，上清液进入清水池，可由高压泵打入清洗车间回用，沉淀后的粉煤灰清挖出池后可售给建材行业。 用石灰作为主混凝剂处理纺织废水，处理效果明显，化学耗氧量和悬浮物等项污染物去除率达到90%以上，处理后的废水可用于部分生产工艺，节约了生产用水。 该工艺投资小，充分发挥了石灰和粉煤灰的作用。不足之处在于石灰投配系统较为复杂，操作环境差。 2.3 石灰在电厂回用水处理中的应用 2.3.1 工程概况 霍煤鸿骏铝电公司自备电厂位于内蒙古自治区通辽市西北的霍林郭勒市，该厂城市中水再生深度处理系统采用霍林郭勒污水处理厂回用水作为工程水源，经再生深度处理后作为电厂循环冷却水补充水。霍林郭勒污水处理厂一期5 000m3/d 处理量，扩建后污水处理能力提高到4 万m3/d，能够满足霍林郭勒市2015 年前15 万人口及工业废水处理的需要，同时也为中水回用提供了充足的水源。目前污水处理厂的出水排入霍林河市的静湖内，霍林河双兴水暖公司正在建设城市污水回用工程，工程正处于设备安装阶段，处理规模2 万m3/d。回用水处理工艺流程如下： 2.3.2 设计水质及工艺流程 城市中水再生深度处理设计进出水水质如表所示 项目 浊度 （NTU) SS mg/L BOD5 mg/L COD mg/L NH3-N mg/L PH TP mg/L 氯化物 mg/L 总大肠杆菌 （个/L) 水质 5 10 10 75 5 6.5-9 1 300 3 表1 进水水质 项目 CODcr mg/L BOD5 mg/L SS mg/L NH3-N mg/L TP mg/L PH 碳酸盐硬度 游离氯 水质 ≤30 ≤5 ≤2 ≤5 ≤1.0 7.0-8.5 ≤50 ≤0.2 表2 出水水质（GB50050） 工艺流程图 本工程城市中水再生深度处理的主要任务是在城市排水经污水处理厂生化处理后的基础上，进一步去除来水中残余的氨氮、BOD5、CODcr、P、重金属等非溶解性污染物，杀灭细菌、微生物，清除有机粘泥，同时降低Ca2+、Mg2+ 等溶解盐，克服中水的水质波动获得相对稳定的水质，以满足工业用水要求，使冷却塔循环水水质在一定的浓缩倍率下达到盐类平衡。 1）有机物的去除：有机物在水中分散、微小、浮游、持有胶体特性，石灰反应生成的活性泥渣颗粒具有吸附动能，同时形成活性泥渣层，具有过滤吸附作用，可以去除水中胶体硅、铁、铝等无机胶体和CODcr、BOD5 等有机胶体； 2）氨氮的去除：石灰深度处理将水中NH3-N 进行型态转化，降低水中氨氮含量； 3）悬浮物的去除：石灰处理是利用石灰在水中生成的产物和创造的环境条件，帮助水中胶体物改变形态或相互结合，从水中分离出来，降低水中悬浮物含量； 4）碱度的去除：经石灰处理后，水的残留碱度一般在0.8mmol/L~1.2 mmol/L ； 5）硬度的去除：经石灰处理后水中暂时硬度可以去除； 6）磷的去除：石灰处理pH 为~10.2，水中的磷与石灰形成[Ca5(OH)(PO4)3] 沉淀，可使水中的磷的含量在1mg/L 以下； 7）pH的调节：澄清池出水通过硫酸稀释器添加硫酸，调节至出水pH=8.5~9.5，把石灰处理中过饱和的碳酸盐硬度转化为非碳酸盐硬度，保持水质稳定性。 本工程所选用的城市中水石灰深度处理工艺合理，解决了霍煤鸿骏铝电公司自备电厂用水紧张的局面，并为已投产的霍林河污水处理厂污水提供了新的去向，同时也改善城市地下水状况，节约有限的地下水资源，具有明显的经济效益和较强的社会效益。 2.4 石灰软化法处理高炉煤气洗涤水 2.4.1 发展情况及工艺概况 采用石灰软化法处理循环冷却水只有少数应用实例 , 且用于高炉煤气洗涤水循环系统进行水质软化处理还未见报道。