反渗透法海水淡化产品水水质控制指标及水质调整措施

周军

(华北电力设计院工程有限公司，北京 100120)

0 引言

水资源危机已经成为制约全球经济发展、影响社会生活的主要因素之一，因此，海水淡化越来越受到社会各界的重视，海水淡化产业在全球范围内得到了迅猛发展。我国的海水淡化产业近几年也得到了长足发展，海水淡化水作为工业及民用用水已经越来越普遍。但由于工程设计及运行经验相对较少，致使部分系统在投运后出现一些问题，最突出的问题是使用反渗透海水淡化系统所产淡水的系统管道腐蚀问题。通过分析相关腐蚀机理，结合国内外的试验及运行经验，提出反渗透法海水淡化产品水的水质控制指标及水质调整措施［1］。

1 工业水管道的腐蚀原理和腐蚀影响因素

1.1 工业水管道的腐蚀原理

工业水管道的材质多为碳钢或铸铁金属管材，在自然环境下极易发生腐蚀。其腐蚀原理有多种，其中电化学腐蚀是最为广泛的一种。当金属管道接触水溶液或潮湿的大气时，金属表面会形成一种微电池。阳极上发生氧化反应，使阳极发生溶解，阴极上发生还原反应，一般只起传递电子的作用。腐蚀电池形成的主要原理是金属表面吸附了空气中的水分，形成一层水膜，因而使空气中CO2，SO2，NO2等溶解在这层水膜中，形成电解质溶液。而浸泡在这层溶液中的金属含有杂质，如碳钢或铸铁金属管材，即Fe与C的合金，除Fe之外，还含有石墨、渗碳体(Fe3C)以及其他金属和杂质，大多数没有Fe活泼。这样形成的腐蚀电池的阳极为Fe，而阴极为杂质，又由于Fe与杂质紧密接触，使得腐蚀不断进行。相关化学方程式如下:

当水中含有溶解氧时，溶解在铁管腐蚀上占双重地位，一方面，当H+在阴极被陆续还原形成H2后，与水中溶解氧反应形成H2O，使阴极极化现象(H2保护膜)不发生，导致腐蚀加速;另一方面，O2会被吸附于阳极表面而形成保护作用。一般在水管使用年限内，前者作用较显著，故水中若缺乏溶解氧、余氯、NO3－等强氧化剂，腐蚀速率将降低。

铁表面发生氧化反应(Fe→Fe2++2e－)后，Fe2+进入水环境中，若水中含有溶解氧等氧化剂，Fe2+立即被氧化为 Fe3+，再与水溶液中 OH－或形成沉淀物，即铁锈。

1.2 金属管道的腐蚀影响因素

金属的腐蚀受多种因素影响，针对各种腐蚀影响因素的防腐蚀措施见表1。反渗透海水淡化产品水系统的防腐蚀措施同样适用。

2 反渗透法海水淡化产水的特点及水质控制指标

虽然海水反渗透膜的脱盐率已经很高，但反渗透装置出水的总溶解固体TDS(Tatal Dissolved Solids)一般达到200～500 mg/L。表2为某项目反渗透海水淡化装置进出水水质。

从表2可以看出，海水淡化产水pH值、碱度、硬度值很低，而TDS和Cl－含量较高。对照表1可知，这些因素均是促进金属腐蚀的影响因素。因此，防腐蚀措施也应从这些方面着手。

表1 影响水的腐蚀性的主要因素

表2 某项目反渗透海水淡化装置进出水水质

从工程的经济性方面考虑，除非水量很小，一般不采取进一步除盐处理措施来解决Cl－含量较高的问题。工业水系统的严密性较差，因此难以通过除氧来实现防腐蚀。比较经济可行的方法是提高水的pH值、碱度和硬度。但达到什么样的水质指标才能实现防腐蚀的目的?为解决这一问题，国内外同行开展了大量的试验研究工作，并提出了相应的水质控制指标。如文献［2］提出如下指标:总硬度不小于40 mg/L(以CaCO3计)，碱度不小于40 mg/L(以CaCO3计)，最终pH值8～9。国内某些项目的试验数据也基本与此吻合，反渗透法海水淡化产品水在总硬度40～60 mg/L(以 CaCO3计)，碱度40～60 mg/L(以 CaCO3计)，pH 值 8.0～9.0，同时加入缓蚀剂，静态年腐蚀深度为0.030～0.065 mm，属无腐蚀至轻微腐蚀水平。根据上述试验结果，并借鉴国外技术资料，GB/T 50619—2010《火力发电厂海水淡化工程设计规范》确定了反渗透海水淡化产品水作为工业水时建议执行的水质控制指标:

