某公司循環(huán)水質(zhì)現(xiàn)狀分析及改善方法

李艷艷 張紅惠

上海立得催化劑有限公司 （上海 201515）

工業(yè)生產(chǎn)中常采用水作為冷卻介質(zhì)。但生產(chǎn)過程中往往會產(chǎn)生大量的熱，使設(shè)備或產(chǎn)品的溫度升高，因此必須及時進(jìn)行冷卻，否則將影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行及產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量。循環(huán)冷卻水的濃縮倍率絕大多數(shù)在2～3倍，從節(jié)能減排的角度來說，這無疑是巨大的資源浪費(fèi)，并且加重了對環(huán)境水源的污染。因此，提高水的利用率，減小環(huán)境污染已成為當(dāng)今工業(yè)水處理的一大難題。與直流水相比，循環(huán)水除節(jié)約新鮮水量、減少排污水量之外，還能防止熱污染。保證循環(huán)水的質(zhì)量能控制換熱器的污垢熱阻，從而保證傳熱效果和生產(chǎn)效率，有效控制系統(tǒng)中設(shè)備的腐蝕，提高設(shè)備的使用壽命。

1 循環(huán)水系統(tǒng)簡介

冷卻循環(huán)水系統(tǒng)分為直排式和循環(huán)式兩種。直排式系統(tǒng)消耗水量大，適用于水資源豐富的地區(qū)，但其經(jīng)濟(jì)性差，已基本被淘汰。

循環(huán)式冷卻水可大量節(jié)約水資源和藥劑處理成本，因此被廣泛采用[1]。目前應(yīng)用最廣泛的是敞開式循環(huán)水系統(tǒng)，水通常由冷卻塔冷卻。由于與空氣接觸，水量蒸發(fā)濃縮，空氣中塵埃落入水中，會促使水中各離子指標(biāo)升高和細(xì)菌滋生[2]。為了維持水質(zhì)，必須要補(bǔ)充一定的新鮮水 （通常稱為補(bǔ)充水），并排出一定的濃縮水 （稱為排污水）。

上海立得催化劑有限公司冷卻循環(huán)水系統(tǒng)屬于敞開式循環(huán)水系統(tǒng)，循環(huán)水池尺寸為80 m×10 m×3 m，水位基本維持在1.5～1.8 m，儲水量在1 000 m3以上，正常使用流量為300 m3/h。循環(huán)水主要供生產(chǎn)換熱設(shè)備，少量供現(xiàn)場部分設(shè)備的機(jī)封或油路冷卻水等。該循環(huán)水系統(tǒng)目前存在以下問題。

1.1 設(shè)備結(jié)垢，阻礙傳熱，增加能耗，降低生產(chǎn)負(fù)荷

設(shè)備結(jié)垢主要是水中溶解或懸浮的無機(jī)物由于種種原因沉積在金屬表面。另外，冷卻水中富含碳酸氫鈣等不穩(wěn)定鹽類，其在換熱管壁受熱即轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕}等致密硬垢，沉積在管壁。

據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，2019年相同反應(yīng)釜同一生產(chǎn)過程比2018年升溫及冷卻的時間延長了20～30 min，浪費(fèi)了大量能源，降低了生產(chǎn)負(fù)荷。檢查后發(fā)現(xiàn)，換熱設(shè)備表面結(jié)垢嚴(yán)重。有研究表明硬垢傳熱效率僅為碳鋼的1%左右，即換熱管壁如果沉積0.5 mm厚的硬垢，就相當(dāng)于其壁厚增加了50 mm，嚴(yán)重阻礙傳熱的正常進(jìn)行，不僅增加能耗，也對生產(chǎn)負(fù)荷產(chǎn)生影響。

