（市政工程专业论文）中水回用作热力系统补给水的可行性研究.pdf

北京建筑工程学院硕士学位论文摘要 摘要 本文针对中水回用作为热力系统补给水的可行性进行研究。从水质、经济、 环境影响三个方面综合考虑，最终选择纳滤膜过滤作为热力系统补给水的软化工 艺。 根据中水水质、热力系统水质要求，确定了纳滤膜过滤的预处理方案，合理 地选择了纳滤膜型号和膜组件的排列方式。 研究分为建筑中水试验和城市再生水试验两个阶段。分析不同的操作条件 ( 操作压力、水回收率、进水温度等) 对纳滤膜分离性能的影响，并优化了操作 条件。通过连续运行试验，检验纳滤膜的预处理效果。选择合理的纳滤膜清洗方 式，并分析导致纳滤膜污染的原因。 试验结果表明，纳滤工艺对水中的悬浮杂质及溶解性固体具有高效去除率， 纳滤处理中水取代自来水作为热力系统补给水不但可以满足用水要求，而且还具 有良好的环境效益和一定的经济效益。 关键词：中水，热力系统补给水，纳滤 北京建筑 程学院硕士学位论文 目录 a b s t r a c t t h ef e a s i b i l i t yo fr e c l a i m e dw a t e rb e i n gu s e df o rm a k e - u pw a t e ro fh e a t s u p p l y n e t w o r ki sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s c o n s i d e r i n gt h eo b j e c to fw a t e rq u a l i t y , e c o n o m y a n de n v i r o n m e n t ，n a n o f i l t r a t i o ni su s e df o rs o f t e n i n g a c c o r d i n g t or e c l a i m e dw a t e rq u a l i t ya n dw a t e rq u a l i t yo fh e a t - s u p p l yn e t w o r k ， t h ee x p e r i m e n tp r o j e c ti sc o n f i r m e dw h i c hi n c l u d e st h ec h o i c eo fp r e t r e a t m e n tc r a f t ， t y p eo f t h en a n o f i l t r a t i o nm e m b r a n e sa n dt h ea r r a n g e m e n to fm e m b r a n em o d u l e s t h ee x p e r i m e n t sa r ed i v i d e di n t ot w o p a r t s ，o n ei sr e c l a i m e dw a t e ri nr e s i d e n t i a l c o m m u n i t y , t h e o t h e ri sr e c l a i m e dw a t e ro fw a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t a n a l y s i n gt h e i n f l u e n c ec a u s e db yd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n s ( o p e r a t i o n p r e s s u r e ，t h eu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y o fw a t e ra n dw a t e r t e m p e r a t u r ee t c ) ，t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s a r e o p t i m i z e d ，t h ee f f e c to fp r e t r e a t m e n ti st e s t e db ys e q u e n c ee x p e r i m e n t t h ec l e a n o u t m e t h o do fn a n o f i l t r a t i o nm e m b r a n ei sc h o s e ，a n dt h ep o l l u t e dr e a s o n sa r e a n a l y s e d t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t ss h o w st h a ts u s p e n d e ds o i l da n ds a l i n i t yi nw a t e r a r eg o tr i do fe f f e c t i v e l yb yn a n o