石灰软化法由于实际操作中存在一定的难度, 但如妥善解决好这些问题, 石灰软化将是处理循环冷却水的一个很好的方法。在工程中, 我们将石灰软化法与混凝沉降相结合处理高炉煤气洗涤水, 使高炉煤气洗涤水循环系统得以正常运行, 节约了用水。 高炉煤气洗涤水循环流程 2.4.2 处理方法及结论 将石灰配制成5% ～10% 的溶液, 运送到现场。现场高炉煤气洗涤水通过高架渠输送,通过潜水泵将石灰浆抽送至高架渠上；同时在管道出口安置一块塞子： 使石灰水流均匀地加入煤气洗涤水中。控制流速，以防止局部石灰过量。 由于在高炉浊环水中钙离子的累积是周期性的, 因此每次投加熟石灰后系统会在低暂硬状态下运行一段时间, 然后钙离子逐渐累积, 直到高至初始钙离子浓度再投加石灰, 所以石灰的投加是间歇性的, 但要视具体情况而定。根据我们的现场监测数据, 低暂硬状态会保持1 个月以上。最后结合实际采用可行的操作, 石灰软化是一种较好的水处理方法。 2.5 污泥石灰稳定干化工艺 2.5.1 污泥处理处置现状 目前污泥处理处置的方法主要有6种：卫生填埋、农用、焚烧、干化和热处理、堆肥及海洋倾倒。 我国的污泥处理与处置还刚刚起步。在全国现有污水处理设施中有污泥稳定处理设施的还不到1/4．污泥处理工艺和配套设备较为完善的还不到1/10．能 够正常运行的就更少，污泥直接排放造成的二次污染已经严重影响生态文明建设，必须予以充分重视。 2.5.2 污泥石灰稳定干化技术基本原理 污泥石灰稳定干化技术是现今国内新开发出的一种运用添加剂对城市污水处理厂污泥进行干燥、稳定化和资源化处理的方法。采用含生石灰发热剂，通过污泥高效干燥系统对有机酸腐污泥进行干燥、脱水、改性后，向稳定化无机材料转化。干化后的污泥渣可以替代水泥原料中的石灰石．实现污泥的资源化。并解决污泥处理过程中的二次污染问题。另外，根据氢氧化钙脱水变成氧化钙这一原理，处理物经高温煅烧后，添加剂可回收反复使用，实现了原材料的循环使用。该技术具有无二次污染、安全性高、投资少、污泥干化后产品可资源化利用的优点。污泥石灰稳定干化主要反应见式(1)。 CaO+H20=Ca(OH)2+热量(1) 当石灰投配比为20％时．污泥与石灰混合可升高的温度为：fi.168x103/3.045)x0.2=76.6 K。即可升高76.6 oC，若混合物原温度为25℃，则该反应系统可达到101．6℃。综上所述。通过适量添加碳，可使污泥迅速升温至100 oC左右。短时间内大量水蒸汽蒸发，达到干燥、脱水及杀菌目的。 2.5.2 污泥石灰稳定干化技术工艺流程 污泥处理工艺流程简图 污泥石灰稳定干化系统主要由污泥干化热反应系统、添加剂上料系统、处理后污泥输送系统和除尘系统四部分组成。污泥和生石灰按质量比为4：1的配比通过上料系统进入污泥干化热反应系统（转鼓干燥机）进行干化，在转鼓干燥机内，采用“回转筒内螺旋扬料”混合方式，外筒旋转。内壁用螺旋式扬料板将污泥与添加剂混合、扬起、挤出，使进出料顺畅、混合均匀，热交换完全，并利用混合反应放热使污泥干燥、脱水。转鼓干燥机内混合物温度可迅速升高至100℃，pH值达11以上。干化后的污泥通过带式输送设备运往室外堆置棚进行堆置贮存。为防止污泥干化工程中产生二次污染。利用湿式填料塔对排放出的石灰粉尘和恶臭气体进行处理，处理气量为2300 m3/h。 污泥石灰稳定干化技术是一种新型有效的污泥处理处置技术。本技术的关键是控制合理的石灰投加量。确保物料在转鼓式干燥器内充分混合，妥善处理蒸发粉尘气体。