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知识百科 | 酸碱度pH与碱度有什么区别?

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发布日期:2023-03-31 来源:环保工程师 浏览次数:2481
核心提示:酸碱度pH在污水处理中是一个重要的控制条件,是细菌正常代谢的环境条件之一,而碱度主要应用在脱氮工艺中,一般要求脱氮之后要保证80ppm以上的碱度,以满足硝化的消耗!

【社区案例】AO工艺,污水进水pH8.5左右,碱度300左右。两个指标有什么区别?

一、pH与碱度的区别

1、pH的概念

pH值,亦称氢离子浓度指数、酸碱值,是溶液中氢离子活度的一种标度,也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。“pH"中的“H"代表氢离子(H+),而"p"的来源则有多种说,引用化学界的概念是把p加在无量纲量前面表示该量的负对数。

pH值其实是一个“对数单位”。每个数字代表水的酸度10倍的变化。水pH为5等于10倍具有pH为6的水的酸性。

在标准温度和压力下,pH=7的水溶液(如:纯水为中性,这是因为水在标准温度和压力下自然电离出的氢离子和氢氧根离子浓度的乘积(水的离子积常数始终是1×10-14,且两种离子的浓度都是1×10-7moL,pH值小于7说明H+的浓度大于OH-的浓度,故溶液酸性强,而pH值大于7则说明H+的浓度小于OH-的浓度,故溶液碱性强。所以pH值愈小,溶液的酸性愈强;pH愈大,溶液的碱性也就愈强。

2、碱度的概念

碱度是指水中能与强酸发生中和作用的物质的总量。这类物质包括强碱、弱碱、强碱弱酸盐等。天然水中的碱度主要是由重碳酸盐(bicarbonate,碳酸氢盐,下同)、碳酸盐和氢氧化物引起的,其中重碳酸盐是水中碱度的主要形式。引起碱度的污染源主要是造纸、印染、化工、电镀等行业排放的废水及洗涤剂、化肥和农药在使用过程中的流失。

碱度和酸度是判断水质和废水处理控制的重要指标。碱度也常用于评价水体的缓冲能力及金属在其中的溶解性和毒性等。工程中用得更多的是总碱度这个定义,一般表征为相当于碳酸钙的浓度值。

3、pH与碱度的区别和关系

从概念上看酸碱度pH和碱度并不是一个东西,实际意义也不同,酸碱度pH和碱度并没有很明确的对应关系,碱度相同的水(或溶液),其pH值不一定相同。反之,pH值相同的水(或溶液),其碱度也不一定相同。

原因是pH值直接反映水中H+或OH-的含量,而碱度除包括OH-外,还包括CO3-2、HCO3-等碱性物质的含量。如:碱度0.1mol/L的NaOH液,pH=13;碱度0.1mol/L的NH3-H2O液,pH=11;碱度0.1mol/L的NaHCO3液,pH=8.3。

虽然碱度与pH数值上没有明确的对应关系,但是,实践中,碱度越高,相应的pH也越高;碱度越低,相应的pH也越低;碱度越高,对pH溶液的缓冲帮助越大;碱度越低,pH溶液的缓冲能力越低!

二、酸碱度对硝化的影响

酸碱度pH是影响硝化作用的重要因素。硝化细菌对pH反应很敏感,在pH中性或微碱性条件下(pH为8~9的范围内),其生物活性最强,硝化过程迅速。

当pH>9.6或<6.0时,硝化菌的生物活性将受到抑制并趋于停止。

若pH>9.6时,虽然NH4+转化为NO2—和NO3—的过程仍然异常迅速,但是从NH4的电离平衡关系可知,NH3的浓度会迅速增加。由于硝化菌对NH3极敏感,结果会影响到硝化作用速率。

在酸性条件下,当pH<7.0时硝化作用速度减慢, pH<6.5硝化作用速度显著减慢,硝化速率将明显下降。pH<5.0时硝化作用速率接近零。

pH下降的原因

pH下降的原因有两个,一是进水碱度不高。二是进水碳源不足,无法补充硝化消耗的一半的碱度。

由硝化方程式可知,随着NH3-N被转化成NO3—-N,会产生部分矿化酸度H+,这部分酸度将消耗部分碱度,每克NH3-N转化成NO3—-N约消耗7.14g碱度(以CaC03计)。因而当污水中的碱度不足而TKN负荷又较高时,便会耗尽污水中的碱度,使混合液中的pH值降低至7.0以下,使硝化速率降低或受到抑制。

如果无强酸排入,正常的城市污水应该是偏碱性的,即pH一般都大于7.0,此时的pH则主要取决于人流污水中碱度的大小。

所以,在生物硝化反应器中,应尽量控制混合液pH>7.0,控制pH在适宜的范围内,是生物硝化系统顺利进行的前提。

而要准确控制pH,pH<6.5时,则必须向污水中加碱。应进行碱度核算。

三、脱氮为什么需要碱度?

