雙堿法去除電廠循環水硬度的研究

摘 要：在電廠循環水回用處理系統中，氫氧化鈉-碳酸鈉雙級軟化法（簡稱“雙堿法”）是一種高效的水處理工藝，對循環水硬度具有良好的處理效果。為了保證電廠經濟、有效地運行，在保證滿足工藝需求的前提下，盡量減少加藥量、降低運行成本。通過小試試驗對雙堿法的實施效果進行靜態驗證，并通過不同組次的試驗結果獲取氫氧化鈉和碳酸鈉在試驗條件下的最佳加藥量。結果表明，去除循環水硬度的最佳加藥量為氫氧化鈉+碳酸鈉+PAC=0.3mL/L+2.21mL/L+0.83mL/L。在此條件下，雙堿法對循環水中的鈣、鎂離子濃度去除率分別為83.3%和19.6%，對硬度的去除效果較好，既滿足工藝需求，又節約投資成本和運行成本。由此可見，最佳加藥量對氫氧化鈉-碳酸鈉雙級軟化法至關重要，既影響工藝運行效果，又與電廠運行成本相關。

關鍵詞：雙堿法；循環水回用；水質軟化；硬度；加藥量

中圖分類號：TQ 085 " " " " " " 文獻標志碼：A

水是一種寶貴的自然資源。水資源的日益匱乏已逐漸制約區域開發和經濟發展。隨著人民生活水平不斷提高，保護環境、節約水資源已成當務之急[1]。目前，我國火力發電廠，循環水冷卻系統的運行方式分為開放式和半開放式[2]。開放式系統沒有冷卻設備，只有冷卻水泵，適用于靠近江、河以及水庫等水源充足的電廠，在整個過程中，對水質處理工作較少。一般發電廠受地理條件限制，多使用半開式循環，冷卻水經凝汽器換熱后，通過自然通風冷卻塔淋至水池降溫后循環使用，一部分水在冷卻過程中會蒸發損失，水中的硬度含量超過一定范圍后會產生結垢的情況，造成安全隱患。在此過程中，需要采用物理和化學方法進行處理，保證水質在合格范圍。同時，在火電生產系統中，循環水補充水占較大比例，因此優化選擇循環水回用處理工藝，提高循環水的再利用，對提升火電廠整體收益水平、競爭能力具有十分重要的意義[3]。

本文通過小試試驗對雙堿法的實施效果進行靜態驗證，并通過不同組次的試驗結果獲取氫氧化鈉和碳酸鈉在試驗條件下的最佳加藥量。為同類型電廠循環水質回用處理工藝選擇提供一定的運行依據，也優化了循環水回用處理工藝中的除硬度工藝段，具有很好的實踐意義。

1 研究方法

1.1 雙堿法除硬度原理

雙堿法除硬度采用氫氧化鈉-碳酸鈉聯合軟化處理工藝，氫氧化鈉調節廢水pH值為堿性，使廢水中的結垢性離子Mg2+和硅等污染物形成沉淀物而去除，再投加碳酸鈉去除廢水中Ca2+，降低原水中的堿度和永久硬度[4]，經沉淀固液分離后進入后續深度處理系統。

1.2 雙堿法除硬度的優點

1.2.1 除硬度效果好

雙堿法可以有效地去除水中鈣鎂等硬度物質，尤其是對臨時硬度的處理效果最佳。該方法可以有效地控制水的pH值和硬度，有效防止循環水管道和設備的腐蝕[5]，延長設備的使用壽命。

1.2.2 投資和運行成本低

與其他水處理除硬度方法相比，雙堿法的運行成本相對較低。該方法所需要的化學藥品和設備數量較少，配套的構筑物占地面積小，能夠節省大量投資和運行成本[6]。

1.2.3 工藝操作簡單

雙堿法的操作非常簡單且可以自動化運行，達到無人值守的效果。運行時，只需要添加適量的化學藥品對產生的沉淀物進行處理即可，不需要復雜的設備和技術[7]，因此適合各種規模的電廠及水處理廠使用。

