單級冷凍法對南疆農(nóng)田排水淡化效果試驗研究

張德平 楊玉輝 李鑫元 王龍 馮正豪

摘要：為了探索農(nóng)田排水凍結、脫鹽的可能性，通過在室內(nèi)模擬單級凍結試驗方式，以農(nóng)田所排放的原水進行凍結脫鹽，凍結灌溉的可能性。結果表明：在同一環(huán)境溫度下，容器體積、成冰率和脫鹽量呈正相關;而在相同容器體積下，結冰溫度則和結冰速率呈負相關。此方法特別適合于我國北方冬季冷凍期長、氣溫低的氣候條件，并對自然冷凍法淡化咸水的可利用價值及發(fā)展動向進行了闡述與分析。

關鍵詞：單級冷凍;南疆;農(nóng)田排水淡化;水處理

0 引言

淡水資源的匱乏早已成為當今世界上面臨的問題。但目前，為了克服淡水資源匱乏的問題，人類已開始關注合理的鹽水利用。中國發(fā)展國內(nèi)專家學者對于已經(jīng)對咸水灌溉技術開展了大量的科學理論研究，并針對我們中國各個地方的特點進行總結出了一個科學合理的灌水方式、灌溉機制和灌水定額，還提出了作物高產(chǎn)的經(jīng)驗辦法。如何選擇合適的灌水方法是咸水利用的技術難題。目前，農(nóng)用咸水回用的主要研究方法有淹灌、噴灌和滴灌。大多數(shù)的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)在不同的生產(chǎn)時期都實行了作物輪作灌溉和混合澆灌，另外還有可以直接通過利用鹽水進行的澆灌研究。

在部分鄉(xiāng)村區(qū)域，年降雨量稀少，蒸發(fā)量高。自然資源匱乏嚴重制約了城市居民的日常生活和農(nóng)業(yè)發(fā)展。但是，由于我國淡水的長期短缺，寶貴的農(nóng)田排灌資源管理始終未能受到重視，并對灌區(qū)的排放載體產(chǎn)生了一個巨大的污染。目前，農(nóng)田排水和灌溉資源的再利用是減輕水質壓力、降低環(huán)境污染的最有效途徑，引起了不少專家學者的關注。

冰凍法淡化處理工藝技術，是根據(jù)無機鹽在水中的分配系數(shù)比在冰中的分配系數(shù)大1～2個數(shù)量級的特點，以實現(xiàn)從鹽水中分離出來水和鹽的目的。絕大多數(shù)研究表明，冷凍法在配制淡水和冷凍灌溉方面具有優(yōu)異的性能。南疆地區(qū)冬季室外還存在大量天然冷能資源，這些資源具備進行凍結技術的前提條件。農(nóng)田排水的水質與水量不斷變化的規(guī)律，明顯一致且穩(wěn)定，適用于原水淡化。然而，根據(jù)目前數(shù)據(jù)顯示，關于新疆南部地區(qū)進行冷凍淡化試驗的報道很罕見。在這基礎上，本文以凍結法作為主要研究對象，以農(nóng)田的排水為淡化原水，并運用室內(nèi)模擬單相冷測試方法分析了凍結溫度以及冷凍集裝箱容積大小、鈉吸附比以及其他參數(shù)的影響，并討論進行了比較。優(yōu)化的凍結參數(shù)和凍結灌溉的可行性相結合，以期為凍融脫鹽技術在南疆地區(qū)的試驗與應用提供了重要數(shù)據(jù)參考，同時也為咸水水資源的合理開發(fā)與利用提出了新的切入點。

1 單級冷凍法作用機理

單級凍結法咸水淡化技術將測試的水樣凍結在冰箱里由上至下，最后生成的冰晶結構中會殘留著鹽的一小部分，這就是包裹了冰結晶的特殊形式鹽胞，鹽胞的內(nèi)容將直接影響水與鹽分離的效率。

冰凍溫度是影響冰晶質量的最主要因素，對生成冰晶的水鹽分離也起著關鍵作用。一旦凍結溫度過低，冰晶就會以樹枝狀生長，在主干上就會產(chǎn)生更多的分枝。并留在各個分支末端的間隙中。所以，從提高冰晶品質的角度考慮，冷凍水溫也不能過低。因為由于測試水樣鹽度的提高，水溶液中的正電勢能晶核逐漸增多，削弱了固液界面的穩(wěn)定性。冰晶生長速度也加快，純度降低。因此，冰晶的初始鹽度可能會影響水鹽分離的效果;如果增加冰凍容器的體積，可以延長冰冷卻的范圍，冰晶的生成速率提高，使鹽被包裹并生成鹽胞的概率提高，冰晶的品質也降低。

