綠色環保型循環冷卻水處理技術

李明言，王艷秋，李想道，薛 冰，付 寧

（遼寧科技大學 化學工程學院，遼寧 鞍山114051）

1 化學循環冷卻水處理技術現狀及其問題

化學藥劑處理是目前循環冷卻水水質穩定處理的主要處理技術，主要配方為磷系水處理配方，所占比例為52%～58%，其次為鉬系配方、硅系配方、鎢系配方，占比分別為20%、5%～8%、5%，其他類配方占比為5%～10%。其主要分類有阻垢分散劑、緩蝕劑、預膜劑和殺菌劑等[1]。

利用藥劑之間的協同作用，可提高水質穩定的效果，并降低運營成本。目前最常用的水處理劑復合配方有：聚磷酸鹽＋鋅鹽＋羧酸聚合物、聚磷酸鹽＋有機膦酸鹽、鋅鹽＋鉬酸鹽、芳香唑類＋有機膦酸鹽＋磷酸鹽＋鉬酸鹽、有機膦酸鹽＋聚磷酸鹽＋唑類等。

傳統的化學處理方法，主要是向冷卻水中投加緩蝕阻垢劑及殺菌劑等化學藥劑，來解決結垢、腐蝕、微生物繁衍等問題[2，3]，此種方法已經成為當前循環冷卻水處理的首選處理方法。其效果明顯，但投資較大、運行費用高、管理難度大，并可造成設備腐蝕和二次污染等問題。如當前大量使用的磷系水處理劑，由于其富營養化作用，使排放水域菌藻繁殖引發“赤潮特”；聚丙烯等聚合物和共聚物則難生物降解，因此均不屬于環保型水處理劑。對其他類型水處理劑也都有一個重新評估問題，其帶來的二次污染只是目前還沒有發覺而已。

2 綠色環保型循環冷卻水處理技術

所謂綠色環保型循環冷卻水處理技術，即在達到處理循環冷卻水結垢、腐蝕和生物污垢的同時，不產生二次污染，不會對自然環境造成任何污染。其次還可以降低運營成本，節約能源，符合可持續發展和環境友好型的要求。

2.1 電處理技術

目前較為成熟循環冷卻水的電處理技術有：靜電水處理、電子水處理和電吸附水處理技術。循環冷卻水的靜電處理[4]和電子處理技術[5]在近些年取得了較大的成功。二者處理冷卻水的基本原理為：通過電化學作用使水分子發生結構變化，進而實現阻垢、除垢、殺菌、滅藻、緩蝕的作用。其具備了使用簡便、效果顯著、性能穩定、使用期長、無二次污染、低成本、無需維護等優點，其極大可能成為未來工業循環水處理的主要技術，從而取代傳統的化學藥劑法。

2.1.1 靜電處理技術

當前在電處理循環冷卻水領域較為先進的處理技術為靜電水處理技術，其又可稱為高壓靜電法，其核心裝置為靜電水處理器，在高壓電場下，由于水分子的極性，水分子將定向地按正極、負極的順序呈鏈狀整齊排列，溶解在水中的鹽類正、負離子被數個偶極水分子包圍，使之不能自由活動，從而阻止了鈣、鎂離子在金屬管壁表面沉積。水垢由于電場的作用，偶極矩變大，水合作用和水合能力都增大，從而加大了水垢溶解度[6]。靜電場可破壞水垢間的分子結合力，使硬垢疏松、脫落。同時產生一定的活性離子和分子，可以抑制和殺滅菌藻。這些活性離子和分子還可在系統中與金屬表面發生反應，形成致密的氧化膜，從而削弱腐蝕。其在對工業循環冷卻水的阻垢、緩蝕和殺菌效果顯著。

靜電水處理技術運行費用比投加化學藥劑明顯減少，無需維護，管理方便，還可避免化學藥劑對環境的污染，是一種簡便高效的綠色環保型水處理技術。

2.1.2 電子水處理技術

電子水處理技術主要通過電子水處理發生器對循環冷卻水進行處理。其基本原理是通過電子發生器產生的高頻電子場改變了水中雜質與水的結合特性或者是水在電子場的作用下產生了新的活性粒子[7]。Ca－CO3等鹽類離解Ca2＋、CO2－3在電子場作用下電離活化能下降[8]，由于電離能力的增強，生成了更多的導電離子，進而降低了結構幾率。實際上正是水在電子場的作用下，水中的雜質與周圍介質的結合性發生了改變，從而實現了阻垢和溶垢的作用[9]。

在電場作用下，氧吸收水中被激勵的電子生成O－2、OH－、H2O2等活性氧。其能破壞生物細胞的離子軌道，抑制微生物的代謝及生長[10]，從而對水中的細菌產生極強的破壞能力。同時活性氧還可通過使紅銹Fe2O3·nH2O發生轉化或在清潔的金屬器壁發生電化學反應生成Fe3O4膜，從而實現緩蝕效果。

2.1.3 電吸附水處理技術

電吸附水處理技術是近年來的一項新興技術[11]，該技術已較為成熟，具有對進水水質要求低，不消耗化學藥劑，不需預處理等優點。電吸附技術（Electro－Sorb Technology，EST）處理循環冷卻水的基本原理是通過施加外電場，使離子向帶有相反電荷的電極處移動，同時對電極進行充放電的控制，改變電極處離子濃度，并使其非同于本體的濃度，從而達到脫鹽[12]的目的。

