循環水系統自排污水回用工藝技術

崔小剛,肖光輝,張學峰

(1.湖北本心環保科技股份有限公司，湖北 武漢 430074;2.中國石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司，河北 石家莊 050032)

?

循環水系統自排污水回用工藝技術

崔小剛1,肖光輝2,張學峰2

(1.湖北本心環保科技股份有限公司，湖北 武漢 430074;2.中國石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司，河北 石家莊 050032)

介紹了循環水自排污水回用工藝技術的工藝流程和除濁、軟化和脫鹽等技術原理，計算出自排水的回用率和脫鹽率分別可達85 %和90 %以上，同時回用水水質優于新鮮水。進一步分析了自排污水回用后循環水腐蝕加重的原因是由于補充水變軟、引入更多的腐蝕性離子、緩蝕劑有效濃度不足等造成；并提出應用專用阻垢緩蝕劑，使自排水回用率控制在80%、脫鹽率在90%以上的解決方案。從節水、減排、節省藥劑和提高濃縮倍數等幾個方面對該技術進行了分析，濃縮倍數從2.85提高到4.88，新鮮水量降低了32.4%，外排污水量降低了94.8%，阻垢緩蝕劑耗量降低了37.5%。經濟效益為118.78×104RMB￥/a，投資回報期為3.2 a，效益非常明顯。

循環水 污水回用 濃縮倍數 腐蝕 節水減排

中國石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司化纖事業部某循環水系統于2005年10月開始應用循環水自排水回用工藝，雖然取得了一定的節水減排效果，但一直存在著循環水藥劑緩蝕組分比例失調、腐蝕嚴重超標、濃縮倍數低等問題。2010年5月與武漢某公司合作，對原自排污水處理系統進行了技術改造，并停用原阻垢緩蝕劑，改為應用其專用阻垢緩蝕劑，很好地解決了困擾數年的自排水回用帶來的循環水腐蝕問題，不僅各項水質技術指標明顯提高，而且取得了良好的節水減排效果。

1 工藝流程與技術原理

1.1 工藝流程

循環水系統自排水的軟化除硬、除濁有石灰

法、加藥沉淀法和絮凝法等。常用脫鹽方法有：蒸發、離子交換、電滲析和反滲透等。采用離子交換樹脂法導致樹脂失效快、再生頻繁、酸堿耗量大和運行費用高，同時產生大量的酸堿廢水；蒸發法脫鹽系統投資高、熱交換系統易結垢，對運行維護的要求及成本較高；反滲透法脫鹽具有脫鹽率、水回收率高的優點，對進水水質要求高，必須進行合理的預處理。投資高，一般用于對水質要求比較高的場合。利用電滲析法脫鹽，設備操作簡單，不須酸堿再生，制水成本低，依靠水中離子來傳遞電流，對進水要求不高，更適合排污水脫鹽后回用。其工藝流程見圖1。

圖1 軟化-電滲析處理組合工藝流程

循環水系統自排水(或旁濾反沖水)經排污泵在管道內與氫氧化鈉溶液混合后，從底側進入反應罐，控制反應罐污水pH值為堿性(氫氧化鈉溶液的加入量由自清洗式pH計反饋PLC自動控制)。反應后的自排水由反應罐頂部經污水槽進入沉降池，沉降約2 h后溢流至填料過濾器進行一級過濾，沉淀物從沉降池底部排放。再用硫酸調節軟化后排污水pH值中性(硫酸的加入量由自清洗式pH計反饋PLC自動控制)，進入清水槽，再進行精過濾后進入電滲析脫鹽系統，軟化-脫鹽后的再生水返回循環水系統，脫鹽濃水排放。

1.2 技術原理

循環水系統自排水經過NaOH化學降硬軟化處理后經過沉降，將Ca2+和Mg2+轉換為Na+的

(1)氫氧化鈉法軟化。用NaOH作軟水劑除去自排水中鈣鎂硬度。調節自排水pH值為堿性。

(2)除濁。循環水在濃縮過程中濁度會升高。還有些循環水系統將自排水作為旁濾系統的反洗水，反洗濾池后的排污水濁度會更高。因此，在設計循環水系統自排水回用處理工藝過程中需要考慮將這兩部分自排水進行除濁處理，見圖2。

圖2 循環水系統自排水除濁工藝流程

循環水中含有一定量的阻垢緩蝕劑，阻垢緩蝕劑中的某些成分在一定堿性條件下，會部分產生具有絮凝作用的氫氧化物。在反應器和沉降池中，由于氫氧化物的絮凝作用，自排水和反沖水中的懸浮物基本上會沉降下來，使沉降池出水濁度保持在20 NTU以下。經過過濾器后，少量的懸浮物進一步被脫除，使出水濁度降至在2 NTU以下。

