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编辑|胖先生的水处理日记
来源|同行交流
以下正文：
大家好，我是胖哥，欢迎阅读我的水处理日记。
昨天，有位水友咨询我说：
“胖工，有个项目，我想用电化学除硬，你觉得可行吗？”
说完，他发来了原水的基本水质数据。
这股水是地下水，不过硬度比较高，富含CaCl₂，Ca²⁺最高含量874mg/L，Mg²⁺最高含量202mg/L。
目前水友他们想把这股水里面的硬度，下降到Ca²⁺含量<50mg/L，Mg²⁺含量<50mg/L，每天的处理量为350m³/h。
我看了后就直摇头，这个处理目标可够低的，单纯电化学估计难以达到。
那位说了：
“电化学还能除硬，我怎么就没听说过？”
这个咱还别抬杠，的确能，而且相关的设备也早已经被开发出来，应用在实际项目中了。
那电化学是怎么除硬的呢？
很简单，电解水时阳极极板表面会产生H⁺，阴极极板表面会产生OH⁻，因而会导致不同类型极板的表面局部区域，呈现出不同的酸碱性。
而水中的Ca²⁺、Mg²⁺钙镁离子，遇到OH⁻，就会生成Ca(OH)₂和Mg(OH)₂沉淀，从水中析出。
但这种水垢并非是在水中形成沉淀，而是会牢牢吸附在阴极板表面。
因此用于除硬的电化学设备，隔一段时间就得人工清理下阴极。
否则阴极区域积攒的水垢厚度太厚，就会导致阴阳极间的电压上升，从而增大处理成本。
▲这就是一种电化学除硬设备运行一段时间后的水垢外观
但这种电化学除硬的阴极表面，只能产生OH⁻，因此对于Mg²⁺的去除率，要高于Ca²⁺。毕竟25℃时Mg(OH)₂的溶度积常数为5.6×10⁻¹²mol/L，而Ca(OH)₂的溶度积常数为5.5×10⁻⁶mol/L，差的太多了。因此一般对于Ca²⁺的去除，多采用CO₃²⁻，以CaCO₃的形式去除，效果会比较好。Ps：CaCO₃的溶度积=2.8×10⁻⁹mol/L。正是基于此，所以常规的加药除硬工艺中，才选用双碱法。也即Ca(OH)₂和Na₂CO₃，或者NaOH和Na₂CO₃的组合。首先，你得明白一个基础知识，那就是硬度的表示方法。
在现行的国标方法中，一般都是以CaCO₃来表示硬度，也就是水中含有1mg/L的CaCO₃，硬度值就=1mg/L。这里多说一嘴，关于硬度的表示方法，我遇到过几个项目，都比较乱，有的业主用CaCO₃表示，有的业主用[CaCO₃]表示。也就是说，如果你的总硬度是用CaCO₃表示的，那在做转换的时候，就是×100g/mol。如果是以[CaCO₃]表示的，那转换的时候，就是×50g/mol。所以一直很迷，尤其是业主本身有时候也不懂，所以这里的数据就显得乱的很。
因为后续咱们得计算中，都是遵循物质守恒这个铁律的，你要是用当量，那就不能忘了乘以价态。因此为了方便大家理解，后面我统一用CaCO₃表示。那么如果水中含有的是其他形式的硬度，如何转化为CaCO₃硬度呢？
c(M²⁺)-二价金属离子的质量浓度，单位mg/L；m(M²⁺)-二价金属离子的相对原子质量，单位g/mol；100-CaCO₃的相对分子质量，单位g/mol。水友的原水中，Ca²⁺含量874mg/L，Mg²⁺含量202mg/L。而水的总硬度=钙硬+镁硬，换算成统一以CaCO₃表示的数值，即为如下所示：874÷40×100+202÷24×100=2185+841.67=3026.67mg/L。换算成摩尔浓度就是3026.67÷100=30.27mmol/L。
至于碱度，通常也是以CaCO₃表示，折算方法和上述硬度的方法相同。假设原水中的碱度物质，都是HCO₃⁻，且以CaCO₃计的数值=1000mg/L，也即摩尔浓度=10mmol/L。接下来咱就算算双碱法除硬工艺中，两种药剂的用量分别是多少。（1）加入NaOH后水中的反应，一共有2个主反应：合计该步骤中，NaOH的总加药量=(10+202÷24×2)×40=1073.33mg/L。合计该步骤中，Na₂CO₃的总加药量=(874÷40-10)×106=1256.1mg/L。又已知水友的每天处理量=350m³/h，那么每天的药剂投加量计算如下所示：
（1）m(NaOH)=350×1073.33×24÷10⁶=9.02t/d；（2）m(Na₂CO₃)=350×1256.1×24÷10⁶=10.55t/d。
主反应方程式一样，无非就是Na₂CO₃的用量更多了，因为它还得兼顾额外投加的那部分Ca²⁺。每天需要投加的CaO总质量为6.31t，计算过程如下所示：(10+202÷24×2)÷2×56×350×24÷10⁶=6.31t/d每天需要投加的Na₂CO₃总质量为22.5t/d，计算过程如下所示：[874÷40-10+(10+202÷24×2)÷2]×106×350×24÷10⁶=22.5t/d。也不见得省钱，纯碱的消耗量直接翻番还多了......除此之外，为了加速沉淀，还需要额外加点PAC和PAM辅助沉淀，这也是成本。对于PAC的加药量，咱就按照5%浓度的PAC溶液投加量1‰，折算固体投加量50mg/L计算吧。每天需要投加的PAC固体=50×350×24÷10³=420kg/d。1‰浓度的阴离子PAM溶液，投加量按照1‰计算，折算固体投加量相当于每天投加PAM固体量为1mg/L。每天需要投加的PAM固体=1×350×24÷10³=8.4kg/d。另外，双碱法除硬后出水pH往往超标，还需要加酸回调pH。因为水中能够影响pH的因素过于复杂，最好是通过小试来确定投加量。如果用NaOH+Na₂CO₃的双碱法，那么最终产生的泥量如下所示：（1）Mg(OH)₂的绝干污泥量=350×24÷10⁶×202÷24×58=4.1t/d；（2）CaCO₃的绝干污泥量=350×24÷10⁶×874÷40×100=18.35t/d。采用高压板框脱水后，假设污泥含水率=60%，则最终每天的产泥量=(4.1+18.35)÷(1-0.6)=56.14t/d。如果是用CaO+Na₂CO₃的双碱法，那么最终产生的泥量如下所示：（1）Mg(OH)₂的绝干污泥量=350×24÷10⁶×202÷24×58=4.1t/d；（2）CaCO₃的绝干污泥量=350×24÷10⁶×874÷40×100+6.31÷56×100=29.62t/d。采用高压板框脱水后，假设污泥含水率=60%，则最终每天的产泥量=(4.1+29.62)÷(1-0.6)=84.29t/d。就这，还不包括加入的PAC、原水中的硅、铁、杂质等引起的沉淀。如果沉淀算固废还好，但要是按照危废来算的话，那可崴了，一吨水的处理成本弄不好得十几、几十块钱。不知道这个成本，这位大哥能不能接受得了......
好了，今天的话题咱们就说到这。
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