中水回用对循环冷却水系统影响研究进展

随着我国工业的大力发展，工业用水量也日益增长，水资源的供需矛盾渐渐凸显出来。2011年全国水资源总量为23256.7×10⁸ m³，同比却下降16.1%，因此水资源已关系整个国民经济发展的命脉。2011年全国工业用水占总水量的60%以上，其中循环冷却水的用量可高达85%～90%，特别是火电的行业的循环冷却水需求量很大。

冷却水的系统通常分为2种：直流式与循环式。直流式冷却水系统投资低、操作简单，但其耗水量大，水资源利用率低，已逐渐被淘汰（除了以海水作为冷却介质）。循环冷却水是指水通过换热器交换热量或直接接触换热方式来交换介质热量并经冷却塔冷却后，循环使用，以节约水资源。循环冷却水系统一般分为敞开式和密闭式2种，密闭式的一般用于发电机、内燃机、或有特殊要求的单台设备。敞开式系统以其水资源利用率高、运营成本低，是目前循环水系统的主流。

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    循环冷却水节水方向

实冷却水在循环系统中不断使用，由于水的温度升高，水流速度的变化，水的蒸发，各种无机离子和有机物的浓缩，冷却塔和冷水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入，以及设备结构和材料等多种因素的综合作用，产生较为严重沉积物附着、设备腐蚀和微生物的大量滋生，以及由此形成的黏泥污垢堵塞管道等问题，它们会威胁和破坏工厂长时间的安全生产，造成一定的经济损失。因此需要通过排放污水并补充定量的新鲜水和添加药剂来稳定其水质，保障系统的稳定运行。在此过程中，研究如何降低循环水补充水量，对节约水资源有很重要的意义。

循环冷却水的节水方向目前有2种：1）通过提高其浓缩倍数，以此减少整个系统的排污来降低补充水量。但同时也增加了系统的结垢腐蚀风险，因此对于药剂和日常的管理要求比较高。目前国外的公司药剂技术较强，例如nalco能做到6倍以上。但是，当浓缩倍数提高至4倍以上时，其节水量已有限。从药剂和管理的成本和节水效益来讲，这种方法并不一定是最适宜的；2）就是中水回用。循环水的水质要求不是太高，理论上只要达到一定的标准的回用水都可以作为循环水补充水。同时又可以提高水资源的利用率，降低对于环境的危害，这个是目前及未来研究的热点。

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    中水对循环水系统稳定运行影响研究

　　中水是指生活和工业所排放的污水经过一定的技术处理后，达到一定的水质标准，可回用于水质要求不高的农业灌溉、城市景观、工业循环冷却水等。在生活污水方面一般称为再生水，在工厂方面则称为回用水。

国外的中水回用技术研究比较早，美国自20世纪70年代以来，由于采用中水回用技术，其总用水量增加了1.4倍，但取水量反而减少了。我国的相关研究一直集中在工业废水的回用上，目前工业废水回用率已达70%以上。我国的中水回用的领域主要集中在农业灌溉、城市景观用水、工业的循环冷却水等方面，特别在前两者的应用方面比较广泛。

虽然目前我国的城镇污水出水主要执行污水综合排放标准，但由于各地区的污水来源水质迥异，处理工艺不同，因此不同的回用水水质差别很大。跟自然界的淡水相比，回用水中的悬浮物、含盐量、有机物以及氨氮、磷等物质含量高，同时微生物的种群复杂。当回用水直接用于循环冷却水时，以上各种因素会对循环水产生一定影响，同时各因素之间会相互影响，因此研究不同中水回用对循环水系统的影响规律及控制措施是能否回用成功的关键。

2.1  悬浮物对循环水系统的影响

目前我国污水综合排放标准中的二级排放标准规定排水中的悬浮物质不得超过20mg/L，这与循环冷却水用再生水水质标准中规定的一致；但是很多循环水处理方案中对悬浮物控制的比较严格，一般设计方案中要求低于10mg/L，甚至更低，以便提高其浓缩倍数。

悬浮物会引起循环水浊度上升，对系统的危害很大。微小悬浮物颗粒可成为钙镁离子凝聚的诱发晶核，促进结垢；同时大量的悬浮物有利于微生物的繁殖，产生大量的生物粘泥，与碳酸钙等硬垢混合在一起，很容易沉积在换热器的管道上，降低换热效率；同时沉积的污垢会引起氧的浓差腐蚀，导致局部腐蚀严重；另外沉积的污垢容易成为微生物生长的场所，对其有一定的保护作用，从而降低了杀菌剂的使用效果。

