隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)用水量日益增大，而冷卻用水占工業(yè)總用水量的70％左右，循環(huán)冷卻水節(jié)水大有潛力可挖。提高濃縮倍數(shù)運(yùn)行是目前*的有效節(jié)水方法，但隨著濃縮倍數(shù)的提高，循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕因子也隨著成倍上升，更多的是依賴水穩(wěn)劑開發(fā)上。筆者從循環(huán)水不同含義上的“零排污”來談?wù)勓h(huán)水節(jié)水方法。
1. 零排污的含義
?、偬岣邼饪s倍數(shù)5-6運(yùn)行，循環(huán)水系統(tǒng)可近似達(dá)到不排污，稱為零排污方案Ⅰ。
?、诩词?jié)饪s倍數(shù)達(dá)到5-6也存在少量排污，將循環(huán)冷卻水排污水經(jīng)過處理作為冷卻水的補(bǔ)充水回用至循環(huán)水系統(tǒng)中，即循環(huán)水*，稱為零排污方案Ⅱ。
③就整個(gè)工廠而言，將工業(yè)廢水經(jīng)過生化處理后，再經(jīng)過深度處理，回用至循環(huán)水系統(tǒng)中，是*經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方法，使工廠實(shí)現(xiàn)真正意義上的零排污，稱為零排污方案Ⅲ。
2. 零排污方案Ⅰ
2.1 濃縮倍數(shù)
濃縮倍數(shù)K值的大小決定節(jié)水的水平和水的重復(fù)利用率的高低，它可用公式表示[1]：
………………………………（1） 式（1）中k:濃縮倍數(shù)；M：補(bǔ)水量m3/h E：蒸發(fā)水量 m3/h；D：風(fēng)吹損失 m3/h；F：漏損m3/h；若將風(fēng)吹損失D和漏損F都包含在排污水B內(nèi)，則式（1）變?yōu)槭剑?）。
………………………………（2）圖1：M/E和K之間的關(guān)系
若E保持不變，排污量越小，則補(bǔ)水量越小，得到濃縮倍數(shù)越大。一般情況下，當(dāng)K＞1，隨著K值的增大，從圖1可以看出，M/E下降程度較快，排污量迅速下降；當(dāng)濃縮倍數(shù)大于5-6以后， M/E下降程度緩慢，節(jié)水程度zui小。繼續(xù)提高濃縮倍數(shù)，就目前處理水平而言，增加了對水處理劑、殺菌劑、系統(tǒng)的設(shè)施及管理等要求。因此目前*濃縮倍數(shù)*經(jīng)濟(jì)運(yùn)行值控制在5-6，但濃縮倍數(shù)提高至5-6，還要受補(bǔ)充水的水質(zhì)情況、水的溫升、當(dāng)?shù)貧庀髼l件、循環(huán)水系統(tǒng)V/R以及旁濾池濾料等各個(gè)方面的條件限制。
2.1.1水質(zhì)條件
目前習(xí)慣根據(jù)水質(zhì)的硬度和堿度將補(bǔ)充水劃分為三個(gè)等級，即高硬高堿、中等硬度和堿度、低硬低堿三種水質(zhì)。對于高硬高堿而言，補(bǔ)充水中鈣硬加總堿之和超過250mg/l,若將濃縮倍數(shù)提高至5-6，則循環(huán)水中鈣硬加總堿之和超過1250-1500mg/l,而目前水處理劑處理鈣硬加總堿之和在350-900 mg/l的水質(zhì)效果[2]，因此對于鈣硬加總堿之和超過1500mg/l的循環(huán)水而言單靠全有機(jī)配方來處理，相對會增加處理費(fèi)用及管理的難度，必須結(jié)合其它的途徑來解決。李本高等人對齊魯石化公司、洛陽石化煉油廠高硬高堿循環(huán)水處理采取三種方法進(jìn)行研究[3]：①用離子交換樹脂處理原水，將原水中的硬度和堿度分別降至50mg/l后補(bǔ)入循環(huán)水中，循環(huán)水鈣硬加總堿之和在350-900 mg/l運(yùn)行，濃縮倍數(shù)可以控制在5.5-6之間，水穩(wěn)劑采用全有機(jī)復(fù)合藥劑。②采取加酸工藝處理，使循環(huán)水中PH值控制在7.5-8之間，循環(huán)水鈣硬加總堿之和在350-900 mg/l運(yùn)行，濃縮倍數(shù)可以控制在2.5-5之間。