水處理設備技術在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的應用探討

馮小麗

【摘 要】通過對工業(yè)企業(yè)循環(huán)冷卻水冷卻原理及運行障礙產(chǎn)生的三類危害分析，結合水處理技術的現(xiàn)狀，對水垢控制、污垢控制、腐蝕控制、微生物控制常見方法進行了闡述，提出循環(huán)水化學處理應重視化學清洗、預膜處理及日常水處理工作，并說明了工作原理和工作重點。針對循環(huán)水系統(tǒng)排污水近零排放技術及循環(huán)利用技術進行了論述，探討了利用反滲透法將排污水脫鹽處理后，與新鮮水共同作為循環(huán)水系統(tǒng)補充水的方法，有助于提高循環(huán)水濃縮倍率，降低耗水量，實現(xiàn)廢水零排放，減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟效益。

【關鍵詞】循環(huán)冷卻水；水處理技術；阻垢緩蝕劑；反滲透；趨零排放

1 循環(huán)冷卻水的概念及原理

1.1 循環(huán)冷卻水的概念

循環(huán)冷卻水是指通過換熱器交換熱量或直接接觸換熱方式來交換介質(zhì)熱量并經(jīng)冷卻塔涼水后循環(huán)使用，以節(jié)約水資源。一般情況下，循環(huán)水是中性和弱堿性的，pH值控制在7～9之間[1]。在與介質(zhì)直接接觸的循環(huán)冷卻水具有酸性或堿性（pH>10.0）的情況，一般較少。

1.2 循環(huán)水的冷卻原理

循環(huán)水的冷卻是通過水與空氣接觸，由蒸發(fā)散熱、接觸散熱和輻射散熱三個過程共同作用的結果。

1）蒸發(fā)散熱：水在冷卻設備中形成大大小小的水滴或極薄的水膜，擴大其與空氣的接觸面積和延長接觸時間加強水的蒸發(fā)，使水汽從水中帶走氣化所需的熱量從而使水冷卻。

2）接觸散熱：水與較低溫度的空氣接觸，由于溫差使熱水中的熱量傳到空氣中，水溫得到降低。

3）輻射散熱：不需要傳熱介質(zhì)的作用，而是由一種電磁波的形式來傳播熱能的現(xiàn)象。

這三種散熱過程在水冷卻中所起的作用，隨空氣的物理性質(zhì)不同而異。春、夏、秋三季，室外氣溫較高，表面蒸發(fā)起主要作用，在冬季，由于氣溫降低，接觸散熱的作用增大。

2 循環(huán)冷卻水運行障礙產(chǎn)生的危害

冷卻水在循環(huán)系統(tǒng)中不斷循環(huán)使用，由于水溫升高、流速變化、蒸發(fā)、各種無機離子和有機物質(zhì)的濃縮，冷卻塔和冷卻水池在室外受到陽光照射、風吹雨淋、灰塵雜物的進入，以及設備的結構和材料等多種因素的綜合作用，會產(chǎn)生很多問題。

2.1 水垢附著

在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，碳酸氫鹽的濃度隨蒸發(fā)濃縮而增加。當其濃度達到過飽和狀態(tài)，或經(jīng)過傳熱表面水溫升高時，會分解生成碳酸鹽沉積在傳熱表面，形成致密的微溶性鹽類水垢，其導熱性能很差。因此，水垢附著，輕則降低換熱器傳熱效率，嚴重時，使換熱器堵塞，系統(tǒng)阻力增大，水泵和冷卻塔效率下降，加快局部腐蝕，甚至造成非正常停產(chǎn)。

2.2 設備腐蝕

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，大量設備是由金屬制造，長期使用循環(huán)冷卻水，會發(fā)生腐蝕穿孔。這是由多種因素造成的，主要有：冷卻水中溶解氧引起的電化學腐蝕；有害離子（Cl-和SO）引起的腐蝕；微生物引起的腐蝕等。設備管壁腐蝕穿孔，會形成滲漏，或工藝介質(zhì)泄露入冷卻水中，損失物料，污染水體；或冷卻水滲入工藝介質(zhì)，影響產(chǎn)品質(zhì)量，造成經(jīng)濟損失，影響安全生產(chǎn)。

