雙堿法去除電廠循環(huán)水硬度的研究

摘 要：在電廠循環(huán)水回用處理系統(tǒng)中，氫氧化鈉-碳酸鈉雙級(jí)軟化法（簡(jiǎn)稱“雙堿法”）是一種高效的水處理工藝，對(duì)循環(huán)水硬度具有良好的處理效果。為了保證電廠經(jīng)濟(jì)、有效地運(yùn)行，在保證滿足工藝需求的前提下，盡量減少加藥量、降低運(yùn)行成本。通過小試試驗(yàn)對(duì)雙堿法的實(shí)施效果進(jìn)行靜態(tài)驗(yàn)證，并通過不同組次的試驗(yàn)結(jié)果獲取氫氧化鈉和碳酸鈉在試驗(yàn)條件下的最佳加藥量。結(jié)果表明，去除循環(huán)水硬度的最佳加藥量為氫氧化鈉+碳酸鈉+PAC=0.3mL/L+2.21mL/L+0.83mL/L。在此條件下，雙堿法對(duì)循環(huán)水中的鈣、鎂離子濃度去除率分別為83.3%和19.6%，對(duì)硬度的去除效果較好，既滿足工藝需求，又節(jié)約投資成本和運(yùn)行成本。由此可見，最佳加藥量對(duì)氫氧化鈉-碳酸鈉雙級(jí)軟化法至關(guān)重要，既影響工藝運(yùn)行效果，又與電廠運(yùn)行成本相關(guān)。

關(guān)鍵詞：雙堿法；循環(huán)水回用；水質(zhì)軟化；硬度；加藥量

中圖分類號(hào)：TQ 085 " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

水是一種寶貴的自然資源。水資源的日益匱乏已逐漸制約區(qū)域開發(fā)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。隨著人民生活水平不斷提高，保護(hù)環(huán)境、節(jié)約水資源已成當(dāng)務(wù)之急[1]。目前，我國(guó)火力發(fā)電廠，循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行方式分為開放式和半開放式[2]。開放式系統(tǒng)沒有冷卻設(shè)備，只有冷卻水泵，適用于靠近江、河以及水庫(kù)等水源充足的電廠，在整個(gè)過程中，對(duì)水質(zhì)處理工作較少。一般發(fā)電廠受地理?xiàng)l件限制，多使用半開式循環(huán)，冷卻水經(jīng)凝汽器換熱后，通過自然通風(fēng)冷卻塔淋至水池降溫后循環(huán)使用，一部分水在冷卻過程中會(huì)蒸發(fā)損失，水中的硬度含量超過一定范圍后會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢的情況，造成安全隱患。在此過程中，需要采用物理和化學(xué)方法進(jìn)行處理，保證水質(zhì)在合格范圍。同時(shí)，在火電生產(chǎn)系統(tǒng)中，循環(huán)水補(bǔ)充水占較大比例，因此優(yōu)化選擇循環(huán)水回用處理工藝，提高循環(huán)水的再利用，對(duì)提升火電廠整體收益水平、競(jìng)爭(zhēng)能力具有十分重要的意義[3]。

本文通過小試試驗(yàn)對(duì)雙堿法的實(shí)施效果進(jìn)行靜態(tài)驗(yàn)證，并通過不同組次的試驗(yàn)結(jié)果獲取氫氧化鈉和碳酸鈉在試驗(yàn)條件下的最佳加藥量。為同類型電廠循環(huán)水質(zhì)回用處理工藝選擇提供一定的運(yùn)行依據(jù)，也優(yōu)化了循環(huán)水回用處理工藝中的除硬度工藝段，具有很好的實(shí)踐意義。

1 研究方法

1.1 雙堿法除硬度原理

雙堿法除硬度采用氫氧化鈉-碳酸鈉聯(lián)合軟化處理工藝，氫氧化鈉調(diào)節(jié)廢水pH值為堿性，使廢水中的結(jié)垢性離子Mg2+和硅等污染物形成沉淀物而去除，再投加碳酸鈉去除廢水中Ca2+，降低原水中的堿度和永久硬度[4]，經(jīng)沉淀固液分離后進(jìn)入后續(xù)深度處理系統(tǒng)。

1.2 雙堿法除硬度的優(yōu)點(diǎn)

1.2.1 除硬度效果好

雙堿法可以有效地去除水中鈣鎂等硬度物質(zhì)，尤其是對(duì)臨時(shí)硬度的處理效果最佳。該方法可以有效地控制水的pH值和硬度，有效防止循環(huán)水管道和設(shè)備的腐蝕[5]，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

1.2.2 投資和運(yùn)行成本低

與其他水處理除硬度方法相比，雙堿法的運(yùn)行成本相對(duì)較低。該方法所需要的化學(xué)藥品和設(shè)備數(shù)量較少，配套的構(gòu)筑物占地面積小，能夠節(jié)省大量投資和運(yùn)行成本[6]。

