基于水源熱泵的重慶南溫泉洗浴廢水水質分析

摘要：重慶南溫泉洗浴廢水具有水量較大、水溫較高的特點。為利用水源熱泵系統回收溫泉廢水的熱量，針對造成水源熱泵腐蝕的因素，對重慶南溫泉洗浴廢水水質進行分析。結果表明，南溫泉廢水pH、游離氧（O2）和氯離子（Cl-）符合水源熱泵系統的要求，游離二氧化碳（CO2）、硫酸根離子（SO42-）偏高，利用南溫泉廢水作為水源熱泵熱源時要進行預處理，以降低游離二氧化碳和硫酸根離子含量，避免熱泵腐蝕。

關鍵詞：重慶南溫泉；洗浴廢水；水源熱泵；水質分析

中圖分類號：TK11+4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）18-4368-03

熱泵技術是一種有效利用可再生能源和低位熱能的技術[1]。重慶市具有良好的溫泉資源，利用水源熱泵系統回收溫泉廢水的熱量，減少部分熱水制備耗能，是一種環保的能量利用方式[2]。南溫泉主題公園位于重慶市巴南區南泉鎮，為重慶建設“五方十泉”和“打造溫泉之都”的市級重點項目。南溫泉水質呈弱堿性，屬于硫酸鈣型水，水量充足、水溫適度、供水穩定，日出水量2 600 m3，水溫44 ℃左右。溫泉日尾水排放量1 090 m3，水溫32 ℃左右[3]，尾水以洗浴廢水為主，污染輕，適合作水源熱泵水源。

水源水質會影響熱泵系統運行，劣質水源會造成水源熱泵系統中的金屬管道變薄、點狀腐蝕、凹陷甚至穿孔[4，5]，顯著降低使用年限。做好水源熱泵系統用水的水質分析，選擇合理的處理方案，是熱泵系統正常運行的關鍵。鑒于南溫泉地下水水質變化不大，故只進行了5次取樣，為南溫泉水源熱泵系統的設計提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 洗浴廢水

水樣取自重慶市南溫泉花卉園污水井，于2011年11月21日至2012年1月3日客流總量全年最高時期，依據不同客流量設定提取時間，詳情見表1。此期間南溫泉洗浴廢水受污染程度最大，能更科學地指導水源熱泵系統的設計。

1.2 主要儀器及設備

試驗所用主要檢測儀器及設備見表2。

1.3 方法

游離氧（O2）測定：在水樣中加入硫酸錳和堿性碘化鉀，再加濃硫酸，以淀粉作指示劑，硫代硫酸鈉標準溶液滴定。

pH測定：直接讀取pH計數值。

氯離子（Cl-）、硫酸根離子（SO42-）測定：采用離子色譜法。

游離二氧化碳（CO2）測定：采用滴定法，以酚酞作指示劑，氫氧化鈉溶液滴定。

2 結果與分析

2.1 游離氧含量

游離氧含量測定結果見圖1。廢水中游離氧含量低于2.5 mg/L，水源熱泵水質要求游離氧含量低于10 mg/L，南溫泉洗浴廢水中游離氧含量符合水源熱泵水質要求。

2.2 Cl-含量

Cl-含量的檢測結果見圖2。廢水中Cl-含量在23 mg/L左右，水源熱泵水質要求Cl-低于100 mg/L， 南溫泉廢水Cl-含量達到地源熱泵的水質要求。

2.3 pH檢測結果

pH的檢測結果見圖3。洗浴廢水的pH為6.50～7.35，水源熱泵水質要求pH為6.5～8.5，南溫泉廢水pH達到水源熱泵的水質要求。

2.4 SO42-含量

SO42-含量的檢測結果見圖4。廢水中SO42-含量在730 mg/L以上，遠高于地源熱泵的200 mg/L的要求，要進行處理以降低SO42-含量。已知常用處理方法包括：①氯化鋇法。用鋇離子與水中SO42-發生反應生成沉淀，由于硫酸鋇的溶度積很小，所以采用該法去除效果較好。②氯化鈣法。用鈣離子與SO42-反應生成硫酸鈣沉淀，該法去除不如氯化鋇法徹底，但水源熱泵對水中SO42-的要求是低于200 mg/L，氯化鈣處理后也能達到要求。氯化鈣的價格便宜，有一定的競爭力。③離子交換樹脂法。用離子交換樹脂脫SO42-，具有吸附、脫附速率快，耐氧化、鹽損小，操作方便等優點，是一種較好的除SO42-的新方法。④NDS吸附法。使用氫氧化鋯作為離子交換體，可連續、有選擇性地脫除SO42-。