1.2 微生物滋生黏泥軟垢，阻礙傳熱，引起微生物腐蝕

微生物繁殖、代謝產(chǎn)生的黏液，具有很強(qiáng)的黏性，與循環(huán)水中的懸浮物和微生物尸體等交織黏附在一起，隨水流黏附在設(shè)備壁面，可在短時間內(nèi)形成一層滑膩的垢層，即表面疏松多孔的軟垢。此外，微生物滋生也會帶來設(shè)備的腐蝕問題——主要通過電極電位和濃差電池發(fā)生變化而直接或間接地參與腐蝕作用。造成腐蝕的主要方式有：

（1） 細(xì)菌繁殖、分泌、代謝等形成的黏泥沉積在金屬表面，破壞金屬保護(hù)膜，構(gòu)成局部電池導(dǎo)致垢下腐蝕。

（2） 微生物的代謝使金屬所處的化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，引起氧和其他化合物的消耗，形成濃差電池[3]。軟垢層疏松多孔，為氧氣的滲入形成良好通道，形成無數(shù)個小濃差電池，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而加速設(shè)備點(diǎn)蝕現(xiàn)象的發(fā)生，久之即發(fā)生縱深腐蝕穿孔事故。

由于上述原因，該循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)較差，已經(jīng)給正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重后果，下面結(jié)合循環(huán)水水質(zhì)檢測結(jié)果作一些分析。

2 水質(zhì)檢測及各指標(biāo)分析

2.1 水質(zhì)分析結(jié)果

表1是2019年4月水樣分析檢測結(jié)果，其中河水和深井水均作為循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)水。

表1 分析項(xiàng)目與分析結(jié)果

從表1數(shù)據(jù)可以看出，循環(huán)水有3個指標(biāo)超出標(biāo)準(zhǔn)，而作為補(bǔ)水的深井水至少有5個指標(biāo)超標(biāo)，因此不適合作為循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)水。

2.2 各指標(biāo)分析

2.2.1 懸浮物

循環(huán)水中懸浮物質(zhì)量濃度為36 mg/L，超出標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)分析，原因是原水中本身雜質(zhì)含量較多，沒有進(jìn)行有效過濾，另外水池水面較寬，水池四周沒有圍堰，地面的灰塵等雜質(zhì)被風(fēng)吹入水中的可能性增大，導(dǎo)致該指標(biāo)偏高。而公司另一密閉式的循環(huán)水系統(tǒng)，水質(zhì)就相對好很多?？刂茟腋∥锖靠梢圆扇≡鰪?qiáng)過濾和排污等辦法。

2.2.2 濁度

濁度是間接表示水中懸浮物及膠體含量的指標(biāo)。水中的懸浮物一般有泥土、砂粒、微細(xì)的有機(jī)物和無機(jī)物、浮游生物、微生物等。水中各類懸浮物顆粒、有機(jī)物膠體及生物黏泥等容易在系統(tǒng)水緩處 （尤其設(shè)備換熱面）形成沉淀，造成設(shè)備的結(jié)垢及腐蝕加劇，因此需要適當(dāng)控制循環(huán)水的濁度?？刂茲岫鹊姆绞街饕校?（1） 換水或過濾，即需要大量排水，增加過濾設(shè)備則加大水阻，導(dǎo)致能耗上升。因此需權(quán)衡利弊給予適當(dāng)?shù)臐岫戎笜?biāo)。 （2）對水池做一定高度的圍堰，避免刮風(fēng)時地面的塵沙被帶入水池。在密閉系統(tǒng)中，則需要在停機(jī)時對管網(wǎng)整體進(jìn)行水沖洗。

循環(huán)水系統(tǒng)濁度偏高的原因主要是：水中懸浮物含量過高，沒有進(jìn)行有效過濾；系統(tǒng)排污量少，水體渾濁，容易在流速低的設(shè)備或管道內(nèi)壁淤積結(jié)垢，表現(xiàn)為循環(huán)水泵的盤根處漏出的水短時間內(nèi)就淤積出厚厚的黏泥。