(3)用濃H2SO4調pH值為中性后，進入電滲析系統脫鹽。

2 效果分析

2.1 回用水水質分析

新鮮水、循環水和回用自排水水質比較見表1。

表1 3種水水質比較

注：總硬度、總堿度和Ca2+的質量濃度均以CaCO3計，以下同。

由表1可見，循環水系統自排水經軟化-電滲析處理后：

(1)總硬度和總堿度顯著降低，自排水被軟化；電導率下降，說明自排水被脫鹽；

(2)回用自排水濁度低于循環水；

(4)處理后的自排水比新鮮水更軟、鹽分更低，如果取代部分新鮮水回用，更有利于循環水在高濃縮倍數下運行。

2.2 自排水回用率與脫鹽率

循環水系統自排水經軟化-脫鹽后的回用率為85%以上，只有不足15%的自排水以沉渣和濃水形式損失掉；該工藝對自排水的脫鹽率達90%以上，可有效降低循環水中的鹽分。

2.3 循環水水質

循環水系統自排水回用前后主要水質指標見表2。

表2 循環水系統自排水回用前后主要水質指標的比較

由表2可見，自排水的回用改善了循環水水質，電導率雖然升高，但循環水的腐蝕性進一步降低；pH值和[Ca硬度+總堿度]的降低減弱了循環水結垢的傾向，表現為監測換熱器的黏附速率下降。

3 問題與討論

3.1 自排污水回用后循環水的腐蝕加重

3.1.1 腐蝕原因分析

在2005年10月開始應用自排水回用技術以來，一直存在循環水腐蝕嚴重超標的問題，平均腐蝕速度達0.155 mm/a。該問題直到2010年5月應用武漢某公司的自排水回用專用阻垢緩蝕劑后才得以較好解決。分析循環水自排水回用后腐蝕超標的原因大致有以下幾方面。

(1)使循環水系統補充水變軟。循環水系統自排水經軟化-脫鹽后，去除了95%以上的硬度和堿度，脫除了90%以上的鹽分。軟化-脫鹽后的自排水比新鮮水更軟，因而使循環水系統的補充水變軟。補充水的軟化雖然有利于提高濃縮倍數，但大大加重了循環水的腐蝕性。

(3)循環水中緩蝕劑有效濃度不足。軟化-脫鹽系統對自排水中磷酸鹽緩蝕劑不能完全脫除，通過回用自排水，把本應排放掉的部分有機膦又重新返回了循環水系統，也使本不應該含任何水處理藥劑的補充水含了有機膦。但是在實際生產中，循環水系統阻垢緩蝕劑投加量是按照水中的總膦而計算的，所以隨著回用自排水增加，通過補水進入循環水系統的有機膦聚集越多，會導致有效阻垢緩蝕劑的投加量不足，并逐漸減少。

3.1.2 腐蝕問題解決措施

(1)應用自排水回用專用阻垢緩蝕劑。武漢某公司的自排水回用專用阻垢緩蝕劑是針對循環水系統自排水回用后引起循環水腐蝕加重的問題而專門研發的專利產品。該劑由P-W-Zn三元雜多酸無機高分子緩蝕劑、多羥基羧酸鹽有機緩蝕劑、BTA、共聚物阻垢分散劑等藥劑組成，其緩蝕組分通過軟化-除鹽系統脫除比例完全一致，有利于循環水中藥劑的重復使用和穩定控制。根據本循環水場自排水回用應用證明，使用該劑循環水的腐蝕已被有效控制。

(2)自排水回用率與脫鹽率與回用率控制。控制自排水回用率在80%以上，脫鹽率在90%以上，保持回用自排水水質穩定，從而保證循環水系統的補水性質穩定。

3.2 濃縮倍數的測定問題

(1)不能用經驗方法直接測定濃縮倍數的原因。濃縮倍數是指循環冷卻水中，由于蒸發而濃縮的物質含量與補充水中同一物質含量的比值，或指補充水量與排污水量的比值。在實際測量中，通常為循環冷卻水的電導率值與補充水的電導率之比。但循環水系統自排水回用后，循環冷卻水中已沒有一種因蒸發濃縮而與補充水保持一定比例的物質，而排污水又部分回用于循環水系統中，給濃縮倍數的測定帶來了麻煩。

循環水系統自排水經軟化-脫鹽處理后，可溶性鹽分被脫除，其電導率取決于該處理系統的運行情況，是變數，所以用循環冷卻水的電導率值與補充水的電導率之比不能表征循環水系統的濃縮倍數。所以不能只通過測定循環水和補充水的電導率方法來計算濃縮倍數。