某電子集團采用電吸附除鹽技術對循環冷卻水外排水進行除鹽處理，試驗結果表明，在原水電導率平均為2243.5μS／cm、硬度平均為1161.7mg／L、氯離子平均為396.1mg／L的情況下，產水電導率平均為716.5μS／cm、硬度平均為449.1mg／L、氯離子平均為118.3mg／L，平均去除率分別為68.1%、61%和71.2%；單位水量能耗為1.34kW.h；產水率大于75%.可達《城市污水再生利用工業用水水質》（GB／T19923～2005），電吸附除鹽技術應用于電子行業循環冷卻水除鹽處理是可行的[13]。

2.2 磁化水處理技術

循環冷卻水的磁化處理技術即在循環水處理技術的基礎上加入磁化處理裝置，經磁化處理，不僅可起到緩蝕阻垢的效果，還具有殺菌作用。

在磁場作用下，使得Ca2＋發生離子極化，導致晶體結構發生改變，生成的文石結晶結構松散，附壁能力差，易于隨水沖走；Ca2＋的水合程度在磁場作用下會減少，而其化學活性和遷移率會得到提高，此外，在磁場的作用下，晶體晶粒細小且結晶速率得到提高，從而起到了阻垢的效果。磁場的阻垢效果會受到磁場強度、溶液過飽和度、流速及溶液中各種離子含量等因素影響[17]。磁化水處理的效果還容易受水質（如總硬度、暫時硬度、pH值和其他成分）的影響，不同水質其處理效果有所不同。

循環水在經過磁化處理裝置時，水中的正負離子由于發生了相反方向的遷移而在磁場的陰陽兩極間產生電位差，形成微電子流，該電子流可氧化鐵銹，使其轉化為具有磁性的四氧化三鐵，產生鈍化作用，從而在管壁上形成一層保護膜，進而有效的阻止水和金屬設備表面的接觸，達到減少腐蝕的作用。

磁化處理循環冷卻水的殺菌作用[14]原理是由于強磁化作用可使微生物細胞中的蛋白質發生變性，使微生物的催化物質－酶失去催化作用，導致微生物死亡。

2.3 臭氧氧化水處理技術

美國學者Ogden于20世紀70年代初撰文討論了臭氧處理循環冷卻水的可行性[18]。1990年10月第51屆國際水會議上，Pryor.A做了“臭氧冷卻水處理的特點與經濟性”的報告，介紹了全美水處理公司的一些做法和經驗[19]。

臭氧可以同和水中Ca2＋發生絡合反應的物質反應，增加水與Ca2＋的絡合作用，增加水中Ca2＋濃度，降低了Ca2＋的成垢率；此外，臭氧能氧化水中的有機物反應，生成二氧化碳，使碳酸鈣轉化成碳酸氫鈣，從而實現阻垢作用[20]。

臭氧具有強氧化性，可以使金屬表面從活化腐蝕狀態轉變為鈍化狀態，形成一層由致密氧化物組成的膜覆蓋在金屬表面，使金屬的腐蝕電位由活化電位區躍變到鈍化電位區，從而實現緩蝕效果。

臭氧通過其分解后的新生氧的氧化能力來實現殺菌作用，臭氧先通過反應改變生物細胞壁和蛋白質外殼的通透性，后導致細胞融解、死亡[21]。英國Roy等人的研究表明，臭氧可破壞病毒衣殼蛋白的四條多肽鏈并使RNA受損。據Kim等人的研究結果[22]，臭氧作用可使噬菌體中的RNA被釋放，使其失去生命。

臭氧可替代化學循環冷卻水處理劑，它具有很好的緩蝕、阻垢、殺菌效果，可極大高循環冷卻水的濃縮倍數甚至實現零排污運行，實現節水節能，保護水資源的目的；除此之外，臭氧冷卻水處理不存在任何環境污染，因此，臭氧技術被稱為循環冷卻水處理的環保新星。

2.4 生物水處理技術

在循環冷卻水系統中投加一定量的生物酶水質穩定劑，通過微生物及生物酶的作用，可以起到防銹、除垢、抑制菌藻生長、降低有機物含量等作用，這是一種新型的環保的循環冷卻水處理技術，在循環水系統節能減排、可持續發展的應用中具有重大意義。

生物酶水質穩定劑的阻垢、緩蝕、殺菌機理如下：

生物酶水質穩定劑可消耗循環冷卻水系統內的溶氧，使溶氧適度減少，從而改變氧化還原電位（ORP），同時因為其不含氯鹽、氨鹽、硫酸鹽，故可避免化學品引起的腐蝕，分解有機粘泥，可避免電極電位及局部有機酸引起的腐蝕。其次由于生物降解作用，循環水水質變得干凈，加上pH值穩定，系統不需添加任何化學藥劑，故不易銹蝕，酶制劑還可使銹脫落，簡易分解式如下[24]：

生物酶制劑可消除分解循環水中的含氮物質及有機物，同時可對水體中比藻類高等的好氧微生物產生激活作用，改變水體環境與養分競爭機制[25]，中斷水中菌藻的養分供給鏈，使菌藻的滋生環境逐漸惡化，生物酶系統還能快速分解脫落菌藻，進而抑制菌藻的生長。

3 結語

隨著綠色化學和節能環保在各個領域的展開，綠色環保型循環冷卻水技術將被提到一個新的高度。盡管以上提到的技術已經得到試驗和應用，但是整體效果和很多問題有待解決，如何將綜上技術有效地結合、控制、協同發揮作用將會是未來的研究重點，也將受到更多人的關注。

開發出綠色環保型循環冷卻水技術，無論從環保領域和節能生產領域，都將成為一個倍受業內關注和研討的課題。

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