高含鹽廢水蒸發(fā)結(jié)垢趨勢(shì)模擬估算

熊 鷹

（重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 永川 402160）

高含鹽廢水指的是總?cè)芙庑怨腆w在600 ～6000mg/L，甚至更高濃度的廢水；或者至少總?cè)芙夤腆w和有機(jī)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于3.5%的廢水[1-3]。一般含有大量的無(wú)機(jī)鹽離子如Na+、Ca2+、Mg2+、、Cl-等以及SiO2。

高含鹽廢水若未經(jīng)處理就直接排放，會(huì)對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生很大危害。但基于高含鹽廢水的特性，簡(jiǎn)單的生化處理難以達(dá)到理想的效果，一般采用熱法處理技術(shù)如蒸發(fā)結(jié)晶、焚燒等工藝等，其中蒸發(fā)結(jié)晶工藝是實(shí)現(xiàn)廢水資源回收的主要途徑[4-5]，甚至還可以利用廢水中的某些有用成分[6]。我國(guó)水資源短缺，水污染嚴(yán)重，而蒸發(fā)脫鹽的工藝效率高、適用性廣、占地面積小、處理速度快、能直接利用廢水本身的高溫余熱等優(yōu)點(diǎn)。它還具有資源化程度高，是處理高含鹽、難降解廢水等的重要手段。但高含鹽廢水的蒸發(fā)回收也存在比較突出的問(wèn)題，一是廢水中常含有Ca2+、Mg2+等離子以及硅酸鹽，由于蒸發(fā)濃縮倍數(shù)高、易結(jié)垢，輕則影響設(shè)備換熱，重則造成管道腐蝕和堵塞；設(shè)備運(yùn)行時(shí)不僅需要阻垢藥劑，還需要經(jīng)常停機(jī)維護(hù)，降低了蒸發(fā)設(shè)備運(yùn)行效率。二是獲得的冷凝水有時(shí)不滿足特定條件的要求，需要進(jìn)一步提升冷凝水的水質(zhì)[8]，導(dǎo)致廢水的處理費(fèi)用偏高。

近年來(lái)機(jī)械式再壓縮蒸發(fā)技術(shù)（MVR） 和多效蒸發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了廢水蒸發(fā)能耗的大幅降低[9-12]。但蒸發(fā)過(guò)程中尤其是廢水高倍濃縮時(shí)各種鹽類極易在蒸發(fā)器表面結(jié)垢，嚴(yán)重影響傳熱，本文是擬采用Visual Minteq 軟件模擬含鹽廢水蒸發(fā)過(guò)程中的結(jié)垢情況，分析不同離子濃度下析出物的飽和指數(shù)SI 值。

1 飽和指數(shù)定義

依據(jù)熱力學(xué)原理，反應(yīng)中各物質(zhì)的沉淀與溶解由各種物質(zhì)在水溶液中飽和指數(shù)SI 決定，其表達(dá)式見(jiàn)式（1）。

式中IAP表示溶液的離子活度積，KS表示物質(zhì)的溶度積常數(shù)[13]。

當(dāng)SI 大于0 時(shí)，表明溶液中該物質(zhì)過(guò)飽和，趨向于成垢，當(dāng)SI 等于0 時(shí)，表明該物質(zhì)趨于平衡狀態(tài)；當(dāng)SI 小于0 時(shí)，表明該物質(zhì)處于不飽和狀態(tài)，趨于溶解。

2 飽和指數(shù)計(jì)算分析

本文采用采用Visual Minteq 軟件模擬計(jì)算蒸發(fā)器中結(jié)垢情況。Visual Minteq 軟件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在模擬環(huán)境水平衡溶液中或水體中的離子和礦物平衡情況的軟件，該模型擁有強(qiáng)大的平衡常數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，涉及液相絡(luò)合、溶解/沉淀、氧化/還原、氣-液相平衡、吸附等多種平衡反應(yīng)，用于模擬人工配制的溶液和天然水體中的金屬化學(xué)形態(tài)，預(yù)測(cè)沉淀的形成。

高含鹽廢水中Mg2、Ca2+、、和SiO2等離子或分子相互結(jié)合形成鹽，其反應(yīng)方程見(jiàn)式

蒸發(fā)器中濃縮廢水的初始值見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)沉淀溶解平衡計(jì)算，廢水蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生沉淀析出的組分及其SI 值見(jiàn)表2。

從表2 看出，產(chǎn)生沉淀析出的主要組分是碳酸鈣鹽、鈣鎂復(fù)鹽及硅酸鹽，其中鈣鎂復(fù)鹽和硅酸鹽的飽和指數(shù)SI 高于碳酸鈣鹽，因此更趨向于沉淀。水樣2 的各析出物的SI 值高于水樣1，分析其原因主要是水樣2 的Ca2+濃度高于水樣1，且水樣2 的pH 值略高于水樣1，對(duì)各離子形成水垢也有一定影響。

表1 蒸發(fā)器中濃縮廢水的初始濃度

表2 產(chǎn)生沉淀析出的主要組分及其SI 值

3 結(jié)語(yǔ)

高含鹽廢水蒸發(fā)濃縮的污垢主要成分是碳酸鈣鹽、鈣鎂復(fù)鹽及硅酸鹽，濃縮液的離子濃度越大、pH 值越高，越容易結(jié)垢。但高含鹽廢水蒸發(fā)過(guò)程中影響其污垢沉淀的因素有很多，如溶液的各離子濃度、pH 值、在蒸發(fā)過(guò)程中的各操作參數(shù)以及不同的沸騰狀態(tài)等都會(huì)影響污垢的形成。用Visual Minteq 模擬的各析出物飽和指數(shù)SI在一定程度上能幫助預(yù)測(cè)水垢的主要組分，但仍然需要同其他分析方法如污垢的X 射線分析、掃描電子顯微鏡等分析方法相結(jié)合方能更加準(zhǔn)確的對(duì)污垢進(jìn)行分析。