f i l t r a t i o nm e m b r a n e t h e f e a s i b i l i t yo fr e c l a i m e d w a t e rb e i n gu s e df o rm a k e - u pw a t e ro f h e a t - s u p p l yn e t w o r ki sc l a r i f i e d ，m o r e o v e r , t h e e n v i r o n m e n ta n de c o n o m i cb e n e f i t sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：r e c l a i m e dw a t e r m a k e u pw a t e ro fh e a t - s u p p l yn e t w o r k ，n a n o f i l t r a t i o n i i 北京建筑i ：程学院硕十学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 1 北京市水资源开发利用所面临的形势 北京位于华北平原西北部，行政区总面积1 6 8 0 0 k m 2 ，其中山区面积 1 0 4 0 0 k m 2 ，平原面积6 4 0 0 k i n 2 。属温带半干旱中湿润性季风气候，年平均气温为 1 1 1 2 ，年水面蒸发量1 1 2 0 m m ，多年平均陆面蒸发量4 5 0 5 0 0 m m 。 北京境内多年平均降水5 9 5 m m ，年均降水总量9 9 9 6 亿m 3 ，形成地表径流 2 1 9 8 亿1 1 1 3 ，地下水资源2 7 0 9 亿m 3 ，扣除地表水地下水重复计算量，当地自产 天然水资源量仅为3 9 9 9 亿m 3 。受水气补充条件和地理位置、地形等条件的影响， 境内降水具有时空分布不均、丰枯交替发生等特点，自产水年际变化较大。北京 多年平均入境水量1 6 。5 0 亿m 3 ，多年平均出境水量1 1 6 0 亿m 3 ，人均水资源的 占有量只有3 0 0 m 3 ，是世界人均的1 3 0 ，全国人均的1 8 。随着经济和社会的发 展，北京的水资源短缺已成为影响和制约首都社会和经济发展的主要因素。水资 源开发利用存在的闯题主要表现在： 1 密云、官厅两大水库的来水呈衰减趋势。密云、官厅水库作为北京市地 表水的主要供水水源，年均供水1 0 亿m 3 ，占全市地表供水总量的2 3 。但近年 来，由于上游经济发展，用水量不断增加，并且干旱少雨，导致两库来水量锐减。 官厅水库年均来水量由5 0 年代的1 9 3 亿m 3 减至9 0 年代的4 0 亿m 3 ；密云水库 8 0 9 0 年间来水量与6 0 一7 0 年间相比，年均减少了3 9 亿m 3 。随着两水库上游的 经济发展，来水量减少的趋势还将继续下去。 2 地下水超采严重。为满足人口急剧增长和城市规模不断扩大的需求，在 地表水严重不足的条件下，只能靠超采地下水维持供需平衡。到1 9 9 5 年，全市 地下水已累计超采4 0 亿r a 3 ，其中规划市区超采1 8 亿n 1 3 ，形成了以规划市区东 部为中心，面积达2 0 0 0 k i n 2 的地下水漏斗。地下水超采引起水质恶化、地面下沉， 市政设施破坏。西部地区地下水接近疏干，有些地区已l 靠开采深层地下水维持供 水。据1 9 9 7 年观测，仅规划市区就有3 1 3 k m 2 面积供水的硬度超标。全市地下水 平均开采率为1 0 3 7 ，城j t 1 叉9 t 采率已达1 1 6 4 ，超采最严重的丰台河西地区 已达1 4 5 2 。据计算，由于北京地区地下水连年超采，平原地区地下水储存量 北京建筑，r 程学院硕十学位论文 1 绪论 已比1 9 6 0 年减少了4 5 亿m 3 ，平均地下水水位比1 9 8 0 年下降了4 8 5 米 3 水污染程度不断3 n , 冒j j 。1 9 9 5 年北京市境内年排放污水总量为1 2 7 亿m 3 ， 其中规划市区为8 9 亿m 3 。2 0 0 1 年规划市区污水处理率仅为4 2 ，大量未经处 理的污废水直接排入河道和渗井、渗坑，加之过量施用农药和化肥，使得河湖水 体和地下水受到严重污染。据对全市8 1 条河流水2 1 5 0 公里的河段监测，有5 6 的水体受到不同程度的污染，城市下游河道多为v 类水体，基本没有生物存活， 城市饮用水源受到污染的威胁，近一半平原区浅层地下水受到不同程度的污染。 因此，北京市水资源的有限性和用水需求不断增长之间的矛盾无法避免。新 中国成立以来，北京地区已经多次出现比较严重的用水危机。2 0 世纪6 0 年代中 期的城市供水危机，是靠开挖京密引水渠引用密云水库的水渡过的：7 0 年代的 供水危机是靠过量开采地下水渡过的；8 0 年代的供水危机是靠中央决策密云水 库只保北京供水，不再为天津、河北供水，并全市开展计划用水、节约用水渡过 的。北京的经济和社会正在快速发展，降水分布的不均匀和用水的不合理性依然 存在，随时都可能导致新的水危机发生【1 1 。 