1.2.4 無二次污染

雙堿法去除水中硬度的過程中不會產生二次污染[8]。它所產生的沉淀物可以通過板框壓濾機、疊螺脫水機等適當的處理方法進行回收和再利用，不會對環境造成負面影響。尤其是使用氫氧化鈉這種藥品，與石灰相比，不但顯著提高了硬度物質的去除率，而且大大地減少了沉淀物的產生量[9]，同時也避免了因循環水二次引入鈣硬度而增加除硬度的負擔。

1.2.5 應用領域廣泛

雙堿法是一種有效的水處理技術，在去除水中硬度物質方面具有較好的效果。可以廣泛應用于工業、家庭、飲用水和游泳池等領域。

1.3 小試試驗目的

小試試驗有以下3個目的：1）尋求最佳運行pH值及加藥量，實現符合運行要求的出水指標。2）對比氫氧化鈉投加前后鈣鎂去除效果。3）對比PAC投加前后鈣鎂、懸浮物去除效果。

1.4 試驗依據及國家標準

試驗依據及國家標準如下：1）某發電廠現場取樣循環排水的水質檢測數據。2）試驗方法采用加藥滴定法。3）試驗檢測依據的國家標準見表1。

1.5 藥劑投加基準量理論計算

1.5.1 取樣電廠循環水

對循環水的水質進行檢測，檢測結果見表2。本小試試驗以去除循環水中鈣鎂硬度為目的，進行多組次的對比優化試驗。

1.5.2 8%Na2CO3溶液（質量分數）理論加藥量

8%Na2CO3溶液（質量分數）理論加藥量如公式（1）所示。

Ca2+ " " "+ " CO32-→ CaCO3 ↓

1 " " " " "1 " " " " " " " （1）

5.2mmol " " 5.2mmol

Na2CO3用量：5.2mmol/L×106g/mmol=551.2mg/L，551.2mg÷

108mg/mL（8%）=5.1mL，即每升水樣加Na2CO3 5.1mL為試驗基準JC。

1.5.3 30%NaOH溶液（質量分數）理論加藥量

試驗初期，取少量水樣滴加配制30%NaOH溶液，控制pH不高于9.7，標定此時的NaOH加藥量（L/L）為試驗基準JOH；當pH 為9.7時，Ca2+、Mg2+的含量見表3。

與表2循環水水質檢測結果對比，在JOH條件下，表3中Ca2+、Mg2+的含量需基本維持不變，此時30%NaOH的加藥量JOH=0.6mL/L。

1.5.4 5 %PAC（質量分數）理論加藥量

根據設計規范和運行經驗，按5mg/ L作為基準JAL。

1.6 小試流程及過程控制措施

1.6.1 碳酸鈉投加量試驗

在JC=5.1mL的基礎上，按不同投加量（1/2JC=2.55mL、JC=5.1mL、1.3 JC=6.63mL）對比鈣鎂硬度去除效果：組次編碼為03、04、05，獲取碳酸鈉推薦加藥量Y1。

1.6.2 碳酸鈉+PAC投加量試驗

在Y1基礎上，按1/2JAL=2.5mL/L、JAL=5mL/L以及1.5 JAL=

7.5mL/L投加，組次編碼為06、07、08，組次靜沉時間按高效澄清池設計停留時間1.6h：1）記錄出現明顯固液分離界面的時間。2）靜沉1.6h后，各組次對比沉淀澄清情況。3）取分析靜沉后上清液化驗，Al的含量不超過0.1mg/L～0.5mg/L，獲取PAC推薦加藥量Y2。

1.6.3 氫氧化鈉+碳酸鈉試驗投加量試驗

氫氧化鈉基準加藥量JOH=Y3=0.6mL/L，按Y3+Y1、Y3+1/2Y1、

Y3+1/3Y1對比鈣鎂硬度去除效果，組次編碼為09、10、11。

靜沉1.6h，觀察沉淀情況、取上清液化驗，對比分析并優化得出碳酸鈉的最佳加藥量Y4。

1.6.4 氫氧化鈉+碳酸鈉+PAC試驗

按Y3+Y4+Y2、Y3+Y4+1/2Y2、Y3+Y4+1/3Y2，投加PAC，組次編碼為012、013、014，對比鈣、鎂離子和SS的去除情況。

靜沉1.6h，觀察沉淀情況、取上清液化驗，對比分析并優化得出PAC的最佳加藥量Y5。

2 結果與討論

2.1 碳酸鈉投加量試驗結果與分析

因為碳酸鈉對水中Ca2+的去除順序優先于對Mg2+的去除順序，因此根據循環水中的Ca2+濃度，分別投加1/2JC=2.55mL、JC=5.1mL、1.3JC=6.63mL的8%碳酸鈉溶液，生成碳酸鈣沉淀，分析對水中Ca2+的去除效果，見表4。

