雷春元，胡瑞柱，李愷弘，黃廷林

(1.西安市自來水有限公司，陜西西安 710082；2.西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，陜西西安 710055)

溫室效應被認為是全球氣候變化的主要原因之一，CO2是所有溫室氣體中占比最高的氣體[1-2]。2021年2月，國務院發(fā)布《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導意見》等相關文件，針對溫室氣體減排、建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系等方面提出了政策性要求。“碳減排”已經(jīng)成為我國一項國家戰(zhàn)略[3]。工業(yè)生產(chǎn)中會產(chǎn)生大量的CO2[4]，將CO2收集并合理應用對“碳減排”“碳中和”具有重要作用[5]。

化學結晶造粒流化床系統(tǒng)是一種以非均相誘導結晶為原理的水質軟化系統(tǒng)，處理時反應器中的誘導晶種使水中硬度離子在軟化藥劑的推動力作用下發(fā)生結晶反應，達到水質軟化目的[6-7]。目前，該系統(tǒng)常被用于飲用水、工業(yè)循環(huán)水補充水以及工業(yè)循環(huán)系統(tǒng)排污水等水質軟化處理，具有良好的應用效果[7-9]。與傳統(tǒng)工藝相比，該系統(tǒng)具有軟化效果好、處理效率高、上升負荷高、水質適應性強等優(yōu)點。理論上，該系統(tǒng)在軟化處理過程中所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物為一種質密、易脫水的結晶顆粒物，研究表明該顆粒物表面Ca元素純度高，回收后可用于工業(yè)煙氣脫硫處理，系統(tǒng)可實現(xiàn)零排放[10]。

1 材料與方法

1.1 原水水質

表1 原水水質指標

1.2 儀器及分析方法

試驗中pH采用哈希HQ40d便攜式pH計測定，硬度采用EDTA滴定法測定，堿度采用酸堿滴定法測定，渾濁度采用哈希2100Q便攜式濁度儀測定。

試驗中使用的設備有磁力攪拌器(上海艾測78-1)、電子天平(浙江君凱順工rj-5025)等。

試驗時使用粒徑為0.1 mm的礦物顆粒作為誘導晶種，CO2采用純度為99%的商品氣體，N2為商品氮氣，純度為99.99%。

1.3 試驗流程

試驗系統(tǒng)如圖1所示。化學結晶造粒流化床生產(chǎn)系統(tǒng)中，軟化藥劑投加點為流化床反應器底部，具有一定的壓力，系統(tǒng)上升負荷可達到80～110 m/h，會產(chǎn)生水力攪拌。為模擬生產(chǎn)性系統(tǒng)中的反應條件，本試驗使用密封抗壓裝置，使用可加熱式磁力攪拌裝置為系統(tǒng)提供機械攪拌作用力，同時控制反應器水溫。反應器為不銹鋼材質，設有壓力表、溫度計、氣體進出口、泄壓口等設施。

圖1 靜態(tài)試驗裝置

試驗時首先加入50 g晶種、1 L原水并將反應器密封。調整攪拌器轉速為350 r/min，調節(jié)溫度后首先加入NaOH溶液，然后加入定量CO2，切換氣體投加閥門通入N2進行加壓。關閉閥門持續(xù)攪拌15 min，對投加前后CO2氣體儲存袋進行稱重以確定CO2投加量。攪拌結束打開泄壓閥，先測定軟化后水中pH，然后使用0.22 μm濾膜進行抽濾，取濾后水測定各項水質指標。

2 試驗結果與分析

2.1 藥劑投加量

2.1.1 NaOH投加量對硬度去除效果的影響

控制水溫為25 ℃，反應壓力為2.5 kg/m2，CO2投加量為0.85 mmol/L，根據(jù)碳酸平衡反應計算，該投加量即為理想狀態(tài)下原水中Ca2+完全去除時所需藥劑量。試驗過程中測定不同NaOH投加量對試驗結果的影響，結果如圖2所示。

圖2 不同NaOH投加量對試驗結果的影響

2.1.2 CO2投加量對硬度去除效果的影響

控制NaOH投加量為1.1 mmol/L，該值為理想狀態(tài)下原水Ca2+完全去除時的藥劑量，其他試驗條件同2.1.1小節(jié)。測定不同CO2投加量時軟化出水水質，結果如圖3所示。

圖3 不同CO2投加量對試驗結果的影響

由上述兩部分試驗結果可知，在化學結晶法中使用CO2與NaOH作為軟化劑可以滿足硬度處理需求，硬度去除率主要由NaOH投加量決定，此外可以通過控制CO2投加量對軟化后水中pH進行調控。

2.2 反應溫度對硬度去除效果的影響

CO2在水中的溶解度與水溫呈負相關關系[15]，需要對不同水溫條件下的試驗效果進行探究?？刂芅aOH、CO2投加量分別為2.5、3.5 mmol/L，反應壓力為2.5 kg/m2，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同反應溫度對試驗結果的影響

2.3 反應壓力對硬度去除效果的影響

化學結晶造粒流化床動態(tài)系統(tǒng)為上向式反應器[7]，該系統(tǒng)采用加壓泵將原水從反應器底部流經(jīng)布水布藥系統(tǒng)送入反應器，經(jīng)反應器軟化后由頂部流出，因此，反應器為承壓密封狀態(tài)。此外，在軟化過程中，隨著誘導晶種粒徑的逐漸增大，反應器內的壓力也不斷提高，藥劑投加點為可變有壓環(huán)境。在靜態(tài)試驗中需對不同壓力條件下的試驗效果進行探究。控制NaOH、CO2投加量分別為2.5、3.5 mmol/L，反應溫度為20 ℃，使用N2調節(jié)反應器內壓力，試驗結果如圖5所示。

圖5 不同反應壓力對試驗結果的影響

3 結論

(1)本文在將CO2和NaOH作為軟化藥劑應用于化學結晶造粒流化床系統(tǒng)中，對高硬度水質進行軟化靜態(tài)試驗。當試驗壓力為2.5 kg/m2、溫度為20 ℃、CO2與NaOH 投加量分別為3.5 mmol/L和2.5 mmol/L時，Ca2+去除率為85.0%，總硬度去除率為74.0%。與目前使用的雙堿法(Na2CO3、NaOH)技術相比，使用CO2進行軟化處理具有出水水質pH低、水質穩(wěn)定好等優(yōu)點。CO2在化學結晶法軟化處理水中具有應用潛力。

(2)試驗中藥劑投加配比、反應溫度、反應壓力等控制條件會對CO2溶解度產(chǎn)生影響。其中NaOH對CO2的溶解具有促進作用；反應壓力升高同樣會使軟化效果提升。因此，在實際應用中需對相關控制條件進行試驗并優(yōu)化CO2溶解效率以獲得良好的軟化效果。

(3)CO2回收用于化學結晶造粒流化床系統(tǒng)達到了碳減排和污水處理的雙重目的,具有良好的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，具有廣闊的應用前景。