煤化工含盐废水处理管线结垢过程及机理

煤化工含盐废水处理管线结垢过程及机理

1 工艺流程

煤化工含盐废水处理系统包括两个工艺单元：一级处理单元和二级处理单元。含盐废水首先进入预加药系统，加药系统通过泵将含有杂质的污水引入一级处理系统，经过调节池进行调节，其中含有少量悬浮物且pH值为5～7的含盐废水进入二级处理系统。

二级处理出水经精密过滤器进行进一步过滤，并送至反渗透装置进行脱盐。其中，反渗透膜产水经泵加压后进入加药系统，由加药泵将含有少量悬浮物且pH值为8～9的含盐废水送入预加药系统中。通过向其中添加酸来降低pH值；或者通过向其中加入碱剂来提升pH值[1]。此外，投加絮凝剂可以进一步强化除污效果。

2 水样采集

该企业原水取自某化工厂外排废水沟，水质较好，由于该企业排水沟改造，废水主要由两部分组成：

(1)清水池排污水：清水池出水水质较差，有时直接排入厂区雨水沟，该部分水体主要由悬浮物组成；

(2)中水系统排放水：中水系统将厂区中生产废水经过多道工序后排入到处理池。

采样过程中，对现场采集的水样进行检测分析，监测项目为pH值、浊度、氨氮、亚硝酸盐氮、溶解氧。取样点均分布在车间污水排放口和中水系统出口处。

2.1 结晶过程

通过实验发现，pH值和浊度对结晶过程有较大影响，且当pH值增加时，结晶度降低。硫酸钙和硫酸镁晶体均为球状颗粒，尺寸较小，其大小多在100～250 nm之间。当pH值低于8.0时，硫酸钙、硫酸镁晶体开始呈不规则形生长，且粒径较大；当pH值高于8.0时(大于10.0)，则出现“双峰”现象。这是因为在较高的pH值下(大于9.0)，溶液中Ca2+和Mg2+离子会以离子形式存在于溶液中。因此当pH=8.0时硫酸钙结晶较为稳定。当溶液的浊度增加时，由于水中杂质沉积物和悬浮物在管道内的堆积引起浊度上升；同时在系统内发生有机物、微生物和无机物沉积使浊度上升[2]。

结晶过程是一个十分复杂的物理化学过程，影响因素多且变化范围广。结晶过程还受外界条件如温度、搅拌速度及晶种等因素的影响。由于不同结晶过程对结晶影响不同，因此控制结晶过程至关重要[3-4]。

2.2 结垢机理

废水处理过程中，含盐废水的结垢类型主要是硫酸钙垢和硫酸镁垢。硫酸钙的结晶过程受溶液pH值、温度、杂质以及有机添加剂等因素影响。硫酸钙垢是由于水中钙离子浓度增加，硫酸根离子与水中的Ca2+作用形成大量的金属草酸钙沉淀。当硫酸根离子与Ca2+作用形成草酸钙盐时，会使水溶液呈弱碱性，pH值升高，减少了水中Ca2+的溶解量，从而降低了pH值。当水中含有少量有机添加剂(如葡萄糖酸钠、柠檬酸)时，由于这些物质的加入会使溶解度降低到一定程度，因而会形成悬浮物而沉积在管壁上形成垢层。

硫酸镁的结晶过程受溶液中Na+、Mg2+浓度影响：当溶液中Na+浓度增大时，Fe2+会优先被氧化成Fe3+。当溶液中存在Ca2+和Mg2+时，由于Ca2+和Mg2+离子都有一定的溶解性和还原性，所以容易被氧化成Fe2+和Mn2+离子。当细胞壁上钙离子浓度升高时，由于铁离子不能通过细胞壁进入到溶液中去结合生成Fe3+或其他沉淀物质而析出成垢。

3 结垢过程

结垢的形成一般是这样的：在一定温度和一定压力下，水中存在着大量的Ca2+、Mg2+，水中盐度越高，水中的Ca2+、Mg2+浓度越高，CaSO4的溶解度越低。当CaSO4结晶沉积于含盐废水管线内壁时，由于钙离子与硫酸根离子结合能力很强，会使垢层较厚。同时含有大量氯化钠(NaCl)

的废水中NaCl含量高、盐度低时也容易产生结垢，且盐度低时形成的CaSO4较多。当系统运行过程中出现结垢现象时，会影响装置正常运行及出水水质；使锅炉腐蚀加剧、化学耗氧量增大；处理后的污水排入市政管网和生活污水处理厂后会造成水资源浪费。因此及时了解并解决煤化工企业含盐废水处理管线结垢问题非常重要。

