電凝聚技術在循環冷卻水系統改造中的應用

陶貴立，孫輝，陳奇，李紅，王坤鵬，褚運偉，張沖

電凝聚技術在循環冷卻水系統改造中的應用

陶貴立1，孫輝1，陳奇1，李紅1，王坤鵬1，褚運偉1，張沖2

（1. 鞍鋼貝克吉利尼水處理有限公司，遼寧 鞍山 114000； 2.鞍鋼集團眾元產業發展有限公司，遼寧 鞍山 114000）

介紹了電凝聚技術的發展和應用，在連鑄循環冷卻水系統中進行了改造并進行試驗分析。對比改造前后系統的運行效果，指出電凝聚技術是一種高效率、性價比高、無二次污染的新型水處理技術，尤其是對含氯量較高、微生物大量滋生的循環冷卻水系統具有較好的應用前景。

電化學；電解；凝聚；殺菌；循環冷卻水

敞開式循環冷卻水系統中微生物的生長是要解決的重要問題之一。微生物具有體積小、繁殖快、生長旺盛、變異易、適應性強、種類多、會產生耐藥性等特點[1]。并不是所有的微生物都會引起冷卻水系統故障，但在工業冷卻水系統運行時，常常會遇到微生物造成系統運行故障的情況，特別是有些微生物還會與水中混有的泥沙、無機物和塵土混合，產生微生物黏泥，進一步降低換熱器和冷卻塔的冷卻作用，嚴重時還會引起系統金屬構筑物的腐蝕或對下游用水單元造成不良的影響。因此對冷卻水中的微生物加以控制是十分必要的。

1 常用殺菌方法對比

常用的冷卻水系統中微生物控制的方法主要有物理殺菌法，主要是利用物理技術進行殺菌，如紫外線照射、超聲破碎、電磁輻射、微波等。化學殺菌法，主要是向水中投加無機或有機的殺菌劑，例如氧化性殺菌劑臭氧、H2O2、氯系殺菌劑、溴化物、季銨鹽等，以及非氧化性殺菌劑戊二醛、異噻唑啉酮等[2]。生化法，主要是向水體中投加噬菌體。這些方法都是通過控制冷卻水系統中微生物的生長，從而控制冷卻水系統中的微生物和黏泥。

但傳統的微生物控制方法都有各自的優缺點，物理方法雖然不會對環境造成二次污染，但其殺菌效果較差，操作復雜，對人員的技術水平要求較 高[3]?；瘜W殺菌法殺菌成本低、效果好，但需要向系統中投入大量化學藥劑，會造成水體二次污染，并且大量的化學藥劑在生產、存儲、運輸和使用過程中都存在一定的安全隱患，這在國家大力治理化學工業園區和危險品運輸的背景下，會對使用客戶造成操作上的困難。生化法雖然效果好且不會產生二次污染，但價格昂貴，一般不適用于工業系統使用。因此尋找到一種高效率、性價比高且無二次污染的環保型殺菌技術十分必要。

電化學殺菌法就是在這種背景下產生的，它的基本原理就是在循環水系統中加裝電化學反應裝置，利用電場的物理作用和電解產生的化學作用進行殺菌[4]。前者是利用電場擊穿微生物細胞造成微生物細胞質外流，或通過電極作用于微生物的遺傳物質，干擾微生物新陳代謝和分裂，從而控制微生物的繁殖和生長。后者是通過電解循環水產物，如臭氧、含氯化合物、H2O2以及羥基自由基等對微生物進行殺菌的。

目前，國內應用于水處理行業的電化學法主要有電解法、電氣浮法、電凝聚法和電滲析法等。電化學殺菌技術作為一種工藝簡單、基建投資少、處理效果好的殺菌工藝，已經廣泛應用于食品、電鍍、石化等領域的循環水殺菌處理中，處理效果顯著[5]。

2 電化學水處理方法介紹

2.1 電解法

電解法主要應用原電池的原理，一般陽極采用單質鐵，陰極采用導電的惰性物質，例如顆粒炭、煤渣等，再以水體中的電解質為電解液，通過構成原電池系統來進行水質處理。

陽極反應：Fe→Fe2++2e-；

陰極反應（酸性）：2H++2e-→H2↑ ；

陰極反應（堿性）：O2+2H2O+4e-→4OH-；

總反應式：Fe2++2H2O+4e-→2H++Fe(OH)2；

電解質中H++Fe（OH）2+1/2O2→Fe(OH)3↓。

處理時，由于鐵具有較強的還原性，通過氧化水體中的氧化性成分，從而進行水體凈化。與此同時該方法還能夠通過反應生成羥基自由基、臭氧、活性氯和二氧化氯等，利用其強氧化性進一步凈化水體[6]。

這種方法雖然不產生額外的能源消耗，但反應速度慢、去除率低、不耐沖擊，因而應用較少。

2.2 電凝聚法

與電解法相似，電凝聚法主要采用可溶解性金屬做為陽極，例如鐵、鋁等，利用電解后陽極產生的氫氧化鐵或氫氧化鋁做為混凝劑，破壞膠體雙電層的電位，使其脫穩，再輔以沉淀過程中沉淀物通過形成長鏈結構的吸附架橋功能，卷掃路徑上的其他膠體或雜質，從而進一步對水體進行凈化[7]。