2.3 微生物的滋生與粘泥

在循環(huán)水中，由于養(yǎng)分的濃縮，水溫升高和日光照射，給細菌和藻類的迅速繁殖創(chuàng)造了條件。細菌分泌的黏液使水中漂浮的灰塵雜質(zhì)和化學沉淀物等黏附在一起，形成沉積物附著在傳熱表面，即生物粘泥或軟垢。粘泥附著會引起腐蝕，冷卻水流量減少，進而降低冷卻效率；嚴重時會堵死管道，迫使停產(chǎn)清洗。

綜上所述，冷卻水長期循環(huán)使用后，必然會帶來結垢、腐蝕和微生物滋生問題。解決好這三個問題才能穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)約資源與能源，從而減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟效益。

3 循環(huán)冷卻水處理技術現(xiàn)狀

3.1 水垢的控制

循環(huán)水系統(tǒng)中最易生成的水垢是碳酸鈣垢，水垢控制即是防止碳酸鈣的析出，大致有以下幾類方法。

1）從補充冷卻水中除去成垢的鈣、鎂離子

在補充水進入循環(huán)水系統(tǒng)之前進行軟化處理，除去Ca2+、Mg2+，也就形不成水垢。目前常用的軟化方法有兩種：一是離子交換樹脂法，該法適于補充水量小的循環(huán)水系統(tǒng)間或采用；二是石灰軟化法，即投加石灰，使Ca（HCO3）2反應生成CaCO3沉淀提前析出。該方法成本低，適于原水（尤其是暫時硬度大的結垢型原水）鈣含量高，補充水量較大的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

2）加酸降低pH值，穩(wěn)定重碳酸鹽

在循環(huán)水中加酸（通常為硫酸），降低PH值，使重碳酸鹽處于穩(wěn)定狀態(tài)。加酸法的關鍵是控制好加酸量，否則酸量過多會加速設備腐蝕。

3）投加阻垢劑

在循環(huán)水中投加阻垢劑，破壞CaCO3的結晶增長過程，以達到控制水垢形成的目的。目前常用的阻垢劑有聚磷酸鹽、有機多元膦酸、有機磷酸脂、聚丙烯酸鹽等，這也是目前應用最廣的控制水垢的方法。

3.2 污垢的控制

（1）對補充水進行預處理，降低濁度；（2）做好循環(huán)水水質(zhì)處理；（3）投加分散劑，可將粘合在一起的泥團雜質(zhì)等分散成微粒懸浮于水中，隨水流流動而不沉積，從而減少污垢對傳熱的影響，部分懸浮物還可隨排污排出；（4）增加旁濾設備，如果在系統(tǒng)中增設旁濾設備，控制好旁流量和進、出旁流設備的濁度，就可保持系統(tǒng)長時間運行下的濁度在控制指標內(nèi)，減少污垢形成。

3.3 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)金屬腐蝕的控制

1）添加緩蝕劑

緩蝕劑是一種用于腐蝕介質(zhì)中抑制金屬腐蝕的添加劑，它用量少，不會改變腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)，不需特殊投加設備，也不需對設備表面進行處理。因此，使用緩蝕劑是一種經(jīng)濟效益較高且適應性較強的金屬防護措施。在敞開式循環(huán)水系統(tǒng)中，為了減輕環(huán)境富營養(yǎng)化的壓力，目前更趨向于使用后面幾種有機膦酸鹽和低磷緩蝕劑。

