海水淡化水與地表源水混配工藝研究

劉建衛(wèi)，唐 娜，何國華，張 蕾，程鵬高，王學(xué)魁

(天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457)

海水淡化水與地表源水混配工藝研究

劉建衛(wèi)，唐 娜，何國華，張 蕾，程鵬高，王學(xué)魁

(天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457)

為了提高海水淡化水穩(wěn)定性，將海水淡化水與地表源水進(jìn)行混配處理，同時(shí)投加氫氧化鈣調(diào)節(jié)pH，研究考察在不同溫度和攪拌條件下的混配效果，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定天津市海水淡化水與地表源水(灤河水)的最佳混配體積比為1∶2、投加Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH在8.0左右，水質(zhì)達(dá)到水廠要求，經(jīng)后續(xù)處理即可進(jìn)入天津市市政管網(wǎng)進(jìn)行安全輸送．

海水淡化；市政源水；管網(wǎng)腐蝕；混配

天津市是我國缺水嚴(yán)重的城市之一，為了緩解淡水資源短缺，天津市已經(jīng)建成同時(shí)擬建多個(gè)大型海水淡化企業(yè)，所生產(chǎn)的淡化水多用于工業(yè)用水．隨著缺水形勢的日益嚴(yán)峻，海水淡化水的用途從工業(yè)擴(kuò)大到小規(guī)模的市政供水[1]．然而，天津市輸水管網(wǎng)多為鑄鐵舊管網(wǎng)，直接輸送淡化水必將引起管網(wǎng)腐蝕，形成“黃水”現(xiàn)象[2–3]．將舊管網(wǎng)換成PE管網(wǎng)能夠減小管網(wǎng)腐蝕，但是耗資巨大．海水淡化水由于在淡化過程中礦物質(zhì)離子過度去除，水質(zhì)穩(wěn)定性較差，對管網(wǎng)具有腐蝕性．國外許多國家的海水淡化水在進(jìn)入市政管網(wǎng)之前都會(huì)經(jīng)過水質(zhì)穩(wěn)定后處理工藝，主要通過調(diào)節(jié)pH和提高堿度、硬度[4–5]等，以此達(dá)到穩(wěn)定淡化水水質(zhì)的目的[6]．

本文采用將地表源水與海水淡化水混配，同時(shí)輔助Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH，研究其在不同溫度和攪拌條件下的混配效果，為天津市海水淡化水在城市市政管網(wǎng)的輸送提供參考性意見．

1 材料與方法

1.1 原料用水

地表源水是2012年11月取自中法水務(wù)有限公司的加氯之前的灤河水，海水淡化水是2012年11月取自北疆電廠低溫多效海水淡化水．地表源水和海水淡化水水質(zhì)見表1．

表1 地表源水與海水淡化水主要水質(zhì)指標(biāo)Tab. 1Quality index of surface source water and desalinated sea water

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

海水淡化水與地表源水混配實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，在反應(yīng)器中加入定比例的海水淡化水和地表源水，在攪拌條件下投加定量的氫氧化鈣，恒溫定速攪拌120min，取樣分析混配水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，同時(shí)計(jì)算拉森系數(shù)(IL)[7]和朗格利爾指數(shù)(LSI)，根據(jù)檢測結(jié)果討論影響混配水水質(zhì)的因素，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)．

圖1 海水淡化水與地表源水混配實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig. 1 Experiment device of blending desalinated sea water with original municipal water

1.3 分析方法

水樣的堿度參照GB/T 15451—2006《工業(yè)循環(huán)冷卻水·總堿及酚酞堿度的測定》進(jìn)行測定；水樣的硬度參照GB/T 15452—2009《工業(yè)循環(huán)冷卻水中鈣、鎂離子的測定·EDTA滴定法》進(jìn)行測定；水樣中Cl-質(zhì)量濃度參照GB/T 15453—2008《工業(yè)循環(huán)冷卻水和鍋爐用水中氯離子的測定》進(jìn)行測定；水樣中SO質(zhì)量濃度參照GB/T13025.8—2012《制鹽工業(yè)通用試驗(yàn)方法·硫酸根的測定》進(jìn)行測定；水樣中溶解性總固體(TDS，碳酸鈣計(jì))使用TDS測定儀進(jìn)行測定；pH采用pH計(jì)測定；朗格利爾指數(shù)和拉森系數(shù)通過計(jì)算得到．

1.4 技術(shù)性能指標(biāo)

根據(jù)中法水務(wù)有限公司提供技術(shù)性能指標(biāo)，混配后的水質(zhì)應(yīng)達(dá)到的指標(biāo)為：侵蝕性朗格利爾指數(shù)LSI在－0.5～0.5，腐蝕性拉森系數(shù)IL＜1.2，總堿度TAC≥80mg/L，pH由6.8提高到7.4以上．