單級冷凍咸水淡化方法的基本原理是基于無機鹽成分在水的分配系數(shù)比在冰中的分離系數(shù)大一至二個數(shù)量級的特點。原理上，利用凍結的冰晶達到脫鹽的效果應達到純水中沒有雜質，但是因為許多冷凍過程的障礙因素，有冰晶鹽氣泡或雜質，使離心和洗滌流程的不完全，使得融水中無法獲得百分之一百的純化。

2 試驗部分

2.1 試驗方案

利用室內(nèi)模擬單級冷凍實驗方式，在容器的四周和底面覆蓋有保溫材料，并放在恒溫冷箱內(nèi)，以確保自上而下地的結冰過程平穩(wěn)完成。由于實驗原水均來源于阿拉爾周邊農(nóng)村灌區(qū)排水渠不同時期的農(nóng)田排水。在同樣的試驗條件下，鹽分對脫鹽速率影響不大，從而忽視了原水各個時段鹽分的不同變化對試驗結果的影響。篩選了影響凍結溫度和容器體積大小的二個因素，并設置了25個處理方法。當水冰厚≥27cm時，試驗停止，每層（3cm）取出試樣并融化。具體試驗設置如表1所顯示。

2.2 試驗材料

試驗的原水源自阿拉爾灌區(qū)塔南干渠，塔南總排水渠道，是阿拉爾灌區(qū)的標志性總排渠道。對農(nóng)田排灌很有代表性。冷凍容器主要包括兩個部分：外筒和內(nèi)芯。其外筒總高H為50cm，縱向斷面為方形，集裝箱體積通過調(diào)節(jié)內(nèi)邊長D來調(diào)節(jié)。設置直徑為10、15、20、25、30cm的五個直徑（分別計算為D1-D5）;外筒寬度相同，在下部設置小孔供水使用。以上所述拉環(huán)式用于結冰后，使內(nèi)芯和外筒體分開;觀測尺是專門用于測定結冰沉積物的厚度的。該設備如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)測定與處理

測試項目主要包括結冰時間、水樣鹽分和Na+、Ca2+、Mg2+的含量等。每十二小時用觀測尺量冰層厚度，以推算結冰時間，水樣鹽分用重量法測定;用火焰光度計測定Na+的含量;用EDTA滴定法測定Ca2+和Mg2+的含量。以分析在不同結冰溫度和容器體積下，結冰時間、結冰速度、脫鹽速度以及鹽鈉吸收比在冰水沉積物中的分布狀況。

3 結果與分析

3.1 冷凍用時、成冰速率變化規(guī)律分析

滿足一定結冰條件所需要的持續(xù)時間和成冰速率，是采用凍結法的鹽堿類水回用的關鍵技術參數(shù)。在制作和研制鹽堿類水淡化設備時，為了要確保在規(guī)定的時限內(nèi)形成適當?shù)谋?，就必須按照結冰時限和成冰率選定合適的設備規(guī)格和冷卻溫度;在鹽水凍結灌溉中，結冰時間和結冰量可用作設定灌溉節(jié)點的重要依據(jù)。試驗中設定了不同的水溫和容器體積，并測定了結冰厚度以達到結冰要求（27cm）所需的時間條件。

3.2 脫鹽率變化規(guī)律分析

分析脫鹽速率的變化規(guī)律?？茖W研究已經(jīng)證實，冷凍脫鹽技術的脫鹽效率能夠超過百分之九十九，但受到多種原因的影響而下降。若在冷卻過程中凍結溫度較低，則需要很大的體積來放出相變潛熱。冰晶會在樹突中迅速生長，擴大了熱量釋放體積，從而在主干上形成了更高層次的分支。由于枝干兩端的間隙很容易被雜質所俘獲，如各種易溶性鹽，造成的脫鹽效果并不好，最終大大降低了脫鹽量。但如果結冰速率足夠緩慢，使結冰的速率和鹽濃度速率更接近，且一部分鹽有充分的時間在冰混合物中濃縮到水分的最下層，則棄鹽率將會增加。冷卻溫度越高，冷卻速度越低，所以冷卻溫度和棄鹽速度成正相關。747F3A7E-AB77-474E-9990-A700D0C30767

4 咸水結冰灌溉可行性探討

咸水澆灌后，水中的部分鹽大量進入泥土后容易積聚，形成次生鹽漬化。肖振華等人研究成果證實，當采用鹽水澆灌時，被灌溉水利用效率進入泥土的食用鹽量容易在泥土中積聚并交替淋濾。當灌溉水的含鹽量低于3g/L時，土壤剖面的含鹽量仍處在均衡狀況中，大于3g/L，具有不同程度的鹽分積聚。