1 1 2 本课题研究的目的和意义 t 北京市是一个严重缺水城市，目前全市用水量已达到多年平均可供水资源 量。北京市地域范围内可开发利用的水资源大部分已被开发利用，新增水源已相 当困难。南水北调中线工程是一项跨流域引水的巨大工程，涉及问题比较多，近 期难以实现。因此，推行污水资源化是解决北京市缺水问题的必要措施。 按照可持续发展战略，一个城市的发展必须立足于当地的自然资源条件，污 水再生回用既可有效节约水资源，又可减轻水污染，是实施可持续发展战略的重 要措施。即使南水北调引水进京得以实现，仍需将污水再生回用作为一项战略措 施长期贯彻执行，以体现国务院“先节水后调水，先治污后通水，先环保后用水” 的方针。 为保障北京社会、经济和环境的可持续发展，确保南水北调引水进京之前水 资源供需平衡，1 9 9 9 年5 月由市政府政策研究室、市计委及水利、规划、环保、 公用等有关部门合作编制了2 1 世纪初期首都水资源可持续利用规划。该规划 在北京市水资源供需平衡分析的基础上提出将节水、污水再生利用、雨洪利用和 地表水开发作为解决北京市水资源不足的主要措施。为保证污水再生回用工程的 北京建筑上稃学院硕十学位论文 1 绪论 顺利实施，全市污水再生回用规划指出：在保证人体健康不受到威胁的前提下， 尽可能将污水的处理与回用相结合，逐步提高污水再生回用水平；按照“优水优 用、一水多用、重复利用”的原则，将污水处理厂的再生水优先用于绿化、河湖 环境和市政杂用，位于城市下游的农业灌溉用水要优先使用处理后的城市污水： 再生水处理设施的布局应集中与分散相结合，既体现规模效益，又减少回用水管 道的投资，对于城市再生水管道供水困难的地区，继续鼓励建设中水设施：再生 水用户的选择按照“先近后远、先易后难”的原则，并逐步扩大再生水的用户和 用量。 按照北京市污水回用的总体规划，北京市将规划建设3 0 多座污水处理厂， 2 0 0 8 年以前污水处理率达到9 0 ，并规划在二级污水处理厂的基础上建设1 4 座 污水深度处理厂，目前北京城区已建成并投入运行的污水处理厂有7 座( 高碑店、 北小河、方庄、酒仙桥、肖家河、清河、吴家村) ，日处理污水能力达到了1 5 8 万m 3 。2 0 0 2 年，北京完成了高碑店污水处理厂再生水回用工程，这是采用政府 和企业共同融资，总投资3 4 亿元、规模为4 7 万m 3 d 的再生水回用工程，目前 该项目的一期工程已投入运转，每天将2 0 万m 3 处理水送到高碑店湖，作为北京第 一热电厂的冷却水；每天还有2 万m 3 的处理水送到北京水源六厂，经深度处理后 送到北京东南郊工业区作为工业冷却水，以及北京南部城区公园绿地、道路、浇 洒等市政杂用水：肖家河污水处理厂日处理能力为2 万m 3 ，出水水质达到城市 污水再生利用景观用水标准，直接流入河上游作为景观用水补给水；方庄污水 处理厂再生水改造工程一期规模5 0 0 0 m 3 d ，二期规模2 万m 3 d ，目前该厂期工 程已于2 0 0 3 年1 1 月竣工并正式运行；酒仙桥污水处理厂再生水利用工程一期规 模2 万m 3 d 已建成，二期规模达到6 万m 3 d ，用于周边住宅小区和企业的园林 绿化、河道景观、道路冲刷降尘、洗车和冲厕等【2 。至2 0 0 8 年，北京市再生水 生产能力将达到7 7 6 万m 3 d ，实现再生水回用率5 0 的目标。届时，北京市许 多河湖环境景观用水、工业冷却水、市政用水及居民杂用水等都将被二次水所取 代。 中水处理设施的布局应坚持集中与分散相结合的原则，北京市曾于1 9 8 7 年 制定了“北京市中水设施建设的管理施行办法”，规定建筑面积2 万m 2 以上的旅 馆、饭店、公寓；建筑面积3 万m 2 以上的机关、科研单位、大专院校和大型文化、 体育等建筑；按规划应配套建设中水设施的住宅小区、集中建筑等应按规定配套 北京建筑j j 程学院硕十学位论文1 绪论 建设中水设施。“办法”实施以后，北京市中水事业迅速发展，极大推动了节约 用水工作的开展。为进一步促迸污水综合利用的实用化进程，北京市政府2 0 0 1 年2 号文件“关于加强中水设施建设管理的通告”中规定，“建筑面积5 万m 2 以 上，或可回收水量大于1 5 0 m 3 d 的居住区必须建设中水回用设施”。目前，全市 已建成的中小型中水回用设施超过了2 0 0 个，己投入运行的约1 6 0 个，占已建总 数的8 0 ，日处理能力约4 万立方米。另有在建项目1 0 0 多个，多集中在宾馆、 饭店和大专院校，中水水源主要来自洗浴、盥洗等杂排水，经过处理达到中水水 质标准后，回用于冲厕、洗车、绿化等【3 j 。 城市化进程带动了住宅产业规摸的迅速发展，北京城区人均居住面积已由 1 9 8 6 年的6 4 6m 2 增至2 0 0 0 年的1 1 1 5m 2 。大量住宅小区不断兴起，供热面 积逐渐增加，热力站所需补充水量也相应增加。据1 2 个供热站的初步调查，北 京市热力补水量约为6 3 k g m 3 a ，若供热面积以1 6 亿m 2 计，则北京市每年热力 站所需补充水量为1 0 0 8 万一，相当可观。热力系统用水密闭在锅炉和管网系统 中，与人的接触概率很低，水质对供热用户身体健康造成的影响很小，完全可以 用中水代替。