双碱法去除电厂循环水硬度的研究

摘 要：在电厂循环水回用处理系统中，氢氧化钠-碳酸钠双级软化法（简称“双碱法”）是一种高效的水处理工艺，对循环水硬度具有良好的处理效果。为了保证电厂经济、有效地运行，在保证满足工艺需求的前提下，尽量减少加药量、降低运行成本。通过小试试验对双碱法的实施效果进行静态验证，并通过不同组次的试验结果获取氢氧化钠和碳酸钠在试验条件下的最佳加药量。结果表明，去除循环水硬度的最佳加药量为氢氧化钠+碳酸钠+PAC=0.3mL/L+2.21mL/L+0.83mL/L。在此条件下，双碱法对循环水中的钙、镁离子浓度去除率分别为83.3%和19.6%，对硬度的去除效果较好，既满足工艺需求，又节约投资成本和运行成本。由此可见，最佳加药量对氢氧化钠-碳酸钠双级软化法至关重要，既影响工艺运行效果，又与电厂运行成本相关。

关键词：双碱法；循环水回用；水质软化；硬度；加药量

中图分类号：TQ 085 " " " " " " 文献标志码：A

水是一种宝贵的自然资源。水资源的日益匮乏已逐渐制约区域开发和经济发展。随着人民生活水平不断提高，保护环境、节约水资源已成当务之急[1]。目前，我国火力发电厂，循环水冷却系统的运行方式分为开放式和半开放式[2]。开放式系统没有冷却设备，只有冷却水泵，适用于靠近江、河以及水库等水源充足的电厂，在整个过程中，对水质处理工作较少。一般发电厂受地理条件限制，多使用半开式循环，冷却水经凝汽器换热后，通过自然通风冷却塔淋至水池降温后循环使用，一部分水在冷却过程中会蒸发损失，水中的硬度含量超过一定范围后会产生结垢的情况，造成安全隐患。在此过程中，需要采用物理和化学方法进行处理，保证水质在合格范围。同时，在火电生产系统中，循环水补充水占较大比例，因此优化选择循环水回用处理工艺，提高循环水的再利用，对提升火电厂整体收益水平、竞争能力具有十分重要的意义[3]。

本文通过小试试验对双碱法的实施效果进行静态验证，并通过不同组次的试验结果获取氢氧化钠和碳酸钠在试验条件下的最佳加药量。为同类型电厂循环水质回用处理工艺选择提供一定的运行依据，也优化了循环水回用处理工艺中的除硬度工艺段，具有很好的实践意义。

1 研究方法

1.1 双碱法除硬度原理

双碱法除硬度采用氢氧化钠-碳酸钠联合软化处理工艺，氢氧化钠调节废水pH值为碱性，使废水中的结垢性离子Mg2+和硅等污染物形成沉淀物而去除，再投加碳酸钠去除废水中Ca2+，降低原水中的碱度和永久硬度[4]，经沉淀固液分离后进入后续深度处理系统。

1.2 双碱法除硬度的优点

1.2.1 除硬度效果好

双碱法可以有效地去除水中钙镁等硬度物质，尤其是对临时硬度的处理效果最佳。该方法可以有效地控制水的pH值和硬度，有效防止循环水管道和设备的腐蚀[5]，延长设备的使用寿命。

1.2.2 投资和运行成本低

与其他水处理除硬度方法相比，双碱法的运行成本相对较低。该方法所需要的化学药品和设备数量较少，配套的构筑物占地面积小，能够节省大量投资和运行成本[6]。

1.2.3 工艺操作简单

双碱法的操作非常简单且可以自动化运行，达到无人值守的效果。运行时，只需要添加适量的化学药品对产生的沉淀物进行处理即可，不需要复杂的设备和技术[7]，因此适合各种规模的电厂及水处理厂使用。

1.2.4 无二次污染

双碱法去除水中硬度的过程中不会产生二次污染[8]。它所产生的沉淀物可以通过板框压滤机、叠螺脱水机等适当的处理方法进行回收和再利用，不会对环境造成负面影响。尤其是使用氢氧化钠这种药品，与石灰相比，不但显著提高了硬度物质的去除率，而且大大地减少了沉淀物的产生量[9]，同时也避免了因循环水二次引入钙硬度而增加除硬度的负担。

1.2.5 应用领域广泛

双碱法是一种有效的水处理技术，在去除水中硬度物质方面具有较好的效果。可以广泛应用于工业、家庭、饮用水和游泳池等领域。

1.3 小试试验目的

小试试验有以下3个目的：1）寻求最佳运行pH值及加药量，实现符合运行要求的出水指标。2）对比氢氧化钠投加前后钙镁去除效果。3）对比PAC投加前后钙镁、悬浮物去除效果。

