电厂化学水处理之电厂用水的类别及水质指标

电厂化学水处理之电厂用水的类别及水质指标一、电厂用水的类别水在火力发电厂水汽循环系统中所经历的过程不同，水质常有较大的差别。因此根据实用的需要，人们常给予这些水以不同的名称。它们是原水、锅炉补给水、给水、锅炉水、锅炉排污水、凝结水、冷却水和疏水等。现简述如下：（1）原水：也称为生水，是未经任何处理的天然水（如江河水、湖水、地下水等），它是电厂各种用水的水源。（2）锅炉补给水：原水经过各种水处理工艺净化处理后，用来补充发电厂汽水损失的水称为锅炉补给水。按其净化处理方法的不同，又可分为软化水和除盐水等。（3）给水：送进锅炉的水称为给水。给水主要是由凝结水和锅炉补给水组成。（4）锅炉水：在锅炉本体的蒸发系统中流动着的水称为锅炉水，习惯上简称炉水。（5）锅炉排污水：为了防止锅炉结垢和改善蒸汽品质，用排污的方法，排出一部分炉水，这部分排出的炉水称为锅炉排污水。（6）凝结水：蒸汽在汽轮机中作功后，经冷却水冷却凝结成的水称为凝结水，它是锅炉给水的主要组成部分。（7）冷却水：用作冷却介质的水为冷却水。这里主要指用作冷却作功后的蒸汽的冷却水，如果该水循环使用，则称循环冷却水。（8）疏水：进入加热器的蒸汽将给水加热后，这部分蒸汽冷却下来的水，以及机组停行时，蒸汽系统中的蒸汽冷凝下来的水，都称为疏水。在水处理工艺过程中，还有所谓清水、软化水、除盐水及自用水等。二、水质指标所谓水质是指水和其中杂质共同表现出的综合特性，而表示水中杂质个体成分或整体性质的项目，称为水质指标。由于各种工业生产过程对水质的要求不同，所以采用的水质指标也有差别。火力发电厂用水的水质指标有二类：一类是表示水中杂质离子的组成的成分指标，如Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-、SO42-等；另一类指标是表示某些化合物之和或表征某种性能，这些指标是由于技术上的需要而专门制定的，故称为技术指标。表征水中悬浮物及胶体的指标（1）悬浮固体。悬浮固体是水样在规定的条件下，经过滤可除出的固体，单位为毫克/升（mg/L）。这项指标仅能表征水中颗粒较大的悬浮物，而不包括能穿透滤纸的颗粒小的悬浮物及胶体，所以有较大的局限性。此法需要将水样过滤，滤出的悬浮物需经烘干和称量等手续，操作麻烦，不易用作现场的监督指标。（2）浊度。浊度是反映水中悬浮物和胶体含量的一个综合性指标，它是利用水中悬浮物和胶体颗粒对光的饿散射作用来表征其含量的一种指标，即表示水浑浊的程度。浊度是通过专用仪器测定的，操作简便迅速。由于标准水样配制方法不同，所使用的单位也不相同，目前以硫酸肼（N2H4SO4）和六次甲基四胺[（CH2）6N4]配制成浑浊液为标准，与水样相比较，其单位用福马肼（FTU）表示。（3）透明度。透明度是利用水中悬浮物和胶体物质的透光性来表征其含量的另一中指标，即表示水透明程度的指标，单位为厘米（cm）。水的透明度与浊度成反比，水中悬浮物含量越高，其透明度越低。由于它是通过人的眼睛观察水层厚度来确定水中悬浮物含量的，因此它带有人为的随意性。2．表征水中溶解盐类的指标（1）含盐量。含盐量是表示水中各种溶解盐类的总合，由水质全分析的结果，通过计算求出。含盐量有两种表示方法：一是摩尔表示法，即将水中各种阳离子（或阴离子）均按带一个电荷的离子为基本单位，计算其含量（mmol/L），然后将它们（阳离子或阴离子）相加；二是重量表示法，即将水中各种阴、阳离子的含量以mg/L为单位全部相加。