纯化水一级浓水回收用于冷却塔补水分析

杨冕 董建春 李卓恒 李子文 刘蔷

摘 要：制药厂房纯化水系统普遍采用二级RO-EDI工艺，该工艺中一级RO膜处理会排出大量一级浓水。针对大部分企业将一级浓水直接排掉的情况，分析了一级浓水水质，提出了将一级浓水回收用于制冷空调系统冷却塔补水的方案，并做了方案设计，提出了方案设计要点。本方法在某制药车间进行了应用，应用效果良好，值得在制药企业推广应用。

关键词：纯化水;二级RO-EDI工艺;一级浓水;冷却塔;软化水

中图分类号：TB495 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）23-0051-02

0 引言

制药纯化水是制药车间常用的生产设备，纯化水系统运行时间长，用水量大，是制药企业主要用水设备，据统计，纯化水系统用水量大约占总制药企业总用水量的30%-40%左右，是制药企业主要用水设备。

自20世纪60年代以来，反渗透工艺在纯化水制备中得到普遍应用，其中二级RO-EDI的纯化水制备模式近几年在制药企业得到广泛应用[1]。再次工艺过程中，一级RO膜反渗透会排出大量一级浓水，大约占一级原水量的30%。虽然不少设备生产企业宣称一级浓水回收率可以达到50%甚至更高的系统回收率，但是在实际应用中，大部分浓水还是被直接排放。甚至很多纯化水设备安装说明中，明确标注一级浓水直接排放。这就导致一级浓水大量被浪费。

但是制药企业用水消耗是巨大的，除了制水间外，另外空调系统冷却塔也是主要用水设备。制冷空调系统是制药企业洁净室环境保证的核心设备。其中冷水机组是为洁净空调机组提供冷源，用于制冷除湿。而冷却塔是为冷水机组提供冷却水，冷水机组冷凝器排出的热量，需要通过冷却塔发散到空气中。冷却塔散热原理就是利用冷却水的蒸发吸热，才将大量的冷凝热排放到空气中[2]。同时，冷却塔还不可避免存在漂水问题，蒸发吸热和漂水，导致冷却塔用水量较大。很多制药企业冷机全年运行，这就导致冷却水补水量大，实际上，据统计，制药企业中冷却塔补水用水量大约占到总用水量的20%-30%。

制水间不断在排水，冷却塔需要大量补水，那么一级浓水是否可以用于冷却塔补水呢？本文对此进行了详细探讨。

1 一级浓水来源及水质分析

1.1 反渗透系统工艺流程

纯化水反渗透工艺流程基本原理是利用RO膜的选择性，以膜两侧静压差为动力，克服溶剂的渗透压，允许溶剂通过而截留离子物质，对液体混合物进行分离的膜过程。RO膜表面微孔孔径一般小于1nm，对绝大部分无机盐、溶解性有机物、溶解性固体、生物和胶体都有很高的去除率[3]。常见的二级RO-EDI反渗透水处理流程如图1所示。

以上各工艺流程中，多介质过滤器主要作用是去除原水中含有的泥沙、铁锈、胶体物质、悬浮物等颗粒在20um以上的物质。活性炭过滤器作用首先是吸附电解质离子、进行离子交换吸附，其次还具有催化作用，去除水中的色素、异味、大量生化有机物、降低水的余氯值。

在经过多介质过滤器和活性炭过滤器后，为防止浓水端特别是RO装置膜组件浓水侧出现不同种类结晶析出，损壞膜原件，在进入反渗透膜组件之前，还需要有软化装置进行软化处理。软化处理方法有很多，软化水树脂置换和添加阻垢剂等都是常用的方法。软化水树脂置换的基本原理是使用钠离子将水中的钙离子和镁离子置换出来，以降低水的硬度。阻垢剂软化水的原理是：利用阻垢剂的分散作用，阻止成垢粒子（如钙离子、镁离子、碳酸钙、碳酸镁分子等）间的相互接触和凝聚，从而可阻止垢的生长。

原水经过多介质过滤器后，大部分大颗粒杂志被除去，水的浊度降低，为了防止高压泵的叶轮磨损和保证反渗透膜的安全，还会在高压泵之前设精密过滤器，以去除细小的悬浮物和颗粒[1]。精密过滤器过滤精度可以达到5um。

经过预处理后的水进入一级RO膜系统，进行脱盐处理。反渗透脱盐处理过程，实际上是用足够的压力将预处理水中的部分溶剂（一般是水）通过反渗透膜分离出来，剩下的溶剂盐浓度更高，称为一级浓水。

1.2 一级浓水水质检测

通过以上反渗透工艺流程分析，可以得到如下三个浓水水质结论：

（1）一级浓水中基本没有大颗粒杂质。多介质、活性炭、精密过滤器多种过滤，足以将泥沙、悬浮物、大颗粒物、铁锈等去除，水的浊度很低。（2）一级浓水中有机物和细菌等含量大大降低。活性炭过滤器可以去除大部分的生化有机物。（3）一级浓水硬度低，只是盐度高。预处理水会经过软化系统处理，目的是保护反渗透膜，因此这种软化处理要求也比较严格。

笔者曾对某生物制药厂一级浓水进行了详细测试，测试结果如表1。

2 空调系统冷却塔补水水质要求

2.1 空调冷却循环水水质不合格的危害

制冷空调系统冷却塔内为循环冷却水。循环冷却水水质如果不合格，可能造成冷机换热管结垢，冷却水水质不合格还可能腐蚀管道和阀门[4]，造成细菌滋生等问题。具体分析如下。

