废水回用中经典的化学药剂软化除硬方法

废水回用中经典的化学药剂软化除硬方法

化学药剂软化法是一种通过向水中投加特定的化学药剂，使水中致硬的钙、镁离子转变为难溶于水的化合物，再通过沉淀和过滤将其去除的工艺，这是一种非常经典且行之有效的除硬技术。

一、沉淀溶解平衡的移动

该方法的理论基础是溶度积原理。即通过向水中投加药剂，增加与钙、镁离子能形成难溶沉淀的阴离子浓度（如 CO3^2-, OH-, PO4^3- 等），使离子积超过其溶度积常数，从而生成沉淀析出。

主要的沉淀反应包括：

1. 去除碳酸盐硬度：

Ca(HCO₃)₂  Ca(OH)₂ -> 2CaCO₃↓ 2H₂O

Mg(HCO₃)₂  2Ca(OH)₂ -> 2CaCO₃↓ Mg(OH)₂↓ 2H₂O

石灰用于提供 OH-，将碳酸氢根转化为碳酸根，并提高pH值以形成氢氧化镁沉淀。

2. 去除非碳酸盐硬度（钙）：

CaSO4 Na₂CO3 -> CaCO₃↓ Na₂SO₄

CaCl₂  Na₂CO₃ -> CaCO₃↓ 2NaCl

纯碱用于提供 CO₃^2-，与钙离子结合生成碳酸钙沉淀。

3. 去除非碳酸盐硬度（镁）：

MgSO₄ Ca(OH)₂ -> Mg(OH)₂↓ CaSO₄

 

生成的 CaSO4 仍需通过纯碱进一步去除。石灰用于提供 OH- 以形成溶度积更小的氢氧化镁沉淀。

二、常用化学药剂及其作用

1. 石灰：主要成分是 Ca(OH)2。

去除碳酸盐硬度（包括钙和镁的碳酸盐硬度），并提供高pH环境。投加量需精确计算，过量投加不仅浪费，还会导致镁离子复溶或带来新的硬度。

2. 纯碱：主要成分是 Na2CO3。

除水中的非碳酸盐硬度（钙硬度）。它本身溶于水不会引入新的硬度离子，而是引入 Na ，对水质影响较小。

3. 氢氧化钠：NaOH。

有时可作为石灰的部分替代品，提供 OH-，操作更简便，但成本较高。反应与石灰类似。

4. 磷酸盐：如三聚磷酸钠、六偏磷酸钠等。

并非传统的沉淀法，而是通过生成分散性胶体或络合钙镁离子，防止其析出成垢，属于“隐蔽法”或“阈值效应”，常用于辅助处理或要求不高的场合。

 

三、经典工艺流程：石灰-纯碱法

 

这是最具有代表性的化学软化工艺，其流程如下：

 

1. 反应池/软化池：

 

原水首先进入反应池，在此按计算好的剂量投加石灰乳和纯碱溶液。池内设有机械搅拌装置，确保药剂与水充分混合反应，并为沉淀物的形成提供足够的时间和条件。

在此完成上述所有核心化学反应，生成大量的 CaCO3 和 Mg(OH)2 絮状沉淀。

 

2. 沉淀池/澄清池：

 

反应后的水流入沉淀池，水流速度减慢。由于CaCO3 是重质沉淀，自然沉降较快；而 Mg(OH)2 是轻质絮状沉淀，沉降较慢。通常会投加絮凝剂（如PAM）来促进絮凝体的长大和加速沉降。澄清后的上部清水进入下一步，底部污泥定期排出。

 

3. 过滤池：

 

经过沉淀后的水仍然可能含有微小的悬浮颗粒，需要经过多介质过滤器（如无烟煤、石英砂）进行精密过滤，截留残留的细小沉淀物，确保出水浊度达标。

 

4. pH调节池：

经过石灰处理后的水pH值很高（通常在10以上），具有腐蚀性且不符合后续使用或排放要求。

因此必须在过滤后投加酸（如硫酸、盐酸）或通入 CO2 进行中和，将pH值回调至中性范围（如6.5-8.5）。通入 CO2 的方法又称为“再碳酸化”，还能将少量溶解的钙离子转化为碳酸钙进一步去除。

四、技术特点

优点：

1. 效果显著可靠：技术成熟，能将硬度降至较低水平（残余硬度可达0.5-1.0 mmol/L）。

2. 同时去除其他杂质：在去除硬度的过程中，也能有效降低水的碱度、硅含量、部分重金属和悬浮物。

3. 处理成本较低：所用药剂（石灰、纯碱）来源广泛，价格相对低廉。

缺点与局限性：

1. 污泥产生量大：会产生大量的化学污泥（主要成分为碳酸钙和氢氧化镁），处理处置这些污泥会增加额外成本和环境压力。

2. 操作管理复杂：药剂的投加量需要根据原水水质变化进行精确计算和调整，对操作人员要求较高。

3. 出水水质有局限：很难达到深度软化的极低硬度要求（如<0.03mmol/L），残余硬度仍高于离子交换法等深度处理工艺。

4. 设备占地大：需要反应、沉淀、过滤等一系列构筑物，基建投资较高。