工業循環水節水新思路
摘要：就不同源水水質濃縮倍數提高至5-6運行的可行性及 影響 濃縮倍數達到5-6的主要因素進行了 分析 ，對不同零排污的含義進行了闡述，提出了循環水節水新思路。
關鍵詞：零排污 濃縮倍數 節水
。
隨著 經濟 的 發展 ， 工業 用水量日益增大，而冷卻用水占工業總用水量的70%左右，循環冷卻水節水大有潛力可挖。提高濃縮倍數運行是 目前 公認的有效節水 方法 ，但隨著濃縮倍數的提高，循環水系統結垢和腐蝕因子也隨著成倍上升，更多的是依賴水穩劑開發上。筆者從循環水不同含義上的“零排污”來談談循環水節水方法。
1. 零排污的含義
①提高濃縮倍數5-6運行，循環水系統可近似達到不排污，稱為零排污方案Ⅰ。
②即使濃縮倍數達到5-6也存在少量排污，將循環冷卻水排污水經過處理作為冷卻水的補充水回用至循環水系統中，即循環水零排放，稱為零排污方案Ⅱ。
③就整個工廠而言，將工業廢水經過生化處理后，再經過深度處理，回用至循環水系統中，是最佳經濟運行方法，使工廠實現真正意義上的零排污，稱為零排污方案Ⅲ。
2. 零排污方案Ⅰ
2.1 濃縮倍數
濃縮倍數K值的大小決定節水的水平和水的重復利用率的高低，它可用公式表示[1]： ……………………………(1)
式(1)中k:濃縮倍數;M：補水量m3/h E：蒸發水量 m3/h;D：風吹損失 m3/h;F：漏損m3/h;若將風吹損失D和漏損F都包含在排污水B內，則式(1)變為式(2)。
………………………………(2)
圖1：M/E和K之間的關系
若E保持不變，排污量越小，則補水量越小，得到濃縮倍數越大。一般情況下，當K>1，隨著K值的增大，從圖1可以看出，M/E下降程度較快，排污量迅速下降;當濃縮倍數大于5-6以后， M/E下降程度緩慢，節水程度最小。繼續提高濃縮倍數，就目前處理水平而言，增加了對水處理劑、殺菌劑、系統的設施及管理等要求。因此目前公認濃縮倍數最佳經濟運行值控制在5-6，但濃縮倍數提高至5-6，還要受補充水的水質情況、水的溫升、當地氣象條件、循環水系統V/R以及旁濾池濾料等各個方面的條件限制。
2.1.1水質條件
目前習慣根據水質的硬度和堿度將補充水劃分為三個等級，即高硬高堿、中等硬度和堿度、低硬低堿三種水質。對于高硬高堿而言，補充水中鈣硬加總堿之和超過250mg/l,若將濃縮倍數提高至5-6，則循環水中鈣硬加總堿之和超過1250-1500mg/l,而目前水處理劑處理鈣硬加總堿之和在350-900 mg/l的水質效果最好[2]，因此對于鈣硬加總堿之和超過1500mg/l的循環水而言單靠全有機配方來處理，相對會增加處理費用及管理的難度，必須結合其它的途徑來解決。李本高等人對齊魯石化公司、洛陽石化煉油廠高硬高堿循環水處理采取三種方法進行 研究 [3]：①用離子交換樹脂處理原水，將原水中的硬度和堿度分別降至50mg/l后補入循環水中，循環水鈣硬加總堿之和在350-900 mg/l運行，濃縮倍數可以控制在5.5-6之間，水穩劑采用全有機復合藥劑。②采取加酸工藝處理，使循環水中PH值控制在7.5-8之間，循環水鈣硬加總堿之和在350-900 mg/l運行，濃縮倍數可以控制在2.5-5之間。③采取 自然 運行工藝，原水不經處理直接補充至循環水中，循環水鈣硬加總堿之和在350-900 mg/l運行，濃縮倍數可以控制在1.7以下，水穩劑采用全有機復合藥劑。①種綜合運行費用最低, ②種綜合運行費用居中，③種綜合運行費用最高，因此處理高硬高堿水質，選用離子交換處理源水，將源水鈣硬加總堿之和控制在150 mg/l左右，再輔以全有機配方，將濃縮倍數提高至5-6是可行的。