（1）结垢问题。如果冷却水硬度较高，那么硬度很高的冷却水运行一段时间后，会在冷水机组冷凝器换热铜管中或水管中产生大量水垢，凝器结垢，将使冷凝器的污垢系数增大，降低换热效率，降低冷机制冷能效，增大运行费用。（2）腐蚀问题。冷却水系统发生的腐蚀多属于电化学腐蚀，影响冷凝器或管道内壁腐蚀的因素有水的溶解氧、pH值、各离子含量等。冷却水中阴阳两极反应所生成的Fe（OH）3就是通常所生成的铁锈，而一般肉眼看见的的铁锈是Fe2O3·nH2O，也叫含水氧化铁。如果冷却水系统中的冷凝器是铜管，当水中存在有Cu2+时，即使其在水中的浓度很低，但它是阴极反应的去极化剂，因而对腐蚀有明显的促进作用。（3）污泥和藻类问题。冷却水中的污泥和藻类会很快附着在冷水机组冷凝器换热管内，造成冷却水量减少、冷机换热系数降低，进而导致冷机冷凝压力变高，能效下降。此外，由于冷却水温度合适，容易滋生大量的细菌、微生物及藻类。细菌和微生物滋生，还会随着冷却水漂散，通过空气传播，危害不可忽视。

2.2 空调循环冷却水水质标准

按照我国国标《GB/T 29044-2012采暖空调系统水质》要求，循环冷却水水质标准如表2、表3。

3 一级浓水回收可行性分析及实际工程应用

空调冷却水系统的循环水处理一直是暖通专业人员经常争论和探讨的问题。目前国内实际工程现状分为四种情况。

（1）冷却水补充自来水，不进行处理或采取简单地排污来控制结垢或腐蚀。这种方式显然对冷却塔和冷机危害最大，但是据笔者了解，这种模式反倒是国内最普遍的情况。（2）对补充的水进行软化来控制冷却水水质。这种模式也比较常见，但是很多项目软化水加药装置長期不按规定运行，因此最终也达不到预期效果。（3）冷却水系统增设静电水处理器来防垢、除垢、杀菌和灭藻。这种方式在最近几年有一些项目应用，但是应用效果普遍反应不佳。（4）在冷却水系统中投加药剂（阻垢、缓蚀、杀菌、灭藻）来控制结垢、腐蚀和微生物的繁殖。这种方式也有项目应用，但是推广比例不高。（5）冷却水过滤一般是通过Y型过滤器实现，这显然对于去除泥沙、藻类等作用很小。

国内实际工程中，大量实际工程存在冷却水水质严重不合格、管道结垢、冷机冷凝器泥沙淤积、冷却塔填料结垢严重等问题，严重影响制冷空调运行安全以及运行能效。

通过对比表1和表2，表3，可以看到一级浓水水质和冷却水水质相比如下结果：

（1）硬度对比：一级浓水硬度远低于循环冷却水要求，也大大低于循环冷却水补水水质要求;（2）浊度对比：一级浓水浊度远低于循环冷却水水质要求和补水水质要求;（3）铁离子、铜离子、菌落数：一级浓水含量远低于循环冷却水水质要求和补水水质要求;（4）电导率：一级浓水电导率低于循环冷却水水质要求，但是高于补水水质要求。

通过对比可以看出，一级浓水所有指标低于循环冷却水水质要求，大部分指标也低于补水水质要求，仅仅是电导率超过补水水质要求。但是在对制冷空调换热性能影响方面比较大的水质检测项目，如浊度、硬度等，一级浓水明显好于补水水质要求。综合起来看，结合我国实际工程情况，笔者认为用一级浓水作为冷却塔补水，无论是在开式冷却塔还是在闭式冷却塔中，都是完全可以应用的。一级浓水水质较好，用来作为冷却塔补水，几乎是免费应用，同时还能提高冷却塔性能。

按照这个思路，笔者在某生物制药厂设计了一级浓水回收用于冷却塔补水项目。该项目制水间位于三层，冷却塔位于楼顶，冷却塔全年运行，此前冷却塔补水为自来水。为了减少对纯化水机RO膜工作的影响，在反渗透一级浓水出口设置了一个开式水箱，再使用水泵将一级浓水输送至楼顶的冷却塔接水盘。从改造以后实际运行三年的情况看，该制水间一级浓水量完全满足冷却塔补水需求。同时，冷却塔填料结垢明显减少，填料清洗由改造前的一年两次减少为一年一次，甚至两年一次，运行人员普遍反应结垢现象大大减少。

4 结语

（1）实际项目水质检测结果表明，一级浓水水质所有检测项目指标均明显优于循环冷却水水质要求，除电导率外，其余检测项目指标均明显优于循环冷却水补水水质要求。一级浓水的“浓”，并不是浊度浓，也不是硬度浓，仅是盐度浓，而盐度高对冷却水系统运行影响较小。（2）通过实际工程证明，一级浓水用于冷却塔补水，明显降低冷却塔和空调系统管道、换热管结垢现象，提高换热效率，同时并未发现弊端。实际工程证明一级浓水回收用于冷却水补水效果明显好于自来水，也好于一般冷却水处理装置，且初投资和水泵运行电耗几乎可以忽略，具有十分显著的工程效益。（3）从纯化水机运行安全角度，建议一级浓水回收时，设置开式水箱，避免水泵造成反渗透膜工作压力变化。

参考文献

[1] 王红燕，刘莉，常莺娜.二级RO-EDI工艺在制药纯化水制备中的应用[J].广东化工，2016（22）：75-76+78.

[2] 刘乃玲.冷却塔的冷却特性[J].山东建筑工程学院学报，2001（03）：40-44.

[3] 于奇武，罗婷婷.反渗透在制药纯水工艺中的应用[J].科学与技术，2014.

[4] 陆耀庆.实用供热空调设计手册第二版[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 29044-2012采暖空调系统水质[S].