水處理設備技術在循環冷卻水系統中的應用探討

馮小麗

【摘 要】通過對工業企業循環冷卻水冷卻原理及運行障礙產生的三類危害分析，結合水處理技術的現狀，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。針對循環水系統排污水近零排放技術及循環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水系統補充水的方法，有助于提高循環水濃縮倍率，降低耗水量，實現廢水零排放，減少環境污染，提高經濟效益。

【關鍵詞】循環冷卻水；水處理技術；阻垢緩蝕劑；反滲透；趨零排放

1 循環冷卻水的概念及原理

1.1 循環冷卻水的概念

循環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熱量并經冷卻塔涼水后循環使用，以節約水資源。一般情況下，循環水是中性和弱堿性的，pH值控制在7～9之間[1]。在與介質直接接觸的循環冷卻水具有酸性或堿性（pH>10.0）的情況，一般較少。

1.2 循環水的冷卻原理

循環水的冷卻是通過水與空氣接觸，由蒸發散熱、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，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：不需要傳熱介質的作用，而是由一種電磁波的形式來傳播熱能的現象。

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

2 循環冷卻水運行障礙產生的危害

冷卻水在循環系統中不斷循環使用，由于水溫升高、流速變化、蒸發、各種無機離子和有機物質的濃縮，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，會產生很多問題。

2.1 水垢附著

在循環冷卻水系統中，碳酸氫鹽的濃度隨蒸發濃縮而增加。當其濃度達到過飽和狀態，或經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。

2.2 設備腐蝕

循環冷卻水系統中，大量設備是由金屬制造，長期使用循環冷卻水，會發生腐蝕穿孔。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，影響產品質量，造成經濟損失，影響安全生產。

2.3 微生物的滋生與粘泥

在循環水中，由于養分的濃縮，水溫升高和日光照射，給細菌和藻類的迅速繁殖創造了條件。細菌分泌的黏液使水中漂浮的灰塵雜質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，迫使停產清洗。

綜上所述，冷卻水長期循環使用后，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定生產、節約資源與能源，從而減少環境污染，提高經濟效益。

3 循環冷卻水處理技術現狀

3.1 水垢的控制

循環水系統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

在補充水進入循環水系統之前進行軟化處理，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水系統間或采用；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冷卻水系統。

2）加酸降低pH值，穩定重碳酸鹽

在循環水中加酸（通常為硫酸），降低PH值，使重碳酸鹽處于穩定狀態。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）做好循環水水質處理；（3）投加分散劑，可將粘合在一起的泥團雜質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，就可保持系統長時間運行下的濁度在控制指標內，減少污垢形成。

3.3 循環冷卻水系統金屬腐蝕的控制

1）添加緩蝕劑

緩蝕劑是一種用于腐蝕介質中抑制金屬腐蝕的添加劑，它用量少，不會改變腐蝕介質的性質，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濟效益較高且適應性較強的金屬防護措施。在敞開式循環水系統中，為了減輕環境富營養化的壓力，目前更趨向于使用后面幾種有機膦酸鹽和低磷緩蝕劑。

2）提高循環水的pH值

提高循環水的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。提高循環水的pH值后，不可避免的帶來一些問題：循環水結垢傾向增大；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揮出除垢和防腐的綜合作用，由于協同或增效作用，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 循環冷卻水系統微生物的控制

設備選用耐蝕材料；控制循環水中的氧含量、PH值、懸浮物和微生物的養料等水質指標；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水中添加殺生劑。

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

4 循環冷卻水的化學處理程序

化學處理技術是針對不同的水質、設備、材質和工藝條件等因素，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生，使水質穩定，以達到預期的效果。完整地實施水處理技術，是保證循環冷卻水系統科學、經濟、高效運行的關鍵。如果補充水水質較差，又要求循環水高濃縮倍數運行，就必須對循環水的補充水進行處理。在循環水水質較差時，循環水補充水可選用“部分弱酸樹脂和穩定劑聯合處理系統”。

