循环水系统自排污水回用工艺技术

崔小刚,肖光辉,张学峰

(1.湖北本心环保科技股份有限公司，湖北 武汉 430074;2.中国石油化工股份有限公司石家庄炼化分公司，河北 石家庄 050032)



循环水系统自排污水回用工艺技术

崔小刚1,肖光辉2,张学峰2

(1.湖北本心环保科技股份有限公司，湖北 武汉 430074;2.中国石油化工股份有限公司石家庄炼化分公司，河北 石家庄 050032)

介绍了循环水自排污水回用工艺技术的工艺流程和除浊、软化和脱盐等技术原理，计算出自排水的回用率和脱盐率分别可达85 %和90 %以上，同时回用水水质优于新鲜水。进一步分析了自排污水回用后循环水腐蚀加重的原因是由于补充水变软、引入更多的腐蚀性离子、缓蚀剂有效浓度不足等造成；并提出应用专用阻垢缓蚀剂，使自排水回用率控制在80%、脱盐率在90%以上的解决方案。从节水、减排、节省药剂和提高浓缩倍数等几个方面对该技术进行了分析，浓缩倍数从2.85提高到4.88，新鲜水量降低了32.4%，外排污水量降低了94.8%，阻垢缓蚀剂耗量降低了37.5%。经济效益为118.78×104RMB￥/a，投资回报期为3.2 a，效益非常明显。

循环水 污水回用 浓缩倍数 腐蚀 节水减排

中国石油化工股份有限公司石家庄炼化分公司化纤事业部某循环水系统于2005年10月开始应用循环水自排水回用工艺，虽然取得了一定的节水减排效果，但一直存在着循环水药剂缓蚀组分比例失调、腐蚀严重超标、浓缩倍数低等问题。2010年5月与武汉某公司合作，对原自排污水处理系统进行了技术改造，并停用原阻垢缓蚀剂，改为应用其专用阻垢缓蚀剂，很好地解决了困扰数年的自排水回用带来的循环水腐蚀问题，不仅各项水质技术指标明显提高，而且取得了良好的节水减排效果。

1 工艺流程与技术原理

1.1 工艺流程

循环水系统自排水的软化除硬、除浊有石灰

法、加药沉淀法和絮凝法等。常用脱盐方法有：蒸发、离子交换、电渗析和反渗透等。采用离子交换树脂法导致树脂失效快、再生频繁、酸碱耗量大和运行费用高，同时产生大量的酸碱废水；蒸发法脱盐系统投资高、热交换系统易结垢，对运行维护的要求及成本较高；反渗透法脱盐具有脱盐率、水回收率高的优点，对进水水质要求高，必须进行合理的预处理。投资高，一般用于对水质要求比较高的场合。利用电渗析法脱盐，设备操作简单，不须酸碱再生，制水成本低，依靠水中离子来传递电流，对进水要求不高，更适合排污水脱盐后回用。其工艺流程见图1。

图1 软化-电渗析处理组合工艺流程

循环水系统自排水(或旁滤反冲水)经排污泵在管道内与氢氧化钠溶液混合后，从底侧进入反应罐，控制反应罐污水pH值为碱性(氢氧化钠溶液的加入量由自清洗式pH计反馈PLC自动控制)。反应后的自排水由反应罐顶部经污水槽进入沉降池，沉降约2 h后溢流至填料过滤器进行一级过滤，沉淀物从沉降池底部排放。再用硫酸调节软化后排污水pH值中性(硫酸的加入量由自清洗式pH计反馈PLC自动控制)，进入清水槽，再进行精过滤后进入电渗析脱盐系统，软化-脱盐后的再生水返回循环水系统，脱盐浓水排放。

1.2 技术原理

循环水系统自排水经过NaOH化学降硬软化处理后经过沉降，将Ca2+和Mg2+转换为Na+的

(1)氢氧化钠法软化。用NaOH作软水剂除去自排水中钙镁硬度。调节自排水pH值为碱性。

(2)除浊。循环水在浓缩过程中浊度会升高。还有些循环水系统将自排水作为旁滤系统的反洗水，反洗滤池后的排污水浊度会更高。因此，在设计循环水系统自排水回用处理工艺过程中需要考虑将这两部分自排水进行除浊处理，见图2。

图2 循环水系统自排水除浊工艺流程

循环水中含有一定量的阻垢缓蚀剂，阻垢缓蚀剂中的某些成分在一定碱性条件下，会部分产生具有絮凝作用的氢氧化物。在反应器和沉降池中，由于氢氧化物的絮凝作用，自排水和反冲水中的悬浮物基本上会沉降下来，使沉降池出水浊度保持在20 NTU以下。经过过滤器后，少量的悬浮物进一步被脱除，使出水浊度降至在2 NTU以下。