1.2.3 工藝操作簡(jiǎn)單

雙堿法的操作非常簡(jiǎn)單且可以自動(dòng)化運(yùn)行，達(dá)到無人值守的效果。運(yùn)行時(shí)，只需要添加適量的化學(xué)藥品對(duì)產(chǎn)生的沉淀物進(jìn)行處理即可，不需要復(fù)雜的設(shè)備和技術(shù)[7]，因此適合各種規(guī)模的電廠及水處理廠使用。

1.2.4 無二次污染

雙堿法去除水中硬度的過程中不會(huì)產(chǎn)生二次污染[8]。它所產(chǎn)生的沉淀物可以通過板框壓濾機(jī)、疊螺脫水機(jī)等適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ㄟM(jìn)行回收和再利用，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響。尤其是使用氫氧化鈉這種藥品，與石灰相比，不但顯著提高了硬度物質(zhì)的去除率，而且大大地減少了沉淀物的產(chǎn)生量[9]，同時(shí)也避免了因循環(huán)水二次引入鈣硬度而增加除硬度的負(fù)擔(dān)。

1.2.5 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

雙堿法是一種有效的水處理技術(shù)，在去除水中硬度物質(zhì)方面具有較好的效果?？梢詮V泛應(yīng)用于工業(yè)、家庭、飲用水和游泳池等領(lǐng)域。

1.3 小試試驗(yàn)?zāi)康?/p>

小試試驗(yàn)有以下3個(gè)目的：1）尋求最佳運(yùn)行pH值及加藥量，實(shí)現(xiàn)符合運(yùn)行要求的出水指標(biāo)。2）對(duì)比氫氧化鈉投加前后鈣鎂去除效果。3）對(duì)比PAC投加前后鈣鎂、懸浮物去除效果。

1.4 試驗(yàn)依據(jù)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)依據(jù)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如下：1）某發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)取樣循環(huán)排水的水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)。2）試驗(yàn)方法采用加藥滴定法。3）試驗(yàn)檢測(cè)依據(jù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.5 藥劑投加基準(zhǔn)量理論計(jì)算

1.5.1 取樣電廠循環(huán)水

對(duì)循環(huán)水的水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表2。本小試試驗(yàn)以去除循環(huán)水中鈣鎂硬度為目的，進(jìn)行多組次的對(duì)比優(yōu)化試驗(yàn)。

1.5.2 8%Na2CO3溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）理論加藥量

8%Na2CO3溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）理論加藥量如公式（1）所示。

Ca2+ " " "+ " CO32-→ CaCO3 ↓

1 " " " " "1 " " " " " " " （1）

5.2mmol " " 5.2mmol

Na2CO3用量：5.2mmol/L×106g/mmol=551.2mg/L，551.2mg÷

108mg/mL（8%）=5.1mL，即每升水樣加Na2CO3 5.1mL為試驗(yàn)基準(zhǔn)JC。

1.5.3 30%NaOH溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）理論加藥量

試驗(yàn)初期，取少量水樣滴加配制30%NaOH溶液，控制pH不高于9.7，標(biāo)定此時(shí)的NaOH加藥量（L/L）為試驗(yàn)基準(zhǔn)JOH；當(dāng)pH 為9.7時(shí)，Ca2+、Mg2+的含量見表3。

與表2循環(huán)水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，在JOH條件下，表3中Ca2+、Mg2+的含量需基本維持不變，此時(shí)30%NaOH的加藥量JOH=0.6mL/L。

1.5.4 5 %PAC（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）理論加藥量

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，按5mg/ L作為基準(zhǔn)JAL。

1.6 小試流程及過程控制措施

1.6.1 碳酸鈉投加量試驗(yàn)

在JC=5.1mL的基礎(chǔ)上，按不同投加量（1/2JC=2.55mL、JC=5.1mL、1.3 JC=6.63mL）對(duì)比鈣鎂硬度去除效果：組次編碼為03、04、05，獲取碳酸鈉推薦加藥量Y1。

1.6.2 碳酸鈉+PAC投加量試驗(yàn)

在Y1基礎(chǔ)上，按1/2JAL=2.5mL/L、JAL=5mL/L以及1.5 JAL=

7.5mL/L投加，組次編碼為06、07、08，組次靜沉?xí)r間按高效澄清池設(shè)計(jì)停留時(shí)間1.6h：1）記錄出現(xiàn)明顯固液分離界面的時(shí)間。2）靜沉1.6h后，各組次對(duì)比沉淀澄清情況。3）取分析靜沉后上清液化驗(yàn)，Al的含量不超過0.1mg/L～0.5mg/L，獲取PAC推薦加藥量Y2。

1.6.3 氫氧化鈉+碳酸鈉試驗(yàn)投加量試驗(yàn)