如果此项技术能够得到推广和应用，每年可以节约相当可观的水资 源量，无疑具有显著的经济效益和环境效益，但中水中的有机物、悬浮物、细菌、 氯离子及其他杂质都会对锅炉和热力管网正常运行和使用寿命造成影响，为保证 不影响热力系统的正常运行和使用寿命，还需要对之进行适当的处理以达到热力 系统水质要求。如能将中水经简单处理达到热力补水水质要求，则每年能替代自 来水1 0 0 0 万m 3 左右。无论从节约水资源还是从经济角度分析，均有很好的效益。 “中水回用作热力系统补充水的可行性研究”就是在这一背景下提出的， 通过对北京市现有污水处理厂再生水和现有单体中水设施出水用作热力站补充 水的调查、试验和研究，从技术及经济角度分析其可行性。为拓宽中水使用领域 提供支持，使中水利用具有更强的生命力。对中水市场的发展、促进其产业化的 形成具有实用意义。 4 北京建筑1 程学院硕士学位论文1 绪论 1 2 本课题研究的内容 本课题以建筑中水和城市再生水为原水，对将其回用作为热力系统补给水的 可行性进行研究，具体内容如下 1 纳滤软化中水回用于热力系统补给水的可行性分析 根据中水的水质特点以及热力系统补给水的水质要求，从水质、经济性能以 及对环境造成的影响三方面进行综合考虑，与其他的脱盐方式( 钠型树脂交换、 反渗透脱盐等) 比较，论证纳滤软化中水回用作热力系统补给水可行性。 2 纳滤系统工艺设计 根据中水质特点，通过理论分析，选择合理的预处理方法和纳滤膜排列方式， 设计试验装置。 3 试验 分别以建筑中水和城市再生水为原水，进行纳滤软化中水回用作热力系统补 给水的中试，规模约1 m 3 m ，试验内容主要有： ( 1 ) 膜分离性能的影响因素 分析不同的操作条件( 操作压力、水回收率、进水温度等) 对纳滤膜分离性 能的影响，并优化操作条件。 ( 2 ) 出水水质 检测纳滤膜出水水质，参照热力系统水质标准，检验纳滤软化处理的可行性。 ( 3 ) 预处理效果 通过连续运行实验，检验并优化纳滤膜的预处理工艺。 ( 4 ) 纳滤膜污染因素分析及清洗方式选择 选择合理的纳滤膜清洗方式，并分析导致纳滤膜污染的原因。 4 效益分析 从经济和环境两方面，论证纳滤软化中水回用作热力系统补给水的可行性。 ! ! 壅垄篁! 型堂堕堡堂笪堡苎 ! 垫塑墨堑! ! 笪查塑查星墨茎 2 1 热力系统水质要求 2 热力系统补给水的水质要求 本论文研究的是民用供暖热力系统，热力系统用水主要是指民用低压锅炉和 热力管网系统用水。为了保障热力系统安全、有效运行，其水质有明确的标准。 2 。1 。1 锅炉水质标准 1 民用低压锅炉水质标准 2 0 0 1 年国家修订了低压锅炉水质标准( g b j x x l 5 7 6 2 0 0 1 ) 。适用于额定 出1 1 1 1 蒸汽压力2 5 4 m p a 的固定式蒸汽锅炉和热水锅炉( 不包括直流锅炉) 【“。 具体标准见表2 1 、表2 2 。 表2 1 民用低压蒸汽锅炉水质标准 ( 中华人民共和国国家标准g b j x x l 5 7 6 - 2 0 0 1 ) 项目给水锅水 1 0 1 1 0 1 61 0 1 0 1 6 额定蒸汽压力( m p a ) 1 62 51 62 5 悬浮物( m g 几) 555 总硬度( m m o 【，l z ) 0 0 3 0 0 3 0 0 3 无过热器 6 2 66 2 46 一1 6 总碱度( m m o l l 2 ) 有过热器1 41 2 p h f 2 s o c ) 7771 0 1 21 0 1 21 0 1 2 溶解氧3f r a g ；l )0 10 10 0 5 无过热器 3 5 0 0 3 0 0 0 溶解固形物( r a g l ) 有过热器 3 0 ( ) 0 2 5 0 0 硫酸根f r a g l ) 1 0 3 01 0 3 0 磷酸根( m g ，l ) 1 0 3 0 5 1 0 3 0 含油量( r a g l ) 222 含铁量( r a g i - ) 0 30 3o 3 相对碱度( 游离n a o h4 溶解固形物) 0 2 4 0 2 o 2 的规定，炉水的溶解固形物含量应小于4 0 0 0 m g l 。 2 1m m o l l 硬度( 以c a c 0 3 计) 1 0 0 i r l 班 3 锅炉蒸发量大于2 一h ，均要除氧；额定蒸发量不大于2m s h 锅炉应尽屠除氧和注 意防腐。对于供汽轮机用汽的锅炉补给水含氧量均应不大于0 0 5 m g l 。若采用化学除氧， 则监测锅炉水的亚硫酸根含量。 北京建筑 程学院硕+ 学位论文2 热力系统补给水的水质要求 4当相对碱度0 2 时，应采取防止苛性脆化的措施。 5 仅用于供汽轮机用汽的锅炉。 表2 2 民用低压热水锅炉水质标准 ( 中华人民共和国国家标准g b j x x l 5 7 6 2 0 0 1 ) 锅内i药处理锅外化学处理 项目 给水锅水给水锅水 悬浮物( r a g l ) 2 05 总硬度( m m o l l ) 60 6 p h ( 2 5 ) 17 1 0 1 2 71 0 1 2 溶解氧( r a g l ) 2 0 1 含油量( r a g l ) 22 2 额定功翠大于等于4 2 m w 的承压热水锅炉给水应除氧，额定功率小于4 2 m w 的承 压热水锅炉和常压热水锅炉给水应尽量除氧。 