石灰岩溶地区脱盐水制备流程选择

摘要：我国南方岩溶地区的地下水具有Na+，K+，Cl-，SO42-含量低，浊度、细菌含量高的特点，在制备ρ（SiO2）＜0.1mg/L，电导率（25℃）＜uS/cm的低品位脱盐水时，作者建议了三种典型的工艺流程，可供在岩溶地区设计固定床型制取脱盐水装置时参考。

关键词：岩溶地区 石灰软化 过滤 脱盐

　　Ahsttact: The ground water in the karst regions in South China features low contents of Na⁺， K⁺， Cl- and
SO₄^2- and high turbidity and bacteria content. The author has proposed three typical processes for the preparation　of low-grade demineralized water of ρ(SiO₂) ＜0.1mg/L and conductivity (at 25℃) &<5μS/cm， which can be　used for reference in designing fixed-bed demineralized water facilities in the said regions.
　　Keywords: karst region; ground water; lime softening; filtration; demineralization

1 地下水状况

　　在我国云南、广西等省区，石灰岩溶地区广布，地下水可开采量大且埋深较浅，水质大都属重碳酸钙型，含盐量大多不超过400mg／L，Na⁺，K⁺等强碱离子及Cl^-，SO₄^2-等强酸离子含量低，接近于对应地区自然取水点，用离子交换制取脱盐水可取得较好的技术经济效果[1]。该区地下水含水层多由碳酸盐岩类裂隙溶洞含水层构成，地下水类别除局部为承压水外，大部分属潜水，加上溶
洞、裂隙及地下暗河系发育，雨水形成地表径流夹带泥沙及有机物质能较快地进人含水层而形成地下径流。因此地下水的浊度较高，细菌含量较大，一般达每毫升数百个，即使枯水期也不例外。此外，水位、水量有明显季节性变化。

2 预处理

2.1 石灰软化
　　当处理水量较大（每小时数百立方米）时，原水预处理可采用石灰软化，后序离子交换设备，能获得较好的技术经济效果。同时，也可以在软化过程中除浊度和部分胶体及有机质。石灰预处理时可同时考虑投加混凝剂如FeSO4等（还可与镁剂等同时使用），以进一步降低胶体硅含量。

　　采用石灰软化预处理时，在理论上不可能获得硬度小于40mg／L的出水。因为当pH＝10．8时，Mg（OH）₂的溶解度是10mg／L，CaCO₃的溶解度大约为30mg／L，此外CaCO₃和Mg（OH）₂均有形成过饱和溶液的倾向^[2]。然而也有例外，比如在有淤渣层的装置中冷法操作及单独使用高钙消石灰沉淀重碳酸钙时，发现即使在氢氧根碱度每升只有数毫克的的情况下，大约有60％的镁可以被沉淀下来，而这样小的氢氧根碱度在理论上是不足以使Mg²⁺以氢氧化物的形式沉淀的，但某些事实上存在的不寻常的平衡条件会产生此种出乎意料的结果[3]。
2.2 机械过滤
　　当处理水量不大时，可采用机械过滤器进行预处理，并适当降低其滤速，一般认为当机械过滤器为单流时，宜控制滤速，υ≤4m/h，当机械过滤器为双流时，直控制滤速。υ≤6m／h，可使进水浊度ρ（SS）≤20mg／L的出水浊度降至ρ（SS）＜2mg/L。如进水胶体硅含量较大时，在过滤器（池）进水管线上投加混凝剂，使凝聚过程在滤料层中进行，可取得较好的胶体硅去除效果。此外，当后续除盐系统出水对SiO₂含量要求较严时（脱盐系统选用强碱大孔型树脂除外），还可在预处理中采用微孔或微孔膜过滤器，以进一步降低水中胶体硅、有机质、浊度和细菌等含量。滤孔大小的选择可据除盐工艺对进水水质的要求，按表1选择，一般选择0．1－0.45μm孔径。

