水处理设备技术在循环冷却水系统中的应用探讨

冯小丽

【摘 要】通过对工业企业循环冷却水冷却原理及运行障碍产生的三类危害分析，结合水处理技术的现状，对水垢控制、污垢控制、腐蚀控制、微生物控制常见方法进行了阐述，提出循环水化学处理应重视化学清洗、预膜处理及日常水处理工作，并说明了工作原理和工作重点。针对循环水系统排污水近零排放技术及循环利用技术进行了论述，探讨了利用反渗透法将排污水脱盐处理后，与新鲜水共同作为循环水系统补充水的方法，有助于提高循环水浓缩倍率，降低耗水量，实现废水零排放，减少环境污染，提高经济效益。

【关键词】循环冷却水；水处理技术；阻垢缓蚀剂；反渗透；趋零排放

1 循环冷却水的概念及原理

1.1 循环冷却水的概念

循环冷却水是指通过换热器交换热量或直接接触换热方式来交换介质热量并经冷却塔凉水后循环使用，以节约水资源。一般情况下，循环水是中性和弱碱性的，pH值控制在7～9之间[1]。在与介质直接接触的循环冷却水具有酸性或碱性（pH>10.0）的情况，一般较少。

1.2 循环水的冷却原理

循环水的冷却是通过水与空气接触，由蒸发散热、接触散热和辐射散热三个过程共同作用的结果。

1）蒸发散热：水在冷却设备中形成大大小小的水滴或极薄的水膜，扩大其与空气的接触面积和延长接触时间加强水的蒸发，使水汽从水中带走气化所需的热量从而使水冷却。

2）接触散热：水与较低温度的空气接触，由于温差使热水中的热量传到空气中，水温得到降低。

3）辐射散热：不需要传热介质的作用，而是由一种电磁波的形式来传播热能的现象。

这三种散热过程在水冷却中所起的作用，随空气的物理性质不同而异。春、夏、秋三季，室外气温较高，表面蒸发起主要作用，在冬季，由于气温降低，接触散热的作用增大。

2 循环冷却水运行障碍产生的危害

冷却水在循环系统中不断循环使用，由于水温升高、流速变化、蒸发、各种无机离子和有机物质的浓缩，冷却塔和冷却水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入，以及设备的结构和材料等多种因素的综合作用，会产生很多问题。

2.1 水垢附着

在循环冷却水系统中，碳酸氢盐的浓度随蒸发浓缩而增加。当其浓度达到过饱和状态，或经过传热表面水温升高时，会分解生成碳酸盐沉积在传热表面，形成致密的微溶性盐类水垢，其导热性能很差。因此，水垢附着，轻则降低换热器传热效率，严重时，使换热器堵塞，系统阻力增大，水泵和冷却塔效率下降，加快局部腐蚀，甚至造成非正常停产。

2.2 设备腐蚀

循环冷却水系统中，大量设备是由金属制造，长期使用循环冷却水，会发生腐蚀穿孔。这是由多种因素造成的，主要有：冷却水中溶解氧引起的电化学腐蚀；有害离子（Cl-和SO）引起的腐蚀；微生物引起的腐蚀等。设备管壁腐蚀穿孔，会形成渗漏，或工艺介质泄露入冷却水中，损失物料，污染水体；或冷却水渗入工艺介质，影响产品质量，造成经济损失，影响安全生产。

2.3 微生物的滋生与粘泥

在循环水中，由于养分的浓缩，水温升高和日光照射，给细菌和藻类的迅速繁殖创造了条件。细菌分泌的黏液使水中漂浮的灰尘杂质和化学沉淀物等黏附在一起，形成沉积物附着在传热表面，即生物粘泥或软垢。粘泥附着会引起腐蚀，冷却水流量减少，进而降低冷却效率；严重时会堵死管道，迫使停产清洗。