對于中等硬度和堿度的水質而言，原水鈣硬加總堿之和150-200mg/l,長江中下游屬于此類水質，將濃縮倍數提高至5-6，采取自然控制法是能達到的，但很大程度上還依賴于生產廠家及科研院所的研發。處理此類水質目前普遍采用全有機堿性配方，由HEDP、丙烯酸丙烯酯共聚物、鋅鹽等組成，即阻垢緩蝕劑Ⅱ(添加銅緩蝕劑為阻垢緩蝕劑Ⅲ)。九江分公司化肥廠循環水處理(原水鈣硬加總堿之和180-200mg/l左右)原采用此配方，由于該配方本身的缺陷，循環水中的正磷含量偏高，濃縮倍數控制在2.0-3.5效果較好，年平均為2.5，而濃縮倍數超過3.5時，系統就出現結垢趨勢，加之水處理藥劑濃度低，投加量大等缺點，限制了濃縮倍數的繼續提高。后在原配方的基礎上進行調整，添加阻垢性能較好的PBTC，用新型含AMPS的磺酸鹽共聚物代替原共聚物，濃縮倍數年平均提高至3.5，但濃縮倍數提高至4.5時，系統又會出現結垢趨勢。若想繼續提高濃縮倍數幾乎依賴藥劑的配方調整，增加阻垢成分，濃縮倍數還是可以達到5-6的。
對于低硬低堿的水質而言，屬于強腐蝕性的水，由石油化工 科學 研究院于1993年研究的以兩種羥基膦羧酸為主劑、與鋅鹽、分散劑的復配物處理鈣硬：14.0mg/l,堿度：40.0mg/l的水質，濃縮倍數3.5-4.0，現場監測掛片腐蝕率為0.035mm/a,試管腐蝕率為0.018mm/a,粘附速率為2.97mcm,因鈣硬加總堿之和為250 mg/l，應該說將濃縮倍數提高至5-6有一定的余地。
2.1.2 水的溫升
由式(2)可知，蒸發水量大，也可提高濃縮倍數，蒸發水量E可用式(3)表示[1]：
……………………………(3)
式(3)中T為空氣的干球溫度 ℃;Δt為進出水溫差 ℃;R為循環水量 m3/h;也就是說合理提高進出水溫差，也可達到節水的目的，這與系統的熱負荷及冷卻塔的冷卻能力有關，一般來說，滿負荷生產階段比非滿負荷生產濃縮倍數要高，冷態運行時濃縮倍數很難提高。在滿負荷生產時影響溫差的一個重要因素是冷卻塔的冷卻效率，如九江分公司化肥廠循環水在滿負荷生產時，由于冷卻塔填料老化及填料片間距過大、百葉窗的安裝角度不合理、填料安裝沒有按照上密下疏的原則等原因，實際進出水溫差只能達到6℃，而設計進出水溫差為10℃，這也是濃縮倍數不能得到提高的一個原因。該廠循環水量33000m3/h，如果按照設計情況運行，則可節約40%的用水量。
2.1.3 循環水系統V/R
按照《工業循環水冷卻水設計規范》，循環冷卻水系統容積V與循環水量R之比控制在1/3-1/5，V/R比值大，系統容積大，會給提高濃縮倍數及管理帶來不便，V/R比值小，會縮短提高濃縮倍數的時間，便于濃縮倍數的調整及管理，最佳比值以1/5為宜。
2.14旁濾池濾料選擇
循環水系統排污一般有兩種途徑：①通過集水池底排閥直接排放，②通過旁濾池反洗間接排污，若提高濃縮倍數，可以關閉集水池底排閥，但旁濾池如果濾料選擇不當，導致反洗頻率增加，排污量增大，也限制濃縮倍數的提高，如九江分公司化肥廠循環水設計循環水量33000m3/h,其中5%的水量1600 m3/h經旁濾池過濾后進入循環水系統。每座平面尺寸4.7 m×4.7 m，有效面積22 m2，濾池高度4.74 m，濾速19 m/s,反洗強度采用15l/ m2.s，期終水頭損失值采用1.70 m，每座每次反洗排水約200T，該廠由于濾料選擇不當限制了濃縮倍數的進一步提高，旁濾池的濾料先后更換了三次：首先采用無煙煤和石英砂濾料雙層濾料，運行三年后出現旁濾池濾料板結現象，采用人工強制反洗和人工翻動濾池內無煙煤和石英砂濾料等方法，投用運行3個月后又出現過濾水量下降，濾池壓差增大，自動反洗頻率加大，8小時反洗一次;其次選用石英砂單層濾料，雖不出現板結現象，但反洗周期24小時一次;最后選用稀土瓷砂單層濾料，經過運行實踐表明，該濾料不會板結，運行周期可達168小時以上，反洗排水呈黑色，選用稀土瓷砂，不僅節水，而且較好地控制循環水濁度、系統中的生物粘泥，降低殺菌力度節約殺菌劑。
3. 零排污方案Ⅱ