2.2.3 化學(xué)需氧量 （COD）

水中COD含量過高會加快微生物和藻類繁殖，主要原因是補(bǔ)水的COD含量過高。

2.2.4 pH

循環(huán)水pH對系統(tǒng)的影響如表2所示。

表2 pH對系統(tǒng)運(yùn)行的影響及選擇

pH的變化會引起水中各類碳酸鹽比例的變化，因給水水質(zhì)、各類設(shè)備系統(tǒng)狀況及各水處理公司技術(shù)存在較大差異，采用任一pH范圍內(nèi)的循環(huán)水客觀上各有利弊。

對于該循環(huán)水系統(tǒng)來說，由于水質(zhì)較差，系統(tǒng)結(jié)垢和細(xì)菌、藻類滋生嚴(yán)重，且補(bǔ)水中微生物較多。因此宜保持中性或堿性的水體環(huán)境。

2.2.5 甲基橙堿度

甲基橙堿度又稱總堿度，是表征循環(huán)水中碳酸鹽成垢陰離子數(shù)量和結(jié)垢傾向的一個重要參數(shù)。深井水該項(xiàng)指標(biāo)雖未超過標(biāo)準(zhǔn)，但也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于循環(huán)水系統(tǒng)。可以通過加酸或通入二氧化碳?xì)怏w控制堿度，降低循環(huán)水的pH，或在循環(huán)水中加入少量阻垢劑，破壞碳酸鈣等成鹽類物質(zhì)的結(jié)晶生長，防止水垢沉積。

2.2.6 硬度

硬度主要指水中鈣鎂離子 （冷卻水中的主要成垢離子）的總量。防止結(jié)垢的方法主要是除去部分成垢離子。在補(bǔ)充水中鈣離子及堿度較高時，可在預(yù)處理工序中除掉部分硬度和堿度，即采用軟化補(bǔ)充水。軟化水的成垢離子含量較低，有利于提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)。

2.2.7 氯離子

氯離子是一種腐蝕性強(qiáng)的陰離子，它可起到水溫、水流等腐蝕的催化作用。它能破壞碳鋼、不銹鋼和鋁等金屬或合金表面的鈍化膜，引起金屬的點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕破裂。此外，大多殺菌劑（尤其強(qiáng)氧化性殺菌劑）均為含氯化合物，大量投加會加劇對系統(tǒng)金屬的腐蝕。目前絕大多數(shù)公司使用含氯殺生劑，一般通過投加阻垢緩蝕劑來抑制氯離子的腐蝕作用。

2.2.8 總鐵

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，循環(huán)水中總鐵含量可間接反映系統(tǒng)內(nèi)的鐵腐蝕狀況。循環(huán)水中鐵的含量一方面由補(bǔ)充水帶入，一方面由系統(tǒng)腐蝕產(chǎn)生。金屬腐蝕具有不可逆性。化學(xué)水處理防腐功能為最大限度延緩水對金屬的腐蝕，既不能改善原先已經(jīng)腐蝕的狀況，也不能終止其后繼續(xù)腐蝕。一旦系統(tǒng)管網(wǎng)存在嚴(yán)重腐蝕，總鐵指標(biāo)原則上是難以恢復(fù)的，尤其是運(yùn)行中的密閉系統(tǒng)，因?yàn)闊o法排換水更加無法解決該問題。因此，對已經(jīng)存在嚴(yán)重腐蝕的系統(tǒng) （總鐵較高），懸掛腐蝕掛片監(jiān)測循環(huán)水對金屬的腐蝕速率比要求總鐵指標(biāo)更有意義。水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示總鐵沒有超標(biāo)，但系統(tǒng)內(nèi)的腐蝕卻較為嚴(yán)重，這與排換水對檢測結(jié)果的影響有關(guān)。

