摘要：綜述了用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)“零排放”的旁流處理工藝(過濾、膜分離、化學(xué)沉淀軟化、離子交換等)，介紹了化學(xué)混凝—纖維過濾—控制投藥工藝(適用于中、小型循環(huán)冷卻水系統(tǒng))和化學(xué)混凝—纖維過濾—弱酸樹脂軟化工藝(適用于大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng))。
關(guān)鍵詞：工業(yè)循環(huán)水 冷卻水 零排放 旁流處理
采用增大水處理劑用量和投加合適的高性能分散劑、阻垢劑的方法可以改善阻垢效果，但這只是一種適合于較低濃縮倍數(shù)系統(tǒng)的、暫時(shí)的、消極的處理方法，對(duì)在高濃縮倍數(shù)下運(yùn)行的冷卻水系統(tǒng)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)墓に囘M(jìn)行旁流處理，將系統(tǒng)中不斷增多的有害成分除去，這樣相當(dāng)于將排污水經(jīng)再生處理后作為補(bǔ)充水回用到循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，是真正意義上的“零排放”。
1 旁流處理工藝
1.1 過濾法
過濾是常用的旁流處理方式(通稱旁濾)，其處理量通常為循環(huán)水量的2%～5%，可以去除水中大部分懸浮固體、粘泥和微生物等[1、2]，但不能降低水的硬度和含鹽量，反沖洗時(shí)雜質(zhì)將隨反洗水排出系統(tǒng)。由于反洗水中雜質(zhì)濃度比排污水高得多，所以系統(tǒng)排出的雜質(zhì)多而消耗的水量少，即通過旁濾可使排污量顯著降低。
大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一般采用以石英砂或無煙煤為濾料的重力無閥旁濾池，其濾速只能控制在10m/h以下，而冷卻水的懸浮物濃度只能控制在10mg/L以下，過濾及占地面積的增大導(dǎo)致基礎(chǔ)投資較大。
與石英砂相比，纖維濾料具有孔隙率高、孔隙分布合理和比表面積大等特點(diǎn)，采用纖維濾料時(shí)濾速可高達(dá)20～85m/h。由于纖維具有柔軟性和可壓縮性，故隨著水流阻力的增大而逐漸被壓縮，使濾料上層受力小、孔隙大，下層受力大、孔隙小，充分體現(xiàn)出纖維濾料納污量大、過濾周期長的特點(diǎn)。纖維濾料過濾器通常需采用氣水反沖，借助氣體的攪動(dòng)使截留的懸浮物與濾料分離，再隨反洗水排出[3]。纖維過濾器對(duì)懸浮物、鐵、錳、微生物粘泥都具有良好的截留作用，其過濾精度高，通常出水濁度＜1NTU。
近幾年來，新型的離子交換纖維濾料過濾器在循環(huán)冷卻水旁流處理中的作用正在逐步引起人們的重視，除具有過濾作用外，還可與水中鈣、鎂離子進(jìn)行離子交換，具有軟化水質(zhì)的功能[4]。
1.2 膜分離法
反滲透法和電滲析法是常見的兩種膜分離方法，可以有效去除冷卻水中的硬度、微生物等有害成分，有較高的脫鹽率，水回收率可以達(dá)到75%～90%。
由于滲透膜易被污染導(dǎo)致運(yùn)行成本不斷增大，通常先采用石灰軟化法去除大部分硬度和懸浮物后，再采用反滲透法做進(jìn)一步的降硬處理，以達(dá)到循環(huán)水補(bǔ)充水的水質(zhì)要求。
膜分離法的缺點(diǎn)是對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求苛刻，且運(yùn)行過程中的壓力波動(dòng)易導(dǎo)致膜被破壞，水中的腐蝕產(chǎn)物和微生物易使預(yù)濾裝置和反滲透膜堵塞、污染，頻繁的清洗增大了運(yùn)行費(fèi)用(處理成本可能高達(dá)5～15元/m3)且一次性投入成本較高，故該法不適用于大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。