2 結(jié)果與討論

2.1 地表源水與海水淡化水混配比例對水質(zhì)的影響

控制溫度為20℃，攪拌速率為150r/min，投加Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH為8.2～8.3，調(diào)節(jié)海水淡化水與地表源水體積混配比例[5](后面提到的混配比例均為海水淡化水與地表源水的體積比)為1∶1至1∶3，水質(zhì)變化情況見表2．由表2可以看出：隨著淡化水所占比例的增加，混配水的堿度、硬度、溶解性總固體和各離子質(zhì)量濃度均呈減小趨勢．當(dāng)?shù)急壤陀?3.3%時(shí)，混配水堿度能提升到80mg/L以上，LSI也由淡化水的－5.41提高到0以上，混配水的穩(wěn)定性明顯提高．IL值和海水淡化水相比，也有明顯的改善．

表2 混配比例對水質(zhì)的影響Tab. 2 Effect of mixing ratio on water quality

2.2 Ca(OH)2投加量對水質(zhì)的影響

控制溫度20℃，混配比例1∶2，攪拌速率150r/min，調(diào)節(jié)Ca(OH)2投加量，混配水質(zhì)變化情況見表3．可以看出，pH隨Ca(OH)2的投加量的增加而增加，但是Ca(OH)2投加量在6.67～33.33mg/L時(shí)，增長較為平緩．堿度隨pH的變化趨勢見圖2，當(dāng)pH小于9.19時(shí)，堿度隨pH增大而增大，但是當(dāng)pH繼續(xù)增大，堿度則迅速減小．

出現(xiàn)上述現(xiàn)象是由于溶液中存在著下列的反應(yīng)平衡：溶液中加入OH-離子時(shí)，OH-離子首先與溶液中溶解的CO2反應(yīng)生成HCO，溶液pH增大，同時(shí)溶液中堿度也略微增大，當(dāng)9.19≥pH≥8.82，由于溶液的緩沖作用，pH和堿度變化都有一段平緩區(qū)；繼續(xù)加入OH-，HCO則轉(zhuǎn)化成CaCO3沉淀，pH增大，堿度則隨著HCO和CO離子的消耗急劇減?。?/p>

為了保證混配溶液堿度，LSI和IL能夠滿足水廠需求，建議Ca(OH)2投加量不超過13.33mg/L，溶液pH控制在8～9，pH偏高將導(dǎo)致溶液LSI偏大，有結(jié)垢趨勢．

表3 Ca(OH)2投加量對水質(zhì)的影響Tab. 3 Effect of dose of Ca(OH)2on water quality

圖2 pH對堿度的影響Fig. 2 Effect of pH on alkalinity

2.3 攪拌速率對水質(zhì)的影響

控制溫度20℃，混配比例1∶2，Ca(OH)2投加量為5mg/L，調(diào)節(jié)混配過程中的攪拌速率，混配水質(zhì)變化情況見表4．由表4可知，攪拌速率不是混配過程中的顯著影響因素．

2.4 溫度對水質(zhì)的影響

控制混配比例1∶2，Ca(OH)2投加量5mg/L，攪拌速率150r/min，調(diào)節(jié)溫度變化范圍為3～33℃，研究溫度變化對混配過程的影響，混配水質(zhì)變化情況見表5．

表5 溫度變化對水質(zhì)的影響Tab. 5 Effect of temperature on water quality

溫度改變對混配水質(zhì)的堿度、硬度、TDS、Cl-質(zhì)量濃度、SO質(zhì)量濃度影響不大．溫度增大，LSI雖然呈增大趨勢，但是溫度增大，導(dǎo)致水中溶解氧衰減加快，導(dǎo)致混配水的腐蝕性變大[8]．地表源水來自灤河水，其水質(zhì)隨季節(jié)變化較大．11月份至次年7月份水質(zhì)比較穩(wěn)定，平均堿度在110～130mg/L，pH 7.6～8.0，LSI為－0.2～0；8月份至10月份，灤河水堿度、pH和LSI開始降低，甚至在溫度較高的9月份和10月份，灤河水堿度會(huì)接近80mg/L，pH在7.5左右，LSI也接近甚至小于－0.5，腐蝕性遠(yuǎn)大于其他季節(jié)(數(shù)據(jù)來自中法水務(wù)有限公司提供的2009—2011年的水廠以及管網(wǎng)的實(shí)測數(shù)據(jù))．因此在溫度較高的8月份至10月份，建議減小淡化水的混配比例，適當(dāng)增加Ca(OH)2的投加量，以增大pH和LSI，防止管網(wǎng)出現(xiàn)黃水和紅水現(xiàn)象．

2.5 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前期探索，在控制溫度20℃的條件下，選取混配比、pH和攪拌速率作為3個(gè)相對重要的因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，因素水平表見表6，實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7．

表6 因素水平表Tab. 6 Factors and levels

表7 實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab. 7 Experimental scheme and experimental results