3.1 结垢机理

(1)结晶。结垢物以可溶性的形式存在，在一定温度下，它与Ca2+、Mg2+作用后会形成碳酸钙、硫酸钙等结垢晶体。结垢物的溶解度受温度、浓度和压力影响很大。

(2)絮凝。在一定条件下，Ca2+、Mg2+离子与水中杂质颗粒发生化学反应，产生絮凝物质(如CaCO3、MgCO3等)，使水中杂质颗粒相互聚集成较大的颗粒(如水垢)。

(3)析出。结垢产物在一定条件下析出，从而使原有的结垢物质凝结成块或砂粒，常有可溶性盐析出。

当结垢产物与周围环境发生反应时会产生大量的热量，所以结垢过程中有少量气体放出；同时，在结垢物表面可能产生许多微小的裂纹或孔隙；还会发生结晶现象，这一现象就是结晶动力学。3.2 结垢产物

由于锅炉结垢中的Ca2+、Mg2+存在于水中，当它们以CaSO4、MgSO4等化合物形式存在时，水中Ca2+、Mg2+含量增加，导致锅炉结垢。当结垢物质以CaSO4形式存在时，其晶体结构为：

CaSO4·0.5H2O→CaSO4(分子式)，其中α-CaSO4·0.5H2O是晶形保持不变的晶型；

α-CaSO4·0.5H2O与晶核表面吸附的水分子反应生成CaCO3沉淀。在结晶过程中，水中Ca2+、Mg2+含量增加，导致结垢现象的发生。

从以上分析可知：某煤化工企业锅炉水结垢产物以CaSO4和MgSO4为主。通过分析可知结垢物质在水中并不是完全以单一形式存在，而是多种物质共同存在的混合结晶结垢产物。因此，某煤化工企业锅炉水结垢机理为：当水中存在大量Ca2+、Mg2+时会有CaSO4结晶沉积；当水中存在大量Mg2+、Ca(OH)2时会有Mg(OH)2沉淀产生。因此当结垢物质中Ca2+、Mg2+含量较高时容易出现结垢现象；当结垢物中CaSO4和MgSO4含量较高时不容易出现结垢现象；当结垢物质中的Ca2+低时则容易形成CaSO4·0.5H2O结垢产物。因此要减少结垢物的形成就需要减少或消除一定浓度的Ca2+、Mg(OH)2。

4 结垢机理

当Ca2+和SO42-浓度较高时，Mg2+和SO42-浓度较低，pH值＜9时，两种离子均不能满足结垢要求，结垢过程开始。硫酸钙和硫酸镁在在一定范围内形成的碳酸钙、硫酸钙和硫酸镁沉淀及氯化钙的结垢率相对较高。结垢过程中，硫酸钙、硫酸镁盐结晶不断生成并沉积在管壁上。硫酸镁盐在水中的溶解度较低，即使在pH值为9时仍能析出。若将这两种物质投加到含盐废水中，其会进一步产生更多结晶并沉积，而形成更大面积的结垢。

当Ca2+、SO42-浓度较低时，对溶液pH值没有影响时，Ca2+、SO42-会加速碳酸钙、硫酸钙和硫酸镁结晶析出。但当pH值较低时(＜9.0)，石膏在溶液中难以溶解并沉淀析出；当溶液的pH值较高(＞10.0)时，石膏会结晶析出，并沉淀后吸附于管壁上。

综上所述，该企业含盐废水处理管线结垢的主要原因是水中硫酸钙和硫酸镁形成晶体；当其生长到一定程度时会导致碳酸钙和硫酸镁结晶沉积。

4.1 对含盐废水的预处理

对含盐废水进行预处理时，可采取投加适量化学药剂来去除水中的Ca2+和SO42-，以达到除垢的目的。投加的化学药剂有：

(1)絮凝剂：能在水中形成微细、稳定的胶体颗粒，它在水中具有较大的比表面积和吸附能力，与污染物形成大的吸附架桥作用。同时，絮凝剂还能吸附废水中一些微小的悬浮物和胶体颗粒。PAC 是常用混凝药剂，它具有价格低廉、高效等特点，在含盐废水处理中被广泛使用。

(2)破乳剂：破乳是将水中分散状态的油珠或乳浊液破乳为较大粒子。投加破乳剂后，可使微小粒子与油类物质分离，从而除去水中分散状态油类物质。