（热能工程专业论文）基于光催化原理的中央空调循环冷却水处理技术研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着国民经济的不断发展和人民生活水平的日益提高，中央空调事业 取得突飞猛进的发展，中央空调系统的研究开发也引起越来越多业内人士的广泛关 注。然而，中央空调系统给我们带来方便舒适的同时，却面临许多严重的负面问题， 其中，中央空调循环冷却水系统中微生物污染问题令人堪忧，由冷却水微生物污染 造成的严重危害日益突出。因此，我们必须加强对中央空调冷却水水质的监测管理 以及选择合理有效的处理方法。光催化氧化法在冷却水水处理方面比生物降解方法 具有速度快、无选择性、处理彻底等优点，而在价廉、环境友好性、可长期使用等 方面又明显优于传统的化学氧化方法，从而成为引人注目和可能广泛应用的中央空 调冷却水处理新技术。 课题研究的反应器是本研究团队在广东省粤港关键领域重点突破项目支持下， 自主研发出来的一款基于光催化原理的新型水处理装置。本文旨在研究该反应器在 中央空调冷却水中的处理效果，结合光催化技术的研究现状及其在实际工程应用的 基础上，对反应器进行合理有效的优化和改进。该研究成果在光催化技术应用在中 央空调冷却水处理方面提供了有价值的科学理论依据和工业化应用参考。 1 本论文研究了冷却水中自然菌和大肠杆菌的灭活率在开始反应阶段上升比 较快，而后呈现缓慢上升的趋势，灭菌过程都符合一级动力学方程；自然菌和大肠 杆菌的灭活率都随着细菌浓度的增加而呈现下降的趋势；反应器配置为u v 镍网 t i 0 2 时对大肠杆菌的灭活效果明显优于镍网t i 0 2 和u v 镍网；通过透射电镜观察表 明光催化反应能有效破坏大肠杆菌结构，并将其逐渐分解；光催化反应器对冷却水 中军团菌反应l h 后，水样中军团菌由阳性变为未检出。 2 本论文研究了光催化反应器对冷却塔中的藻类的去除效果。随着反应时间的 增加，灭藻率先升高后下降；空白镍网在紫外光照射下也具有一定的杀藻功能，其 杀藻效果远低于紫外光照射的光催化镍网，而比无紫外照射的光催化镍网杀藻效果 高；在水样p h = 6 5 时，光催化反应器对藻类的去除效果最差，而当p h = 4 5 和8 5 时灭 藻率均高于9 6 。 3 本论文考察了光催化反应器对酸性品红溶液的脱色效果。随着水中酸性品红 广东工业大学硕士学位论文 初始浓度的升高，脱色率下降；溶液p h 值等于5 、h 2 0 2 投加量为5 9 时，反应器对溶 液的脱色效果为最佳；反应器配置为u v 镍网t i 0 2 对溶液的脱色效果明显优于u v 镍网和镍网厂r i 0 2 ；酸性品红溶液的u v v i s 吸收光谱表明染料发生了显著降解。 4 本文针对光催化反应器的镍网失活问题进行再生工艺研究。设计一种基于超 声波清洗机理的镍网再生技术及其清洗方案。分别对再生前后的镍网表面、超声波 清洗后溶液的滤渣进行s e m 、e d s 和x r d 分析，以及实验研究清洗前后镍网对酸 性品红溶液的脱色变化规律，结果表清洗后明镍网污垢已基本去除，负载的t i 0 2 脱落并不明显；经超声波清洗液处理后的镍网脱色效果略比全新镍网差，但明显比 超声波蒸馏水处理的脱色效果好。 5 针对光催化反应器内紫外灯套管的清洗技术存在的不足，本论文设计一款基 于电磁感应原理的光催化反应器内紫外灯套管的新型清洗装置，并申请了专利。该 设计保证了紫外灯套管表面的清洁性和透光性，提高整个系统的反应效率；针对光 催化反应器内泡沫镍网的防垢除垢方法存在的不足，本论文设计出一款基于超声波 原理的光催化反应器内泡沫镍网的防垢除垢装置，正在申请专利。该装置可以防止 反应器在工作过程中泡沫镍网中污垢的形成，同时可以对镍网进行停机除垢，具有 防止积垢形成和破坏已有积垢的双重作用。 6 为提高负载t i 0 2 镍网的光催化效果，本论文对其表面进行热处理研究。随 着表面热处理温度的升高，镍网表面负载的t i 0 2 晶型由锐钛矿向金红石转变，晶粒 尺寸增大；在热处理温度为4 0 0 时，镍网对酸性品红溶液的脱色效果为最佳；在 热处理温度为5 0 0 时，镍网对大肠杆菌的灭活效果为最佳。 关键词：循环冷却水系统；冷却水处理；光催化原理；纳米t i 0 2 ；光催化反应器 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n d i n c r e a s i n gl i v i n gs t a n d a r d so ft h ep e o p l e ，c e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gh a sm a d e r a p i d d e v e l o p m e n t ，t h ec e n t r a lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mh a sc a u s e d p u b l i cc o n c e r ni nt h ei n d u s t r y w h i l et h ec e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e mb r i n g i n gu s c o n v e n l e ma n dc o m f o r t , i tc o n f r o n tw i t hm a n ys e r i o u sn e g a t i v e i s s u e s ，a m o n gw h i c h c e n 蛔1a i r - c o n d i t i o n i n gr e c i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e rs y s t e mi s e x t r e m e l yw o r r y i n g ，t h e s e r i o u sh a z a r d sc a u s e db ym i c r o b i a lc o n t a m i n a t i o ni nc o o l i n gw a t e r s y s t e mb e c o m