3．1 除盐水流程简介
　　适应于岩溶地区地下水的除盐系统可据不同型号的阳、阴交换树脂种类，采用如下3种工艺流程，均可取得较好的技术经济效果。
　　①预处理水→弱酸离子交换器→强酸离子交换器叶脱碳器→强碱离子交换器→出水
　　②预处理水→阳离子交换双层床→脱碳器→强碱离子交换器→出水
　　③预处理水→强酸离子交换器→脱碳器→强碱离子交换器→出水
　　限制上述流程选用的主要是交换器工作周期、滤速和再生剂耗量。
3．2 离子交换周期的确定
　　阳离子交换器工作周期可由下列式子计算：[2，4-5]
　　　T_i=E1h1 ／[υ1（Hz-Hy-H1)]　　　(1)
　　　T₂=EZ（h₂－h₂＇）／（υ₂·ck）　（2）
　　　h₂=T1υ2（ck-Hz+Hy+H1）／E2 　　（3）
　　　T_阳=T₁+T₂ （4）
式中：
　　T_阳——阳离子交换器系统工作周期，h；
　　T₁——RCOOH工作周期，h；
　　T₂——RH在RCOOH失效后的工作时间，h；
　　h₁——RCOOH树脂高度，m；
　　h₂——RH树脂高度，m；
　　h₂＇——RH中用于置换RCOOH工作周期T内出水的树脂高度，m；
　　Hz——原水碳酸盐硬度，mmol／L；
　　Hy——原水非碳酸盐硬度，mmol／L；
　　H1——RCOOH出水剩余碳酸硬度，一般取0.05mmol／L；
　　ck——原水总阳离子含量，mmol／L；
　　E1——弱酸树脂工作交换容量，mol／m³［树脂］；
　　E2——强酸树脂工作交换容量，mol／m³［树脂］。
　　如果近似地用Ca2+，Mg2+，Na+，K+表示原水中所含阳离子，则式（3）可转化为：
　　　　　h3＇= K（ck＇+H1+Hy） （5）
　　式中：
　　　　K=T1υ2／E2；
　　　　ck＇=c（Na+）+c（K+），mmol／L。
　　由于强酸树脂再生水平较高且原水Hz／Ck一般大于0．7，故E2＞700mol/m³[树脂］，取TT=24h，υ2=30m／h，即K＜0．51，取K=0.5，则式（5）可转为：
　　　　h3＇＝0.5ck＇+0.5（H1+Hy） （6）
3．3 脱盐水工艺的选择
　　①当ck＇＞0.75mmol／L，宜采用流程①，此时流程①中强酸阳离子交换器T2值不会太大且出水水质在周期T中均较稳定。
　　②当ck＇＞0.6mmol／L，宜采用流程②，此时其阳双层床强弱酸树脂可得较好的配比。
　　③当原水的重碳酸根碱度不超过2mmol／L，采用流程③是可行的。

　　Ahsttact: The ground water in the karst regions in South China features low contents of Na⁺， K⁺， Cl- and
SO₄^2- and high turbidity and bacteria content. The author has proposed three typical processes for the preparation　of low-grade demineralized water of ρ(SiO₂) ＜0.1mg/L and conductivity (at 25℃) &<5μS/cm， which can be　used for reference in designing fixed-bed demineralized water facilities in the said regions.
　　Keywords: karst region; ground water; lime softening; filtration; demineralization

1 地下水状况

　　在我国云南、广西等省区，石灰岩溶地区广布，地下水可开采量大且埋深较浅，水质大都属重碳酸钙型，含盐量大多不超过400mg／L，Na⁺，K⁺等强碱离子及Cl^-，SO₄^2-等强酸离子含量低，接近于对应地区自然取水点，用离子交换制取脱盐水可取得较好的技术经济效果[1]。该区地下水含水层多由碳酸盐岩类裂隙溶洞含水层构成，地下水类别除局部为承压水外，大部分属潜水，加上溶
洞、裂隙及地下暗河系发育，雨水形成地表径流夹带泥沙及有机物质能较快地进人含水层而形成地下径流。因此地下水的浊度较高，细菌含量较大，一般达每毫升数百个，即使枯水期也不例外。此外，水位、水量有明显季节性变化。

2 预处理

2.1 石灰软化
　　当处理水量较大（每小时数百立方米）时，原水预处理可采用石灰软化，后序离子交换设备，能获得较好的技术经济效果。同时，也可以在软化过程中除浊度和部分胶体及有机质。石灰预处理时可同时考虑投加混凝剂如FeSO4等（还可与镁剂等同时使用），以进一步降低胶体硅含量。

