工业循环冷却水旁流软化净化处理工艺设计.docx

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工业循环冷却水旁流软化净化处理工艺设计

工业循环冷却水旁流软化-净化处理工艺设计

第33卷第4期

2007年4月

水处理技术

TECHNOLOGYOFWATERTREATMENT

VOl-33No.4

Apr.,20078l

工业循环冷却水旁流软化一净化处理工艺设计

高华生

（宁波大学环境工程系,浙江宁波315211）

摘要:

针对大型工业循环冷却水系统,提出完整的三级旁流处理工艺,以满足各种用户对水处理的不同要求.主要

包括:

纤维过滤（I）,弱酸树脂软化（Ⅱ）和反渗透工艺（Ⅲ）等三个单元,可以构成I,I+Ⅱ或I+Ⅱ+Ⅲ套餐式的组合

工艺.以SZNS热电股份有限公司为例,介绍新型三级旁流处理工艺方案研究成果,并对该工艺的流程,设备,特点

和经济效益进行了分析.

关■调l工业循环冷却水;旁流处JE;软fE;零排放;热电厂

中圈分类号:

TQ085文献标识码:

B文章编号:

1000.3770（2007）04.081-05

大型敞开式循环冷却水系统旁流处理的重点是

节约用水,主要思路是采用适当旁流处理工艺将循

环冷却水系统中不断增加的,限制水处理效果的有

害成分除去,并将排污水再生处理后作为补充水,回

用到循环冷却水系统中.这样,可以进一步提高工业

水的重复利用率,减少废水的排放量,基本实现系统

的"零排放",对工业企业具有节水,节能及降低生

产成本等作用.

l三级旁流处理组合工艺

1.1工艺流程

根据对含膦酸盐循环冷却水石灰.纯碱软化和

弱酸树脂软化过程的试验研究,结合对现有旁流处

田1三级旁漉处理工艺漉程田

Fig.1Technologicalprocessdiagramfor3-stageside—streamtreatment

理组合工艺的比较分析,针对大型工业循环冷却水

系统,提出一种工艺流程简单,污水排放量少,设备

投入及运行成本低的,可同时净化和软化水质,并保

留大部分水处理剂的工业循环冷却水的新型旁流净

化.软化工艺,其工艺流程如图1所示.

第一级:

循环冷却水经泵前加入纯碱0～

500mg/L和混凝剂0～15mg/L后,在管道中混合均

匀,进入一体化高效纤维过滤器中.在纤维滤床上

方的反应区内发生软化反应和微絮凝反应,生成

CaCO和Mg（OH）:

颗粒沉淀,可与水中的悬浮物和

正磷酸盐一起,被纤维滤料截留,除去.由于水中存

在膦酸盐,上述反应受到抑制,部分沉淀也会稳定在

水中,难以去除.

第二级:

采用弱酸丙烯酸阳离子交换树脂,进一

步降低水中硬度和碱度至50mg/L左右,出水pH

值为3～6,基本可以满足补充水的水质要求.由于

弱酸树脂不能与中性盐所分解的离子（即强酸阴离

子如SO4,Cl,NO3一等）起反应,只能与弱酸盐类

（即碱度）起反应.因此,处理过程中水中增加的盐

含量较小,水质明显改善,出水的pH值偏酸性,有

利于冷却水系统的水质稳定,减少了冷却水的结垢倾向.

第三级:

若系统对补充水中SiO,C1一和SO?

等

有害成份有严格要求,则需进行反渗透或纳滤处理,

收稿日期:

2006.10.30

基金项目:

宁波市青年（博士）基金重点资助项目（02J20101.05）

作者简介:

高华生（1965.）,男,博士,高级工程师,研究方向为工业水处理及水污染控制工程

联系电话:

139582288781E—mail:

gaohuasheng@.

82水处理技术第33卷第4期

进一步软化和净化水质.视冷却水系统的水质要求,

反渗透出水除单独供作冷却塔补充水或锅炉给水

外,也可分作两路,浓缩水含水处理剂返回到冷却

塔,而只将软化水用作锅炉补充水.

1.2工艺条件

该方法用于电厂冷却水"零排放"处理尤其适

合,可以利用其现有的循环冷却水泵和盐酸/硫酸

的贮存设备和计量设备,所述的两台主要设备可安

装在化学水车间的厂房内,以便于管理和维护.对某

些化学水能力富余的工厂,可以利用闲置的活性碳

过滤器和离子交换塔进行技术改造,用作"零排放"

处理装置.

循环冷却水中含有阻垢剂,杀菌灭藻时加的氯

和水中可能含有的油,铁等成份,可能对离子交换树

脂的性能有影响.