由于水质全分析比较麻烦，所以常用溶解固体近似表示，或用电导率衡量水中含盐量的多少。（2）溶解固体。溶解固体是将一定体积的过滤水样，经蒸干并在105~1100C下干燥至恒重所得到的蒸发残渣量，单位用毫克/升（mg/L）表示。它只能近似表示水中溶解盐类的含量，因为在这种操作条件下，水中的胶体及部分有机物与溶解盐类一样能穿过滤纸，许多物质的湿分和结晶水不能除尽，碳酸氢盐全部转换为碳酸盐。（3）电导率。表示水中离子导电能力大小的指标，称作电导率。由于溶于水的盐类都能电离出具有导电能力的离，所以电导率是表征水中溶解盐类的一种代替指标。水越纯净，含盐量越小。电导率越小。水的电导率的大小除了与水中离子含量有关外，还和离子的种类有关，单凭电导率不能计算水中含盐量。在水中离子的组成比较稳定的情况下，可以根据试验求得电导率与含盐量的关系，将测得的电导率换算成含盐量。电导率的单位为微西/厘米（uS/cm）。三．表征水中易结垢物质的指标表征水中易结垢物质的指标是硬度，它是指水中某些易于形成沉淀的金属离子，它们都是二价或二价以上的金属离子。在天然水中，形成硬度的物质主要是钙、镁离子，所以通常认为硬度就是指水中这两种离子的含量。水中钙离子含量称钙硬（Hca），镁离子含量称镁硬（HMg），总硬度是指钙硬和镁硬之和，即H=HCa+HMg=[（1/2）Ca2+]+[（1/2）Mg2+]。根据Ca2+、Mg2+与阴离子组合形式的不同，又将硬度分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度。（1）盐硬度（HT）是指水中钙、镁的碳酸盐及碳酸氢盐的含量。此类硬度在水沸腾时就从溶液中析出而产生沉淀，所以有时也叫暂时硬度。（2）非碳酸盐硬度（HF）是指水中钙、镁的硫酸盐、氯化物等的含量。由于这种硬度在水沸腾时不能析出沉淀，所以有时也称永久硬度。硬度的单位为毫摩尔/升（mmol/L），这是一种最常见的表示物质浓度的方法，是我国的法定计量单位。在美国硬度单位为ppmCaCO3，这里的ppm表示百分之一，它与mg/L大致相当；在德国硬度单位采用的是德国度oG，1oG相当于10mg/LCaO所形成的硬度。以上几种硬度单位的关系如下：1mmol/L=2.8oG=50ppmCaCO31、征水中碱性物质的指标表征水中碱性物质的指标是碱度，碱度是表示水中可以用强酸中和的物质的量。形成碱度的物质有：（1）强碱，如NaOH、Ca（OH）2等，它们在水中全部以OH-形式存在；（2）弱碱，如NH3的水溶液，它在水中部分以OH-形式存在；（3）强碱弱酸盐类，如碳酸盐、磷酸盐等，它们水解时产生OH-。在天然水中的碱度成分主要是碳酸氢盐，有时还有少量的腐殖酸盐。水中常见的碱度形式是OH-、CO32-和HCO3-，当水中同时存在有HCO3-和OH-的时候，就发生如（2-2）式的化学反应，HCO3+OH-→CO32-+H2O（2-2）故一般说水中不能同时含有HCO3-碱度和OH-碱度。根据这种假设，水中的碱度可能有五种不同的形式：只有OH-碱度；只有CO32-碱度；只有HCO3-碱度；同时有OH-+CO32-碱度；同时有CO32-+HCO3-碱度。水中的碱度是用中和滴定法进行测定的，这时所用的标准溶液是HCl或H2SO4溶液，酸与各种碱度成分的反应是，OH-+H+→H2O（2-3）CO32-+H+→HCO3-（2-4）HCO3-+H+→H2O+CO2（2-5）如果水的PH值较高，用酸滴定是，上述三个反应（2-3）、（2-4）、（2-5）将依次进行。