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首钢综合污水回用于循环冷却水系统的 动态模拟实验 韩梅 中冶建筑研究总院有限公司， 北京 100088 摘要 钢铁企业综合污水经污水厂处理后作为循环冷却水系统的补充水， 是解决新水用量大问题和减少外排水的有效 途径之一。以首钢污水处理厂出水和除盐水的混合水 TDS 分别为700 mg/L和500 mg/L 为动态模拟系统补充水， 采 用药剂控制方法， 年污垢沉积率 14. 63 ～ 18. 09 mg/ cm2月 ， 腐蚀速率小于0. 03 mm/a， 循环水的费用为 0. 0174 元 / t， 可以实现安全回用。 关键词 综合污水; 回用; 循环冷却水; 水质稳定药剂; 动态模拟; 安全性和经济性 DYNAMIC SIMULATION EXPERIMENT OF INTEGRATED WASTEWATER FROM SHOUGANG GROUP USED IN RECIRCULATING COOLING WATER SYSTEM Han Mei Central Research Institute of Building and Construction Co. ， Ltd， MCC Group，Beijing 100088，China AbstractIn order to reduce the water that an iron and steel industry intakes and discharges，it should be one of effective solutions to reuse treated integrated wastewater as circulating cooling water. Under the control of water quality stabilizer，the research takes water with TDS of 700 mg/L and 500 mg/L，which consist of integrated wastewater and demineralized water as recirculating cooling water.The rate of deposition of encrustation in the steel tube is 14. 63 ～ 18. 09 mg/cm2，and the corrosion rate is 0. 03 mm/a，which shows clearly that the water quality stabilizer can work effectively. The cost of makeup water is 0. 0174 Yuan/t of system 1 and 0. 0334 Yuan/t of system 2. The research indicated that，with water quality stabilizer， water consists of integrated wastewater and demineralized water can be used as recirculating cooling water safety and economically. Keywordsintegrated wastewater;reuse;recirculating cooling water;water quality stabilizer;dynamic simulation;safety and economy 国民经济的持续稳定增长带动了钢铁工业的快 速发展。钢铁工业要提高用水循环率， 除了节约用 水、 杜绝跑冒滴漏和提高循环系统重复利用率外， 必 须要寻求新的供水来源。最直接、 最经济的方法就是 将综合废水处理后回用， 这是我国钢铁厂减少新水用 量和外排水量的有效途径之一。 1实验部分 1. 1实验方法 钢铁企业现行的综合污水回用方式大多为处理 水和除盐水按一定比例混合回用。本研究以首钢污 水处理厂出水和除盐水按照 V 原水 ∶ V 除盐水 为 6∶ 1 和 1. 25 ∶ 1 配 制 成 TDS 分 别 为 700 mg/L 和 500 mg/L的混合水为循环系统补充水， 分别进入动态 模拟设备的系统 1 和系统 2。设定两系统浓缩倍数 分别为 3 和 4， 投加水质稳定药剂运行， 系统 TDS 稳 定值均为2 000 mg/L左右。