3 1m m o l l 硬度( 以c a c 0 3 讨 ) 。1 0 0 m g l 2 锅炉水处理的目的 锅炉水处理的目的是要防止锅炉结垢、腐蚀、对于蒸汽锅炉要保证蒸汽品质 合格。 为防止水中的杂质对锅炉运行造成危害，概括起来有以下三种措施。 ( 1 ) 防止结垢 水中的难溶盐溶质进入锅炉内会在与水接触的受热面上析出，成为与金属壁 紧紧结合的固体附着物，形成水垢。对于一般的小型低压锅炉，形成的水垢主要 是钙、镁垢，是由水中硬度成分进入锅炉造成的，如果补给水中含有较高含量的 其他金属离子如铁、铜等，其氧化物也会形成水垢。水垢会造成锅炉受热面的损 坏，因水垢的导热性能差，大约仅为金属1 1 5 1 3 0 0 。在有水垢时，要达到无水 垢相同的炉水温度，受热面管壁温度必然要提高，当温度超过了金属所能承受的 允许温度时，就会引起鼓包和爆管事故。此外，锅炉结垢后，不仅浪费燃料，还 需要经常洗炉，既影响正常供热，又耗费大量的人力、物力，甚至降低锅炉的使 用寿命。 ( 2 ) 防止腐蚀 水对锅炉金属表面的腐蚀主要是电化学腐蚀。当金属与电介质溶液接触并有 另种不同电极电位的杂质存在时，两者之间微观的电极电位差异会形成微电 池，从而造成电化学腐蚀。锅炉腐蚀往往是大面积的，因此，当腐蚀严重时，将 不得不更换金属材料，并影响生产的正常运行。 北京建筑工程学院硕士学位论文 2 热力系统补给水的水质要求 ( 3 ) 防止蒸汽品质下降 饱和蒸汽中往往带有少量的杂质，杂质主要包括水中的溶解往盐分、以碳酸 盐为主的碱度进入锅炉后分解产生的c 0 2 气体等。如果蒸汽中的杂质含量过多， 就会引起过热器、汽轮机积盐，从而影响机组的安全、经济运行。部分有腐蚀性 的盐分( 如c 1 1 、s 0 4 2 ) 以及c 0 2 与水蒸气反应所生成的碳酸还会腐蚀过热器和 汽轮机。 2 1 2 城市热力网水质标准 1 城市热力网补给水水质标准 中华人民共和国建设部于2 0 0 3 年1 月颁布实施的城市热力网设计规范 ( c j j3 4 2 0 0 2 ) 中对城市热力管网水质有明确要求见表2 3 【5 ) 。 表2 3 城市热力网补给水水质标准 项目补给水 悬浮物( m g l ) 5 总硬度( m m o l l ) o 6 溶解氧( m g l ) 0 1 含油量( m g l ) 2 p h 值( 2 5 )7 1 2 注：1 本规范适用于供热热水介质设计压力小于或等于2 5 m p a ，设计温度小于或等于 2 0 0 0 c ；供热蒸汽介质设计压力小于或等于1 6m p a ，设计温度小于或等于3 5 0o c 的下列 热力网的设计： ( 1 ) 由供热企业经营，以热电厂或区域锅炉为热源，对多个用户供热，自热源至热力站 的城市热力网。 ( 2 ) 城市热力网新建、扩建或改建的管道、中继泵站和热力站等工艺系统设计。 2 当供热系统有不锈钢设备时，应考虑c l 腐蚀问题，供热介质中c r 含量不宜高于 2 5m g r g ，或不锈钢设备采取防腐措施。 3 1 n o l l 硬度( 以c a c 0 3 计) 1 0 0 m g l 2 热力网水处理的目的 热力管网用水在密闭系统中循环流动，不会因为水分的受热挥发造成用水浓 度的升高，水质标准中硬度要求要比锅炉补给水对硬度的要求低( 参考表2 1 和 表2 3 ) ，为了延长热力管网设施的使用寿命，对于热力管网用水的水质处理应该 重视、预防水中以下几种成份对管道造成腐蚀。 ( 1 ) 防止氧腐蚀 铁受水中溶船氧的腐蚀是一种电化学腐蚀。铁和氧形成两个电极，铁的电极 电位比氧的电极电位低，从而发生电极电位反应： 北京建筑，f 程学院硕士学位论文 2 热力系统补给水的水质要求 f e + 1 2 0 2 + h 2 0 _ f e ( o h ) 2 ( 2 - 1 ) 这种腐蚀称为氧的去极化腐蚀。因为水中含有溶解氧，故f e ( o h ) 2 将迸一步 被氧化为f e ( o 嘲3 ，其反应为： 4 f e ( o h ) 2 + 0 2 + 2 h 2 0 一4 f e ( o h ) 3 ( 2 2 ) f e ( o h ) 2 + 2 f e ( o h ) 3 一f e ，0 4 + 4 h 2 0 ( 2 3 ) 由于生成的产物比较疏松，没有保护性，所以一旦在金属表面的某点上发 生腐蚀，将会继续进行下去，形成腐蚀坑。 对于热力管网系统预防氧腐蚀的有效办法有两种：一种是严格控制进水的含 氧量，并通过投加除氧剂( 亚硫酸钠或者亚硫酸氢纳) 降低管道中氧的含量，但 是由于不能保证整个管网完全的密闭性，空气中的氧仍然随时会进入到热力管网 系统中；另一种是在管道运行初期通过一定的操作条件或通过投加缓蚀剂使管道 内形成大面积致密、分布均匀的金属氧化膜，隔离氧气与金属管道的接触。如果 要求热力管网系统能够有效地防止管道腐蚀，两种办法常联合使用。 ( 2 ) 防止氯离子腐蚀 水中的氯离子会与管道形成的金属氧化膜中的阳离子发生反应( 主要是铁离 子) ，影响保护膜的耐蚀性。根据实践经验，水中a - 琳c 0 3 俸尔比值越高，水中 游离氯越多，水的腐蚀性就越强。 