沈莹等研究了中水作为循环冷却水补充水所引起的高浊度对缓蚀剂和杀菌剂的影响，试验对比了浊度为0、10、30NTU补充水对缓蚀剂的影响，碳钢试片的腐蚀速率分别为0.075、0.0821、0.1058mm/a，呈依次增大的趋势。分析主要原因为，带负电的悬浮颗粒会吸附缓蚀剂，特别是阳离子型缓蚀剂，因此降低了缓蚀剂对金属的吸附。同时对阻垢剂和杀菌剂也有不同程度的抑制，并建议循环的浊度应控制在10NTU以下。

2.2  无机盐对循环水系统的影响

中水由于受处理工艺和来源的限制，与天然水相比，含盐量较高，特别是工矿企业的回用水，经过循环水浓缩电导率甚至会达到4000μS/cm。如常见的阳离子钙、镁、钠等，在高碱度下极易形成碳酸钙、镁等硬垢，据调查，仅仅2毫米的污垢就会使换热效率降低47%。同时，沉积的污垢会引起换热器局部温度过高，容易爆管。七台河某电厂采用该市中水作为循环冷却水补充水，浓缩倍数为4时，其Ryzanar指数显示有严重的结垢倾向。据报道，我国火电厂因污垢所带来的经济损失超过国民生产总值的0.1%。

另外，中水中较高含量的氯离子、硫酸根、硝酸根等阴离子，特别是氯离子，一般二级出水的氯离子在100mg/L左右。离子半径小，穿透能力极强，很容易穿透金属表面的氧化膜层，置换氧原子形成氯化物，加速阳极的腐蚀，造成点蚀，甚至管道的穿孔。柳成才考察了城市回用水中氯离子含量对于循环冷却系统腐蚀的影响，当氯离子含量在0～140mg/L变化时，腐蚀速率依次增大并呈平缓的趋势，并建议回用水中氯离子的含量控制在80mg/L以下。

2.3  有机物以及氨氮对循环水系统的影响

城市污水二级排水二级标准要求COD小于60mg/L，含有的有机物包括腐殖酸、蛋白质和多糖等，大部分来源于微生物的代谢产物，同时其中还可能还有一些微生物难降解的有机物，特别在工业废水的再生水中。目前关于有机物对于整个循环水系统影响的研究还不是很多，未来可能是研究的热点。申站辉发现回用水中的有机物会对碳酸钙的晶型有一定影响，在一定范围内可以减少碳酸钙的形成。但同时也有人发现，有机物本身对循环水系统的腐蚀和结垢问题影响很小，但当其随碳酸钙沉积下来，滋生微生物所引起的相关问题却值得重视。

氨氮又称氨态氮，包括游离态的NH₃-N和铵盐态NH₄⁺-N。不同水源回用水中氨氮的含量差别很大，有的高达100mg/L，对循环水的危害很大。高含量的氨氮有利于微生物的繁殖，产生的大量的生物粘泥，同时在硝化细菌和反硝化细菌的作用下会发生硝化和反硝化反应，消耗水中的碱度，降低pH引起金属的腐蚀。此外，氨氮还会与常用的氧化型杀菌剂反应，降低杀菌剂的效果。在实际运行中，氨氮在循环水的运行过程并不是简单的浓缩累加。冯长春就发现氨氮在随循环水浓缩的过程中，虽然会降低水的pH，但当循环水的pH为8.0～9.0时，其本身浓度并不会变化太大，甚至会逐渐下降。因此在高含量氨氮的回用水回用方案中，在此期间保持pH对控制整个系统的腐蚀是有利的；同时建议联合投加含氯杀菌剂与杀菌剂增强剂。王艺林则针对新疆某电厂的高氨氮中水筛选出相适应的杀菌剂，三氯异氰尿酸和复合非氧化性杀菌剂TS-831。

2.4  细菌微生物对循环水系统的影响

如上文所述，回用水中含有的有机物，加上氮磷等影响源，在循环水系统合适的温度和pH以及充足的氧气的条件下，很容易滋生细菌；同时回用水中本身含有复杂的微生物种群，特别是对于城市二级生化出水，因为微生物所带来的腐蚀和结垢正成为中水回用一大障碍。

