单级冷冻法对南疆农田排水淡化效果试验研究

张德平 杨玉辉 李鑫元 王龙 冯正豪

摘要：为了探索农田排水冻结、脱盐的可能性，通过在室内模拟单级冻结试验方式，以农田所排放的原水进行冻结脱盐，冻结灌溉的可能性。结果表明：在同一环境温度下，容器体积、成冰率和脱盐量呈正相关;而在相同容器体积下，结冰温度则和结冰速率呈负相关。此方法特别适合于我国北方冬季冷冻期长、气温低的气候条件，并对自然冷冻法淡化咸水的可利用价值及发展动向进行了阐述与分析。

关键词：单级冷冻;南疆;农田排水淡化;水处理

0 引言

淡水资源的匮乏早已成为当今世界上面临的问题。但目前，为了克服淡水资源匮乏的问题，人类已开始关注合理的盐水利用。中国发展国内专家学者对于已经对咸水灌溉技术开展了大量的科学理论研究，并针对我们中国各个地方的特点进行总结出了一个科学合理的灌水方式、灌溉机制和灌水定额，还提出了作物高产的经验办法。如何选择合适的灌水方法是咸水利用的技术难题。目前，农用咸水回用的主要研究方法有淹灌、喷灌和滴灌。大多数的农田灌溉系统在不同的生产时期都实行了作物轮作灌溉和混合浇灌，另外还有可以直接通过利用盐水进行的浇灌研究。

在部分乡村区域，年降雨量稀少，蒸发量高。自然资源匮乏严重制约了城市居民的日常生活和农业发展。但是，由于我国淡水的长期短缺，宝贵的农田排灌资源管理始终未能受到重视，并对灌区的排放载体产生了一个巨大的污染。目前，农田排水和灌溉资源的再利用是减轻水质压力、降低环境污染的最有效途径，引起了不少专家学者的关注。

冰冻法淡化处理工艺技术，是根据无机盐在水中的分配系数比在冰中的分配系数大1～2个数量级的特点，以实现从盐水中分离出来水和盐的目的。绝大多数研究表明，冷冻法在配制淡水和冷冻灌溉方面具有优异的性能。南疆地区冬季室外还存在大量天然冷能资源，这些资源具备进行冻结技术的前提条件。农田排水的水质与水量不断变化的规律，明显一致且稳定，适用于原水淡化。然而，根据目前数据显示，关于新疆南部地区进行冷冻淡化试验的报道很罕见。在这基础上，本文以冻结法作为主要研究对象，以农田的排水为淡化原水，并运用室内模拟单相冷测试方法分析了冻结温度以及冷冻集装箱容积大小、钠吸附比以及其他参数的影响，并讨论进行了比较。优化的冻结参数和冻结灌溉的可行性相结合，以期为冻融脱盐技术在南疆地区的试验与应用提供了重要数据参考，同时也为咸水水资源的合理开发与利用提出了新的切入点。

1 单级冷冻法作用机理

单级冻结法咸水淡化技术将测试的水样冻结在冰箱里由上至下，最后生成的冰晶结构中会残留着盐的一小部分，这就是包裹了冰结晶的特殊形式盐胞，盐胞的内容将直接影响水与盐分离的效率。

冰冻温度是影响冰晶质量的最主要因素，对生成冰晶的水盐分离也起着关键作用。一旦冻结温度过低，冰晶就会以树枝状生长，在主干上就会产生更多的分枝。并留在各个分支末端的间隙中。所以，从提高冰晶品质的角度考虑，冷冻水温也不能过低。因为由于测试水样盐度的提高，水溶液中的正电势能晶核逐渐增多，削弱了固液界面的稳定性。冰晶生长速度也加快，纯度降低。因此，冰晶的初始盐度可能会影响水盐分离的效果;如果增加冰冻容器的体积，可以延长冰冷却的范围，冰晶的生成速率提高，使盐被包裹并生成盐胞的概率提高，冰晶的品质也降低。

单级冷冻咸水淡化方法的基本原理是基于无机盐成分在水的分配系数比在冰中的分离系数大一至二个数量级的特点。原理上，利用冻结的冰晶达到脱盐的效果应达到纯水中没有杂质，但是因为许多冷冻过程的障碍因素，有冰晶盐气泡或杂质，使离心和洗涤流程的不完全，使得融水中无法获得百分之一百的纯化。

2 试验部分

2.1 试验方案

利用室内模拟单级冷冻实验方式，在容器的四周和底面覆盖有保温材料，并放在恒温冷箱内，以确保自上而下地的结冰过程平稳完成。由于实验原水均来源于阿拉尔周边农村灌区排水渠不同时期的农田排水。在同样的试验条件下，盐分对脱盐速率影响不大，从而忽视了原水各个时段盐分的不同变化对试验结果的影响。筛选了影响冻结温度和容器体积大小的二个因素，并设置了25个处理方法。当水冰厚≥27cm时，试验停止，每层（3cm）取出试样并融化。具体试验设置如表1所显示。