(1)总硬度不宜小于40 mg/L(以CaCO3计);

(2)碱度不宜小于40 mg/L(以CaCO3计);

(3)pH 值(25℃)宜为8.0～9.0。

3 水质调整措施［3-8］

为达到上述水质控制指标，反渗透法海水淡化产品水作为工业用水时，可采取掺混天然淡水、加碳酸盐提高硬度、加碱、CaCO3矿石过滤等矿化处理措施。

3.1 掺混天然淡水

掺混海水也是一种矿化处理措施。但由于海水含盐量过高，且成分复杂，会导致管网腐蚀性增加和口感不好等问题，不适用于海水淡化厂。有条件的项目可以采用掺混天然淡水的方法来提高水的pH值、碱度和硬度。

3.2 添加碳酸盐提高硬度

添加碳酸盐提高硬度一般采用投加二氧化碳后加CaCO3或Ca(OH)2，再调整pH值的方式。

(1)石灰－CO2法。在淡水中加入CO2以达到增加碱度与稳定pH值的功效，石灰则在最后程序以石灰浆液的形式加入，以增加Ca2+离子浓度，并提高pH值。

石灰－CO2法主要的优点是可为系统提供合适的总硬度、总碱度与pH值。主要缺点是设备费用昂贵，尤其是泥浆石灰的供给设备;次要缺点是会造成处理水浊度的上升。每升淡水常用的CO2与石灰的加药量分别为30 mg与30～40 mg。

(2)CaCO3矿石过滤法。CaCO3矿石过滤法主要是使用CaCO3或CaCO3/MgO(云母石)为滤料的滤床来取代传统滤床，并且将CO2溶解于水中，前者使碳酸盐溶解于水中以增加总硬度、总碱度与pH值，后者则可以增加总碱度、pH值。

CaCO3矿石过滤法最主要的优点在于设备费用及操作费用的节省。缺点是处理水的pH值较低，需要在最后处理程序以添加Ca(OH)2的方式调整pH值，每升淡水常用的加药量为15 mg的CO2与30～40 mg的CaCO3。

目前，CaCO3矿石过滤方法在国外有较多的应用案例。据资料介绍，CaCO3矿石可选用石灰石、大理石、方解石等材料，纯度一般要求达到99%。

3.3 碱-缓蚀剂法

反渗透装置产水通过脱气塔降低水中CO2浓度，添加NaOH以中和剩余的CO2，形成，最后加入缓蚀剂。该工艺简单，可操作性强，但缓蚀剂品种和剂量需通过试验确定。

4 结束语

GB/T 50619—2010《火力发电厂海水淡化工程设计规范》仅对反渗透法海水淡化产品水水质调整措施提出了原则性规定，具体工程应综合比较后确定。

［1］GB/T 50619—2010，火力发电厂海水淡化工程设计规范［S］.

［2］United States Department of the Interior Bureau of Reclamation Technical Service Center.Desalting Handbook for Planners［R］//3th ed.Desalination and Water Purification Research and Development Program Report，2003.

［3］张福录，李雪民.反渗透法海水淡化系统的设计［J］.一重技术，2005(5):12 －14，6.

［4］肖建群.沿海电厂海水淡化处理工艺方案的探讨［J］.重庆电力高等专科学校学报，2009(12):12－14，26.

［5］徐丁.反渗透海水淡化系统优化运行与调度研究［D］.杭州:杭州电子科技大学，2012.

［6］卢彦越.反渗透海水淡化系统优化设计的研究［J］.青岛:中国海洋大学，2004.

［7］樊雄，张维润.火力发电厂反渗透法海水淡化系统设计研究［J］.水处理技术，2010(6):90－94.

［8］刘艳辉，冯厚军，葛云红.海水淡化产品水的水质特性及用途分析［J］.中国给水排水，2009(14):88－92.