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四川卓源環(huán)?？萍加邢薰?span>作者
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)用水量日益增大，而冷卻用水占工業(yè)總用水量的70％左右，循環(huán)冷卻水節(jié)水大有潛力可挖。提高濃縮倍數(shù)運行是目前*的有效節(jié)水方法，但隨著濃縮倍數(shù)的提高，循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕因子也隨著成倍上升，更多的是依賴水穩(wěn)劑開發(fā)上。筆者從循環(huán)水不同含義上的“零排污”來談?wù)勓h(huán)水節(jié)水方法。
1. 零排污的含義
?、偬岣邼饪s倍數(shù)5-6運行，循環(huán)水系統(tǒng)可近似達(dá)到不排污，稱為零排污方案Ⅰ。
?、诩词?jié)饪s倍數(shù)達(dá)到5-6也存在少量排污，將循環(huán)冷卻水排污水經(jīng)過處理作為冷卻水的補充水回用至循環(huán)水系統(tǒng)中，即循環(huán)水*，稱為零排污方案Ⅱ。
③就整個工廠而言，將工業(yè)廢水經(jīng)過生化處理后，再經(jīng)過深度處理，回用至循環(huán)水系統(tǒng)中，是*經(jīng)濟運行方法，使工廠實現(xiàn)真正意義上的零排污，稱為零排污方案Ⅲ。
2. 零排污方案Ⅰ
2.1 濃縮倍數(shù)
濃縮倍數(shù)K值的大小決定節(jié)水的水平和水的重復(fù)利用率的高低，它可用公式表示[1]：
………………………………（1）
………………………………（1） 式（1）中k:濃縮倍數(shù)；M：補水量m3/h E：蒸發(fā)水量 m3/h；D：風(fēng)吹損失 m3/h；F：漏損m3/h；若將風(fēng)吹損失D和漏損F都包含在排污水B內(nèi)，則式（1）變?yōu)槭剑?）。
………………………………（2）
圖1：M/E和K之間的關(guān)系
若E保持不變，排污量越小，則補水量越小，得到濃縮倍數(shù)越大。一般情況下，當(dāng)K＞1，隨著K值的增大，從圖1可以看出，M/E下降程度較快，排污量迅速下降；當(dāng)濃縮倍數(shù)大于5-6以后， M/E下降程度緩慢，節(jié)水程度zui小。繼續(xù)提高濃縮倍數(shù)，就目前處理水平而言，增加了對水處理劑、殺菌劑、系統(tǒng)的設(shè)施及管理等要求。因此目前*濃縮倍數(shù)*經(jīng)濟運行值控制在5-6，但濃縮倍數(shù)提高至5-6，還要受補充水的水質(zhì)情況、水的溫升、當(dāng)?shù)貧庀髼l件、循環(huán)水系統(tǒng)V/R以及旁濾池濾料等各個方面的條件限制。
2.1.1水質(zhì)條件
目前習(xí)慣根據(jù)水質(zhì)的硬度和堿度將補充水劃分為三個等級，即高硬高堿、中等硬度和堿度、低硬低堿三種水質(zhì)。對于高硬高堿而言，補充水中鈣硬加總堿之和超過250mg/l,若將濃縮倍數(shù)提高至5-6，則循環(huán)水中鈣硬加總堿之和超過1250-1500mg/l,而目前水處理劑處理鈣硬加總堿之和在350-900 mg/l的水質(zhì)效果[2]，因此對于鈣硬加總堿之和超過1500mg/l的循環(huán)水而言單靠全有機配方來處理，相對會增加處理費用及管理的難度，必須結(jié)合其它的途徑來解決。李本高等人對齊魯石化公司、洛陽石化煉油廠高硬高堿循環(huán)水處理采取三種方法進(jìn)行研究[3]：①用離子交換樹脂處理原水，將原水中的硬度和堿度分別降至50mg/l后補入循環(huán)水中，循環(huán)水鈣硬加總堿之和在350-900 mg/l運行，濃縮倍數(shù)可以控制在5.5-6之間，水穩(wěn)劑采用全有機復(fù)合藥劑。