工業循環冷卻水生物處理技術

劉 寧，劉興宇，谷啟源

(1.有研科技集團有限公司生物冶金國家工程實驗室，北京 100088；2.東北大學 冶金學院，遼寧 沈陽 110819；3.有研資源環境技術研究院(北京)有限公司，北京 100088；4.北京有色金屬研究總院，北京 100088；5.大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097)

工業用水的大部分是循環冷卻水，冷卻水的用量可達其總用量的80%以上，因此節約循環冷卻水對工業節水具有重大意義，而提高水的復用率，即循環冷卻水濃縮倍率，是節水的有效途徑。此外，在高濃縮倍率下，有效防止其因水質惡化對設備、管道等產生的腐蝕、結垢等問題，將是未來循環冷卻水技術需要著重解決的問題[1-2]。

1 工業循環冷卻水系統存在的問題

1.1 腐 蝕

敞開式工業循環冷卻水系統在運行過程中，水在冷卻塔內和空氣充分接觸，使水中的溶解氧得到補充，因此，循環水中溶解氧總是飽和的[3-4]。水中的溶解氧是造成金屬電化學腐蝕的主要原因，加之水循環濃縮后其含鹽量增加，電導上升，也增大了腐蝕傾向[5]。

1.2 結 垢

工業循環冷卻水運行濃縮過程中，成垢離子成倍增加。特別是碳酸氫鹽是一種很不穩定的鹽類，它會在換熱器表面受熱分解成碳酸鹽和二氧化碳；而碳酸鈣溶解度很低，使得傳熱面上結碳酸鈣水垢傾向增加，降低了換熱效率[6-7]。

1.3 微生物黏泥

工業循環冷卻水和空氣接觸，吸收了空氣中大量灰塵、泥沙、微生物及其孢子等，使系統的污泥量增加，而冷卻塔內的光照、溫度、氧分等都有利于細菌、藻類等生長，增加了生物黏泥量，并在換熱器內沉積，降低了循環水流速并降低換熱效果，影響系統及設備使用壽命。

2 傳統工業循環冷卻水處理技術及問題

傳統的工業循環冷卻水處理技術包括：物理法、化學法、物理化學法等。目前，較常用的仍是化學處理法。該方法是通過在循環水系統中投加化學藥劑，防止系統腐蝕、結垢和黏泥的產生，常用的水處理藥劑具有緩蝕、阻垢、殺生菌的作用。投加化學藥劑表面上效果明顯，但投資較大、運行費用較高、管理難度很大，且容易新增二次污染，對設備造成新的腐蝕等[8-9]。隨著水處理行業中新興技術的發展以及人們對環保意識的逐漸加強，采用生物技術對工業循環冷卻水系統進行處理，引起了業內學者的關注和大量研究，并取得了一定的階段性成果。

3 工業循環水生化處理技術

3.1 技術定義

該技術主要是利用經過篩選、培養、馴化的有益微生物菌群和相適應的營養調節劑對敞開式循環冷卻水進行微生物化學處理，從而實現換熱設備及系統的阻垢、緩蝕、防止藻類黏泥滋生等循環水處理目標。

3.2 技術內容

敞開式工業循環水生化處理技術主要是依據循環冷卻水補充水水質和設備材質確認循環水生化處理運行控制參數，通過投加相應的復合微生物制劑(包括采用經發酵工藝制成的復合微生物菌群和微生物營養調節劑)，讓其在循環冷卻水系統中自行構建一個動態微生物生態系統(通過包括營養競爭、互生、拮抗、捕食等生態影響)，抑制有害微生物滋生，代謝產生具有天然阻垢和緩蝕作用的生物化學物質，并以此穩定和控制循環冷卻水的水質(主要為pH、緩蝕因子等)，把循環水濃縮倍率提到8～16倍這一嶄新的高度[10]。

如圖1所示，循環水生化處理技術控制依托于現代移動互聯網絡通訊技術，可實現遠程循環水生化處理控制參數的采集、分析、判斷、指令傳送，對現場運行工況實時監控和調整，從而保證循環水生化處理技術優異功能的發揮。

圖1 工業循環冷卻水生化處理工藝流程示意

循環水生化處理技術與傳統循環水處理技術相比，具有節水減排、對環境無二次污染、運行參數控制穩定、對補充水質變化的適應性高、補充水質變化容忍度超強、阻垢和溶垢同步、沒有新增設備投資和原有設備改造投資、綜合運營成本較低等系列優點。

