某新冠疫苗項(xiàng)目軟化預(yù)處理與微晶化學(xué)旁流水處理方案對(duì)比分析

邢志濤 ，何群彪，韓柏平

（1.中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

1 項(xiàng)目背景概況

某疫苗產(chǎn)業(yè)化基地項(xiàng)目，冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)充水取自上海市自來水。查閱文獻(xiàn)獲知，因上海地處長(zhǎng)江干流下游，實(shí)際上上海市水質(zhì)總硬度（實(shí)測(cè)值118 mg/L）接近全長(zhǎng)江平均值，鈣硬度接近全長(zhǎng)江平均值，總堿度（實(shí)測(cè)值236 mg/L）也接近全長(zhǎng)江平均值；總硬度與總堿度比值為0.5，鈣硬度占總硬度的73%，是非常典型的長(zhǎng)江水質(zhì)（上海市自來水水質(zhì)全分析參見表1）。鑒于現(xiàn)有補(bǔ)充水水質(zhì)條件，為了實(shí)現(xiàn)在正常運(yùn)行維護(hù)過程中冷卻水系統(tǒng)緩蝕、阻垢和殺菌的目的，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初提供兩套水處理方案以備選擇，即補(bǔ)充水軟化預(yù)處理和旁流水處理。下文通過分析比較上述兩種水處理方案的優(yōu)缺點(diǎn)，確定本項(xiàng)目的最佳方案。

表1 上海市自來水水質(zhì)全分析Tab.1 Full analysis of tap water quality in Shanghai

2 補(bǔ)充水軟化預(yù)處理方案分析

2.1 水的碳酸鈣飽和pH 值和雷氏指數(shù)

1936 年朗格利爾（Langelier）研究并論述了水的碳酸鈣飽和pH 值，即pHs 概念（pHs=9.3+A +B-C-D）[1]，并比較實(shí)測(cè)pH 與pHs 之差。根據(jù)理論研究，實(shí)測(cè)pH 與pHs 值之差大于0 時(shí)，水質(zhì)有碳酸鈣CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)；等于0 時(shí)，水質(zhì)處于平衡狀態(tài)；小于0 時(shí)，水質(zhì)無碳酸鈣CaCO3生成、有腐蝕趨勢(shì)。

之后，雷茲那（Ryznar）根據(jù)各種循環(huán)水的運(yùn)行結(jié)果總結(jié)出用穩(wěn)定指數(shù)IR來預(yù)示水質(zhì)結(jié)垢及腐蝕性趨勢(shì)，更加接近實(shí)際情況，并研究得出雷氏穩(wěn)定指數(shù)IR=2pHs-pH[2-3]。根據(jù)不同穩(wěn)定指數(shù)范圍，預(yù)示水的腐蝕、結(jié)垢趨勢(shì)，參見表2。

表2 Ryznar 指數(shù)（雷氏指數(shù)）判斷水的腐蝕與結(jié)垢傾向Tab.2 Ryznar index（Rayleigh index）to judge the corrosion and scaling tendency of water

2.2 補(bǔ)充水軟化預(yù)處理方案雷氏指數(shù)分析

根據(jù)上述“水的碳酸鈣飽和pH 值和雷氏指數(shù)”理論，計(jì)算分析上海市自來水不同狀態(tài)下進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)帶來的“腐蝕結(jié)垢趨勢(shì)”，具體如下：

（1）上海市自來水作為補(bǔ)充水剛進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)

該項(xiàng)目工藝?yán)鋮s水補(bǔ)充水總?cè)芙夤腆wTDS 值為258 mg/L，得到總?cè)芙庑怨腆w因數(shù)A值=0.14；循環(huán)水運(yùn)行溫度按32～ 37 ℃計(jì)，得到溫度因數(shù)B值=1.8；鈣硬度按86 mg/L 計(jì)，得到鈣硬度因數(shù)C值=1.5；總堿度按236 mg/L 計(jì)，得到總堿度因數(shù)D值=2.4。經(jīng)計(jì)算，pHs=7.3，IR=7.1，屬于不濃縮時(shí)輕度腐蝕的水質(zhì)，參見表3 狀態(tài)一。

表3 上海水質(zhì)在不同狀態(tài)下的pHs 值和IR 值Tab.3 pHs values and IR values of Shanghai water quality in different states

（2）上海市自來水作為補(bǔ)充水進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)并濃縮3 倍

敞開式循環(huán)冷卻水在其運(yùn)行過程中，補(bǔ)充水不斷進(jìn)入循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，一部分水被蒸發(fā)進(jìn)入大氣，留在冷卻水中的另一部分則被濃縮（水中的無機(jī)鹽等非揮發(fā)性物質(zhì)仍留在循環(huán)水中），從而增大了循環(huán)水的結(jié)垢傾向。原水濃縮3 倍的循環(huán)水總?cè)芙夤腆w因數(shù)按TDS 值為774 mg/L，得到A值=0.19；溫度因數(shù)按32～ 37 ℃得到B值=1.8；鈣硬度因數(shù)按258 mg/ L 得到C值=2.0；總堿度因數(shù)按708 mg/L 得到D值=2.9。經(jīng)計(jì)算，pHs=6.4，IR=4.3，有嚴(yán)重結(jié)垢傾向，參見表3 狀態(tài)二。