③采取自然運(yùn)行工藝，原水不經(jīng)處理直接補(bǔ)充至循環(huán)水中，循環(huán)水鈣硬加總堿之和在350-900 mg/l運(yùn)行，濃縮倍數(shù)可以控制在1.7以下，水穩(wěn)劑采用全有機(jī)復(fù)合藥劑。①種綜合運(yùn)行費(fèi)用zui低, ②種綜合運(yùn)行費(fèi)用居中，③種綜合運(yùn)行費(fèi)用zui高，因此處理高硬高堿水質(zhì)，選用離子交換處理源水，將源水鈣硬加總堿之和控制在150 mg/l左右，再輔以全有機(jī)配方，將濃縮倍數(shù)提高至5-6是可行的。
對于中等硬度和堿度的水質(zhì)而言，原水鈣硬加總堿之和150-200mg/l,長江中下游屬于此類水質(zhì)，將濃縮倍數(shù)提高至5-6，采取自然控制法是能達(dá)到的，但很大程度上還依賴于生產(chǎn)廠家及科研院所的研發(fā)。處理此類水質(zhì)目前普遍采用全有機(jī)堿性配方，由HEDP、丙烯酸丙烯酯共聚物、鋅鹽等組成，即阻垢緩蝕劑Ⅱ（添加銅緩蝕劑為阻垢緩蝕劑Ⅲ）。九江分公司化肥廠循環(huán)水處理（原水鈣硬加總堿之和180-200mg/l左右）原采用此配方，由于該配方本身的缺陷，循環(huán)水中的正磷含量偏高，濃縮倍數(shù)控制在2.0-3.5效果較好，年平均為2.5，而濃縮倍數(shù)超過3.5時(shí)，系統(tǒng)就出現(xiàn)結(jié)垢趨勢，加之水處理藥劑濃度低，投加量大等缺點(diǎn)，限制了濃縮倍數(shù)的繼續(xù)提高。后在原配方的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，添加阻垢性能較好的PBTC，用新型含AMPS的磺酸鹽共聚物代替原共聚物，濃縮倍數(shù)年平均提高至3.5，但濃縮倍數(shù)提高至4.5時(shí)，系統(tǒng)又會出現(xiàn)結(jié)垢趨勢。若想繼續(xù)提高濃縮倍數(shù)幾乎依賴藥劑的配方調(diào)整，增加阻垢成分，濃縮倍數(shù)還是可以達(dá)到5-6的。
對于低硬低堿的水質(zhì)而言，屬于強(qiáng)腐蝕性的水，由石油化工科學(xué)研究院于1993年研究的以兩種羥基膦羧酸為主劑、與鋅鹽、分散劑的復(fù)配物處理鈣硬：14.0mg/l,堿度：40.0mg/l的水質(zhì)，濃縮倍數(shù)3.5-4.0，現(xiàn)場監(jiān)測掛片腐蝕率為0.035mm/a,試管腐蝕率為0.018mm/a,粘附速率為2.97mcm,因鈣硬加總堿之和為250 mg/l，應(yīng)該說將濃縮倍數(shù)提高至5-6有一定的余地。
2.1.2 水的溫升
由式（2）可知，蒸發(fā)水量大，也可提高濃縮倍數(shù)，蒸發(fā)水量E可用式（3）表示[1]：
……………………………（3） 式（3）中T為空氣的干球溫度 ℃；Δt為進(jìn)出水溫差 ℃；R為循環(huán)水量 m3/h；也就是說合理提高進(jìn)出水溫差，也可達(dá)到節(jié)水的目的，這與系統(tǒng)的熱負(fù)荷及冷卻塔的冷卻能力有關(guān)，一般來說，滿負(fù)荷生產(chǎn)階段比非滿負(fù)荷生產(chǎn)濃縮倍數(shù)要高，冷態(tài)運(yùn)行時(shí)濃縮倍數(shù)很難提高。在滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)影響溫差的一個(gè)重要因素是冷卻塔的冷卻效率，如九江分公司化肥廠循環(huán)水在滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，由于冷卻塔填料老化及填料片間距過大、百葉窗的安裝角度不合理、填料安裝沒有按照上密下疏的原則等原因，實(shí)際進(jìn)出水溫差只能達(dá)到6℃，而設(shè)計(jì)進(jìn)出水溫差為10℃，這也是濃縮倍數(shù)不能得到提高的一個(gè)原因。該廠循環(huán)水量33000m3/h，如果按照設(shè)計(jì)情況運(yùn)行，則可節(jié)約40%的用水量。
