紡織廠循環水系統的運行問題及其解決措施

張佳麗，顏蘇芊

(西安工程大學 城市規劃與市政工程學院，陜西 西安 710006)

紡織廠通常采用敞開式循環水系統對新回風混合空氣進行熱濕處理，從而改變車間的溫濕度滿足生產工藝的要求[1]，該系統長時間運行時經常會產生污垢沉積，污垢包括水垢、淤泥、生物黏泥、腐蝕產物等，嚴重影響水系統的高效運行[2]。本文通過對紡織廠循環水系統的實地考察及連續取水樣檢測分析，結合水處理方法的研究對比，發現反滲透膜阻垢器能夠有效解決水系統在運行時遇到的問題，提高循環水的利用率，從而達到節約水資源、降低水系統能耗的目的。

1 紡織廠循環水質實測分析

1.1 循環水系統現狀

在調查中發現，由于生產工藝特點，紡織廠空氣中不可避免地夾雜飛花、短纖維、粉塵等大顆粒雜質，這些雜質落入循環水池中，與水中的成垢離子結合形成混合水垢，且循環水流速較小，水垢很容易沉積。紡織廠多采用回轉型過濾器來過濾大顆粒雜質，而對于引起結垢的離子，過濾效果甚微，長時間運行后，回轉型過濾器和均流板上菌藻滋生、結垢嚴重，送水管道、噴淋管排結垢嚴重，噴嘴被垢體堵塞，管內流動阻力增加，水量減少，水不能被充分霧化，傳熱效率降低，系統能耗增加，嚴重影響水系統的正常運行。紡織廠循環水系統滋生菌及結垢示意圖如圖1所示。

圖1 紡織廠水系統滋生菌及結垢示意圖

1.2 水垢類別分析

循環水中的水垢一般由碳酸鹽水垢(外觀為白色或灰白色，質硬而脆，附著牢固，難以剝離刮除)、磷酸鹽水垢(外觀為灰白色，質地較為疏松，水垢附著能力差，容易刮除，不受熱部分的磷酸鹽垢松軟，呈堆積狀)、硅酸鹽水垢(外觀呈白色，有雜質時為灰白或粉紅色，不能用一般的化學酸洗法除去，而要用酸堿交替清洗)、硫酸鹽水垢(質地堅硬，難以用化學清洗法除去，也不易采用常規的機械方法清除)、鎂垢(外觀為粉末狀，較容易剝離，鎂在水中的含量比鈣少，在鎂的化合物中，Mg(OH)2的溶解度最小)，在冷卻水中，鎂和鈣的化合物以及硅酸鹽等通常以混合垢的形式析出。

淤泥、生物黏泥、腐蝕產物等3種沉積物相對于水垢而言較疏松，故又稱軟垢。循環水的溫度一般為25 ℃左右，pH值為7左右，氧氣、陽光充足，且水中有大量的無機鹽和有機物，溫度、濕度適合藻類、菌類等微生物生長繁殖，如綠藻(適宜生長溫度30～35 ℃，pH值5.5～8.9)、藍綠藻(適宜生長溫度32～40 ℃，pH值6.0～8.9)、硅藻(適宜生長溫度18～36 ℃，pH值5.5～8.9)等，因此，微生物常會在溫度較高或流速慢的地方沉積，此外，結垢與細菌滋生并不是單獨存在的，如沉積的CaSO4垢為水中硫酸鹽還原菌提供營養源，進一步加深細菌的滋生，淤泥以泥沙為主，生物黏泥由微生物及其分泌物和殘骸組成，為具有滑膩感的膠狀黏泥或黏液，沉積在金屬表面的黏泥會引起嚴重的垢下腐蝕，腐蝕產物為設備腐蝕產生的金屬氧化物[3]。

通過實地采樣，利用掃描電鏡和能譜儀，分析可知紡織廠主要的垢體為碳酸鹽水垢、硅酸鹽水垢和鎂垢。

1.2.1 粉末狀水垢

粉末狀垢體多沉積在均流板和回轉型過濾器上，較容易剝離。粉末狀垢體見圖2，元素分析見表1。由表1可以看出，氧元素原子數量占比為64.25%，占樣品總質量的66.53%；碳元素原子數量占比為22.16%，占樣品總質量的13.28%；鎂元素原子數量占比為11.47%，占樣品總質量的16.67%；此外還含有少量的硅、鋁、鐵、鉀、氯、鈉等元素。由此可得，該樣品主要水垢成分為鎂垢。