当用甲基橙作指标剂，因终点的PH值为4.2，所以上述三个反应都可以进行到底，所测得的碱度是水的全碱度，也叫甲基橙碱度；如用酚酞作指示剂，终点的PH值为8.3，此时只进行（2-3）、（2-4）式的反应，反应式（2-5）并不进行，测得的是水的酚酞碱度。因此，测定水中碱度时，所用的指示剂不同，碱度值也不同。碱度的单位为毫摩尔/升（mmol/L），与硬度一样，在美国和德国分别用ppmCaCO3和oG为单位。2、表示水中酸性物质的指标表示水中酸性物质的指标是酸度，酸度是表示水中能用强碱中和的物质的量。可能形成酸度的物质有：强酸、强酸弱碱盐、弱酸和酸式盐。天然水中酸度的成分主要是碳酸，一般没有强酸酸度。在水处理过程中，如H离子交换器出水出现有强酸酸度。水中酸度的测定是用强碱标准来滴定的。所用指示剂不同时，所得到的酸度不同。如：用甲基橙作指示剂，测出的是强酸酸度。用酚酞作指示剂，测定的酸度除强酸酸度（如果水中有强酸酸度）外，还有H2CO3酸度，即CO2酸度。水中酸性物质对碱的全部中和能力称总酸度。这里需要说明的是，酸度并不等于水中氢离子的浓度，水中氢离子的浓度常用PH值表示，是指呈离子状态的H+数量；而酸度则表示中和滴定过程中可以与强碱进行反应的全部H+数量，其中包括原已电离的和将要电离的两个部分。3、表示水中有机物的指标天然水中的有机物种类繁多，成分也很复杂，分别以溶解物、胶体和悬浮状态存在。因此很难进行逐类测定，通常是利用有机物比较容易被氧化这一特性，用某些指标间接地反映它的含量，如化学氧化、生物氧化和燃烧等三种氧化方法，都是以有机物在氧化过程中所消耗或氧化剂的数量来表示有机物可氧化程度的。（1）化学耗氧量（COD）。在规定条件下，用氧化剂处理水样时，水样中有机物氧化所消耗该氧化剂的量，即为化学耗氧量。计算时折合为氧的质量浓度，简写代号为COD，单位用毫克/升O2表示。化学耗氧量越高，表示水中有机物越多。常采用的氧化剂有重铬酸钾和高锰酸钾，氧化剂不同，测得有机物的含量也不同。如用重铬酸钾K2Cr2O7作氧化剂，在强酸加热沸腾回流的条件下，以银离子作催化剂，可对水中85%~95%以上的有机物进行氧化，不能被完全氧化的是一些直链的、带苯环的有机物，但这种方法基本上能反应水中有机物的总量。如用高锰酸钾作氧化剂，只能氧化约70%的一些比较容易氧化的有机物，并且有机物的种类不同，所得的结果也有很大差别，所以这项指标具有明显的相对性，目前它较多地用于轻度污染的天然水和清水的测定。（2）生化需氧量（BOD）。在特定条件下，水中的有机物和无机物进行生物氧化时所消耗溶解氧的量，即为生化需氧量。单位也用毫克/升O2表示。构成有机体的有机物大多是碳水化合物、蛋白质和脂肪等，其组成元素是碳、氢、氧、氮等，因此不论有机物的种类如何，有氧分解的最终产物总是二氧化碳、水和硝酸盐。生物氧化的整个过程一般可分为两个阶段，第一个阶段主要是有机物被转化为二氧化碳、水和氨的过程；第二个阶段主要是氨转化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程。对于工业用水，因为氨已经是无机物，它的进一步氧化，对环境卫生的影响较小，所以，生化需氧量通常只指第一阶段有机物氧化所需的氧量。通常都以5天作为测定生化需氧量的标准时间，称5天生化需氧量，用BOD5表示。试验证明，一般有机物的5天生化需氧量约为第一阶段生化需氧量的70%左右，因此，BOD5具有一定的代表性。