海水淡化水與地表源水混配工藝研究

劉建衛，唐 娜，何國華，張 蕾，程鵬高，王學魁

(天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457)

海水淡化水與地表源水混配工藝研究

劉建衛，唐 娜，何國華，張 蕾，程鵬高，王學魁

(天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457)

為了提高海水淡化水穩定性，將海水淡化水與地表源水進行混配處理，同時投加氫氧化鈣調節pH，研究考察在不同溫度和攪拌條件下的混配效果，通過對實驗結果進行分析，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調節pH在8.0左右，水質達到水廠要求，經后續處理即可進入天津市市政管網進行安全輸送．

海水淡化；市政源水；管網腐蝕；混配

天津市是我國缺水嚴重的城市之一，為了緩解淡水資源短缺，天津市已經建成同時擬建多個大型海水淡化企業，所生產的淡化水多用于工業用水．隨著缺水形勢的日益嚴峻，海水淡化水的用途從工業擴大到小規模的市政供水[1]．然而，天津市輸水管網多為鑄鐵舊管網，直接輸送淡化水必將引起管網腐蝕，形成“黃水”現象[2–3]．將舊管網換成PE管網能夠減小管網腐蝕，但是耗資巨大．海水淡化水由于在淡化過程中礦物質離子過度去除，水質穩定性較差，對管網具有腐蝕性．國外許多國家的海水淡化水在進入市政管網之前都會經過水質穩定后處理工藝，主要通過調節pH和提高堿度、硬度[4–5]等，以此達到穩定淡化水水質的目的[6]．

本文采用將地表源水與海水淡化水混配，同時輔助Ca(OH)2調節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見表1．

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

1.2 實驗方法

海水淡化水與地表源水混配實驗裝置如圖1所示，在反應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水質指標，同時計算拉森系數(IL)[7]和朗格利爾指數(LSI)，根據檢測結果討論影響混配水水質的因素，在單因素實驗基礎上設計正交實驗．

圖1 海水淡化水與地表源水混配實驗裝置圖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《工業循環冷卻水·總堿及酚酞堿度的測定》進行測定；水樣的硬度參照GB/T 15452—2009《工業循環冷卻水中鈣、鎂離子的測定·EDTA滴定法》進行測定；水樣中Cl-質量濃度參照GB/T 15453—2008《工業循環冷卻水和鍋爐用水中氯離子的測定》進行測定；水樣中SO質量濃度參照GB/T13025.8—2012《制鹽工業通用試驗方法·硫酸根的測定》進行測定；水樣中溶解性總固體(TDS，碳酸鈣計)使用TDS測定儀進行測定；pH采用pH計測定；朗格利爾指數和拉森系數通過計算得到．

1.4 技術性能指標

根據中法水務有限公司提供技術性能指標，混配后的水質應達到的指標為：侵蝕性朗格利爾指數LSI在－0.5～0.5，腐蝕性拉森系數IL＜1.2，總堿度TAC≥80mg/L，pH由6.8提高到7.4以上．

2 結果與討論

2.1 地表源水與海水淡化水混配比例對水質的影響

控制溫度為20℃，攪拌速率為150r/min，投加Ca(OH)2調節pH為8.2～8.3，調節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量濃度均呈減小趨勢．當淡化水所占比例低于33.3%時，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 混配比例對水質的影響Tab. 2 Effect of mixing ratio on water quality

2.2 Ca(OH)2投加量對水質的影響

控制溫度20℃，混配比例1∶2，攪拌速率150r/min，調節Ca(OH)2投加量，混配水質變化情況見表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，增長較為平緩．堿度隨pH的變化趨勢見圖2，當pH小于9.19時，堿度隨pH增大而增大，但是當pH繼續增大，堿度則迅速減小．

出現上述現象是由于溶液中存在著下列的反應平衡：溶液中加入OH-離子時，OH-離子首先與溶液中溶解的CO2反應生成HCO，溶液pH增大，同時溶液中堿度也略微增大，當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；繼續加入OH-，HCO則轉化成CaCO3沉淀，pH增大，堿度則隨著HCO和CO離子的消耗急劇減小．

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偏高將導致溶液LSI偏大，有結垢趨勢．

表3 Ca(OH)2投加量對水質的影響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 攪拌速率對水質的影響

控制溫度20℃，混配比例1∶2，Ca(OH)2投加量為5mg/L，調節混配過程中的攪拌速率，混配水質變化情況見表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，調節溫度變化范圍為3～33℃，研究溫度變化對混配過程的影響，混配水質變化情況見表5．