②采取加酸工藝處理，使循環(huán)水中PH值控制在7.5-8之間，循環(huán)水鈣硬加總堿之和在350-900 mg/l運行，濃縮倍數(shù)可以控制在2.5-5之間。③采取自然運行工藝，原水不經(jīng)處理直接補充至循環(huán)水中，循環(huán)水鈣硬加總堿之和在350-900 mg/l運行，濃縮倍數(shù)可以控制在1.7以下，水穩(wěn)劑采用全有機復(fù)合藥劑。①種綜合運行費用zui低, ②種綜合運行費用居中，③種綜合運行費用zui高，因此處理高硬高堿水質(zhì)，選用離子交換處理源水，將源水鈣硬加總堿之和控制在150 mg/l左右，再輔以全有機配方，將濃縮倍數(shù)提高至5-6是可行的。
對于中等硬度和堿度的水質(zhì)而言，原水鈣硬加總堿之和150-200mg/l,長江中下游屬于此類水質(zhì)，將濃縮倍數(shù)提高至5-6，采取自然控制法是能達(dá)到的，但很大程度上還依賴于生產(chǎn)廠家及科研院所的研發(fā)。處理此類水質(zhì)目前普遍采用全有機堿性配方，由HEDP、丙烯酸丙烯酯共聚物、鋅鹽等組成，即阻垢緩蝕劑Ⅱ（添加銅緩蝕劑為阻垢緩蝕劑Ⅲ）。九江分公司化肥廠循環(huán)水處理（原水鈣硬加總堿之和180-200mg/l左右）原采用此配方，由于該配方本身的缺陷，循環(huán)水中的正磷含量偏高，濃縮倍數(shù)控制在2.0-3.5效果較好，年平均為2.5，而濃縮倍數(shù)超過3.5時，系統(tǒng)就出現(xiàn)結(jié)垢趨勢，加之水處理藥劑濃度低，投加量大等缺點，限制了濃縮倍數(shù)的繼續(xù)提高。后在原配方的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，添加阻垢性能較好的PBTC，用新型含AMPS的磺酸鹽共聚物代替原共聚物，濃縮倍數(shù)年平均提高至3.5，但濃縮倍數(shù)提高至4.5時，系統(tǒng)又會出現(xiàn)結(jié)垢趨勢。若想繼續(xù)提高濃縮倍數(shù)幾乎依賴藥劑的配方調(diào)整，增加阻垢成分，濃縮倍數(shù)還是可以達(dá)到5-6的。
對于低硬低堿的水質(zhì)而言，屬于強腐蝕性的水，由石油化工科學(xué)研究院于1993年研究的以兩種羥基膦羧酸為主劑、與鋅鹽、分散劑的復(fù)配物處理鈣硬：14.0mg/l,堿度：40.0mg/l的水質(zhì)，濃縮倍數(shù)3.5-4.0，現(xiàn)場監(jiān)測掛片腐蝕率為0.035mm/a,試管腐蝕率為0.018mm/a,粘附速率為2.97mcm,因鈣硬加總堿之和為250 mg/l，應(yīng)該說將濃縮倍數(shù)提高至5-6有一定的余地。
2.1.2 水的溫升
由式（2）可知，蒸發(fā)水量大，也可提高濃縮倍數(shù)，蒸發(fā)水量E可用式（3）表示[1]：
……………………………（3） 式（3）中T為空氣的干球溫度 ℃；Δt為進(jìn)出水溫差 ℃；R為循環(huán)水量 m3/h；也就是說合理提高進(jìn)出水溫差，也可達(dá)到節(jié)水的目的，這與系統(tǒng)的熱負(fù)荷及冷卻塔的冷卻能力有關(guān)，一般來說，滿負(fù)荷生產(chǎn)階段比非滿負(fù)荷生產(chǎn)濃縮倍數(shù)要高，冷態(tài)運行時濃縮倍數(shù)很難提高。在滿負(fù)荷生產(chǎn)時影響溫差的一個重要因素是冷卻塔的冷卻效率，如九江分公司化肥廠循環(huán)水在滿負(fù)荷生產(chǎn)時，由于冷卻塔填料老化及填料片間距過大、百葉窗的安裝角度不合理、填料安裝沒有按照上密下疏的原則等原因，實際進(jìn)出水溫差只能達(dá)到6℃，而設(shè)計進(jìn)出水溫差為10℃，這也是濃縮倍數(shù)不能得到提高的一個原因。該廠循環(huán)水量33000m3/h，如果按照設(shè)計情況運行，則可節(jié)約40%的用水量。