综上所述，冷却水长期循环使用后，必然会带来结垢、腐蚀和微生物滋生问题。解决好这三个问题才能稳定生产、节约资源与能源，从而减少环境污染，提高经济效益。

3 循环冷却水处理技术现状

3.1 水垢的控制

循环水系统中最易生成的水垢是碳酸钙垢，水垢控制即是防止碳酸钙的析出，大致有以下几类方法。

1）从补充冷却水中除去成垢的钙、镁离子

在补充水进入循环水系统之前进行软化处理，除去Ca2+、Mg2+，也就形不成水垢。目前常用的软化方法有两种：一是离子交换树脂法，该法适于补充水量小的循环水系统间或采用；二是石灰软化法，即投加石灰，使Ca（HCO3）2反应生成CaCO3沉淀提前析出。该方法成本低，适于原水（尤其是暂时硬度大的结垢型原水）钙含量高，补充水量较大的循环冷却水系统。

2）加酸降低pH值，稳定重碳酸盐

在循环水中加酸（通常为硫酸），降低PH值，使重碳酸盐处于稳定状态。加酸法的关键是控制好加酸量，否则酸量过多会加速设备腐蚀。

3）投加阻垢剂

在循环水中投加阻垢剂，破坏CaCO3的结晶增长过程，以达到控制水垢形成的目的。目前常用的阻垢剂有聚磷酸盐、有机多元膦酸、有机磷酸脂、聚丙烯酸盐等，这也是目前应用最广的控制水垢的方法。

3.2 污垢的控制

（1）对补充水进行预处理，降低浊度；（2）做好循环水水质处理；（3）投加分散剂，可将粘合在一起的泥团杂质等分散成微粒悬浮于水中，随水流流动而不沉积，从而减少污垢对传热的影响，部分悬浮物还可随排污排出；（4）增加旁滤设备，如果在系统中增设旁滤设备，控制好旁流量和进、出旁流设备的浊度，就可保持系统长时间运行下的浊度在控制指标内，减少污垢形成。

3.3 循环冷却水系统金属腐蚀的控制

1）添加缓蚀剂

缓蚀剂是一种用于腐蚀介质中抑制金属腐蚀的添加剂，它用量少，不会改变腐蚀介质的性质，不需特殊投加设备，也不需对设备表面进行处理。因此，使用缓蚀剂是一种经济效益较高且适应性较强的金属防护措施。在敞开式循环水系统中，为了减轻环境富营养化的压力，目前更趋向于使用后面几种有机膦酸盐和低磷缓蚀剂。

2）提高循环水的pH值

提高循环水的pH值，使金属表面生成氧化性保护膜的倾向增大，易于钝化，从而有利于控制设备腐蚀。提高循环水的pH值后，不可避免的带来一些问题：循环水结垢倾向增大；设备腐蚀速度下降，但还不能满足要求；某些常用缓蚀剂失效。目前可通过添加专门为碱性冷却水处理开发的复合缓蚀剂来解决，例如：聚磷酸盐-锌盐-膦酸盐-分散剂、聚磷酸盐-正磷酸盐-膦酸盐-三元共聚物、有机多元膦酸-聚合物分散剂-唑类、多元醇磷酸酯-丙烯酸系聚合物、HEDP-PMA等。这些水处理剂的复合配方可发挥出除垢和防腐的综合作用，由于协同或增效作用，它比单一药剂的单一作用，效果更显著，这也是缓蚀剂的发展趋势。

3）选用耐蚀材料的换热器。

4）用防腐涂料涂覆。

3.4 循环冷却水系统微生物的控制

设备选用耐蚀材料；控制循环水中的氧含量、PH值、悬浮物和微生物的养料等水质指标；在防腐涂料中添加杀生剂，抑制微生物的生长；采取在冷却水水池加盖、冷却塔的进风口加装百叶窗等措施，防止阳光照射；设置旁流过滤设备；对补充水进行混凝沉淀预处理。目前最有效和最常用的方法则是向循环水中添加杀生剂。

总之，解决循环水系统问题的方法，在实际应用中需要根据原水水质、循环水水量及温升、补水水质和价格、使用循环水的换热设备材质和型式以及其他工况条件等实际情况，综合考虑经济效益和环境效益，选择适宜的除垢、防腐、控制微生物的方法结合在一起，制定出经济、实用、可行的循环水处理方案才能实现循环水系统的经济合理运行。

4 循环冷却水的化学处理程序

化学处理技术是针对不同的水质、设备、材质和工艺条件等因素，选择合理的缓蚀阻垢药剂来抑制腐蚀、水垢和粘泥等危害的产生，使水质稳定，以达到预期的效果。完整地实施水处理技术，是保证循环冷却水系统科学、经济、高效运行的关键。如果补充水水质较差，又要求循环水高浓缩倍数运行，就必须对循环水的补充水进行处理。在循环水水质较差时，循环水补充水可选用“部分弱酸树脂和稳定剂联合处理系统”。