2.1.3 循環(huán)水系統(tǒng)V/R
按照《工業(yè)循環(huán)水冷卻水設(shè)計(jì)規(guī)范》，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)容積V與循環(huán)水量R之比控制在1/3-1/5，V/R比值大，系統(tǒng)容積大，會給提高濃縮倍數(shù)及管理帶來不便，V/R比值小，會縮短提高濃縮倍數(shù)的時(shí)間，便于濃縮倍數(shù)的調(diào)整及管理，*比值以1/5為宜。
2.14旁濾池濾料選擇
循環(huán)水系統(tǒng)排污一般有兩種途徑：①通過集水池底排閥直接排放，②通過旁濾池反洗間接排污，若提高濃縮倍數(shù)，可以關(guān)閉集水池底排閥，但旁濾池如果濾料選擇不當(dāng)，導(dǎo)致反洗頻率增加，排污量增大，也限制濃縮倍數(shù)的提高，如九江分公司化肥廠循環(huán)水設(shè)計(jì)循環(huán)水量33000m3/h,其中5%的水量1600 m3/h經(jīng)旁濾池過濾后進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)。每座平面尺寸4.7 m×4.7 m，有效面積22 m2，濾池高度4.74 m，濾速19 m/s,反洗強(qiáng)度采用15l/ m2.s，期終水頭損失值采用1.70 m，每座每次反洗排水約200T，該廠由于濾料選擇不當(dāng)限制了濃縮倍數(shù)的進(jìn)一步提高，旁濾池的濾料先后更換了三次：首先采用無煙煤和石英砂濾料雙層濾料，運(yùn)行三年后出現(xiàn)旁濾池濾料板結(jié)現(xiàn)象，采用人工強(qiáng)制反洗和人工翻動(dòng)濾池內(nèi)無煙煤和石英砂濾料等方法，投用運(yùn)行3個(gè)月后又出現(xiàn)過濾水量下降，濾池壓差增大，自動(dòng)反洗頻率加大，8小時(shí)反洗一次；其次選用石英砂單層濾料，雖不出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，但反洗周期24小時(shí)一次；zui后選用稀土瓷砂單層濾料，經(jīng)過運(yùn)行實(shí)踐表明，該濾料不會板結(jié)，運(yùn)行周期可達(dá)168小時(shí)以上，反洗排水呈黑色，選用稀土瓷砂，不僅節(jié)水，而且較好地控制循環(huán)水濁度、系統(tǒng)中的生物粘泥，降低殺菌力度節(jié)約殺菌劑。
3. 零排污方案Ⅱ
綜上所述，三種原水水質(zhì)，在循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理及排除影響濃縮倍數(shù)提高的因素情況下，通過不同的途徑雖然可以將濃縮倍數(shù)提高至5-6，但實(shí)際上許多地方不可能將濃縮倍數(shù)一下子提到5-6時(shí)，是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，即使達(dá)到5-6也需要排污。假設(shè)某循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)水量30000m3/h,干球溫度為28℃，進(jìn)出水溫差為10℃，濃縮倍數(shù)控制5-6，排污量仍可達(dá)到90-120 m3/h，循環(huán)水量越大，排污量也越大。如何將循環(huán)水排污水回用到循環(huán)水系統(tǒng)中，首先排污水水質(zhì)與循環(huán)水水是一致的，循環(huán)水經(jīng)過加藥、殺菌、旁濾處理后，濁度、有機(jī)物含量低，只是鈣硬和總堿經(jīng)過濃縮后，鈣硬和總堿之和為350-900mg/l。解決回用的問題主要是降低排污水中的鈣硬和總堿。一般情況下，可選用軟化除硬、脫鹽處理后，再回用到循環(huán)水系統(tǒng)中去是可行的。