圖2 粉末狀垢體

表1 粉末狀水垢元素分析 %

1.2.2 大顆粒狀垢體

大顆粒狀垢體多沉積在送水管道表面，且不易剝離。大顆粒狀垢體見圖3，元素分析見表2。由表2可知，氧元素原子數量占比為59.95%，占樣品總質量的45.92%；碳元素原子數量占比為20.39%，占樣品總質量的11.9%；鎂元素原子數量占比為12.44%，占樣品總質量的21.09%；硅元素原子數量占比為5.28%，占樣品總質量的17.34%；鈉元素原子數量占比為0.92%，占樣品總質量的0.85%；鈣元素原子數量占比為0.28%，占樣品總質量的1.2%；此外還含有少量的錳、鋁、磷、硫、鈉、鋅、銅等元素。由此可得，該樣品主要水垢成分為鎂垢和硅酸鹽水垢。

圖3 大顆粒狀垢體

表2 大顆粒狀垢體元素分析 %

1.2.3 鱗片狀垢體

鱗片狀垢體多附著在噴淋管排的表面，極難刮除。鱗片狀垢體見圖4，元素分析見表3。由表3可以看出，氧元素原子數量占比為62.02%，占樣品總質量的55.41%；碳元素原子數量占比為24.93%，占樣品總質量的16.76%；鈣元素原子數量占比為11.55%，占樣品總質量的25.81%；鎂元素原子數量占比為0.83%，占樣品總質量的1.08%；此外還含有少量的鈉元素。由此可得，該樣品主要水垢成分為碳酸鹽水垢。

圖4 鱗片狀垢體

表3 鱗片狀水垢元素分析 %

2 水質檢測

選取咸陽某紡織廠5#空調室進行測試，分別測試循環水堿度、硬度、pH值、電導率等指標，測試時間是2019年5月3日至6月27日，測試時，平均5天取1次水樣，該廠的補水為當地自來水。

2.1 堿度測定

移取100 mL過濾后的水樣于250 mL錐形瓶中，加0.1 mL酚酞指示液，觀察水樣是否呈粉紅色，若出現粉紅色，用鹽酸標準滴定溶液(cHCl=0.1 mol/L)滴定至粉色正好褪去即為終點，記錄此時所消耗鹽酸標準溶液體積，反映水樣的酚酞堿度，此時水樣中的OH-和1/2的碳酸鹽已被滴定；若無粉紅色出現，則表示水樣的酚酞堿度為零；繼續向水樣中加0.1 mL溴甲酚綠-甲基紅指示液，用鹽酸標準滴定溶液滴定至溶液由藍綠色變為暗紅色，煮沸2 min，冷卻后繼續滴定至暗紅色即為終點，此時可認為水樣中所有的OH-、CO32-、HCO3-已全部被中和。記錄所消耗的鹽酸標準溶液的總體積，用式(1)(2)計算水樣堿度[4]，堿度均以CaCO3計，堿度滴定水樣及變化規律如圖5所示。

圖5 堿度滴定水樣及變化規律

酚酞堿度AP按式(1)計算：

(1)

式中：V1為滴定至pH值為8.3時消耗鹽酸標準滴定溶液的體積，mL；c為鹽酸標準滴定溶液的濃度，mol/L；V0為試樣的體積，mL；MCaCO3為1/2碳酸鈣摩爾質量。

總堿度AT按式(2)計算：

(2)

式中：V2為滴定至pH值為4.5時消耗鹽酸標準滴定溶液的體積(包含V1)，mL；c為鹽酸標準滴定溶液的濃度，mol/L；V0為試樣的體積，mL；MCaCO3為 1/2碳酸鈣摩爾質量。

