循環(huán)水系統(tǒng)自排污水回用工藝技術(shù)

崔小剛,肖光輝,張學(xué)峰

(1.湖北本心環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，湖北 武漢 430074;2.中國(guó)石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司，河北 石家莊 050032)

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循環(huán)水系統(tǒng)自排污水回用工藝技術(shù)

崔小剛1,肖光輝2,張學(xué)峰2

(1.湖北本心環(huán)保科技股份有限公司，湖北 武漢 430074;2.中國(guó)石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司，河北 石家莊 050032)

介紹了循環(huán)水自排污水回用工藝技術(shù)的工藝流程和除濁、軟化和脫鹽等技術(shù)原理，計(jì)算出自排水的回用率和脫鹽率分別可達(dá)85 %和90 %以上，同時(shí)回用水水質(zhì)優(yōu)于新鮮水。進(jìn)一步分析了自排污水回用后循環(huán)水腐蝕加重的原因是由于補(bǔ)充水變軟、引入更多的腐蝕性離子、緩蝕劑有效濃度不足等造成；并提出應(yīng)用專用阻垢緩蝕劑，使自排水回用率控制在80%、脫鹽率在90%以上的解決方案。從節(jié)水、減排、節(jié)省藥劑和提高濃縮倍數(shù)等幾個(gè)方面對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了分析，濃縮倍數(shù)從2.85提高到4.88，新鮮水量降低了32.4%，外排污水量降低了94.8%，阻垢緩蝕劑耗量降低了37.5%。經(jīng)濟(jì)效益為118.78×104RMB￥/a，投資回報(bào)期為3.2 a，效益非常明顯。

循環(huán)水 污水回用 濃縮倍數(shù) 腐蝕 節(jié)水減排

中國(guó)石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司化纖事業(yè)部某循環(huán)水系統(tǒng)于2005年10月開(kāi)始應(yīng)用循環(huán)水自排水回用工藝，雖然取得了一定的節(jié)水減排效果，但一直存在著循環(huán)水藥劑緩蝕組分比例失調(diào)、腐蝕嚴(yán)重超標(biāo)、濃縮倍數(shù)低等問(wèn)題。2010年5月與武漢某公司合作，對(duì)原自排污水處理系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，并停用原阻垢緩蝕劑，改為應(yīng)用其專用阻垢緩蝕劑，很好地解決了困擾數(shù)年的自排水回用帶來(lái)的循環(huán)水腐蝕問(wèn)題，不僅各項(xiàng)水質(zhì)技術(shù)指標(biāo)明顯提高，而且取得了良好的節(jié)水減排效果。

1 工藝流程與技術(shù)原理

1.1 工藝流程

循環(huán)水系統(tǒng)自排水的軟化除硬、除濁有石灰

法、加藥沉淀法和絮凝法等。常用脫鹽方法有：蒸發(fā)、離子交換、電滲析和反滲透等。采用離子交換樹(shù)脂法導(dǎo)致樹(shù)脂失效快、再生頻繁、酸堿耗量大和運(yùn)行費(fèi)用高，同時(shí)產(chǎn)生大量的酸堿廢水；蒸發(fā)法脫鹽系統(tǒng)投資高、熱交換系統(tǒng)易結(jié)垢，對(duì)運(yùn)行維護(hù)的要求及成本較高；反滲透法脫鹽具有脫鹽率、水回收率高的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求高，必須進(jìn)行合理的預(yù)處理。投資高，一般用于對(duì)水質(zhì)要求比較高的場(chǎng)合。利用電滲析法脫鹽，設(shè)備操作簡(jiǎn)單，不須酸堿再生，制水成本低，依靠水中離子來(lái)傳遞電流，對(duì)進(jìn)水要求不高，更適合排污水脫鹽后回用。其工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 軟化-電滲析處理組合工藝流程

循環(huán)水系統(tǒng)自排水(或旁濾反沖水)經(jīng)排污泵在管道內(nèi)與氫氧化鈉溶液混合后，從底側(cè)進(jìn)入反應(yīng)罐，控制反應(yīng)罐污水pH值為堿性(氫氧化鈉溶液的加入量由自清洗式pH計(jì)反饋PLC自動(dòng)控制)。反應(yīng)后的自排水由反應(yīng)罐頂部經(jīng)污水槽進(jìn)入沉降池，沉降約2 h后溢流至填料過(guò)濾器進(jìn)行一級(jí)過(guò)濾，沉淀物從沉降池底部排放。再用硫酸調(diào)節(jié)軟化后排污水pH值中性(硫酸的加入量由自清洗式pH計(jì)反饋PLC自動(dòng)控制)，進(jìn)入清水槽，再進(jìn)行精過(guò)濾后進(jìn)入電滲析脫鹽系統(tǒng)，軟化-脫鹽后的再生水返回循環(huán)水系統(tǒng)，脫鹽濃水排放。