通过分析金属的腐蚀结 垢状况， 研究通过投加水质稳定药剂实现污水处理厂 出水回用作为循环冷却水系统补充水的安全性。 1. 2实验装置 本装置选用 QYDM 型智能动态模拟试验装置， 参照冷却水动态模拟试验方法 HG/T 2160 － 2008 标 准运行。装置由循环水加热系统 98. 5 ℃ 蒸汽加 热 、 冷却系统 附储水箱 和电控柜三部分组成。 1 加热系统内由蒸汽对循环水通过试管介质进 61 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 行加 热， 设 定 系 统 循 环 水 量 为 180 L/h， 蒸 汽 温 度 98 ℃ 。 试管两侧进出口温度分别为32 ℃ 和40 ℃ 左 右， 进出口装有试片。加热系统装置见图 1。 图 1循环水加热系统装置 2 冷却系统采用开放式冷却方式， 冷却后的水 重新回到储水箱， 见图 2。 图 2循环水冷却系统装置 表 2配水水质 系统 1 日期 TDS/ mgL － 1 TH CaCO3 / mgL － 1 钙硬 CaCO3 / mgL － 1 Cl － / mgL － 1 SO2 － 4 / mgL － 1 总碱度 / mgL － 1 pH TFe/ mgL － 1 可溶性 SiO2/ mgL － 1 电导率 / μscm － 1 08 － 11696248. 222024053. 96. 950. 314. 81 539 08 － 12703284. 99182. 71206. 4528053. 97. 072. 214. 11 578 08 － 16699285. 76175. 9320128070. 087. 360. 315. 31 622 08 － 21699269. 72190. 51206. 7116029. 657. 50. 413. 81 556 3 电控柜实现对各指标的设置和显示以及特定 指标的数据采集和传输功能， 见图 3。 试管选用内径8 mm、 长度550 mm的 20 号碳钢试 管。试管内结垢反应系统水结垢情况。试片选用 A3 碳钢Ⅰ型标准试片， 尺寸 50 mm 25 mm 2 mm， 图 3电控柜 4 mm， 表面积 20 cm2。 1. 3系统补充水参数 1 采用首钢污水处理厂出水与除盐水的混合水 为补充水， 混合参数见表 1。 2 首钢污水厂出水水质有所波动， 因此每次补 水水质有所差异。实验过程中配制混合水 4 批作为 循环系统补充水， 每次配水水质指标见表 2 和表 3。 3 该水质所对应的稳定指数 R. S. I 见表 4。 由 R. S. I 初步判断， 该批污水处理厂出水都具有 腐蚀性倾向， 腐蚀性较强。选择药剂选择应当侧重于 缓蚀。 1. 4水质稳定药剂 动态模拟实验中投加药剂的种类和剂量见表 5。 表 1补充水混合参数 项目体积比 浓缩 倍数 TDS/ mg L － 1 补充水稳定后 系统 1V 原水 ∶ V 除盐水 1. 25∶ 1 37002 100 系统 2V 原水 ∶ V 除盐水 6∶ 1 45002 000 71 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 表 3配水水质 系统 2 日期 TDS/ mgL － 1 TH CaCO3 / mgL － 1 钙硬 CaCO3 / mgL － 1 Cl － / mgL － 1 SO2 － 4 / mgL － 1 总碱度 / mgL － 1 pH TFe/ mgL － 1 可溶性 SiO2/ mgL － 1 电导率 / μscm － 1 08 － 11493198. 6142. 413035. 947. 030. 912. 41 098 08 － 12499195. 62127. 1145. 317044. 927. 242. 810. 51 128 08 － 14497184. 7129. 09158. 518049. 417. 210. 410. 51 140 08 － 16498204. 11127. 33150. 8821049. 417. 150. 610. 91 136 08 － 21498180. 79127. 33149. 1410015. 277. 482. 311. 11 100 表 4水质所对应的稳定指数 项目ABCDpHsR. S. I倾向性 系统 10. 1831. 79 2. 261. 727. 698. 12 6腐蚀 系统 20. 1681. 79 2. 101. 548. 028. 