此外，用仪器测定有机物完全燃烧后所产生的气体来反映总含碳量的，称为总有机碳（简称TOC），或反映消耗氧的量的，称总需氧量（简称TOD）。下表为我公司用淡水水质全分析资料，供学习时参考北海电厂一期工程水质全分析资料（时间：2003.1.22）水源：地下水项目5＃井6＃井7＃井8＃井9＃井PH（25℃）4.614.504.604.614.40全固形物（mg/L）31.430.524.823.526.8总硬度（mmol/L）0.03540.02270.01030.03200.0370暂时硬度（mmol/L）0.03540.02270.01030.03200.0370总碱度（mmol/L）0.06910.04510.05090.07230.0272甲基橙碱度（mmol/L）0.06910.04510.05090.07230.0272CODMn（mgO2/L）电导率（25℃）（μS/cm）31.128.727.631.034.2游离二氧化碳（mg/L）179.0147.0131.90187.0112.0K+（mg/L）0.390.070.030.280.09Na+（mg/L）2.772.02.992.02.48Ca2+（mg/L）1.410.910.381.311.52Fe3+（mg/L）0.450.150.130.280.10R2O3（mg/L）0.640.210.190.400.14HCO3-（mg/L）4.212.753.104.411.66Cl-（mg/L）3.692.583.311.814.12SiO2（全）（mg/L）20.5022.1016.3017.3017.60SiO2（溶）（mg/L）11.8910.217.9811.6711.0备注：表中各种物质的基本单元为eq\o(\s\do-8(１),\s\do0(—),\s\do8(ｎ))Men全硅含量最大值：≈25mg/L。其它未列指标含量约为零。四、天然水中几种主要化合物的化学特性天然水中含有杂质的种类虽然较多，但天然水中主要杂质的种类差不多是一致的，它们总是几种常见的化合物，所以在研究水的净化处理时，只需研究若干常见的化合物。1、碳酸化合物碳酸和它的盐类统称碳酸化合物，在天然水中特别是在含盐量较低的水中，含量最大的化合物常常是碳酸化合物。而切，在自然界发生的自然现象中，如天然水对酸、碱的缓冲性，沉积的生成与溶解等，碳酸也常常起非常重要的作用。（1）碳酸化合物的存在形式水中碳酸化合物通常有以下四种形式：溶于水的气体二氧化碳；分子态碳酸；碳酸氢根及碳酸根。在水溶液中，这四种碳酸化合物之间有下列几种化学平衡：CO2(aq)+H2O≒H2CO3（2-6）H2CO3≒H++HCO3-（2-7）HCO3-≒H++CO32-（2-8）若把上述平衡式综合起来可以得到CO2(aq)+H2O≒H2CO3≒H++HCO3-≒2H++CO32-（2-9）利用上述关系式解决有关碳酸化合物的问题是有困难的，因为在进行水分析时，不能区分水中的二氧化碳和碳酸，用酸碱滴定测得的二氧化碳是两者之和。实际上，分子态的碳酸的形态只占总量的百分之一以下，故实际工作中可以将二氧化碳和碳酸一起用二氧化碳表示，此时式（2-9）式可表示为CO2+H2O≒H++HCO3-≒2H++CO32-（2-10）（2）碳酸化合物的形态与PH值的关系碳酸为二元弱酸，可进行分级电离。