2）提高循環(huán)水的pH值

提高循環(huán)水的pH值，使金屬表面生成氧化性保護膜的傾向增大，易于鈍化，從而有利于控制設備腐蝕。提高循環(huán)水的pH值后，不可避免的帶來一些問題：循環(huán)水結垢傾向增大；設備腐蝕速度下降，但還不能滿足要求；某些常用緩蝕劑失效。目前可通過添加專門為堿性冷卻水處理開發(fā)的復合緩蝕劑來解決，例如：聚磷酸鹽-鋅鹽-膦酸鹽-分散劑、聚磷酸鹽-正磷酸鹽-膦酸鹽-三元共聚物、有機多元膦酸-聚合物分散劑-唑類、多元醇磷酸酯-丙烯酸系聚合物、HEDP-PMA等。這些水處理劑的復合配方可發(fā)揮出除垢和防腐的綜合作用，由于協(xié)同或增效作用，它比單一藥劑的單一作用，效果更顯著，這也是緩蝕劑的發(fā)展趨勢。

3）選用耐蝕材料的換熱器。

4）用防腐涂料涂覆。

3.4 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)微生物的控制

設備選用耐蝕材料；控制循環(huán)水中的氧含量、PH值、懸浮物和微生物的養(yǎng)料等水質(zhì)指標；在防腐涂料中添加殺生劑，抑制微生物的生長；采取在冷卻水水池加蓋、冷卻塔的進風口加裝百葉窗等措施，防止陽光照射；設置旁流過濾設備；對補充水進行混凝沉淀預處理。目前最有效和最常用的方法則是向循環(huán)水中添加殺生劑。

總之，解決循環(huán)水系統(tǒng)問題的方法，在實際應用中需要根據(jù)原水水質(zhì)、循環(huán)水水量及溫升、補水水質(zhì)和價格、使用循環(huán)水的換熱設備材質(zhì)和型式以及其他工況條件等實際情況，綜合考慮經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，選擇適宜的除垢、防腐、控制微生物的方法結合在一起，制定出經(jīng)濟、實用、可行的循環(huán)水處理方案才能實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟合理運行。

4 循環(huán)冷卻水的化學處理程序

化學處理技術是針對不同的水質(zhì)、設備、材質(zhì)和工藝條件等因素，選擇合理的緩蝕阻垢藥劑來抑制腐蝕、水垢和粘泥等危害的產(chǎn)生，使水質(zhì)穩(wěn)定，以達到預期的效果。完整地實施水處理技術，是保證循環(huán)冷卻水系統(tǒng)科學、經(jīng)濟、高效運行的關鍵。如果補充水水質(zhì)較差，又要求循環(huán)水高濃縮倍數(shù)運行，就必須對循環(huán)水的補充水進行處理。在循環(huán)水水質(zhì)較差時，循環(huán)水補充水可選用“部分弱酸樹脂和穩(wěn)定劑聯(lián)合處理系統(tǒng)”。

4.1 化學清洗

在采用水處理技術，投加水處理劑之前，應對循環(huán)水系統(tǒng)的換熱設備和管道進行剝離和清洗，特別是已經(jīng)運行的老系統(tǒng)，在粘泥沉積、菌藻滋生嚴重的狀況下，清洗尤為重要?；瘜W清洗主要機理為通過滲透、疏松、剝離、溶解、分散、整合、晶格畸變等作用，除去水側表面的粘附物、水垢等雜物，以達到凈化設備金屬表面的目的，為水處理的預膜和日常處理創(chuàng)造條件。

4.2 預膜處理

預膜是在系統(tǒng)剝離清洗之后、正常運行之前水處理的一個步驟。預膜處理是在系統(tǒng)清洗之后，向系統(tǒng)中投加一定濃度的高效預膜劑，在設定條件下循環(huán)運行，使之在設備金屬表面形成一層均勻致密的保護膜，達到不易成垢和緩蝕的目的，對系統(tǒng)設備和管道起到良好的保護作用。

4.3 日常水處理工作

當預膜結束后，水處理劑由高濃度轉入低濃度。日常水處理工作包括：日常加藥和分析監(jiān)測，投加緩蝕阻垢劑以延緩腐蝕和阻止結垢，投加殺菌滅藻劑控制菌藻滋生及粘泥的粘附。日常加藥的目的是維持水中藥劑濃度，以保持膜的完整性，并起到緩蝕阻垢作用和控制微生物的生長。在操作時按照規(guī)定的水穩(wěn)劑配方并控制好指標，在循環(huán)水系統(tǒng)正常運行中，需要進行處理效果的監(jiān)測，以了解水質(zhì)處理的效果，并根據(jù)每天水質(zhì)分析化驗結果，對排污水量、補充水量及加藥量進行必要的調(diào)整，使之達到要求指標，并控制合理的濃縮倍數(shù)。