軟化除硬、脫鹽已是相當(dāng)成熟的技術(shù)，軟化除硬目前主要有石灰法、加藥沉淀法、絮凝法，脫鹽技術(shù)有離子交換法、電滲析法、反滲透法等。對于高硬高堿原水而言，若按照用離子交換預(yù)處理原水和全有機(jī)堿性配方運(yùn)行，投資不大。對于低硬低堿原水而言，經(jīng)過濃縮5-6倍后鈣硬、總堿分別不超過250mg/l,根據(jù)實(shí)際情況，投資一套離子交換裝置將250 mg/ l鈣硬、總堿降到50 mg/ l左右，費(fèi)用也不大。對于中等硬度和堿度的水質(zhì)而言，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行核算。國內(nèi)燕化化工一廠通過改造已成功將循環(huán)水排污水回收，燕化化工一廠的循環(huán)水總量是6.5萬噸／小時(shí)，每小時(shí)排放的污水在三四百噸左右。燕化化工一廠與有關(guān)單位合作，以電絮凝法為技術(shù)依托，投資98萬元建立了一套新三循系統(tǒng)排污水回用裝置，排污水通過這套裝置可有效去除水中硬度和懸浮物，經(jīng)過脫鹽處理后再返回到循環(huán)水中，處理過的水質(zhì)可*達(dá)到補(bǔ)水標(biāo)準(zhǔn)，且回用率達(dá)到85％以上。此套裝置的投用帶來*的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，預(yù)計(jì)兩年即可收回成本[4]。
4. 零排污方案Ⅲ
因循環(huán)水相對來說對水質(zhì)要求低，實(shí)施污水回用主要是將處理后的廢水回用到循環(huán)水中去，作為補(bǔ)充水水源，運(yùn)行費(fèi)用低。但一般經(jīng)過二級（生物）除磷脫氮后出水執(zhí)行GB8978-1996標(biāo)準(zhǔn)，其COD、BOD5、SS和氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)含量高于污水回用設(shè)計(jì)規(guī)范推薦標(biāo)準(zhǔn)CFCS-93，需采用物理、化學(xué)方法對傳統(tǒng)二級生物處理出水進(jìn)行除磷除氮處理及去除有毒有害有機(jī)化合物三級處理或深度處使其達(dá)到回用至工業(yè)循環(huán)冷卻水的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還含有結(jié)垢因子的硬度，因此回用水具有微生物高、腐蝕性強(qiáng)、結(jié)垢性高等特點(diǎn)，它要求去除水中的會引起冷卻裝置結(jié)垢的硬度，還要求去除會引起裝置腐蝕和生物污垢的氨。二級出水需經(jīng)過石灰軟水裝置除硬，采用離子交換或膜裝置進(jìn)行脫鹽處理，再回用至循環(huán)水中。圖2列出了此回水處理的工藝流程。
圖2：回用水處理流程 此方案包含了循環(huán)水*技術(shù)，不同點(diǎn)是方案Ⅲ需要對廢水進(jìn)行深度處理，并且處理水量大，還要求循環(huán)加強(qiáng)水處理藥劑防腐、殺菌等要求，因此零排方案Ⅲ投資要比方案Ⅱ要大，并且增加了管理難度。目前石化行業(yè)已有湛江東興、茂名石化、大慶石化、撫順石化、上海石化等單位開展了污水回用循環(huán)水的研究和應(yīng)用。
5.結(jié)束語
5.1循環(huán)水濃縮倍數(shù)提高5-6運(yùn)行，雖然是可行的，但更多的依賴藥劑配方的開發(fā)研制，同時(shí)還受到諸多條件的限制，節(jié)水處于被動(dòng)局面。
5.2實(shí)現(xiàn)循環(huán)水排污水以及工廠廢水*，可將被動(dòng)局面轉(zhuǎn)為主動(dòng)局面，需投入一定的資金。
5.3工廠zui終實(shí)現(xiàn)零排污，爭取節(jié)水效益zui大化，可以分三個(gè)步驟走，即由零排污方案Ⅰ到零排污方案Ⅱ再到零排污方案Ⅲ，根據(jù)各自工廠的特點(diǎn)，循序漸進(jìn)。
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