浅谈工业循环水水质稳定方法

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摘 要：我国是一个严重缺水的国家，随着我国经济实力的崛起，水资源短缺这一现实也日益突显，工业领域节水事关全局，而工业用水中的70%～80%是用于冷却水，因此选择先进、适宜的循环冷却水的水质稳定处理方法将会产生巨大的节水成效。本文对电化学法水质稳定技术进行了浅谈，并与传统循环水水质稳定方法---化学药剂法进行了比较。
关键词：工业循环水;电化学;化学药剂法;水质稳定
中图分类号：TU834 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）09-0004-01
1 现状及问题
循环水在运行过程中会沉析出大量的溶解盐类附着于设备和管道的内壁上，这种沉积物称为水垢。循环水还会直接或间接地对循环水系统内的设备和管道进行腐蚀，对于循环水系统来说都是十分有害的。水垢大量沉积不仅会堵塞管道同时会使热交换器的传热效率降低。腐蚀将会造成设备使用寿命缩短，维修费用增加，甚至造成事故，影响安全生产。因此循环水处理问题愈来愈引起人们的重视。
循环水水质稳定的传统药剂处理方法需要较大的人工劳动。目前，虽然冷却循环水站一般会配备加药装置（包括储药槽、加药泵、输药管道和电气控系统）通过补水信号和加药泵联动。但是只能实现半自动加药。具体调节药剂浓度，需要通过技术人员根据水质数据进行人工调整。特别是对于杀菌灭藻剂，比如固体的氧化型的杀菌剂，需要人工通过不锈钢溶解篮浸入冷水池溶解，同时需要根据所测的余氯浓度（0.2-0.5ppm）调整加药量，即使是液体形式的非氧化型杀菌剂也需要人工通过加药泵注入冷水池。
菌藻的控制一直是一个较困难的问题，即使向系统中投加杀菌灭藻剂，一段时间后细菌也会产生抗药性，并且在药剂有效周期过了后菌藻又会滋生，很多系统在夏天或者向阳的地方都会滋生菌藻，在冷却塔底部集水盘中都会有厚厚的粘泥。一些磷系的阻垢剂在一定温度下会转变成正磷酸盐，对微生物来说反而是一种营养物质，造成菌藻的繁殖。微生物的迅速繁殖导致水质恶化，既能促进污垢沉积，又能促进腐蚀。藻类不断繁殖又不断脱落，脱落的藻类又成为冷却水系统的悬浮物和沉积物，堵塞管道，影响输水能力，降低传热能力，同时，生成的沉积物覆盖在金属表面，易发生沉积物下腐蚀。
2 电化学水处理技术
2.1 电化学水质稳定技术简介
电化学水处理法，在电极接通电源后，水分子在电场作用下，在阴、阳两级发生电化学反应，通过Haber-Weiss反应可以生成[O]、H2O2、羟基自由基等，具有极强的氧化能力，微生物细胞膜中的不饱和脂肪酸被氧化，产生大量的脂质过氧化物，使细胞膜柔韧性降低，脆性增加，溶酶体膜通透性增强，释放溶酶体酶，导致细胞裂解死亡，电化学方法能够完全杀灭水中的细菌，而且经过电化学处理后的水具有一定的持续杀菌能力。
采用电化学水处理法代替加药，日常运行中完全不需要维护，工人不需要在化学药剂较多、恶劣的环境下作业，只需要每日对电化学水处理器的运行电流电压进行例行检测即可。每三个月左右可以请专业厂家对极板上析出的CaCO3，MgCO3等污垢进行一次清理。
通过技术改造改用电化学水处理法，利用电极板上产生的[O]、羟基自由基等完全杀死细菌，降低粘泥量，降低浊度，通过电场的作用，使腐蚀产物3Fe2O3.nH2O与电子发生反应，称为磁性氧化铁，隔开钢管壁和水，起到防腐作用，从而改善系统的腐蚀状态，将成垢离子Ca2+直接从循环水中以固体形式取出，有效降低水质硬度及浓缩倍数。
2.2 电化学水质稳定技术特色
2.2.1 节约水资源