不同温度下有着不同的电离平衡常数，如在25时，的平衡常数值为：（2-11）（2-12）式中K1--H2CO3的一级电离平衡常数K2--H2CO3的二级电离平衡常数[]--表示相应物质的浓度f1、f2--分别表示1价和2价离子的活度系数PH值和各种碳酸化合物相对含量间的关系。碳酸化合物在各种溶液中的相对含量主要取决于该溶液的PH值。设碳酸化合物总浓度为Cmol/L，则[CO2]+[HCO3-]+[CO32-]=C（2-13）根据H2CO3一级电离平衡常数（2-12）式，以及（2-13）式，并假定在稀溶液中f1和f2可视为1，那么可解得一定的pH值条件下各种碳酸化合物的相对量，如（2-15）、（2-16）、（2-17）式所示（2-15）（2-16）（2-17）根据（2-15）～（2-17）式，可绘制图2-4所示的pH值与各种碳酸化合物相对量的关系曲线。由图可知，当pH≤4.2时，水中碳酸化合物基本是CO2；当pH=4.2～6.3时，CO2和HCO3-同时存在；当pH=8.3时，白分之98%以上的碳酸化合物呈HCO3-状态；当PH≥8.3时，HCO3-和CO32-同时存在。pH、[HCO3-]、[CO32-]和[CO2]的关系。由图2-4可知，在pH〈8.3时，碳酸进行的是一级电离，将（2-11）式等号两边取负对数并加以整理，则得pH＝pK1+lg[HCO3-]–lg[CO2]+lgf1对于稀溶液，f1=1,lgf1=0;在25℃时，PK１＝6.35；所以pH＝6.35＋lg[HCO3-]-lg[CO2](2-19)对于pH<⒏3的天然水来说，因为水中碳酸氢根的浓度实际就是水中的碱度（B），于是（2—19）式可变为pH＝⒍35+lg[B]-lg[CO2](2-20)当水的pH>⒏3时，由碳酸的二级电离平衡方程式（2-12），可求得pH＝⒑33+lg[CO32-]-lg[HCO3-](2-21)2、硅酸化合物硅酸是一种比较复杂的化合物，它的形态多，在水中有离子态、分子态以至胶态。硅酸的通式为xSiO2·yH2O。当x和y等于1时，分子式可写成H2SiO3,称为偏硅酸；当x=1,y=2时，分子式为H4SiO4，成为正硅酸；当x>1时，硅酸呈聚合态，称多硅酸。当硅酸的聚合度增大时，它会由溶解态转化成胶态，当其浓度较大时，会呈凝胶状析出。当水的pH值不很高时，溶于水的二氧化硅主要是分子态的简单硅酸，至于这些溶于水的硅酸到底是正硅酸还是偏硅酸的问题，还有待研究。因为硅酸通常显示出二元酸的性质。所以本书中均以偏硅酸来表示。硅酸的酸性很弱，电离度不大，所以当纯水中含有硅酸时不易用pH或电离率检测出来。当pH值增大到9时，二氧化硅的溶解度就明显增大，此时硅酸电离成H2SiO3的量增多，所以溶解的二氧化硅除了生成硅酸外，还会生成大量的H2SiO3,其反应方程式为H2SiO3=HSiO-3+H+当pH值较大，且水中溶解的硅酸化合物较多时，他们会形成多聚体，其反应方程式为4H2SiO3=H6Si4O2-12+2H+在天然水中，硅酸化合物是常见的杂质。它来自水流经地层时与含有硅酸盐和铝硅酸盐岩石的反应。地下水的硅酸化合物含量通常比地面水多，天然水中硅酸化合物（以二氧化硅表示）含量一般在1～20mg/L范围内，地下水有高达60mg/L的。硅酸化合物的许多形态会影响到它的测定方法。通常采用的铝蓝比色法能测得的只是水中分子量较低的硅酸化合物。至于分子量较大的硅酸，有的不与钼酸反应，有的反应缓慢。根据此种反应的能力不同，水中硅酸化合物可分成两类。那些能够直接用比色法测得的称为活性二氧化硅（简称活性硅），不能测得的称为非活性二氧化硅。