1.2 技術(shù)原理

循環(huán)水系統(tǒng)自排水經(jīng)過(guò)NaOH化學(xué)降硬軟化處理后經(jīng)過(guò)沉降，將Ca2+和Mg2+轉(zhuǎn)換為Na+的

(1)氫氧化鈉法軟化。用NaOH作軟水劑除去自排水中鈣鎂硬度。調(diào)節(jié)自排水pH值為堿性。

(2)除濁。循環(huán)水在濃縮過(guò)程中濁度會(huì)升高。還有些循環(huán)水系統(tǒng)將自排水作為旁濾系統(tǒng)的反洗水，反洗濾池后的排污水濁度會(huì)更高。因此，在設(shè)計(jì)循環(huán)水系統(tǒng)自排水回用處理工藝過(guò)程中需要考慮將這兩部分自排水進(jìn)行除濁處理，見(jiàn)圖2。

圖2 循環(huán)水系統(tǒng)自排水除濁工藝流程

循環(huán)水中含有一定量的阻垢緩蝕劑，阻垢緩蝕劑中的某些成分在一定堿性條件下，會(huì)部分產(chǎn)生具有絮凝作用的氫氧化物。在反應(yīng)器和沉降池中，由于氫氧化物的絮凝作用，自排水和反沖水中的懸浮物基本上會(huì)沉降下來(lái)，使沉降池出水濁度保持在20 NTU以下。經(jīng)過(guò)過(guò)濾器后，少量的懸浮物進(jìn)一步被脫除，使出水濁度降至在2 NTU以下。

(3)用濃H2SO4調(diào)pH值為中性后，進(jìn)入電滲析系統(tǒng)脫鹽。

2 效果分析

2.1 回用水水質(zhì)分析

新鮮水、循環(huán)水和回用自排水水質(zhì)比較見(jiàn)表1。

表1 3種水水質(zhì)比較

注：總硬度、總堿度和Ca2+的質(zhì)量濃度均以CaCO3計(jì)，以下同。

由表1可見(jiàn)，循環(huán)水系統(tǒng)自排水經(jīng)軟化-電滲析處理后：

(1)總硬度和總堿度顯著降低，自排水被軟化；電導(dǎo)率下降，說(shuō)明自排水被脫鹽；

(2)回用自排水濁度低于循環(huán)水；

(4)處理后的自排水比新鮮水更軟、鹽分更低，如果取代部分新鮮水回用，更有利于循環(huán)水在高濃縮倍數(shù)下運(yùn)行。

2.2 自排水回用率與脫鹽率

循環(huán)水系統(tǒng)自排水經(jīng)軟化-脫鹽后的回用率為85%以上，只有不足15%的自排水以沉渣和濃水形式損失掉；該工藝對(duì)自排水的脫鹽率達(dá)90%以上，可有效降低循環(huán)水中的鹽分。

2.3 循環(huán)水水質(zhì)

循環(huán)水系統(tǒng)自排水回用前后主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 循環(huán)水系統(tǒng)自排水回用前后主要水質(zhì)指標(biāo)的比較

由表2可見(jiàn)，自排水的回用改善了循環(huán)水水質(zhì)，電導(dǎo)率雖然升高，但循環(huán)水的腐蝕性進(jìn)一步降低；pH值和[Ca硬度+總堿度]的降低減弱了循環(huán)水結(jié)垢的傾向，表現(xiàn)為監(jiān)測(cè)換熱器的黏附速率下降。

3 問(wèn)題與討論

3.1 自排污水回用后循環(huán)水的腐蝕加重

3.1.1 腐蝕原因分析

在2005年10月開(kāi)始應(yīng)用自排水回用技術(shù)以來(lái)，一直存在循環(huán)水腐蝕嚴(yán)重超標(biāo)的問(wèn)題，平均腐蝕速度達(dá)0.155 mm/a。該問(wèn)題直到2010年5月應(yīng)用武漢某公司的自排水回用專用阻垢緩蝕劑后才得以較好解決。分析循環(huán)水自排水回用后腐蝕超標(biāo)的原因大致有以下幾方面。