由表4可知，投加碳酸鈉后循環水中的Mg2+含量基本不變，只對Ca2+有去除效果。當投加量達到1.3JC時，對Ca2+的去處效果最好，去除率達到了60.8%，即每升循環水中投加6.63mL的8%濃度碳酸鈉溶液為碳酸鈉的推薦加藥量Y1。

2.2 碳酸鈉+PAC投加量結果與分析

以每升循環水中投加6.63mL的8%濃度碳酸鈉溶液Y1為基礎，分別投加1/2JAL=2.5mL/L、JAL=5mL/L、1.5JAL=7.5mL/L的5%濃度的PAC溶液投加，通過檢測對原水中鈣、鎂離子含量的去除率（見表5），篩選出PAC的推薦加藥量Y2。

由表5可知，經過3種PAC加藥量處理后，上清液中的Al3+含量都保持在0.1mg/L～0.5mg/L，屬于可接受范圍之內。PAC有較強的架橋吸附性能，在水解過程中，伴隨發生凝聚、吸附和沉淀等物理化學過程，在碳酸鈉除循環水硬度的過程中加速碳酸鈣、碳酸鎂的沉淀，對循環水硬度的去除能起到積極、有效的作用。當PAC的投加量為2.5mL時，碳酸鈉藥劑對循環水中鈣、鎂離子含量的去除率分別為65.1%和72.3%，去除硬度效果最好。因此當碳酸鈉投加量為6.63mL/L時，5%濃度PAC的推薦加藥量Y2為2.5mL/L水。

2.3 碳酸鈉+碳酸鈉投加量結果與分析

通過投加NaOH調整水樣的pH，同時可以去除水中的一部分鎂離子。在本次試驗中，控制水樣的pH=9.7，通過試驗得出每升水需要投加30%的NaOH溶液0.6mL。以此NaOH加藥量為基礎，對NaCO3加藥量進行優化，以最大程度節約運行成本。

氫氧化鈉基準加藥量JOH=Y3=0.6mL/L，碳酸鈉加藥量 Y1=6.63mL/L，氫氧化鈉+碳酸鈉試驗按Y3+Y1、Y3+1/2Y1、 Y3+1/3Y1對比鈣鎂硬度去除效果，見表6。

由表6可知，在氫氧化鈉的投加量為0.6mL/L的條件下，當碳酸鈉的投加量為6.63mL/L時，對原水中鈣、鎂離子的去除率最高，分別為83.3%和9.3%；當碳酸鈉的投加量為2.21mL/L時，對原水中鈣、鎂離子的去除率分別為75.4%和5.9%，與碳酸鈉投加量為6.63mL/L時差別不大。因此綜合考慮對硬度的去除效果和加藥費用，推薦碳酸鈉的加藥量為Y4=2.21mL/L水。

2.4 氫氧化鈉+碳酸鈉+PAC投加量結果與分析

在碳酸鈉+碳酸鈉投加量結果與分析中得出，氫氧化鈉+碳酸鈉的推薦加藥量為Y3+Y4=0.6mL/L+2.21mL/L，在此基礎上進一步對PAC的投加量Y2=2.5mL/L進行優化。

按Y3+Y4+Y2、Y3+Y4+1/2Y2、Y3+Y4+1/3Y2投加，對比鈣鎂和SS去除情況，見表7。

由表7可知，3組試驗中不同PAC加藥量對鈣、鎂離子的去除率差別不大。當加藥量為1/3Y2時，雖然比其他加藥量對循環水中鈣離子的去除率輕微降低，但是對鎂離子的去除率提高且循環水的濁度最小，因此綜合考慮循環水除硬度及濁度處理效果和運行費用，最終選取PAC的投加量Y5為1/3Y2，即0.83mL/L。