因此，當(dāng)直接采用上海市自來水作為系統(tǒng)補(bǔ)水時(shí)，隨著蒸發(fā)濃縮，系統(tǒng)有“嚴(yán)重結(jié)垢”風(fēng)險(xiǎn)，仍需要有必要的水處理方案解決結(jié)垢、微生物滋生和腐蝕問題。

（3）上海市自來水軟化預(yù)處理后作為補(bǔ)充水剛進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)

有觀點(diǎn)認(rèn)為，將補(bǔ)充水通過鈉型離子交換樹脂軟化后補(bǔ)入冷卻水系統(tǒng)，可以徹底解決水質(zhì)的結(jié)垢問題，并可以大幅度提高濃縮倍數(shù)，比如到10 倍，一定有利于節(jié)約用水。由于鈉型離子交換樹脂只是置換水中鈣鎂陽離子，水中離子總含量、總堿度幾乎不變?？?cè)芙夤腆w因數(shù)按TDS 值為258，得到A值=0.14，溫度因數(shù)按32～ 37 ℃得到B值=1.8；鈣硬度因數(shù)按10 mg/L 得到C值=0.6；總堿度因數(shù)按236 得到D值=2.4。經(jīng)計(jì)算，pHs=8.2，IR=9.5，對(duì)照表2，可知IR＞9，該種水質(zhì)有極嚴(yán)重腐蝕傾向，參見表3 狀態(tài)三。也就是說軟化水作為補(bǔ)充水的循環(huán)水系統(tǒng)將出現(xiàn)新的問題，結(jié)垢的問題看似解決了，但加劇了系統(tǒng)的腐蝕問題。

根據(jù)有關(guān)腐蝕機(jī)理研究的文獻(xiàn)，補(bǔ)充水軟化處理后，由于水中鈣鎂離子等大量減少，已不可能在金屬表面生成CaCO3沉淀保護(hù)膜。但是，水中電解質(zhì)及水的流動(dòng)仍具有很強(qiáng)的去極化作用，所以，顯示出較大腐蝕性（雷氏指數(shù)的計(jì)算結(jié)果及監(jiān)測(cè)結(jié)果都說明軟化水腐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原水）。

（4）上海市自來水軟化預(yù)處理后作為補(bǔ)充水進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)并濃縮3 倍

實(shí)際計(jì)算了軟化水濃縮3 倍后的情況，總?cè)芙夤腆w因數(shù)按TDS 值為774，得到A值=0.19；溫度因數(shù)按32～ 37 ℃得到B值=1.8；鈣硬度因數(shù)按C值=0.6；總堿度因數(shù)按708 得到D值=2.9。經(jīng)計(jì)算，pHs=7.8，IR=7.1，水質(zhì)仍具有腐蝕傾向，參見表3狀態(tài)四。實(shí)際上，把軟化水作為補(bǔ)充水的工程實(shí)例中，操作者誤認(rèn)為既然補(bǔ)充的是不會(huì)結(jié)垢的軟水就沒必要排污，不排污或濃縮倍數(shù)達(dá)到10 以上的情況比比皆是。這樣不但造成系統(tǒng)的“全面腐蝕”，而且由于氯離子等陰離子的不斷濃縮，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生“點(diǎn)腐蝕”的風(fēng)險(xiǎn)急劇加大。

2.3 補(bǔ)充水軟化預(yù)處理方案經(jīng)濟(jì)效益分析

本項(xiàng)目實(shí)際有一套DN 600 和一套DN 350 冷卻水系統(tǒng)，按一套DN 600 冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充軟化水計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益（只比較軟化水代替自來水的情況）。

一套DN 600 冷卻水系統(tǒng)循環(huán)量按2 000 m3/h 計(jì)算，當(dāng)采用軟化水與自來水作為系統(tǒng)補(bǔ)水時(shí)的經(jīng)濟(jì)成本、效益分析如下：

（1）每產(chǎn)生1 噸軟化水，耗鹽量按0.8 kg 計(jì)算，每天消耗再生用鹽量：0.8 kg/m3軟化水×（17.4 m3/ h蒸發(fā)量+軟化水濃縮10 倍后1.9 m3/h 排污量）×24小時(shí)=0.37 噸/天。

