基于微生物法处理循环冷却水的试验研究

孙振宇，沈明忠

(1.中国华电科工集团有限公司，北京 100070； 2.华电水务科技股份有限公司，北京 100070)

0 引言

在钢铁、电力、石油、化工、纺织等行业的工厂中，大量的热量通过冷却塔散发到大气中，不仅浪费能量，而且浪费了大量水资源。2015年颁布的《水污染防治行动计划》(简称水十条)明确指出要提高用水效率，建立水资源评估体系，将完成节约水资源目标任务纳入地方政府绩效评估。过去20年，工业用水总量呈先上升后下降的趋势，2015年工业用水占总用水量的21.9%，生活用水占13.0%，农业用水占63.1%。在工业用水中，循环冷却水的用水量最大(一般占工业用水总量的60.0%以上)：在化学工业中循环冷却水约占65.0%;在石油工业中约占80.0%；在电力行业中约占70.0%～80.0%。因此，循环冷却水是节约工业用水时的首要目标。

针对循环冷却水(以下简称循环水)系统存在腐蚀、结垢以及微生物滋生等问题，最为常见的处理方法是向系统中添加化学药剂[1-2]。此方法适用水质范围广泛、技术成熟，但处理成本高且水中的溶解性固体易对水环境产生二次污染[3]。而微生物法具有高效、经济、环保的优点，可弥补传统化学药剂的缺陷，是未来循环水处理的发展方向[4-8]。

1 循环水模拟试验

本文对某电厂循环水开展了15 d的模拟试验，对比采用和未采用微生物法的循环水水质。采用微生物法处理循环水时，要求实验室内的水质条件与原系统循环水的水质一致，形成在实验室条件下微生物能够生长繁殖的局部环境并避免实验室条件与现场实际情况出现较大偏差[9]。

1.1 菌种

根据循环水的水质特征以及微生物特点筛选微生物、配制复合菌剂。本试验的复合微生物菌剂主要由酵母菌、乳酸菌、光合细菌、芽孢杆菌组成，比例为3∶3∶1∶2，菌液浓度大于109 CFU/ml，菌液体积分数为保有水量的1%[10-14]。

1.2 试验装置

根据试验的技术要求，选定电厂循环冷却水动态模拟实验装置为本试验的主要设备(如图1所示)。该装置可以同时做2组平行试验，对比性强。由电脑和现场电控柜双向控制，并配接在线酸度计、电导仪、腐蚀仪、浊度仪、污垢热阻仪等测量仪器。装置可连续工作，具有自动补水功能，可全面检测循环水各项指标。装置通过循环水电导率来控制排污电磁阀的开关，实现自动排污功能。试验中试管、挂片选用的材质是316L不锈钢。

图1 循环冷却水动态模拟试验装置Fig.1 Circulating cooling water dynamic simulation test device

2 测试指标

2.1 常规水质指标

循环水水质在线监测指标有电导率(EC)、pH值、温度。

2.2 其他监测指标

试验中，换热效率会随着试管水侧污垢的沉积而逐渐降低，反映在模拟换热器上，为出、入口水温温差减小。若控制进水口水温恒定、流量恒定、蒸汽温度恒定，则可用以下公式计算其瞬时污垢热阻和腐蚀速率[14]。

式中：R为瞬时污垢热阻，m2·h·℃/kJ；tout，tin为瞬时循环水出、入口水温，℃；tout′，tin′为清洁管时循环水出、入口水度，℃；G为循环水量，kg/h；D为换热管内径，m；CP为循环水定压比热，kJ/(kg·℃)；t为换热器蒸汽平均温度，℃；L为换热管有效长度，m；W为污垢热阻，m2·℃/kW；t1，t2分别为试验开始和结束时刻。

腐蚀速率

式中：F为腐蚀速率，mm/a；ΔW为试件的质量损失，g；A为试件的腐蚀表面积，cm2；t为试验时间，h；ρ为试件的密度，kg/m3；C为计算常数。

3 试验结果的研究分析

试验分为2组，Ⅰ组作为对照组，不加菌剂，Ⅱ组作为试验组，投加复合微生物菌剂。通过对比多个指标评价微生物菌剂对循环水系统阻垢、防腐蚀效果。

3.1 污垢热阻

瞬时污垢热阻经过累积成为污垢热阻，它表示换热设备传热面上因沉积物而导致传热效率下降的程度。污垢热阻越大，换热器传热系数越小，使换热器的传热性能越差。在2组试验中，污垢热阻均随着时间的推移而增加，Ⅰ组污垢热阻明显高于Ⅱ组(如图2所示)。

