工业循环冷却水旁流软化

工业循环冷却水旁流软化-净化处理工艺设第 33 卷第 4 期 2007年4月 水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVOl-33No.4Apr.,20078l 工业循环冷却水旁流软化一净化处理工艺设计 高华生(宁波大学环境工程系,浙江宁波 315211)摘要:针对大型工业循环冷却水系统 ,提出完整的三级旁流处理工艺 ,以满足各种 用户对水处理的不同要求.主要包括:纤维过滤(I),弱酸树脂软化(II)和反渗透工艺(III)等三个单元，可以构成1,1+ II或I+II+III套餐式的组合工艺.以 SZNS 热电股份有限公司为例,介绍新型三级旁流处理工艺方案研究成果, 并对该工艺的流程,设备,特点 和经济效益进行了分析.关调1工业循环冷却水;旁流处JE;软fE;零排放;热电厂中圈分类号:TQ085文献标识码:B文章编号:1000.3770(2007)04.081-05 大型敞开式循环冷却水系统旁流处理的重点是节约用水,主要思路是采用适当旁流处理工艺将循 环冷却水系统中不断增加的,限制水处理效果的有 害成分除去,并将排污水再生处理后作为补充水,回 用到循环冷却水系统中.这样,可以进一步提高工业 水的重复利用率,减少废水的排放量,基本实现系统 的零排放,对工业企业具有节水,节能及降低生产成本等作用.l 三级旁流处理组合工艺1.1 工艺流程根据对含膦酸盐循环冷却水石灰.纯碱软化和 弱酸树脂软化过程的试验研究,结合对现有旁流处 田1 三级旁漉处理工艺漉程田Fig.1Technologicalprocessdiagramfor3-stagesidestreamtreatment 理组合工艺的比较分析,针对大型工业循环冷却水 系统,提出一种工艺流程简单,污水排放量少,设备 投入及运行成本低的,可同时净化和软化水质,并保 留大部分水处理剂的工业循环冷却水的新型旁流净 化.软化工艺,其工艺流程如图 1所示.第一级:循环冷却水经泵前加入纯碱0500mg/L和混凝剂015mg/L后，在管道中混合均匀,进入一体化高效纤维过滤器中.在纤维滤床上 方的反应区内发生软化反应和微絮凝反应，生成CaCO和Mg（OH）:颗粒沉淀,可与水中的悬浮物和正磷酸盐一起，被纤维滤料截留，除去.由于水中存 在膦酸盐,上述反应受到抑制,部分沉淀也会稳定在 水中,难以去除.第二级:采用弱酸丙烯酸阳离子交换树脂,进一步降低水中硬度和碱度至50mg/L左右，出水pH值为 36,基本可以满足补充水的水质要求.由于 弱酸树脂不能与中性盐所分解的离子（即强酸阴离子如SO4,C1,NO3 等）起反应，只能与弱酸盐类（即碱度）起反应.因此,处理过程中水中增加的盐含量较小，水质明显改善,出水的pH值偏酸性，有 利于冷却水系统的水质稳定,减少了冷却水的结垢倾向.第三级:若系统对补充水中SiO,C1 一和SO?等有害成份有严格要求,则需进行反渗透或纳滤处理, 收稿日期:2006.10.30基金项目:宁波市青年(博士)基金重点资助项目(02J20101.05)作者简介:高华生(1965.),男,博士,高级工程师,研究方向为工业水处理及水污染控 制工程联系电话:139582288781Email:gaohuasheng.82水处理技术第33卷第4期 进一步软化和净化水质.视冷却水系统的水质要求, 反渗透出水除单独供作冷却塔补充水或锅炉给水 外,也可分作两路,浓缩水含水处理剂返回到冷却 塔,而只将软化水用作锅炉补充水.1 .2工艺条件 该方法用于电厂冷却水零排放处理尤其适 合,可以利用其现有的循环冷却水泵和盐酸/硫酸 的贮存设备和计量设备,所述的两台主要设备可安 装在化学水车间的厂房内,以便于管理和维护.对某 些化学水能力富余的工厂,可以利用闲置的活性碳 过滤器和离子交换塔进行技术改造,用作零排放 处理装置.循环冷却水中含有阻垢剂,杀菌灭藻时加的氯 和水中可能含有的油,铁等成份,可能对离子交换树 脂的性能有影响.1.2.1 进水水质要求 冷却水中有机物,余氯,浊度,铁离子和油等对 树脂和反渗透膜危害极大,按照工业用水软化除盐设计规范(GB/T50109.2006)的要求.由于弱酸 树脂在前,反渗透在后,弱酸树脂交换柱出水,经精 密过滤器过滤后,一般不存在膜污染问题.因此,以下讨论以针对弱酸树脂为主.