純化水一級(jí)濃水回收用于冷卻塔補(bǔ)水分析

楊冕 董建春 李卓恒 李子文 劉薔

摘 要：制藥廠房純化水系統(tǒng)普遍采用二級(jí)RO-EDI工藝，該工藝中一級(jí)RO膜處理會(huì)排出大量一級(jí)濃水。針對(duì)大部分企業(yè)將一級(jí)濃水直接排掉的情況，分析了一級(jí)濃水水質(zhì)，提出了將一級(jí)濃水回收用于制冷空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔補(bǔ)水的方案，并做了方案設(shè)計(jì)，提出了方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)。本方法在某制藥車間進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用效果良好，值得在制藥企業(yè)推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：純化水;二級(jí)RO-EDI工藝;一級(jí)濃水;冷卻塔;軟化水

中圖分類號(hào)：TB495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）23-0051-02

0 引言

制藥純化水是制藥車間常用的生產(chǎn)設(shè)備，純化水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，用水量大，是制藥企業(yè)主要用水設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)，純化水系統(tǒng)用水量大約占總制藥企業(yè)總用水量的30%-40%左右，是制藥企業(yè)主要用水設(shè)備。

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，反滲透工藝在純化水制備中得到普遍應(yīng)用，其中二級(jí)RO-EDI的純化水制備模式近幾年在制藥企業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]。再次工藝過(guò)程中，一級(jí)RO膜反滲透會(huì)排出大量一級(jí)濃水，大約占一級(jí)原水量的30%。雖然不少設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)宣稱一級(jí)濃水回收率可以達(dá)到50%甚至更高的系統(tǒng)回收率，但是在實(shí)際應(yīng)用中，大部分濃水還是被直接排放。甚至很多純化水設(shè)備安裝說(shuō)明中，明確標(biāo)注一級(jí)濃水直接排放。這就導(dǎo)致一級(jí)濃水大量被浪費(fèi)。

但是制藥企業(yè)用水消耗是巨大的，除了制水間外，另外空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔也是主要用水設(shè)備。制冷空調(diào)系統(tǒng)是制藥企業(yè)潔凈室環(huán)境保證的核心設(shè)備。其中冷水機(jī)組是為潔凈空調(diào)機(jī)組提供冷源，用于制冷除濕。而冷卻塔是為冷水機(jī)組提供冷卻水，冷水機(jī)組冷凝器排出的熱量，需要通過(guò)冷卻塔發(fā)散到空氣中。冷卻塔散熱原理就是利用冷卻水的蒸發(fā)吸熱，才將大量的冷凝熱排放到空氣中[2]。同時(shí)，冷卻塔還不可避免存在漂水問(wèn)題，蒸發(fā)吸熱和漂水，導(dǎo)致冷卻塔用水量較大。很多制藥企業(yè)冷機(jī)全年運(yùn)行，這就導(dǎo)致冷卻水補(bǔ)水量大，實(shí)際上，據(jù)統(tǒng)計(jì)，制藥企業(yè)中冷卻塔補(bǔ)水用水量大約占到總用水量的20%-30%。

制水間不斷在排水，冷卻塔需要大量補(bǔ)水，那么一級(jí)濃水是否可以用于冷卻塔補(bǔ)水呢？本文對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)探討。

1 一級(jí)濃水來(lái)源及水質(zhì)分析

1.1 反滲透系統(tǒng)工藝流程

純化水反滲透工藝流程基本原理是利用RO膜的選擇性，以膜兩側(cè)靜壓差為動(dòng)力，克服溶劑的滲透壓，允許溶劑通過(guò)而截留離子物質(zhì)，對(duì)液體混合物進(jìn)行分離的膜過(guò)程。RO膜表面微孔孔徑一般小于1nm，對(duì)絕大部分無(wú)機(jī)鹽、溶解性有機(jī)物、溶解性固體、生物和膠體都有很高的去除率[3]。常見(jiàn)的二級(jí)RO-EDI反滲透水處理流程如圖1所示。

