工业水处理联合零排放技术

刘伟伟

（通州美亚热电有限公司生产部，江苏 南通 226300）

工业水处理联合零排放技术

刘伟伟

（通州美亚热电有限公司生产部，江苏 南通 226300）

工业生产中的综合利用和三废治理是衡量现代化工业生产的重要标志之一。废热的利用，尾气、污水、烧渣中有用之物的回收，不仅充分利用了资源，降低了工业成本，而且还能避免三废可能造成的公害。如何减少工业水的用水量，提高水的重复利用率，实现节约用水，一水多用，重复利用，往往需要采用几种方法的组合流程，才能达到处理要求。

烟道气；补给水；冷却水；废水；水热；回收；环境

国家《“十二五”环保产业发展规划》指出：“我们工业企业可持续发展正面临缺水的现状。”目前国内对废水进行浓缩回用从而达到零排放一直是每个企业所预期的成果。但是在一些常用的水处理方法中却不能够真正实现废水的零排放。工业水处理联合零排放技术：是以优化工业补给水处理系统和循环冷却水处理系统为核心的，将工业用水生产、废水治理、烟道气利用等有机结合、适合搭配的水处理技术。

工业水处理联合零排放技术应用于工业水处理，具有能耗低、效率高和工艺简单等特点，可被广泛用于生产、蒸汽、动力、印染、纺织、医药等部门，处理原水（生水）、废水。此技术在水回用率可高达90%以上，即使在高浊度和高SDI指数的情况下，也能经济、有效地运行，是一种具有巨大潜力和实用性的工业水处理技术。

1.工业补给水处理系统

现代工业中几乎所有的工业生产过程都要使用水。每种工业对水的要求都不相同。如果水质不符合要求，则会产生产品质量降低、成本增加、机械设备损耗率增大，甚至引起生产事故等不良后果。

1.1补给水处理系统工艺

根据水源水质及机组对水、汽质量的要求，工业补给水处理系统拟采用以下改进方案：原水→预沉池→原水箱→生水加热→加药（混凝剂、助凝剂、次氯酸钠）→机械搅拌加速澄清池混凝、澄清→双阀滤池过滤→蓄水池→叠加卧式双滤料（无烟煤、石英砂）过滤→布烟器（引入洁净炉气）→叠加卧式活性炭双滤料（活性炭、石英砂）过滤→清水箱→高频高压电子加速器→精密过滤器→高压泵→反渗透器（两级或三级串联）→双室逆流再生阳离子交换器→真空除二氧化碳器→中间水箱→双室逆流再生阴离子交换器→混合离子交换器→紫外消毒池→除盐水箱。

1.2补给水预处理系统综合

1.2.1机械搅拌加速澄清池优化

机械搅拌加速澄清池的进水需装设换热器（包括温度自动调节装置和澄清池的温差监测仪），采用凝汽器的循环冷却水逆流加热原水。原因有：

一是原水中常含有多种无机盐（如：CaCO₃，MgCO₃，CaSO₄，MgSO₄等）其溶解度随温度升高而减小，如出口温度抬高，盐类析出，可提高混凝、澄清处理效率。

二是原水黏度增加，过滤速度则减小，故通常悬浮液过滤时都要加热，以降低其黏度。与此同时，利用循环冷却水的低温热能提高离子交换器的进水温度，提高工作效率。即便如此，水的出口温度也常控制在45℃以内。

采用这种水热回收方式，既能满足加热、保温等场合的需要，又能满足工艺过程的需要。系统的贫乏蒸汽流程和工艺流程相铺相成，构成有机的整体。因而系统的贫汽热能平衡是生产中必不可少的。

1.2.2炉烟处理水技术

原水含有非活性硅、有机物、游离氯、铁氧化物、锰氧化物，宜采用混凝、澄清、过滤等处理方法去除。除盐系统进水的碳酸盐和硅酸盐，经技术经济比较，可采用引入洁净炉气处理。