(2)濃縮倍數的計算公式。循環水系統自排水軟化-脫鹽回用于循環水系統時，其水量、鹽分平衡見圖3。

圖3 循環水系統水量和鹽分平衡示意

由圖3可知：Q為流量，m3/h；D為對濃縮倍數起制約作用的鹽的質量濃度(無準確數據時可用總溶解固體代替)，mg/L；Si為電導率，μS/cm；mx，k為新鮮水補充水；mh為回用水補充水；B為排污，E為蒸發水；α為自排水回用率，α=Qmh/QB，%；β為自排水脫鹽率，β=(DB-Dmh)/DB=(SB-Smh)/SB，%。

自排水回用循環水系統濃縮倍數(N)，其公式：

N=(Qmx+QB)/Qmh

相同排污量QB的情況下，自排水不回用循環水循環水系統濃縮倍數N0。

N0=Qmx/QB=DB/Dmx=SB/Smx

(1)

根據循環水鹽分平衡：

QmxDmx+QmhDmh=QBDB

(2)

將Qmh= αQB、Dmh=(1-β)DB代入(1)得：

QmxDmx+αQB(1-β)DB=QBDB

(3)

(4)

由式(4)可見，自排水回用后，循環水濃縮倍數的計算變得復雜起來，不僅與補充的新鮮水、循環水和回用自排水的鹽分含量有關，而且還與經軟化-脫鹽系統處理的自排水回用率及其脫鹽率有關。

比較式(1)和(4)，N>N0。即在相同排污量的情況下，自排污水的回用，可以提高濃縮倍數。

4 經濟技術分析

循環水系統自排水回用經濟技術分析數據見表3。

由表3可見，循環水系統自排水回用工藝技術節水減排效果明顯。濃縮倍數從2.85提高到4.88，新鮮水量降低了32.4%，外排污水量降低了94.8%，阻垢緩蝕劑耗量降低了37.5%。除去自排水處理成本，經濟效益為118.78×104RMB￥/a，投資回報期為3.2 a。

表3 循環水系統自排水回用經濟技術分析

5 結 論

(1)循環水系統自排水回用工藝處理的回用水水質優于新鮮水，自排水的回用率可達85%以上，脫鹽率可達90%以上。

(2)循環水系統的自排水回用，會導致循環水腐蝕性增強。應用專用阻垢緩蝕劑，解決了自排水回用后帶來的循環水腐蝕問題，進一步提高了循環水水質。

(3)循環水系統自排水回用工藝技術節水減排效果明顯。濃縮倍數從2.85提高到4.88，新鮮水量降低了32.4%，外排污水量降低了94.8%，阻垢緩蝕劑耗量降低了37.5%。減去自排水處理成本，經濟效益為118.78 ×104RMB￥/a，投資回報期為3.2 a。

(編輯 寇岱清)

Technology of Reutilization of Self-drained Wastewater from Cooling Water System

CuiXiaogang,XiaoGuanghui,ZhangXuefeng

(1.HubeiBenxinEnvironmentalProtectionHi-techCo.,Ltd.,Wuhan430074，China; 2.SINOPECShijiazhuangRefining&ChemicalCo.,Ltd.,Shijiazhuang050032,China)

The process for reutilization of self-drained water from cooling water system is introduced and the technical principles of turbidity removal, softening and desalting are described. The calculated reutilization rate self-drained waster water can reach up to 85 % and the desalting rate is 90%, while the quality of reutilized water is better than that of fresh water. The causes of the increased corrosion of the cooling water are mainly the increasing softening of water supply, the introduction more corrosive ions and the insufficient effective concentration of corrosion inhibitor. It is recommended to use dedicated corrosion & fouling inhibitor to control the reutilization rate of self-drained water at or above 80% and the desalting rate at more than 90%. The technology is analyzed in respect of water saving, emission reduction, chemical reduction and the concentration factor improvement. The concentration factor is increased from 2.85 to 4.88, the fresh water consumption is reduced by 32.4 %, and the waste water drainage is lowered by 94.8%, and the consumption of fouling inhibitors is reduced by 37.5%. The economic benefit is 11.878 million Yuan (RMB) a year. The return of investment is 3.2 years and the economic profit is remarkable.

cooling water, wastewater reutilization, concentration multiple, corrosion, water saving and discharge reduction

2015-10-08；修改稿收到日期：2015-12-22。

崔小剛(1980-)，工程師，2003年畢業于華中科技大學化學系，現在湖北本心環保科技股份有限公司從事污水處理方面的工作。E-mail：cxgng@163.com