對于敞開式循環水系統，根據GB/T 29044—2012 《采暖空調系統水質》指標補水的總堿度應≤150 mg/L，循環水總堿度應≤300 mg/L，水的堿度主要是由重碳酸鹽、碳酸鹽和氫氧化物引起的。由圖5可知，補水的堿度滿足要求，隨著循環時間的增加，循環水的堿度呈增加趨勢，循環15天后，堿度增長迅速且超過了指標的要求，此時水中的CO32-、HCO3-濃度很大，結垢的可能性也會增大。

2.2 硬度測定

用移液管移取50 mL過濾后的水樣于250 mL錐形瓶中，用氫氧化鉀溶液調節pH值為12～13時，加約0.2 g鈣羧酸指示劑，用乙二胺四乙酸EDTA標準滴定水樣中的鈣離子硬度；用移液管移取50 mL過濾后的水樣于250 mL錐形瓶中，用氫氧化鉀溶液調節至pH值為10，再加5 mL氨-氯化銨緩沖溶液和3滴鉻黑T指示劑，用EDTA標準滴定水樣中的鈣、鎂離子硬度總合，由該硬度總合減去鈣離子硬度即為鎂離子硬度[5]。

二者滴定過程中，均平行滴定3次，溶液顏色由紫紅色變為亮藍色時即為終點，硬度滴定水樣及變化規律如圖6所示。測定過程中消耗EDTA標準溶液的體積V，用式(3)(4)(5)計算硬度。

圖6 硬度滴定水樣及變化規律

鈣離子硬度H1按式(3)計算：

(3)

式中：V1為滴定鈣離子時，消耗EDTA標準滴定溶液的體積，mL；c為EDTA標準滴定溶液濃度，mol/L；M1為鈣的摩爾質量，M1=40.08 g/mol；V為所取水樣的體積，mL。

鎂離子硬度H2按式(4)計算：

(4)

式中：V2為滴定鈣、鎂離子達到硬度總合時，消耗EDTA標準滴定溶液的體積，mL；M2為鎂的摩爾質量，M2=24.31 g/mol。

總硬度折合為CaCO3含量以確定水樣的總硬度，按式(5)計算：

(5)

式中M3為碳酸鈣的摩爾質量，M3=100 g/mol。

據GB/T 29044—2012要求，補充水的總硬度≤200 mg/L，循環水的總硬度≤400 mg/L。由圖6可知，補充水的總硬度略高于200 mg/L，循環水的總硬度在循環8天以后也超過了400 mg/L，主要是因為當地的自來水硬度較高，在長時間循環運行后，水的堿度也在增大，在此情況下，水中的Ca2+、Mg2+與CO32-、OH-等離子結合的機會增大，增加了結垢的可能性，因此在處理循環水之前，應該對補水進行處理。

2.3 水樣pH值測定

使用SX-620 pH計(上海三信儀表廠)對水樣進行測定，結果如圖7所示。

圖7 水樣pH值隨時間變化

據GB/T 29044—2012要求，補充水的pH值范圍為6.5～8.5，循環水的pH值范圍為7.0～9.5，由圖7可知，補水的pH值在7左右，滿足要求，循環水在20天后pH值達到了9，且呈繼續增加趨勢，而循環水的溫度在25 ℃左右，此溫度和pH值適宜綠藻等微生物的生長。pH值表示水中氫離子濃度的負對數值，pH值越大，溶液堿性越強，在一定溫度(25 ℃)下，水中的碳酸平衡反應向式(6)右進行，即水中HCO3-、CO32-濃度增大，會增大結垢的可能性。

(6)

2.4 水樣電導率測定

使用SD150E 電導率儀(上海熙浩實業有限公司)對水樣進行測定，結果如圖8所示。

圖8 水樣電導率隨時間變化

據GB/T 29044—2012要求，補充水的電導率≤0.4 mS/cm，循環水的電導率≤0.8 mS/cm，由圖8可得，補水的電導率符合要求，而循環水在25天后電導率增加到1 mS/cm以上，且呈繼續增加的趨勢，已經遠遠超過標準值，水中離子的導電能力高，說明水中含鹽量高，因此需要對循環水進行處理。

