反渗透浓盐水双碱法除硬与除硅工艺研究

摘要：选取鄂尔多斯某矿井水反渗透浓缩后的浓盐水为处理目标，采用高密池工艺去除浓盐水中的硬度与硅。实 验详细分析石灰与碳酸钠加药量等工艺条件对除硬除硅效果的影响。实验结果与高密池实际运行结果表明硅的去 除与总硬的去除是一个矛盾体，硅的去除与总硬度的去除呈现相反的趋势。进一步实验结果表明分步加入 Ca(OH)2 和Na2CO3，硅和总硬度的去除率同时增加，总硬度去除率可达 97.5%，硅的去除率可达 84%。

关键词：反渗透浓盐水；除硬；除硅；石灰；碳酸钠

近年来工业废水零排放项目与资源化取得长足发展，新建成的水处理零排放项目多采用“反渗 透膜浓缩 + 二次浓缩 + 蒸发结晶” 三段工艺进行 废水处理，其中反渗透浓水中的总硬度和硅含量高，如果不进行高效率的去除，不仅会影响后续二 次浓缩的产水回收率，而且在进一步浓缩蒸发结晶的过程中，容易产生硅结垢和钙镁离子结垢的问题，破坏蒸发结晶系统相关设备，影响整体工艺的经济性与稳定性。

现有去除废水中硬度的方法有：

1） 化学法，包括：石灰软化法、石灰 - 纯碱法、石灰 - 石膏法等；

2） 阻垢剂法；

3）离子交换法；

4）膜分离法，包括：反渗 透法、纳滤法、电渗析法、电去离子法；

5）物理法；

去除废水中硅的方法有：

1）物理化学法：镁剂脱硅、 铝盐脱硅、铁盐脱硅、石灰脱硅、电凝聚脱硅等；

2）膜法脱硅：超滤法、纳滤法、反渗透法；

3）离子交换脱硅；

4）阻垢剂法；

5）物理法。

石灰 - 纯碱法可同时去除暂时硬度和永久硬度，与混凝剂絮凝剂联用， 能去除一部分有机物，在大规模工业废水硬度处理中具有广泛的应用。但是采用石灰 - 纯碱法同时除硬除硅相互影响方面的研究不多，有待进一步研究。

鉴于反渗透浓水除硬除硅的迫切需求。本论文以某 矿井水反渗透浓盐水为研究对象，采用石灰 - 纯碱 法进行除硬除硅实验，重点讨论双碱法在除硬除硅之间的关联性，并研究了双碱法在实际工程应用中的效果，为除硬除硅一体化工艺奠定基础。

1. 实验部分

1.1 实验原料实验水源：实验所用水源为矿井水脱盐段反渗 透浓盐水，反渗透原水为煤矿井下废水，反渗透浓盐水水质见表 1。

实验药剂：聚合硫酸铁 （PFS）：液态，含量11.65%，密度1 320 g/L；聚合物（PAM）：干粉，阴离子；石灰：干粉，纯度91.75%；碳酸钠：干粉，纯度99.39%。实验过程：取水样 1 L 放入烧杯中，加入一定量 石灰后在 150 r/min 下搅拌 2 min，然后加入一定量 的碳酸钠，在 150 r/min 下搅拌 2 min，静止 15 min后取上清液进行测试。

1.2 检测方法 检测分析：总硬度采用 GB/T 6910－2006 与GB/T 6909－2008 分析方法进行检测；硅含量采用DL/T 502.3－2006 分光光度法进行检测；pH 采用GB/T 6904－2008 分析方法，PHS-3C 型酸度计进行 检测；浊度采用 GB/T 12151－2005 分析方法进行检 测；碱度采用 GB/T 15451－2006 分析方法进行检测；TDS 采用 GB/T 14415－2007 分析方法进行检测。

1.3 工艺流程

浓盐水通过进水泵提升进入高密度沉淀池，在一 个反应格先通过加药泵投加Ca(OH)2，调节 pH 在 11以上，降低水中硬度、碱度和总硅，然后进入第二个反 应格，投加 Na2CO3 进一步降低废水硬度，然后进入第 三个反应格，投加聚合硫酸铁，形成较大絮体，出水进入反应格，投加 PAM 并通过反应搅拌机混合形成大 量成片絮体，进入高密池澄清分离区域，上清液进入 集水槽流入中和水池。高密池定期排出污泥进入污泥 池，高密池设置刮泥机防止污泥沉积并将污泥刮入中 间污泥斗，然后通过排泥泵排入污泥池。

2 结果与讨论

2.1 去除效果影响

2.1.1 石灰加药量的影响 在原水总硬度 556 mg/L、pH 为 7.4、硅含量为28 mg/L 条件下，只加入 Ca(OH)2，Ca(OH)2 加入量对反渗透浓水除硅的影响如图 1 所示。由图 1可知，在含量在 2 000 mg/L 以下，硅的去除率变化不大，并 且去除率很低，Ca(OH)2 的加入量超过 2 000 mg/L后，去除率迅速上升。