微生物在繁殖过程中会产生粘性物质，诸如EPS（胞外聚合物）之类的，很容易和悬浮物、结垢物和腐蚀产物粘结在一起并沉积在换热器表面，会降低换热效率并引起垢下腐蚀。另外，很多微生物在代谢过程中，会间接加速金属的腐蚀。例如硫酸盐还原菌可以利用金属腐蚀过程中所产生的硫化氢，并生成硫化铁，这在一定程度上将金属腐蚀的平衡右移，并有报道说此类腐蚀可在60～90d内使碳钢腐蚀。

因此回用水在回用过程中必须采取杀菌消毒，主要的方法包括投加化学药剂与放射性辐射消毒，特别是含氯类的氧化性杀菌剂应用最为广泛。目前，国内外关于回用水作为补充水所使用的杀菌剂研究很多。常英[37]优化了内蒙古某电厂回用水的杀菌剂，通过正交试验得出复合杀菌剂的最佳配方为次氯酸钠0.3mL/L，新洁尔灭1.5mL/L，异噻唑啉酮0.1 mL/L，且90%以上的杀菌剂的持续时间长达90h。Xi Kang也优化了氧化型杀菌剂 C、非氧化型杀菌剂Y和J的最佳配方，并用在当地的市政中水回用上效果良好。但是目前很少有研究关注到杀菌剂对于系统本身的腐蚀及其他的影响。El-Shamy曾研究了一种被命名为HQS的杀菌剂对于低碳钢的腐蚀影响，结果表明HQS不仅可以有效的杀菌，同时可以降低低碳钢的腐蚀。Weina Su等在探寻次氯酸钠的杀菌机理时就发现，次氯酸钠本身对腐蚀有促进作用，但同时能杀死微生物抑制腐蚀，并最终表现出降低腐蚀的作用。这有助于我们更全面的评价、优化杀菌剂。

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    中水回用循环水系统的控制措施研究

由于回用水自身的水质特点，其在回用过程中不可避免地会导致循环水系统腐蚀、结垢与微生物滋生等问题。因此直接将中水回用至循环冷却水难度较大，必须经过一定的深度处理，稳定水质，降低有害物质含量，并投加相适应的化学药剂，最终达到安全回用的目的。 

目前用于中水深度处理的技术主要有，简单过滤处理、石灰软化处理与新型的除盐技术。特别后两者应用比较广泛，当然，实际回用过程中应根据回用水的水质来选择相应的深度处理技术。石灰软化法是一种比较传统且有效的方法，主要用于去除中水中的钙镁离子，同时在其沉淀过程中可吸附去除一定量的悬浮物、有机物、微生物。温丙奎采用石灰混凝法处理汉西污水厂回用水，当石灰投加量为350mg/L、聚合氯化铁35mg/L、阳离子聚丙烯酰胺0.75mg/L时，其浊度、硬度、碱度、氨氮、COD的去除率分别为88.6%、73.5%、60.1%、30.2%、24.5%，可以安全地回用至当地电厂的循环冷却水系统。但是石灰法存在使用工作条件环境较差，运行复杂，系统占地面积大等缺点，同时出水pH较高，可达到10～11，可能会对缓蚀阻垢剂的效果有一定影响，这些均需要进一步的研究。

新型的除盐技术有离子交换树脂、电渗析、多效蒸发冷凝与膜处理法，主要去除水中的阴阳离子。此种方法，去除水中大量的离子、COD及细菌。特别是反渗透的脱盐率可达98%，COD可达85%，细菌90%，但运营成本较高。但是，L L Machuca等发现含盐量较低的水相较于具有一定含盐量的中水其腐蚀性更高。胡家元就发现反渗透的出水因碱度低，在溶入二氧化碳而呈弱酸性的溶液中，碳钢锈层可能因γ-FeOOH还原而发生腐蚀促进作用。因此，不同的除盐深度、回用比例及适用低碱度、低硬度的化学药剂是未来研究的重点。

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    结语与展望

中水回用是我国目前解决水资源矛盾的一个有效的途径，循环冷却水因其用量大，要求水质不高成为中水回用的重点目标。中水回用水质波动较大，同时悬浮物、含盐量、有机物以及氨氮、磷等物质含量高，并且微生物的种群复杂，在用作补充水不可避免会对系统产生一定的影响，研究其影响规律及处理措施就成为能否回用成功的关键。今后应研究不同处理深度的回用水质、回用比例对于系统的影响及控制措施，开发更加安全环保化学药剂，分析相应的处理成本和经济效益，以更加有效地利用水资源。