在高温、低p h 值的条件下，氢的去极化作用会加强，氯离子对管道系统的 腐蚀作用加重。当保护膜受到破坏后，水中的氧能在膜的局部损坏处引起腐蚀， 并在表面上形成疏松的沉淀物质。这种不均匀的沉淀，会引起金属表面氧浓度的 不均匀分布，加剧氧的局部腐蚀，造成金属管道的穿孔。 ( 3 ) 防止酸腐蚀 钢铁的酸腐蚀主要是指水中h + 的去极化过程所引起的腐蚀。对于热力管网 用水，一般通过投加氢氧化钠控制水的p h 值。氢氧化钠还有利于管道中金属氧 化膜的形成。 2 2 常用的热力系统软化方法 从表2 1 、2 2 、2 3 中可看出，无论是锅炉水还是热力网补给水，为了防止 结垢，均有较高的硬度要求。尽管自来水水质较好，但若用作热力补水还需对之 进行软化处理。常用的软化方法有树脂软化、反渗透脱盐和纳滤软化等。 北京建筑，1 程学院硕十学位论文 2 热力系统补给水的水质要求 2 2 1 钠型阳离子树脂交换软化 当水通过r n a 型树脂，原水中的c a 2 + 、m 9 2 + 等二价阳离子与树脂七的n a + 交换，水中的二价阳离子被树脂吸附，树脂上的n a + 则进入水中，并和水中的阴 离子s 0 4 。、c 1 + 、h c 0 3 一等组成相应的盐。其反应式如下： ：r ：一r ：瑶俐a + 协。， 由于上述反应过程中不断消耗r n a 型树脂，并使它转化为r 2 锰型树脂， 造成树脂的交换能力减弱，直至失效。为了恢复树脂的交换能力，可用一定浓度 的食盐水通过已经失效的树脂层进行再生。其再生反应为： r ：键+ 2 n a + 一2 r n a + l m c 9 2 + a 2 + ( 2 - 5 ) 上述两个反应实质上是可逆的，故其反应式可表示为： z + 等r c 。a + 2 n a + 协s ， 这种反应的可逆性使离子交换树脂可以反复使用，从而达到不断软化原水的 效果。 从反应式( 2 - 6 ) 中可以看出，每去除l m o l 硬度需要2 m o l 纳离子，则需要 2 t o o l 的氯化钠进行再生。 离子交换树脂的界面现象，与胶体结构相类似。它们在水溶液中形成双电层， 即固定离子层和可动离子层( 反离子层) ，当不同种类的反离子进行交换反应达 到一定程度时，就建立起离子交换平衡状态。对于每一颗粒树脂来说，其中的交 换基团很难全部转变成一种离子形式，所以树腊的的工作交换容量和再生交换容 量要小于全交换容量( 单位质量的树脂所能交换的最大剂量的硬度) 。 2 2 2 反渗透脱盐 许多天然或人造的薄膜对于物质的透过具有选择性。当两种浓度不同的溶液 ( 这里指浓水与淡水) 被一层半透膜隔开时，只有水可以通过，而溶质( 水中盐 分) 却不能通过。自然状态下，水从淡水侧向浓水侧渗入，当渗入达到动态平衡 时，在两种不同浓度的溶液面产生高度差( 或称压差) ，这个压差称为渗透压， 而这个过程称为渗透。如果在浓水侧施加压力以至于超过渗透压，则浓水中的水 1 0 北京建筑i 。程学院硕士学位论文2 热力系统补给水的水质要求 会通过半透膜渗入淡水侧，这个过程与自然状态下发生的渗透过程正好相反，所 以称为反渗透。反渗透装置净化水的过程属物理过程，在一定压力下，溶于水中 的各种物质包括分子和离子被截留在反渗透膜的一侧，水分子渗透到反渗透膜的 另一侧，从而实现了对水的过滤净化。 反渗透膜的操作压力为1 , 0 2 8 m p a ，对水中的悬浮物、高分子氮磷、大分子 有机物、盐离子都有高效的去除率，其出水水质已经接近于纯水，但是由于膜透 水量低，制水成本高。 由于反渗透工艺高效、节能的特性，正逐渐得到广泛应用。目前已有大型的 反渗透水处理设备用于海水淡化、苦咸水净化、纯水的制备、工业高压锅炉用水 的除盐处理等。 2 2 , 3 纳滤软化 纳滤又叫超低压反渗透，是反渗透过程为适应工业软化水的需求及降低成 本要求而发展的新膜品种，适应在较低操作压力下运行，进而能降低成本。它具 有两个特性：对水中的分子量为数百的有机小分子成分有分离性能；对于不同价 态的阴离子存在d o n n a n 效应。物料的荷电性、离子价数和浓度对膜的分离效应 均有很大影响【6 】。 纳滤膜的操作压力为0 5 1 5 m p a ，截留分子量界限为2 0 0 5 0 0 。尽管纳滤膜 对一价盐离子的截留率低于反渗透膜，但它对于二价离子，特别是阴离子仍能达 到9 9 的截留率，从而确定了它在水的软化处理中的优越地位。 纳滤膜是2 0 世纪8 0 年代末期发展起来的一种新型分离膜，但是在实际应用 中，其增长速度很快，从1 9 9 2 1 9 9 6 ，纳滤膜软化装置数量增加了5 0 0 ，远高 于其他脱盐方法。根据美国大型水厂的各种脱盐方法的经济比较( 见表2 4 ) ，无 论是一次设备投资还是运行、维修费用均以纳滤膜软化为最低【7 l o 北京建筑i 望学院硕十学位论文2 热力系统补给水的水质要求 表2 4 美国大型水厂各种脱盐方法的比较 脱盐方式设备费用( 相对值)运行维修费( 相对值) 纳滤膜软化 11 陆地水反渗透 1 51 可倒极电渗析 2 41 2 反渗透海水淡化 4 17 2 多极闪蒸海水淡化 69 1 2 北京建筑1 科学院硕十学位论文3 软化方案的选择 3 北京市建筑中水和城市再生水用作热力系统补给水的软化方案选择 3 1 北京市建筑中水和城市再生水水质 针对热力系统的水质标准，对北京市部分建筑中水水及城市再生水水质( 水 样均取自清水池) 指标进行了抽样检测，检测结果见表3 1 。 