工業(yè)循環(huán)冷卻水生物處理技術(shù)

劉 寧，劉興宇，谷啟源

(1.有研科技集團(tuán)有限公司生物冶金國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100088；2.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；3.有研資源環(huán)境技術(shù)研究院(北京)有限公司，北京 100088；4.北京有色金屬研究總院，北京 100088；5.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097)

工業(yè)用水的大部分是循環(huán)冷卻水，冷卻水的用量可達(dá)其總用量的80%以上，因此節(jié)約循環(huán)冷卻水對工業(yè)節(jié)水具有重大意義，而提高水的復(fù)用率，即循環(huán)冷卻水濃縮倍率，是節(jié)水的有效途徑。此外，在高濃縮倍率下，有效防止其因水質(zhì)惡化對設(shè)備、管道等產(chǎn)生的腐蝕、結(jié)垢等問題，將是未來循環(huán)冷卻水技術(shù)需要著重解決的問題[1-2]。

1 工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)存在的問題

1.1 腐 蝕

敞開式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，水在冷卻塔內(nèi)和空氣充分接觸，使水中的溶解氧得到補(bǔ)充，因此，循環(huán)水中溶解氧總是飽和的[3-4]。水中的溶解氧是造成金屬電化學(xué)腐蝕的主要原因，加之水循環(huán)濃縮后其含鹽量增加，電導(dǎo)上升，也增大了腐蝕傾向[5]。

1.2 結(jié) 垢

工業(yè)循環(huán)冷卻水運(yùn)行濃縮過程中，成垢離子成倍增加。特別是碳酸氫鹽是一種很不穩(wěn)定的鹽類，它會在換熱器表面受熱分解成碳酸鹽和二氧化碳；而碳酸鈣溶解度很低，使得傳熱面上結(jié)碳酸鈣水垢傾向增加，降低了換熱效率[6-7]。

1.3 微生物黏泥

工業(yè)循環(huán)冷卻水和空氣接觸，吸收了空氣中大量灰塵、泥沙、微生物及其孢子等，使系統(tǒng)的污泥量增加，而冷卻塔內(nèi)的光照、溫度、氧分等都有利于細(xì)菌、藻類等生長，增加了生物黏泥量，并在換熱器內(nèi)沉積，降低了循環(huán)水流速并降低換熱效果，影響系統(tǒng)及設(shè)備使用壽命。

2 傳統(tǒng)工業(yè)循環(huán)冷卻水處理技術(shù)及問題

傳統(tǒng)的工業(yè)循環(huán)冷卻水處理技術(shù)包括：物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法等。目前，較常用的仍是化學(xué)處理法。該方法是通過在循環(huán)水系統(tǒng)中投加化學(xué)藥劑，防止系統(tǒng)腐蝕、結(jié)垢和黏泥的產(chǎn)生，常用的水處理藥劑具有緩蝕、阻垢、殺生菌的作用。投加化學(xué)藥劑表面上效果明顯，但投資較大、運(yùn)行費(fèi)用較高、管理難度很大，且容易新增二次污染，對設(shè)備造成新的腐蝕等[8-9]。隨著水處理行業(yè)中新興技術(shù)的發(fā)展以及人們對環(huán)保意識的逐漸加強(qiáng)，采用生物技術(shù)對工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行處理，引起了業(yè)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注和大量研究，并取得了一定的階段性成果。

3 工業(yè)循環(huán)水生化處理技術(shù)

3.1 技術(shù)定義

該技術(shù)主要是利用經(jīng)過篩選、培養(yǎng)、馴化的有益微生物菌群和相適應(yīng)的營養(yǎng)調(diào)節(jié)劑對敞開式循環(huán)冷卻水進(jìn)行微生物化學(xué)處理，從而實(shí)現(xiàn)換熱設(shè)備及系統(tǒng)的阻垢、緩蝕、防止藻類黏泥滋生等循環(huán)水處理目標(biāo)。