1.3 化學(xué)沉淀軟化法
通常采用石灰—純堿軟化法來降低水中的碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度。在化學(xué)沉淀法中加入混凝劑可使呈膠體狀態(tài)的CaCO3和Mg(OH)2等形成大的絮狀顆粒并吸附水中的懸浮物而沉降下來，達(dá)到了同時(shí)降低濁度和硬度的目的。
首都鋼鐵公司的高爐煤氣洗滌水在運(yùn)行過程中各種離子及懸浮物含量不斷增大、二氧化碳大量損失，導(dǎo)致水質(zhì)穩(wěn)定效果下降，而采用石灰軟化—混凝沉降及二氧化碳相結(jié)合的方法，使循環(huán)水的硬度和濁度降低后返回洗滌水系統(tǒng)，取得了良好的節(jié)水效果。烏魯木齊石化公司化肥廠采用投加碳酸鈉、氫氧化鈉和混凝劑的方法處理硬度、濁度和鐵離子含量較高的外排污水[5]，其再生水水質(zhì)達(dá)到了《污水深度處理回用于循環(huán)冷卻水的擬用標(biāo)準(zhǔn)》的要求，進(jìn)一步的試驗(yàn)表明，再生水與新鮮水以1∶1混合后可以滿足工藝用水的需要。
羅基煌[6]介紹的大型冷卻水系統(tǒng)(2×104m3/h)采用石灰—純堿軟化、加酸調(diào)pH值的方法同時(shí)處理補(bǔ)充水和部分排污水，取得了良好的節(jié)水效益。Nurdogan等的研究表明[7]，在化學(xué)沉淀軟化法中將PAC改為投加25～50mg/L的Mg(OH)2有助于改善凝聚效果，而投加750mg/L的Na2CO3和10～15mg/L的陰離子型聚丙烯酰胺則可將濃縮6倍的火電廠冷卻水中鈣離子、鎂離子和SiO2含量分別降至30、10和20mg/L以下后回用于冷卻水系統(tǒng)。
由于循環(huán)冷卻水中碳酸鹽硬度較高、非碳酸鹽硬度較低，而旁流處理并不要求深度軟化，故大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用石灰軟化法同時(shí)進(jìn)行排污水與原水的軟化處理是可行的。
化學(xué)沉淀法的缺點(diǎn)是出水殘留硬度和pH值較高(需加酸調(diào)節(jié))、泥渣量過多，且加酸使冷卻水中的鹽含量增高(包括氯離子和硫酸鹽)，加劇了冷卻水的腐蝕傾向。該法作為旁流處理工藝時(shí)冷卻水中磷酸鹽緩蝕阻垢劑的存在可能干擾軟化處理過程；而石灰乳對(duì)阻垢劑的性能也有不利影響(如在除鈣鎂的同時(shí)也將阻垢劑除去、加劇阻垢劑的分解等)，它加劇阻垢劑本身因吸附和沉淀而產(chǎn)生的消耗，影響了冷卻系統(tǒng)的處理效果。
1.4 離子交換法
用于制備純水的離子交換法日常運(yùn)行需消耗大量酸堿，并產(chǎn)生大量廢水，處理成本很高，如采用Na型樹脂進(jìn)行軟化處理，則購置工業(yè)鹽的成本較高，再生時(shí)可能帶入大量Cl-離子，增加了冷卻水的腐蝕傾向。
在水質(zhì)軟化處理中弱酸陽離子交換樹脂的應(yīng)用越來越廣泛。弱酸樹脂的羧酸基團(tuán)對(duì)Ca2+、Mg2+具有較大的親和力，能有效去除水中的碳酸鹽硬度(理論上可將硬度去除到相當(dāng)于HCO3-堿度的程度)，其工作交換容量是強(qiáng)酸樹脂的2倍以上(通常可以達(dá)到2000 mmol/L)，再生劑耗量約為理論值的1.05～1.10倍，因而很經(jīng)濟(jì)。再生劑可以是鹽酸或硫酸(前者的成本是后者的3倍)，但采用硫酸時(shí)必須嚴(yán)格控制再生液的濃度和流速以抑制CaSO4的生成[8]。采用雙流式離子交換器可以節(jié)約投資、水耗和占地，并可獲得較高的再生效率[9]。