无论采用哪种燃烧方法产生的炉气，总是含有矿尘。如不将其矿尘除净，任其随炉气进入制水系统中，则可使制水系统的设备堵塞，阻力增加，最后会造成停工。

目前在制水过程中利用炉气需清除其中有害杂质，大多采用旋风除尘、电除尘、脱硫、脱硝、除沫、电除雾、膜分离等处理后，排放出可利用的洁净炉气。

洁净炉气在火力发电厂中是一种废气。用它作为处理剂来处理原水，再排入大气，不仅是废物利用，而且还能减轻炉烟对环境的污染。加气系统及其后的水处理系统只要采用耐酸材料进行覆盖层保护（如内衬耐蚀聚合材料：橡胶衬里或316S.S），防止设备腐蚀即可。

为此，可在叠加卧式活性炭双滤料过滤器的进水处引入炉气处理，其目的是利用其中的大量CO₂与水中的碳酸盐作用，改变水中碳酸盐化合物的组成，即将碳酸盐硬度转变为溶解度较大的碳酸氢盐硬度，使RO装置在最后一根膜组件浓水侧的碳酸盐浓度积小于其平衡溶解度常数而不易产生此类结晶析出，以防碳酸盐水垢的形成，保护膜原件的应有特性。

它与在离子软化器中投放阻垢剂，具有异构相同的作用。所以，在卧式活性炭双滤料过滤器之前，只需加装布烟器来引入洁净炉气处理，可节省投资维护费用。

将炉烟送至原水中的方法是利用高压风机，并将烟气引出管做成多孔管状（称布烟器），为了使原水吸收CO₂的效率高，布烟器应埋人原水主流中一定深度（一般为1.2m～1.8m）的地方。

向原水中加入二氧化碳气体防止碳酸盐水垢的原理是：在天然水和水处理工艺过程中，常常遇到的碳酸化合物是碳酸钙和碳酸镁。CaCO₃和MgCO₃在水中的溶解度很小，Ca（HCO₃）₂和Mg（HCO₃）₂的溶解度较大，因此在碳酸化合物的平衡过程中，倾向于生成HCO₃⁻，就易于使固体碳酸钙溶解。当4＜pH≤8.3时，平衡向CO₃²⁻减小和HCO₃⁻的浓度增大移动。

所以，CO₂能抑制可溶性的Ca（HCO₃）₂和Mg（HCO₃）₂的分解，使生产难溶于水的碳酸钙和碳酸镁的倾向减弱，反应式如下：

另外，在稀酸中生成的微量硅酸（当pH＜7时实际上水中只有硅酸分子和胶态硅酸，它呈游离酸的溶液或钙、镁硅酸盐的胶溶状态存在），经后序吸附、过滤处理装置清除。

R/O装置浓水端的富余碳酸盐、SiO₂等结垢物质，通过调节RO回收率即控制浓水的循环流量和排放量来调整浓度积指标。

1.3设备选择

1.3.1叠加卧式活性炭双层滤料过滤器

为了改善过滤条件，叠加卧式活性炭双层滤料过滤器的滤料是前层活性炭，后层石英砂。滤料颗粒层呈前大后小的“逆粒度”分布结构，所以有利于过滤过程。令水流自前而后进行过滤，用清水直接反洗再生。

活性炭、石英砂双层滤料过滤对原水预处理能够有效去除有机物、悬浮物，另外还能够去除水中的氯、胶体，防止结垢、胶体和颗粒物质的堵塞。

1.3.2真空除二氧化碳器

除二氧化碳器宜采用真空泵从除碳器上部多级抽真空，从而降低CO₂气体分压，使水达到沸点而除去溶于水中的气体。这种多级方式不仅能除去水中的CO₂，而且能除去溶于水中的O₂和其他气体。

含有二氧化碳的阳离子交换器出水通过除碳器的降压，压力维持在20mm～50mm汞柱（表压），此时，释放出的大量溶解的气体，送回布烟器再利用；解吸后的水送入阴离子交换器。

