石灰-碳酸钠软化技术浅谈
张志军
（青海云天化国际化肥有限公司氮肥产品部，青海湟中，810000）摘要：软化水作为水处理装置的源头，其软化效果为后系统能否正常运行或最终出水指标的控制发挥着重要作用。
石灰-碳酸钠软化法作为国内经济、普遍的软化处理工艺，其控制和软化效果与单纯的石灰软化法相比有较大的差异，本文从工艺、原理、指标等方面作了进一步分析。
关键词: 原理离子含量硬度溶度积成本
1 概述
青海云天化化肥公司原水软化装置于2016年建成投产，其主要工艺流程为：园区管网来水进入首先进入混凝剂投加池，加聚合硫酸铁，通过搅拌机搅拌，经快速混合后进入石灰投加池，然后进入絮凝池，絮凝池中投加碳酸钠和PAM，不断形成矾花。
最后进入沉淀池，矾花下沉，澄清水经斜管分离后送下一工序。
沉降的泥渣部分与进水混合，底部多余的泥渣外送公司渣场。
2 化学原理
（1）、石灰一般用于去除水中的碳酸盐硬度（暂时硬度）：熟石灰配置成石灰乳液后加入，与原水接触后，先与 CO2 反应，然后将水中的暂时硬度去除，反应原理如下：CO2 +Ca(OH)2 →CaCO3↓+ H2O
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 →2CaCO3↓+ 2H2O
Mg(HCO3)2+ Ca(OH)2→MgCO3+CaCO3↓+ 2H2O MgCO3 + Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+CaCO3↓（2）、去除水中永久硬度（非碳酸盐硬度）： CaSO4 +Na2CO3→CaCO3↓+Na2SO4
CaCl2 +Na2CO3 →CaCO3↓+2NaCl
MgSO4 +Na2CO3→MgCO3 +Na2SO4
MgCl2 +Na2CO3 →MgCO3 +2NaCl
在较高 pH值时，MgCO3很快水解：
MgCO3 +H2O→Mg(OH)2↓+CO2↑
碳酸钠也能去除部分暂时硬度：
Ca(HCO3)2+ Na 2CO3→CaCO3↓+ 2NaHCO3 Mg(HCO3 )2 +Na2CO3 →MgCO3 +2NaHCO3
MgCO3 +H2O→Mg(OH)2↓+CO2↑
3 物理原理
在泥渣悬浮层上方按装倾角60度的斜管组件，便原水中的悬浮物，固体物或经投加混凝剂后形成的絮体矾花，在斜管底侧表面积积聚成薄泥层，依靠重力作用滑回泥渣悬
浮层，继而沉入集泥斗，上清液逐渐上升至集水管排出进入下游工序。
泥渣悬浮层则根据离子溶度积规则：Ksp=[A+]m[B-]n
当溶液中
[A+]m•[B-]n>Ksp 有沉淀生成，沉淀完全后，溶液呈饱和状态；
[A+]m•[B-]n=Ksp 无沉淀生成，溶液呈饱和状态；
[A+]m•[B-]n<Ksp 溶液不饱和，尚可溶解少量固体；
4 水中离子的假想分析
软化后的水搅拌反应加热后，溶解度变小，会按一定的规律有先有后分别结合成某些化合物从水中沉淀析出，析出顺序如下：
c(1/2Ca 2+)=2.4 c(1/2Mg2+)=1.2 c(1/2Na+)=1.
2
c(HCO3-)
=1.2
c(1/2SO42-)=1.8 c(Cl-)=1.8
c(1/2Ca (HCO3)2) =1.2 c(1/2
CaSO4)
=1.2
c(1/2
MgSO4)
=0.6
c(1/2
MgCl2)
=0.6
c(Na
Cl)=
1.2
因此，根据以上离子的假想结合，水中
大量的Ca2+和 Mg2+以CaCO3和Mg(OH)2沉淀物
的形式被去除，而剩余离子之间结合成较大
含量的CaSO4、MgSO4、MgCl2和剩余碳酸盐的
结合物Ca(HCO3)2需要加入Na2CO3药剂去除。
5 数据分析
（1）、大石门水库来水指标：
取样时
间
原水（大石门水库）
Ca2+Mg2+总硬度总碱度
2018.