4.1 化学清洗

在采用水处理技术，投加水处理剂之前，应对循环水系统的换热设备和管道进行剥离和清洗，特别是已经运行的老系统，在粘泥沉积、菌藻滋生严重的状况下，清洗尤为重要。化学清洗主要机理为通过渗透、疏松、剥离、溶解、分散、整合、晶格畸变等作用，除去水侧表面的粘附物、水垢等杂物，以达到净化设备金属表面的目的，为水处理的预膜和日常处理创造条件。

4.2 预膜处理

预膜是在系统剥离清洗之后、正常运行之前水处理的一个步骤。预膜处理是在系统清洗之后，向系统中投加一定浓度的高效预膜剂，在设定条件下循环运行，使之在设备金属表面形成一层均匀致密的保护膜，达到不易成垢和缓蚀的目的，对系统设备和管道起到良好的保护作用。

4.3 日常水处理工作

当预膜结束后，水处理剂由高浓度转入低浓度。日常水处理工作包括：日常加药和分析监测，投加缓蚀阻垢剂以延缓腐蚀和阻止结垢，投加杀菌灭藻剂控制菌藻滋生及粘泥的粘附。日常加药的目的是维持水中药剂浓度，以保持膜的完整性，并起到缓蚀阻垢作用和控制微生物的生长。在操作时按照规定的水稳剂配方并控制好指标，在循环水系统正常运行中，需要进行处理效果的监测，以了解水质处理的效果，并根据每天水质分析化验结果，对排污水量、补充水量及加药量进行必要的调整，使之达到要求指标，并控制合理的浓缩倍数。

5 循环冷却水排污水近零排放技术

5.1 实现目的

降低循环水系统运行费用，提高设备系统整体管理水平；有效解决水垢附着、设备腐蚀以及微生物的滋生与粘泥问题；减少循环水系统排污水量和补充水量，提高浓缩倍数，实现近零排污或少排污，节约水资源。

5.2 解决办法探讨

将原有循环水系统的排污水进行处理，去除水的浊度，降低水的硬度和盐含量，并使处理出水的硬度低于新鲜水的硬度，二者混合后作为进入冷却水池的补充水。运行一段时间后，循环水总体的盐含量和硬度降低，系统浓缩倍数可逐步提高，循环水水质逐渐变好，新鲜水用量和排污水量不断减少，形成系统的良性循环。

对于发电厂，将循环水排放的浓水进行脱盐处理，生活污水进行生化处理和过滤，再混入部分新鲜水作为循环水的补充水。循环水浓水经过脱盐处理后，可以全部脱去硬度，含盐量低于新鲜水，浊度小于新鲜水，处理运行费用低于当地的新鲜水价格。生活污水生化处理和过滤后作为循环水补充水的运行费用也低于当地的新鲜水价格，从而在循环水系统中，为企业取得一定的经济效益，而且随着国家对水资源价格和污水排放的控制，经济效益会越来越显著。

对于化工企业，由于被冷却的介质品种较多，介质温度高，循环水突出的问题是在部分换热器中结垢严重，也存在运行中含盐量增高、细菌滋生等问题。可探讨将循环水系统的浓水、生活污水生化处理和污水处理场达标排放废水过滤脱盐后回用，对补充的部分新鲜水也进行脱盐、除硬度后使用，使整个循环水系统浓缩倍数大大提高，并且由于循环水的硬度较低，可大大降低换热器的结垢速率，保证生产的正常性和长周期运行。

