纺织厂循环水系统的运行问题及其解决措施

张佳丽，颜苏芊

(西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710006)

纺织厂通常采用敞开式循环水系统对新回风混合空气进行热湿处理，从而改变车间的温湿度满足生产工艺的要求[1]，该系统长时间运行时经常会产生污垢沉积，污垢包括水垢、淤泥、生物黏泥、腐蚀产物等，严重影响水系统的高效运行[2]。本文通过对纺织厂循环水系统的实地考察及连续取水样检测分析，结合水处理方法的研究对比，发现反渗透膜阻垢器能够有效解决水系统在运行时遇到的问题，提高循环水的利用率，从而达到节约水资源、降低水系统能耗的目的。

1 纺织厂循环水质实测分析

1.1 循环水系统现状

在调查中发现，由于生产工艺特点，纺织厂空气中不可避免地夹杂飞花、短纤维、粉尘等大颗粒杂质，这些杂质落入循环水池中，与水中的成垢离子结合形成混合水垢，且循环水流速较小，水垢很容易沉积。纺织厂多采用回转型过滤器来过滤大颗粒杂质，而对于引起结垢的离子，过滤效果甚微，长时间运行后，回转型过滤器和均流板上菌藻滋生、结垢严重，送水管道、喷淋管排结垢严重，喷嘴被垢体堵塞，管内流动阻力增加，水量减少，水不能被充分雾化，传热效率降低，系统能耗增加，严重影响水系统的正常运行。纺织厂循环水系统滋生菌及结垢示意图如图1所示。

图1 纺织厂水系统滋生菌及结垢示意图

1.2 水垢类别分析

循环水中的水垢一般由碳酸盐水垢(外观为白色或灰白色，质硬而脆，附着牢固，难以剥离刮除)、磷酸盐水垢(外观为灰白色，质地较为疏松，水垢附着能力差，容易刮除，不受热部分的磷酸盐垢松软，呈堆积状)、硅酸盐水垢(外观呈白色，有杂质时为灰白或粉红色，不能用一般的化学酸洗法除去，而要用酸碱交替清洗)、硫酸盐水垢(质地坚硬，难以用化学清洗法除去，也不易采用常规的机械方法清除)、镁垢(外观为粉末状，较容易剥离，镁在水中的含量比钙少，在镁的化合物中，Mg(OH)2的溶解度最小)，在冷却水中，镁和钙的化合物以及硅酸盐等通常以混合垢的形式析出。

淤泥、生物黏泥、腐蚀产物等3种沉积物相对于水垢而言较疏松，故又称软垢。循环水的温度一般为25 ℃左右，pH值为7左右，氧气、阳光充足，且水中有大量的无机盐和有机物，温度、湿度适合藻类、菌类等微生物生长繁殖，如绿藻(适宜生长温度30～35 ℃，pH值5.5～8.9)、蓝绿藻(适宜生长温度32～40 ℃，pH值6.0～8.9)、硅藻(适宜生长温度18～36 ℃，pH值5.5～8.9)等，因此，微生物常会在温度较高或流速慢的地方沉积，此外，结垢与细菌滋生并不是单独存在的，如沉积的CaSO4垢为水中硫酸盐还原菌提供营养源，进一步加深细菌的滋生，淤泥以泥沙为主，生物黏泥由微生物及其分泌物和残骸组成，为具有滑腻感的胶状黏泥或黏液，沉积在金属表面的黏泥会引起严重的垢下腐蚀，腐蚀产物为设备腐蚀产生的金属氧化物[3]。

通过实地采样，利用扫描电镜和能谱仪，分析可知纺织厂主要的垢体为碳酸盐水垢、硅酸盐水垢和镁垢。

1.2.1 粉末状水垢

粉末状垢体多沉积在均流板和回转型过滤器上，较容易剥离。粉末状垢体见图2，元素分析见表1。由表1可以看出，氧元素原子数量占比为64.25%，占样品总质量的66.53%；碳元素原子数量占比为22.16%，占样品总质量的13.28%；镁元素原子数量占比为11.47%，占样品总质量的16.67%；此外还含有少量的硅、铝、铁、钾、氯、钠等元素。由此可得，该样品主要水垢成分为镁垢。

