工业循环冷却水生物处理技术

刘 宁，刘兴宇，谷启源

(1.有研科技集团有限公司生物冶金国家工程实验室，北京 100088；2.东北大学 冶金学院，辽宁 沈阳 110819；3.有研资源环境技术研究院(北京)有限公司，北京 100088；4.北京有色金属研究总院，北京 100088；5.大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097)

工业用水的大部分是循环冷却水，冷却水的用量可达其总用量的80%以上，因此节约循环冷却水对工业节水具有重大意义，而提高水的复用率，即循环冷却水浓缩倍率，是节水的有效途径。此外，在高浓缩倍率下，有效防止其因水质恶化对设备、管道等产生的腐蚀、结垢等问题，将是未来循环冷却水技术需要着重解决的问题[1-2]。

1 工业循环冷却水系统存在的问题

1.1 腐 蚀

敞开式工业循环冷却水系统在运行过程中，水在冷却塔内和空气充分接触，使水中的溶解氧得到补充，因此，循环水中溶解氧总是饱和的[3-4]。水中的溶解氧是造成金属电化学腐蚀的主要原因，加之水循环浓缩后其含盐量增加，电导上升，也增大了腐蚀倾向[5]。

1.2 结 垢

工业循环冷却水运行浓缩过程中，成垢离子成倍增加。特别是碳酸氢盐是一种很不稳定的盐类，它会在换热器表面受热分解成碳酸盐和二氧化碳；而碳酸钙溶解度很低，使得传热面上结碳酸钙水垢倾向增加，降低了换热效率[6-7]。

1.3 微生物黏泥

工业循环冷却水和空气接触，吸收了空气中大量灰尘、泥沙、微生物及其孢子等，使系统的污泥量增加，而冷却塔内的光照、温度、氧分等都有利于细菌、藻类等生长，增加了生物黏泥量，并在换热器内沉积，降低了循环水流速并降低换热效果，影响系统及设备使用寿命。

2 传统工业循环冷却水处理技术及问题

传统的工业循环冷却水处理技术包括：物理法、化学法、物理化学法等。目前，较常用的仍是化学处理法。该方法是通过在循环水系统中投加化学药剂，防止系统腐蚀、结垢和黏泥的产生，常用的水处理药剂具有缓蚀、阻垢、杀生菌的作用。投加化学药剂表面上效果明显，但投资较大、运行费用较高、管理难度很大，且容易新增二次污染，对设备造成新的腐蚀等[8-9]。随着水处理行业中新兴技术的发展以及人们对环保意识的逐渐加强，采用生物技术对工业循环冷却水系统进行处理，引起了业内学者的关注和大量研究，并取得了一定的阶段性成果。

3 工业循环水生化处理技术

3.1 技术定义

该技术主要是利用经过筛选、培养、驯化的有益微生物菌群和相适应的营养调节剂对敞开式循环冷却水进行微生物化学处理，从而实现换热设备及系统的阻垢、缓蚀、防止藻类黏泥滋生等循环水处理目标。

3.2 技术内容

敞开式工业循环水生化处理技术主要是依据循环冷却水补充水水质和设备材质确认循环水生化处理运行控制参数，通过投加相应的复合微生物制剂(包括采用经发酵工艺制成的复合微生物菌群和微生物营养调节剂)，让其在循环冷却水系统中自行构建一个动态微生物生态系统(通过包括营养竞争、互生、拮抗、捕食等生态影响)，抑制有害微生物滋生，代谢产生具有天然阻垢和缓蚀作用的生物化学物质，并以此稳定和控制循环冷却水的水质(主要为pH、缓蚀因子等)，把循环水浓缩倍率提到8～16倍这一崭新的高度[10]。

如图1所示，循环水生化处理技术控制依托于现代移动互联网络通讯技术，可实现远程循环水生化处理控制参数的采集、分析、判断、指令传送，对现场运行工况实时监控和调整，从而保证循环水生化处理技术优异功能的发挥。

图1 工业循环冷却水生化处理工艺流程示意

循环水生化处理技术与传统循环水处理技术相比，具有节水减排、对环境无二次污染、运行参数控制稳定、对补充水质变化的适应性高、补充水质变化容忍度超强、阻垢和溶垢同步、没有新增设备投资和原有设备改造投资、综合运营成本较低等系列优点。

