凈化廠回用水對(duì)循環(huán)水影響及控制措施研究

黃剛?cè)A 鄭凱 黃麗華

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.國(guó)家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心 3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司高含硫氣藏開采先導(dǎo)試驗(yàn)基地

1 凈化廠回用水及循環(huán)水腐蝕狀況

隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)用水量也日益增長(zhǎng)，水資源的供需矛盾漸漸凸顯出來。2011年全國(guó)水資源總量為23 256.7×108m3，同比卻下降16.1%[1]。2011年全國(guó)工業(yè)用水占總水量的60%以上，其中循環(huán)冷卻水的用量高達(dá)85%～90%[2]，特別是火電行業(yè)循環(huán)冷卻水需求量很大。

本研究主要調(diào)研并分析了川渝某凈化廠補(bǔ)充水來源與水質(zhì)，室內(nèi)研究了凈化廠回用水對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的影響及控制措施，以保障凈化廠的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

水質(zhì)的腐蝕性主要通過旋轉(zhuǎn)掛片法來考察，具體實(shí)驗(yàn)方法參照GB/T 18175-2014《水處理劑緩蝕性能的測(cè)定 旋轉(zhuǎn)掛片法》[11]。試片采用20#碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試片(40 mm×20 mm×3.5 mm)，采用失重法計(jì)算平均腐蝕速率。試驗(yàn)水樣為人工模擬水，實(shí)驗(yàn)溫度45 ℃，轉(zhuǎn)速75 r/min，掛片時(shí)間72 h。水質(zhì)的結(jié)垢性參照碳酸鈣沉積法[12]。

3 結(jié)果和討論

3.1 系統(tǒng)介紹

川渝某凈化廠循環(huán)水系統(tǒng)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“零排放”，由電滲析水和蒸發(fā)結(jié)晶水作為系統(tǒng)的補(bǔ)充水。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水和鍋爐房排污水等較為清潔的生產(chǎn)廢水進(jìn)行電滲析處理，生產(chǎn)的淡水用作循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水，濃鹽水進(jìn)入零排放處理單元進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶處理。零排放處理單元采用蒸發(fā)結(jié)晶工藝，將污染物從污水中析出，產(chǎn)品水回用作循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水，最終實(shí)現(xiàn)零排放，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)水量約為1 600 t/d，保有水量1 200 t，旁濾水量為循環(huán)水量的5%。系統(tǒng)的補(bǔ)充水設(shè)計(jì)有電滲析水、蒸發(fā)結(jié)晶水、自來水。電滲析裝置主要依靠電吸附去除水中的離子，蒸發(fā)結(jié)晶利用多效蒸發(fā)水樣為蒸汽，然后冷凝為液體的方式凈化水質(zhì)。系統(tǒng)中，電滲析主要處理循環(huán)水、鍋爐水的排污水；蒸發(fā)結(jié)晶主要處理電滲析的濃水，最后產(chǎn)固體鹽，旨在達(dá)到“零排放”。目前，實(shí)際循環(huán)水補(bǔ)充水主要由電滲析水、蒸發(fā)結(jié)晶提供，平均每天提供水量分別約為300 t、250 t。目前，系統(tǒng)溫差約為4 ℃，蒸發(fā)水量約為250 t。

3.2 回用水對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行影響

3.2.1回用水及循環(huán)水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)收集并分析循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)、電滲析的水質(zhì)、蒸發(fā)結(jié)晶的水質(zhì)，并確定電滲析和蒸發(fā)結(jié)晶的產(chǎn)水水質(zhì)，為室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)提供水質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)連續(xù)10天的循環(huán)水水質(zhì)如圖2所示。圖2中Ca2+含量、堿度均以碳酸鈣計(jì)。

表1 補(bǔ)充水水質(zhì)Table1 Make?upwaterqualityanalysis水質(zhì)ρ(Ca2+)，碳酸鈣計(jì)/(mg·L-1)總硬度(碳酸鈣計(jì))/(mg·L-1)總堿度(碳酸鈣計(jì))/(mg·L-1)pH值電導(dǎo)率/(μs·cm-1)濁度/NTUρ(Cl-)/(mg·L-1)ρ(SO2-4)/(mg·L-1)R．S．I．電滲析水15．0020306．622950．513745．39．65蒸發(fā)結(jié)晶水75．20102636．902202．511927．37．56