(3)用浓H2SO4调pH值为中性后，进入电渗析系统脱盐。

2 效果分析

2.1 回用水水质分析

新鲜水、循环水和回用自排水水质比较见表1。

表1 3种水水质比较

注：总硬度、总碱度和Ca2+的质量浓度均以CaCO3计，以下同。

由表1可见，循环水系统自排水经软化-电渗析处理后：

(1)总硬度和总碱度显著降低，自排水被软化；电导率下降，说明自排水被脱盐；

(2)回用自排水浊度低于循环水；

(4)处理后的自排水比新鲜水更软、盐分更低，如果取代部分新鲜水回用，更有利于循环水在高浓缩倍数下运行。

2.2 自排水回用率与脱盐率

循环水系统自排水经软化-脱盐后的回用率为85%以上，只有不足15%的自排水以沉渣和浓水形式损失掉；该工艺对自排水的脱盐率达90%以上，可有效降低循环水中的盐分。

2.3 循环水水质

循环水系统自排水回用前后主要水质指标见表2。

表2 循环水系统自排水回用前后主要水质指标的比较

由表2可见，自排水的回用改善了循环水水质，电导率虽然升高，但循环水的腐蚀性进一步降低；pH值和[Ca硬度+总碱度]的降低减弱了循环水结垢的倾向，表现为监测换热器的黏附速率下降。

3 问题与讨论

3.1 自排污水回用后循环水的腐蚀加重

3.1.1 腐蚀原因分析

在2005年10月开始应用自排水回用技术以来，一直存在循环水腐蚀严重超标的问题，平均腐蚀速度达0.155 mm/a。该问题直到2010年5月应用武汉某公司的自排水回用专用阻垢缓蚀剂后才得以较好解决。分析循环水自排水回用后腐蚀超标的原因大致有以下几方面。

(1)使循环水系统补充水变软。循环水系统自排水经软化-脱盐后，去除了95%以上的硬度和碱度，脱除了90%以上的盐分。软化-脱盐后的自排水比新鲜水更软，因而使循环水系统的补充水变软。补充水的软化虽然有利于提高浓缩倍数，但大大加重了循环水的腐蚀性。

(3)循环水中缓蚀剂有效浓度不足。软化-脱盐系统对自排水中磷酸盐缓蚀剂不能完全脱除，通过回用自排水，把本应排放掉的部分有机膦又重新返回了循环水系统，也使本不应该含任何水处理药剂的补充水含了有机膦。但是在实际生产中，循环水系统阻垢缓蚀剂投加量是按照水中的总膦而计算的，所以随着回用自排水增加，通过补水进入循环水系统的有机膦聚集越多，会导致有效阻垢缓蚀剂的投加量不足，并逐渐减少。

3.1.2 腐蚀问题解决措施

(1)应用自排水回用专用阻垢缓蚀剂。武汉某公司的自排水回用专用阻垢缓蚀剂是针对循环水系统自排水回用后引起循环水腐蚀加重的问题而专门研发的专利产品。该剂由P-W-Zn三元杂多酸无机高分子缓蚀剂、多羟基羧酸盐有机缓蚀剂、BTA、共聚物阻垢分散剂等药剂组成，其缓蚀组分通过软化-除盐系统脱除比例完全一致，有利于循环水中药剂的重复使用和稳定控制。根据本循环水场自排水回用应用证明，使用该剂循环水的腐蚀已被有效控制。

(2)自排水回用率与脱盐率与回用率控制。控制自排水回用率在80%以上，脱盐率在90%以上，保持回用自排水水质稳定，从而保证循环水系统的补水性质稳定。

3.2 浓缩倍数的测定问题

(1)不能用经验方法直接测定浓缩倍数的原因。浓缩倍数是指循环冷却水中，由于蒸发而浓缩的物质含量与补充水中同一物质含量的比值，或指补充水量与排污水量的比值。在实际测量中，通常为循环冷却水的电导率值与补充水的电导率之比。但循环水系统自排水回用后，循环冷却水中已没有一种因蒸发浓缩而与补充水保持一定比例的物质，而排污水又部分回用于循环水系统中，给浓缩倍数的测定带来了麻烦。

循环水系统自排水经软化-脱盐处理后，可溶性盐分被脱除，其电导率取决于该处理系统的运行情况，是变数，所以用循环冷却水的电导率值与补充水的电导率之比不能表征循环水系统的浓缩倍数。所以不能只通过测定循环水和补充水的电导率方法来计算浓缩倍数。