化学混凝.纤维过滤+弱酸树脂软化的(I+II)二级处理工艺比较适合高硬度，高碱度,低氯离 子的结垢型循环冷却水,对于碱度不足的高硬度循环 冷却水系统,可以增加纯碱的投加量,适当补充碱度.1.2.2 弱酸树脂交换器 可以采用双流式弱酸树脂交换器,即原水从顶 部和底部同时进入交换器,软化水从交换器的中间 排出,这种双流式交换器可以有效减少设备的占地 面积,制造成本和再生费用,同时具有系统简单,操 作方便的特点.还可利用双种树脂密度和粒度不同, 再生时能自动分层的特点,采用弱酸树脂和强酸树 脂的双层床交换器,这样,可在一个交换器中同时降 低冷却水的碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度.1.2.3 旁流水量的确定 工业循环冷却水系统旁流过滤的水量与补充水 的悬浮物浓度,冷却水的控制浓度,过滤器的去除效 果和大气含尘量等有关,一般取系统循环水量的 1%5%.国外早期资料认为,旁流软化水量应为系 统循环水量的3%5%.与水中的悬浮物相比，钙镁 离子只能通过补充水一个渠道进入冷却水系统,如 果旁流软化效率与旁流过滤的效率相等,从理论上 分析,旁流软化水量应小于旁流过滤水量.1.2.4 水处理稳定剂的影响与其它软化方法相比，采用(I+II)二级旁流处理工艺对冷却水中有机膦酸盐水质稳定剂的去除率 较低,可以保留 50%以上的有效成分,从而可有效 节省水处理药剂费用;如果采用(I+II+III)三级处理 工艺,则这部份水质稳定剂可以改善反渗透膜的运 行状态,减少结垢成份在膜上的沉积.2 工艺方案实例分析 以南方某城市 SZNS 热电股份有限公司所做的 三级处理零排放工艺方案研究为例.2:1 现状分析2.1.1 基本情况SZNS 热电公司冷却水系统现有循环量q=3oooom3/h(两个系统),拟扩建达到40000 m3/l1,系统总容积从5000ms增加到7000ms;补充水 用量约为8000m3/d,其中蒸发水量E为7000m3/d, 估计风吹,漂滴损失为 30m3/l1.循环冷却水中添加阻垢剂和杀生剂等进行化学 处理后，按浓缩倍数N=6计算排污水量B为840 m3/d.为节约水资源，该公司拟对循环冷却水排污水 进行进一步处理,要求出水水质接近当地自来水的 水质,以替代新鲜水返回系统,减少补充水水量.2.1.2 水质水量平衡现状 当地自来水和该系统冷却水的主要水质指标如 表 1 所示 .裹 1 补充水和循环冷却水水质Table1Makeupwateramdcycliccoolingwaterquality由原水水质可见，该循环冷却水硬度(300 metE),碱度(150mg/L )高,pH(8.5 8.9)微偏碱 性.从朗格利尔指数(LSI=pH.pHs>0)可以判断循 环冷却水具有结垢倾向.此外,在敞开式循环水系统 中 , 水与空气的传质过程将空气中尘埃等杂质洗涤 进入系统,容易造成设备及管道的腐蚀及微生物滋 生等现象,使水中悬浮固体浓度增加浊度升高,是产 生泥垢的主要原因.高华生,工业循环冷却水旁流软化一净化处理工艺设计 83 图2 为采用旁流处理前的冷却水系统的水质水 量平衡情况.朋2处理前的系统水水质平衡朋Fig,2EquilibriumdiagramforthesystemSwaterquality andwaterquantity2.1.3 方案选择 原则上应采用旁流处理的方法,将排污水量的 冷却水中构成硬度的钙镁离子,构成浊度的悬浮物 及氯离子等有害成份除去后返回系统,同时起到改 善水质,减少或消除强制排污的作用.经对多种排污 水回用处理方案进行比较,在设备的选择上,应充分 考虑现有闲置设备的利用.根据表1 中所列的冷却水质,配制了总硬度约为300mg/L（其中碳酸盐硬度为150mg/L）,总碱 度为150mg/L，水中有机膦酸盐浓度为15merlE左 右的试验水,选择了化学混凝.纤维过滤,弱酸离子 交换二级处理试验,达到良好的处理效果.同时考虑 在零排放条件下氯离子的浓度将高于现有的150merlE，超出系统中不锈钢设备的水质要求，必须由具有氯离子去除功能的反渗透装置进行三级处理. 三级旁流处理工艺综合考虑了处理成本和操作 维护等多方面因素，处理后的水质可以达到表l所 列补充水的水质要求.经过旁流处理后，循环冷却水 的水质应达到表2所列的水质要求.