由圖2可以看出，循環(huán)水在運(yùn)行過程中，水質(zhì)有一定波動(dòng)性，并且Ca2+含量、堿度均低于300 mg/L，此種水質(zhì)處于低堿度低硬度范圍。依據(jù)所測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，計(jì)算水質(zhì)的穩(wěn)定指數(shù)(R.S.I.)，根據(jù)Ryznar提出的經(jīng)驗(yàn)公式R.S.I.=2pHs - pH來作為判斷水質(zhì)的依據(jù)(pHs=9.3+A+B-C-D，其中A、B、C、D分別為總?cè)芄?、溫度、Ca2+含量及堿度系數(shù)，并把2pHs-pH的差值稱為穩(wěn)定指數(shù))。經(jīng)過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定指數(shù)均在6.8以上，水質(zhì)呈明顯的腐蝕性(當(dāng)穩(wěn)定指數(shù)大于6.0時(shí)，水質(zhì)表現(xiàn)出腐蝕傾向[3])。 此外，運(yùn)行中的Cl-質(zhì)量濃度最高為530 mg/L，很容易引起點(diǎn)蝕，給腐蝕控制帶來一定困難。

實(shí)驗(yàn)分析了電滲析和蒸發(fā)結(jié)晶的水質(zhì)，如表1所列。

由表1可看出，電滲析和蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)均可以有效地去除水中的離子，出水離子含量較低，但是通過計(jì)算穩(wěn)定指數(shù)，發(fā)現(xiàn)均大于6.0，電滲析的穩(wěn)定指數(shù)甚至達(dá)到了9.65，處于強(qiáng)腐蝕性水質(zhì)范圍。因此，此類水質(zhì)在濃縮倍數(shù)不高的情況下呈腐蝕性。

3.2.2回用水對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的影響

從現(xiàn)場(chǎng)取回電滲析水、蒸發(fā)結(jié)晶水、循環(huán)水，采用旋轉(zhuǎn)掛片法來測(cè)定實(shí)際水樣的掛片腐蝕速率，結(jié)果見表2。

表2 實(shí)際水樣腐蝕速率Table2 Corrosionrateofwatersamples水樣電滲析水蒸發(fā)結(jié)晶水循環(huán)水腐蝕速率/(mm·a-1)1．511．171．04

3種水質(zhì)的室內(nèi)掛片腐蝕速率均很高，最低的循環(huán)水也約有1.04 mm/a，顯示出較強(qiáng)腐蝕性，并且腐蝕速率為：循環(huán)水<蒸發(fā)結(jié)晶水<電滲析水，與Ca2+含量、堿度有較好的相關(guān)性。表明具有一定Ca2+、Mg2+含量的水質(zhì)的腐蝕性更低，與楊培燕等[13]的研究結(jié)論一致。電滲析水由于Ca2+、Mg2+含量最低，也因此其腐蝕性更強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)掛片顯示腐蝕速率高達(dá)1.51 mm/a，在3種水樣中最大。

為了考察回用水對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的影響，依據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，計(jì)算了不同濃縮倍數(shù)和不同比例的電滲析和蒸發(fā)結(jié)晶水質(zhì)的穩(wěn)定指數(shù)(見圖3)。圖3中，電滲析水∶蒸發(fā)結(jié)晶水(以下簡(jiǎn)稱為電∶結(jié)晶=1∶3)，表示電滲析水和蒸發(fā)結(jié)晶水的補(bǔ)充比例為1∶3。

圖3可用來預(yù)測(cè)此類水質(zhì)在不同濃縮倍數(shù)下的腐蝕與結(jié)垢性。從橫向上看，隨著濃縮倍數(shù)的提高，水質(zhì)的腐蝕性降低，結(jié)垢性增加；從縱向上看，隨著蒸發(fā)結(jié)晶水比例的增加，水質(zhì)的腐蝕性降低，結(jié)垢性增加，這主要是由于蒸發(fā)結(jié)晶水中的Ca2+、Mg2+含量相對(duì)較高的原因。

循環(huán)水處理工程師經(jīng)常將循環(huán)水水質(zhì)的穩(wěn)定指數(shù)控制在4.7～6.0之間，水質(zhì)偏結(jié)垢一點(diǎn)，以使在換熱器表面生成一層極薄的致密碳酸鈣膜層，降低水對(duì)換熱器的腐蝕性。另外，目前很多水處理用緩蝕劑的效果是跟Ca2+含量成正比的。因此，單獨(dú)以電滲析水為補(bǔ)充水時(shí)，建議濃縮倍數(shù)提高至9倍以上，其他水質(zhì)依據(jù)Ca2+、Mg2+含量也應(yīng)該達(dá)到5倍以上，才有助于控制水質(zhì)的穩(wěn)定。但是凈化廠在實(shí)際運(yùn)行中，由于“零排放”的要求，其補(bǔ)充水量遠(yuǎn)大于所需水量，導(dǎo)致其濃縮倍數(shù)較低，僅為2倍左右，并沒有控制在微結(jié)垢狀態(tài)，因此涼水池掛片顯示腐蝕速率較大。

