海水淡化水与地表源水混配工艺研究

刘建卫，唐 娜，何国华，张 蕾，程鹏高，王学魁

(天津市海洋资源与化学重点实验室，天津科技大学海洋科学与工程学院，天津 300457)

海水淡化水与地表源水混配工艺研究

刘建卫，唐 娜，何国华，张 蕾，程鹏高，王学魁

(天津市海洋资源与化学重点实验室，天津科技大学海洋科学与工程学院，天津 300457)

为了提高海水淡化水稳定性，将海水淡化水与地表源水进行混配处理，同时投加氢氧化钙调节pH，研究考察在不同温度和搅拌条件下的混配效果，通过对实验结果进行分析，确定天津市海水淡化水与地表源水(滦河水)的最佳混配体积比为1∶2、投加Ca(OH)2调节pH在8.0左右，水质达到水厂要求，经后续处理即可进入天津市市政管网进行安全输送．

海水淡化；市政源水；管网腐蚀；混配

天津市是我国缺水严重的城市之一，为了缓解淡水资源短缺，天津市已经建成同时拟建多个大型海水淡化企业，所生产的淡化水多用于工业用水．随着缺水形势的日益严峻，海水淡化水的用途从工业扩大到小规模的市政供水[1]．然而，天津市输水管网多为铸铁旧管网，直接输送淡化水必将引起管网腐蚀，形成“黄水”现象[2–3]．将旧管网换成PE管网能够减小管网腐蚀，但是耗资巨大．海水淡化水由于在淡化过程中矿物质离子过度去除，水质稳定性较差，对管网具有腐蚀性．国外许多国家的海水淡化水在进入市政管网之前都会经过水质稳定后处理工艺，主要通过调节pH和提高碱度、硬度[4–5]等，以此达到稳定淡化水水质的目的[6]．

本文采用将地表源水与海水淡化水混配，同时辅助Ca(OH)2调节pH，研究其在不同温度和搅拌条件下的混配效果，为天津市海水淡化水在城市市政管网的输送提供参考性意见．

1 材料与方法

1.1 原料用水

地表源水是2012年11月取自中法水务有限公司的加氯之前的滦河水，海水淡化水是2012年11月取自北疆电厂低温多效海水淡化水．地表源水和海水淡化水水质见表1．

表1 地表源水与海水淡化水主要水质指标Tab. 1Quality index of surface source water and desalinated sea water

1.2 实验方法

海水淡化水与地表源水混配实验装置如图1所示，在反应器中加入定比例的海水淡化水和地表源水，在搅拌条件下投加定量的氢氧化钙，恒温定速搅拌120min，取样分析混配水各项水质指标，同时计算拉森系数(IL)[7]和朗格利尔指数(LSI)，根据检测结果讨论影响混配水水质的因素，在单因素实验基础上设计正交实验．

图1 海水淡化水与地表源水混配实验装置图Fig. 1 Experiment device of blending desalinated sea water with original municipal water

1.3 分析方法

水样的碱度参照GB/T 15451—2006《工业循环冷却水·总碱及酚酞碱度的测定》进行测定；水样的硬度参照GB/T 15452—2009《工业循环冷却水中钙、镁离子的测定·EDTA滴定法》进行测定；水样中Cl-质量浓度参照GB/T 15453—2008《工业循环冷却水和锅炉用水中氯离子的测定》进行测定；水样中SO质量浓度参照GB/T13025.8—2012《制盐工业通用试验方法·硫酸根的测定》进行测定；水样中溶解性总固体(TDS，碳酸钙计)使用TDS测定仪进行测定；pH采用pH计测定；朗格利尔指数和拉森系数通过计算得到．

1.4 技术性能指标

根据中法水务有限公司提供技术性能指标，混配后的水质应达到的指标为：侵蚀性朗格利尔指数LSI在－0.5～0.5，腐蚀性拉森系数IL＜1.2，总碱度TAC≥80mg/L，pH由6.8提高到7.4以上．

