污水处理中氢氧化钙的作用原理

一、基本化学特性

氢氧化钙（Ca(OH)₂），俗称熟石灰、消石灰，是一种中强碱，具有以下关键特性：

水溶液呈碱性，饱和溶液pH约12.4

微溶于水（20℃时溶解度约1.73 g/L）

溶解后电离出Ca²⁺和OH⁻

价格低廉、来源广泛、安全性优于氢氧化钠

电离方程式：

Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH⁻

二、核心作用原理

（一）酸碱中和（调节pH）

原理： 利用OH⁻中和废水中的H⁺，将酸性废水调至中性或碱性范围。

Ca(OH)₂ + 2H⁺ → Ca²⁺ + 2H₂O

典型反应：

Ca(OH)₂ + H₂SO₄ → CaSO₄↓ + 2H₂O

Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O

应用场景：

电镀废水、酸洗废水的中和

矿山酸性废水（AMD）处理

生化处理前的pH调节（微生物适宜pH 6～9）

说明： 相比NaOH，Ca(OH)₂中和后生成的CaSO₄微溶，不会产生高浓度钠盐，对后续生化处理影响更小。

（二）重金属去除（化学沉淀）

原理： OH⁻与重金属离子反应生成难溶氢氧化物沉淀，通过固液分离去除。

Mⁿ⁺ + nOH⁻ → M(OH)ₙ↓

常见重金属沉淀反应：

重金属离子 反应方程式 沉淀物颜色 溶度积Ksp

Cu²⁺ Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓ 蓝色 2.2×10⁻²⁰

Zn²⁺ Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓ 白色 3.0×10⁻¹⁷

Ni²⁺ Ni²⁺ + 2OH⁻ → Ni(OH)₂↓ 绿色 5.5×10⁻¹⁶

Pb²⁺ Pb²⁺ + 2OH⁻ → Pb(OH)₂↓ 白色 1.4×10⁻²⁰

Cr³⁺ Cr³⁺ + 3OH⁻ → Cr(OH)₃↓ 灰绿色 6.3×10⁻³¹

Cd²⁺ Cd²⁺ + 2OH⁻ → Cd(OH)₂↓ 白色 7.2×10⁻¹⁵

关键要点：

不同重金属的最佳沉淀pH不同，一般在8～11之间

pH过高可能导致两性金属（如Zn、Al、Pb）重新溶解

实际工程中常配合絮凝剂（PAM）使用，加速沉淀分离

（三）除磷（化学沉淀）

原理： Ca²⁺与磷酸根反应生成磷酸钙沉淀，去除水中磷。

5Ca²⁺ + 3PO₄³⁻ + OH⁻ → Ca₅(PO₄)₃OH↓（羟基磷灰石）

3Ca(OH)₂ + 2H₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6H₂O

要点：

除磷最佳pH：9.5～10.5

投加量一般为磷摩尔数的1.5～2倍

常用于含磷废水（食品加工、化肥厂）和污水厂深度除磷

（四）絮凝/混凝作用

原理：

Ca(OH)₂溶解产生的Ca²⁺能压缩胶体双电层，降低胶体颗粒表面电位

OH⁻使胶体脱稳

生成的CaCO₃（吸收空气中CO₂）具有吸附架桥作用

与水中碳酸氢根反应生成CaCO₃微晶，作为絮凝核心

Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ → CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O

效果：

去除悬浮物（SS）

去除部分COD

降低色度

常与PAC（聚合氯化铝）或PAM（聚丙烯酰胺）配合使用

（五）杀菌消毒

原理：

高碱性环境（pH＞11）使细菌细胞膜蛋白质变性失活

破坏微生物的酶系统

对部分病毒、寄生虫卵有灭活作用

应用场景：

污泥消毒处理

农村简易污水处理

应急消毒（如灾后防疫）

说明： 氢氧化钙的杀菌能力弱于次氯酸钠、臭氧等，一般作为辅助手段。

（六）软化水质（去除硬度）

原理： 石灰软化法，去除水中的碳酸盐硬度。

Ca(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O

Ca(OH)₂ + Mg(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + MgCO₃ + 2H₂O

Ca(OH)₂ + MgCO₃ → Mg(OH)₂↓ + CaCO₃↓

效果：

降低水的总硬度和碱度

减少后续设备结垢

常用于锅炉补给水预处理、循环冷却水处理

（七）污泥调理与稳定化

原理：

提高污泥pH至11～12，杀灭病原菌和寄生虫卵

破坏污泥胶体结构，改善脱水性能

减少污泥中有机物分解产生的臭味

生成CaCO₃骨架，增强泥饼结构强度

应用：

市政污泥、工业污泥的石灰稳定化处理

板框压滤前的调理剂

（八）去除氟化物

原理： Ca²⁺与F⁻反应生成难溶的氟化钙沉淀。

Ca²⁺ + 2F⁻ → CaF₂↓ （Ksp = 3.45×10⁻¹¹）

应用：

含氟废水（玻璃厂、半导体厂、氟化工）

出水氟浓度可降至10 mg/L以下

需配合絮凝剂进一步降低至1～2 mg/L

三、在典型污水处理工艺中的位置

处理阶段 工艺单元 氢氧化钙作用

预处理 格栅/筛网 —

调节阶段 调节池 调节pH

化学处理 化学沉淀池 除重金属/除磷/除氟

絮凝阶段 絮凝沉淀池 配合PAC/PAM助凝

生物处理 生化池 pH已调至适宜范围

深度处理 消毒/过滤 —

污泥处理 污泥调理 杀菌、改善脱水性

四、与其他碱性药剂的对比

对比项 氢氧化钙 氢氧化钠 碳酸钠 氧化钙（生石灰）

价格 最低 较高 中等 较低

碱性强度 中强碱 强碱 弱碱 强碱（消化后）

安全性 较好 强腐蚀性 较好 遇水放热，危险

是否引入新离子 引入Ca²⁺（可利用） 引入Na⁺（可能影响生化） 引入Na⁺ 同Ca(OH)₂

除磷效果 好（Ca²⁺沉淀） 无 无 好

污泥量 较大 小 中 较大

说明： 氢氧化钙的最大优势在于价格低且Ca²⁺有附加沉淀功能，但污泥产量相对较大。

五、使用注意事项

事项 说明

投加方式 配成石灰乳（浓度5%～15%）投加，避免干投堵塞管道

pH控制 不宜过高，避免两性金属复溶或影响后续生化

搅拌 需充分搅拌，确保反应完全

防结垢 管道、阀门易结CaCO₃/CaSO₄，需定期清洗

劳动防护 碱性粉尘刺激呼吸道和眼睛，操作人员需佩戴防护用品

储存 密封防潮，避免碳化为CaCO₃失效

六、总结

氢氧化钙在污水处理中的作用可归纳为"一调、二沉、三凝、四杀"：

功能 原理核心

调——调节pH 酸碱中和

沉——化学沉淀 生成难溶氢氧化物/磷酸钙/氟化钙

凝——絮凝助凝 压缩双电层 + 吸附架桥

杀——杀菌消毒 高碱使蛋白质变性

凭借其来源广、价格低、功能多、安全性好的特点，氢氧化钙是工业废水和市政污水处理中应用最广泛的碱性药剂之一。