(1)使循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充水變軟。循環(huán)水系統(tǒng)自排水經(jīng)軟化-脫鹽后，去除了95%以上的硬度和堿度，脫除了90%以上的鹽分。軟化-脫鹽后的自排水比新鮮水更軟，因而使循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)充水變軟。補(bǔ)充水的軟化雖然有利于提高濃縮倍數(shù)，但大大加重了循環(huán)水的腐蝕性。

(3)循環(huán)水中緩蝕劑有效濃度不足。軟化-脫鹽系統(tǒng)對(duì)自排水中磷酸鹽緩蝕劑不能完全脫除，通過(guò)回用自排水，把本應(yīng)排放掉的部分有機(jī)膦又重新返回了循環(huán)水系統(tǒng)，也使本不應(yīng)該含任何水處理藥劑的補(bǔ)充水含了有機(jī)膦。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，循環(huán)水系統(tǒng)阻垢緩蝕劑投加量是按照水中的總膦而計(jì)算的，所以隨著回用自排水增加，通過(guò)補(bǔ)水進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)的有機(jī)膦聚集越多，會(huì)導(dǎo)致有效阻垢緩蝕劑的投加量不足，并逐漸減少。

3.1.2 腐蝕問(wèn)題解決措施

(1)應(yīng)用自排水回用專用阻垢緩蝕劑。武漢某公司的自排水回用專用阻垢緩蝕劑是針對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)自排水回用后引起循環(huán)水腐蝕加重的問(wèn)題而專門(mén)研發(fā)的專利產(chǎn)品。該劑由P-W-Zn三元雜多酸無(wú)機(jī)高分子緩蝕劑、多羥基羧酸鹽有機(jī)緩蝕劑、BTA、共聚物阻垢分散劑等藥劑組成，其緩蝕組分通過(guò)軟化-除鹽系統(tǒng)脫除比例完全一致，有利于循環(huán)水中藥劑的重復(fù)使用和穩(wěn)定控制。根據(jù)本循環(huán)水場(chǎng)自排水回用應(yīng)用證明，使用該劑循環(huán)水的腐蝕已被有效控制。

(2)自排水回用率與脫鹽率與回用率控制?？刂谱耘潘赜寐试?0%以上，脫鹽率在90%以上，保持回用自排水水質(zhì)穩(wěn)定，從而保證循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)水性質(zhì)穩(wěn)定。

3.2 濃縮倍數(shù)的測(cè)定問(wèn)題

(1)不能用經(jīng)驗(yàn)方法直接測(cè)定濃縮倍數(shù)的原因。濃縮倍數(shù)是指循環(huán)冷卻水中，由于蒸發(fā)而濃縮的物質(zhì)含量與補(bǔ)充水中同一物質(zhì)含量的比值，或指補(bǔ)充水量與排污水量的比值。在實(shí)際測(cè)量中，通常為循環(huán)冷卻水的電導(dǎo)率值與補(bǔ)充水的電導(dǎo)率之比。但循環(huán)水系統(tǒng)自排水回用后，循環(huán)冷卻水中已沒(méi)有一種因蒸發(fā)濃縮而與補(bǔ)充水保持一定比例的物質(zhì)，而排污水又部分回用于循環(huán)水系統(tǒng)中，給濃縮倍數(shù)的測(cè)定帶來(lái)了麻煩。

循環(huán)水系統(tǒng)自排水經(jīng)軟化-脫鹽處理后，可溶性鹽分被脫除，其電導(dǎo)率取決于該處理系統(tǒng)的運(yùn)行情況，是變數(shù)，所以用循環(huán)冷卻水的電導(dǎo)率值與補(bǔ)充水的電導(dǎo)率之比不能表征循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)。所以不能只通過(guò)測(cè)定循環(huán)水和補(bǔ)充水的電導(dǎo)率方法來(lái)計(jì)算濃縮倍數(shù)。

(2)濃縮倍數(shù)的計(jì)算公式。循環(huán)水系統(tǒng)自排水軟化-脫鹽回用于循環(huán)水系統(tǒng)時(shí)，其水量、鹽分平衡見(jiàn)圖3。

圖3 循環(huán)水系統(tǒng)水量和鹽分平衡示意

由圖3可知：Q為流量，m3/h；D為對(duì)濃縮倍數(shù)起制約作用的鹽的質(zhì)量濃度(無(wú)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)時(shí)可用總?cè)芙夤腆w代替)，mg/L；Si為電導(dǎo)率，μS/cm；mx，k為新鮮水補(bǔ)充水；mh為回用水補(bǔ)充水；B為排污，E為蒸發(fā)水；α為自排水回用率，α=Qmh/QB，%；β為自排水脫鹽率，β=(DB-Dmh)/DB=(SB-Smh)/SB，%。

