基于堿度與pH值分析二級反滲透產(chǎn)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(jìn)水水質(zhì)和不同堿度、pH值下各種碳酸化合物平衡關(guān)系，結(jié)合實(shí)例研究了二級反滲透進(jìn)水加堿處理的技術(shù)應(yīng)用。結(jié)果表明，加堿量與二級反滲透產(chǎn)水水質(zhì)存在一定的線性關(guān)系，當(dāng)進(jìn)水總堿度控制在45～50mg/L、pH值在8.3～8.4之間時，后續(xù)混床的周期制水量能達(dá)到設(shè)計(jì)值的2萬t。

關(guān)鍵詞：總堿度;pH值;電導(dǎo)率

中圖分類號：TM621.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

某大型煉化一體化項(xiàng)目脫鹽水站設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為2200m3/h，原設(shè)計(jì)采用新鮮水制取脫鹽水。為了節(jié)約用水，提高水資源利用率，后經(jīng)改造以回用水作為補(bǔ)水制取脫鹽水，回用水為煉化一體化污水經(jīng)A/O生化、浸沒式超濾、反滲透處理后的產(chǎn)水，經(jīng)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(bǔ)充水時，混床周期制水量能達(dá)到設(shè)計(jì)值2萬t的產(chǎn)水量。當(dāng)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(tǒng)工藝原則流程如圖1所示。

1 原因分析

1.1 水質(zhì)分析

綜合污水處理廠反滲透處理單元設(shè)計(jì)產(chǎn)水量980m3/h，由于污水廠受上游來水水質(zhì)變化的影響，一級反滲透進(jìn)水電導(dǎo)率在2000～5000μS/cm范圍之間，pH值在6.5～8.7之間波動，從而產(chǎn)水電導(dǎo)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(jī)鹽分子，并能截留分子量較大的有機(jī)物，但是并不能脫除水中的溶解性氣體。反滲透產(chǎn)水中的CO2含量與進(jìn)水中CO2的含量基本相同，由于脫鹽水站未設(shè)置除碳器，若二級反滲透進(jìn)水中仍含有游離的CO2，則進(jìn)入混床的水中也會含有游離的CO2，由于其對電導(dǎo)率作用很小，二級反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率不能如實(shí)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(zhuǎn)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(jìn)水符合標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)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(guān)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(diǎn)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(dú)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(dāng)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(guān)[2]。

1.3 水中碳酸化合物的動態(tài)平衡

在密閉的體系內(nèi)，CO2、HCO3-、CO32-和OH-之間存在著動態(tài)平衡，如（1）～（4）式所示。反滲透進(jìn)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(yīng)地發(fā)生了變化，當(dāng)pH≤4.3時，水中只存在溶解性的CO2分子;隨著pH值調(diào)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(dāng)pH升高至8.3時，水中只含有HCO3-離子;當(dāng)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(diào)整試驗(yàn)

在改造后的工藝流程制水中，一級反滲透已經(jīng)除去回用水中的大部分無機(jī)鹽類，此時水中游離的CO2分子可以通過二級反滲透加堿進(jìn)行去除而不會引起嚴(yán)重的碳酸鈣沉淀。如果二級反滲透進(jìn)水不加堿或加堿量不足時，游離的CO2分子仍能從膜的一側(cè)透過另一側(cè)，二級反滲透產(chǎn)水中仍然會存在游離的CO2分子。在二級反滲透進(jìn)水不加堿或加堿過量時，都能導(dǎo)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(jìn)水不加堿時產(chǎn)水水質(zhì)如表2所示。

若二級反滲透進(jìn)水不加堿，pH值不做調(diào)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(jìn)水電導(dǎo)率，仍然存在電導(dǎo)率“偏大”的問題，從而導(dǎo)致混床周期制水量下降。因此，筆者進(jìn)行了一系列調(diào)整進(jìn)水堿度和pH值的試驗(yàn)，在不同的進(jìn)水條件下，對產(chǎn)水電導(dǎo)率進(jìn)行比較。

如圖3、圖4所示，當(dāng)二級反滲透進(jìn)水總堿度在45～50mg/L、pH值在8.3～8.4范圍時，產(chǎn)水中游離的CO2含量達(dá)到最小，產(chǎn)水電導(dǎo)率也達(dá)到最佳值。從碳酸化合物各形態(tài)與pH值關(guān)系曲線來看，當(dāng)pH值為8.3時，水中游離的CO2已基本轉(zhuǎn)化成為HCO3-和CO32-，即總堿度=全部HCO3-+全部CO32-，也就是說當(dāng)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(guān)，在經(jīng)過二級反滲透時也能去除。

經(jīng)過一年多的實(shí)際運(yùn)行，把二級反滲透進(jìn)水總堿度調(diào)整在45～50mg/L、pH值在8.3～8.4范圍后，后續(xù)混床的周期制水量達(dá)到設(shè)計(jì)值的3萬t，而且大大減少了混床的再生次數(shù)，減少了酸堿消耗和廢水排放。

3 結(jié)語

二級反滲透進(jìn)水總堿度和pH值調(diào)整到合理的范圍之后，混床進(jìn)水水質(zhì)得到明顯改善，周期制水量相應(yīng)增加，做到了環(huán)保、節(jié)能高效運(yùn)行。同時，除鹽水中CO2含量減少，pH值趨于穩(wěn)定，確保了脫鹽水水質(zhì)安全，也有效預(yù)防了系統(tǒng)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(jié)垢。因此，需要根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)及時調(diào)整加堿量，并進(jìn)行化學(xué)清洗，從而保證系統(tǒng)長周期運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 金熙等.工業(yè)水處理技術(shù)問答（第四版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：25.

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