11.2
40.9
mg/l
36.1
mg/l
364.25
mg/l
178.22
mg/l
2018.
11.12
134.2
mg/l
16.1
mg/l
357.98
mg/l
183.59
mg/l
2018.1
1.14
90.5
mg/l
47.8
mg/l
301.79
mg/l
237.07
mg/l
（2）、石灰法软化出水指标：
取样时间软化出水
总硬度总碱度
2018.11.2 201.30mg/l 133.64 mg/l
2018.11.12 156.4 mg/l 67.5 mg/l
2018.11.14 134.20mg/l 55.47mg/l
从去年的几组加样和运行数据分析：
我公司来水的水质硬度在350-400
（mg/l）左右、碱度150-250（mg/l）左右，
且每日水质指标不稳定。
经查阅水处理相关
资料和同行的运行数据得知：石灰软化法总
硬度的去除率在50%左右。
从上表的数据可以得出：总硬度的平均去除
={(364.2-201.3)/364.2+(357.9-156.4)/
357.8+(301.7-134.2)/301.7}/3*100%
=52.1%
所以说我公司石灰软化法已经达到石灰法工艺去除硬度的理论效果。
再从去年后半年软化水出水的总体指标来看，硬度平均在160mg/I,碱度在70mg/l 左右。
查阅相关水处理资料得知石灰软化法去除硬度后：剩余碳酸盐硬度：0.25~0.5mmol/L（25-50mg/l）；剩余碱度：0.8~1.2mmol/L；
硅化合物去除率：30%~35%；有机物去除率：约25%；也就是说软化水还存在160-35=125 mg/l左右的非碳酸盐硬度。
综合以上原理、离子含量和取样数据对比分析可得出结论：若想达到工业软化水的标准【软水硬度：<8度（8*17.9mg/I=143.2 mg/l）】,需投用石灰-碳酸钠软化水工艺。
软化水的剩余硬度可降低0.15~0.2mmol/L （15-20mg/l），根据去年的数据软化水硬度可降低到140 mg/l左右，这个指标完全符合工业软化的标准。
6 运行成本分析
2019年因公司生产需要，原水软化装置预恢复碳酸钠加药系统，现对运行成本及效果作简要分析。
1、根据药剂和动力电消耗计算,设计生产1t软化水成本为0.82元。
2、2018年实际平均进水量400m3/h计算（未加碳酸钠药剂、阳离子PAM），生产1t软化水实际成本为0.29元。
3、2019年以平均进水量400m3/h计，增加碳酸钠和阳离子PAM药剂后，生产1t软化水实际成本为0.75元。
因此原水软化装置连续、稳定运行时，2019年比2018年药品和动力电需增加的成本约为0.46元。
按以上增加成本计算全年因恢复纯碱软化法，将增加生产成本约：133.65万元。
7 石灰-碳酸钠软化工艺对水质的影响
1、石灰软化法出水硬度高、碱度偏低，造成后系统PH 波动大。
碱度低说明软化水中（CO32-、HCO3-、OH-）含量偏低，天然水的PH较稳定（是因为阴阳离子均衡水质较稳定）。
而水的PH主要决定于[H+]和[OH-]的含量，碱度低再次说明与[H+]发生中和反应的物质含量较低。
CO32-离子的引入有利于提高碱度，去除硬度，有利于后系统PH 值的调整。
2、从离子交换的选择性：Fe2+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH4+＞Na+＞H+＞Li+来考虑，系统Na+含量的增加，并不影响离子床正常运行。
3、从循环水运行工况来考虑，硬度的降低、碱度的提高有利于浓缩倍数、PH的控制，同时也为公司节水减排做出贡献。
综合所述，石灰-碳酸钠软化与石灰软化法相比药剂成本会有所增加，但水的硬度会降低、碱度会有所提高。
从公司节能减排、后系统运行工况等综合考虑，建议尽早投用石灰-碳酸钠软化工艺，使得我公司水质更
佳，主装置用水设备故障率更低。
参考文献:
1、李道荣水处理剂概论化学工业出版社，
2005
2、何铁林国外循环冷却水处理技术进展[J].
工业水处理，1992，12（4）：3-5
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工业水处理技术北京。