1.2.1进水水质要求

冷却水中有机物,余氯,浊度,铁离子和油等对

树脂和反渗透膜危害极大,按照《工业用水软化除

盐设计规范》（GB/T50109.2006）的要求.由于弱酸

树脂在前,反渗透在后,弱酸树脂交换柱出水,经精

密过滤器过滤后,一般不存在膜污染问题.因此,以

下讨论以针对弱酸树脂为主.

"化学混凝.纤维过滤"+"弱酸树脂软化"的

（I+II）二级处理工艺比较适合高硬度,高碱度,低氯离

子的结垢型循环冷却水,对于碱度不足的高硬度循环

冷却水系统,可以增加纯碱的投加量,适当补充碱度.

1.2.2弱酸树脂交换器

可以采用双流式弱酸树脂交换器,即原水从顶

部和底部同时进入交换器,软化水从交换器的中间

排出,这种双流式交换器可以有效减少设备的占地

面积,制造成本和再生费用,同时具有系统简单,操

作方便的特点.还可利用双种树脂密度和粒度不同,

再生时能自动分层的特点,采用弱酸树脂和强酸树

脂的双层床交换器,这样,可在一个交换器中同时降

低冷却水的碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度.

1.2.3旁流水量的确定

工业循环冷却水系统旁流过滤的水量与补充水

的悬浮物浓度,冷却水的控制浓度,过滤器的去除效

果和大气含尘量等有关,一般取系统循环水量的

1%～5%.国外早期资料认为,旁流软化水量应为系

统循环水量的3%～5%.与水中的悬浮物相比,钙镁

离子只能通过补充水一个渠道进入冷却水系统,如

果旁流软化效率与旁流过滤的效率相等,从理论上

分析,旁流软化水量应小于旁流过滤水量.

1.2.4水处理稳定剂的影响

与其它软化方法相比,采用（I+II）二级旁流处

理工艺对冷却水中有机膦酸盐水质稳定剂的去除率

较低,可以保留50%以上的有效成分,从而可有效

节省水处理药剂费用;如果采用（I+II+III）三级处理

工艺,则这部份水质稳定剂可以改善反渗透膜的运

行状态,减少结垢成份在膜上的沉积.

2工艺方案实例分析

以南方某城市SZNS热电股份有限公司所做的

三级处理零排放工艺方案研究为例.

2:

1现状分析

2.1.1基本情况

SZNS热电公司冷却水系统现有循环量

q=3oooom3/h（两个系统）,拟扩建达到40000

m3/l1,系统总容积从5000ms增加到7000ms;补充水

用量约为8000m3/d,其中蒸发水量E为7000m3/d,

估计风吹,漂滴损失为30m3/l1.

循环冷却水中添加阻垢剂和杀生剂等进行化学

处理后,按浓缩倍数N=6计算排污水量B为840

m3/d.为节约水资源,该公司拟对循环冷却水排污水

进行进一步处理,要求出水水质接近当地自来水的

水质,以替代新鲜水返回系统,减少补充水水量.

2.1.2水质水量平衡现状

当地自来水和该系统冷却水的主要水质指标如

表1所示.

裹1补充水和循环冷却水水质

Table1Make—upwateramdcycliccoolingwaterquality

由原水水质可见,该循环冷却水硬度（3OO

metE）,碱度（150mg/L）高,pH（8.5～8.9）微偏碱

性.从朗格利尔指数（LSI=pH.pHs>0）可以判断循

环冷却水具有结垢倾向.此外,在敞开式循环水系统

中,水与空气的传质过程将空气中尘埃等杂质洗涤

进入系统,容易造成设备及管道的腐蚀及微生物滋

生等现象,使水中悬浮固体浓度增加浊度升高,是产

生泥垢的主要原因.

高华生,工业循环冷却水旁流软化一净化处理工艺设计83

图2为采用旁流处理前的冷却水系统的水质水

量平衡情况.

朋2处理前的系统水■水质平衡朋

Fig,2Equilibriumdiagramforthesystem'Swaterquality

andwaterquantity

2.1.3方案选择

原则上应采用旁流处理的方法,将排污水量的

冷却水中构成硬度的钙镁离子,构成浊度的悬浮物

及氯离子等有害成份除去后返回系统,同时起到改

善水质,减少或消除强制排污的作用.经对多种排污

水回用处理方案进行比较,在设备的选择上,应充分

考虑现有闲置设备的利用.

