高含鹽廢水蒸發結垢趨勢模擬估算

熊 鷹

（重慶水利電力職業技術學院，重慶 永川 402160）

高含鹽廢水指的是總溶解性固體在600 ～6000mg/L，甚至更高濃度的廢水；或者至少總溶解固體和有機物的質量分數大于等于3.5%的廢水[1-3]。一般含有大量的無機鹽離子如Na+、Ca2+、Mg2+、、Cl-等以及SiO2。

高含鹽廢水若未經處理就直接排放，會對水環境產生很大危害。但基于高含鹽廢水的特性，簡單的生化處理難以達到理想的效果，一般采用熱法處理技術如蒸發結晶、焚燒等工藝等，其中蒸發結晶工藝是實現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]。我國水資源短缺，水污染嚴重，而蒸發脫鹽的工藝效率高、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點。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回收也存在比較突出的問題，一是廢水中常含有Ca2+、Mg2+等離子以及硅酸鹽，由于蒸發濃縮倍數高、易結垢，輕則影響設備換熱，重則造成管道腐蝕和堵塞；設備運行時不僅需要阻垢藥劑，還需要經常停機維護，降低了蒸發設備運行效率。二是獲得的冷凝水有時不滿足特定條件的要求，需要進一步提升冷凝水的水質[8]，導致廢水的處理費用偏高。

近年來機械式再壓縮蒸發技術（MVR） 和多效蒸發技術的進步，實現了廢水蒸發能耗的大幅降低[9-12]。但蒸發過程中尤其是廢水高倍濃縮時各種鹽類極易在蒸發器表面結垢，嚴重影響傳熱，本文是擬采用Visual Minteq 軟件模擬含鹽廢水蒸發過程中的結垢情況，分析不同離子濃度下析出物的飽和指數SI 值。

1 飽和指數定義

依據熱力學原理，反應中各物質的沉淀與溶解由各種物質在水溶液中飽和指數SI 決定，其表達式見式（1）。

式中IAP表示溶液的離子活度積，KS表示物質的溶度積常數[13]。

當SI 大于0 時，表明溶液中該物質過飽和，趨向于成垢，當SI 等于0 時，表明該物質趨于平衡狀態；當SI 小于0 時，表明該物質處于不飽和狀態，趨于溶解。

2 飽和指數計算分析

本文采用采用Visual Minteq 軟件模擬計算蒸發器中結垢情況。Visual Minteq 軟件已經被廣泛應用在模擬環境水平衡溶液中或水體中的離子和礦物平衡情況的軟件，該模型擁有強大的平衡常數數據庫，涉及液相絡合、溶解/沉淀、氧化/還原、氣-液相平衡、吸附等多種平衡反應，用于模擬人工配制的溶液和天然水體中的金屬化學形態，預測沉淀的形成。

高含鹽廢水中Mg2、Ca2+、、和SiO2等離子或分子相互結合形成鹽，其反應方程見式

蒸發器中濃縮廢水的初始值見表1。經過沉淀溶解平衡計算，廢水蒸發過程中產生沉淀析出的組分及其SI 值見表2。

從表2 看出，產生沉淀析出的主要組分是碳酸鈣鹽、鈣鎂復鹽及硅酸鹽，其中鈣鎂復鹽和硅酸鹽的飽和指數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，對各離子形成水垢也有一定影響。

表1 蒸發器中濃縮廢水的初始濃度

表2 產生沉淀析出的主要組分及其SI 值

3 結語

高含鹽廢水蒸發濃縮的污垢主要成分是碳酸鈣鹽、鈣鎂復鹽及硅酸鹽，濃縮液的離子濃度越大、pH 值越高，越容易結垢。但高含鹽廢水蒸發過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、在蒸發過程中的各操作參數以及不同的沸騰狀態等都會影響污垢的形成。用Visual Minteq 模擬的各析出物飽和指數SI在一定程度上能幫助預測水垢的主要組分，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合方能更加準確的對污垢進行分析。