　　采用石灰软化预处理时，在理论上不可能获得硬度小于40mg／L的出水。因为当pH＝10．8时，Mg（OH）₂的溶解度是10mg／L，CaCO₃的溶解度大约为30mg／L，此外CaCO₃和Mg（OH）₂均有形成过饱和溶液的倾向^[2]。然而也有例外，比如在有淤渣层的装置中冷法操作及单独使用高钙消石灰沉淀重碳酸钙时，发现即使在氢氧根碱度每升只有数毫克的的情况下，大约有60％的镁可以被沉淀下来，而这样小的氢氧根碱度在理论上是不足以使Mg²⁺以氢氧化物的形式沉淀的，但某些事实上存在的不寻常的平衡条件会产生此种出乎意料的结果[3]。
2.2 机械过滤
　　当处理水量不大时，可采用机械过滤器进行预处理，并适当降低其滤速，一般认为当机械过滤器为单流时，宜控制滤速，υ≤4m/h，当机械过滤器为双流时，直控制滤速。υ≤6m／h，可使进水浊度ρ（SS）≤20mg／L的出水浊度降至ρ（SS）＜2mg/L。如进水胶体硅含量较大时，在过滤器（池）进水管线上投加混凝剂，使凝聚过程在滤料层中进行，可取得较好的胶体硅去除效果。此外，当后续除盐系统出水对SiO₂含量要求较严时（脱盐系统选用强碱大孔型树脂除外），还可在预处理中采用微孔或微孔膜过滤器，以进一步降低水中胶体硅、有机质、浊度和细菌等含量。滤孔大小的选择可据除盐工艺对进水水质的要求，按表1选择，一般选择0．1－0.45μm孔径。

3．1 除盐水流程简介
　　适应于岩溶地区地下水的除盐系统可据不同型号的阳、阴交换树脂种类，采用如下3种工艺流程，均可取得较好的技术经济效果。
　　①预处理水→弱酸离子交换器→强酸离子交换器叶脱碳器→强碱离子交换器→出水
　　②预处理水→阳离子交换双层床→脱碳器→强碱离子交换器→出水
　　③预处理水→强酸离子交换器→脱碳器→强碱离子交换器→出水
　　限制上述流程选用的主要是交换器工作周期、滤速和再生剂耗量。
3．2 离子交换周期的确定
　　阳离子交换器工作周期可由下列式子计算：[2，4-5]
　　　T_i=E1h1 ／[υ1（Hz-Hy-H1)]　　　(1)
　　　T₂=EZ（h₂－h₂＇）／（υ₂·ck）　（2）
　　　h₂=T1υ2（ck-Hz+Hy+H1）／E2 　　（3）
　　　T_阳=T₁+T₂ （4）
式中：
　　T_阳——阳离子交换器系统工作周期，h；
　　T₁——RCOOH工作周期，h；
　　T₂——RH在RCOOH失效后的工作时间，h；
　　h₁——RCOOH树脂高度，m；
　　h₂——RH树脂高度，m；
　　h₂＇——RH中用于置换RCOOH工作周期T内出水的树脂高度，m；
　　Hz——原水碳酸盐硬度，mmol／L；
　　Hy——原水非碳酸盐硬度，mmol／L；
　　H1——RCOOH出水剩余碳酸硬度，一般取0.05mmol／L；
　　ck——原水总阳离子含量，mmol／L；
　　E1——弱酸树脂工作交换容量，mol／m³［树脂］；
　　E2——强酸树脂工作交换容量，mol／m³［树脂］。
　　如果近似地用Ca2+，Mg2+，Na+，K+表示原水中所含阳离子，则式（3）可转化为：
　　　　　h3＇= K（ck＇+H1+Hy） （5）
　　式中：
　　　　K=T1υ2／E2；
　　　　ck＇=c（Na+）+c（K+），mmol／L。
　　由于强酸树脂再生水平较高且原水Hz／Ck一般大于0．7，故E2＞700mol/m³[树脂］，取TT=24h，υ2=30m／h，即K＜0．51，取K=0.5，则式（5）可转为：
　　　　h3＇＝0.5ck＇+0.5（H1+Hy） （6）
3．3 脱盐水工艺的选择
　　①当ck＇＞0.75mmol／L，宜采用流程①，此时流程①中强酸阳离子交换器T2值不会太大且出水水质在周期T中均较稳定。
　　②当ck＇＞0.6mmol／L，宜采用流程②，此时其阳双层床强弱酸树脂可得较好的配比。
　　③当原水的重碳酸根碱度不超过2mmol／L，采用流程③是可行的。