工业循环水节水新思路
时间：2010-03-20 阅读：5363
随着经济的发展，工业用水量日益增大，而冷却用水占工业总用水量的70％左右，循环冷却水节水大有潜力可挖。提高浓缩倍数运行是目前*的有效节水方法，但随着浓缩倍数的提高，循环水系统结垢和腐蚀因子也随着成倍上升，更多的是依赖水稳剂开发上。笔者从循环水不同含义上的“零排污”来谈谈循环水节水方法。
1. 零排污的含义
①提高浓缩倍数5-6运行，循环水系统可近似达到不排污，称为零排污方案Ⅰ。
②即使浓缩倍数达到5-6也存在少量排污，将循环冷却水排污水经过处理作为冷却水的补充水回用至循环水系统中，即循环水*，称为零排污方案Ⅱ。
③就整个工厂而言，将工业废水经过生化处理后，再经过深度处理，回用至循环水系统中，是*经济运行方法，使工厂实现真正意义上的零排污，称为零排污方案Ⅲ。
2. 零排污方案Ⅰ
2.1 浓缩倍数
浓缩倍数K值的大小决定节水的水平和水的重复利用率的高低，它可用公式表示[1]：
………………………………（1）
………………………………（1） 式（1）中k:浓缩倍数；M：补水量m3/h E：蒸发水量 m3/h；D：风吹损失 m3/h；F：漏损m3/h；若将风吹损失D和漏损F都包含在排污水B内，则式（1）变为式（2）。
………………………………（2）
图1：M/E和K之间的关系
若E保持不变，排污量越小，则补水量越小，得到浓缩倍数越大。一般情况下，当K＞1，随着K值的增大，从图1可以看出，M/E下降程度较快，排污量迅速下降；当浓缩倍数大于5-6以后， M/E下降程度缓慢，节水程度zui小。继续提高浓缩倍数，就目前处理水平而言，增加了对水处理剂、杀菌剂、系统的设施及管理等要求。因此目前*浓缩倍数*经济运行值控制在5-6，但浓缩倍数提高至5-6，还要受补充水的水质情况、水的温升、当地气象条件、循环水系统V/R以及旁滤池滤料等各个方面的条件限制。
2.1.1水质条件
目前习惯根据水质的硬度和碱度将补充水划分为三个等级，即高硬高碱、中等硬度和碱度、低硬低碱三种水质。对于高硬高碱而言，补充水中钙硬加总碱之和超过250mg/l,若将浓缩倍数提高至5-6，则循环水中钙硬加总碱之和超过1250-1500mg/l,而目前水处理剂处理钙硬加总碱之和在350-900 mg/l的水质效果[2]，因此对于钙硬加总碱之和超过1500mg/l的循环水而言单靠全有机配方来处理，相对会增加处理费用及管理的难度，必须结合其它的途径来解决。李本高等人对齐鲁石化公司、洛阳石化炼油厂高硬高碱循环水处理采取三种方法进行研究[3]：①用离子交换树脂处理原水，将原水中的硬度和碱度分别降至50mg/l后补入循环水中，循环水钙硬加总碱之和在350-900 mg/l运行，浓缩倍数可以控制在5.5-6之间，水稳剂采用全有机复合药剂。②采取加酸工艺处理，使循环水中PH值控制在7.5-8之间，循环水钙硬加总碱之和在350-900 mg/l运行，浓缩倍数可以控制在2.5-5之间。③采取自然运行工艺，原水不经处理直接补充至循环水中，循环水钙硬加总碱之和在350-900 mg/l运行，浓缩倍数可以控制在1.7以下，水稳剂采用全有机复合药剂。①种综合运行费用zui低, ②种综合运行费用居中，③种综合运行费用zui高，因此处理高硬高碱水质，选用离子交换处理源水，将源水钙硬加总碱之和控制在150 mg/l左右，再辅以全有机配方，将浓缩倍数提高至5-6是可行的。