再生用鹽按500 元/噸計(jì)算（質(zhì)量較差的工業(yè)鹽，含運(yùn)輸費(fèi)），每天耗鹽費(fèi)約185 元/天。

（2）采用軟化水作為系統(tǒng)補(bǔ)水，濃縮10 倍時(shí)，相比于采用自來水作為補(bǔ)水按濃縮5 倍計(jì)，節(jié)約用水量=（自來水濃縮5 倍后4.35 m3/h 排污量-軟化水濃縮10 倍后1.9 m3/h 排污量）×24 小時(shí)=58.8 m3/天。

全天節(jié)約水費(fèi)=58.8 m3/天×4 元/m3=235.3 元。

（3）軟水器再生反洗耗水按4% 計(jì)算：（17.4 m3/ h+1.9 m3/h）×24 小 時(shí)×4%=18.5 m3/ 天，水費(fèi)74 元/天。

（4）軟水器樹脂損耗費(fèi)：產(chǎn)生軟水20 m3/h 的軟水器（或組合），國(guó)產(chǎn)樹脂700 升/罐（一用一備即為1 400 升），樹脂壽命及損耗按2.5 年計(jì)算，每升樹脂按5 元/升計(jì)算，約7.7 元/天。

（5）系統(tǒng)濃縮排污費(fèi)：即使采用軟化水作為系統(tǒng)補(bǔ)水，開式冷卻水系統(tǒng)每天也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)排污，以降低系統(tǒng)的含鹽量、濁度等。這里排污不做詳細(xì)計(jì) 算。

（6）所以，采用軟化水作為系統(tǒng)補(bǔ)水，每天維護(hù)成本至少約449.1 元（不含軟水器初期購(gòu)置費(fèi)、電費(fèi)及其他費(fèi)用）。

（7）綜上所述，采用軟化水作為系統(tǒng)補(bǔ)水比采用自來水作為系統(tǒng)補(bǔ)水，每天維護(hù)成本可以節(jié)省=235.3 元/天-74 元/天-7.7 元/天-185 元/天=-31.4 元/天（不含排污費(fèi)，人工費(fèi)，不包括軟水器初期購(gòu)置費(fèi)、倉(cāng)庫(kù)管理費(fèi)等費(fèi)用），比補(bǔ)充自來水運(yùn)行成本高31.4 元/天。

（8）由于自來水經(jīng)軟化處理后，腐蝕性增強(qiáng)，若想達(dá)到同等的腐蝕控制效果，緩蝕劑投加濃度和用量反而大大增加（即增加了循環(huán)水緩蝕劑用量和費(fèi)用）。一般的水處理方案是以防垢為主；采用軟化水方案時(shí)，投加藥劑以防腐蝕為主。

（9）使用軟化水一般只針對(duì)高硬度高堿度地區(qū)（濃縮倍數(shù)難以達(dá)到3 的小型冷卻水系統(tǒng)），屆時(shí)節(jié)水效應(yīng)是明顯的；使用軟化水對(duì)管材和系統(tǒng)要求更高，帶來的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)很難評(píng)估，同時(shí)對(duì)人工補(bǔ)加工業(yè)鹽的及時(shí)性和勞動(dòng)強(qiáng)度都有較高要求。

（10）采用軟化水作為系統(tǒng)補(bǔ)水（相對(duì)于直接補(bǔ)充自來水），雖然可以適當(dāng)增加濃縮倍數(shù)，減少排污，降低水費(fèi)，但是軟水器只降低了補(bǔ)充水的硬度，并不能去除氯離子、硫酸根離子。若采用軟化水作為補(bǔ)水，隨著濃縮倍數(shù)的增加，氯離子等離子濃度相應(yīng)增加，大大增加系統(tǒng)發(fā)生“點(diǎn)腐蝕”的風(fēng)險(xiǎn)。

（11）軟水器連續(xù)供水需要一用一備，需要投資兩套18 m3/h 軟水器的費(fèi)用。

（12）綜上所述：本項(xiàng)目補(bǔ)充軟化水的方案，在經(jīng)濟(jì)效益方面是不劃算的。

3 旁流水處理方案分析

3.1 旁流水處理工藝阻垢、殺菌、緩蝕機(jī)理

微晶化學(xué)示蹤旁流水處理工藝是一種環(huán)保型循環(huán)冷卻水問題解決方案，它不針對(duì)補(bǔ)充水某一項(xiàng)或幾項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)先處理[4]。

通過旁路式安裝，在系統(tǒng)日常運(yùn)行過程中，不斷將系統(tǒng)中部分循環(huán)水引入微晶化學(xué)示蹤設(shè)備（見圖1），通過降低結(jié)垢因子（直觀自控排垢技術(shù)）防止結(jié)垢。Trussell 研究表明：當(dāng)溶液的飽和比達(dá)到一定范圍時(shí)，才有沉淀形成的跡象，因此，溶液結(jié)垢時(shí)都是呈過飽和狀態(tài)。

