废水零排放中碱度与pH的动态关系

废水零排放中碱度与pH的动态关系

废水中的碱度主要由三类物质贡献：氢氧化物（OH?）、碳酸盐（CO???）、碳酸氢盐（HCO??）。它们构成一个动态平衡的缓冲系统，其主导物种随pH变化而演变：

CO? H?O?H?CO??H? HCO???2H? CO???

这个平衡决定了在不同pH区间，碱度的主要存在形式：

1. pH<4.5：碳酸（H?CO?）为主，几乎无碱度。

2. pH 6.3-10.3：碳酸氢盐（HCO??） 是绝对主力，这是大多数废水的常见区间。

3. pH>10.3：碳酸盐（CO???）和氢氧化物（OH?）开始主导。

水中的总碱度（主要是HCO??和CO???）的分布比例，由pH值精确决定。

关键影响与调控逻辑：

1. 结垢控制（软化）：高碱度、高硬度的水在加热浓缩时，极易生成碳酸钙（CaCO?）垢，堵塞膜和蒸发器。

通过加酸（如H?SO?）降低pH，将HCO??转化为CO?气体（通过吹脱塔去除）：2HCO?? H?SO?→2CO?↑ 2H?O SO???

这里进行的正是“碱度”与“pH”的换算。加酸量直接由原水碱度决定（消耗碱度），并目标pH值（通常6.5-7.0）控制。

2. 腐蚀控制

 

过低的pH（<6.5）和碱度会使水具有腐蚀性，损坏金属管道和设备。在软化后的水中，可能需要加碱（如NaOH）提高pH，使其略呈碱性，形成保护性膜。

3. 蒸发结晶优化

进入蒸发器前，需将pH调至合适范围（通常>9.5）。高pH有利于硅的析出和氨氮的挥发，但过高的pH和碱度可能导致其他盐类（如Mg(OH)?）的结垢。精准控制NaOH的投加量，其实就是在用碱换取一个精确的pH目标值。

所谓的“换算”，在工程上主要指两类计算：

1. 已知pH和总无机碳（CT），求碱度（理论计算）

2. 已知碱度，求达到目标pH所需的酸/碱投加量（工程核心）

核心公式与计算步骤：

1. 理论关系式

总碱度（Alk）的精确表达式为：Alk=[HCO??] 2[CO???] [OH?]-[H?] (eq/L)

通过碳酸的一级、二级电离常数（K?, K?）和总无机碳（CT），可以将各项表示为关于[H?]的函数。这是一个复杂的计算，通常借助软件（如PHREEQC）完成。

2. 工程实践“换算”：酸/碱投加量计算

这是ZLD设计中最常用的计算。其原理是：将水中的碱度（或酸性）中和至目标pH所需的酸/碱量。

 

案例：计算将水从当前pH降至目标pH所需的硫酸（H?SO?）量

已知：原水碱度 Alk?=300mg/L (as CaCO?)，目标降低pH至6.8（此时剩余碱度约 Alk?≈50mg/L）。

公式：酸投加量 (mg/L)=(Alk?-Alk?) × (酸的当量重量) / (CaCO?的当量重量)

计算：CaCO?的当量=50g/eq；H?SO?的当量=98/2=49g/eq （因为1分子H?SO?提供2个H?）；所需H?SO?量 = (300-50)mg/L×(49/50)=250×0.98=245mg/L

这意味着，每处理1吨水，需要投加约245克纯硫酸。这个计算的核心是“碱度差”，而非直接的pH值，完美体现了“用容量因素计算”的逻辑。

简易估算表（常温下，HCO??主导区）：