裹2循环冷却水的水质标准Table2Waterqualitystandardsofcycliccoolingwater系统扩建后的排污水量以B=1000m3/d（相当于50m）计,考虑现有闲置阳离子交换器的利用，以及旁流处理装置间歇运行的特点,仍按 100m 的 处理能力进行方案设计.这样,旁流处理单元可根据 实际需要每天运行 1O-20h 即可满足循环冷却水系 统零排放对水质的要求. 旁流处理系统为间歇式操作,运行周期为 24h, 其中，过滤.软化10-20h，反冲.再生24h.3 工艺说明3.1 工艺流程 采用所示的三级旁流处理流程，按每天运行 lOh 计，处理后的水质水量平衡如图 3 所示.朋3采用三级处理后的水质水平衡Fig.3Equilibriumdiagramforwaterqualityandwater quanityaftertreatmentby3-stage3.2 水量水质平衡 化学混凝.纤维过滤及弱酸树脂软化的第一和 第二级处理工艺，前已详细叙述.反渗透装置作为第三级处理，是化学混凝过滤 和离子交换二级处理工艺的补充和完善.由于旁流 水已经过化学混凝，纤维过滤，活性碳吸附和弱酸树 脂软化等工艺单元，旁流处理系统的反渗透装置有 较高的回收率.用 HydranauticsRODesignSoftware v.7.00对假定含SiO浓度为50merlE的弱酸树脂柱 出水进行反渗透膜设计计算，结果表明采用 CP3 低 压反渗透膜对SiO:具有较咼的脱除率，脱除率可咼 达 92%以上，比用纳滤膜的 75%左右高的多.针对 SZNS热电这一项目,CPA3膜主要用于脱除水中的 c1 一离子，使旁流单元出水达到更咼的水质标准，以 满足不锈钢设备对水质的要求.按进水流量 1O8.7水处理技术第33 卷第 4期m3/h计，反渗透装置的出水流量为100m3/h，浓缩水 流量为8.7m3/h，出水水质SiO2为0.5mg/L,pH为7. 经过上述三级处理，冷却水系统中钙硬度仍按 300mg/L进行控制,而实际浓缩倍数可达9.4以上， 排污水总量约为100m3/d，非常接近真正意义上的 零排放.反渗透装置的浓缩水可以作为纤维过滤器的反冲洗水，呈碱性 pH(9-9.5)，占总处理水量(以1100ma/d计)的10%;交换器再生废液为酸性pH(2-3)，约占总处理水量的 3%左右.这两部份废 水可相互中和，污泥经沉淀浓缩后进行脱水处理，上 清液去污水处理厂.3.3 运行成本分析3.3.1化学混I1E过滤运行成本主要包括进水泵，反冲泵和罗茨风机 所消耗的电能，药剂成本构成主要部分，包括纯碱和 混凝剂(CPAM)的消耗如表3所列.忽略动力消 耗,第一级处理成本约为0.15元/m3.裹 3-常用药剂消耗Table3Consumptionofcommonchemicals注:按旁流处理系统出水量折算;F1. 3.3.2弱酸树脂再生采用1%的稀硫酸作为再生剂，与盐酸再生相比，可降低运行费用，并减少再生时带入水系统的氯 离子含量.忽略反冲洗水的费用，仅硫酸消耗一项费 用为220g/m3(以98%H2504计;按理论比耗的1.1 倍计算);按 500元/111，计，再生所用硫酸费用为 012 元/m.考虑到活性碳和弱酸树脂的性能降低,三年全部更换一次，约增加成本0.10元/m，旁流水. 忽略动力消耗,第二级处理成本小计约为 0.22 兀/m.3.3.3 反渗透工艺采用低压反渗透膜CPA3运行费用非常低，每处理1111，水的电耗仅为0.42kWh，略高于纳滤膜，以 电价0.6元/kWh计，单位动力成本仅为0.25元/111，. 反渗透膜每 5 年更换一次，微滤滤芯每 3 月更 换一次，增大了反渗透装置的运行成本，分别为0.37 和 0.03 元/m3.忽略药剂消耗，设备折旧，人工和反冲水消耗等费用,第三级处理的成本为0.65元/m，.3.3.4合计考虑到设备投资的折旧（按20年计），折合0.28元/m,冷却水三级旁流处理的总成本1.30元 /m,:在减少补充水量,排污水量和节省水处理剂的 收入折合2.36元/m3中相抵，处理旁流水的单位收 益为1.06元/m,（按旁流水量计）.3.4 效益分析3.4.1 综合经济效益估算 采用三级旁流处理的综合经济效益见表 4. 