綜上所述，三種原水水質，在循環水系統設計合理及排除 影響 濃縮倍數提高的因素情況下，通過不同的途徑雖然可以將濃縮倍數提高至5-6，但實際上許多地方不可能將濃縮倍數一下子提到5-6時，是一個循序漸進的過程，即使達到5-6也需要排污。假設某循環水系統循環水量30000m3/h,干球溫度為28℃，進出水溫差為10℃，濃縮倍數控制5-6，排污量仍可達到90-120 m3/h，循環水量越大，排污量也越大。如何將循環水排污水回用到循環水系統中，首先排污水水質與循環水水是一致的，循環水經過加藥、殺菌、旁濾處理后，濁度、有機物含量低，只是鈣硬和總堿經過濃縮后，鈣硬和總堿之和為350-900mg/l。解決回用的 問題 主要是降低排污水中的鈣硬和總堿。一般情況下，可選用軟化除硬、脫鹽處理后，再回用到循環水系統中去是可行的。軟化除硬、脫鹽已是相當成熟的技術，軟化除硬 目前 主要有石灰法、加藥沉淀法、絮凝法，脫鹽技術有離子交換法、電滲析法、反滲透法等。對于高硬高堿原水而言，若按照用離子交換預處理原水和全有機堿性配方運行，投資不大。對于低硬低堿原水而言，經過濃縮5-6倍后鈣硬、總堿分別不超過250mg/l,根據實際情況，投資一套離子交換裝置將250 mg/ l鈣硬、總堿降到50 mg/ l左右，費用也不大。對于中等硬度和堿度的水質而言，要根據實際情況進行核算。國內燕化化工一廠通過改造已成功將循環水排污水回收，燕化化工一廠的循環水總量是6.5萬噸/小時，每小時排放的污水在三四百噸左右。燕化化工一廠與有關單位合作，以電絮凝法為技術依托，投資98萬元建立了一套新三循系統排污水回用裝置，排污水通過這套裝置可有效去除水中硬度和懸浮物，經過脫鹽處理后再返回到循環水中，處理過的水質可完全達到補水標準，且回用率達到85%以上。此套裝置的投用帶來極好的 經濟 效益和 社會 效益，預計兩年即可收回成本[4]。
4. 零排污方案Ⅲ
因循環水相對來說對水質要求低，實施污水回用主要是將處理后的廢水回用到循環水中去，作為補充水水源，運行費用低。但一般經過二級(生物)除磷脫氮后出水執行GB8978-1996標準，其COD、BOD5、SS和氮、磷營養物質含量高于污水回用設計規范推薦標準CFCS-93，需采用物理、化學 方法 對傳統二級生物處理出水進行除磷除氮處理及去除有毒有害有機化合物三級處理或深度處使其達到回用至 工業 循環冷卻水的標準，同時還含有結垢因子的硬度，因此回用水具有微生物高、腐蝕性強、結垢性高等特點，它要求去除水中的會引起冷卻裝置結垢的硬度，還要求去除會引起裝置腐蝕和生物污垢的氨。二級出水需經過石灰軟水裝置除硬，采用離子交換或膜裝置進行脫鹽處理，再回用至循環水中。圖2列出了此回水處理的工藝流程。
圖2：回用水處理流程
此方案包含了循環水零排放技術，不同點是方案Ⅲ需要對廢水進行深度處理，并且處理水量大，還要求循環加強水處理藥劑防腐、殺菌等要求，因此零排方案Ⅲ投資要比方案Ⅱ要大，并且增加了管理難度。目前石化行業已有湛江東興、茂名石化、大慶石化、撫順石化、上海石化等單位開展了污水回用循環水的 研究 和 應用 。
5.結束語
5.1循環水濃縮倍數提高5-6運行，雖然是可行的，但更多的依賴藥劑配方的開發研制，同時還受到諸多條件的限制，節水處于被動局面。
5.2實現循環水排污水以及工廠廢水零排放，可將被動局面轉為主動局面，需投入一定的資金。
5.3工廠最終實現零排污，爭取節水效益最大化，可以分三個步驟走，即由零排污方案Ⅰ到零排污方案Ⅱ再到零排污方案Ⅲ，根據各自工廠的特點，循序漸進。
參考 文獻 ：
1. 徐壽昌等.工業冷卻水處理技術.化學工業出版社，1984
2. 李本高.循環冷卻水處理技術面臨新的形勢和挑戰. 中國 石化第七屆水處理技術研討會
3. 李本高.高硬度高堿度水處理方法比較. 中國石化第七屆水處理技術研討會
4. 閆巖，陳奎正.循環水零排放的工業應用現狀. 中國石化第八屆水處理技術研討會
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