高含盐废水蒸发结垢趋势模拟估算

熊 鹰

（重庆水利电力职业技术学院，重庆 永川 402160）

高含盐废水指的是总溶解性固体在600 ～6000mg/L，甚至更高浓度的废水；或者至少总溶解固体和有机物的质量分数大于等于3.5%的废水[1-3]。一般含有大量的无机盐离子如Na+、Ca2+、Mg2+、、Cl-等以及SiO2。

高含盐废水若未经处理就直接排放，会对水环境产生很大危害。但基于高含盐废水的特性，简单的生化处理难以达到理想的效果，一般采用热法处理技术如蒸发结晶、焚烧等工艺等，其中蒸发结晶工艺是实现废水资源回收的主要途径[4-5]，甚至还可以利用废水中的某些有用成分[6]。我国水资源短缺，水污染严重，而蒸发脱盐的工艺效率高、适用性广、占地面积小、处理速度快、能直接利用废水本身的高温余热等优点。它还具有资源化程度高，是处理高含盐、难降解废水等的重要手段。但高含盐废水的蒸发回收也存在比较突出的问题，一是废水中常含有Ca2+、Mg2+等离子以及硅酸盐，由于蒸发浓缩倍数高、易结垢，轻则影响设备换热，重则造成管道腐蚀和堵塞；设备运行时不仅需要阻垢药剂，还需要经常停机维护，降低了蒸发设备运行效率。二是获得的冷凝水有时不满足特定条件的要求，需要进一步提升冷凝水的水质[8]，导致废水的处理费用偏高。

近年来机械式再压缩蒸发技术（MVR） 和多效蒸发技术的进步，实现了废水蒸发能耗的大幅降低[9-12]。但蒸发过程中尤其是废水高倍浓缩时各种盐类极易在蒸发器表面结垢，严重影响传热，本文是拟采用Visual Minteq 软件模拟含盐废水蒸发过程中的结垢情况，分析不同离子浓度下析出物的饱和指数SI 值。

1 饱和指数定义

依据热力学原理，反应中各物质的沉淀与溶解由各种物质在水溶液中饱和指数SI 决定，其表达式见式（1）。

式中IAP表示溶液的离子活度积，KS表示物质的溶度积常数[13]。

当SI 大于0 时，表明溶液中该物质过饱和，趋向于成垢，当SI 等于0 时，表明该物质趋于平衡状态；当SI 小于0 时，表明该物质处于不饱和状态，趋于溶解。

2 饱和指数计算分析

本文采用采用Visual Minteq 软件模拟计算蒸发器中结垢情况。Visual Minteq 软件已经被广泛应用在模拟环境水平衡溶液中或水体中的离子和矿物平衡情况的软件，该模型拥有强大的平衡常数数据库，涉及液相络合、溶解/沉淀、氧化/还原、气-液相平衡、吸附等多种平衡反应，用于模拟人工配制的溶液和天然水体中的金属化学形态，预测沉淀的形成。

高含盐废水中Mg2、Ca2+、、和SiO2等离子或分子相互结合形成盐，其反应方程见式

蒸发器中浓缩废水的初始值见表1。经过沉淀溶解平衡计算，废水蒸发过程中产生沉淀析出的组分及其SI 值见表2。

从表2 看出，产生沉淀析出的主要组分是碳酸钙盐、钙镁复盐及硅酸盐，其中钙镁复盐和硅酸盐的饱和指数SI 高于碳酸钙盐，因此更趋向于沉淀。水样2 的各析出物的SI 值高于水样1，分析其原因主要是水样2 的Ca2+浓度高于水样1，且水样2 的pH 值略高于水样1，对各离子形成水垢也有一定影响。

表1 蒸发器中浓缩废水的初始浓度

表2 产生沉淀析出的主要组分及其SI 值

3 结语

高含盐废水蒸发浓缩的污垢主要成分是碳酸钙盐、钙镁复盐及硅酸盐，浓缩液的离子浓度越大、pH 值越高，越容易结垢。但高含盐废水蒸发过程中影响其污垢沉淀的因素有很多，如溶液的各离子浓度、pH 值、在蒸发过程中的各操作参数以及不同的沸腾状态等都会影响污垢的形成。用Visual Minteq 模拟的各析出物饱和指数SI在一定程度上能帮助预测水垢的主要组分，但仍然需要同其他分析方法如污垢的X 射线分析、扫描电子显微镜等分析方法相结合方能更加准确的对污垢进行分析。