由表7可知：對于堿度，因素主次順序?yàn)榛炫浔龋緋H＞攪拌速率，優(yōu)方案為A3B2C3，即混配比1∶2.5、pH 8.5、攪拌速率200r/min；對于LSI，因素主次順序?yàn)閜H＞混配比＞攪拌速率，優(yōu)方案為A1B1C1，即混配比1∶1.5、pH 8、攪拌速率80r/min；對于IL，因素主次順序?yàn)榛炫浔龋緋H＞攪拌速率，優(yōu)方案為A3B2C3，即混配比1∶2.5、pH,8.5、攪拌速率200r/min．不同指標(biāo)所對應(yīng)的優(yōu)方案是不同的，但是通過綜合平衡法可以得到綜合的優(yōu)方案．

因素A：雖然對于第一個(gè)和第三個(gè)指標(biāo)都是取A3好，但是考慮實(shí)際應(yīng)用，混配比越大越好，由表7和混配比的單因素實(shí)驗(yàn)可以看出混配比1∶2即可以滿足堿度≥80mg/L的要求，因此選擇海水淡化水與地表源水的混配比1∶2作為優(yōu)方案．

因素B：對于第一個(gè)和第三個(gè)指標(biāo)都是選擇B2好，但是通過分析三個(gè)指標(biāo)的極差可以發(fā)現(xiàn)，pH對LSI的影響最大，而對堿度和IL影響并不大，若是選擇B2，則會(huì)導(dǎo)致LSI＞0.5，不滿足中法水務(wù)有限公司提供的技術(shù)性能指標(biāo)．因此選擇pH為8作為優(yōu)方案.

因素C：通過三個(gè)指標(biāo)的極差值可以發(fā)現(xiàn)，攪拌速率為非主要影響因素，考慮第一和第三指標(biāo)都是C3為優(yōu)方案，因此選擇C3作為優(yōu)方案．實(shí)際情況時(shí)對于第二指標(biāo)LSI而言，由直觀分析表可知攪拌速率對其影響極微．從堿度和IL的直觀分析表和單因素實(shí)驗(yàn)可知，攪拌速率的影響均不大，在這種情況下可能大部分實(shí)驗(yàn)者或者實(shí)際工程操作會(huì)更傾向于選取攪拌速率小的結(jié)果，以降低能耗．

通過綜合平衡法同時(shí)考慮實(shí)際情況最終確定優(yōu)方案為A2B1C1，即混配比1∶2、pH為8、攪拌速率80r/min作為最終的優(yōu)方案．在該條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，混配水堿度為84.71mg/L，LSI為0.33，IL為1.07，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足中法水務(wù)有限公司提供的技術(shù)性能指標(biāo)．

3 結(jié) 論

通過將海水淡化水和地表源水混配能夠明顯提高海水淡化水的穩(wěn)定性，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在控制溫度20℃的條件下，控制海水淡化水與地表源水混配比例為1∶2，投加Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH在8.0左右，在能夠保證海水淡化水和地表源水充分混合的條件下，選擇一個(gè)較小的攪拌速率，混配水的堿度能夠達(dá)到84.71mg/L，LSI為0.33，IL為1.07左右，達(dá)到中法水務(wù)有限公司提供的LSI在－0.5～0.5，腐蝕性拉森系數(shù)IL＜1.2，總堿度TAC≥80mg/L，pH由6.8提高到7.4以上的水質(zhì)要求，經(jīng)過后續(xù)處理即可進(jìn)入市政管網(wǎng)進(jìn)行輸送．

在溫度較高的夏季，溫度偏高，混配水的LSI偏大，溶液的腐蝕性變小，但是由于地表源水的堿度和其他季節(jié)相比明顯偏小，因此混配過程中應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增大pH和減小海水淡化水的混配比例．

［1］ 葛云紅，劉艷輝，趙河立，等. 海水淡化水進(jìn)入市政管網(wǎng)需考慮和解決的問題[J]. 中國給水排水，2009，25(8)：84–87.

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責(zé)任編輯：周建軍

Technology of Mixing Desalinated Sea Water and Original Municipal Water

LIU Jianwei，TANG Na，HE Guohua，ZHANG Lei，CHENG Penggao，WANG Xuekui

In this research，the desalinated sea water and original municipal water were mixed to improve the stability of the desalinated seawater. At the same time calcium hydroxide was added to adjust pH and the effect was studied under different conditions of temperature and stirring situation. It showed that the best mixing rate of the desalinated sea water to the municipal water (Luanhe River water)was 1∶2 in Tianjin. pH value was controled at about 8.0 by adding calcium hydroxide. The water quality could meet the requirements of the water plant，and the water could enter the municipal pipe network safely after subsequent processing.

seawater desalination；original municipal water；pipeline corrosion；mix

TU991

A

1672-6510(2014)04-0039-05

10.13364/j.issn.1672-6510.2014.04.009

2013–11–11；

2014–03–05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21376178)；天津市科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(12ZCDZSF06900-3)

劉建衛(wèi)（1987—），男，河北保定人，碩士研究生；通信作者：唐 娜，副教授，tjtangna@tust.edu.cn.

(Tianjin Key Laboratory of Marine Resources and Chemistry，College of Marine Science and Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)