4.1 化學清洗

在采用水處理技術，投加水處理劑之前，應對循環水系統的換熱設備和管道進行剝離和清洗，特別是已經運行的老系統，在粘泥沉積、菌藻滋生嚴重的狀況下，清洗尤為重要。化學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造條件。

4.2 預膜處理

預膜是在系統剝離清洗之后、正常運行之前水處理的一個步驟。預膜處理是在系統清洗之后，向系統中投加一定濃度的高效預膜劑，在設定條件下循環運行，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。在操作時按照規定的水穩劑配方并控制好指標，在循環水系統正常運行中，需要進行處理效果的監測，以了解水質處理的效果，并根據每天水質分析化驗結果，對排污水量、補充水量及加藥量進行必要的調整，使之達到要求指標，并控制合理的濃縮倍數。

5 循環冷卻水排污水近零排放技術

5.1 實現目的

降低循環水系統運行費用，提高設備系統整體管理水平；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；減少循環水系統排污水量和補充水量，提高濃縮倍數，實現近零排污或少排污，節約水資源。

5.2 解決辦法探討

將原有循環水系統的排污水進行處理，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，循環水總體的鹽含量和硬度降低，系統濃縮倍數可逐步提高，循環水水質逐漸變好，新鮮水用量和排污水量不斷減少，形成系統的良性循環。

對于發電廠，將循環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水的補充水。循環水濃水經過脫鹽處理后，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地的新鮮水價格。生活污水生化處理和過濾后作為循環水補充水的運行費用也低于當地的新鮮水價格，從而在循環水系統中，為企業取得一定的經濟效益，而且隨著國家對水資源價格和污水排放的控制，經濟效益會越來越顯著。

對于化工企業，由于被冷卻的介質品種較多，介質溫度高，循環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。可探討將循環水系統的濃水、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，使整個循環水系統濃縮倍數大大提高，并且由于循環水的硬度較低，可大大降低換熱器的結垢速率，保證生產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年來發展起來的膜技術，現己被廣泛地用于水質除鹽和污水治理等方面。該法專門用以分離水中的分子態和離子態溶解物質，其實質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污染物質，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。以靜壓差為推動力來分離水溶液中的物質，與電滲析法相比，在經濟上具有顯著的優越性，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，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，靠離子的選擇透過性來分離水溶液中的某些物質。它是在離子交換技術的基礎上發展起來的一項新技術，它去除的也是一些電解質物質，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、膠體、蛋白質、微粒等被半透膜所截留，而溶劑和低分子物質則透過膜。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 水處理后的表現效果

（1）換熱設備和管道不再產生新垢，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，生產能力提高，產品質量穩定，產量增加。

（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泄漏事故的可能性，為生產的長周期安全平穩運行提供了強有力的保障。

（3）系統不再產生新菌藻，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的侵害。

（4）涼水塔噴嘴、填料無堵塞現象，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，為工藝介質的冷卻達到設計要求提供了充足的低溫水量。

（5）系統結垢、腐蝕和微生物等危害得到有效控制，生產穩定，循環水系統始終在良好的環境中安全運轉。

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

6.2 水處理運行效果的評定

循環冷卻水經化學處理后，腐蝕率、污垢沉積率、異養菌總數等指標應達到國家《工業循環冷卻水處理設計規范》GB50050-2007標準中的要求。

7 結論

7.1 循環冷卻水運行障礙可產生水垢附著、設備腐蝕、滋生微生物等危害，解決好這三個問題才能穩定生產、節約資源與能源，從而減少環境污染，提高經濟效益。

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

7.3 針對不同的水質、設備、材質和工藝條件等因素，選擇合理的緩蝕阻垢配方和優良高效的藥劑來抑制腐蝕、水垢和粘泥等危害的產生，使水質穩定，以達到預期的效果，為生產服務。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節。

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

【參考文獻】

[1]唐受印.戴友芝，等.工業循環冷卻水處理[M].化學工業出版社，2003.

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[3]龍荷云，等.循環冷卻水處理[M].江蘇科學技術出版社，2001.

[4]葉文玉.水處理化學品[M].化學工業出版，2002.

[責任編輯：鄧麗麗]