8 6腐蚀 表 5动态模拟实验加药种类和剂量 项目 Zn2 溶液 HEDPPBTCARP88PB50BC501 药剂浓度 / 1 10 － 6 4. 816101055 2实验结果与讨论 2. 1系统指标变化 2. 1. 1浓缩倍数变化 设定系统 1 浓缩倍数为 3， 系统 2 浓缩倍数为 4。 如图 4 所示， 浓缩期内两系统浓缩速度稳定， 分别在 第 5 天和第 6 天到达到设定值。 图 4系统浓缩倍数 2. 1. 2污垢热阻变化 GB50050 － 2007工业循环冷却水处理设计规 范 规定 设备传热面水侧污垢热阻值应小于 3. 44 10 － 4m2KW－ 1， 如图 5 所示， 系统运行过程中两系 统污垢热阻值均小于 2. 5 10 － 4 m2KW － 1， 符合 标准。初期系统 1 试管内部发生结垢， 导致瞬时热阻 升高， 第 6 天达到最高值2. 0 m2KW － 1。 在水质稳 定药剂的控制下， 结合水流的剪切力， 垢厚有所变化， 表现为热阻曲线的波动。当垢层增长速度与脱落速 度达 到 一 个 平 衡，污 垢 热 阻 值 趋 于 稳 定 值 1. 0 m2KW － 1， 这个值称为极限污垢热阻值。系 统 2 初期污垢热阻上升至1. 0 m2KW － 1 后， 一直 在该值附近波动， 最终稳定于1. 0 m2KW － 1。 图 5系统污垢热阻与时间关系 2. 1. 3腐蚀速率变化 循环水中， 一般情况下钢材在初始期瞬间腐蚀速 度最快， 随着循环水的 pH 值升高， 钢材表面钝化膜 形成， 金属的瞬间腐蚀速率逐渐降低。如图 6 所示， 本实验初期金属发生快速腐蚀， 系统 1 瞬间腐蚀速率 最高达到0. 25 mm/a， 水质稳定药剂对初期的腐蚀情 况控制效果不好。前期和中期腐蚀速率略高于系统 2， 稳定后两系统腐蚀速率小于0. 02 mm/a。 必要的情 况下， 可以考虑初期提高加药浓度， 控制初期腐蚀情 况， 中后期按照原加药浓度投加药剂。 图 6系统腐蚀速率 81 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 2. 2系统水水质变化情况 2. 2. 1碱度变化 碱度反映实验水中可与 H 相结合的离子浓度 以 CO2 － 3 计 。敞开式循环冷却水在浓缩过程中碳 酸盐碱度发生变化， 主要有以下反应 2HCO － 3 CO2 － 3 CO2 H2O 一部分碳酸氢盐受热分解为碳酸盐和二氧化碳， 部分溶解二氧化碳被空气带走， 使水中总酸性物质减 少。由图 7 可得， 系统 1 配水碱度在30 ～ 70 mg/L之 间变化， 系统 2 碱度在15 ～ 50 mg/L之间变化， 两系统 补充水碱度变化较大。系统水碱度曲线短时间内呈 波动状态， 但整体变化趋势比较明显， 呈现前期上升， 中期调整， 后期有稳定趋势。 图 7系统水碱度 2. 2. 2TDS 变化 系统水 TDS 见图 8。由图 8 看出， 两系统补充水 TDS 非常稳定。系统达到设定的浓缩倍数后， 两系统 TDS 的稳定值比较接近。在该条件下对两系统的腐蚀 和结垢情况进行比对， 可以得出较优的体积配比值。 图 8系统水 TDS 2. 2. 3系统总硬度、 系统钙硬 系统水总硬度见图 9。系统水钙硬见图 10。 由图 9、 图 10 可知， 实验过程中， 补充水的总硬 和钙硬浓度波动较小， 不会影响系统运行。 曲线增长阶段， 总硬的增长速率小于同期电导率 的增长速率， 钙硬曲线增长率小于同期总硬曲线的增 长率， 表明本次试验中生成的垢性物质以钙盐类为主。 整个运行过程中， 钙硬曲线出现较多波动。由于 补充水钙硬稳定， 因此该波动可能是由钙盐类物质在 不同时间析出速率不同所引起的。 2. 2. 4氯离子变化 配水和系统水中氯离子浓度见图 11。 图 9系统水总硬度 图 10系统水钙硬 图 11系统水氯离子 两系统补充水中氯离子浓度稳定， 分别保持在 210 mg/L和150 mg/L左右。最后一次配水中硫酸根 离子浓度降幅较大， 为原补充水中的 50 。系统中 硫酸根离子曲线没有明显骤降， 表明该次补充水中硫 酸根离子的波动对系统影响较小。系统中氯离子曲 线趋势基本正常， 两系统氯离子稳定值也比较接近。 氯离子可以引发点蚀， 要注意控制其浓度。 2. 2. 5硫酸根离子变化 配水和系统水中硫酸根离子浓度见图 12。 两系统最后一次补充水中硫酸根浓度均有所下 降， 从系统水硫酸根浓度曲线看来， 补水硫酸根浓度 变化对系统水影响不大， 硫酸根曲线前期上升后渐渐 91 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 图 12系统水硫酸根离子 趋 于 平 稳，两 系 统 分 别 稳 定 于 1 100 mg/L 和 1 000 mg/L左右。