3.2 技術(shù)內(nèi)容

敞開式工業(yè)循環(huán)水生化處理技術(shù)主要是依據(jù)循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水水質(zhì)和設(shè)備材質(zhì)確認(rèn)循環(huán)水生化處理運(yùn)行控制參數(shù)，通過投加相應(yīng)的復(fù)合微生物制劑(包括采用經(jīng)發(fā)酵工藝制成的復(fù)合微生物菌群和微生物營養(yǎng)調(diào)節(jié)劑)，讓其在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中自行構(gòu)建一個動態(tài)微生物生態(tài)系統(tǒng)(通過包括營養(yǎng)競爭、互生、拮抗、捕食等生態(tài)影響)，抑制有害微生物滋生，代謝產(chǎn)生具有天然阻垢和緩蝕作用的生物化學(xué)物質(zhì)，并以此穩(wěn)定和控制循環(huán)冷卻水的水質(zhì)(主要為pH、緩蝕因子等)，把循環(huán)水濃縮倍率提到8～16倍這一嶄新的高度[10]。

如圖1所示，循環(huán)水生化處理技術(shù)控制依托于現(xiàn)代移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程循環(huán)水生化處理控制參數(shù)的采集、分析、判斷、指令傳送，對現(xiàn)場運(yùn)行工況實(shí)時監(jiān)控和調(diào)整，從而保證循環(huán)水生化處理技術(shù)優(yōu)異功能的發(fā)揮。

圖1 工業(yè)循環(huán)冷卻水生化處理工藝流程示意

循環(huán)水生化處理技術(shù)與傳統(tǒng)循環(huán)水處理技術(shù)相比，具有節(jié)水減排、對環(huán)境無二次污染、運(yùn)行參數(shù)控制穩(wěn)定、對補(bǔ)充水質(zhì)變化的適應(yīng)性高、補(bǔ)充水質(zhì)變化容忍度超強(qiáng)、阻垢和溶垢同步、沒有新增設(shè)備投資和原有設(shè)備改造投資、綜合運(yùn)營成本較低等系列優(yōu)點(diǎn)。

3.3 技術(shù)原理

3.3.1 阻垢原理

3.3.2 緩蝕原理

投加的微生物為好氧菌，消耗循環(huán)水中的大量溶解氧，減緩氧化腐蝕；微生物代謝出天然緩蝕物質(zhì)，減緩電化學(xué)腐蝕；抑制有害微生物生長，減緩微生物腐蝕。

3.3.3 抑制有害微生物

停止投加阻垢劑(大分子有機(jī)物)，可以減少有害微生物的營養(yǎng)源，抑制有害微生物生長；將特制營養(yǎng)劑供給工作功能菌群(對有害微生物無作用)，使工作功能菌群成為水中強(qiáng)勢菌群，抑制有害微生物生長；工作功能菌群為定量存活微生物，不會大量繁殖危害循環(huán)水系統(tǒng)。

3.4 技術(shù)特點(diǎn)

(1)生態(tài)性：循環(huán)水生化處理技術(shù)是自然界水體的延續(xù)、擴(kuò)展和補(bǔ)充，是有益菌種占主導(dǎo)地位，構(gòu)建的動態(tài)平衡的微生物體系。

(2)針對性：循環(huán)水生化處理技術(shù)，依據(jù)循環(huán)水補(bǔ)充水水質(zhì)和設(shè)備材質(zhì)，確定循環(huán)水生化處理運(yùn)行控制參數(shù)。

(3)安全性：循環(huán)水生化處理技術(shù)，不涉及危險化學(xué)品的使用。

(4)高效性：循環(huán)水生化處理技術(shù)，能夠?qū)⒀h(huán)水濃縮倍率提高到8倍以上，提高電廠重復(fù)用水率，節(jié)水效果明顯：單臺300 MW機(jī)組年節(jié)水50萬t以上、單臺600 MW機(jī)組年節(jié)水100萬t以上。

