工业循环冷却水旁流软化-净化处理工艺设计.doc

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TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVOl-33No.4Apr.,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()和反渗透工艺()等三个单元,可以构成I,I+或I+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-stagesidestreamtreatment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0500mg/L和混凝剂015mg/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36,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:139582288781Email:.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40000m3/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840m3/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Table1Makeupwateramdcycliccoolingwaterquality由原水水质可见,该循环冷却水硬度(3OOmetE),碱度(150mg/L)高,pH(8.58.9)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,2EquilibriumdiagramforthesystemSwaterqualityandwaterquantity2.1.3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24h.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.3Equilibriumdiagramforwaterqualityandwaterquanityaftertreatmentby3-stage3.2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HydranauticsRODesignSoftwarev.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GA0Huas