弱酸樹脂用于循環(huán)冷卻水旁流處理的研究始于1998年。研究表明，弱酸系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模與循環(huán)冷卻水阻垢劑所能維持的堿度有關(guān)，堿度越高則處理量越小、經(jīng)濟(jì)性越好[10]。弱酸樹脂軟化工藝的缺點(diǎn)是水中懸浮物和有機(jī)物的存在對(duì)樹脂的運(yùn)行周期有嚴(yán)重的影響，樹脂價(jià)格較高、再生操作復(fù)雜也限制了其應(yīng)用。
1.5 其他方法
將排污水經(jīng)加熱蒸發(fā)—蒸汽壓縮冷凝，可使冷卻水中的有害成分得到濃縮，并使95%的排污水以冷凝液的形式得到回收、作為循環(huán)水和鍋爐補(bǔ)充水返回系統(tǒng)，但這種方法能耗過高，只可能在特別缺水的地區(qū)采用。以磷酸鹽控制釋放水處理劑可以實(shí)現(xiàn)恒速投藥[11]，采用自動(dòng)加藥裝置和提高水處理技術(shù)水平則有助于改善循環(huán)冷卻水的水質(zhì)、提高濃縮倍數(shù)、節(jié)約用水量。此外，石油化工企業(yè)常用隔油池來去除因泄漏而進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)中的油，但對(duì)冷卻水中正磷酸鹽和二氧化硅的旁流去除工藝尚未見報(bào)導(dǎo)。
2 旁流處理工藝、設(shè)備的組合
2.1 纖維過濾—控釋投藥工藝
2.1.1 原理
纖維過濾與控制釋放水處理劑相結(jié)合的工藝流程如圖1所示。
循環(huán)冷卻水經(jīng)射流器加入混凝劑后在管道中混合均勻再進(jìn)入高效纖維過濾器，在濾床上方的反應(yīng)區(qū)發(fā)生微絮凝反應(yīng)，水中的懸浮物生成絮狀顆粒與微生物粘泥一起被纖維濾料截留、去除，濾后水的濁度＜1NTU。采用這種方法，旁濾水中的正磷酸鹽可被纖維濾料及其所截留的絮狀顆粒物吸附、去除。
濾后的旁流冷卻水經(jīng)加藥罐時(shí)，玻璃狀的“銹垢凈”水處理劑按一定速率溶入水中、釋放出具有緩蝕阻垢作用的聚磷酸鹽，可以實(shí)現(xiàn)恒速投藥。
該工藝具有流程簡單、布置緊湊、操作方便靈活等特點(diǎn)，可將工業(yè)循環(huán)冷卻水中的懸浮物、正磷酸鹽和微生物粘泥等有害成分同時(shí)去除，同時(shí)補(bǔ)充聚磷酸鹽活性成分，達(dá)到改善水質(zhì)，提高緩蝕、阻垢效果的目的。
2.1.2 成本及效益分析
運(yùn)行成本主要包括混凝劑及“銹垢凈”的費(fèi)用(約為0.2元/m3)、電費(fèi)(主要包括進(jìn)水泵、反沖泵和羅茨風(fēng)機(jī)等設(shè)備的電耗)，總成本＜0.5元/m3，是一種比較經(jīng)濟(jì)的處理方法。
效益包括提高濃縮倍數(shù)、減少補(bǔ)充水量和排污量而節(jié)省的水費(fèi)和排污費(fèi)，減少水處理劑耗量而節(jié)省的費(fèi)用等，以及改善水質(zhì)穩(wěn)定效果、延長設(shè)備使用壽命、改善傳熱效率、節(jié)省人力而產(chǎn)生的效益等。
該工藝適用于無專業(yè)技術(shù)人員管理的中、小型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。
2.2 纖維過濾—弱酸樹脂軟化工藝
2.2.1 原理
纖維過濾與離子交換樹脂相結(jié)合的工藝流程如圖2所示。
循環(huán)冷卻水經(jīng)射流器加入沉淀劑和混凝劑后，在管道中混合均勻并進(jìn)入高效纖維過濾器，在濾床上方的反應(yīng)區(qū)發(fā)生部分軟化反應(yīng)和微絮凝反應(yīng)，生成的CaCO3和Mg(OH)2顆粒與水中的懸浮物一起被纖維濾料截留、去除，濾后水的硬度(硬度即非碳酸鹽硬度)約降低1mmol/L、濁度＜1NTU、堿度適當(dāng)增加、pH值升至9.5左右。