em o 陀 a n dm o r e h i g h l i g h t e d c o n s e q u e n t l y , w es h o u l ds t r e n g t h e l lt h e 鲫p e r v i s i o na n d m a n a g e m e n to fc o o l i n gw a t e rq u a l i t yi nc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n g ，a sw e l la sa 陀a s o n a ：b l e c h o l s eo fe f f e c t i v et r e a t m e n t m e t h o d p h o t o c a t a l y t i c o x i d a t i o n ，c o m p a i r e dw i t h b i o d e g r a d a b l ei nc o o l i n gw a t e rt r e a t m e n t , h a sm a n ya d v a n t a g e ss u c h 嬲e f f i c i e n t n o n 。s l e c t i v ea n dt r e a t m e n tc o m p l e t e ，b e s i d e s ，i ti s s u p e r i o rt ot r a d i t i o n a lc h e m i c a l o x i d a t i o ni nt e r m so fc o s t , e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ya n dl o n g - t e r mu s e a c c o r d i n g l y , p h o t o c a t a l y t i co x i d a t i o ni sa t t r a c t i n gm o r ea t t e n t i o n s ，a l s oi ti sa p o t e n t i a ln e wt e c h n o l o g y a d o p t e di nt h ec e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gc o o l i n gw a t e rt r e a t m e n t 1 h ep h o t o c a t a l y t i cr e a c t o rr e s e a r c h e di nt h i st h e s i si sa n e w c o o l i n gw a t e rt r e a t m e n t d e v i c eb a s e do nt h ep b o t o c a t a l y t i cp r i n c i p l e ，w h i c h r e s e a r c h e da n dd e s i g n e db vo u r r e s e a m ht e a m ，s u p p o r t e db yt h ep r o j e c to f c r u c i a lf i e l d sa n d k e yb r e a k t h r o u g h sb e l o n gt o g u a n g d o n gp r o v i n c ea n dh u n gk o n g b a s eo ns t u d y i n gt h et r e a t m e n te 舵c to f t h er e a c t o r a p p l i e dt or e c i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e rs y s t e m ，c o m b i n ew i t h c u r r e n t t e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n ta n da c t u a la p p l i c a t i o no ft h ep h o t o c a t a l y t i c r e a c t o r o p t i m i z a t i o na n d t m p r o v e m e n tt ot h er e a c t o ra r ed e s i g n e dr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e t h i ss t u d y , a p p l yt h e p h o t o c a t a l y t i co x i d a t i o nt ot h er e c i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e r t r e a t m e n t , p r o v i d e sav a l u a b l e t h e o r e t i c a lb a s i sa n d a p p l i c a b l er e f e r e n c ei ni n d u s t r y 1 i n a c t i v a t i o nr a t eo fn a t u r a lb a c t e r i aa n de c o l i i nc o o l i n gw a t e rh 鹪b e e n r e s e a r c h e di nt h i s t h e s i s i ti sf a s t e ri n c r e a s i n gi nt h ep r i m a r yr e a c t i o ns t a g e a n dt h e n s h o w sas l o w e ru p w a r d ，s t e r i l i z a t i o n p r o c e s sc o r r e s