針對南溫泉洗浴廢水特點，由于地源熱泵要求的SO42-含量不超過200 mg/L，要求不高，可以采用氯化鈣法降低洗浴廢水中的SO42-含量，成本低，操作方便。

2.5 游離CO2含量

游離CO2的測定結果見圖5。南溫泉洗浴廢水中游離CO2含量為16 mg/L左右，高于地源熱泵水質要求的10 mg/L，不能滿足地源熱泵的水質要求，要進行處理。常用的降低CO2含量的方法有2種：①采用Liqui-Cel脫氣膜去除水中CO2。②采用多面空心球除碳器去除CO2。其中Liqui-Cel脫氣膜裝置設備緊湊，建議采用。

3 小結與討論

1）由于南溫泉廢水CO2和SO42-含量超出水源熱泵水質的要求，所以要進行處理。對于水源熱泵換熱器的選型，以采用耐腐蝕、壽命長、易清洗的塑料類污水換熱器為佳，可選用具有良好導熱性能的PEX交聯盤管式換熱器，實際使用時在廢水中添加緩腐蝕劑、利用晚間溫泉停止運行期間進行定期管外清洗，以提高換熱器的換熱能力。

2）南溫泉廢水樣品的各檢測項目變化值都不大，水質穩定，用于水源熱泵系統時不用特別處理。今后的研究可對其水質全面監測，并分析其用作雜用水的可行性，實現綜合利用。

3）溶解在水中的游離氧在碳鋼表面會發生氧的去極化作用，對碳鋼產生腐蝕。腐蝕的快慢主要取決于氧的擴散速度，但游離氧的含量也是不可忽視的重要因素。顯然，游離氧含量高，腐蝕速度會增加。游離氧的飽和濃度與水中鹽的含量和溫度有關，隨鹽的濃度的增大和水溫的升高而降低。然而當含氧極為豐富時，氧化作用會使金屬表面形成有保護性的氧化膜，此時腐蝕率反而下降[6]。

4）Cl-不僅容易對不銹鋼造成應力腐蝕，而且還會妨礙金屬鈍化，破壞金屬表面起保護作用的鈍化膜。

5）水中SO42-被還原會形成硫化氫，增加水的腐蝕性，與Fe2+結合成硫化亞鐵，起陰極去極化劑作用，導致電偶腐蝕。

6）水中游離的CO2影響碳酸鹽在水中的化學平衡。從致密的碳酸鈣水垢對碳鋼有保護作用來看， CO2含量高，碳鋼表面易受水腐蝕。CO2溶于水生成碳酸，有利于氫離子的去極化，增加水對碳鋼的腐蝕，但與溶解氧相比，CO2對腐蝕的影響相當輕微。

7）水的pH低，對碳鋼等腐蝕會快一些，反之，會慢一些。當pH小于7后，隨pH降低均勻腐蝕率逐步上升；當pH大于7后，隨pH增高，均勻腐蝕逐步降低[7]。

參考文獻：

[1] 薛玉偉，李新國，趙 軍.地下水水源熱泵的水源問題研究[J].能源工程，2003（2）：10-13.

[2] 周文忠.污水源熱泵空調系統在污水處理廠的應用[J].暖通空調，2005，35（1）：83-86.

[3] 王 璐，金蘇敏，史 敏，等.浴室排水余熱回收熱泵系統的能量分析[J].流體機械，2008，36（9）：73-77.

[4] 孫亞罡.松花江水源熱泵系統在吉林市應用的可行性分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

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[6] 文建強.離心泵的汽蝕現象分析及處理措施[J].揚子石油化工，2007，22（6）：27-29.

[7] 魏寶明.金屬腐蝕理論及應用[M].北京：化學工業出版社，1995.