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关键词：循环冷却水；零排污；高浓缩倍数；节水降耗
中图分类号： S210.4 文献标识码：A
引言
耗水量高，重复利用率低，是中国工业系统水资源利用的突出问题。因此，节约工业冷却水，使有限水资源得到最大限度利用，是工业领域节水工作的重中之重。随着现代建设飞速发展，对水资源需求又与日俱增，水已成为中国经济和社会发展的宝贵资源，节约用水已成为党和国家的重要政策。
1 技术背景
中国人口总数超过世界总人口的1/5，但水资源却不足世界总量的10%，而人均水量更是仅为世界平均的25%，被联合国认定为水资源缺乏国。不仅如此，水资源在中国分布也十分不均匀，长江以南区域占中国水总量的4/5，而这一区域仅为中国总面积的1/3，但广大北方地区的水利却仅有1/5。基于此中国于2012年颁布了《最严格水资源管理制度》，通过这一“最”字可看出水资源的缺乏程度，也体现了中国对于水资源的优化管控的坚定信念。
中国工业水平不断提升，淡水消耗量也不断增长，这使得原本水资源不足的北方地区面临更为缺水的严重现状，相关研究显示，中国人均水量约为2 400 t，但北方地区的却不足这一数据的1/10。在城镇用水中，用于工业用途的比例占3/5～4/5，这其中工业冷却循环用水是工业总用水的4/5左右，同时中国工业用水没有建立有效循环利用机制，重复利用仅为2/5，由此可见，水已经成为中国经济和社会发展的宝贵资源。节约用水已成为党和国家的重点工作目标。
2 循环冷却水系统的利用现状与其中的问题
冷却水在循环系统中进行循环利用，但在实际运用中，因设计不足等诸多因素会造成资源浪费，进而引起诸多问题产生。
2.1 冷却水量的变化
冷却水量不但会根据季节不同有所改变，还会根据热交换设备热负荷进行改变，但如果冷却水量发生变化，而循环水泵继续采用统一方式运转，那么必然会降低运行效率，造成能源浪费，因此需要根据冷却水量不同，及时调节循环水泵。
2.2 冷却塔
冷却塔的设计工况通常以大于运行条件为设计标准，但此种不利条件仅仅为1 a中一小部分时间，而其余时间则无需保持设计的冷却能力，这样也会浪费风机能源及电能，因此应当对冷却塔风机运行方式采取优化调节，以最少能源消耗实现冷却能力。
2.3 冷却池
虽然冷却池运行简单、取水便利，但冷却池容易受到太阳辐射、夏季高温等方面影响。且易于淤积，还会因清理困难造成环境污染，因此通常冷却池仅适合冷却水量大，冷却水温不严格，且存在可以利用的水库、洼池、河、湖泊等的地区。
3、水垢的危害
水垢化学性质十分稳定，不仅会影响热交换率、消耗能源（1 mm厚水垢能多消耗10％能源），且过多水垢会堵塞水管，使水流变小，以致带来安全隐患。对热水工程进行适当水处理，可使热效率提高20%～40%左右，设备使用年限提高1倍～2倍，设备维修率下降20%～30%。
循环水系统中最易生成的水垢是CaCO3垢，水垢控制即是防止CaCO3析出，大致有以下几类方法。
3.1 药剂法
循环水是工业企业的血液，在循环水中投加阻垢剂，破坏CaCO3的结晶增长过程，以达到控制水垢形成的目的，这也是目前应用最广泛的方式。
当今中国一半以上工业循环水都是通过传统方法进行：阻垢剂、杀菌剂、消泡剂及加酸等多种方式，浓缩倍率通常为2倍～4倍，因此为了防止结垢与腐蚀，需要排污处理，个别企业排污后进行统一处理，之后回用，此种方式无疑使污水处理费用大幅提高。如此一来生化与回收的费用就达到4元/m3，回收75%再生水的费用近2 000×104元。这种方式不但花费高，还不能使盐浓缩等问题彻底解决，同时因为各类水处理剂投入，大大加大了运行成本。
3.2 软化法
a) 离子交换树脂法。去除补水中盐分使循环水不结垢，但系统腐蚀率是未处理补水腐蚀率的3倍。设备腐蚀产生铁垢一样会影响生产，且设备寿命大打折扣，运行成本高且污染环境产生废水，系统大小受限；
b) 补水通过反渗膜处理。此法投资极大，且容易生成部分无法被处理的高浓盐水。
3.3 物理法