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

溫度改變對混配水質的堿度、硬度、TDS、Cl-質量濃度、SO質量濃度影響不大．溫度增大，LSI雖然呈增大趨勢，但是溫度增大，導致水中溶解氧衰減加快，導致混配水的腐蝕性變大[8]．地表源水來自灤河水，其水質隨季節變化較大．11月份至次年7月份水質比較穩定，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，灤河水堿度會接近80mg/L，pH在7.5左右，LSI也接近甚至小于－0.5，腐蝕性遠大于其他季節(數據來自中法水務有限公司提供的2009—2011年的水廠以及管網的實測數據)．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，適當增加Ca(OH)2的投加量，以增大pH和LSI，防止管網出現黃水和紅水現象．

2.5 正交實驗

根據前期探索，在控制溫度20℃的條件下，選取混配比、pH和攪拌速率作為3個相對重要的因素進行正交實驗，因素水平表見表6，實驗方案及實驗結果見表7．

表6 因素水平表Tab. 6 Factors and levels

表7 實驗方案及實驗結果Tab. 7 Experimental scheme and experimental results

由表7可知：對于堿度，因素主次順序為混配比＞pH＞攪拌速率，優方案為A3B2C3，即混配比1∶2.5、pH 8.5、攪拌速率200r/min；對于LSI，因素主次順序為pH＞混配比＞攪拌速率，優方案為A1B1C1，即混配比1∶1.5、pH 8、攪拌速率80r/min；對于IL，因素主次順序為混配比＞pH＞攪拌速率，優方案為A3B2C3，即混配比1∶2.5、pH,8.5、攪拌速率200r/min．不同指標所對應的優方案是不同的，但是通過綜合平衡法可以得到綜合的優方案．

因素A：雖然對于第一個和第三個指標都是取A3好，但是考慮實際應用，混配比越大越好，由表7和混配比的單因素實驗可以看出混配比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作為優方案．

因素B：對于第一個和第三個指標都是選擇B2好，但是通過分析三個指標的極差可以發現，pH對LSI的影響最大，而對堿度和IL影響并不大，若是選擇B2，則會導致LSI＞0.5，不滿足中法水務有限公司提供的技術性能指標．因此選擇pH為8作為優方案.

因素C：通過三個指標的極差值可以發現，攪拌速率為非主要影響因素，考慮第一和第三指標都是C3為優方案，因此選擇C3作為優方案．實際情況時對于第二指標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驗可知，攪拌速率的影響均不大，在這種情況下可能大部分實驗者或者實際工程操作會更傾向于選取攪拌速率小的結果，以降低能耗．

通過綜合平衡法同時考慮實際情況最終確定優方案為A2B1C1，即混配比1∶2、pH為8、攪拌速率80r/min作為最終的優方案．在該條件下進行驗證實驗，混配水堿度為84.71mg/L，LSI為0.33，IL為1.07，實驗結果滿足中法水務有限公司提供的技術性能指標．

3 結 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定性，經過研究發現，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調節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，選擇一個較小的攪拌速率，混配水的堿度能夠達到84.71mg/L，LSI為0.33，IL為1.07左右，達到中法水務有限公司提供的LSI在－0.5～0.5，腐蝕性拉森系數IL＜1.2，總堿度TAC≥80mg/L，pH由6.8提高到7.4以上的水質要求，經過后續處理即可進入市政管網進行輸送．

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相比明顯偏小，因此混配過程中應當適當增大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. 海水淡化水進入市政管網需考慮和解決的問題[J]. 中國給水排水，2009，25(8)：84–87.

［2］ 潘海祥. 海水淡化水廠供水的黃水現象及應對措施[J]. 中國給水排水，2008，24(12)：90–92.

［3］ 徐蘭京. 給排水管材現狀及管道內壁水質分析[J]. 給水排水，1999，25(10)：66–68.

［4］ 牛璋彬，王洋，張曉健，等. 給水管網中鐵釋放現象的影響因素研究[J]. 環境科學，2007，28(10)：2270–2274.

［5］ Pisigan R A，Singley J E. Calculating of the pH of calcium carbonate saturation[J]. J. Am. Water Works Assoc.，1985，77(10)：83–91.

［6］ 劉茹，賈萃英，王刃，等. 海水淡化后處理：除硼技術的進展[J]. 中國給水排水，2006，22(14)：71.

［7］ 王洋，張曉健，陳超，等. 水源切換引起給水管網黃水問題原因分析[J]. 環境科學，2009，30(12)：3555–3561.

［8］ Butler G，Ison H C K. Corrosion and its Prevention in Waters[M]. New York：Reinhold Publishing Corporation，1966.

責任編輯：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

國家自然科學基金資助項目(21376178)；天津市科技支撐計劃資助項目(12ZCDZSF06900-3)

劉建衛（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)