3.3 技術原理

3.3.1 阻垢原理

3.3.2 緩蝕原理

投加的微生物為好氧菌，消耗循環水中的大量溶解氧，減緩氧化腐蝕；微生物代謝出天然緩蝕物質，減緩電化學腐蝕；抑制有害微生物生長，減緩微生物腐蝕。

3.3.3 抑制有害微生物

停止投加阻垢劑(大分子有機物)，可以減少有害微生物的營養源，抑制有害微生物生長；將特制營養劑供給工作功能菌群(對有害微生物無作用)，使工作功能菌群成為水中強勢菌群，抑制有害微生物生長；工作功能菌群為定量存活微生物，不會大量繁殖危害循環水系統。

3.4 技術特點

(1)生態性：循環水生化處理技術是自然界水體的延續、擴展和補充，是有益菌種占主導地位，構建的動態平衡的微生物體系。

(2)針對性：循環水生化處理技術，依據循環水補充水水質和設備材質，確定循環水生化處理運行控制參數。

(3)安全性：循環水生化處理技術，不涉及危險化學品的使用。

(4)高效性：循環水生化處理技術，能夠將循環水濃縮倍率提高到8倍以上，提高電廠重復用水率，節水效果明顯：單臺300 MW機組年節水50萬t以上、單臺600 MW機組年節水100萬t以上。

(5)環境友好和可持續性：循環水生化處理技術，不造成環境的二次污染，符合綠色發展和可持續發展的方針。

(6)經濟性：節水減排，節能降耗。循環水高倍率運行后，在供給脫硫使用后沒有外排廢水，實現了循環水廢水零排放，減少了電廠廢水零排放改造投資，減少了廢水處理設施運行維護費用。

(7)顛覆創新性：循環水生化處理技術，顛覆了傳統循環水處理技術的理念，實現了傳統循環水處理技術無法逾越的高度。

(8)可預見性：循環水生化處理技術，其應用邊界條件不斷擴大，技術潛力不斷提升，循環水處理的歷史正在續寫，循環水生化處理時代已經來臨。

3.5 適用要求

(1)換熱器材質要求：不銹鋼、紫銅、白銅。

(3)濃縮倍率：6倍以上。

4 工業循環水生化處理技術案例

(1)循環水生化處理技術于2013年6月在鐵嶺發電廠開始進行工業性試驗并取得成功，2013年12月通過中國華電集團組織的科技項目驗收。生化處理技術在鐵嶺公司應用6 a，節水20%以上，效果明顯(20%以上)，循環水系統未發生腐蝕結垢現象。

(2)國電投通遼盛發熱電有限公司從2016年3月采用生化處理技術，循環水濃縮倍率達到7～9倍運行，節水約20%，同時解決了該公司凝汽器結垢問題。

(3)阜新清河門煤矸石熱電有限公司從2017年6月開始采用循環水生化處理技術，循環水濃縮倍率從3～4倍提高到6～8倍運行，節水15%以上，同時解決了該公司從2008年以來每年凝汽器結垢進行酸洗的問題。

九臺發電廠2臺600 MW機組于2017年8月采用循環水生化處理技術，循環水濃縮倍率從3～4倍提高至8～16倍運行，即在節約用水的同時還實現了循環水供給脫硫系統使用后不外排，順利通過環保督察組的檢查。

(4)國電投長春熱電廠從2018年5月開始采用循環水生化處理技術，循環水濃縮倍率8～16倍運行，在供給脫硫使用后沒有外排。同時該廠將生產、生活廢水經過絮凝沉淀處理后補入循環水使用，基本實現了全廠廢水零排(脫硫廢水供給煤場噴淋沖洗使用)。

5 結 語

2019年國家發改委、水利部聯合印發了《國家節水行動方案》，并明確提出到2020年工業用水重復利用率達到91%以上，因此，工業循環冷卻水的處理技術發展潛力巨大，任重道遠。生物處理技術在解決工業循環冷卻水系統運行過程中，除了具有傳統技術防腐、緩蝕、除垢等功能外，還具有高效、安全、生態、環境友好等特點[11]。隨著我國生態環保意識的不斷提升，該技術必將成為未來工業循環冷卻水處理系統中一種顛覆性的關鍵技術。