图2 粉末状垢体

表1 粉末状水垢元素分析 %

1.2.2 大颗粒状垢体

大颗粒状垢体多沉积在送水管道表面，且不易剥离。大颗粒状垢体见图3，元素分析见表2。由表2可知，氧元素原子数量占比为59.95%，占样品总质量的45.92%；碳元素原子数量占比为20.39%，占样品总质量的11.9%；镁元素原子数量占比为12.44%，占样品总质量的21.09%；硅元素原子数量占比为5.28%，占样品总质量的17.34%；钠元素原子数量占比为0.92%，占样品总质量的0.85%；钙元素原子数量占比为0.28%，占样品总质量的1.2%；此外还含有少量的锰、铝、磷、硫、钠、锌、铜等元素。由此可得，该样品主要水垢成分为镁垢和硅酸盐水垢。

图3 大颗粒状垢体

表2 大颗粒状垢体元素分析 %

1.2.3 鳞片状垢体

鳞片状垢体多附着在喷淋管排的表面，极难刮除。鳞片状垢体见图4，元素分析见表3。由表3可以看出，氧元素原子数量占比为62.02%，占样品总质量的55.41%；碳元素原子数量占比为24.93%，占样品总质量的16.76%；钙元素原子数量占比为11.55%，占样品总质量的25.81%；镁元素原子数量占比为0.83%，占样品总质量的1.08%；此外还含有少量的钠元素。由此可得，该样品主要水垢成分为碳酸盐水垢。

图4 鳞片状垢体

表3 鳞片状水垢元素分析 %

2 水质检测

选取咸阳某纺织厂5#空调室进行测试，分别测试循环水碱度、硬度、pH值、电导率等指标，测试时间是2019年5月3日至6月27日，测试时，平均5天取1次水样，该厂的补水为当地自来水。

2.1 碱度测定

移取100 mL过滤后的水样于250 mL锥形瓶中，加0.1 mL酚酞指示液，观察水样是否呈粉红色，若出现粉红色，用盐酸标准滴定溶液(cHCl=0.1 mol/L)滴定至粉色正好褪去即为终点，记录此时所消耗盐酸标准溶液体积，反映水样的酚酞碱度，此时水样中的OH-和1/2的碳酸盐已被滴定；若无粉红色出现，则表示水样的酚酞碱度为零；继续向水样中加0.1 mL溴甲酚绿-甲基红指示液，用盐酸标准滴定溶液滴定至溶液由蓝绿色变为暗红色，煮沸2 min，冷却后继续滴定至暗红色即为终点，此时可认为水样中所有的OH-、CO32-、HCO3-已全部被中和。记录所消耗的盐酸标准溶液的总体积，用式(1)(2)计算水样碱度[4]，碱度均以CaCO3计，碱度滴定水样及变化规律如图5所示。

图5 碱度滴定水样及变化规律

酚酞碱度AP按式(1)计算：

(1)

式中：V1为滴定至pH值为8.3时消耗盐酸标准滴定溶液的体积，mL；c为盐酸标准滴定溶液的浓度，mol/L；V0为试样的体积，mL；MCaCO3为1/2碳酸钙摩尔质量。

总碱度AT按式(2)计算：

(2)

式中：V2为滴定至pH值为4.5时消耗盐酸标准滴定溶液的体积(包含V1)，mL；c为盐酸标准滴定溶液的浓度，mol/L；V0为试样的体积，mL；MCaCO3为 1/2碳酸钙摩尔质量。