3.3 回用水后循環(huán)水系統(tǒng)的控制措施研究

針對(duì)低堿度低硬度的補(bǔ)充水質(zhì)，很多學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的藥劑開發(fā)[14-16]，本研究在室內(nèi)復(fù)配出水處理劑a、b、c，主要成分為有機(jī)磷酸，通過與硫酸鋅的協(xié)同作用，提高緩蝕劑的成膜性能。以電∶結(jié)晶為1∶1的添加量為補(bǔ)充水，在濃縮倍數(shù)兩倍的情況下，采用旋轉(zhuǎn)掛片法與碳酸鈣沉積法進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)。

由表3篩選評(píng)價(jià)結(jié)果得知，藥劑b的緩蝕效果優(yōu)良，達(dá)到了91%，比較適應(yīng)此類低Ca2+含量的水質(zhì)。實(shí)際循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)具有一定波動(dòng)性，因此實(shí)驗(yàn)以系統(tǒng)最低運(yùn)行水質(zhì)為基礎(chǔ)，考察了在ρ(Ca2+)+堿度為200～600 mg/L水樣中，藥劑b的緩蝕效率及最優(yōu)使用量，結(jié)果見表4。

表3 藥劑緩蝕效果評(píng)價(jià)Table3 Comparisonofwatertreatmentchemicalsa，b，andconcorrosioninhibition補(bǔ)充水濃縮倍數(shù)腐蝕速率/(mm·a-1)藥劑種類緩蝕效率/%濃縮2倍1．0770空白濃縮2倍0．3172藥劑a70．6濃縮2倍0．0880藥劑b91．8濃縮2倍0．7430藥劑c31．1

表4 水處理劑b緩蝕效果評(píng)價(jià)Table4 Effectsofwatertreatmentchemicalboncorrosioninhibitionρ(Ca2+)+堿度(以碳酸鈣計(jì))/(mg·L-1)藥劑使用量/(mg·L-1)腐蝕速率/(mm·a-1)緩蝕效率/%200空白1．0487200500．183982200600．071593200800．015398400空白0．5212400600．025195600空白0．4047600600．037492

表4結(jié)果顯示，ρ(Ca2+)+堿度為200～600 mg/L范圍內(nèi)，藥劑b在60 mg/L以上的投加量下顯示出良好的緩蝕效果，均高于90%。此外，對(duì)比3種水樣的空白腐蝕速率，發(fā)現(xiàn)隨著ρ(Ca2+)+堿度的升高，水樣的腐蝕速率呈下降趨勢(shì)，ρ(Ca2+)+堿度為600 mg/L的水樣比ρ(Ca2+)+堿度為200 mg/L水樣的腐蝕速率下降了61.41%。這也說明低Ca2+含量水的腐蝕性較強(qiáng)，與穩(wěn)定指數(shù)分析結(jié)論一致。

實(shí)驗(yàn)同時(shí)對(duì)藥劑b在ρ(Ca2+)+堿度為600 mg/L的水樣(高于系統(tǒng)運(yùn)行Ca2+含量)條件下進(jìn)行的阻垢測(cè)試表明(見表5)，藥劑b阻垢率達(dá)到了91%，阻垢性能良好，比較適合于凈化廠目前運(yùn)行的水質(zhì)。

表5 藥劑b的阻垢效果評(píng)價(jià)Table5 EffectofwatertreatmentchemicalboninhibitingCaCO3scaleρ(Ca2+)+堿度，(以碳酸鈣計(jì))/(mg·L-1)ρ(試前Ca2+)，以碳酸鈣計(jì)/(mg·L-1)ρ(試后Ca2+)，以碳酸鈣計(jì)/(mg·L-1)藥劑種類阻垢效率/%60028685空白600286268加藥91%

4 結(jié) 論

(1) 水質(zhì)分析表明，川渝某凈化廠的兩種補(bǔ)充水(電滲析水與蒸發(fā)結(jié)晶水)的穩(wěn)定指數(shù)均大于6.0，屬于強(qiáng)腐蝕性水質(zhì)。在實(shí)際循環(huán)水濃縮倍數(shù)較低的情況下，由于補(bǔ)充水Ca2+、Mg2+含量低，導(dǎo)致循環(huán)水水質(zhì)屬于低堿度低硬度水體，腐蝕嚴(yán)重。

(2) 針對(duì)凈化廠循環(huán)水目前存在的問題，建議凈化廠運(yùn)行應(yīng)平衡廠區(qū)的水量，降低補(bǔ)充水量，將循環(huán)水水質(zhì)控制在微結(jié)垢的狀態(tài)。同時(shí)，建議投加相適應(yīng)的水處理藥劑b，并重視循環(huán)水系統(tǒng)的日常管理。

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