主要包括电磁、电解与电吸附等方式，但此种技术还有待深入研究，效果较差。
4、循环冷却经济运行的关键点
减少循环水的总溶解固体和浊度，提高浓缩倍数，整体改善循环水水质，这也即为循环冷却经济运行的关键。总之，需通过此种方式，实现减少处理所需成本，降低污染，节水h环保的最终目标，具体见表1。
表1 不同浓缩倍数系统补水量以及排污水量
5、循环冷却水处理和零排放新技术
分析循环水传统方法的弊端，为有效克服传统工艺不足，新工艺新技术应包含以下几点；a) 药剂应具有优良除垢阻垢、缓蚀、预膜和抑制菌藻生长的作用；b) 通过合理系统设计，配备合理设备后，要基本实现零排污。
5.1 新工艺对药剂的要求及其原理
水体中的Ca2+、Mg2+（用其离子化学符号表示）、硅硫酸盐等可溶性离子及微量金属离子在水循环过程中可形成特定形貌的晶体并沉积在换热面上而形成结垢。以水中主要结垢成份Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2为例，2种碳酸氢盐形成菱面体状晶体并紧密堆积是造成结垢的主要原因。因此，寻找一种能与Ca2+、Mg2+（用化学符号表示）形成固定反应的药剂，使结垢离子晶格异变或不易结晶是防垢的一条可行路径。研究表明具有特定配位基团的LJ-120药剂可使CaCO3（用化学符号表示）晶体由菱面体状转变成圆球状（见图1、图2），使之不易在金属表面上着落结垢。
图1 无阻垢剂情况下CaCO3晶体的SEM照片
图2 加入阻垢剂之后的CaCO3晶体电镜照片
除了有效防垢外，新药剂还应具有除垢、缓蚀及抑制菌藻的能力。除垢能力是指在正常生产运行中，不用停产，原有设备上的老垢在药剂中改性木质素磺酸钠（LSA）对晶体产生了晶格畸变作用。这是由于LSA不仅能与水中的Ca2+形成稳定螯合物，同时还能与碳酸钙晶体面上的Ca2+发生螯合作用。从空间位阻来看，LSA较易与晶体扭折位置处的Ca2+螯合，形成的螯合物占据了晶体正常生长的晶格位置。结果晶体就不能按正常规律生长，晶体晶格歪扭，晶粒间聚集困难。即使晶体继续长大，由于螯合剂被镶嵌在继续生长的晶体中，这种晶体较不稳定在环境条件变化时，晶体易碎裂，形成外形不规则的小晶体。这些晶格畸变所形成的垢，难以密致和牢固的附着在设备接触面上，为酥松软垢形式，可轻易的被水流冲走。进入到沉淀池中或旁流的分离系统里。此种除垢法可将结垢在正常运行中自然消除，防止因化学清洗与管线更换所产生的费用，且不会造成污水及废水的排放，虽然所需时间较长，但不用中断生产，不耗费电能，真正做到了循环水系统免维护，为企业带来了良好经济效益。
而药剂的缓蚀性能得益于产品中的某元素呈现出多阴离子和氧化物特征，在与氯的吸附竞争中以其较强的络合作用优先吸附在金属表面并形成吸附层，阻碍了氯对金属的吸附，同时防止溶解氧在金属表面的还原，抑制了溶解氧的腐蚀。其极强的预膜，能使阴极得到钝化，还能阻隔空气或水中的氧、二氧化碳、酸根离子和多种腐蚀性物质的侵害腐蚀，从而减少了点蚀和垢下腐蚀。有效保护循环水管道，延长设备使用寿命。
此外，新药剂还应在合适的pH范围内工作，研究表明弱碱性环境可有效破坏微生物生存条件，抑制菌藻生长。同时，由于药剂可使循环水中多价金属离子被络合，并逐渐转化为不溶性沉淀物，菌藻失去了赖以生存的可溶性微量营养元素。研究表明，LJ-120药剂在防垢、除垢、缓蚀及抑制菌藻等方面具有良好性能,图3为结垢物的常见固态图。
图3 结垢物的常见固体形态图
5.2 新工艺对设备的要求及设计
a) 菌藻控制器。循环水随着夏季温度升高，各种细菌及藻类繁殖盛行，目前绝大部分厂家都是投加化学药剂治理菌藻。不仅环保成本高，药剂投入也更为繁琐。加装菌藻控制器能使90%以上微生物被杀死，减少了化学药品的使用，保护了生态环境。
b) 循环水池中污泥处理。新工艺为高倍率运行，循环水浊度极高，水池底部污垢相应增大，随着时间拉长，水池底部淤泥污垢需要清理，添加一套污泥处理器；
c) 水质净化器。由于新工艺基本不排污，浊度自然增大。为降低循环水浊度需安装水质净化装置，使循环水浊度符合国家标准。
6 结语