1.3.3高频高压电子加速器

对于复合膜，细菌黏膜会造成膜的污堵，同时复合膜抗氯性差，不允许含有余氯，所以可让水通过高频高压电子加速器，引起水的性能改变，达到防垢、除垢和灭菌的目的。

电子加速器控制水垢具有简单易行、成本低、维护量小、生产速度快和环境友好等优点，有利于实现工业化连续生产。

2.工业废水处理系统

废水处理系统是工业中对废水进行分类处理的一套系统。经此站处理后的废水回用率大于90%。

2.1废水的收集和处理方法

2.1.1废水的收集

废水的收集应遵循清污分流的原则。

2.1.2联合处理法

工业废水的处理通常采用几种方法联合处理。

一方面，工业废水中的澄清设备的泥浆废水，过滤设备的反洗排水，离子交换设备的再生前期、置换前期的废水，反渗透设备的排放浓水、清洗水以及凝结水净化装置的排放废水，全部排至集水池后，首先用于浇透锅炉所排灰渣；其次排入灰场的冲灰系统，靠灰场自然蒸发；再者送入煤场的用水系统，喷洒在煤粉上，随煤送入锅炉焚烧。

另一方面，将离子交换设备的反洗后期，正洗后期及再生后期的水引入专用水箱，供下次反洗使用，或者收集到调节池内通过中和处理后，再返回补给水预处理系统作为水体的补给水源，重复利用。

这样做有3个好处：一是节约用水，便于降低自用水量；二是由于回收水中有一定量未使用完的再生剂，有利于降低单耗；三是可以减少再生废水排放量，有利于中和处理。

由于水处理设备排放的废液量减少了，有利于环境保护；加之设备比较简单，投资和运行费用也不高，是一种安全、简单、经济的处理工业废水的方法，国内外应用前景较为广泛。因此，该工业废水处理系统视为废水“零”排放系统。

对于普通的工业补给水处理系统的改造，这种工业废水处理系统，可在保证出水质量非常优良即几乎全部去除原水中的悬浮物、胶态和离子态杂质的前提下，降低酸碱耗量，减少废水排放，运行起来很经济，也是一种行之有效、可靠的方法。

3.循环冷却水处理系统

冷却水在工业用水中占总量的80%～90%。在循环冷却水系统中，要解决5个课题：腐蚀、结垢、粘泥、菌藻和监控，要解决前4个问题近年来都必须加入适当的药剂。现在开发出“全闭式循环冷却水处理系统”可替代3种经典系统。

3.1循环冷却水联合处理法

在工业应用中，经过改进的全闭式循环水冷却和自然水直淋冷却联合法是指：

（1）由水源来的自然水一次性地经过喷淋换热后，全部排放掉不再利用，采用此法自然水水质在利用前后没有明显变化，只是水温有些升高，对自然水不需进行任何处理；对管道、设备等结垢、腐蚀的影响甚微，一般在水源充足的地方，例如有江、大河、水库或海滨等地区，宜采用这种方式。

（2）全闭式循环冷却水经使用吸收富热后，首先经过加热低温原水、再生液等，剩余的贫热通过冷却池传给自然水，再由循环泵送入主体换热器循环使用。

在全闭式循环冷却水处理系统中，由于系统密封得比较严密，冷却水循环流动，不与大气接触。所以冷却水水量损失很少，用水量小，水质一般不发生变化，水处理费用低。另外，循环冷却水在密闭循环过程中几乎不存在盐类的浓缩、C的得失，大气中灰尘和O₂的溶解等；循环冷却水中也几乎没有发生污泥生成和微生物滋长的现象；在水温方面，换热器进口冷却水是常温，出口水温度大都在40℃左右。

现在，由于水源供水日趋紧张以及环境保护的需要（减少废水排放量），当广泛采用此联合方式的冷却水系统时，可使循环水排污率大幅降低，补充水量可大幅减少，达到节水的目的；也可有效防止设备、管道腐蚀和结垢，以及水体污染等问题。

3.2循环冷却水的水质控制

全闭式循环冷却水处理系统对冷却水水质要求高。

（1）投运初期

这种系统在投运初期，需在电导率小于0.1μS/cm、pH＝6.5～7.5的中性高纯水中加入适量的氧气使钢铁进入钝化状态，从而抑制腐蚀。此时水中的氧不但不腐蚀钢铁，反而会促使钢铁表面生成良好的保护膜。实际表明，控制溶氧浓度在50～300μg/L范围内，通常可使多数合金材料实现自钝化。