3 反滲透水處理技術

大量實踐證明，反滲透膜對離子的截留率在97%以上[6-8]。反滲透膜的工作原理是：在外加壓力超過溶液的滲透壓時，溶劑會逆自然滲透方向作反向滲透，利用反滲透膜的選擇透過性，在膜的低壓側得到透過的溶劑，高壓側得到濃縮的溶液，即將水溶液中的鹽離子阻隔在反滲透膜的一側，而允許水分子進入另一側[9-10]。在此基礎上，設計一種新型的反滲透膜阻垢器[11]，如圖9所示。

1—水泵；2—反滲透膜；3—壓差傳感器；4—閥門d；5—閥門a；6—閥門b；7—閥門c； 8—排水閥門；9—清洗水箱；10—溫控器；11—pH值檢測儀；12—開口。圖9 反滲透膜阻垢器

該反滲透膜阻垢器的工作流程為：開啟水泵“1”，閥門a“5”、閥門b“6”開啟，閥門d“4”、閥門c“7”關閉，自來水經過反滲透膜阻垢器被水泵“1”加壓后從反滲透膜“2”外側通道進入內側通道，鈣鎂等結垢離子被阻擋在膜的外側，當反滲透膜阻垢器正常運行時，壓差傳感器正常監測；當鈣、鎂等結垢離子沉積量增大，檢測到壓力值異常時，壓差傳感器發出警告，此時，關閉閥門a“5”、閥門b“6”，閥門d“4”、閥門c“7”開啟，水泵低壓運行，清洗裝置開始運行，清洗液在整個管道中流動清洗，清洗箱中的清洗液與滲透膜外側的結垢離子發生化學反應，當原水被清洗液置換完畢后，清洗液循環回清洗水箱“9”，若回流液已明顯變色或變濁，開啟排水閥門“8”，將渾濁清洗液排出清洗水箱，如此循環多次后，整個管道內雜質被清洗干凈，再從開口加入純凈水，在整個裝置內循環多次即可將反滲透膜阻垢器清洗干凈；此時，即可再次關閉閥門d“4”、閥門c“7”，開啟閥門a“5”、閥門b“6”，過濾水中雜質。其中溫控器“10”監測清洗液的溫度，并與加熱裝置聯動，保證清洗液溫度適宜，pH值檢測儀“11”在酸洗和堿洗交替進行時，檢測并調試清洗液的pH值，以保證清洗液可以高效率地進行清洗。

該阻垢器在系統中占地面積小，安裝簡便，可以從本質上解決水質問題，且有獨立的清洗裝置，在清洗過程中，將廢水收集，集中處理，不影響循環水系統的水質，在運行中也不會產生二次污染，其中清洗液可以采用質量分數為0.1%的NaOH溶液、1.0%的乙二胺四乙酸四鈉溶液、0.2%的HCl溶液、1.0%的Na2S2O4溶液、0.5%的H3PO4溶液、1.0%的NH2SO3H溶液、2.0%的檸檬酸，清洗時，清洗液從清洗水箱“9”上端的開口“12”按順序依次加入，清除不同種類的雜質。

4 結 論

經連續取樣檢測發現，紡織廠的循環水總堿度、總硬度、電導率分別在循環15、8、25天之后超過了循環水質指標的要求，屬于高堿度、高硬度水質，需要進行處理再循環使用；此外，補水的水質對循環水的硬度有很大的影響，補水本身攜帶的成垢離子濃度高，很大程度上降低了循環水的濃縮倍數，增大了水系統對水量的需求；該紡織廠水垢類型為鎂垢、硅酸鹽垢和碳酸鹽垢，還含有少量的雜質纖維，因此采用反滲透膜阻垢裝置，將補水中結垢離子去除后再補入循環水池中，配合紡織廠現有的回轉型過濾器，在提高循環水的濃縮倍數的同時，既可除去水中纖維、塵埃等大顆粒雜質，又可有效過濾循環水中的Ca2+、Mg2+等引起結垢的離子，減少細菌等微生物的營養源，從而解決由于結垢問題而產生的流體流動阻力增加、噴嘴霧化程度低及細菌滋生等問題，可降低企業循環水系統的運行管理費用，節約水資源。