純化水一級濃水回收用于冷卻塔補水分析

楊冕 董建春 李卓恒 李子文 劉薔

摘 要：制藥廠房純化水系統普遍采用二級RO-EDI工藝，該工藝中一級RO膜處理會排出大量一級濃水。針對大部分企業將一級濃水直接排掉的情況，分析了一級濃水水質，提出了將一級濃水回收用于制冷空調系統冷卻塔補水的方案，并做了方案設計，提出了方案設計要點。本方法在某制藥車間進行了應用，應用效果良好，值得在制藥企業推廣應用。

關鍵詞：純化水;二級RO-EDI工藝;一級濃水;冷卻塔;軟化水

中圖分類號：TB495 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0051-02

0 引言

制藥純化水是制藥車間常用的生產設備，純化水系統運行時間長，用水量大，是制藥企業主要用水設備，據統計，純化水系統用水量大約占總制藥企業總用水量的30%-40%左右，是制藥企業主要用水設備。

自20世紀60年代以來，反滲透工藝在純化水制備中得到普遍應用，其中二級RO-EDI的純化水制備模式近幾年在制藥企業得到廣泛應用[1]。再次工藝過程中，一級RO膜反滲透會排出大量一級濃水，大約占一級原水量的30%。雖然不少設備生產企業宣稱一級濃水回收率可以達到50%甚至更高的系統回收率，但是在實際應用中，大部分濃水還是被直接排放。甚至很多純化水設備安裝說明中，明確標注一級濃水直接排放。這就導致一級濃水大量被浪費。

但是制藥企業用水消耗是巨大的，除了制水間外，另外空調系統冷卻塔也是主要用水設備。制冷空調系統是制藥企業潔凈室環境保證的核心設備。其中冷水機組是為潔凈空調機組提供冷源，用于制冷除濕。而冷卻塔是為冷水機組提供冷卻水，冷水機組冷凝器排出的熱量，需要通過冷卻塔發散到空氣中。冷卻塔散熱原理就是利用冷卻水的蒸發吸熱，才將大量的冷凝熱排放到空氣中[2]。同時，冷卻塔還不可避免存在漂水問題，蒸發吸熱和漂水，導致冷卻塔用水量較大。很多制藥企業冷機全年運行，這就導致冷卻水補水量大，實際上，據統計，制藥企業中冷卻塔補水用水量大約占到總用水量的20%-30%。

制水間不斷在排水，冷卻塔需要大量補水，那么一級濃水是否可以用于冷卻塔補水呢？本文對此進行了詳細探討。

1 一級濃水來源及水質分析

1.1 反滲透系統工藝流程

純化水反滲透工藝流程基本原理是利用RO膜的選擇性，以膜兩側靜壓差為動力，克服溶劑的滲透壓，允許溶劑通過而截留離子物質，對液體混合物進行分離的膜過程。RO膜表面微孔孔徑一般小于1nm，對絕大部分無機鹽、溶解性有機物、溶解性固體、生物和膠體都有很高的去除率[3]。常見的二級RO-EDI反滲透水處理流程如圖1所示。

以上各工藝流程中，多介質過濾器主要作用是去除原水中含有的泥沙、鐵銹、膠體物質、懸浮物等顆粒在20um以上的物質。活性炭過濾器作用首先是吸附電解質離子、進行離子交換吸附，其次還具有催化作用，去除水中的色素、異味、大量生化有機物、降低水的余氯值。

在經過多介質過濾器和活性炭過濾器后，為防止濃水端特別是RO裝置膜組件濃水側出現不同種類結晶析出，損壞膜原件，在進入反滲透膜組件之前，還需要有軟化裝置進行軟化處理。軟化處理方法有很多，軟化水樹脂置換和添加阻垢劑等都是常用的方法。軟化水樹脂置換的基本原理是使用鈉離子將水中的鈣離子和鎂離子置換出來，以降低水的硬度。阻垢劑軟化水的原理是：利用阻垢劑的分散作用，阻止成垢粒子（如鈣離子、鎂離子、碳酸鈣、碳酸鎂分子等）間的相互接觸和凝聚，從而可阻止垢的生長。