p o n d i n gw i t hl i n e a rd y n a m i c a l e q u a t i o n i n a c t i v a t i o nr a t eo fn a t u r a lb a c t e r i aa n de c o l ih a v es h o 、) l ，i lad o 、n w a t 陀n d w i t hi n c r e a s i n go fb a c t e r i a l c o n c e n t r a t i o n t h ei n a c t i v a t i o n r a t et oe c o l i u n d e r 广东工业大学硕士学位论文 c o n f i g u r a t i o no fu v n i c k e l - n e t t i 0 2i nr e a c t o r , i ss u p e r i o rt ot h a to fn i c k e l n e t t i 0 2a n d u v n i c k l e - n e t t h r o u g ht e mo b s e r v a t i o n ，i ts h o w st h a tp h o t o c a t a l y t i cr e a c t o rc o u l d d e s t r o yt h ee c o l is t r u c t u r ee f f e c t i v e l ya n dd e c o m p o s ei tg r a d u a l l y l e g i o n e l l ai nw a t e r c o o l i n ga l en o td e t e c t e da l t e ro n eh o u rr e a c t i o n 2 r e m o v a le f f e c to ft h ep h o t o c a t a l y t i cr e a c t o rt oa l g a ei nc o o l i n gt o w e rh a sb e e n r e s e a r c h e di nt h i st h e s i s w i t hr e a c t i o nt i m ei n c r e a s i n g ，r e m o v a lr a t et oa l g a eb e g i nt o a s c e n d i n ga n dt h e nf a l lo f f ；f r e s hn i c k e l - n e tu n d e r t h eu l t r a v i o l e tl i g h tc a na l s or e m o v e a l g a e e f f e c t i v e l y ；t h er e m o v a le f f e c tt oa l g a e f a rb e l o wt h ep h o t o c a t a l y t i cn i c k e l - n e t u n d e ru l t r a v i o l e tl i g h t , w h i l eh i g h e rt h a nt h en i c k e l - n e tw i t h o u tu v - i r r a d i a t i o n ；t h e r e m o v a le f f e c to ft h ep h o t o c a t a l y t i cr e a c t o rt oa l g a ei st h ew o r s tu n d e rt h ep hv a l u ei n 6 5 ，a n dt h er e m o v a lr a t et oa l g a ei sh i g h e rt h a n9 6 u n d e rt h ep hv a l u ei n4 5a n d8 5 3 d e c o l o r a t i o ne f f e c to ft h ep h o t o c a t a l y t i cr e a c t o rt oa fs o l u t i o nh a sb e e n r e s e a r c h e di nt h i st h e s i s d e c o l o r a t i o nr a t ew i l ld e s c e n tw i t hi n c r e a s i n go ft h ei n i t i a la f c o n c e n t r a t i o n ；d e c o l o r a t i o ne f f e c to ft h ep h o t o c a t a l y t i cr e a c t o rt oa fs o l u t i o ni st h eb e s t u n d e rt h ep hv a l u ei n5a n dt h ea m o u n to fa d d i t i o n a lh 2 0 2i s5 9 l t h ed e c o l o r a t i o n e f f e c t , u n d e rc o n f i g u r a t i o no fu v n i c k e l - n e t t i 0 2i nr e a c t o r i ss u p e r i o rt o t h a to f n i c k e l - n e t t i 0 2a n du v n i c k l e - n e t u v - v i sa b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r ys h o w st h a ta fd y e o c c u r r e dt oac o n s p i c u o u sd e g r a d a t i o n 4 r e g e n e r a t i v et e c h n o l o g yo ft h ei n a c t i v a t en i