單極凍結法也能夠模擬咸水中灌溉冰沉積物的形成過程，因為冰水沉積中含鹽量和SAR的分布情況和實際過程吻合程度較高。調(diào)查根據(jù)阿拉爾灌區(qū)的歷年天氣統(tǒng)計資料，冬季室外極端最低氣溫約為-5～-15℃;試驗結果表明，融化的原水礦化程度的每個容器的T1和T18～20cm冰層均低于3g/L，但是，對于較高鹽堿的原水溫度和處理效率卻低于T3，0～12cm冰融化水的鹽度大于3g/L，雖然12～15cm冰層的鹽含量大概為3g/L，因此0～18cm，在灌水之后，冰層中的冰融水不會有鹽分積聚。郭凱等人在試驗中發(fā)現(xiàn)，咸水凍結灌溉的實際灌溉量為180mm（1800m3/hm2）。

張秀梅等人科研證實，在冬季凍結時灌溉使用的8.15～14.27g/L、最大灌水量為180mm的鹽水，再結合后期地膜覆蓋，能明顯減少土地的含鹽量，從而提高了土地含水量。綜上所述，阿拉爾周邊灌區(qū)鹽水水質、室外氣溫、鹽水結冰后的0～18cm水冰沉積物含鹽量等參數(shù)符合進行鹽水結冰灌溉的要求。

鈉吸附比（SAR）是評判澆灌水質的主要指標。在鈉吸附比≤10時，澆灌水質為一類，適合于對各類土質灌水;當10

綜上所述，在室內(nèi)模擬實驗的條件下，在阿拉爾灌區(qū)工程中用農(nóng)田排水作為凍灌原水在理論上也是合理的，其凍層厚度大約為18cm。

5 結論

1）在相同的室溫條件下，集裝箱冷凍容積與結冰量成正比例，與脫鹽量負相關;在同等集裝箱容積條件下，結冰溫度與結冰速率成負相關，而與脫鹽速率成正相關。

2）冰沉積厚度與冰水內(nèi)鹽濃度與鈉吸附比明顯存在正相關，當冰水沉積厚度超過21cm后，鹽濃度會大幅上升。

3）從脫鹽效率分析，T1處理與其他處理的脫鹽效率差別達到了明顯水平（P>0.05）;D1和D2脫鹽效率差別并不明顯，但與其他處理差別很明顯。當凍結參數(shù)的組合為T1D1、T1D2時，脫鹽速率為最高的。成冰速率和脫鹽速率之間也具有相應的限制。依據(jù)實際試驗需要的成冰速率和融冰水體的鹽度，設定了適當?shù)慕Y冰溫度和集裝箱容積。

4）在中國南疆地帶，使用農(nóng)田排水作為凍灌原水從理論上是合理的，但凍層厚度應該在18cm附近。

參考文獻

[1] 潘潔，肖輝，王立艷，等.咸水冰融化與土壤入滲過程不同鹽分離子遷移規(guī)律研究[J].華北農(nóng)學報，2012，27（1）：210-214.

[2] 李志剛，劉小京，張秀梅，等.冬季咸水結冰灌溉后土壤水鹽運移規(guī)律的初步研究[J].華北農(nóng)學報，2008，23（增刊1）：187-192.

[3] 張媛媛.自然冷凍法淡化海水的研究[D].蘇州科技學院，2008.

[4] 尉鳳珍，劉運東，張立江.膜法海水淡化中試研究[J].中國給水排水，2017，33（23）：47-50.

[5] 楊暉，李恒松，張思健，等.基于冷凍過程的海水脫鹽研究[J].水處理技術，2016，42（7）：57-61.

[6] 羅從雙，諶文武，韓文峰.冷凍法凈化苦咸水的實驗[J].蘭州大學學報（自然科學版），2010，46（2）：6-10.

[7] 鄭智穎，李鳳臣，李倩.海水淡化技術應用研究及發(fā)展現(xiàn)狀[J].科學通報，2016，61（21）：2344-2347.

[8] PORTERME.Competitiveadvantage[M].NewYork：Simon&Schuster，2004.

[9] 王立洪，萬英.阿拉爾墾區(qū)鹽堿土改良及防止次生鹽漬化對策之初探[J].塔里木大學學報，1994（2）：72-76.

[10] 高艷玲，呂炳南，趙立軍.水淡化技術評述與成本分析[J].環(huán)境保護，2005（2）：28-30.

[11] 高從堦，陳國華主編.咸水淡化技術與工程手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004：22-27.

[12] 劉冬雪，陳東，謝繼紅，等.一種連續(xù)式冷凍法咸水淡化方法及其特性分析[J].能源工程，2007（4）：41-44.

[13] 田長彥，周宏飛，劉國慶.21世紀新疆土壤鹽漬化調(diào)控與農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展研究建議[J].干旱區(qū)地理，2000，23（2）：177-181.

[14] 張蔚榛，張瑜芳.有關農(nóng)田排水標準研究的幾個問題[J].灌溉排水學報，1994（1）：1-6.

[15] 劉玉甫，王蓓，張江輝.新疆農(nóng)田排水工程存在問題與建議[J].新疆水利，2009（1）：38-42.747F3A7E-AB77-474E-9990-A700D0C30767