2.1.3 循環(huán)水系統(tǒng)V/R
按照《工業(yè)循環(huán)水冷卻水設(shè)計規(guī)范》，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)容積V與循環(huán)水量R之比控制在1/3-1/5，V/R比值大，系統(tǒng)容積大，會給提高濃縮倍數(shù)及管理帶來不便，V/R比值小，會縮短提高濃縮倍數(shù)的時間，便于濃縮倍數(shù)的調(diào)整及管理，*比值以1/5為宜。
2.14旁濾池濾料選擇
循環(huán)水系統(tǒng)排污一般有兩種途徑：①通過集水池底排閥直接排放，②通過旁濾池反洗間接排污，若提高濃縮倍數(shù)，可以關(guān)閉集水池底排閥，但旁濾池如果濾料選擇不當(dāng)，導(dǎo)致反洗頻率增加，排污量增大，也限制濃縮倍數(shù)的提高，如九江分公司化肥廠循環(huán)水設(shè)計循環(huán)水量33000m3/h,其中5%的水量1600 m3/h經(jīng)旁濾池過濾后進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)。每座平面尺寸4.7 m×4.7 m，有效面積22 m2，濾池高度4.74 m，濾速19 m/s,反洗強度采用15l/ m2.s，期終水頭損失值采用1.70 m，每座每次反洗排水約200T，該廠由于濾料選擇不當(dāng)限制了濃縮倍數(shù)的進(jìn)一步提高，旁濾池的濾料先后更換了三次：首先采用無煙煤和石英砂濾料雙層濾料，運行三年后出現(xiàn)旁濾池濾料板結(jié)現(xiàn)象，采用人工強制反洗和人工翻動濾池內(nèi)無煙煤和石英砂濾料等方法，投用運行3個月后又出現(xiàn)過濾水量下降，濾池壓差增大，自動反洗頻率加大，8小時反洗一次；其次選用石英砂單層濾料，雖不出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，但反洗周期24小時一次；zui后選用稀土瓷砂單層濾料，經(jīng)過運行實踐表明，該濾料不會板結(jié)，運行周期可達(dá)168小時以上，反洗排水呈黑色，選用稀土瓷砂，不僅節(jié)水，而且較好地控制循環(huán)水濁度、系統(tǒng)中的生物粘泥，降低殺菌力度節(jié)約殺菌劑。
3. 零排污方案Ⅱ
綜上所述，三種原水水質(zhì)，在循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計合理及排除影響濃縮倍數(shù)提高的因素情況下，通過不同的途徑雖然可以將濃縮倍數(shù)提高至5-6，但實際上許多地方不可能將濃縮倍數(shù)一下子提到5-6時，是一個循序漸進(jìn)的過程，即使達(dá)到5-6也需要排污。假設(shè)某循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)水量30000m3/h,干球溫度為28℃，進(jìn)出水溫差為10℃，濃縮倍數(shù)控制5-6，排污量仍可達(dá)到90-120 m3/h，循環(huán)水量越大，排污量也越大。如何將循環(huán)水排污水回用到循環(huán)水系統(tǒng)中，首先排污水水質(zhì)與循環(huán)水水是一致的，循環(huán)水經(jīng)過加藥、殺菌、旁濾處理后，濁度、有機物含量低，只是鈣硬和總堿經(jīng)過濃縮后，鈣硬和總堿之和為350-900mg/l。