3 循環(huán)水系統(tǒng)的主要問題及處理結(jié)果

3.1 存在的問題

通過對以上各項(xiàng)指標(biāo)的分析發(fā)現(xiàn)，該循環(huán)水系統(tǒng)存在的問題主要有：初期不夠重視循環(huán)水的處理，缺少相關(guān)的處理設(shè)施和水質(zhì)檢測分析方法；補(bǔ)水水質(zhì)較差，處理程度和效果有限；循環(huán)水系統(tǒng)長年沒有排污和清洗，水質(zhì)惡化；水池設(shè)計(jì)不合理，總體儲水量較大，處理成本高，處理困難；缺少物理處理措施，以加藥處理為主，而該方法容易導(dǎo)致水質(zhì)惡化，造成惡性循環(huán)。

3.2 處理辦法

針對以上問題，采取了以下措施：停用部分指標(biāo)超標(biāo)的深井水作為補(bǔ)水；對河道取水口進(jìn)行清理，增加補(bǔ)水處理的沉淀時間；增強(qiáng)系統(tǒng)排污，加大補(bǔ)水量。

采取上述措施后，水質(zhì)有所改善，具體如表3所示。

由于目前設(shè)施和處理方法的限制，循環(huán)水水質(zhì)仍不太理想，且不易維持。要達(dá)到和保持較好的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的困難。接下來要進(jìn)行的工作主要包括：

（1） 系統(tǒng)清洗

從部分拆開設(shè)備的腐蝕情況看，循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部結(jié)垢腐蝕已經(jīng)較嚴(yán)重。需要對系統(tǒng)進(jìn)行酸洗除垢預(yù)膜，提高其換熱效率，抑制系統(tǒng)繼續(xù)腐蝕，并在以后根據(jù)系統(tǒng)情況保持一定的清洗頻率。

（2） 水池底部積泥清理

及時除去池底的污泥，避免微生物滋生及藻類繁殖，目前凈化水池及循環(huán)水池的清理頻率過低，尤其是循環(huán)水池積泥清理存在困難。今后的設(shè)計(jì)要考慮其清理辦法。

表3 水質(zhì)分析結(jié)果

（3） 加強(qiáng)補(bǔ)水處理，保持一定量的排污和補(bǔ)充水的注入。補(bǔ)水需進(jìn)一步加強(qiáng)處理，以減少懸浮物和微生物含量。此外，循環(huán)水池需保持一定量的排污，摸索出適合目前工況的濃縮倍數(shù)。

（4） 投加殺生劑，保持一定的殺生劑濃度，抑制細(xì)菌、藻類的繁殖。另外，需采取增加物理處理、增強(qiáng)混凝沉淀過濾等措施。

（5） 掛片監(jiān)測

為防止其他原因引起的誤判，不能單純依靠化驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)的水質(zhì)，需對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行掛片監(jiān)測，及時掌握內(nèi)部的腐蝕情況。

（6） 對水池采取部分遮蔽，避免陽光直射，減少藻類繁殖。

另外，在新的循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也需綜合考慮以上因素。

4 結(jié)語

工業(yè)水循環(huán)處理對水資源的重復(fù)利用具有深遠(yuǎn)意義，它的普及將緩解我國水資源短缺的現(xiàn)狀。循環(huán)冷卻水的各項(xiàng)指標(biāo)與系統(tǒng)的運(yùn)行情況有密切聯(lián)系，保證良好的水質(zhì)指標(biāo)能延長設(shè)備的使用壽命，提高設(shè)備的使用效率，為生產(chǎn)提供有利的條件。水質(zhì)控制不當(dāng)，會加劇系統(tǒng)腐蝕，增加能耗，對生產(chǎn)造成不良影響，甚至造成安全事故。

循環(huán)水處理過程中出現(xiàn)的問題很多，循環(huán)冷卻水必須綜合解決腐蝕、結(jié)垢、黏泥等問題。上海立得催化劑有限公司的水處理系統(tǒng)存在非常多的問題，有些在目前的條件下可以得到改善和解決，有些則因設(shè)計(jì)及場地設(shè)施的限制在短期內(nèi)無法改變。正視當(dāng)前存在的問題，對今后循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)管理有積極的參考指導(dǎo)作用。