原水經過多介質過濾器后，大部分大顆粒雜志被除去，水的濁度降低，為了防止高壓泵的葉輪磨損和保證反滲透膜的安全，還會在高壓泵之前設精密過濾器，以去除細小的懸浮物和顆粒[1]。精密過濾器過濾精度可以達到5um。

經過預處理后的水進入一級RO膜系統，進行脫鹽處理。反滲透脫鹽處理過程，實際上是用足夠的壓力將預處理水中的部分溶劑（一般是水）通過反滲透膜分離出來，剩下的溶劑鹽濃度更高，稱為一級濃水。

1.2 一級濃水水質檢測

通過以上反滲透工藝流程分析，可以得到如下三個濃水水質結論：

（1）一級濃水中基本沒有大顆粒雜質。多介質、活性炭、精密過濾器多種過濾，足以將泥沙、懸浮物、大顆粒物、鐵銹等去除，水的濁度很低。（2）一級濃水中有機物和細菌等含量大大降低。活性炭過濾器可以去除大部分的生化有機物。（3）一級濃水硬度低，只是鹽度高。預處理水會經過軟化系統處理，目的是保護反滲透膜，因此這種軟化處理要求也比較嚴格。

筆者曾對某生物制藥廠一級濃水進行了詳細測試，測試結果如表1。

2 空調系統冷卻塔補水水質要求

2.1 空調冷卻循環水水質不合格的危害

制冷空調系統冷卻塔內為循環冷卻水。循環冷卻水水質如果不合格，可能造成冷機換熱管結垢，冷卻水水質不合格還可能腐蝕管道和閥門[4]，造成細菌滋生等問題。具體分析如下。

（1）結垢問題。如果冷卻水硬度較高，那么硬度很高的冷卻水運行一段時間后，會在冷水機組冷凝器換熱銅管中或水管中產生大量水垢，凝器結垢，將使冷凝器的污垢系數增大，降低換熱效率，降低冷機制冷能效，增大運行費用。（2）腐蝕問題。冷卻水系統發生的腐蝕多屬于電化學腐蝕，影響冷凝器或管道內壁腐蝕的因素有水的溶解氧、pH值、各離子含量等。冷卻水中陰陽兩極反應所生成的Fe（OH）3就是通常所生成的鐵銹，而一般肉眼看見的的鐵銹是Fe2O3·nH2O，也叫含水氧化鐵。如果冷卻水系統中的冷凝器是銅管，當水中存在有Cu2+時，即使其在水中的濃度很低，但它是陰極反應的去極化劑，因而對腐蝕有明顯的促進作用。（3）污泥和藻類問題。冷卻水中的污泥和藻類會很快附著在冷水機組冷凝器換熱管內，造成冷卻水量減少、冷機換熱系數降低，進而導致冷機冷凝壓力變高，能效下降。此外，由于冷卻水溫度合適，容易滋生大量的細菌、微生物及藻類。細菌和微生物滋生，還會隨著冷卻水漂散，通過空氣傳播，危害不可忽視。

2.2 空調循環冷卻水水質標準

按照我國國標《GB/T 29044-2012采暖空調系統水質》要求，循環冷卻水水質標準如表2、表3。

3 一級濃水回收可行性分析及實際工程應用

空調冷卻水系統的循環水處理一直是暖通專業人員經常爭論和探討的問題。目前國內實際工程現狀分為四種情況。

（1）冷卻水補充自來水，不進行處理或采取簡單地排污來控制結垢或腐蝕。這種方式顯然對冷卻塔和冷機危害最大，但是據筆者了解，這種模式反倒是國內最普遍的情況。（2）對補充的水進行軟化來控制冷卻水水質。這種模式也比較常見，但是很多項目軟化水加藥裝置長期不按規定運行，因此最終也達不到預期效果。（3）冷卻水系統增設靜電水處理器來防垢、除垢、殺菌和滅藻。這種方式在最近幾年有一些項目應用，但是應用效果普遍反應不佳。（4）在冷卻水系統中投加藥劑（阻垢、緩蝕、殺菌、滅藻）來控制結垢、腐蝕和微生物的繁殖。這種方式也有項目應用，但是推廣比例不高。（5）冷卻水過濾一般是通過Y型過濾器實現，這顯然對于去除泥沙、藻類等作用很小。