氫氧化鈉基準(zhǔn)加藥量JOH=Y3=0.6mL/L，按Y3+Y1、Y3+1/2Y1、

Y3+1/3Y1對(duì)比鈣鎂硬度去除效果，組次編碼為09、10、11。

靜沉1.6h，觀察沉淀情況、取上清液化驗(yàn)，對(duì)比分析并優(yōu)化得出碳酸鈉的最佳加藥量Y4。

1.6.4 氫氧化鈉+碳酸鈉+PAC試驗(yàn)

按Y3+Y4+Y2、Y3+Y4+1/2Y2、Y3+Y4+1/3Y2，投加PAC，組次編碼為012、013、014，對(duì)比鈣、鎂離子和SS的去除情況。

靜沉1.6h，觀察沉淀情況、取上清液化驗(yàn)，對(duì)比分析并優(yōu)化得出PAC的最佳加藥量Y5。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳酸鈉投加量試驗(yàn)結(jié)果與分析

因?yàn)樘妓徕c對(duì)水中Ca2+的去除順序優(yōu)先于對(duì)Mg2+的去除順序，因此根據(jù)循環(huán)水中的Ca2+濃度，分別投加1/2JC=2.55mL、JC=5.1mL、1.3JC=6.63mL的8%碳酸鈉溶液，生成碳酸鈣沉淀，分析對(duì)水中Ca2+的去除效果，見表4。

由表4可知，投加碳酸鈉后循環(huán)水中的Mg2+含量基本不變，只對(duì)Ca2+有去除效果。當(dāng)投加量達(dá)到1.3JC時(shí)，對(duì)Ca2+的去處效果最好，去除率達(dá)到了60.8%，即每升循環(huán)水中投加6.63mL的8%濃度碳酸鈉溶液為碳酸鈉的推薦加藥量Y1。

2.2 碳酸鈉+PAC投加量結(jié)果與分析

以每升循環(huán)水中投加6.63mL的8%濃度碳酸鈉溶液Y1為基礎(chǔ)，分別投加1/2JAL=2.5mL/L、JAL=5mL/L、1.5JAL=7.5mL/L的5%濃度的PAC溶液投加，通過檢測(cè)對(duì)原水中鈣、鎂離子含量的去除率（見表5），篩選出PAC的推薦加藥量Y2。

由表5可知，經(jīng)過3種PAC加藥量處理后，上清液中的Al3+含量都保持在0.1mg/L～0.5mg/L，屬于可接受范圍之內(nèi)。PAC有較強(qiáng)的架橋吸附性能，在水解過程中，伴隨發(fā)生凝聚、吸附和沉淀等物理化學(xué)過程，在碳酸鈉除循環(huán)水硬度的過程中加速碳酸鈣、碳酸鎂的沉淀，對(duì)循環(huán)水硬度的去除能起到積極、有效的作用。當(dāng)PAC的投加量為2.5mL時(shí)，碳酸鈉藥劑對(duì)循環(huán)水中鈣、鎂離子含量的去除率分別為65.1%和72.3%，去除硬度效果最好。因此當(dāng)碳酸鈉投加量為6.63mL/L時(shí)，5%濃度PAC的推薦加藥量Y2為2.5mL/L水。

2.3 碳酸鈉+碳酸鈉投加量結(jié)果與分析

通過投加NaOH調(diào)整水樣的pH，同時(shí)可以去除水中的一部分鎂離子。在本次試驗(yàn)中，控制水樣的pH=9.7，通過試驗(yàn)得出每升水需要投加30%的NaOH溶液0.6mL。以此NaOH加藥量為基礎(chǔ)，對(duì)NaCO3加藥量進(jìn)行優(yōu)化，以最大程度節(jié)約運(yùn)行成本。

氫氧化鈉基準(zhǔn)加藥量JOH=Y3=0.6mL/L，碳酸鈉加藥量 Y1=6.63mL/L，氫氧化鈉+碳酸鈉試驗(yàn)按Y3+Y1、Y3+1/2Y1、 Y3+1/3Y1對(duì)比鈣鎂硬度去除效果，見表6。

由表6可知，在氫氧化鈉的投加量為0.6mL/L的條件下，當(dāng)碳酸鈉的投加量為6.63mL/L時(shí)，對(duì)原水中鈣、鎂離子的去除率最高，分別為83.3%和9.3%；當(dāng)碳酸鈉的投加量為2.21mL/L時(shí)，對(duì)原水中鈣、鎂離子的去除率分別為75.4%和5.9%，與碳酸鈉投加量為6.63mL/L時(shí)差別不大。因此綜合考慮對(duì)硬度的去除效果和加藥費(fèi)用，推薦碳酸鈉的加藥量為Y4=2.21mL/L水。