表3 1 中水水质标准 航空航天首都师范新世纪饭店 中水水源新世纪饭店水源六厂 大学大学 自来水 c o d c r ( m d l ) 2 0 1 62 2 43 8 7 42 5 微量 溶解氧( m l ) 4 7 33 1 54 3 16 4 87 5 1 p h 值7 7 67 8 37 9 77 4 27 _ 3 8 c 1 。( m g j l ) 9 5 9 77 9 9 78 8 9 72 0 75 1 9 8 电导率( “s c m 1 )9 0 28 8 37 7 2 41 5 0 87 7 8 温度( ) 2 9 83 0 ，41 7 81 4 3 1 5 9 硬度( m g l ) 3 0 03 6 83 8 8 3 6 54 5 4 浊度( n t u )1 42 86 72 0 7 0 4 碱度( r a g l ) 2 4 0 62 7 0 42 加8 2 7 62 2 3 参照污水再生利用工程设计规范( g b 5 0 3 3 5 - 2 0 0 2 ) 中的相关规定，中水 和再生水用于锅炉用水的水质标准，应和以天然水作为水源的水质标准一致【8 l o 比较表3 1 和热力系统水质标准，中水中的的硬度、溶解氧含量虽然低于自来水 ( 新世纪饭店) ，但仍达不到热力系统水质要求，需做软化和除氧处理。此外， 中水中的氯离子含量和碱度要高于自来水，应该尽量去除，否则会降低热力设施 使用寿命。 3 2 软化处理方案的比较 硬度是热力系统补水的最主要指标。从表3 1 中可看出，中水的硬度较高， 因此，首先需考虑中水的软化。此外，在选择软化技术的同时也要兼顾中水与自 来水的水质区别，中水中所含的浊度、有机物等对处理方案的选择也不无影响。 北京建筑。i ：稃学院硕士学位论文 3 软化方案的选择 3 2 1 钠型阳离子树脂交换软化 钠型阳离子树腊交换是传统的常用软化工艺，只能降低进水的硬度，对水中 的杂质截留效果有限。如果再生用的原盐清洗不彻底，还可能增加水中的氯离子 含量。 原水中的悬浮物、胶体、有机物等杂质会损耗树脂，水在进入树脂工艺前必 须降低其各种杂质的含量。尤其是水中的余氯、铁离子，对树脂有很强的破坏作 用，必须首先去除。 阳离子树脂在被水中的钙、镁等离子吸附饱和后需要进行用原盐再生( 交换 l m o l 的钙、镁离子至少需要2 m o l 钠离子) ，会产生大量的含盐废水，一般都不 经过处理就直接排入市政污水管网，最终排入水体，造成水体和地下水含盐量逐 渐增加，土壤盐碱化。树脂软化的设备成本和运行费用较低，但因还需设置盐水 池、原盐储存设施等还需占用一些面积。 3 2 2 纳滤软化 纳滤工艺是一种高效的处理工艺，可以同步降低原水的硬度、氯离子、碱度 并有效地截留水中的杂质，出水水质稳定、可靠。低碱度的锅炉补给水可以预防 锅炉系统的碱腐蚀以及蒸汽和冷凝水系统的酸腐蚀，强化蒸汽品质，减少排污量。 降低水中氯离子含量可以缓解管道腐蚀，延长管道的使用寿命。 纳滤工艺对进水水质要求比较严格，除了要求限制进水中余氯、铁离子等物 质的含量外，对水中有机物的含量，细菌数量也有严格的要求( 见表3 2 ) 。 膜过滤工艺是一种不添加任何化学反应药剂的绿色水质处理工艺，分离过程 是无相变的物理截留，只是为了防止微溶盐在纳滤膜表面结垢而投加了少量的有 机阻垢剂( 无害成分) ，对环境造成的影响很小，占地也少。 纳滤和反渗透同为膜技术，两者对二价离子的去除率都非常高( 均可以达到 9 8 以上) ，具有良好的软化效果。纳滤对水中的一价盐离子和杂质的去除率要 比反渗透低，但是如果以中水为原水，处理出水只是回用于低压锅炉和热力管网， 纳滤工艺完全可以满足要求。由于纳滤膜的运行压力要比反渗透低，膜孔径比反 渗透大，水中的悬浮杂质附着在膜表面的机率要比反渗透膜小，纳滤膜的抗污染 性能要比反渗透膜好，设备和运行成本也相应降低【9 l a 北京建筑i + 科学院硕十学位论文3 软化方案的选择 3 2 3 软化方案比较 树脂与纳滤工艺进水的技术参数比较见表3 2 。 表3 2 两种工艺进水水质要求 工艺项目数据超标后果 会造成堵塞，引起阻力升高，出力 浊度 5 n t u 下降 树腊交换 余氯 o 1 m g l造成树脂氧化、断链而损坏 含铁量 o 3 m g l会污染树脂 浊度 1 n r u ( o 3 n t u l )会污染纳滤膜表面 余氯 o 1 m g l ( 0m g l 1 )会氧化纳滤膜表面 纳滤工艺 含铁量 0 3 m g l容易形成胶体，堵塞纳滤膜表面 有机物2 3 m g l 容易生成细菌堵塞纳滤膜表面 细菌0 堵塞纳滤膜表面 2 高锰酸钾指数 以中水代替自来水作为热力系统补给水，首先要保证水质不会对热力系统的 安全运行造成影响。不但要防止水中的难溶盐受热析出，形成水垢，还需采取有 效的措施防止水中的氯离子与管道形成的金属氧化膜中的氧离子物质发生反应， 影响保护膜的耐蚀性。 从表3 2 看，树脂和纳滤工艺的进水要求类似，但纳滤工艺对水中杂质截留 效果更好。