以上各工藝流程中，多介質(zhì)過(guò)濾器主要作用是去除原水中含有的泥沙、鐵銹、膠體物質(zhì)、懸浮物等顆粒在20um以上的物質(zhì)?；钚蕴窟^(guò)濾器作用首先是吸附電解質(zhì)離子、進(jìn)行離子交換吸附，其次還具有催化作用，去除水中的色素、異味、大量生化有機(jī)物、降低水的余氯值。

在經(jīng)過(guò)多介質(zhì)過(guò)濾器和活性炭過(guò)濾器后，為防止?jié)馑颂貏e是RO裝置膜組件濃水側(cè)出現(xiàn)不同種類結(jié)晶析出，損壞膜原件，在進(jìn)入反滲透膜組件之前，還需要有軟化裝置進(jìn)行軟化處理。軟化處理方法有很多，軟化水樹(shù)脂置換和添加阻垢劑等都是常用的方法。軟化水樹(shù)脂置換的基本原理是使用鈉離子將水中的鈣離子和鎂離子置換出來(lái)，以降低水的硬度。阻垢劑軟化水的原理是：利用阻垢劑的分散作用，阻止成垢粒子（如鈣離子、鎂離子、碳酸鈣、碳酸鎂分子等）間的相互接觸和凝聚，從而可阻止垢的生長(zhǎng)。

原水經(jīng)過(guò)多介質(zhì)過(guò)濾器后，大部分大顆粒雜志被除去，水的濁度降低，為了防止高壓泵的葉輪磨損和保證反滲透膜的安全，還會(huì)在高壓泵之前設(shè)精密過(guò)濾器，以去除細(xì)小的懸浮物和顆粒[1]。精密過(guò)濾器過(guò)濾精度可以達(dá)到5um。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的水進(jìn)入一級(jí)RO膜系統(tǒng)，進(jìn)行脫鹽處理。反滲透脫鹽處理過(guò)程，實(shí)際上是用足夠的壓力將預(yù)處理水中的部分溶劑（一般是水）通過(guò)反滲透膜分離出來(lái)，剩下的溶劑鹽濃度更高，稱為一級(jí)濃水。

1.2 一級(jí)濃水水質(zhì)檢測(cè)

通過(guò)以上反滲透工藝流程分析，可以得到如下三個(gè)濃水水質(zhì)結(jié)論：

（1）一級(jí)濃水中基本沒(méi)有大顆粒雜質(zhì)。多介質(zhì)、活性炭、精密過(guò)濾器多種過(guò)濾，足以將泥沙、懸浮物、大顆粒物、鐵銹等去除，水的濁度很低。（2）一級(jí)濃水中有機(jī)物和細(xì)菌等含量大大降低。活性炭過(guò)濾器可以去除大部分的生化有機(jī)物。（3）一級(jí)濃水硬度低，只是鹽度高。預(yù)處理水會(huì)經(jīng)過(guò)軟化系統(tǒng)處理，目的是保護(hù)反滲透膜，因此這種軟化處理要求也比較嚴(yán)格。

筆者曾對(duì)某生物制藥廠一級(jí)濃水進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1。

2 空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔補(bǔ)水水質(zhì)要求

2.1 空調(diào)冷卻循環(huán)水水質(zhì)不合格的危害

制冷空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔內(nèi)為循環(huán)冷卻水。循環(huán)冷卻水水質(zhì)如果不合格，可能造成冷機(jī)換熱管結(jié)垢，冷卻水水質(zhì)不合格還可能腐蝕管道和閥門(mén)[4]，造成細(xì)菌滋生等問(wèn)題。具體分析如下。