國內實際工程中，大量實際工程存在冷卻水水質嚴重不合格、管道結垢、冷機冷凝器泥沙淤積、冷卻塔填料結垢嚴重等問題，嚴重影響制冷空調運行安全以及運行能效。

通過對比表1和表2，表3，可以看到一級濃水水質和冷卻水水質相比如下結果：

（1）硬度對比：一級濃水硬度遠低于循環冷卻水要求，也大大低于循環冷卻水補水水質要求;（2）濁度對比：一級濃水濁度遠低于循環冷卻水水質要求和補水水質要求;（3）鐵離子、銅離子、菌落數：一級濃水含量遠低于循環冷卻水水質要求和補水水質要求;（4）電導率：一級濃水電導率低于循環冷卻水水質要求，但是高于補水水質要求。

通過對比可以看出，一級濃水所有指標低于循環冷卻水水質要求，大部分指標也低于補水水質要求，僅僅是電導率超過補水水質要求。但是在對制冷空調換熱性能影響方面比較大的水質檢測項目，如濁度、硬度等，一級濃水明顯好于補水水質要求。綜合起來看，結合我國實際工程情況，筆者認為用一級濃水作為冷卻塔補水，無論是在開式冷卻塔還是在閉式冷卻塔中，都是完全可以應用的。一級濃水水質較好，用來作為冷卻塔補水，幾乎是免費應用，同時還能提高冷卻塔性能。

按照這個思路，筆者在某生物制藥廠設計了一級濃水回收用于冷卻塔補水項目。該項目制水間位于三層，冷卻塔位于樓頂，冷卻塔全年運行，此前冷卻塔補水為自來水。為了減少對純化水機RO膜工作的影響，在反滲透一級濃水出口設置了一個開式水箱，再使用水泵將一級濃水輸送至樓頂的冷卻塔接水盤。從改造以后實際運行三年的情況看，該制水間一級濃水量完全滿足冷卻塔補水需求。同時，冷卻塔填料結垢明顯減少，填料清洗由改造前的一年兩次減少為一年一次，甚至兩年一次，運行人員普遍反應結垢現象大大減少。

4 結語

（1）實際項目水質檢測結果表明，一級濃水水質所有檢測項目指標均明顯優于循環冷卻水水質要求，除電導率外，其余檢測項目指標均明顯優于循環冷卻水補水水質要求。一級濃水的“濃”，并不是濁度濃，也不是硬度濃，僅是鹽度濃，而鹽度高對冷卻水系統運行影響較小。（2）通過實際工程證明，一級濃水用于冷卻塔補水，明顯降低冷卻塔和空調系統管道、換熱管結垢現象，提高換熱效率，同時并未發現弊端。實際工程證明一級濃水回收用于冷卻水補水效果明顯好于自來水，也好于一般冷卻水處理裝置，且初投資和水泵運行電耗幾乎可以忽略，具有十分顯著的工程效益。（3）從純化水機運行安全角度，建議一級濃水回收時，設置開式水箱，避免水泵造成反滲透膜工作壓力變化。

參考文獻

[1] 王紅燕，劉莉，常鶯娜.二級RO-EDI工藝在制藥純化水制備中的應用[J].廣東化工，2016（22）：75-76+78.

[2] 劉乃玲.冷卻塔的冷卻特性[J].山東建筑工程學院學報，2001（03）：40-44.

[3] 于奇武，羅婷婷.反滲透在制藥純水工藝中的應用[J].科學與技術，2014.

[4] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊第二版[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB/T 29044-2012采暖空調系統水質[S].