对于敞开式循环水系统，根据GB/T 29044—2012 《采暖空调系统水质》指标补水的总碱度应≤150 mg/L，循环水总碱度应≤300 mg/L，水的碱度主要是由重碳酸盐、碳酸盐和氢氧化物引起的。由图5可知，补水的碱度满足要求，随着循环时间的增加，循环水的碱度呈增加趋势，循环15天后，碱度增长迅速且超过了指标的要求，此时水中的CO32-、HCO3-浓度很大，结垢的可能性也会增大。

2.2 硬度测定

用移液管移取50 mL过滤后的水样于250 mL锥形瓶中，用氢氧化钾溶液调节pH值为12～13时，加约0.2 g钙羧酸指示剂，用乙二胺四乙酸EDTA标准滴定水样中的钙离子硬度；用移液管移取50 mL过滤后的水样于250 mL锥形瓶中，用氢氧化钾溶液调节至pH值为10，再加5 mL氨-氯化铵缓冲溶液和3滴铬黑T指示剂，用EDTA标准滴定水样中的钙、镁离子硬度总合，由该硬度总合减去钙离子硬度即为镁离子硬度[5]。

二者滴定过程中，均平行滴定3次，溶液颜色由紫红色变为亮蓝色时即为终点，硬度滴定水样及变化规律如图6所示。测定过程中消耗EDTA标准溶液的体积V，用式(3)(4)(5)计算硬度。

图6 硬度滴定水样及变化规律

钙离子硬度H1按式(3)计算：

(3)

式中：V1为滴定钙离子时，消耗EDTA标准滴定溶液的体积，mL；c为EDTA标准滴定溶液浓度，mol/L；M1为钙的摩尔质量，M1=40.08 g/mol；V为所取水样的体积，mL。

镁离子硬度H2按式(4)计算：

(4)

式中：V2为滴定钙、镁离子达到硬度总合时，消耗EDTA标准滴定溶液的体积，mL；M2为镁的摩尔质量，M2=24.31 g/mol。

总硬度折合为CaCO3含量以确定水样的总硬度，按式(5)计算：

(5)

式中M3为碳酸钙的摩尔质量，M3=100 g/mol。

据GB/T 29044—2012要求，补充水的总硬度≤200 mg/L，循环水的总硬度≤400 mg/L。由图6可知，补充水的总硬度略高于200 mg/L，循环水的总硬度在循环8天以后也超过了400 mg/L，主要是因为当地的自来水硬度较高，在长时间循环运行后，水的碱度也在增大，在此情况下，水中的Ca2+、Mg2+与CO32-、OH-等离子结合的机会增大，增加了结垢的可能性，因此在处理循环水之前，应该对补水进行处理。

2.3 水样pH值测定

使用SX-620 pH计(上海三信仪表厂)对水样进行测定，结果如图7所示。

图7 水样pH值随时间变化

据GB/T 29044—2012要求，补充水的pH值范围为6.5～8.5，循环水的pH值范围为7.0～9.5，由图7可知，补水的pH值在7左右，满足要求，循环水在20天后pH值达到了9，且呈继续增加趋势，而循环水的温度在25 ℃左右，此温度和pH值适宜绿藻等微生物的生长。pH值表示水中氢离子浓度的负对数值，pH值越大，溶液碱性越强，在一定温度(25 ℃)下，水中的碳酸平衡反应向式(6)右进行，即水中HCO3-、CO32-浓度增大，会增大结垢的可能性。

(6)

2.4 水样电导率测定

使用SD150E 电导率仪(上海熙浩实业有限公司)对水样进行测定，结果如图8所示。

图8 水样电导率随时间变化

据GB/T 29044—2012要求，补充水的电导率≤0.4 mS/cm，循环水的电导率≤0.8 mS/cm，由图8可得，补水的电导率符合要求，而循环水在25天后电导率增加到1 mS/cm以上，且呈继续增加的趋势，已经远远超过标准值，水中离子的导电能力高，说明水中含盐量高，因此需要对循环水进行处理。