（1）結(jié)垢問(wèn)題。如果冷卻水硬度較高，那么硬度很高的冷卻水運(yùn)行一段時(shí)間后，會(huì)在冷水機(jī)組冷凝器換熱銅管中或水管中產(chǎn)生大量水垢，凝器結(jié)垢，將使冷凝器的污垢系數(shù)增大，降低換熱效率，降低冷機(jī)制冷能效，增大運(yùn)行費(fèi)用。（2）腐蝕問(wèn)題。冷卻水系統(tǒng)發(fā)生的腐蝕多屬于電化學(xué)腐蝕，影響冷凝器或管道內(nèi)壁腐蝕的因素有水的溶解氧、pH值、各離子含量等。冷卻水中陰陽(yáng)兩極反應(yīng)所生成的Fe（OH）3就是通常所生成的鐵銹，而一般肉眼看見(jiàn)的的鐵銹是Fe2O3·nH2O，也叫含水氧化鐵。如果冷卻水系統(tǒng)中的冷凝器是銅管，當(dāng)水中存在有Cu2+時(shí)，即使其在水中的濃度很低，但它是陰極反應(yīng)的去極化劑，因而對(duì)腐蝕有明顯的促進(jìn)作用。（3）污泥和藻類問(wèn)題。冷卻水中的污泥和藻類會(huì)很快附著在冷水機(jī)組冷凝器換熱管內(nèi)，造成冷卻水量減少、冷機(jī)換熱系數(shù)降低，進(jìn)而導(dǎo)致冷機(jī)冷凝壓力變高，能效下降。此外，由于冷卻水溫度合適，容易滋生大量的細(xì)菌、微生物及藻類。細(xì)菌和微生物滋生，還會(huì)隨著冷卻水漂散，通過(guò)空氣傳播，危害不可忽視。

2.2 空調(diào)循環(huán)冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

按照我國(guó)國(guó)標(biāo)《GB/T 29044-2012采暖空調(diào)系統(tǒng)水質(zhì)》要求，循環(huán)冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如表2、表3。

3 一級(jí)濃水回收可行性分析及實(shí)際工程應(yīng)用

空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的循環(huán)水處理一直是暖通專業(yè)人員經(jīng)常爭(zhēng)論和探討的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)實(shí)際工程現(xiàn)狀分為四種情況。

（1）冷卻水補(bǔ)充自來(lái)水，不進(jìn)行處理或采取簡(jiǎn)單地排污來(lái)控制結(jié)垢或腐蝕。這種方式顯然對(duì)冷卻塔和冷機(jī)危害最大，但是據(jù)筆者了解，這種模式反倒是國(guó)內(nèi)最普遍的情況。（2）對(duì)補(bǔ)充的水進(jìn)行軟化來(lái)控制冷卻水水質(zhì)。這種模式也比較常見(jiàn)，但是很多項(xiàng)目軟化水加藥裝置長(zhǎng)期不按規(guī)定運(yùn)行，因此最終也達(dá)不到預(yù)期效果。（3）冷卻水系統(tǒng)增設(shè)靜電水處理器來(lái)防垢、除垢、殺菌和滅藻。這種方式在最近幾年有一些項(xiàng)目應(yīng)用，但是應(yīng)用效果普遍反應(yīng)不佳。（4）在冷卻水系統(tǒng)中投加藥劑（阻垢、緩蝕、殺菌、滅藻）來(lái)控制結(jié)垢、腐蝕和微生物的繁殖。這種方式也有項(xiàng)目應(yīng)用，但是推廣比例不高。（5）冷卻水過(guò)濾一般是通過(guò)Y型過(guò)濾器實(shí)現(xiàn)，這顯然對(duì)于去除泥沙、藻類等作用很小。

國(guó)內(nèi)實(shí)際工程中，大量實(shí)際工程存在冷卻水水質(zhì)嚴(yán)重不合格、管道結(jié)垢、冷機(jī)冷凝器泥沙淤積、冷卻塔填料結(jié)垢嚴(yán)重等問(wèn)題，嚴(yán)重影響制冷空調(diào)運(yùn)行安全以及運(yùn)行能效。