自排水回用循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)(N)，其公式：

N=(Qmx+QB)/Qmh

相同排污量QB的情況下，自排水不回用循環(huán)水循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)N0。

N0=Qmx/QB=DB/Dmx=SB/Smx

(1)

根據(jù)循環(huán)水鹽分平衡：

QmxDmx+QmhDmh=QBDB

(2)

將Qmh= αQB、Dmh=(1-β)DB代入(1)得：

QmxDmx+αQB(1-β)DB=QBDB

(3)

(4)

由式(4)可見(jiàn)，自排水回用后，循環(huán)水濃縮倍數(shù)的計(jì)算變得復(fù)雜起來(lái)，不僅與補(bǔ)充的新鮮水、循環(huán)水和回用自排水的鹽分含量有關(guān)，而且還與經(jīng)軟化-脫鹽系統(tǒng)處理的自排水回用率及其脫鹽率有關(guān)。

比較式(1)和(4)，N>N0。即在相同排污量的情況下，自排污水的回用，可以提高濃縮倍數(shù)。

4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

循環(huán)水系統(tǒng)自排水回用經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，循環(huán)水系統(tǒng)自排水回用工藝技術(shù)節(jié)水減排效果明顯。濃縮倍數(shù)從2.85提高到4.88，新鮮水量降低了32.4%，外排污水量降低了94.8%，阻垢緩蝕劑耗量降低了37.5%。除去自排水處理成本，經(jīng)濟(jì)效益為118.78×104RMB￥/a，投資回報(bào)期為3.2 a。

表3 循環(huán)水系統(tǒng)自排水回用經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

5 結(jié) 論

(1)循環(huán)水系統(tǒng)自排水回用工藝處理的回用水水質(zhì)優(yōu)于新鮮水，自排水的回用率可達(dá)85%以上，脫鹽率可達(dá)90%以上。

(2)循環(huán)水系統(tǒng)的自排水回用，會(huì)導(dǎo)致循環(huán)水腐蝕性增強(qiáng)。應(yīng)用專用阻垢緩蝕劑，解決了自排水回用后帶來(lái)的循環(huán)水腐蝕問(wèn)題，進(jìn)一步提高了循環(huán)水水質(zhì)。

(3)循環(huán)水系統(tǒng)自排水回用工藝技術(shù)節(jié)水減排效果明顯。濃縮倍數(shù)從2.85提高到4.88，新鮮水量降低了32.4%，外排污水量降低了94.8%，阻垢緩蝕劑耗量降低了37.5%。減去自排水處理成本，經(jīng)濟(jì)效益為118.78 ×104RMB￥/a，投資回報(bào)期為3.2 a。

(編輯 寇岱清)

Technology of Reutilization of Self-drained Wastewater from Cooling Water System

CuiXiaogang,XiaoGuanghui,ZhangXuefeng

(1.HubeiBenxinEnvironmentalProtectionHi-techCo.,Ltd.,Wuhan430074，China; 2.SINOPECShijiazhuangRefining&ChemicalCo.,Ltd.,Shijiazhuang050032,China)

The process for reutilization of self-drained water from cooling water system is introduced and the technical principles of turbidity removal, softening and desalting are described. The calculated reutilization rate self-drained waster water can reach up to 85 % and the desalting rate is 90%, while the quality of reutilized water is better than that of fresh water. The causes of the increased corrosion of the cooling water are mainly the increasing softening of water supply, the introduction more corrosive ions and the insufficient effective concentration of corrosion inhibitor. It is recommended to use dedicated corrosion & fouling inhibitor to control the reutilization rate of self-drained water at or above 80% and the desalting rate at more than 90%. The technology is analyzed in respect of water saving, emission reduction, chemical reduction and the concentration factor improvement. The concentration factor is increased from 2.85 to 4.88, the fresh water consumption is reduced by 32.4 %, and the waste water drainage is lowered by 94.8%, and the consumption of fouling inhibitors is reduced by 37.5%. The economic benefit is 11.878 million Yuan (RMB) a year. The return of investment is 3.2 years and the economic profit is remarkable.

cooling water, wastewater reutilization, concentration multiple, corrosion, water saving and discharge reduction

2015-10-08；修改稿收到日期：2015-12-22。

崔小剛(1980-)，工程師，2003年畢業(yè)于華中科技大學(xué)化學(xué)系，現(xiàn)在湖北本心環(huán)?？萍脊煞萦邢薰緩氖挛鬯幚矸矫娴墓ぷ?。E-mail：cxgng@163.com