c k e l - n e ti np h o t o c a t a l y t i cr e a c t o rh a s b e e nr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s r e g e n e r a t i v et e c h n o l o g ya n dc l e a n i n gp r o g r a mh a v eb e e n d e s i g n e db a s i n go nt h em e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cc l e a n i n g t h en i c k e l n e ts u r f a c ea n d f i l t e rr e s i d u ec o n t a i n e di ns o l u t i o na f t e ru l t r a s o n i cc l e a n i n gh a v eb e e na n a l y s e dt h o u g h tt o s e m ，e d sa n dx r d ，a sw e l la st h ed e c o l o r a t i o nr e g u l a r i t yt oa fs o l u t i o nb yt h e n i c k e l n e tw i t hc l e a n i n go rn o t ，i ts h o w st h a tt h ed i r to nt h en i c k e l - n e th a sb e e nr e m o v e d b a s i c a l l y ，a n dt i 0 2 s t i l lc o a t e do nt h en i c k e l n e t d e c o l o r a t i o ne f f e c to f t h en i c k e l - n e ta r e r u l t r a s o n i cc l e a n i n gi sw o r s et h a nf r e s hn i c k e l n e t , w h i l em u c hb e t t e rt h a nd i s t i l l e dw a t e r c l e a n i n g 5 i na l l u s i o nt ot h ei n s u f f i c i e n c yi nc l e a n i n gt e c h n o l o g yf o ru v l a m ps l e e v ei n p h o t o c a t a l y t i cr e a c t o r , an e wc l e a n i n gd e v i c ef o rt h es l e e v eh a sb e e nd e s i g n e db a s i n go n t h ep r i n c i p l eo f e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ，a n dh a sb e e na p p r o v e da sap a t e n t t h i sd e s i g n g u a r a n t e e st h ec l e a n n e s sa n dt h et r a n s p a r e n c yo ft h es l e e v e ，a n di m p r o v e st h er e a c t i o n i v e f f i c i e n c yo ft h es y s t e m ；i nv i e wo f t h e c i e n s f o u f f i rn c i i e c n k e c y l n t o t h e p h m e 。t h t o o c d a 协sl o 州fa c n r e t i s a c c a t o l e ra h n a s d d e s c a l i n g , a na n t i s e a l e a n d e d e s c a l ed e v i = 1 e u t n i n p n u w ：4 m 1 ：。t ：。一一 b e e nd e s i g n e db a s i n go n t ：= e h p r i n c i r p l 舶e o f m q 锄掣d e r p a ? t e n - p e n f l l n g i tc e a n 胁n o t o n 1 王p 。r e v e n t i ，n 。i c k e l - n e t 1 n r e a c t o r 拍m es c a l el f e o r i n m p a t r e i o v n e , n t b i u n t ga s c j s a 0 1 m r g e m a n u d v ：r e a k m g d i r t n i c k e l n e t 、) v h e ns t o pw o r k i n g i t h a st h ed u a l l e1 np e v c n 哪扎“与 。 k e vw o r d s ：r e c i r c u l a t i n gc o o l i n g w a r e rs y s t e m ；c o o l i n g w a t e rt r e 棚e n ； p h o t o c a t a l 妒cp r i n c i p l e ； n a n o - t i 0 2 ；p h o t o c a ：t a l 舛1 cr c a c t o r v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师的指导下进行的研究工作及所取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，不包含本人 或其他用途使用过的成果。