1.4 试验依据及国家标准

试验依据及国家标准如下：1）某发电厂现场取样循环排水的水质检测数据。2）试验方法采用加药滴定法。3）试验检测依据的国家标准见表1。

1.5 药剂投加基准量理论计算

1.5.1 取样电厂循环水

对循环水的水质进行检测，检测结果见表2。本小试试验以去除循环水中钙镁硬度为目的，进行多组次的对比优化试验。

1.5.2 8%Na2CO3溶液（质量分数）理论加药量

8%Na2CO3溶液（质量分数）理论加药量如公式（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，即每升水样加Na2CO3 5.1mL为试验基准JC。

1.5.3 30%NaOH溶液（质量分数）理论加药量

试验初期，取少量水样滴加配制30%NaOH溶液，控制pH不高于9.7，标定此时的NaOH加药量（L/L）为试验基准JOH；当pH 为9.7时，Ca2+、Mg2+的含量见表3。

与表2循环水水质检测结果对比，在JOH条件下，表3中Ca2+、Mg2+的含量需基本维持不变，此时30%NaOH的加药量JOH=0.6mL/L。

1.5.4 5 %PAC（质量分数）理论加药量

根据设计规范和运行经验，按5mg/ L作为基准JAL。

1.6 小试流程及过程控制措施

1.6.1 碳酸钠投加量试验

在JC=5.1mL的基础上，按不同投加量（1/2JC=2.55mL、JC=5.1mL、1.3 JC=6.63mL）对比钙镁硬度去除效果：组次编码为03、04、05，获取碳酸钠推荐加药量Y1。

1.6.2 碳酸钠+PAC投加量试验

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

7.5mL/L投加，组次编码为06、07、08，组次静沉时间按高效澄清池设计停留时间1.6h：1）记录出现明显固液分离界面的时间。2）静沉1.6h后，各组次对比沉淀澄清情况。3）取分析静沉后上清液化验，Al的含量不超过0.1mg/L～0.5mg/L，获取PAC推荐加药量Y2。

1.6.3 氢氧化钠+碳酸钠试验投加量试验

氢氧化钠基准加药量JOH=Y3=0.6mL/L，按Y3+Y1、Y3+1/2Y1、

Y3+1/3Y1对比钙镁硬度去除效果，组次编码为09、10、11。

静沉1.6h，观察沉淀情况、取上清液化验，对比分析并优化得出碳酸钠的最佳加药量Y4。

1.6.4 氢氧化钠+碳酸钠+PAC试验

按Y3+Y4+Y2、Y3+Y4+1/2Y2、Y3+Y4+1/3Y2，投加PAC，组次编码为012、013、014，对比钙、镁离子和SS的去除情况。

静沉1.6h，观察沉淀情况、取上清液化验，对比分析并优化得出PAC的最佳加药量Y5。

2 结果与讨论

2.1 碳酸钠投加量试验结果与分析

因为碳酸钠对水中Ca2+的去除顺序优先于对Mg2+的去除顺序，因此根据循环水中的Ca2+浓度，分别投加1/2JC=2.55mL、JC=5.1mL、1.3JC=6.63mL的8%碳酸钠溶液，生成碳酸钙沉淀，分析对水中Ca2+的去除效果，见表4。

由表4可知，投加碳酸钠后循环水中的Mg2+含量基本不变，只对Ca2+有去除效果。当投加量达到1.3JC时，对Ca2+的去处效果最好，去除率达到了60.8%，即每升循环水中投加6.63mL的8%浓度碳酸钠溶液为碳酸钠的推荐加药量Y1。

2.2 碳酸钠+PAC投加量结果与分析

以每升循环水中投加6.63mL的8%浓度碳酸钠溶液Y1为基础，分别投加1/2JAL=2.5mL/L、JAL=5mL/L、1.5JAL=7.5mL/L的5%浓度的PAC溶液投加，通过检测对原水中钙、镁离子含量的去除率（见表5），筛选出PAC的推荐加药量Y2。

由表5可知，经过3种PAC加药量处理后，上清液中的Al3+含量都保持在0.1mg/L～0.5mg/L，属于可接受范围之内。PAC有较强的架桥吸附性能，在水解过程中，伴随发生凝聚、吸附和沉淀等物理化学过程，在碳酸钠除循环水硬度的过程中加速碳酸钙、碳酸镁的沉淀，对循环水硬度的去除能起到积极、有效的作用。当PAC的投加量为2.5mL时，碳酸钠药剂对循环水中钙、镁离子含量的去除率分别为65.1%和72.3%，去除硬度效果最好。因此当碳酸钠投加量为6.63mL/L时，5%浓度PAC的推荐加药量Y2为2.5mL/L水。

2.3 碳酸钠+碳酸钠投加量结果与分析

通过投加NaOH调整水样的pH，同时可以去除水中的一部分镁离子。在本次试验中，控制水样的pH=9.7，通过试验得出每升水需要投加30%的NaOH溶液0.6mL。以此NaOH加药量为基础，对NaCO3加药量进行优化，以最大程度节约运行成本。