在实验室过程中 pH 随着 Ca(OH)2 投加量的增 加而增加，因此，进一步追加实验，同时检测反应过 程中 pH 的变化，结果如图 2 所示。由图 2 可知，在 原水总硬度 648 mg/L、pH 为 7.75、硅含量为 31mg/L 条件下，随着 Ca(OH)2 加入量的增加，硅的去 除率逐渐提高，并且 pH 也在增加。这可能是由于Ca(OH)2 加入量增加，pH 升高，导致硅溶解度增加， 进而有更多的可溶解硅与 Ca(OH)2 反应被去除。

2.1.2 碳酸钠加药量的影响

在原水总硬度 648 mg/L、pH 为 8.35、硅含量为32 mg/L、pH 加入量为 2200 mg/L 条件下，Na2CO3 加入量对反渗透浓水除硅除硬度的影响如图 3 所 示。由图 3 可知，随着 Na2CO3 加入量的增加，硅的去 除率逐渐降低，但是硬度的去除率逐渐上升。

进一步进行验证。在原水总硬度 556 mg/L、pH为 7.4、硅含量为 28 mg/L、Ca(OH)2 加入量为 1 000mg/L 条件下，拉大 Na2CO3 加入量的范围，结果如图 4 所示。得出同样的结论，硬度去除率升高的同时硅的去除率降低，硬度的去除率最高可达 95%。从以 上结果可以看出，二氧化硅的去除与总硬的去除是 一个矛盾体，硅的去除率与总硬度的去除率呈现相反的趋势。

2.1.3 分步加药的影响

根据以上结果，在投加 Ca (OH)2 的同时投加Na2CO3 不能同时高效的去除硅和总硬度。为此，先 投加 Ca(OH)2，然后取反应后的上清液，在上清液中投加 Na2CO3。在原水总硬度 450 mg/L、pH 为 8.3、硅含量为 30 mg/L 的条件下进行实验，具体实验条件及分步加药对硅、硬度的去除率见表 2。

由表 2 可知，随着 Ca(OH)2 和 Na2CO3 加入量的增加，硅和总硬度的去除率同时逐渐上升，总硬度去 除率可达 97.5%，硅的去除率可达 84%。因此除硬度 和除硅可以分为两步走，先投加足量的 Ca(OH)2 将 硅降低到一个相对较低的范围，然后取上清液再投加Na2CO3 降低总硬，可同时达到高效除硅除硬的效果。

2.2 应用分析

2.2.1 项目工艺简介工艺应用项目为鄂尔多斯某矿井水零排放与资 源化项目。高密池工艺段来水为前段反渗透浓水，反 渗透浓水进入原水调节池，经过高密池除硅除硬后， 进入后续多介质过滤、树脂软化器进一步去除硬度 后，进入高压反渗透膜系统进行进一步脱盐处理，产 水回用，浓水送往后续蒸发结晶段进行处理。

2.2.2 工艺应用效果 项目高密池工艺从 2018 年 8 月 20 日至 10 月20 日的运行情况见图 5。由图 5 可知，来水总硬度去 除率稳定在 95%以上，说明高密池工艺可以很好的去 除水中硬度，但是硅的去除率比较低，这与前文实验结果吻合，所以后续高密池可以进行改进，先投加 足量的 Ca (OH)2 将硅降低到一个相对较低的范围，经过沉淀后，上清液进入后续反应池再投加 Na2CO3 降低总硬度，可同时达到高效除硅除硬的效果。

2.2.3 工艺运行成本

项目高密池工艺的吨水运行成本：Ca (OH)2 消 耗量为 8 631 kg/d，运行费用为 0.28 元 /t；Na2CO3 消 耗量为 21 533 kg/d，运行费用为 2.08 元 /t；混凝剂消耗量为 1 033.6 kg/d，运行费用为 0.04 元 /t；助凝 剂消耗量为 10.33 kg/d，运行费用为 0.01 元 /t；电耗54 000 kWh，运行费用为 1.85 元 /t；污泥处理费 50元 /t，运行费用为 0.38 元 /t。药剂消耗量取实际运行中加药量平均值。项目药剂价格与电费按照市场价 格计算，项目吨水运行成本为 4.64 元。

3 结 论

1） 在反渗透浓盐水实验与高密池工艺实际运行情况中，硅的去除与总硬的去除是一个矛盾体，硅的去除率与总硬度的去除率呈现相反的趋势；

2）采用分步加入 Ca(OH)2 和 Na2CO3 的实验方法，硅和总 硬度的去除率同时提高，总硬度去除率可达 97.5%， 硅的去除率可达 84%；

3）现有高密池工艺项目吨水处理成本为 4.64 元，可以对高密池工艺进行改进， 先投加足量的 Ca(OH)2 将硅降低到一个相对较低的范围，经过沉淀后，上清液进入后续反应池再投加Na2CO3 降低总硬，可同时达到高效除硅除硬的效果，有望降低整体项目水处理成本。