污水处理有多种方法可选择，包括离子交换、电渗析法、反渗透法、纳滤、超滤和微滤、过滤以及絮凝、氧化等。

反渗透法是近20年来发展起来的膜技术，现己被广泛地用于水质除盐和污水治理等方面。该法专门用以分离水中的分子态和离子态溶解物质，其实质是向水溶液中施加巨大的压力，使溶剂水透过反渗透膜成为淡水，而溶质被阻留成为浓水，由此可达到两个目的，一是从含盐水中制取淡水；二是浓缩污水中的溶解态污染物质，处理后的污水或直接排放或重复利用[3]。反渗透装置是以分子扩散膜为介质。以静压差为推动力来分离水溶液中的物质，与电渗析法相比，在经济上具有显著的优越性，电能效率较高、能耗低。离子交换法主要用于去除水中离子化物质，生化处理出水COD值相对较高，且大部分为非离子型有机物，污水中的有机物与树脂活性基团的固定离子结合力很大，一旦结合就很难进行再生，严重影响再生效率和交换能力，树脂抗氧化剂氧化性很差。电渗析法以离子交换膜为介质，靠离子的选择透过性来分离水溶液中的某些物质。它是在离子交换技术的基础上发展起来的一项新技术，它去除的也是一些电解质物质，但回用率较低且运行成本很高。超滤和微滤亦属于压力推动的膜工艺系列，就分离范围而言，它补充了反渗透、纳滤和普通过滤之间的空隙。超过滤是对料液施加一定压力后，高分子物质、胶体、蛋白质、微粒等被半透膜所截留，而溶剂和低分子物质则透过膜。超过滤的分离机理主要是膜表面孔径筛分机理、膜孔阻塞的阻滞机理和膜面以及膜孔对粒子的一次吸附机理。但超滤装置不能脱盐，实现不了污水深度处理的目的。

6 水处理运行效果及其评定

6.1 水处理后的表现效果

（1）换热设备和管道不再产生新垢，老垢在一定程度上逐步减少，管道阻力减小，泵压降低，冷却水流量增大，换热器效率上升，工艺条件改善，生产能力提高，产品质量稳定，产量增加。

（2）设备及管道的腐蚀得到有效的控制，不仅延长了设备的使用寿命和运行投入周期，而且降低了设备腐蚀穿孔引发泄漏事故的可能性，为生产的长周期安全平稳运行提供了强有力的保障。

（3）系统不再产生新菌藻，老菌藻逐步脱落。同时，附着在换热器、冷却塔、水槽壁、池底、管道上的微生物粘泥、软垢也逐渐被疏松、剥离和分散，随排污水一起排掉。这有效地剿灭了微生物的滋生繁殖，阻断了粘泥污物对系统的侵害。

（4）凉水塔喷嘴、填料无堵塞现象，冷却水量增大，喷水均匀，水流畅通，冷却效率提高，冷却水进、出塔温差变大，为工艺介质的冷却达到设计要求提供了充足的低温水量。

（5）系统结垢、腐蚀和微生物等危害得到有效控制，生产稳定，循环水系统始终在良好的环境中安全运转。

（6）浓缩倍数提高，不仅节约了大量的冷却用水，而且大大减少了冷却污水的排放量，减轻了对环境的污染，为企业赢得了良好的经济效益和社会效益。

6.2 水处理运行效果的评定

循环冷却水经化学处理后，腐蚀率、污垢沉积率、异养菌总数等指标应达到国家《工业循环冷却水处理设计规范》GB50050-2007标准中的要求。

7 结论

7.1 循环冷却水运行障碍可产生水垢附着、设备腐蚀、滋生微生物等危害，解决好这三个问题才能稳定生产、节约资源与能源，从而减少环境污染，提高经济效益。

7.2 解决循环水系统问题的各种方法，需要选择适宜的除垢、防腐、控制微生物的方法，并综合考虑经济效益和环境效益，制定出经济、实用、可行的循环水处理方案，才能实现循环水系统的经济合理运行。

7.3 针对不同的水质、设备、材质和工艺条件等因素，选择合理的缓蚀阻垢配方和优良高效的药剂来抑制腐蚀、水垢和粘泥等危害的产生，使水质稳定，以达到预期的效果，为生产服务。做好设备化学清洗、预膜和日常水处理管理工作是化学处理技术的重要环节。

7.4 利用反渗透等物理方法将循环冷却水排污水脱盐处理后，可作为补充水循环利用，实现废水近零排放。

【参考文献】

[1]唐受印.戴友芝，等.工业循环冷却水处理[M].化学工业出版社，2003.

[2]周本省.工业水处理技术[M].化学工业出版社，2002.

[3]龙荷云，等.循环冷却水处理[M].江苏科学技术出版社，2001.

[4]叶文玉.水处理化学品[M].化学工业出版，2002.

[责任编辑：邓丽丽]