根据表1中所列的冷却水质,配制了总硬度约

为300mg/L（其中碳酸盐硬度为150mg/L）,总碱

度为150mg/L,水中有机膦酸盐浓度为15merlE左

右的试验水,选择了化学混凝.纤维过滤,弱酸离子

交换二级处理试验,达到良好的处理效果.同时考虑

在"零排放"条件下氯离子的浓度将高于现有的

150merlE,超出系统中不锈钢设备的水质要求,必须

由具有氯离子去除功能的反渗透装置进行三级处理.

三级旁流处理工艺综合考虑了处理成本和操作

维护等多方面因素,处理后的水质可以达到表l所

列补充水的水质要求.经过旁流处理后,循环冷却水

的水质应达到表2所列的水质要求.

裹2循环冷却水的水质标准

Table2Waterqualitystandardsofcycliccoolingwater

系统扩建后的排污水量以B=1000m3/d（相当于

50m）计,考虑现有闲置阳离子交换器的利用,以

及旁流处理装置间歇运行的特点,仍按100m的

处理能力进行方案设计.这样,旁流处理单元可根据

实际需要每天运行1O--~20h即可满足循环冷却水系

统"零排放"对水质的要求.

旁流处理系统为间歇式操作,运行周期为24h,

其中,过滤.软化1O--~20h,反冲.再生2～4h.

3工艺说明

3.1工艺流程

采用所示的三级旁流处理流程,按每天运行

lOh计,处理后的水质水量平衡如图3所示.

朋3采用三级处理后的水质水■平衡

Fig.3Equilibriumdiagramforwaterqualityandwater

quanityaftertreatmentby3-stage

3.2水量水质平衡

化学混凝.纤维过滤及弱酸树脂软化的第一和

第二级处理工艺,前已详细叙述.

反渗透装置作为第三级处理,是化学混凝过滤

和离子交换二级处理工艺的补充和完善.由于旁流

水已经过化学混凝,纤维过滤,活性碳吸附和弱酸树

脂软化等工艺单元,旁流处理系统的反渗透装置有

较高的回收率.用HydranauticsRODesignSoftware

v.7.00对假定含SiO浓度为50merlE的弱酸树脂柱

出水进行反渗透膜设计计算,结果表明采用CP3低

压反渗透膜对Si0:

具有较高的脱除率,脱除率可高

达92%以上,比用纳滤膜的75%左右高的多.针对

SZNS热电这一项目,CPA3膜主要用于脱除水中的

c1一离子,使旁流单元出水达到更高的水质标准,以

满足不锈钢设备对水质的要求.按进水流量108.7

水处理技术第33卷第4期

m3/h计,反渗透装置的出水流量为100m3/h,浓缩水

流量为8.7m3/h,出水水质SiO2为0.5mg/L,pH为7.

经过上述三级处理,冷却水系统中钙硬度仍按

300mg/L进行控制,而实际浓缩倍数可达9.4以上,

排污水总量约为100m3/d,非常接近真正意义上的

"零排放".

反渗透装置的浓缩水可以作为纤维过滤器的反

冲洗水,呈碱性pH（9"---9.5）,占总处理水量（以

l100ma/d计）的10%;交换器再生废液为酸性pH

（2"---3）,约占总处理水量的3%左右.这两部份废

水可相互中和,污泥经沉淀浓缩后进行脱水处理,上

清液去污水处理厂.

3.3运行成本分析

3.3.1化学混|lE过滤

运行成本主要包括进水泵,反冲泵和罗茨风机

所消耗的电能,药剂成本构成主要部分,包括纯碱和

混凝剂（CPAM）的消耗如表3所列.忽略动力消

耗,第一级处理成本约为0.15元/m3.

裹3-常用药剂消耗

Table3Consumptionofcommonchemicals

注:

按旁流处理系统出水量折算;Fl.

3.3.2弱酸树脂再生

采用l%的稀硫酸作为再生剂,与盐酸再生相

比,可降低运行费用,并减少再生时带入水系统的氯

离子含量.忽略反冲洗水的费用,仅硫酸消耗一项费

用为220g/m3（以98%H2504计;按理论比耗的1.1

倍计算）;按500元/111,计,再生所用硫酸费用为

012元/m.

考虑到活性碳和弱酸树脂的性能降低,三年全

部更换一次,约增加成本0.10元/m,旁流水.

忽略动力消耗,第二级处理成本小计约为0.22

元/m.

3.3.3反渗透工艺

采用低压反渗透膜CPA3,运行费用非常低,每

处理l111,水的电耗仅为0.42kWh,略高于纳滤膜,以

电价0.6元/kWh计,单位动力成本仅为0.25元/111,.

反渗透膜每5年更换一次,微滤滤芯每3月更

换一次,增大了反渗透装置的运行成本,分别为0.37

和0.03元/m3.