特别是以中水做为水源，存在有浊度、有机物、氯离予等均高于城市 自来水的问题，纳滤工艺对这些杂质的去除更有效，对环境的影响也小，操作简 单也易实现自动化。从水质、经济、环境影响三个方面综合考虑，纳滤工艺是首 选工艺。 3 3 膜技术在污水再生利用领域的应用 膜分离技术的工程应用是从2 0 世纪海水淡化开始的。1 9 6 7 年美国杜邦( d u p o n t ) 公司首先研制出以尼龙6 6 为膜材料的中空纤维膜组件：1 9 7 0 年又研制 出以芳香聚酰胺为膜材料的“p e r m a s e pb - 9 ”中空纤维膜组件，并获得1 9 7 1 年 美国柯克帕里克( k i r k p a t r i c k ) 化学工程最高奖。从此反渗透技术在美国得到 迅猛的发展，随后在世界各地相继应用。随着反渗透技术的应用普及，微滤和超 滤也得到相应的发展。目前膜分离技术除了大规模用于海水淡化、苦咸水淡化、 纯水以及高纯水生产、城市生活饮用水净化外，在城市污水和各种工业废水处理 北京建筑r 群学院硕士学位论文 3 软化方案的选抒 与回收利用方面，如食品工业、医药工业、生物工程、石油、化学工业、核工业 等领域也逐步得到了推广和应用。据相关资料报道，世界膜产品市场销售额己超 过1 0 0 亿美元，而且以1 4 3 0 的年增长速度在发展，膜产业将是2 1 世纪新型 十大高科技产业之一【1 0 】。 3 3 1 分离膜的类型 目前常见的几种分离膜的类型是：微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、反渗透( r o ) 、 纳滤( n f ) 、渗析( d ) 、电渗析( e d ) 、气体分离( g s ) 、渗透蒸发( p v ) 及液 膜( l m ) 等，这几种主要类型膜的适用范围如图3 1 ，分离特点见表3 3 1 “ 。 图3 1 几种主要类型膜的分离范围 北京建筑l 程学院硕士学位论文 3 软化方案的选择 表3 3 几种主要类型膜的分离特点 类型推动力 传递机理透过物截留物膜类型 微滤压力差约1 0 0 k p a颗粒大小、形 水、溶剂、溶悬浮物颗粒、纤维多空膜 ( m f )状 解物 超滤 压力差0 1 1 0 m p a 分子特性、大 水、溶剂 胶体大分子( 不同 非对称性膜 ( u f )小、形状分子量) 反渗透 压力差1 2 8 m p a 溶剂的扩散 水、溶剂 溶质、盐( 悬浮物、非对称性膜或 ( r o )传递大分子、离子)复合膜 溶质、盐( 悬浮物、 纳滤 压力差0 5 1 0 m p a 溶解扩散、大分子、离子、二非对称性膜或 ( n f )d o n n a 效应 水、溶剂 价和多价阳离子复合膜 盐) 电解质离子 非电解质大分子电渗析 电位差的选择性传电解质离子离子交换膜 ( e d )物质 递 气体分离 压力差0 1 1 0 仲a 气体和蒸汽渗透性的气难渗透性的 均匀膜、复合 ( g s )浓度差( 分压差)的扩散渗透体和蒸汽气体和蒸汽膜、非对称性 渗透蒸发分压差选择传递( 物 溶质和溶剂均匀膜、复合 ( 易渗组分 溶质或溶剂( 难渗 ( p v )浓度差性差异)组分的蒸汽) 膜、非对称性 的蒸汽膜 3 3 2 膜分离技术的特点 与传统的分离技术相比较，膜分离技术具有以下特点。 1 膜分离过程不发生相变，与其他方法相比能耗较低，因此又称为节能技 术。以海水淡化为例，各种淡化方法所需的能量比较如表3 。4 所示，由表中数据 可以看出，反渗透法耗能最低【1 2 】。 表3 4 几种海水淡化方法耗能比较 消耗的动力消耗的热量 消耗的动力消耗的热量 分离方法分离方法 w ( k w h m 3 )o ( k l m 3 ) w ( k w h m 5 )o ( k j m 3 ) 理论功值0 7 22 5 7 7 溶剂萃取法2 5 69 2 0 4 8 反渗透法( 回收率4 0 13 + 51 2 9 3 5 电渗析法 3 2 - 2 1 1 5 8 6 3 反渗透法( 回收率3 0 14 71 6 9 1 1 多级闪蒸法 6 2 8 2 2 5 9 3 6 冷冻法9 - 33 3 4 7 2 北京建筑i ：科学院硕十学位论文3 软化方集的选择 2 膜分离技术不仅适用于有机物和无机物的分离，生物学病毒、细菌、微 粒的分离，而且还适用于许多特殊溶液体系的分离，如溶液中大分子与无机盐的 分离，一些共沸物或近沸物系的分离等 3 膜分离法装置简单，操作简易 分离效率高，可靠性高。 这是常规的蒸馏方法所不能实现的。 工作温度与室温接近，便于维修管理 3 3 3 国内外膜分离技术在中水回用中的应用 城市污水深度处理的膜过滤技术主要包括：微滤、超滤、纳滤、反渗透，与 传统的污水处理工艺相比较，主要有以下四方面特点。 在处理污水的过程中不发生化学反应，只是单一的物理截留，向水中投 加的化学药剂少。 对水中有机物、氨氮、磷、微生物、无机盐的去除效果优于传统的污水 处理工艺，而且处理效果受进水水质的影响小，出水水质有保证。 设备紧凑小巧、占地面积小、容易实现自动化操作。 系统可以密闭运行，对周围环境造成的影响小。 1 国外应用膜分离技术处理再生水的状况 在国外