根據以上試驗得出，去除硬度的最佳加藥量為氫氧化鈉+碳酸鈉+PAC=0.3mL/L+2.21mL/L+ 0.83mL/L。此時對原水中的鈣、鎂離子濃度去除率分別為83.3%和19.6%，對硬度和懸浮物的去除效果較好。在去除電廠循環水硬度過程中，雙堿法藥劑工程投加量在運行階段可根據實際情況進一步調整優化。

2.5 試驗總結分析

雙堿法處理循環水的基本原理是利用一定濃度的氫氧化鈉（NaOH）和碳酸鈉（Na2CO3）對循環水進行中和和沉淀處理，結合以上試驗結果數據對雙堿法處理循環水進行分析總結。雙堿法處理循環水能夠有效地去除廢水中的重金屬離子、顏料和化學添加劑等不溶性物質，達到水質凈化的目的；雙堿法處理循環水操作簡單，對工藝參數的變化適應性強、穩定性高，能夠在不同流量和水質變化的情況下保持處理效果的穩定性。此外，雙堿法處理循環水需要經過多個單元的處理，工藝流程相對復雜；雙堿法處理循環水需要較高濃度的NaOH和Na2CO3，需要一定運行成本。綜上所述，在實際應用中，需要根據具體情況選擇不同的處理方式，以實現循環水的凈化和回收利用。

2.6 噸水處理藥耗費用分析

市場藥品單價如下：30%氫氧化鈉溶液約1350元/t；98.0%碳酸鈉固體約2500元/t；工業用PAC固體約2000元/t。

加藥量核算：噸水投加30%氫氧化鈉溶液0.3L，投加8%碳酸鈉溶液2.21L，投加5%PAC溶液0.83L。

噸水處理費用：0.12元+0.48元+0.08元=0.68元。

最佳加藥量對氫氧化鈉-碳酸鈉雙級軟化法至關重要，既影響工藝運行效果，又與電廠運行成本相關。電廠循環水回用是節能環保的需要，更是提高電廠生產經濟效益、生態效益、社會效益的需要。希望本文的試驗過程及結果可以為同類型電廠循環水回用處理工藝提供一定的運行依據。

3 結語

試驗研究結果表明，當電廠循環水中Ca2+、Mg2+的含量分別為214mg/L、90.8mg/L時，去除循環水硬度的最佳加藥量為氫氧化鈉+碳酸鈉+PAC=0.3mL/L+2.21mL/L+0.83mL/L。在此條件下，停留時間保持1.6h，雙堿法對循環水中的鈣、鎂離子濃度去除率分別為83.3%和19.6%，對硬度的去除效果較好，同時對濁度也有一定的去除效果。經過初步估算，雙堿法除電廠循環水硬度的藥耗成本約為0.68元/t，最佳加藥量既滿足了工藝需求又節約了投資成本與運行成本。希望本文的試驗過程及結果可以為同類型電廠循環水回用處理工藝尤其是雙堿法除硬度工藝提供一定的設計、運行參考。

參考文獻

[1]趙魏巍.電廠循環冷卻水系統節水及零排放技術研究[J].中國資源綜合利用，2020，38（7）：182-184.

[2]孫立飛.電廠循環水處理技術的發展趨勢[J].化工管理，2019（2）：197-198.

[3]王濤，武翠翠，景斌，等.化學結晶造粒流化床技術在電廠循環水處理中應用前瞻[J].清洗世界， 2022，38（4）：10-12.

[4]楊曉麗，姜惠靈，紀軍.污水除硬度和濁度試驗研究[J].石化技術，2021，28（5）：106-107.

[5]趙昊志.循環水殘余硬度對供熱管網的影響及對策[J].特種設備安全技術，2021（4）：16-19.

[6]萬文.高硬度及堿度中水回用于循環水系統零排放設計[J].清洗世界，2019，35（10）：11-12.

[7]王二忠.城市中水回用作火力發電廠生產用水試驗研究[D].石家莊：河北科技大學，2016.

[8]李艷芳.淺析高密池對循環水中硬度去除過程分析[J].當代化工研究，2022（23）：117-119.

[9]樂俊超.某垃圾焚燒廠循環冷卻水的硬度控制效果[J].凈水技術，2021，40（增刊1）：99-103.

通信作者：周洋（1987-），男，漢族，安徽金寨人，碩士，高級工程師，主要研究方向為電廠化學、水處理和水汽異常分析、化學技術監督等。

電子郵箱：709440383@qq.com。