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2021-01-29 10:39
循環冷卻水系統；節水；濃縮倍數；空氣調節；循環冷卻水處理標準
在工業用水中，冷卻水占比70%～80%。大型民用建筑大多裝有空調，而絕大多數空調須使用冷卻水。2019年我國空調整體行業規?；蛞驯平|元，被廣泛應用于辦公樓、酒店、購物等商業場所及學校、博物館、軌道交通等市政場所?？梢钥闯?，冷卻水作為我國關鍵耗水環節，具有很大的節水潛力。循環冷卻水是減少冷卻水有效的措施。
循環冷卻水系統是以水作為冷卻介質，并循環使用的給水系統。按冷卻介質接觸方式分為間冷和直冷，按散熱方式分為開式和閉式。閉式不暴露于空氣中，水量損失小。開式水的再冷卻過程中與空氣接觸，因此部分水蒸發吹散損失掉，各種離子含量被濃縮增加。循環冷卻水若處理不當，會造成以下后果。①導致冷卻水低濃縮倍數排放，浪費水資源。②滋生軍團菌等致病菌，危害公共衛生健康。③含化學藥劑的排放水直接進入雨水管道，污染水環境。
一.循環冷卻水系統節水指標
1.1 濃縮倍數
開式循環冷卻水系統如圖1所示。由圖1可知，在其中循環水量（Q）損失的水量包括以下4種情況：以水蒸氣蒸發掉的蒸發損失量E；隨著水蒸氣攜帶未被截留下來的風吹損失量D；根據循環水質要求，需強制排放的高濃度污水，即強制排污量B；循環管道中滲漏水量F。
圖 1 開式循環冷卻水系統示意圖
為保持循環水量不變，則需加入補充水量Q'=E+D+B+F。當冷卻塔系統運行正常且收水效果較好時，滲漏水量及風吹損失水量可忽略不計，則循環冷卻水系統水量平衡式如式（1）所示。
循環冷卻水鹽度平衡如式（2）所示。
濃縮倍數指的是在循環冷卻水中，由蒸發而濃縮的物質含量與補充水中同一物質含量的比值，或指補充水量與排污水量的比值。其為開式循環冷卻水系統的關鍵節水參數?？杀硎緸闈饪s倍數（N）=Q'（補充水量）/B（排污量）=CQ（濃縮后循環水水質）/CQ'（補充水濃度）。
1.2 濃縮倍數對節水效果的影響
補充水量、排污水量與濃縮倍數的關系見式（3）～式（6）。
補充水量、排污水量與濃縮倍數的關系如圖2所示。
圖 2 補充水量、排污水量與濃縮倍數的關系
根據濃縮倍數與補充后水量之間的關系，濃縮倍數越高，補充水量越少，排污水量越少越節水，補充水量與排污水量之間始終相差蒸發量。當濃縮倍數達到6之后，補充水量趨于平緩。GB/T50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》條文說明3.1.11中列出了不同濃縮倍數系統的補充水量與排水量。當濃縮倍數從3倍提高到7倍時，補充水量可下降了22%。由此可見，提高濃縮倍數是降低補充水用量、實現循環冷卻水節水的重要途徑。
二.循環冷卻水處理常用方法
目前，對循環冷卻水的處理方法主要是化學藥劑法及其他有物理處理法、臭氧處理法等。
化學藥劑法顧名思義是向循環冷卻水系統中投加藥劑。針對水處理中的結垢、腐蝕及微生物問題，投加的藥劑包括阻垢劑、緩蝕劑、殺生劑或復合藥劑等。該方法歷史久，也是為普遍的處理方法，發展進程大致可分為兩個階段。一階段是單純防止碳酸鈣結垢階段，二階段是綜合處理污垢、腐蝕和菌藻。到目前為止，積累了較為成熟的使用經驗，處理效果趨于穩定，可根據氣候環境、供水水質及工藝設計調節藥劑的投加量，濃縮倍數可達到3～5，運行費用適中，常用于大型工業循環冷卻水的處理。
物理水處理法是通過改變水分子結構或水分子的電子結構，達到水處理的目的，包括磁化法和靜電法[1]。磁化法是將冷卻水通過磁場形成磁化水，產生的晶體不形成水垢，而是可定期排除的粉末狀物。阻垢效果較好，但處理效果不穩定，不能起到緩蝕、殺菌滅藻功能。在應用過程中需輔以旁濾、緩蝕及殺生的處理內容。靜電法通過靜電場作用，改變水分子結構，減少結構形成機會；另外在靜電場下產生活性氧以破壞微生物細胞，同時產生致密的氧化膜，起到緩蝕的作用，被廣泛應用于小型循環水處理系統中。
臭氧處理法是利用臭氧作為的水處理劑，替代其他化學藥劑處理循環冷卻水，可以在較高的濃縮倍數下同時達到緩蝕、阻垢、殺菌滅藻的目的，且臭氧處理循環冷卻水不存在任何環境污染、不增加水中的含鹽量?？刂瞥粞跬都訚舛仁浅粞跆幚矸ǖ年P鍵，濃縮倍數可以達到5～8。其主要工藝流程如圖3所示。