(2)浓缩倍数的计算公式。循环水系统自排水软化-脱盐回用于循环水系统时，其水量、盐分平衡见图3。

图3 循环水系统水量和盐分平衡示意

由图3可知：Q为流量，m3/h；D为对浓缩倍数起制约作用的盐的质量浓度(无准确数据时可用总溶解固体代替)，mg/L；Si为电导率，μS/cm；mx，k为新鲜水补充水；mh为回用水补充水；B为排污，E为蒸发水；α为自排水回用率，α=Qmh/QB，%；β为自排水脱盐率，β=(DB-Dmh)/DB=(SB-Smh)/SB，%。

自排水回用循环水系统浓缩倍数(N)，其公式：

N=(Qmx+QB)/Qmh

相同排污量QB的情况下，自排水不回用循环水循环水系统浓缩倍数N0。

N0=Qmx/QB=DB/Dmx=SB/Smx

(1)

根据循环水盐分平衡：

QmxDmx+QmhDmh=QBDB

(2)

将Qmh= αQB、Dmh=(1-β)DB代入(1)得：

QmxDmx+αQB(1-β)DB=QBDB

(3)

(4)

由式(4)可见，自排水回用后，循环水浓缩倍数的计算变得复杂起来，不仅与补充的新鲜水、循环水和回用自排水的盐分含量有关，而且还与经软化-脱盐系统处理的自排水回用率及其脱盐率有关。

比较式(1)和(4)，N>N0。即在相同排污量的情况下，自排污水的回用，可以提高浓缩倍数。

4 经济技术分析

循环水系统自排水回用经济技术分析数据见表3。

由表3可见，循环水系统自排水回用工艺技术节水减排效果明显。浓缩倍数从2.85提高到4.88，新鲜水量降低了32.4%，外排污水量降低了94.8%，阻垢缓蚀剂耗量降低了37.5%。除去自排水处理成本，经济效益为118.78×104RMB￥/a，投资回报期为3.2 a。

表3 循环水系统自排水回用经济技术分析

5 结 论

(1)循环水系统自排水回用工艺处理的回用水水质优于新鲜水，自排水的回用率可达85%以上，脱盐率可达90%以上。

(2)循环水系统的自排水回用，会导致循环水腐蚀性增强。应用专用阻垢缓蚀剂，解决了自排水回用后带来的循环水腐蚀问题，进一步提高了循环水水质。

(3)循环水系统自排水回用工艺技术节水减排效果明显。浓缩倍数从2.85提高到4.88，新鲜水量降低了32.4%，外排污水量降低了94.8%，阻垢缓蚀剂耗量降低了37.5%。减去自排水处理成本，经济效益为118.78 ×104RMB￥/a，投资回报期为3.2 a。

(编辑 寇岱清)

Technology of Reutilization of Self-drained Wastewater from Cooling Water System

CuiXiaogang,XiaoGuanghui,ZhangXuefeng

(1.HubeiBenxinEnvironmentalProtectionHi-techCo.,Ltd.,Wuhan430074，China; 2.SINOPECShijiazhuangRefining&ChemicalCo.,Ltd.,Shijiazhuang050032,China)

The process for reutilization of self-drained water from cooling water system is introduced and the technical principles of turbidity removal, softening and desalting are described. The calculated reutilization rate self-drained waster water can reach up to 85 % and the desalting rate is 90%, while the quality of reutilized water is better than that of fresh water. The causes of the increased corrosion of the cooling water are mainly the increasing softening of water supply, the introduction more corrosive ions and the insufficient effective concentration of corrosion inhibitor. It is recommended to use dedicated corrosion & fouling inhibitor to control the reutilization rate of self-drained water at or above 80% and the desalting rate at more than 90%. The technology is analyzed in respect of water saving, emission reduction, chemical reduction and the concentration factor improvement. The concentration factor is increased from 2.85 to 4.88, the fresh water consumption is reduced by 32.4 %, and the waste water drainage is lowered by 94.8%, and the consumption of fouling inhibitors is reduced by 37.5%. The economic benefit is 11.878 million Yuan (RMB) a year. The return of investment is 3.2 years and the economic profit is remarkable.

cooling water, wastewater reutilization, concentration multiple, corrosion, water saving and discharge reduction

2015-10-08；修改稿收到日期：2015-12-22。

崔小刚(1980-)，工程师，2003年毕业于华中科技大学化学系，现在湖北本心环保科技股份有限公司从事污水处理方面的工作。E-mail：cxgng@163.com