基于堿度與pH值分析二級反滲透產水及混床周期制水量的影響因素

李艷 孫江虎

摘 要：針對二級反滲透進水水質和不同堿度、pH值下各種碳酸化合物平衡關系，結合實例研究了二級反滲透進水加堿處理的技術應用。結果表明，加堿量與二級反滲透產水水質存在一定的線性關系，當進水總堿度控制在45～50mg/L、pH值在8.3～8.4之間時，后續混床的周期制水量能達到設計值的2萬t。

關鍵詞：總堿度;pH值;電導率

中圖分類號：TM621.8 文獻標識碼：A

某大型煉化一體化項目脫鹽水站設計產水量為2200m3/h，原設計采用新鮮水制取脫鹽水。為了節約用水，提高水資源利用率，后經改造以回用水作為補水制取脫鹽水，回用水為煉化一體化污水經A/O生化、浸沒式超濾、反滲透處理后的產水，經回用水泵輸送至脫鹽水站原水箱，形成了“浸沒式超濾+一級反滲透+干式超濾+二級反滲透+混床”的二級脫鹽水制水工藝。采用新鮮水作為補充水時，混床周期制水量能達到設計值2萬t的產水量。當采用回用水時，混床周期制水量不到1.5萬t，且大都為二氧化硅>20μg/L失效，“二級反滲透”系統工藝原則流程如圖1所示。

1 原因分析

1.1 水質分析

綜合污水處理廠反滲透處理單元設計產水量980m3/h，由于污水廠受上游來水水質變化的影響，一級反滲透進水電導率在2000～5000μS/cm范圍之間，pH值在6.5～8.7之間波動，從而產水電導率也波動較大。

如表1所示，回用水中含有溶解性的CO2和HCO3-離子。反滲透能夠除去水中大部分無機鹽分子，并能截留分子量較大的有機物，但是并不能脫除水中的溶解性氣體。反滲透產水中的CO2含量與進水中CO2的含量基本相同，由于脫鹽水站未設置除碳器，若二級反滲透進水中仍含有游離的CO2，則進入混床的水中也會含有游離的CO2，由于其對電導率作用很小，二級反滲透產水電導率不能如實反映水中需要全部交換的各種陰陽離子總量。在混床交換過程中，游離的CO2與陰離子樹脂接觸轉換成HCO3-或CO32-，從而消耗陰樹脂的工作交換容量，使其對選擇性較差的SiO2-離子交換容量降低，這也是在混床進水符合標準電導率≤10μS/cm、二氧化硅≤100μg/L情況下，混床周期制水量下降的主要原因。

1.2 水中各種堿度的相互關系

水的總堿度是指碳酸鹽、重碳酸鹽及氫氧化物成分濃度的總和，其測定值因使用的指示劑終點pH值不同而有很大差異。其中，以酸滴定至pH為4.4～4.5時消耗的量，為甲基橙堿度，即總堿度=全部HCO3-+全部CO32-+全部OH-[1]。

如果水中單獨存在OH-堿度，水的pH>11.0;水中同時存在OH-、CO32-時，pH=9.4～11.0;如果水中只有CO32-存在時，pH=9.4;當HCO3-和CO32-共同存在時，pH=8.3～9.4;單一的HCO3-存在時，pH=8.3;但pH<8.3時，水中堿度也只有HCO3-存在，此時的pH變化只與HCO3-和游離的CO2含量有關[2]。

1.3 水中碳酸化合物的動態平衡

在密閉的體系內，CO2、HCO3-、CO32-和OH-之間存在著動態平衡，如（1）～（4）式所示。反滲透進水在不同的pH條件下，CO2、HCO3-、CO32-和OH-的相對含量隨pH值的變化而變化。如圖2所示，隨著pH值的變化，各種碳酸化合物的含量也相應地發生了變化，當pH≤4.3時，水中只存在溶解性的CO2分子;隨著pH值調整升高至4.3，由式（1）和式（2）可知游離的CO2分子水解向右移動，從而HCO3-離子含量升高，當pH升高至8.3時，水中只含有HCO3-離子;當pH>8.3時，由式（3）可知HCO3-離子含量逐漸減少，CO32-離子含量開始逐漸增加[3]。

2 總堿度與pH調整試驗

在改造后的工藝流程制水中，一級反滲透已經除去回用水中的大部分無機鹽類，此時水中游離的CO2分子可以通過二級反滲透加堿進行去除而不會引起嚴重的碳酸鈣沉淀。如果二級反滲透進水不加堿或加堿量不足時，游離的CO2分子仍能從膜的一側透過另一側，二級反滲透產水中仍然會存在游離的CO2分子。在二級反滲透進水不加堿或加堿過量時，都能導致混床出水二氧化硅>20μg/L過早失效和周期制水量的下降，二級反滲透進水不加堿時產水水質如表2所示。

若二級反滲透進水不加堿，pH值不做調整，混床周期制水量下降;若加堿不足或加堿過量，同樣也影響混床進水電導率，仍然存在電導率“偏大”的問題，從而導致混床周期制水量下降。因此，筆者進行了一系列調整進水堿度和pH值的試驗，在不同的進水條件下，對產水電導率進行比較。

如圖3、圖4所示，當二級反滲透進水總堿度在45～50mg/L、pH值在8.3～8.4范圍時，產水中游離的CO2含量達到最小，產水電導率也達到最佳值。從碳酸化合物各形態與pH值關系曲線來看，當pH值為8.3時，水中游離的CO2已基本轉化成為HCO3-和CO32-，即總堿度=全部HCO3-+全部CO32-，也就是說當pH≥8.3時，水中堿度只有HCO3-和CO32-，此時pH值變化只與HCO3-和CO32-含量有關，在經過二級反滲透時也能去除。

經過一年多的實際運行，把二級反滲透進水總堿度調整在45～50mg/L、pH值在8.3～8.4范圍后，后續混床的周期制水量達到設計值的3萬t，而且大大減少了混床的再生次數，減少了酸堿消耗和廢水排放。

3 結語

二級反滲透進水總堿度和pH值調整到合理的范圍之后，混床進水水質得到明顯改善，周期制水量相應增加，做到了環保、節能高效運行。同時，除鹽水中CO2含量減少，pH值趨于穩定，確保了脫鹽水水質安全，也有效預防了系統的酸性腐蝕。但反滲透加堿后，也可能會造成二級反滲透膜碳酸鹽結垢。因此，需要根據進水水質及時調整加堿量，并進行化學清洗，從而保證系統長周期運行。

參考文獻

[1] 王新程等.水和廢水監測分析方法（第四版）[M].北京：中國環境出版社，2013：120.

[2] 金熙等.工業水處理技術問答（第四版）[M].北京：化學工業出版社，2010：25.

[3] 頓小寶，張林濤，宋濤.兩級反滲透加酸堿調節pH及加堿方式分析[J].給水排水，2018，增刊（44）：152-154.