3.3 技术原理

3.3.1 阻垢原理

3.3.2 缓蚀原理

投加的微生物为好氧菌，消耗循环水中的大量溶解氧，减缓氧化腐蚀；微生物代谢出天然缓蚀物质，减缓电化学腐蚀；抑制有害微生物生长，减缓微生物腐蚀。

3.3.3 抑制有害微生物

停止投加阻垢剂(大分子有机物)，可以减少有害微生物的营养源，抑制有害微生物生长；将特制营养剂供给工作功能菌群(对有害微生物无作用)，使工作功能菌群成为水中强势菌群，抑制有害微生物生长；工作功能菌群为定量存活微生物，不会大量繁殖危害循环水系统。

3.4 技术特点

(1)生态性：循环水生化处理技术是自然界水体的延续、扩展和补充，是有益菌种占主导地位，构建的动态平衡的微生物体系。

(2)针对性：循环水生化处理技术，依据循环水补充水水质和设备材质，确定循环水生化处理运行控制参数。

(3)安全性：循环水生化处理技术，不涉及危险化学品的使用。

(4)高效性：循环水生化处理技术，能够将循环水浓缩倍率提高到8倍以上，提高电厂重复用水率，节水效果明显：单台300 MW机组年节水50万t以上、单台600 MW机组年节水100万t以上。

(5)环境友好和可持续性：循环水生化处理技术，不造成环境的二次污染，符合绿色发展和可持续发展的方针。

(6)经济性：节水减排，节能降耗。循环水高倍率运行后，在供给脱硫使用后没有外排废水，实现了循环水废水零排放，减少了电厂废水零排放改造投资，减少了废水处理设施运行维护费用。

(7)颠覆创新性：循环水生化处理技术，颠覆了传统循环水处理技术的理念，实现了传统循环水处理技术无法逾越的高度。

(8)可预见性：循环水生化处理技术，其应用边界条件不断扩大，技术潜力不断提升，循环水处理的历史正在续写，循环水生化处理时代已经来临。

3.5 适用要求

(1)换热器材质要求：不锈钢、紫铜、白铜。

(3)浓缩倍率：6倍以上。

4 工业循环水生化处理技术案例

(1)循环水生化处理技术于2013年6月在铁岭发电厂开始进行工业性试验并取得成功，2013年12月通过中国华电集团组织的科技项目验收。生化处理技术在铁岭公司应用6 a，节水20%以上，效果明显(20%以上)，循环水系统未发生腐蚀结垢现象。

(2)国电投通辽盛发热电有限公司从2016年3月采用生化处理技术，循环水浓缩倍率达到7～9倍运行，节水约20%，同时解决了该公司凝汽器结垢问题。

(3)阜新清河门煤矸石热电有限公司从2017年6月开始采用循环水生化处理技术，循环水浓缩倍率从3～4倍提高到6～8倍运行，节水15%以上，同时解决了该公司从2008年以来每年凝汽器结垢进行酸洗的问题。

九台发电厂2台600 MW机组于2017年8月采用循环水生化处理技术，循环水浓缩倍率从3～4倍提高至8～16倍运行，即在节约用水的同时还实现了循环水供给脱硫系统使用后不外排，顺利通过环保督察组的检查。

(4)国电投长春热电厂从2018年5月开始采用循环水生化处理技术，循环水浓缩倍率8～16倍运行，在供给脱硫使用后没有外排。同时该厂将生产、生活废水经过絮凝沉淀处理后补入循环水使用，基本实现了全厂废水零排(脱硫废水供给煤场喷淋冲洗使用)。

5 结 语

2019年国家发改委、水利部联合印发了《国家节水行动方案》，并明确提出到2020年工业用水重复利用率达到91%以上，因此，工业循环冷却水的处理技术发展潜力巨大，任重道远。生物处理技术在解决工业循环冷却水系统运行过程中，除了具有传统技术防腐、缓蚀、除垢等功能外，还具有高效、安全、生态、环境友好等特点[11]。随着我国生态环保意识的不断提升，该技术必将成为未来工业循环冷却水处理系统中一种颠覆性的关键技术。