2 结果与讨论

2.1 地表源水与海水淡化水混配比例对水质的影响

控制温度为20℃，搅拌速率为150r/min，投加Ca(OH)2调节pH为8.2～8.3，调节海水淡化水与地表源水体积混配比例[5](后面提到的混配比例均为海水淡化水与地表源水的体积比)为1∶1至1∶3，水质变化情况见表2．由表2可以看出：随着淡化水所占比例的增加，混配水的碱度、硬度、溶解性总固体和各离子质量浓度均呈减小趋势．当淡化水所占比例低于33.3%时，混配水碱度能提升到80mg/L以上，LSI也由淡化水的－5.41提高到0以上，混配水的稳定性明显提高．IL值和海水淡化水相比，也有明显的改善．

表2 混配比例对水质的影响Tab. 2 Effect of mixing ratio on water quality

2.2 Ca(OH)2投加量对水质的影响

控制温度20℃，混配比例1∶2，搅拌速率150r/min，调节Ca(OH)2投加量，混配水质变化情况见表3．可以看出，pH随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时，增长较为平缓．碱度随pH的变化趋势见图2，当pH小于9.19时，碱度随pH增大而增大，但是当pH继续增大，碱度则迅速减小．

出现上述现象是由于溶液中存在着下列的反应平衡：溶液中加入OH-离子时，OH-离子首先与溶液中溶解的CO2反应生成HCO，溶液pH增大，同时溶液中碱度也略微增大，当9.19≥pH≥8.82，由于溶液的缓冲作用，pH和碱度变化都有一段平缓区；继续加入OH-，HCO则转化成CaCO3沉淀，pH增大，碱度则随着HCO和CO离子的消耗急剧减小．

为了保证混配溶液碱度，LSI和IL能够满足水厂需求，建议Ca(OH)2投加量不超过13.33mg/L，溶液pH控制在8～9，pH偏高将导致溶液LSI偏大，有结垢趋势．

表3 Ca(OH)2投加量对水质的影响Tab. 3 Effect of dose of Ca(OH)2on water quality

图2 pH对碱度的影响Fig. 2 Effect of pH on alkalinity

2.3 搅拌速率对水质的影响

控制温度20℃，混配比例1∶2，Ca(OH)2投加量为5mg/L，调节混配过程中的搅拌速率，混配水质变化情况见表4．由表4可知，搅拌速率不是混配过程中的显著影响因素．

2.4 温度对水质的影响

控制混配比例1∶2，Ca(OH)2投加量5mg/L，搅拌速率150r/min，调节温度变化范围为3～33℃，研究温度变化对混配过程的影响，混配水质变化情况见表5．

表5 温度变化对水质的影响Tab. 5 Effect of temperature on water quality

温度改变对混配水质的碱度、硬度、TDS、Cl-质量浓度、SO质量浓度影响不大．温度增大，LSI虽然呈增大趋势，但是温度增大，导致水中溶解氧衰减加快，导致混配水的腐蚀性变大[8]．地表源水来自滦河水，其水质随季节变化较大．11月份至次年7月份水质比较稳定，平均碱度在110～130mg/L，pH 7.6～8.0，LSI为－0.2～0；8月份至10月份，滦河水碱度、pH和LSI开始降低，甚至在温度较高的9月份和10月份，滦河水碱度会接近80mg/L，pH在7.5左右，LSI也接近甚至小于－0.5，腐蚀性远大于其他季节(数据来自中法水务有限公司提供的2009—2011年的水厂以及管网的实测数据)．因此在温度较高的8月份至10月份，建议减小淡化水的混配比例，适当增加Ca(OH)2的投加量，以增大pH和LSI，防止管网出现黄水和红水现象．