从表4中可见，旁流处理可显着降低新鲜水用 量，减少排污水量，节省水费和排污费支出;由于该 工艺可保留旁流水中 50%以上的膦酸盐水处理剂， 因而可以显着降低投加水稳剂的费用.运行成本的构成包括纤维过滤器前投加的纯碱 裹4三级旁流处理产生的综合经济效益分析 Table4Analysisofcomprehensiveeconomicbenefitfrom3-stageside-streamTreatment 高华生,工业循环冷却水旁流软化一净化处理工艺设计 85 和混凝剂等药剂消耗,弱酸树脂再生所用的盐酸或 硫酸消耗（如采用 1%的稀硫酸作为再生剂,与盐酸 再生相比,可降低约 2/3 的运行费用,并减少再生时 带入水系统的氯离子含量）,以及反渗透装置的动 力消耗等.树脂,活性碳,反渗透膜和精滤滤芯等易 损材料的消耗也是重要的构成部份. 人工成本未计,旁流处理系统的操作维护可由 其他岗位人员代管;由于采用循环水泵出口进水,不 需另设原水泵,而过滤器反冲和树脂再生,正洗所需 动力消耗极少,因此在运行成本中未考虑前二级处 理的动力消耗.该工艺方案投资估算为 200 万元,实施后综合 经济效益每年近40 万元,全部投资可在 5 年内收 回.考虑到反渗透装置投资 120 万元,占全部投资的 60%;而三级处理的成本也上总成本的 50%,可以考 虑先利用现有闲置设备实施前二级处理,待有条件 时再增加反渗透装置,实现冷却水的三级旁流处理.3.4.2 预期水质稳定效果处理前冷却水在高浓缩倍数N=6下运行，钙硬 度达到30Omg/L,冷却水具有较强的结垢倾向.采 用旁流处理后，特别是采用三级处理后，虽然系统的 浓缩倍数达到 9 以上,但水质硬度,碱度和浊度都将 趋于减小,水质的结垢倾向显着降低.采用二级处理是无法去除系统中的氯离子和硫 酸根离子的,采用三级处理后这些腐蚀性离子浓度 将逐渐降低,有利于不锈钢设备的保护,延长设备的 使用寿命,为进一步提高换热效率和生产装置的 安稳长满优运行,提供了有力的保证.4 结语 提出的化学混凝纤维过滤一弱酸树脂软化一 反渗透三个基本单元构成的新型三级旁流处理工 艺,具有流程简单,功能齐全,设备紧凑,经济合理, 操作灵活,便于实施等特点,适用于大型工业循环冷 却水系统,以实现系统的零排放运行. 实例分析结果表明,采用三级旁流软化一净化 处理工艺,可以显着减少补充水,排污水和水处理剂 等费用支出,在实现系统的零排放运行的同时, 能改善水质处理效果,具有良好的经济效益.ADBSaNsIcl 珏 mOSl】=舳 EAMsI=Il 叮 EN】OANDU】同 CIIoN 肌眦 API)1 腿 PI.ANTCOaUNOWAT雹 R 圊GA0Huasheng (DepartmentofEnvironmentalEngineering,NigboUniveity,Nigbo315211,China)Ah 岫 at:Acompletethreestageside streamtreatmentwasputforwardforlarge scaleindustrialcycliccoolingwatersystemtomeetrequirementsfor differentwatertreatmentforvariouscustomers.Itmainlyincludesfiberfilter(I),weakacidres insoftening(II)andreverseosmosis(RO)processete.threeunits,andcanconstitumset 一 mealtypecompositetechnologicalprocessofI+ II ,orl+ II +In.TakingSZNSThermalPowerCo.,ltdasexample, thepaperintroducestheresearchfruitofnewthreestagesidestreamtreatmentprocessscheme,andananalysiswasdoneforitstechnologicalprocess equipment,characteristicsandeconomicbenefits.:coolingwater;sidestreamtreatment;softening;zerodischarge;thermalpowerplant