对于中等硬度和碱度的水质而言，原水钙硬加总碱之和150-200mg/l,长江中下游属于此类水质，将浓缩倍数提高至5-6，采取自然控制法是能达到的，但很大程度上还依赖于生产厂家及科研院所的研发。处理此类水质目前普遍采用全有机碱性配方，由HEDP、丙烯酸丙烯酯共聚物、锌盐等组成，即阻垢缓蚀剂Ⅱ（添加铜缓蚀剂为阻垢缓蚀剂Ⅲ）。九江分公司化肥厂循环水处理（原水钙硬加总碱之和180-200mg/l左右）原采用此配方，由于该配方本身的缺陷，循环水中的正磷含量偏高，浓缩倍数控制在2.0-3.5效果较好，年平均为2.5，而浓缩倍数超过3.5时，系统就出现结垢趋势，加之水处理药剂浓度低，投加量大等缺点，限制了浓缩倍数的继续提高。后在原配方的基础上进行调整，添加阻垢性能较好的PBTC，用新型含AMPS的磺酸盐共聚物代替原共聚物，浓缩倍数年平均提高至3.5，但浓缩倍数提高至4.5时，系统又会出现结垢趋势。若想继续提高浓缩倍数几乎依赖药剂的配方调整，增加阻垢成分，浓缩倍数还是可以达到5-6的。
对于低硬低碱的水质而言，属于强腐蚀性的水，由石油化工科学研究院于1993年研究的以两种羟基膦羧酸为主剂、与锌盐、分散剂的复配物处理钙硬：14.0mg/l,碱度：40.0mg/l的水质，浓缩倍数3.5-4.0，现场监测挂片腐蚀率为0.035mm/a,试管腐蚀率为0.018mm/a,粘附速率为2.97mcm,因钙硬加总碱之和为250 mg/l，应该说将浓缩倍数提高至5-6有一定的余地。
2.1.2 水的温升
由式（2）可知，蒸发水量大，也可提高浓缩倍数，蒸发水量E可用式（3）表示[1]：
……………………………（3） 式（3）中T为空气的干球温度 ℃；Δt为进出水温差 ℃；R为循环水量 m3/h；也就是说合理提高进出水温差，也可达到节水的目的，这与系统的热负荷及冷却塔的冷却能力有关，一般来说，满负荷生产阶段比非满负荷生产浓缩倍数要高，冷态运行时浓缩倍数很难提高。在满负荷生产时影响温差的一个重要因素是冷却塔的冷却效率，如九江分公司化肥厂循环水在满负荷生产时，由于冷却塔填料老化及填料片间距过大、百叶窗的安装角度不合理、填料安装没有按照上密下疏的原则等原因，实际进出水温差只能达到6℃，而设计进出水温差为10℃，这也是浓缩倍数不能得到提高的一个原因。该厂循环水量33000m3/h，如果按照设计情况运行，则可节约40%的用水量。
2.1.3 循环水系统V/R
按照《工业循环水冷却水设计规范》，循环冷却水系统容积V与循环水量R之比控制在1/3-1/5，V/R比值大，系统容积大，会给提高浓缩倍数及管理带来不便，V/R比值小，会缩短提高浓缩倍数的时间，便于浓缩倍数的调整及管理，*比值以1/5为宜。
2.14旁滤池滤料选择
循环水系统排污一般有两种途径：①通过集水池底排阀直接排放，②通过旁滤池反洗间接排污，若提高浓缩倍数，可以关闭集水池底排阀，但旁滤池如果滤料选择不当，导致反洗频率增加，排污量增大，也限制浓缩倍数的提高，如九江分公司化肥厂循环水设计循环水量33000m3/h,其中5%的水量1600 m3/h经旁滤池过滤后进入循环水系统。每座平面尺寸4.7 m×4.7 m，有效面积22 m2，滤池高度4.74 m，滤速19 m/s,反洗强度采用15l/ m2.s，期终水头损失值采用1.70 m，每座每次反洗排水约200T，该厂由于滤料选择不当限制了浓缩倍数的进一步提高，旁滤池的滤料先后更换了三次：首先采用无烟煤和石英砂滤料双层滤料，运行三年后出现旁滤池滤料板结现象，采用人工强制反洗和人工翻动滤池内无烟煤和石英砂滤料等方法，投用运行3个月后又出现过滤水量下降，滤池压差增大，自动反洗频率加大，8小时反洗一次；其次选用石英砂单层滤料，虽不出现板结现象，但反洗周期24小时一次；zui后选用稀土瓷砂单层滤料，经过运行实践表明，该滤料不会板结，运行周期可达168小时以上，反洗排水呈黑色，选用稀土瓷砂，不仅节水，而且较好地控制循环水浊度、系统中的生物粘泥，降低杀菌力度节约杀菌剂。