圖1 微晶化學(xué)示蹤旁流水處理工藝系統(tǒng)安裝圖例Fig.1 Flow chart of microcrystalline chemistry side-stream treatment

主機(jī)內(nèi)存在如下加速析出易成垢離子的過程（見圖2）：

圖2 微晶化學(xué)排垢單元Fig.2 Microcrystalline chemistry scale drainage unit

通過微晶化學(xué)產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性物質(zhì)來殺滅微生物和抑制微生物滋生，采用此工藝制備的氧化物涂層形穩(wěn)電極，提高了析氧電位，可用于生成具有極強(qiáng)殺菌滅藻能力的氧化性物質(zhì)，如1O2、·OH、O2-、O3、H2O2等（見圖3）。

圖3 氧化性物質(zhì)殺菌能力與氧化還原電位圖Fig.3 The plot of bactericidal capacity and redox potential

通過水質(zhì)平衡抑制系統(tǒng)腐蝕，設(shè)備外殼與金屬管路（壁）作為共同陰極，抑制了金屬管路（壁）的腐蝕（外加電流陰極保護(hù)：向被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)物表面施加一個(gè)外加電流，被保護(hù)結(jié)構(gòu)物成為陰極，從而使得金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生）；通過殺菌滅藻機(jī)制控制微生物腐蝕，通過排垢阻垢原理控制沉積腐蝕。通過殺滅水中微生物，抑制微生物腐蝕；通過產(chǎn)生微晶，吸附水中Ca2+和HCO3-，消除離子沉積，防止在管壁上形成電位差，以此來抑制沉積腐蝕。多年的工程實(shí)踐表明微晶化學(xué)示蹤旁流水處理工藝是一種穩(wěn)定、可靠的循環(huán)冷卻水水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)，全面解決系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的腐蝕、結(jié)垢和微生物滋生問題。

3.2 旁流水處理工藝經(jīng)濟(jì)效益分析

由于微晶化學(xué)示蹤旁流水處理工藝采用的是微晶化學(xué)技術(shù)，PLC 控制，全自動(dòng)運(yùn)行，“污染減量法”環(huán)保工藝降低了化學(xué)品使用帶來的維護(hù)成本，減少了化學(xué)藥劑的排放對(duì)環(huán)境帶來的生態(tài)污染，同時(shí)避免了維護(hù)人員投加化學(xué)藥劑時(shí)帶來的安全隱患，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)價(jià)值。

從節(jié)約緩蝕阻垢劑使用角度分析，本項(xiàng)目一套DN600 冷卻水系統(tǒng)循環(huán)量按2 000 m3/h（換熱溫差5 ℃，濃縮倍數(shù)5 倍）計(jì)算，當(dāng)采用軟化水作為系統(tǒng)補(bǔ)水時(shí)，由于軟化水屬于腐蝕性水質(zhì)，日常維護(hù)過程中為了減緩系統(tǒng)腐蝕，緩蝕劑投加濃度按照200 mg/ L 進(jìn)行，則系統(tǒng)全年24 小時(shí)運(yùn)行時(shí)，緩蝕劑全年消耗量（kg/年）≈0.001 74×2 000 m3/h×5 ℃/（5-1）×24 小時(shí) ×365 天×0.2 kg/m3=7 621.2 kg/年。日常維護(hù)所用緩蝕劑按照市場(chǎng)單價(jià)15 元/kg 計(jì)算，當(dāng)采用軟化水作為系統(tǒng)補(bǔ)水時(shí)，全年緩蝕劑投加費(fèi)用=7 621.2 kg/年×15 元/kg=11.43 萬元/年。而采用微晶化學(xué)示蹤旁流水處理工藝無需投加緩蝕劑，因此具有極強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

同時(shí)，微晶化學(xué)示蹤旁流水處理工藝設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，平均年度設(shè)備投資成本遠(yuǎn)低于軟化水設(shè)備的投資成本。相較于補(bǔ)充水軟化預(yù)處理工藝方案，微晶化學(xué)示蹤旁流水處理工藝2 年內(nèi)節(jié)省的運(yùn)行藥劑費(fèi)用和軟水器再生用鹽費(fèi)及伴隨人工費(fèi)，即可收回旁流水處理工藝設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)，經(jīng)濟(jì)價(jià)值與環(huán)保價(jià)值同樣顯著。

4 結(jié)論

通過對(duì)補(bǔ)充水軟化預(yù)處理方案和旁流水處理方案在冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)處理過程中緩蝕阻垢、殺菌效果與經(jīng)濟(jì)效益等的充分分析論證，可明確得出結(jié)論：當(dāng)敞開式冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)水為上海市市政自來水時(shí)，宜采用微晶化學(xué)示蹤環(huán)保型旁流水處理方案，而不宜采用補(bǔ)充水軟化預(yù)處理方案。