采用弱酸(丙烯酸)陽離子交換樹脂可進(jìn)一步將水中硬度和堿度降至1mmol/L以下，出水pH值為3～6，達(dá)到補(bǔ)充水的水質(zhì)要求后則可返回冷卻水系統(tǒng)，出水中可保留50%以上的水處理劑。
2.2.2 成本及效益分析
運(yùn)行成本包括沉淀劑和混凝劑的消耗及弱酸樹脂再生(用硫酸作再生劑)的費(fèi)用，其中藥劑成本為0.63元/m3，加上電費(fèi)(主要包括進(jìn)水泵、反沖泵和羅茨風(fēng)機(jī)所消耗的電能)，則總成本＜1.0元/m3，比采用反滲透等其他方法經(jīng)濟(jì)。
效益包括減少補(bǔ)充水量和排污量而節(jié)省的水費(fèi)和排污費(fèi)、減少水處理劑耗量而節(jié)省的費(fèi)用、以及改善水質(zhì)穩(wěn)定效果、延長設(shè)備使用壽命、改善傳熱效率而產(chǎn)生的效益。
2.2.3 設(shè)備特點(diǎn)
主要設(shè)備包括高效纖維過濾器和弱酸陽離子交換器，工藝過程和設(shè)備具有流程簡單、緊湊、操作方便靈活等特點(diǎn)。將反應(yīng)器與過濾器合二為一的“一體化”設(shè)備，使工藝過程在一體化設(shè)備中完成，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。利用高效纖維過濾器內(nèi)濾料層的上部空間作為“三合一”處理工藝的反應(yīng)區(qū)，可省去一個(gè)體積龐大的反應(yīng)澄清池，由于“微絮凝效應(yīng)”的存在，反應(yīng)生成的微小沉淀物顆粒可通過纖維濾料的深層、高精度過濾得以去除，具有過濾精度高、運(yùn)行周期長、納污量大等優(yōu)點(diǎn)。
弱酸陽離子交換樹脂對(duì)硬度沒有去除作用，軟化水質(zhì)時(shí)不產(chǎn)生強(qiáng)酸，樹脂在失效后容易再生，通常酸的消耗量僅為理論值的1.1倍，因而比較經(jīng)濟(jì)。該工藝操作靈活，可根據(jù)水質(zhì)情況采用調(diào)整流程，其自身耗水量＜10%，適用于大型工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。
3 結(jié)語
①采用旁流處理工藝(包括過濾、膜分離、化學(xué)沉淀軟化、離子交換等)將循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的排污水經(jīng)凈化和軟化后作為補(bǔ)充水進(jìn)行回用，可顯著降低排污量并改善水質(zhì)穩(wěn)定效果，對(duì)提高工業(yè)水的重復(fù)利用率和節(jié)約水資源具有重要意義。
②對(duì)于中、小型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，可以采用能去除懸浮物、降低濁度、同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投藥的化學(xué)沉淀—纖維過濾—控釋投藥工藝；對(duì)于大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，可以采用能同時(shí)去除懸浮物、硬度等的化學(xué)沉淀—纖維過濾—弱酸樹脂交換工藝，以便從根本上改善水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“零排放”。
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