循环冷却水通过冷却塔时水分不断蒸发，因为蒸发掉的水中不含盐分，所以随着蒸发过程的进行，循环水中的溶解盐类不断被浓缩，含盐量不断增加，引起浓缩倍数的增加。化学工业出版社《工业水处理技术》指出：化学法最佳的水的浓缩倍数应在1-2，在此浓缩倍数间，补充水量和排污水量可较多地减少，当浓缩倍数大于2.5以后就需要加大补充水量，否则，水中有害离子氯根和成垢离子钙、镁含量过高，就会有产生腐蚀和结垢的顷向。
电化学水质稳定的原理不是靠水稀释而是靠阴极还原反应、阳极氧化反应和电场效应等三种反应自动控制水的浓缩倍数的增长。因为要被浓缩的游离Ca2+、Mg2+…和被阳极氧化剂分解出的Ca++、Mg++…会在电场力的作用下移向阴极还原成CaCO3、MgCO3….而被阴极取走，当取走的量同要浓缩的量通过调配处理装置数量和电场参数达到平衡时，浓缩倍数就不会再大幅度的增加，而是稳定在一个数量的上下，实践表明这个数量约是补充水硬度的1.5倍。
2.2.2 成垢盐类直接从阴极板析出
循环水中Ca2+、Mg2+一般以Ca（HCO3）2和Mg（HCO3）2的形态存在，在直流电场作用下，Ca2+、Mg2+等正离子会在阴极板上析出，生成CaCO3等固体，直接导致循环水硬度的下降，起到防结垢的作用，代替阻垢剂的使用。CaCO3等固体其物质的量同硬度值、电量、通电时间成正比。1台箱型多功能电化学水处理器工作3个月可析出200Kg左右固体。
某6000m3/h循环水系统十年例行监测得出补充水、循环水变化基本规律为：
补充水总硬度变化较小，循环水总硬度值在运行初期是升高趋势，表明循环系统中有垢，在处理器作用下，结垢离子逐渐进入水体，使水的总硬度值升高。（2）运行一段时间后，总硬度值开始下降，直到下降到最低点后不再有大的变化，而成了一条近似平行于补充水曲线的曲线，比补充水的硬度值约高12-15%，即浓缩倍数小于1.5，十年监测数据中没有出现过浓缩倍数大于2的结果。
3 传统化学药剂法与电化学法效益比较
以循环水量为3500m3/h的循环水系统为例，简要分析比较以上两种水处理方法效益，详细如下：
3.1 传统化学药剂法费用
化学药剂费约为24万元/年（阻垢缓蚀剂及杀菌灭藻剂）。
化学法维护费约为1万元/年（不考虑维护时停产造成的损失）。
3.2 电化学水处理法费用
电化学法年费用=设备费/保用期+设备维护费+BCE台数×功率×24小时×365天×电费=1400000/8+10000+6×0.5×24×365×0.5≈19.8万元/年。
3.3 节水费用
由于采用BEC设备可以将Ca2+，Mg2+等结垢离子直接在极板上析出，使整个系统的水质硬度和电导率稳定在较低水平，有效控制浓缩倍数增长，几乎不需要强制排污，节约了大量水资源。
循环水系统年节水费用=节省水量（强制排污量m3/h）×24小时×365天×水费=20m3/h（平均值）×24×365×1≈17.5万元/年。
3.4 直接经济效益
直接经济效益/年=传统化学药剂法费用-电化学水处理法费用+节水费用=25-19.8+17.5=22.7万元/年。
4 结语
电化学法具有绿色节能无污染的特点，逐渐成为水处理的未来发展趋势，电化学法技术应用于循环水水质稳定，可将水中的硬度离子直接取出、将氯离子、硝酸根等还原成氯气和氮气放出，还可以氧化降解水中有机污染物，具有绿色节能、无污染的特点。该技术一旦在市场推广，应用前景将非常可观。
参考文献
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[2]陆婉珍，李本高，等.工业水处理技术[M].北京：化学工业出版社，1999.
[3]周本省.工业冷却水系统中金属的腐蚀与防护[M].北京：化学工业出版社，1993.