與此同時，電池陽極伴隨著析氧副反應的發生，循環水中的氯離子還會被電解成次氯酸根或氯氣，帶走了水體中的氯離子，降低系統的腐蝕隱患。反應生成的次氯酸根還會對水體中的微生物起到滅活的作用，從而進一步鞏固了水體的質量。

這種方法相比直接投加化學混凝劑或絮凝劑的方法具有成本低、水體pH使用度廣等優點，能夠有效去除水體中的氯離子，并且不受環境和水溫的影響，因此應用較為廣泛。

2.3 電滲析法

電滲析法是一種電化學和膜分離相結合的一種方法，模塊在直流電場作用下，以電位差為推動力，利用陰陽離子交換膜對水體中陰、陽離子的選擇透過性，把電解質從水溶液中分離出去[8]。

這種方法去除率很高，但成本昂貴，且由于采用精密度較高的選擇透過性膜，因而對于水質要求較高，一般應用于水體的軟化處理[9]。

3 系統改造與應用

鞍山某大型鋼鐵企業連鑄循環水系統，由于循環水量較小，設計缺陷造成系統運行時水質含氯量很高，主要是由于無法改變排水原因造成系統濃縮倍數激增，系統微生物大量滋生、腐蝕嚴重，對換熱器及金屬構筑件進行檢修后，發現管道管壁上附著大量軟泥性沉積物，沉積物下已經形成了一定的腐蝕。由于來水水質和排水情況無法改變，尋找到一種可以去除水中氯離子、降低磷含量，并且消除微生物大量繁殖的方法迫在眉睫。

經過多種方法的論證和探討后，決定采用電凝聚法對系統進行改造，現將系統改造前后的對比試驗總結如下。

3.1 空壓機冷卻水系統介紹

該鋼鐵廠連鑄車間空壓機車間有4臺空壓機，用于制造壓力不低于0.6 MPa的壓縮空氣，由于空壓機在工作過程中會釋放出大量熱能，因此空壓機配有輔助的冷卻水系統，用于冷卻空壓機氣缸，該冷卻系統稱之為空壓機循環冷卻水系統[10]。

3.2 系統流程圖

系統原有工藝流程圖如圖1所示。

圖1 空壓機冷卻水系統原有流程圖

3.3 空壓機冷卻水系統改造前水質

空壓機冷卻水系統改造前水質情況見表1。

表1 空壓機冷卻水系統改造前水質均值表

3.4 改造方法

在冷卻塔上塔前增加電凝聚反應器，在冷卻塔集水井處增設旁濾，流量設置為循環量的5%~8%。

3.5 改造系統運行狀況

通過改造，并對循環水水質進行監測，調節點凝聚反應器的運行頻率以及增加旁濾管理后，系統水質逐步好轉。

3.6 改造后水質記錄

改造后水質情況見表2。

表2 空壓機冷卻水系統改造后水質均值表

4 結果與討論

通過系統改造，原有的設計缺陷得以彌補，循環水中的氯離子含量逐漸降低，總磷得到了很好的控制，微生物數量下降到合理的范圍，系統改造成功。

5 經濟效益

通過改造節省了系統的檢修費用，節省了人工，系統運行穩定，生產環節的利用率得到了提升，節省了殺菌劑和緩蝕阻垢劑的使用量，從而為企業節省開支，增加了利潤。

6 結束語

電化學殺菌技術在水處理領域具有廣闊的應用前景，通過在連鑄循環冷卻水系統改造中的應用，進行了電化學殺菌技術與傳統殺菌技術的處理效果對比，指出電化學殺菌是一種高效率、性價比高、無二次污染的新型殺菌技術，尤其是對含氯量較高的循環冷卻水系統具有較好的應用前景。

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Application of Electrocoagulation Technology in the Reconstruction of Circulating Cooling Water System

1,1,1,1,1,1,2

（1. Angang BK Giulini Water Treatment Co., Ltd., Anshan Liaoning 114000, China;2. Angang Zhongyuan Industrial Development Co., Ltd., Anshan Liaoning 114000, China）

The development and application of electrocoagulation technology were introduced. The improvement and test analysis were carried out in the circulating cooling water system of continuous casting. The operation effect of the system before and after the transformation was compared. It is concluded that the electrocoagulation technology is a new water treatment technology with high efficiency, high cost performance and no secondary pollution; Especially for the circulating cooling water system with high chlorine content and a large number of microorganisms, it has a good application prospect.

Electrochemistry; Electrolysis; Condensation; Sterilization; Circulating cooling water

2020-08-06

陶貴立（1969-），男，遼寧省大連市人，工程師，研究方向：工業水處理設備設計及藥劑研發。

陳奇（1989-），男，遼寧省遼陽市人，助理工程師， 2011年畢業于遼東學院機械設計制造及自動化專業，研究方向：工業水處理設備設計及藥劑研發。

TQ085.4

A

1004-0935（2020）12-1539-03