氢氧化钠基准加药量JOH=Y3=0.6mL/L，碳酸钠加药量 Y1=6.63mL/L，氢氧化钠+碳酸钠试验按Y3+Y1、Y3+1/2Y1、 Y3+1/3Y1对比钙镁硬度去除效果，见表6。

由表6可知，在氢氧化钠的投加量为0.6mL/L的条件下，当碳酸钠的投加量为6.63mL/L时，对原水中钙、镁离子的去除率最高，分别为83.3%和9.3%；当碳酸钠的投加量为2.21mL/L时，对原水中钙、镁离子的去除率分别为75.4%和5.9%，与碳酸钠投加量为6.63mL/L时差别不大。因此综合考虑对硬度的去除效果和加药费用，推荐碳酸钠的加药量为Y4=2.21mL/L水。

2.4 氢氧化钠+碳酸钠+PAC投加量结果与分析

在碳酸钠+碳酸钠投加量结果与分析中得出，氢氧化钠+碳酸钠的推荐加药量为Y3+Y4=0.6mL/L+2.21mL/L，在此基础上进一步对PAC的投加量Y2=2.5mL/L进行优化。

按Y3+Y4+Y2、Y3+Y4+1/2Y2、Y3+Y4+1/3Y2投加，对比钙镁和SS去除情况，见表7。

由表7可知，3组试验中不同PAC加药量对钙、镁离子的去除率差别不大。当加药量为1/3Y2时，虽然比其他加药量对循环水中钙离子的去除率轻微降低，但是对镁离子的去除率提高且循环水的浊度最小，因此综合考虑循环水除硬度及浊度处理效果和运行费用，最终选取PAC的投加量Y5为1/3Y2，即0.83mL/L。

根据以上试验得出，去除硬度的最佳加药量为氢氧化钠+碳酸钠+PAC=0.3mL/L+2.21mL/L+ 0.83mL/L。此时对原水中的钙、镁离子浓度去除率分别为83.3%和19.6%，对硬度和悬浮物的去除效果较好。在去除电厂循环水硬度过程中，双碱法药剂工程投加量在运行阶段可根据实际情况进一步调整优化。

2.5 试验总结分析

双碱法处理循环水的基本原理是利用一定浓度的氢氧化钠（NaOH）和碳酸钠（Na2CO3）对循环水进行中和和沉淀处理，结合以上试验结果数据对双碱法处理循环水进行分析总结。双碱法处理循环水能够有效地去除废水中的重金属离子、颜料和化学添加剂等不溶性物质，达到水质净化的目的；双碱法处理循环水操作简单，对工艺参数的变化适应性强、稳定性高，能够在不同流量和水质变化的情况下保持处理效果的稳定性。此外，双碱法处理循环水需要经过多个单元的处理，工艺流程相对复杂；双碱法处理循环水需要较高浓度的NaOH和Na2CO3，需要一定运行成本。综上所述，在实际应用中，需要根据具体情况选择不同的处理方式，以实现循环水的净化和回收利用。

2.6 吨水处理药耗费用分析

市场药品单价如下：30%氢氧化钠溶液约1350元/t；98.0%碳酸钠固体约2500元/t；工业用PAC固体约2000元/t。

加药量核算：吨水投加30%氢氧化钠溶液0.3L，投加8%碳酸钠溶液2.21L，投加5%PAC溶液0.83L。

吨水处理费用：0.12元+0.48元+0.08元=0.68元。

最佳加药量对氢氧化钠-碳酸钠双级软化法至关重要，既影响工艺运行效果，又与电厂运行成本相关。电厂循环水回用是节能环保的需要，更是提高电厂生产经济效益、生态效益、社会效益的需要。希望本文的试验过程及结果可以为同类型电厂循环水回用处理工艺提供一定的运行依据。

3 结语

试验研究结果表明，当电厂循环水中Ca2+、Mg2+的含量分别为214mg/L、90.8mg/L时，去除循环水硬度的最佳加药量为氢氧化钠+碳酸钠+PAC=0.3mL/L+2.21mL/L+0.83mL/L。在此条件下，停留时间保持1.6h，双碱法对循环水中的钙、镁离子浓度去除率分别为83.3%和19.6%，对硬度的去除效果较好，同时对浊度也有一定的去除效果。经过初步估算，双碱法除电厂循环水硬度的药耗成本约为0.68元/t，最佳加药量既满足了工艺需求又节约了投资成本与运行成本。希望本文的试验过程及结果可以为同类型电厂循环水回用处理工艺尤其是双碱法除硬度工艺提供一定的设计、运行参考。

参考文献

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通信作者：周洋（1987-），男，汉族，安徽金寨人，硕士，高级工程师，主要研究方向为电厂化学、水处理和水汽异常分析、化学技术监督等。

电子邮箱：709440383@qq.com。