该技术在方庄城市污水处理厂成功实施。实现了污泥的减量化、稳定化和无害化。石灰稳定干化后。污泥含水率可迅速降低到40％左右，污泥堆置8 d后，含水率可降低到5％：干化后有机物含量由45.58％降低到8.27％，降低了37.31％，堆置5 d后大肠杆菌和粪大肠杆菌均未检出。 2.6 石灰在处理水库水中的助凝作用 2.6.1 研究背景 如今，已经有很多自来水厂以水库水为水源。水库水具有低温、低浊度、pH偏低等特点。国内许多以水库水为水源的水厂相继采用加碱的方法来调节水体的pH，应用比较多的是石灰和NaOH。其中石灰一般是粉体，而烧碱可以是采用固体或质量分数30％的液体。许多水厂起初是投加烧碱来调节pH，但后来发现使用烧碱投加量大、成本高，也不安全。一些投加石灰的水厂，发现石灰既能提高pH，又能改善混凝沉淀效果，而且提高了出厂水的化学稳定性，减少了管网黄水现象的发生，但存在着反应杂质较多易造成管道和泵堵塞、投加不方便等问题。 2.6.2 石灰作用机理 投加石灰的主要作用是调节水体的pH，同时石灰对水体中的胶体微粒能起助凝作用。作为颗粒核增重剂，石灰具有加速不溶物的沉淀分离、提高改善混凝沉淀效果、增加水体的化学稳定性的作用。助凝剂用于调节或改善混凝条件，目前水厂内常用的助凝剂有骨胶、石灰、聚丙烯酰胺及其水解产物、活化硅酸、海藻酸钠等。从广义上讲，凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂都可以称为助凝剂，当原水碱度不足而使铝盐混凝剂水解困难时，可投加碱性物质以促进混凝剂水解反应。 药剂投加流程图 石灰和烧碱在处理低温低浊水方面，都起到了提高pH和助凝的双重作用。由此可见石灰助凝效果更佳，而且沉淀时间更短。在生产试验中，石灰投加量要比烧碱少，价格也相对较低，可以节约1/2左右的成本，更具经济效益。实际出厂水浊度控制在0.04 NTU左右、pH控制在7.2左右，达到浙江省现代化水厂的标准。在没有加碱工艺之前，一般在水库水(偏酸性，浙江东南片)处理中大部分选用PAC作为混凝剂，在江河水(偏碱性，浙江西北片)处理中基本选用硫酸铝作为混凝剂，这是因为PAC要比硫酸铝具有更宽的pH适用范围，更能适应低pH的水库水处理。但在投加石灰之后，改善了水库水的pH后，硫酸铝．石灰投加在降低出水的浊度方面的效果要优于PAC．石灰投加。考虑到水库水属于低温水，投加的硫酸铝效果容易受温度变化的影响，所以水厂在絮凝剂的选择上如何做到更经济，更有效，这还有待进一步研究。 3 结论 在我国，石灰来源广泛，价格相对低廉，作为水处理行业的药剂，是很好的选择对象。但石灰成分复杂，石灰处理产生的泥渣也很多，所以石灰在各种水质水处理工艺中的反应还有待深入研究。总之，石灰在我们生活中应用广泛，尤其是在水处理方面。我们要认真对石灰在各种水处理工艺中的反应进行研究，使石灰更有效、更充分的被利用在水处理方面。 4 参考文献 1.陈小兵.石灰在水处理中的应用[J].科技传播.2009.4 2.郑清里.铁盐—石灰沉淀法在汨罗工业园重金属废水处理中的应用[J].现代装饰理论. 3.孙翠兰.石灰在纺织废水处理中的应用[J].环境工程.2000.4 4.龙潇,商文霞,刘克成,王平.石灰处理在电厂回用水处理中的应用研究[J].工业安全与环保.2010.36.1 5.陈宏秋.石灰深度处理工艺在电厂循环冷却水补充水处理中的工程应用[J].科技传播.2012.2 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