2.2 试验材料

试验的原水源自阿拉尔灌区塔南干渠，塔南总排水渠道，是阿拉尔灌区的标志性总排渠道。对农田排灌很有代表性。冷冻容器主要包括两个部分：外筒和内芯。其外筒总高H为50cm，纵向断面为方形，集装箱体积通过调节内边长D来调节。设置直径为10、15、20、25、30cm的五个直径（分别计算为D1-D5）;外筒宽度相同，在下部设置小孔供水使用。以上所述拉环式用于结冰后，使内芯和外筒体分开;观测尺是专门用于测定结冰沉积物的厚度的。该设备如图1所示。

2.3 数据测定与处理

测试项目主要包括结冰时间、水样盐分和Na+、Ca2+、Mg2+的含量等。每十二小時用观测尺量冰层厚度，以推算结冰时间，水样盐分用重量法测定;用火焰光度计测定Na+的含量;用EDTA滴定法测定Ca2+和Mg2+的含量。以分析在不同结冰温度和容器体积下，结冰时间、结冰速度、脱盐速度以及盐钠吸收比在冰水沉积物中的分布状况。

3 结果与分析

3.1 冷冻用时、成冰速率变化规律分析

满足一定结冰条件所需要的持续时间和成冰速率，是采用冻结法的盐碱类水回用的关键技术参数。在制作和研制盐碱类水淡化设备时，为了要确保在规定的时限内形成适当的冰晶，就必须按照结冰时限和成冰率选定合适的设备规格和冷却温度;在盐水冻结灌溉中，结冰时间和结冰量可用作设定灌溉节点的重要依据。试验中设定了不同的水温和容器体积，并测定了结冰厚度以达到结冰要求（27cm）所需的时间条件。

3.2 脱盐率变化规律分析

分析脱盐速率的变化规律。科学研究已经证实，冷冻脱盐技术的脱盐效率能够超过百分之九十九，但受到多种原因的影响而下降。若在冷却过程中冻结温度较低，则需要很大的体积来放出相变潜热。冰晶会在树突中迅速生长，扩大了热量释放体积，从而在主干上形成了更高层次的分支。由于枝干两端的间隙很容易被杂质所俘获，如各种易溶性盐，造成的脱盐效果并不好，最终大大降低了脱盐量。但如果结冰速率足够缓慢，使结冰的速率和盐浓度速率更接近，且一部分盐有充分的时间在冰混合物中浓缩到水分的最下层，则弃盐率将会增加。冷却温度越高，冷却速度越低，所以冷却温度和弃盐速度成正相关。747F3A7E-AB77-474E-9990-A700D0C30767

4 咸水结冰灌溉可行性探讨

咸水浇灌后，水中的部分盐大量进入泥土后容易积聚，形成次生盐渍化。肖振华等人研究成果证实，当采用盐水浇灌时，被灌溉水利用效率进入泥土的食用盐量容易在泥土中积聚并交替淋滤。当灌溉水的含盐量低于3g/L时，土壤剖面的含盐量仍处在均衡状况中，大于3g/L，具有不同程度的盐分积聚。

单极冻结法也能够模拟咸水中灌溉冰沉积物的形成过程，因为冰水沉积中含盐量和SAR的分布情况和实际过程吻合程度较高。调查根据阿拉尔灌区的历年天气统计资料，冬季室外极端最低气温约为-5～-15℃;試验结果表明，融化的原水矿化程度的每个容器的T1和T18～20cm冰层均低于3g/L，但是，对于较高盐碱的原水温度和处理效率却低于T3，0～12cm冰融化水的盐度大于3g/L，虽然12～15cm冰层的盐含量大概为3g/L，因此0～18cm，在灌水之后，冰层中的冰融水不会有盐分积聚。郭凯等人在试验中发现，咸水冻结灌溉的实际灌溉量为180mm（1800m3/hm2）。

张秀梅等人科研证实，在冬季冻结时灌溉使用的8.15～14.27g/L、最大灌水量为180mm的盐水，再结合后期地膜覆盖，能明显减少土地的含盐量，从而提高了土地含水量。综上所述，阿拉尔周边灌区盐水水质、室外气温、盐水结冰后的0～18cm水冰沉积物含盐量等参数符合进行盐水结冰灌溉的要求。

钠吸附比（SAR）是评判浇灌水质的主要指标。在钠吸附比≤10时，浇灌水质为一类，适合于对各类土质灌水;当10

综上所述，在室内模拟实验的条件下，在阿拉尔灌区工程中用农田排水作为冻灌原水在理论上也是合理的，其冻层厚度大约为18cm。

5 结论

1）在相同的室温条件下，集装箱冷冻容积与结冰量成正比例，与脱盐量负相关;在同等集装箱容积条件下，结冰温度与结冰速率成负相关，而与脱盐速率成正相关。

2）冰沉积厚度与冰水内盐浓度与钠吸附比明显存在正相关，当冰水沉积厚度超过21cm后，盐浓度会大幅上升。

3）从脱盐效率分析，T1处理与其他处理的脱盐效率差别达到了明显水平（P>0.05）;D1和D2脱盐效率差别并不明显，但与其他处理差别很明显。当冻结参数的组合为T1D1、T1D2时，脱盐速率为最高的。成冰速率和脱盐速率之间也具有相应的限制。依据实际试验需要的成冰速率和融冰水体的盐度，设定了适当的结冰温度和集装箱容积。

4）在中国南疆地带，使用农田排水作为冻灌原水从理论上是合理的，但冻层厚度应该在18cm附近。

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