忽略药剂消耗,设备折旧,人工和反冲水消耗等

费用,第三级处理的成本为0.65元/m,.

3.3.4合计

考虑到设备投资的折旧（按20年计）,折合

0.28元/m,,冷却水三级旁流处理的总成本1.30元

/m,:

在减少补充水量,排污水量和节省水处理剂的

收入折合2.36元/m3中相抵,处理旁流水的单位收

益为1.06元/m,（按旁流水量计）.

3.4效益分析

3.4.1综合经济效益估算

采用三级旁流处理的综合经济效益见表4.

从表4中可见,旁流处理可显着降低新鲜水用

量,减少排污水量,节省水费和排污费支出;由于该

工艺可保留旁流水中50%以上的膦酸盐水处理剂,

因而可以显着降低投加水稳剂的费用.

运行成本的构成包括纤维过滤器前投加的纯碱

裹4三级旁流处理产生的综合经济效益分析

Table4Analysisofcomprehensiveeconomicbenefitfrom3-stageside-streamTreatment

高华生,工业循环冷却水旁流软化一净化处理工艺设计85

和混凝剂等药剂消耗,弱酸树脂再生所用的盐酸或

硫酸消耗（如采用1%的稀硫酸作为再生剂,与盐酸

再生相比,可降低约2/3的运行费用,并减少再生时

带入水系统的氯离子含量）,以及反渗透装置的动

力消耗等.树脂,活性碳,反渗透膜和精滤滤芯等易

损材料的消耗也是重要的构成部份.

人工成本未计,旁流处理系统的操作维护可由

其他岗位人员代管;由于采用循环水泵出口进水,不

需另设原水泵,而过滤器反冲和树脂再生,正洗所需

动力消耗极少,因此在运行成本中未考虑前二级处

理的动力消耗.

该工艺方案投资估算为200万元,实施后综合

经济效益每年近40万元,全部投资可在5年内收

回.考虑到反渗透装置投资120万元,占全部投资的

60%;而三级处理的成本也上总成本的50%,可以考

虑先利用现有闲置设备实施前二级处理,待有条件

时再增加反渗透装置,实现冷却水的三级旁流处理.

3.4.2预期水质稳定效果

处理前冷却水在高浓缩倍数N=6下运行,钙硬

度达到300mg/L,冷却水具有较强的结垢倾向.采

用旁流处理后,特别是采用三级处理后,虽然系统的

浓缩倍数达到9以上,但水质硬度,碱度和浊度都将

趋于减小,水质的结垢倾向显着降低.

采用二级处理是无法去除系统中的氯离子和硫

酸根离子的,采用三级处理后这些腐蚀性离子浓度

将逐渐降低,有利于不锈钢设备的保护,延长设备的

使用寿命,为进一步提高换热效率和生产装置的

"安稳长满优"运行,提供了有力的保证.

4结语

提出的"化学混凝纤维过滤一弱酸树脂软化一

反渗透"三个基本单元构成的新型三级旁流处理工

艺,具有流程简单,功能齐全,设备紧凑,经济合理,

操作灵活,便于实施等特点,适用于大型工业循环冷

却水系统,以实现系统的"零排放"运行.

实例分析结果表明,采用三级旁流软化一净化

处理工艺,可以显着减少补充水,排污水和水处理剂

等费用支出,在实现系统的"零排放"运行的同时,

能改善水质处理效果,具有良好的经济效益.

ADBSaNsIcl珏m0Sl】=舳EAMsI=Il叮EN】0ANDU】同CIIoN肌眦API）1腿

PI.ANTC0aUN0WAT雹R圊

GA0Hua—sheng

（（DepartmentofEnvironmentalEngineering,Ni~gboUnive~ity,Ni~gbo315211,China）

^h岫at:

Acompletethreestageside—streamtreatmentwasputforwardforlarge—scaleindustrialcycliccoolingwatersystemtomeetrequirementsfor

differentwatertreatmentforvariouscustomers.Itmainlyincludesfiberfilter（I）,weakacidresinsoftening（II）andreverseosmosis（RO）processete.

threeunits,andcanconstitumset—mealtypecompositetechnologicalprocessofI+Ⅱ,orI+Ⅱ+In.TakingSZNSThermalPowerCo.,ltdasexample,

thepaperintroducestheresearchfruitofnewthreestageside—streamtreatmentprocessscheme,andananalysiswasdoneforitstechnologicalprocess

equipment,characteristicsandeconomicbenefits.

:

coolingwater;side—streamtreatment;softening;zero—discharge;thermalpowerplant