一些厌氧菌 主要是硫酸盐还原 菌 在 20 ～ 30 ℃ 的厌氧环境中， 利用水中 SO2 － 4 获取 能量， 引起碳钢腐蚀。应注意抑制此类微生物。 2. 3试管和试片分析 2. 3. 1试管分析结果 试管分析结果见表 6。 2. 3. 2试片分析结果 腐蚀情况分析 表 7 系统 1 试管和试片的腐蚀 速率分别为0. 0298 mm/a和0. 0230 mm/a， 系统 2 试管 和试片腐蚀速率分别为0. 0235 mm/a和0. 0163 mm/a。 同一系统中试管和试片腐蚀速率基本相吻合， 均小于 0. 075 mm/a， 本次实验腐蚀控制情况良好。 表 6试管分析结果 项目标准系统 1系统 2 污垢粘附速率 / mgcm － 2 月 － 1 1518. 09超出标准14. 63符合标准 年腐蚀速率 / mma － 1 0. 0750. 0298符合标准0. 0235符合标准 表 7试片分析结果 项目进口 1出口 1进口 2出口 2 腐蚀速率 / mma － 1 0. 02660. 01950. 01940. 0132 备注符合标准符合标准 结垢情况分 析 两试 管 污 垢 粘 附 速 率 分 别 为 18. 09 mg/cm2和14. 63 mg/cm2。 系统 1 污垢粘附速率 超标， 可以通过增加阻垢剂的加入量使之符合标准。 本次实验结垢情况控制情况基本良好。 本次实验过程中腐蚀和结垢各指标均在标准范围 之内， 实验过程中没有出现微生物黏附影响。从腐蚀、 结垢和微生物影响三方面来看， 采用投加水质稳定药 剂的方法， 可以实现循环冷却水系统的安全运行。 2. 4经济成本分析 本次实验以污水处理厂出水和除盐水的混合水为 补充水， 因此吨水成本由污水处理厂水处理成本、 除盐 水成本以及加药成本三部分组成， 具体数据见表 8。 表 8循环水成本分析 项目 污水处理成本 / 元t － 1 除盐水成本 / 元t － 1 体积比 加药成本 / 元t － 1 补充水成本 / 元t － 1 循环水成本 / 元t － 1 系统 1 0. 727. 0 6∶ 1 0. 43 2. 050. 0174 系统 2 1. 25∶ 13. 940. 0334 由上表 8 可知， 两系统均能实现安全回用， 系统 2 补充水成本较高。因此系统 1 的回用方式更具有经济 性。在有条件的情况下， 建议对不同配比的混合水进 行实验， 研究在首钢污水处理厂出水水质在能实现安 全回用的前提下， 该水质所对应的最经济配比比例。 3结论 1 本实验以首钢污水处理厂出水和除盐水的混 合水 作 为 补 充 水，TDS 含 量 分 别 为 700 mg/L 和 500 mg/L， 浓缩倍数分别为 3 和 4。通过对腐蚀和结 垢情况的研究， 表明水质稳定药剂可以将腐蚀和结垢 控制在标准范围之内， 实现混合水的安全回用。 2 本次动态试验两系统水处理费用为 0. 43 元 / t， 且水质稳定效果良好， 实现了系统的安全运行。两 系统循环水成本分别为 0. 0174 元 /t 和 0. 0334 元 /t， 系统 1 的运行方式更经济。 3 实验过程中配制而成的补充水水质基本稳 定， 对系统运行没有造成影响。建议常年检测出水水 质， 掌握水质的季节变化规律。同时， 及时掌握循环 水水质， 以避免水质变化过大引起严重腐蚀或者结 垢。当水质变化很大可能引起严重腐蚀和结垢时， 建 议考虑根据实际水质情况调整水质稳定药剂配方， 保 证循环系统的安全运行。 4 本实验以 V 污水厂出水 ∶ V 除盐水 为 6∶ 1 和 1. 25∶ 1混合水为补充水， 稳定 TDS 为2 000 mg/L。 建议以不 同的 配 比 多次实验， 设置其稳定 TDS 为 2 000 mg/L， 兼顾系统运行的安全性和经济性， 寻求 该水质条件下最优的体积比。 参考文献 ［ 1］王绍文， 钱雷. 钢铁工业废水资源回用技术与应用［M］ . 北京 冶金工业出版社， 2008. ［ 2］ 国家环境保护总局. 全国生态环境现状调查报告［J］ . 环境保 护， 2004 5 13- 18. 作者通信处韩梅100088中冶建筑研究总院有限公司环保院 409 室 电话 010 82227615 E- mailhanmeizh 126. com 2010 － 03 － 01 收稿 02 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期