某新冠疫苗项目软化预处理与微晶化学旁流水处理方案对比分析

邢志涛 ，何群彪，韩柏平

（1.中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120；2.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

1 项目背景概况

某疫苗产业化基地项目，冷却水系统的补充水取自上海市自来水。查阅文献获知，因上海地处长江干流下游，实际上上海市水质总硬度（实测值118 mg/L）接近全长江平均值，钙硬度接近全长江平均值，总碱度（实测值236 mg/L）也接近全长江平均值；总硬度与总碱度比值为0.5，钙硬度占总硬度的73%，是非常典型的长江水质（上海市自来水水质全分析参见表1）。鉴于现有补充水水质条件，为了实现在正常运行维护过程中冷却水系统缓蚀、阻垢和杀菌的目的，在项目设计之初提供两套水处理方案以备选择，即补充水软化预处理和旁流水处理。下文通过分析比较上述两种水处理方案的优缺点，确定本项目的最佳方案。

表1 上海市自来水水质全分析Tab.1 Full analysis of tap water quality in Shanghai

2 补充水软化预处理方案分析

2.1 水的碳酸钙饱和pH 值和雷氏指数

1936 年朗格利尔（Langelier）研究并论述了水的碳酸钙饱和pH 值，即pHs 概念（pHs=9.3+A +B-C-D）[1]，并比较实测pH 与pHs 之差。根据理论研究，实测pH 与pHs 值之差大于0 时，水质有碳酸钙CaCO3结垢趋势；等于0 时，水质处于平衡状态；小于0 时，水质无碳酸钙CaCO3生成、有腐蚀趋势。

之后，雷兹那（Ryznar）根据各种循环水的运行结果总结出用稳定指数IR来预示水质结垢及腐蚀性趋势，更加接近实际情况，并研究得出雷氏稳定指数IR=2pHs-pH[2-3]。根据不同稳定指数范围，预示水的腐蚀、结垢趋势，参见表2。

表2 Ryznar 指数（雷氏指数）判断水的腐蚀与结垢倾向Tab.2 Ryznar index（Rayleigh index）to judge the corrosion and scaling tendency of water

2.2 补充水软化预处理方案雷氏指数分析

根据上述“水的碳酸钙饱和pH 值和雷氏指数”理论，计算分析上海市自来水不同状态下进入冷却水系统带来的“腐蚀结垢趋势”，具体如下：

（1）上海市自来水作为补充水刚进入冷却水系统

该项目工艺冷却水补充水总溶解固体TDS 值为258 mg/L，得到总溶解性固体因数A值=0.14；循环水运行温度按32～ 37 ℃计，得到温度因数B值=1.8；钙硬度按86 mg/L 计，得到钙硬度因数C值=1.5；总碱度按236 mg/L 计，得到总碱度因数D值=2.4。经计算，pHs=7.3，IR=7.1，属于不浓缩时轻度腐蚀的水质，参见表3 状态一。

表3 上海水质在不同状态下的pHs 值和IR 值Tab.3 pHs values and IR values of Shanghai water quality in different states

（2）上海市自来水作为补充水进入冷却水系统并浓缩3 倍

敞开式循环冷却水在其运行过程中，补充水不断进入循环冷却水系统，一部分水被蒸发进入大气，留在冷却水中的另一部分则被浓缩（水中的无机盐等非挥发性物质仍留在循环水中），从而增大了循环水的结垢倾向。原水浓缩3 倍的循环水总溶解固体因数按TDS 值为774 mg/L，得到A值=0.19；温度因数按32～ 37 ℃得到B值=1.8；钙硬度因数按258 mg/ L 得到C值=2.0；总碱度因数按708 mg/L 得到D值=2.9。经计算，pHs=6.4，IR=4.3，有严重结垢倾向，参见表3 状态二。

因此，当直接采用上海市自来水作为系统补水时，随着蒸发浓缩，系统有“严重结垢”风险，仍需要有必要的水处理方案解决结垢、微生物滋生和腐蚀问题。

（3）上海市自来水软化预处理后作为补充水刚进入冷却水系统

有观点认为，将补充水通过钠型离子交换树脂软化后补入冷却水系统，可以彻底解决水质的结垢问题，并可以大幅度提高浓缩倍数，比如到10 倍，一定有利于节约用水。由于钠型离子交换树脂只是置换水中钙镁阳离子，水中离子总含量、总碱度几乎不变。总溶解固体因数按TDS 值为258，得到A值=0.14，温度因数按32～ 37 ℃得到B值=1.8；钙硬度因数按10 mg/L 得到C值=0.6；总碱度因数按236 得到D值=2.4。经计算，pHs=8.2，IR=9.5，对照表2，可知IR＞9，该种水质有极严重腐蚀倾向，参见表3 状态三。也就是说软化水作为补充水的循环水系统将出现新的问题，结垢的问题看似解决了，但加剧了系统的腐蚀问题。