（2）正常运行

此系统宜以定期补给除盐水处理和部分循环冷却水返回除盐处理。

循环冷却补给水虽经反渗透和二级除盐处理，但由于种种原因，补充水中仍含有一定量的残留盐分。此外，除盐水流过除盐水箱、除盐水泵、管道和换热器时，也会携带少量的悬浮物，溶解气体。以及循环冷却水长期使用后，循环水中微量杂质（包括金属腐蚀产物等）的含量必然有所增加。

由于以上原因，导致了循环冷却水难免被污染，这样的水在全闭式循环冷却水处理系统内，会引起系统装置的缓慢结垢和腐蚀，因此除了应做好定期补充一部分除盐水处理，还要将系统最高、低处的一部分循环水引入补给水除盐处理系统，以去除这些杂质。

其处理的水量宜根据循环冷却水处理系统水质的分析数据是否在可控允许范围内的情况计算确定，一般为循环水流量的1%～5%范围内或更低。

3.3主要设备

3.3.1喷淋式冷却池

在一些场地充足，不怕水滴飞溅的场合下，常以蛇管换热器作为喷淋式冷却器用。在冷却池的运行过程中，被冷却流体在管内流动，冷却水自上喷淋而下。冷却水受热部分汽化成蒸汽，水中盐类在蛇管外壁逐渐浓缩。当水中盐达到过饱和时就可能在受热部位上结晶析出成为水垢。而事实却是：

（1）由于中、高压冷却水自上喷淋而下不断冲刷换热表面，致使水垢不能在表面停留成垢。

（2）又由于流体处在流动状态，因此传热系数大。

（3）加上喷淋冷却水的部分汽化带走了部分热量，传热效果较高。

喷淋式冷却器具有结构简单，价格便宜，材料范围广、能承受高压、操作管理方便等优点。

3.3.2主体换热器

该换热器采用钛管及钛板制成的。钛管一般采用TA1、TA2牌号的钛合金，国产钛管大多是无缝钛管。钛管对氯化物、硫化物、和氨均有较好的耐蚀性，耐冲击腐蚀的性能也较强。可在受污染的海水或悬浮物含量高的水中使用。

综上所述，该全闭式循环冷却水处理系统的选择经技术经济比较确定：一般无须添加各种处理剂进行处理；防垢、防腐技术难度较小；节约用水零排放；运行、维护及管理费用较低；操作简单易行；省去冷却塔的基建；尤为重要的是，换热器中、短时事故渗漏或泄漏对工业生产的安全、经济运行几乎不受影响。

结论

（1）工业水处理联合零排放技术是集合水热的回收与利用、烟道气回收与利用、废水回用及零排放、冷却水循环利用等于一体的水资源整体投资运营模式。

（2）通过采用工业水处理联合零排放技术，解决制约系统安、稳、优生产运行的问题，推动技术进步和技术创新，更好地提高企业经济效益。

（3）工业水处理联合零排放技术所采用的方法革新了经典的水处理工艺，不但大大地节省了能源，简化了水处理工艺过程，提高了其效率，而且其中的一些处理过程是用经典方法所不能完成的。可从环保角度引导企业走向水资源的可持续发展。

（4）工业用水的零排放技术是一类投资效果好、投资利益大的技术；也是全球水排放领域所期待的综合技术。而怎样在综合技术上继续创新，使水资源的可持续运用变为现实，就需要不断更新零排放技术，并体现废水处理的实际价值。

符号说明

pH——水中氢离子的浓度

RO——反渗透

SDI——淤塞指数（微量固体颗粒的水质 指标）

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[4]陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理[M].北京：化学工业出版社，2006：1-259.

Comprehensive management and utilization of industrial wastes is an important measure for modern industrials. The reuse of waste heat, tail gas, sewage and slag could not only reduce production cost, but also avoid pollutions to the community. To reduce the use of water and improve the recovery of waste water, a combination of several methods is often applied to meet the processing requirements. Comprehensive zero-emission technology, which integrates the recovery and reuse of water-heat, flue gas and waste water, zero-emission of waste water and recycling of cooling water, has emerged as an overall investment operation mode for industrial water resources.

flue gas; supply water; cooling water; waste water; water heat; recovery; environment

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