5 循環(huán)冷卻水排污水近零排放技術

5.1 實現(xiàn)目的

降低循環(huán)水系統(tǒng)運行費用，提高設備系統(tǒng)整體管理水平；有效解決水垢附著、設備腐蝕以及微生物的滋生與粘泥問題；減少循環(huán)水系統(tǒng)排污水量和補充水量，提高濃縮倍數(shù)，實現(xiàn)近零排污或少排污，節(jié)約水資源。

5.2 解決辦法探討

將原有循環(huán)水系統(tǒng)的排污水進行處理，去除水的濁度，降低水的硬度和鹽含量，并使處理出水的硬度低于新鮮水的硬度，二者混合后作為進入冷卻水池的補充水。運行一段時間后，循環(huán)水總體的鹽含量和硬度降低，系統(tǒng)濃縮倍數(shù)可逐步提高，循環(huán)水水質(zhì)逐漸變好，新鮮水用量和排污水量不斷減少，形成系統(tǒng)的良性循環(huán)。

對于發(fā)電廠，將循環(huán)水排放的濃水進行脫鹽處理，生活污水進行生化處理和過濾，再混入部分新鮮水作為循環(huán)水的補充水。循環(huán)水濃水經(jīng)過脫鹽處理后，可以全部脫去硬度，含鹽量低于新鮮水，濁度小于新鮮水，處理運行費用低于當?shù)氐男迈r水價格。生活污水生化處理和過濾后作為循環(huán)水補充水的運行費用也低于當?shù)氐男迈r水價格，從而在循環(huán)水系統(tǒng)中，為企業(yè)取得一定的經(jīng)濟效益，而且隨著國家對水資源價格和污水排放的控制，經(jīng)濟效益會越來越顯著。

對于化工企業(yè)，由于被冷卻的介質(zhì)品種較多，介質(zhì)溫度高，循環(huán)水突出的問題是在部分換熱器中結垢嚴重，也存在運行中含鹽量增高、細菌滋生等問題?？商接憣⒀h(huán)水系統(tǒng)的濃水、生活污水生化處理和污水處理場達標排放廢水過濾脫鹽后回用，對補充的部分新鮮水也進行脫鹽、除硬度后使用，使整個循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)大大提高，并且由于循環(huán)水的硬度較低，可大大降低換熱器的結垢速率，保證生產(chǎn)的正常性和長周期運行。

污水處理有多種方法可選擇，包括離子交換、電滲析法、反滲透法、納濾、超濾和微濾、過濾以及絮凝、氧化等。

反滲透法是近20年來發(fā)展起來的膜技術，現(xiàn)己被廣泛地用于水質(zhì)除鹽和污水治理等方面。該法專門用以分離水中的分子態(tài)和離子態(tài)溶解物質(zhì)，其實質(zhì)是向水溶液中施加巨大的壓力，使溶劑水透過反滲透膜成為淡水，而溶質(zhì)被阻留成為濃水，由此可達到兩個目的，一是從含鹽水中制取淡水；二是濃縮污水中的溶解態(tài)污染物質(zhì)，處理后的污水或直接排放或重復利用[3]。反滲透裝置是以分子擴散膜為介質(zhì)。以靜壓差為推動力來分離水溶液中的物質(zhì)，與電滲析法相比，在經(jīng)濟上具有顯著的優(yōu)越性，電能效率較高、能耗低。離子交換法主要用于去除水中離子化物質(zhì)，生化處理出水COD值相對較高，且大部分為非離子型有機物，污水中的有機物與樹脂活性基團的固定離子結合力很大，一旦結合就很難進行再生，嚴重影響再生效率和交換能力，樹脂抗氧化劑氧化性很差。電滲析法以離子交換膜為介質(zhì)，靠離子的選擇透過性來分離水溶液中的某些物質(zhì)。它是在離子交換技術的基礎上發(fā)展起來的一項新技術，它去除的也是一些電解質(zhì)物質(zhì)，但回用率較低且運行成本很高。超濾和微濾亦屬于壓力推動的膜工藝系列，就分離范圍而言，它補充了反滲透、納濾和普通過濾之間的空隙。超過濾是對料液施加一定壓力后，高分子物質(zhì)、膠體、蛋白質(zhì)、微粒等被半透膜所截留，而溶劑和低分子物質(zhì)則透過膜。超過濾的分離機理主要是膜表面孔徑篩分機理、膜孔阻塞的阻滯機理和膜面以及膜孔對粒子的一次吸附機理。但超濾裝置不能脫鹽，實現(xiàn)不了污水深度處理的目的。