根据有关腐蚀机理研究的文献，补充水软化处理后，由于水中钙镁离子等大量减少，已不可能在金属表面生成CaCO3沉淀保护膜。但是，水中电解质及水的流动仍具有很强的去极化作用，所以，显示出较大腐蚀性（雷氏指数的计算结果及监测结果都说明软化水腐蚀性远远大于原水）。

（4）上海市自来水软化预处理后作为补充水进入冷却水系统并浓缩3 倍

实际计算了软化水浓缩3 倍后的情况，总溶解固体因数按TDS 值为774，得到A值=0.19；温度因数按32～ 37 ℃得到B值=1.8；钙硬度因数按C值=0.6；总碱度因数按708 得到D值=2.9。经计算，pHs=7.8，IR=7.1，水质仍具有腐蚀倾向，参见表3状态四。实际上，把软化水作为补充水的工程实例中，操作者误认为既然补充的是不会结垢的软水就没必要排污，不排污或浓缩倍数达到10 以上的情况比比皆是。这样不但造成系统的“全面腐蚀”，而且由于氯离子等阴离子的不断浓缩，导致系统发生“点腐蚀”的风险急剧加大。

2.3 补充水软化预处理方案经济效益分析

本项目实际有一套DN 600 和一套DN 350 冷却水系统，按一套DN 600 冷却水系统补充软化水计算经济效益（只比较软化水代替自来水的情况）。

一套DN 600 冷却水系统循环量按2 000 m3/h 计算，当采用软化水与自来水作为系统补水时的经济成本、效益分析如下：

（1）每产生1 吨软化水，耗盐量按0.8 kg 计算，每天消耗再生用盐量：0.8 kg/m3软化水×（17.4 m3/ h蒸发量+软化水浓缩10 倍后1.9 m3/h 排污量）×24小时=0.37 吨/天。

再生用盐按500 元/吨计算（质量较差的工业盐，含运输费），每天耗盐费约185 元/天。

（2）采用软化水作为系统补水，浓缩10 倍时，相比于采用自来水作为补水按浓缩5 倍计，节约用水量=（自来水浓缩5 倍后4.35 m3/h 排污量-软化水浓缩10 倍后1.9 m3/h 排污量）×24 小时=58.8 m3/天。

全天节约水费=58.8 m3/天×4 元/m3=235.3 元。

（3）软水器再生反洗耗水按4% 计算：（17.4 m3/ h+1.9 m3/h）×24 小 时×4%=18.5 m3/ 天，水费74 元/天。

（4）软水器树脂损耗费：产生软水20 m3/h 的软水器（或组合），国产树脂700 升/罐（一用一备即为1 400 升），树脂寿命及损耗按2.5 年计算，每升树脂按5 元/升计算，约7.7 元/天。

（5）系统浓缩排污费：即使采用软化水作为系统补水，开式冷却水系统每天也应当进行适当排污，以降低系统的含盐量、浊度等。这里排污不做详细计 算。

（6）所以，采用软化水作为系统补水，每天维护成本至少约449.1 元（不含软水器初期购置费、电费及其他费用）。

（7）综上所述，采用软化水作为系统补水比采用自来水作为系统补水，每天维护成本可以节省=235.3 元/天-74 元/天-7.7 元/天-185 元/天=-31.4 元/天（不含排污费，人工费，不包括软水器初期购置费、仓库管理费等费用），比补充自来水运行成本高31.4 元/天。

（8）由于自来水经软化处理后，腐蚀性增强，若想达到同等的腐蚀控制效果，缓蚀剂投加浓度和用量反而大大增加（即增加了循环水缓蚀剂用量和费用）。一般的水处理方案是以防垢为主；采用软化水方案时，投加药剂以防腐蚀为主。

（9）使用软化水一般只针对高硬度高碱度地区（浓缩倍数难以达到3 的小型冷却水系统），届时节水效应是明显的；使用软化水对管材和系统要求更高，带来的腐蚀风险很难评估，同时对人工补加工业盐的及时性和劳动强度都有较高要求。