在硝化过程中需要消耗一定量的碱度,如果污水中没有足够的碱度,硝化反应将导致pH值的下降,使反应速率减缓,所以硝化反应要顺利进行就必须使污水中的碱度大于硝化所需的碱度。在实际工程应用中,对于典型的城市污水,进水中NH3-N浓度一般为20~40mg/L(TKN约50~60mg/L),碱度约200mg/L(以Na2CO3计)左右。

1、一般来说,在硝化反应中每硝化lgNH3-N需要消耗7.14g碱度,所以硝化过程中需要的碱度量可按下式计算:

碱度=7.14×QΔCNH3-N×10-3 (1)

式中:

Q:日平均污水量,m3/d;ΔCNH3-N:NH3-N浓度的差值,mg/L;7.14:硝化需碱量系数,kg碱度/kgNH3-N。

2、对于含氨氮浓度较高的工业废水,通常需要补充碱度才能使硝化反应器内的pH值维持在7.2~8.0之间。计算公式如下:

碱度=K×7.14×QΔCNH3-N×10-3 (2)

式中,K为安全系数,一般为1.2~1.3。

3、实际工程中进行碱度核算应考虑以下几部分:入流污水中的碱度,生物硝化消耗的碱度,分解BOD5产生的碱度,以及混合液中应保持的剩余碱度。要使生物硝化顺利进行,必须满足下式:

ALKw+ALKc>ALKN+AlKE (3)

如果碱度不足,要使硝化顺利进行,则必须投加纯碱,补充碱度。投加的碱量可按下式计算:

ΔALK=(ALKN+ALKE)-(ALKw+ALKc) (4)

式中:

ΔALK:系统应补充的碱度,mg/L;ALKN:为生物硝化消耗的碱量;ALKN一般按硝化每kgNH3-N消耗7.14kg碱计算。ALKE:混合液中应保持的碱量,ALKE一般按曝气池排出的混合液中剩余50mg/L碱度(以Na2CO3计)计算ALKw:原污水中的总碱量;ALKc:反硝化过程中产生的碱量

四、碱度投加量实例计算

如前所述,硝化反应中每消耗1g氨氮要消耗碱度7.14g。一般污水尤其是工业污水对于硝化反应来说,碱度往往是不够的,因此应投加必要的碱量以维持适宜的pH值,保证硝化反应的正常进行。

某处理厂采用脱氮工艺,日处理污水10000m3/d。来水水中:BOD5=50mg/L(0.05kg/m3),NH3-N=50mg/L,碱度ALKw=100mg/L(0.10kg/m3)。欲使出水BOD5<5mg/L,NH3-N<5mg/L,剩余碱度10mg/L(0.01kg/m3)。试核算该硝化系统的碱度,如果碱度不足,试计算投碱量。

解:

每日进水碱度ALKw =0.10×10^4=1000kg/d

反硝化ALKc =(0.05-0.005)×10^4×3.47=1683kg/d(反硝化降解每克BOD5产碱3.47g计算)

ALKN=(0.05-0.005)×10^4×7.14=3213 kg/d(按1kgNH3-N消耗7.14kg碱计算)

每日剩余碱度ALKE =0.01×10^4=100 kg/d

ALKw+ALKc =1000kg/d+1683kg/d= 2683kg/dALKN+ALKE=3213 kg/d+100 kg/d = 3313 kg/dALKw+ALKc≯ALKN+ALKE

因此,该硝化系统内碱源不足。如果不外加碱源,pH将降低,抑制硝化进行,出水NH3-N超标。如果外加碱源,则投碱量为:

ΔALK=3313—2683=630 kg/d

即每天需向来水中投加碱源630kg,具体可根据纯碱的有效成分,换算出纯碱的投加量。

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