6 水處理運行效果及其評定

6.1 水處理后的表現(xiàn)效果

（1）換熱設備和管道不再產(chǎn)生新垢，老垢在一定程度上逐步減少，管道阻力減小，泵壓降低，冷卻水流量增大，換熱器效率上升，工藝條件改善，生產(chǎn)能力提高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)量增加。

（2）設備及管道的腐蝕得到有效的控制，不僅延長了設備的使用壽命和運行投入周期，而且降低了設備腐蝕穿孔引發(fā)泄漏事故的可能性，為生產(chǎn)的長周期安全平穩(wěn)運行提供了強有力的保障。

（3）系統(tǒng)不再產(chǎn)生新菌藻，老菌藻逐步脫落。同時，附著在換熱器、冷卻塔、水槽壁、池底、管道上的微生物粘泥、軟垢也逐漸被疏松、剝離和分散，隨排污水一起排掉。這有效地剿滅了微生物的滋生繁殖，阻斷了粘泥污物對系統(tǒng)的侵害。

（4）涼水塔噴嘴、填料無堵塞現(xiàn)象，冷卻水量增大，噴水均勻，水流暢通，冷卻效率提高，冷卻水進、出塔溫差變大，為工藝介質(zhì)的冷卻達到設計要求提供了充足的低溫水量。

（5）系統(tǒng)結垢、腐蝕和微生物等危害得到有效控制，生產(chǎn)穩(wěn)定，循環(huán)水系統(tǒng)始終在良好的環(huán)境中安全運轉。

（6）濃縮倍數(shù)提高，不僅節(jié)約了大量的冷卻用水，而且大大減少了冷卻污水的排放量，減輕了對環(huán)境的污染，為企業(yè)贏得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

6.2 水處理運行效果的評定

循環(huán)冷卻水經(jīng)化學處理后，腐蝕率、污垢沉積率、異養(yǎng)菌總數(shù)等指標應達到國家《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》GB50050-2007標準中的要求。

7 結論

7.1 循環(huán)冷卻水運行障礙可產(chǎn)生水垢附著、設備腐蝕、滋生微生物等危害，解決好這三個問題才能穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)約資源與能源，從而減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟效益。

7.2 解決循環(huán)水系統(tǒng)問題的各種方法，需要選擇適宜的除垢、防腐、控制微生物的方法，并綜合考慮經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，制定出經(jīng)濟、實用、可行的循環(huán)水處理方案，才能實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟合理運行。

7.3 針對不同的水質(zhì)、設備、材質(zhì)和工藝條件等因素，選擇合理的緩蝕阻垢配方和優(yōu)良高效的藥劑來抑制腐蝕、水垢和粘泥等危害的產(chǎn)生，使水質(zhì)穩(wěn)定，以達到預期的效果，為生產(chǎn)服務。做好設備化學清洗、預膜和日常水處理管理工作是化學處理技術的重要環(huán)節(jié)。

7.4 利用反滲透等物理方法將循環(huán)冷卻水排污水脫鹽處理后，可作為補充水循環(huán)利用，實現(xiàn)廢水近零排放。

【參考文獻】

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[責任編輯：鄧麗麗]