圖 3 臭氧處理工藝流程
我國針對循環冷卻水現行有效的標準主要有3個，但各標準適用的范圍有差異，節水指標的要求、測試方法、計算方法不一致。
（1）GB/T50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》針對工業領域循環冷卻水處理設計，突出了節水、節能和保護環境。標準要求間冷開式系統的設計濃縮倍數不宜＜5.0，且不應＜3.0。濃縮倍數的計算方式如式（7）所示。
（2）GB/T31329—2014《循環冷卻水節水技術規范》針對間冷開式循環冷卻水系統，采用化學處理技術，提出在保證系統、節能的前提下，提高循環冷卻水的濃縮倍數。要求當采用地表水、地下水或海水淡化水為補充水水源時，濃縮倍數應≥5，當采用再生水作為補充水水源時，濃縮倍數應≥3。濃縮倍數的計算方式如式（8）所示。
此外，也可采用在系統中相對穩定的其他離子。當采用化學處理技術時，提高濃縮倍數的方法為水質軟化、脫鹽或部分脫鹽、加酸處理技術。
（3）GB/T32107—2015《臭氧處理循環冷卻水技術規范》針對間冷開式循環冷卻水系統，采用臭氧處理技術的工藝設計（含臭氧水注入方式），水中臭氧濃度、臭氧發生裝置設計，但未規定采用臭氧處理時的濃縮倍數。
四.濃縮倍數的計算及檢測方法
濃縮倍數的計算方法一般有3種。1種方法中，濃縮倍數=補充水量/(排污水量+風吹損失水量)。由于補充水量、排污水量及風吹損失水量難以實時監測，因此該方法多用于設計階段。第2種方法采用穩定離子的濃度與補充水中該離子濃度的比值表示，選用的離子濃度不受結垢、加熱等條件影響。常用穩定離子法包括Cl-、Ca2+、Na+、K+測定。其中，Cl-有人為添加的因素，因此用Cl-表示濃縮倍數的濃縮倍數會偏高。
一般來說，Ca2+是結垢因素，循環水在運行過程中或多或少會出現結垢現象，尤其在高濃縮倍數的情況下，因此用Ca2+測定出來的濃縮倍數會偏低[2]。K+在水中的溶解度相當大，在運行過程中不會析出，同時補充水的K+也基本穩定[3]，因此用K+測定出來的濃縮倍數較準確，使用也較為廣泛。如GB/T31329—2014中循環冷卻水濃縮倍數采用K+質量濃度計算。第3種方法為電導率計算。電導率在線監測技術可實時獲得數據，設備穩定可靠，應用廣泛，電導率計算濃縮倍數為簡便，一般電導率的濃縮倍數比大濃縮倍數低。
在某軌交車站的A1～A4站點采用臭氧處理技術，B1~B5站點采用加藥處理技術，采用電導率計算出平均濃縮倍數如表1所示。
如表1所示，以循環冷卻水和補充水的電導率計算出的臭氧處理濃縮倍數達到6.7～7.5，遠高于化學加藥處理濃縮倍數的2.7～3.4。由此可見，使用臭氧技術處理循環冷卻水節水效果顯著。臭氧處理循環冷卻水技術是以臭氧為藥劑投加，臭氧可自行分解不殘留。該技術雖不改變冷卻水的蒸發和漂移量，但是不使用其他化學藥劑，可降低循環處理水中顆粒物和殘余化學試劑的總負荷，能夠提高循環水的濃縮倍數，減少排水量和補充水量。
近年工程應用項目中應用臭氧處理技術，不同測試方法計算出的濃縮倍數如表2所示
電導率所得的濃縮倍數為6.3～15.6。K、Na、Cl計算所得的濃縮倍數比較接近，為9.1～37.4，約為電導率所得的濃縮倍數的1.4～2.4倍。
五.結語
（1）濃縮倍數是重要的節水指標。隨著濃縮倍數的增加，補充水量、排污水量不斷減少，越少越節水；當濃縮倍數達到6之后，補充水量趨于平緩。提高濃縮倍數是降低補充水用量、實現循環冷卻水節水的重要途徑。因此，現有標準的修訂及新標準的制定應關注節水，增加節水性能指標——濃縮倍數。
（2）目前循環冷卻水的處理大多采用化學藥劑法，同時臭氧處理技術、物理水處理等方法在小型中型循環冷卻水系統中示范應用的效果良好。目前針對新興方法的節水指標尚無明確要求，因此，應以發展的眼光綜合考慮現有的處理技術，對現行標準進行修訂，或針對新興處理技術制定標準，明確節水指標要求。
（3）濃縮倍數的測試及計算方法多樣，但結果差異性較大?，F有標準中未明確指標要求與對應的計算方法，可操作性不強。因此建議針對新型處理方法，進一步研究不同計算方法的濃縮倍數指標要求，并給定可操作性的測試方法，制定標準。
作者：王琪，邱琴，岳鵬，車承丹