2.4 氫氧化鈉+碳酸鈉+PAC投加量結(jié)果與分析

在碳酸鈉+碳酸鈉投加量結(jié)果與分析中得出，氫氧化鈉+碳酸鈉的推薦加藥量為Y3+Y4=0.6mL/L+2.21mL/L，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)PAC的投加量Y2=2.5mL/L進(jìn)行優(yōu)化。

按Y3+Y4+Y2、Y3+Y4+1/2Y2、Y3+Y4+1/3Y2投加，對(duì)比鈣鎂和SS去除情況，見表7。

由表7可知，3組試驗(yàn)中不同PAC加藥量對(duì)鈣、鎂離子的去除率差別不大。當(dāng)加藥量為1/3Y2時(shí)，雖然比其他加藥量對(duì)循環(huán)水中鈣離子的去除率輕微降低，但是對(duì)鎂離子的去除率提高且循環(huán)水的濁度最小，因此綜合考慮循環(huán)水除硬度及濁度處理效果和運(yùn)行費(fèi)用，最終選取PAC的投加量Y5為1/3Y2，即0.83mL/L。

根據(jù)以上試驗(yàn)得出，去除硬度的最佳加藥量為氫氧化鈉+碳酸鈉+PAC=0.3mL/L+2.21mL/L+ 0.83mL/L。此時(shí)對(duì)原水中的鈣、鎂離子濃度去除率分別為83.3%和19.6%，對(duì)硬度和懸浮物的去除效果較好。在去除電廠循環(huán)水硬度過程中，雙堿法藥劑工程投加量在運(yùn)行階段可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化。

2.5 試驗(yàn)總結(jié)分析

雙堿法處理循環(huán)水的基本原理是利用一定濃度的氫氧化鈉（NaOH）和碳酸鈉（Na2CO3）對(duì)循環(huán)水進(jìn)行中和和沉淀處理，結(jié)合以上試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)雙堿法處理循環(huán)水進(jìn)行分析總結(jié)。雙堿法處理循環(huán)水能夠有效地去除廢水中的重金屬離子、顏料和化學(xué)添加劑等不溶性物質(zhì)，達(dá)到水質(zhì)凈化的目的；雙堿法處理循環(huán)水操作簡(jiǎn)單，對(duì)工藝參數(shù)的變化適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高，能夠在不同流量和水質(zhì)變化的情況下保持處理效果的穩(wěn)定性。此外，雙堿法處理循環(huán)水需要經(jīng)過多個(gè)單元的處理，工藝流程相對(duì)復(fù)雜；雙堿法處理循環(huán)水需要較高濃度的NaOH和Na2CO3，需要一定運(yùn)行成本。綜上所述，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況選擇不同的處理方式，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)水的凈化和回收利用。

2.6 噸水處理藥耗費(fèi)用分析

市場(chǎng)藥品單價(jià)如下：30%氫氧化鈉溶液約1350元/t；98.0%碳酸鈉固體約2500元/t；工業(yè)用PAC固體約2000元/t。

加藥量核算：噸水投加30%氫氧化鈉溶液0.3L，投加8%碳酸鈉溶液2.21L，投加5%PAC溶液0.83L。

噸水處理費(fèi)用：0.12元+0.48元+0.08元=0.68元。

最佳加藥量對(duì)氫氧化鈉-碳酸鈉雙級(jí)軟化法至關(guān)重要，既影響工藝運(yùn)行效果，又與電廠運(yùn)行成本相關(guān)。電廠循環(huán)水回用是節(jié)能環(huán)保的需要，更是提高電廠生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益的需要。希望本文的試驗(yàn)過程及結(jié)果可以為同類型電廠循環(huán)水回用處理工藝提供一定的運(yùn)行依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)電廠循環(huán)水中Ca2+、Mg2+的含量分別為214mg/L、90.8mg/L時(shí)，去除循環(huán)水硬度的最佳加藥量為氫氧化鈉+碳酸鈉+PAC=0.3mL/L+2.21mL/L+0.83mL/L。在此條件下，停留時(shí)間保持1.6h，雙堿法對(duì)循環(huán)水中的鈣、鎂離子濃度去除率分別為83.3%和19.6%，對(duì)硬度的去除效果較好，同時(shí)對(duì)濁度也有一定的去除效果。經(jīng)過初步估算，雙堿法除電廠循環(huán)水硬度的藥耗成本約為0.68元/t，最佳加藥量既滿足了工藝需求又節(jié)約了投資成本與運(yùn)行成本。希望本文的試驗(yàn)過程及結(jié)果可以為同類型電廠循環(huán)水回用處理工藝尤其是雙堿法除硬度工藝提供一定的設(shè)計(jì)、運(yùn)行參考。

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通信作者：周洋（1987-），男，漢族，安徽金寨人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姀S化學(xué)、水處理和水汽異常分析、化學(xué)技術(shù)監(jiān)督等。

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