3. 零排污方案Ⅱ
综上所述，三种原水水质，在循环水系统设计合理及排除影响浓缩倍数提高的因素情况下，通过不同的途径虽然可以将浓缩倍数提高至5-6，但实际上许多地方不可能将浓缩倍数一下子提到5-6时，是一个循序渐进的过程，即使达到5-6也需要排污。假设某循环水系统循环水量30000m3/h,干球温度为28℃，进出水温差为10℃，浓缩倍数控制5-6，排污量仍可达到90-120 m3/h，循环水量越大，排污量也越大。如何将循环水排污水回用到循环水系统中，首先排污水水质与循环水水是一致的，循环水经过加药、杀菌、旁滤处理后，浊度、有机物含量低，只是钙硬和总碱经过浓缩后，钙硬和总碱之和为350-900mg/l。解决回用的问题主要是降低排污水中的钙硬和总碱。一般情况下，可选用软化除硬、脱盐处理后，再回用到循环水系统中去是可行的。软化除硬、脱盐已是相当成熟的技术，软化除硬目前主要有石灰法、加药沉淀法、絮凝法，脱盐技术有离子交换法、电渗析法、反渗透法等。对于高硬高碱原水而言，若按照用离子交换预处理原水和全有机碱性配方运行，投资不大。对于低硬低碱原水而言，经过浓缩5-6倍后钙硬、总碱分别不超过250mg/l,根据实际情况，投资一套离子交换装置将250 mg/ l钙硬、总碱降到50 mg/ l左右，费用也不大。对于中等硬度和碱度的水质而言，要根据实际情况进行核算。国内燕化化工一厂通过改造已成功将循环水排污水回收，燕化化工一厂的循环水总量是6.5万吨／小时，每小时排放的污水在三四百吨左右。燕化化工一厂与有关单位合作，以电絮凝法为技术依托，投资98万元建立了一套新三循系统排污水回用装置，排污水通过这套装置可有效去除水中硬度和悬浮物，经过脱盐处理后再返回到循环水中，处理过的水质可*达到补水标准，且回用率达到85％以上。此套装置的投用带来*的经济效益和社会效益，预计两年即可收回成本[4]。
4. 零排污方案Ⅲ
4. 零排污方案Ⅲ
因循环水相对来说对水质要求低，实施污水回用主要是将处理后的废水回用到循环水中去，作为补充水水源，运行费用低。但一般经过二级（生物）除磷脱氮后出水执行GB8978-1996标准，其COD、BOD5、SS和氮、磷营养物质含量高于污水回用设计规范推荐标准CFCS-93，需采用物理、化学方法对传统二级生物处理出水进行除磷除氮处理及去除有毒有害有机化合物三级处理或深度处使其达到回用至工业循环冷却水的标准，同时还含有结垢因子的硬度，因此回用水具有微生物高、腐蚀性强、结垢性高等特点，它要求去除水中的会引起冷却装置结垢的硬度，还要求去除会引起装置腐蚀和生物污垢的氨。二级出水需经过石灰软水装置除硬，采用离子交换或膜装置进行脱盐处理，再回用至循环水中。图2列出了此回水处理的工艺流程。
图2：回用水处理流程
此方案包含了循环水*技术，不同点是方案Ⅲ需要对废水进行深度处理，并且处理水量大，还要求循环加强水处理药剂防腐、杀菌等要求，因此零排方案Ⅲ投资要比方案Ⅱ要大，并且增加了管理难度。目前石化行业已有湛江东兴、茂名石化、大庆石化、抚顺石化、上海石化等单位开展了污水回用循环水的研究和应用。
5.结束语
5.1循环水浓缩倍数提高5-6运行，虽然是可行的，但更多的依赖药剂配方的开发研制，同时还受到诸多条件的限制，节水处于被动局面。
5.2实现循环水排污水以及工厂废水*，可将被动局面转为主动局面，需投入一定的资金。
5.3工厂zui终实现零排污，争取节水效益zui大化，可以分三个步骤走，即由零排污方案Ⅰ到零排污方案Ⅱ再到零排污方案Ⅲ，根据各自工厂的特点，循序渐进。