2.5 正交实验

根据前期探索，在控制温度20℃的条件下，选取混配比、pH和搅拌速率作为3个相对重要的因素进行正交实验，因素水平表见表6，实验方案及实验结果见表7．

表6 因素水平表Tab. 6 Factors and levels

表7 实验方案及实验结果Tab. 7 Experimental scheme and experimental results

由表7可知：对于碱度，因素主次顺序为混配比＞pH＞搅拌速率，优方案为A3B2C3，即混配比1∶2.5、pH 8.5、搅拌速率200r/min；对于LSI，因素主次顺序为pH＞混配比＞搅拌速率，优方案为A1B1C1，即混配比1∶1.5、pH 8、搅拌速率80r/min；对于IL，因素主次顺序为混配比＞pH＞搅拌速率，优方案为A3B2C3，即混配比1∶2.5、pH,8.5、搅拌速率200r/min．不同指标所对应的优方案是不同的，但是通过综合平衡法可以得到综合的优方案．

因素A：虽然对于第一个和第三个指标都是取A3好，但是考虑实际应用，混配比越大越好，由表7和混配比的单因素实验可以看出混配比1∶2即可以满足碱度≥80mg/L的要求，因此选择海水淡化水与地表源水的混配比1∶2作为优方案．

因素B：对于第一个和第三个指标都是选择B2好，但是通过分析三个指标的极差可以发现，pH对LSI的影响最大，而对碱度和IL影响并不大，若是选择B2，则会导致LSI＞0.5，不满足中法水务有限公司提供的技术性能指标．因此选择pH为8作为优方案.

因素C：通过三个指标的极差值可以发现，搅拌速率为非主要影响因素，考虑第一和第三指标都是C3为优方案，因此选择C3作为优方案．实际情况时对于第二指标LSI而言，由直观分析表可知搅拌速率对其影响极微．从碱度和IL的直观分析表和单因素实验可知，搅拌速率的影响均不大，在这种情况下可能大部分实验者或者实际工程操作会更倾向于选取搅拌速率小的结果，以降低能耗．

通过综合平衡法同时考虑实际情况最终确定优方案为A2B1C1，即混配比1∶2、pH为8、搅拌速率80r/min作为最终的优方案．在该条件下进行验证实验，混配水碱度为84.71mg/L，LSI为0.33，IL为1.07，实验结果满足中法水务有限公司提供的技术性能指标．

3 结 论

通过将海水淡化水和地表源水混配能够明显提高海水淡化水的稳定性，经过研究发现，在控制温度20℃的条件下，控制海水淡化水与地表源水混配比例为1∶2，投加Ca(OH)2调节pH在8.0左右，在能够保证海水淡化水和地表源水充分混合的条件下，选择一个较小的搅拌速率，混配水的碱度能够达到84.71mg/L，LSI为0.33，IL为1.07左右，达到中法水务有限公司提供的LSI在－0.5～0.5，腐蚀性拉森系数IL＜1.2，总碱度TAC≥80mg/L，pH由6.8提高到7.4以上的水质要求，经过后续处理即可进入市政管网进行输送．

在温度较高的夏季，温度偏高，混配水的LSI偏大，溶液的腐蚀性变小，但是由于地表源水的碱度和其他季节相比明显偏小，因此混配过程中应当适当增大pH和减小海水淡化水的混配比例．

［1］ 葛云红，刘艳辉，赵河立，等. 海水淡化水进入市政管网需考虑和解决的问题[J]. 中国给水排水，2009，25(8)：84–87.

［2］ 潘海祥. 海水淡化水厂供水的黄水现象及应对措施[J]. 中国给水排水，2008，24(12)：90–92.

［3］ 徐兰京. 给排水管材现状及管道内壁水质分析[J]. 给水排水，1999，25(10)：66–68.

［4］ 牛璋彬，王洋，张晓健，等. 给水管网中铁释放现象的影响因素研究[J]. 环境科学，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］ 刘茹，贾萃英，王刃，等. 海水淡化后处理：除硼技术的进展[J]. 中国给水排水，2006，22(14)：71.

［7］ 王洋，张晓健，陈超，等. 水源切换引起给水管网黄水问题原因分析[J]. 环境科学，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.

责任编辑：周建军

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

国家自然科学基金资助项目(21376178)；天津市科技支撑计划资助项目(12ZCDZSF06900-3)

刘建卫（1987—），男，河北保定人，硕士研究生；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)