（10）采用软化水作为系统补水（相对于直接补充自来水），虽然可以适当增加浓缩倍数，减少排污，降低水费，但是软水器只降低了补充水的硬度，并不能去除氯离子、硫酸根离子。若采用软化水作为补水，随着浓缩倍数的增加，氯离子等离子浓度相应增加，大大增加系统发生“点腐蚀”的风险。

（11）软水器连续供水需要一用一备，需要投资两套18 m3/h 软水器的费用。

（12）综上所述：本项目补充软化水的方案，在经济效益方面是不划算的。

3 旁流水处理方案分析

3.1 旁流水处理工艺阻垢、杀菌、缓蚀机理

微晶化学示踪旁流水处理工艺是一种环保型循环冷却水问题解决方案，它不针对补充水某一项或几项指标进行预先处理[4]。

通过旁路式安装，在系统日常运行过程中，不断将系统中部分循环水引入微晶化学示踪设备（见图1），通过降低结垢因子（直观自控排垢技术）防止结垢。Trussell 研究表明：当溶液的饱和比达到一定范围时，才有沉淀形成的迹象，因此，溶液结垢时都是呈过饱和状态。

图1 微晶化学示踪旁流水处理工艺系统安装图例Fig.1 Flow chart of microcrystalline chemistry side-stream treatment

主机内存在如下加速析出易成垢离子的过程（见图2）：

图2 微晶化学排垢单元Fig.2 Microcrystalline chemistry scale drainage unit

通过微晶化学产生的强氧化性物质来杀灭微生物和抑制微生物滋生，采用此工艺制备的氧化物涂层形稳电极，提高了析氧电位，可用于生成具有极强杀菌灭藻能力的氧化性物质，如1O2、·OH、O2-、O3、H2O2等（见图3）。

图3 氧化性物质杀菌能力与氧化还原电位图Fig.3 The plot of bactericidal capacity and redox potential

通过水质平衡抑制系统腐蚀，设备外壳与金属管路（壁）作为共同阴极，抑制了金属管路（壁）的腐蚀（外加电流阴极保护：向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生）；通过杀菌灭藻机制控制微生物腐蚀，通过排垢阻垢原理控制沉积腐蚀。通过杀灭水中微生物，抑制微生物腐蚀；通过产生微晶，吸附水中Ca2+和HCO3-，消除离子沉积，防止在管壁上形成电位差，以此来抑制沉积腐蚀。多年的工程实践表明微晶化学示踪旁流水处理工艺是一种稳定、可靠的循环冷却水水质稳定技术，全面解决系统运行过程中产生的腐蚀、结垢和微生物滋生问题。

3.2 旁流水处理工艺经济效益分析

由于微晶化学示踪旁流水处理工艺采用的是微晶化学技术，PLC 控制，全自动运行，“污染减量法”环保工艺降低了化学品使用带来的维护成本，减少了化学药剂的排放对环境带来的生态污染，同时避免了维护人员投加化学药剂时带来的安全隐患，具有巨大的经济效益和生态价值。

从节约缓蚀阻垢剂使用角度分析，本项目一套DN600 冷却水系统循环量按2 000 m3/h（换热温差5 ℃，浓缩倍数5 倍）计算，当采用软化水作为系统补水时，由于软化水属于腐蚀性水质，日常维护过程中为了减缓系统腐蚀，缓蚀剂投加浓度按照200 mg/ L 进行，则系统全年24 小时运行时，缓蚀剂全年消耗量（kg/年）≈0.001 74×2 000 m3/h×5 ℃/（5-1）×24 小时 ×365 天×0.2 kg/m3=7 621.2 kg/年。日常维护所用缓蚀剂按照市场单价15 元/kg 计算，当采用软化水作为系统补水时，全年缓蚀剂投加费用=7 621.2 kg/年×15 元/kg=11.43 万元/年。而采用微晶化学示踪旁流水处理工艺无需投加缓蚀剂，因此具有极强的经济价值。

同时，微晶化学示踪旁流水处理工艺设备运行稳定，平均年度设备投资成本远低于软化水设备的投资成本。相较于补充水软化预处理工艺方案，微晶化学示踪旁流水处理工艺2 年内节省的运行药剂费用和软水器再生用盐费及伴随人工费，即可收回旁流水处理工艺设备的购置费，经济价值与环保价值同样显著。

4 结论

通过对补充水软化预处理方案和旁流水处理方案在冷却水系统水质处理过程中缓蚀阻垢、杀菌效果与经济效益等的充分分析论证，可明确得出结论：当敞开式冷却水系统的补水为上海市市政自来水时，宜采用微晶化学示踪环保型旁流水处理方案，而不宜采用补充水软化预处理方案。