(5)環(huán)境友好和可持續(xù)性：循環(huán)水生化處理技術(shù)，不造成環(huán)境的二次污染，符合綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的方針。

(6)經(jīng)濟(jì)性：節(jié)水減排，節(jié)能降耗。循環(huán)水高倍率運(yùn)行后，在供給脫硫使用后沒有外排廢水，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水廢水零排放，減少了電廠廢水零排放改造投資，減少了廢水處理設(shè)施運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

(7)顛覆創(chuàng)新性：循環(huán)水生化處理技術(shù)，顛覆了傳統(tǒng)循環(huán)水處理技術(shù)的理念，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)循環(huán)水處理技術(shù)無法逾越的高度。

(8)可預(yù)見性：循環(huán)水生化處理技術(shù)，其應(yīng)用邊界條件不斷擴(kuò)大，技術(shù)潛力不斷提升，循環(huán)水處理的歷史正在續(xù)寫，循環(huán)水生化處理時代已經(jīng)來臨。

3.5 適用要求

(1)換熱器材質(zhì)要求：不銹鋼、紫銅、白銅。

(3)濃縮倍率：6倍以上。

4 工業(yè)循環(huán)水生化處理技術(shù)案例

(1)循環(huán)水生化處理技術(shù)于2013年6月在鐵嶺發(fā)電廠開始進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)并取得成功，2013年12月通過中國華電集團(tuán)組織的科技項(xiàng)目驗(yàn)收。生化處理技術(shù)在鐵嶺公司應(yīng)用6 a，節(jié)水20%以上，效果明顯(20%以上)，循環(huán)水系統(tǒng)未發(fā)生腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象。

(2)國電投通遼盛發(fā)熱電有限公司從2016年3月采用生化處理技術(shù)，循環(huán)水濃縮倍率達(dá)到7～9倍運(yùn)行，節(jié)水約20%，同時解決了該公司凝汽器結(jié)垢問題。

(3)阜新清河門煤矸石熱電有限公司從2017年6月開始采用循環(huán)水生化處理技術(shù)，循環(huán)水濃縮倍率從3～4倍提高到6～8倍運(yùn)行，節(jié)水15%以上，同時解決了該公司從2008年以來每年凝汽器結(jié)垢進(jìn)行酸洗的問題。

九臺發(fā)電廠2臺600 MW機(jī)組于2017年8月采用循環(huán)水生化處理技術(shù)，循環(huán)水濃縮倍率從3～4倍提高至8～16倍運(yùn)行，即在節(jié)約用水的同時還實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水供給脫硫系統(tǒng)使用后不外排，順利通過環(huán)保督察組的檢查。

(4)國電投長春熱電廠從2018年5月開始采用循環(huán)水生化處理技術(shù)，循環(huán)水濃縮倍率8～16倍運(yùn)行，在供給脫硫使用后沒有外排。同時該廠將生產(chǎn)、生活廢水經(jīng)過絮凝沉淀處理后補(bǔ)入循環(huán)水使用，基本實(shí)現(xiàn)了全廠廢水零排(脫硫廢水供給煤場噴淋沖洗使用)。

5 結(jié) 語

2019年國家發(fā)改委、水利部聯(lián)合印發(fā)了《國家節(jié)水行動方案》，并明確提出到2020年工業(yè)用水重復(fù)利用率達(dá)到91%以上，因此，工業(yè)循環(huán)冷卻水的處理技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮?，任重道遠(yuǎn)。生物處理技術(shù)在解決工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行過程中，除了具有傳統(tǒng)技術(shù)防腐、緩蝕、除垢等功能外，還具有高效、安全、生態(tài)、環(huán)境友好等特點(diǎn)[11]。隨著我國生態(tài)環(huán)保意識的不斷提升，該技術(shù)必將成為未來工業(yè)循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)中一種顛覆性的關(guān)鍵技術(shù)。