图2 污垢热阻变化情况Fig.2 Change of the dirt thermal resistance

3.2 腐蚀速率

腐蚀速率又称腐蚀率，通常表示单位时间内的腐蚀程度。在2组试验中，Ⅱ组的腐蚀率显著低于Ⅰ组(如图3所示)。GB 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》中规定：不锈钢设备传热面水侧腐蚀速率应小于0.005 mm/a，从试验结果看，使用菌剂的Ⅱ组可以达到这一要求。

3.3 浓缩倍率

在试验期间，循环水不断浓缩，电导率从1 700 μS/cm增长到8 650 μS/cm。2组的电导率皆呈现线性增长且走势相同(如图3—4所示)，说明复合微生物菌剂对于减少循环水中的无机离子并无显著作用，对应的浓缩倍率变化如图5所示。

图3 腐蚀速率变化情况Fig.3 Change of the corrosion rate

图4 电导率变化情况Fig.4 Change of conductivity

图5 浓缩倍率变化情况Fig.5 Change of concentration ratio

试验中循环水pH值在8.0～8.8之间变化，呈上升趋势，Ⅱ组的pH值整体低于Ⅰ组，由图6还可以看出复合微生物菌剂具有调节循环水酸碱的作用。

图6 pH值的变化情况Fig.6 Change of pH

3.4 阻止结垢

试验结束后，对挂片、腐蚀仪探头进行拍照对比(如图7—8所示)：Ⅰ组的结垢量明显多于Ⅱ组；Ⅰ组结垢较硬，呈现块状、粒状、片状；Ⅱ组结垢软而有黏性、有湿润感。这说明复合微生物菌剂起到了阻止结垢的作用。

图7 挂片对比Fig.7 Comparison of hanging pieces

图8 腐蚀仪探头的对比Fig.8 Comparison of corrosion tester probes

在对比试验中，循环水的浓缩倍数从1.0升至5.0组和Ⅰ组和Ⅱ组的污垢热阻、腐蚀率均增大，但Ⅱ组的增长速率明显低于Ⅰ组的，同时从2组试验的照片可以清晰地看出结垢量的差别。

4 效益

4.1 环境效益

微生物菌剂成分均绿色、安全、无毒害，不会对环境产生二次污染。同时微生物具有自适应的能力，可使循环水水质相对稳定。相比主流化学处理法，微生物处理法的排污水中氮、磷含量低，避免了由于水体富营养化对水生生物造成的不良影响。

4.2 药剂成本

与其他水处理方法相比，复合微生物菌剂具有显著的优势，可实现高浓缩倍率下低结垢、低腐蚀的目标，从而提高运行循环水的浓缩倍数，节约水资源、降低运行成本。由于复合菌剂集缓蚀、阻垢、抑制菌藻的功能为一体，投加系统简单，减低了循环水的处理成本。另外，微生物可自我繁殖，需投加的菌剂剂量远远低于化学类药剂。

4.3 节水效益

目前，大多数火电厂循环水的浓缩倍率都控制在3.0左右，装机容量越大浓缩倍数越高，节水量就越大。假定循环水系统蒸发损失为1.5%，风吹泄漏损失为0.1%，浓缩倍率分别为3.0和5.0，计算出不同装机容量的机组的补充水量见表1。假设电厂年发电小时数为4 000，水按2元/t计费，则不同装机容量对应的节水量和节水费如图9所示。以装机容量600 MW机组为例，1台机组1年节水量达100万t，即节约费用200万元。

表1 不同装机容量不同浓缩倍数下补充水对比Tab.1 Comparison of supplementary water under different concentration ratios of different installed capacity

图9 节水量和费用Fig.9 Water saving amount and cost

5 结论

根据循环水水质特征和微生物特点，选取微生物配制复合菌剂进行水处理，主菌剂要由酵母菌、乳酸菌、光合细菌、芽孢杆菌等组成。对比不加菌剂的Ⅰ组与投加菌剂的Ⅱ组的各项指标均，2组试验中的污垢热阻和腐蚀率均随循环水的浓缩倍率增加而变大，但Ⅱ组的变化速度小于Ⅰ组，从而说明复合微生物菌剂起到了阻垢缓蚀的作用，而且可以保证系统在高浓缩倍率下的绿色、高效、环保、稳定运行。