通過(guò)對(duì)比表1和表2，表3，可以看到一級(jí)濃水水質(zhì)和冷卻水水質(zhì)相比如下結(jié)果：

（1）硬度對(duì)比：一級(jí)濃水硬度遠(yuǎn)低于循環(huán)冷卻水要求，也大大低于循環(huán)冷卻水補(bǔ)水水質(zhì)要求;（2）濁度對(duì)比：一級(jí)濃水濁度遠(yuǎn)低于循環(huán)冷卻水水質(zhì)要求和補(bǔ)水水質(zhì)要求;（3）鐵離子、銅離子、菌落數(shù)：一級(jí)濃水含量遠(yuǎn)低于循環(huán)冷卻水水質(zhì)要求和補(bǔ)水水質(zhì)要求;（4）電導(dǎo)率：一級(jí)濃水電導(dǎo)率低于循環(huán)冷卻水水質(zhì)要求，但是高于補(bǔ)水水質(zhì)要求。

通過(guò)對(duì)比可以看出，一級(jí)濃水所有指標(biāo)低于循環(huán)冷卻水水質(zhì)要求，大部分指標(biāo)也低于補(bǔ)水水質(zhì)要求，僅僅是電導(dǎo)率超過(guò)補(bǔ)水水質(zhì)要求。但是在對(duì)制冷空調(diào)換熱性能影響方面比較大的水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目，如濁度、硬度等，一級(jí)濃水明顯好于補(bǔ)水水質(zhì)要求。綜合起來(lái)看，結(jié)合我國(guó)實(shí)際工程情況，筆者認(rèn)為用一級(jí)濃水作為冷卻塔補(bǔ)水，無(wú)論是在開(kāi)式冷卻塔還是在閉式冷卻塔中，都是完全可以應(yīng)用的。一級(jí)濃水水質(zhì)較好，用來(lái)作為冷卻塔補(bǔ)水，幾乎是免費(fèi)應(yīng)用，同時(shí)還能提高冷卻塔性能。

按照這個(gè)思路，筆者在某生物制藥廠設(shè)計(jì)了一級(jí)濃水回收用于冷卻塔補(bǔ)水項(xiàng)目。該項(xiàng)目制水間位于三層，冷卻塔位于樓頂，冷卻塔全年運(yùn)行，此前冷卻塔補(bǔ)水為自來(lái)水。為了減少對(duì)純化水機(jī)RO膜工作的影響，在反滲透一級(jí)濃水出口設(shè)置了一個(gè)開(kāi)式水箱，再使用水泵將一級(jí)濃水輸送至樓頂?shù)睦鋮s塔接水盤(pán)。從改造以后實(shí)際運(yùn)行三年的情況看，該制水間一級(jí)濃水量完全滿足冷卻塔補(bǔ)水需求。同時(shí)，冷卻塔填料結(jié)垢明顯減少，填料清洗由改造前的一年兩次減少為一年一次，甚至兩年一次，運(yùn)行人員普遍反應(yīng)結(jié)垢現(xiàn)象大大減少。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）實(shí)際項(xiàng)目水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果表明，一級(jí)濃水水質(zhì)所有檢測(cè)項(xiàng)目指標(biāo)均明顯優(yōu)于循環(huán)冷卻水水質(zhì)要求，除電導(dǎo)率外，其余檢測(cè)項(xiàng)目指標(biāo)均明顯優(yōu)于循環(huán)冷卻水補(bǔ)水水質(zhì)要求。一級(jí)濃水的“濃”，并不是濁度濃，也不是硬度濃，僅是鹽度濃，而鹽度高對(duì)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行影響較小。（2）通過(guò)實(shí)際工程證明，一級(jí)濃水用于冷卻塔補(bǔ)水，明顯降低冷卻塔和空調(diào)系統(tǒng)管道、換熱管結(jié)垢現(xiàn)象，提高換熱效率，同時(shí)并未發(fā)現(xiàn)弊端。實(shí)際工程證明一級(jí)濃水回收用于冷卻水補(bǔ)水效果明顯好于自來(lái)水，也好于一般冷卻水處理裝置，且初投資和水泵運(yùn)行電耗幾乎可以忽略，具有十分顯著的工程效益。（3）從純化水機(jī)運(yùn)行安全角度，建議一級(jí)濃水回收時(shí)，設(shè)置開(kāi)式水箱，避免水泵造成反滲透膜工作壓力變化。

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