3 反渗透水处理技术

大量实践证明，反渗透膜对离子的截留率在97%以上[6-8]。反渗透膜的工作原理是：在外加压力超过溶液的渗透压时，溶剂会逆自然渗透方向作反向渗透，利用反渗透膜的选择透过性，在膜的低压侧得到透过的溶剂，高压侧得到浓缩的溶液，即将水溶液中的盐离子阻隔在反渗透膜的一侧，而允许水分子进入另一侧[9-10]。在此基础上，设计一种新型的反渗透膜阻垢器[11]，如图9所示。

1—水泵；2—反渗透膜；3—压差传感器；4—阀门d；5—阀门a；6—阀门b；7—阀门c； 8—排水阀门；9—清洗水箱；10—温控器；11—pH值检测仪；12—开口。图9 反渗透膜阻垢器

该反渗透膜阻垢器的工作流程为：开启水泵“1”，阀门a“5”、阀门b“6”开启，阀门d“4”、阀门c“7”关闭，自来水经过反渗透膜阻垢器被水泵“1”加压后从反渗透膜“2”外侧通道进入内侧通道，钙镁等结垢离子被阻挡在膜的外侧，当反渗透膜阻垢器正常运行时，压差传感器正常监测；当钙、镁等结垢离子沉积量增大，检测到压力值异常时，压差传感器发出警告，此时，关闭阀门a“5”、阀门b“6”，阀门d“4”、阀门c“7”开启，水泵低压运行，清洗装置开始运行，清洗液在整个管道中流动清洗，清洗箱中的清洗液与渗透膜外侧的结垢离子发生化学反应，当原水被清洗液置换完毕后，清洗液循环回清洗水箱“9”，若回流液已明显变色或变浊，开启排水阀门“8”，将浑浊清洗液排出清洗水箱，如此循环多次后，整个管道内杂质被清洗干净，再从开口加入纯净水，在整个装置内循环多次即可将反渗透膜阻垢器清洗干净；此时，即可再次关闭阀门d“4”、阀门c“7”，开启阀门a“5”、阀门b“6”，过滤水中杂质。其中温控器“10”监测清洗液的温度，并与加热装置联动，保证清洗液温度适宜，pH值检测仪“11”在酸洗和碱洗交替进行时，检测并调试清洗液的pH值，以保证清洗液可以高效率地进行清洗。

该阻垢器在系统中占地面积小，安装简便，可以从本质上解决水质问题，且有独立的清洗装置，在清洗过程中，将废水收集，集中处理，不影响循环水系统的水质，在运行中也不会产生二次污染，其中清洗液可以采用质量分数为0.1%的NaOH溶液、1.0%的乙二胺四乙酸四钠溶液、0.2%的HCl溶液、1.0%的Na2S2O4溶液、0.5%的H3PO4溶液、1.0%的NH2SO3H溶液、2.0%的柠檬酸，清洗时，清洗液从清洗水箱“9”上端的开口“12”按顺序依次加入，清除不同种类的杂质。

4 结 论

经连续取样检测发现，纺织厂的循环水总碱度、总硬度、电导率分别在循环15、8、25天之后超过了循环水质指标的要求，属于高碱度、高硬度水质，需要进行处理再循环使用；此外，补水的水质对循环水的硬度有很大的影响，补水本身携带的成垢离子浓度高，很大程度上降低了循环水的浓缩倍数，增大了水系统对水量的需求；该纺织厂水垢类型为镁垢、硅酸盐垢和碳酸盐垢，还含有少量的杂质纤维，因此采用反渗透膜阻垢装置，将补水中结垢离子去除后再补入循环水池中，配合纺织厂现有的回转型过滤器，在提高循环水的浓缩倍数的同时，既可除去水中纤维、尘埃等大颗粒杂质，又可有效过滤循环水中的Ca2+、Mg2+等引起结垢的离子，减少细菌等微生物的营养源，从而解决由于结垢问题而产生的流体流动阻力增加、喷嘴雾化程度低及细菌滋生等问题，可降低企业循环水系统的运行管理费用，节约水资源。