解決回用的問題主要是降低排污水中的鈣硬和總堿。一般情況下，可選用軟化除硬、脫鹽處理后，再回用到循環(huán)水系統(tǒng)中去是可行的。軟化除硬、脫鹽已是相當(dāng)成熟的技術(shù)，軟化除硬目前主要有石灰法、加藥沉淀法、絮凝法，脫鹽技術(shù)有離子交換法、電滲析法、反滲透法等。對于高硬高堿原水而言，若按照用離子交換預(yù)處理原水和全有機堿性配方運行，投資不大。對于低硬低堿原水而言，經(jīng)過濃縮5-6倍后鈣硬、總堿分別不超過250mg/l,根據(jù)實際情況，投資一套離子交換裝置將250 mg/ l鈣硬、總堿降到50 mg/ l左右，費用也不大。對于中等硬度和堿度的水質(zhì)而言，要根據(jù)實際情況進(jìn)行核算。國內(nèi)燕化化工一廠通過改造已成功將循環(huán)水排污水回收，燕化化工一廠的循環(huán)水總量是6.5萬噸／小時，每小時排放的污水在三四百噸左右。燕化化工一廠與有關(guān)單位合作，以電絮凝法為技術(shù)依托，投資98萬元建立了一套新三循系統(tǒng)排污水回用裝置，排污水通過這套裝置可有效去除水中硬度和懸浮物，經(jīng)過脫鹽處理后再返回到循環(huán)水中，處理過的水質(zhì)可*達(dá)到補水標(biāo)準(zhǔn)，且回用率達(dá)到85％以上。此套裝置的投用帶來*的經(jīng)濟效益和社會效益，預(yù)計兩年即可收回成本[4]。
4. 零排污方案Ⅲ
4. 零排污方案Ⅲ
因循環(huán)水相對來說對水質(zhì)要求低，實施污水回用主要是將處理后的廢水回用到循環(huán)水中去，作為補充水水源，運行費用低。但一般經(jīng)過二級（生物）除磷脫氮后出水執(zhí)行GB8978-1996標(biāo)準(zhǔn)，其COD、BOD5、SS和氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)含量高于污水回用設(shè)計規(guī)范推薦標(biāo)準(zhǔn)CFCS-93，需采用物理、化學(xué)方法對傳統(tǒng)二級生物處理出水進(jìn)行除磷除氮處理及去除有毒有害有機化合物三級處理或深度處使其達(dá)到回用至工業(yè)循環(huán)冷卻水的標(biāo)準(zhǔn)，同時還含有結(jié)垢因子的硬度，因此回用水具有微生物高、腐蝕性強、結(jié)垢性高等特點，它要求去除水中的會引起冷卻裝置結(jié)垢的硬度，還要求去除會引起裝置腐蝕和生物污垢的氨。二級出水需經(jīng)過石灰軟水裝置除硬，采用離子交換或膜裝置進(jìn)行脫鹽處理，再回用至循環(huán)水中。圖2列出了此回水處理的工藝流程。
圖2：回用水處理流程
此方案包含了循環(huán)水*技術(shù)，不同點是方案Ⅲ需要對廢水進(jìn)行深度處理，并且處理水量大，還要求循環(huán)加強水處理藥劑防腐、殺菌等要求，因此零排方案Ⅲ投資要比方案Ⅱ要大，并且增加了管理難度。目前石化行業(yè)已有湛江東興、茂名石化、大慶石化、撫順石化、上海石化等單位開展了污水回用循環(huán)水的研究和應(yīng)用。
5.結(jié)束語
5.1循環(huán)水濃縮倍數(shù)提高5-6運行，雖然是可行的，但更多的依賴藥劑配方的開發(fā)研制，同時還受到諸多條件的限制，節(jié)水處于被動局面。
5.2實現(xiàn)循環(huán)水排污水以及工廠廢水*，可將被動局面轉(zhuǎn)為主動局面，需投入一定的資金。
5.3工廠zui終實現(xiàn)零排污，爭取節(jié)水效益zui大化，可以分三個步驟走，即由零排污方案Ⅰ到零排污方案Ⅱ再到零排污方案Ⅲ，根據(jù)各自工廠的特點，循序漸進(jìn)。
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