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明，并表示了致谢。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签名： 论文作者签名： 年占月台e l 镶链 脚睦 第章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及其研究意义 随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，以及房地产业持续升温，大 型宾馆、酒店、商场、娱乐场所、写字楼、办公楼、现代化生产车间都相继安装了 中央空调系统。近年来，我国中央空调行业实现了跨越式发展，产业规模不断扩大。 目前，中国中央空调的年产量已超过了世界总量的l 3 ，从而成为全球最大的中央空 调制造基地和市场。如图1 1 所示为近年来中央空调市场总容量的对比。从图中可以 看出，2 0 0 8 年，我国中央空调市场承接2 0 0 7 年强劲的发展势头，依然保持稳定增长 的态势，市场总容量达到了4 1 0 亿元，比2 0 0 6 年增长了1 7 。中央空调市场容量f 1 2 0 0 4 年以来，年均增长率达到了1 6 【l j 。 柏0 3 5 0 1 r3 0 0 过 2 5 0 窭z 0 0 癸伽 摇1 0 0 5 0 0 2 0 0 4 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年2 0 0 7 年2 0 0 8 年 图1 12 0 0 4 - - - 2 0 0 8 年中央空调市场总容量对比 f i g 1 - 1c o m p a r i s o nf o rt o t a lc a p a c i t yo f t h ec e n t r a la f t - c o n d i t i o n i n gm a r k e tf r o m2 0 0 4t o2 0 0 8 根据我国经济发展的速度以及相关行业的发展情况，2 0 0 9 - 2 0 1 0 年，受到自然 灾害及经济环境发生变化的影响，我国中央空调行业仍将保持调整发展，整体上还 是表现出良好的发展势头。权威人士预计，未来国内家庭中央空调每年市场大概在 广东i n 大学硕学位论立 3 5 0 亿4 0 0 亿元之问，2 0 1 0 年这一数字将高达5 0 0 亿元。我国在用中央空调的人均 拥有量是世界平均数的们，是发达国家的1 1 0 ，国内市场还远未饱和，中央空调发 展还有很大的空间”j 。在中央空调系统市场份额不断膨胀的同时中央空调系统的 研究开发也引起越来越多业内人士的广泛关注。与此同时作为中央空调系统的配 套部件及其末端设备的循环冷却承处理设备市场也随之大幅度增加。 如图1 乏听示为中央空调系统示意图。由图可看出，中央空调液体循环系统主要 包括冷却水、制冷剂和冷冻水三大循环系统，而冷却水系统叉分封闭式和敞开式两 种。绝大多数的中央空调冷却水系统采用敞开式循环冷却水系统，冷却水用过后不 是立即被排放掉而是收回循环再用。 图i 中央空调系统示意图 f i 9 1 - 2s c h e m a t i c d a g o f c e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m 中央空调的普遍使用，确实给人们的生活、工作环境、工作条件得到很大程度 的改善。但是，中央空调系统给我们带来方便舒适的同时，却带来许多严重的负面 问题。中央空调敞开式循环冷却水系统中，冷却水暴露于空气中，水在冷却塔内的 冷却过程，同时也是洗涤空气的过程。循环冷却水在使用之后，水中的c a 2 、m g “ 等离子溶解固体和悬浮物相应增加，空气中污染物如灰尘、杂物、可溶性气体以 及包括军团病菌在内的一些细菌，均可进入循环冷却水。随着冷却水的不断循环、 第一章绪论 蒸发、冷却、水中的营养源随之增加，促使细菌藻类等微生物迅速繁殖，不仅使冷 却水水质恶化，而且还和其它杂质掺混形成粘垢，使循环设备管道腐蚀、结垢，造 成换热器传热效率降低，管道阻塞，过水断面减小，动力消耗增大，甚至使管道和 设备损坏，使用寿命缩短及维修费用增加。资料表明：管道内每附着o 1 5 m m 污垢 层，水泵的耗电量就增加1 0 ；由换热效果降低引起的冷凝器温度每上升l ，制 冷机的制冷量就下降2 1 3 】；换热器表面的结垢不仅影响传热效率，而且还会增加能 源的消耗，一般来说，结垢1 0 m m ，大约相当于1 0 的能源消耗。水垢厚度与热损 失见表1 1 【4 】。 表1 1 水垢厚度与热损失 t a b l e 1 1t l l i c k n e s so f w a t e rs c a l ea n dt h eh e a tw a s t e 同时，中央空调敞开式循环冷却水系统在运行过程，阳光、中性的p h 值、适 宜的温度和大量的养份，给细菌和藻类的繁殖提供了条件，导致这些微生物的大量 繁殖、扩散，不但产生生物粘泥增加能耗、腐蚀设备，还有可能产生军团菌导致周 围的空气质量下降，疾病流传，给人类健康带来严重威胁。中央空调循环冷却水系 统是繁殖军团杆菌、传播“军团病 的主要途径，直接危害人体健康，给中央空调 的使用带来极大的卫生安全隐患。 1 2 中央空调冷却水中微生物引起的危害 如图1 3 描述的是中央空调循环冷却水系统中存在的四个现象。在循环冷却水 系统中，微生物处于冷却水处理的中心，它能够导致另外三个主要问题：腐蚀、结 垢、污垢。冷却水系统中结垢、腐蚀和微生物繁殖是相互关联的，污垢和微生物粘 泥可引起垢下腐蚀，而腐蚀产物又形成污垢，这对于确保中央空调使用寿命、降低 能耗和长期稳定运行产生了很大制约作用。所以，对循环冷却水系统中微生物的滋 生和引起的危害必须给予充分的重视。 广东工业大学硕士学位论文 图l - 3 冷却水处理的三角关系 f i g 1 - 3t r i a n g l er e l a t i o n s h i po f t h ec o o l i n gw a t e rt r e a t m e n t 1 2 1 微生物等造成的污垢 中央空调循环冷却水系统在运行的过程中，会有各种物质沉积在换热器的传热 管表面，这些物质统称为沉积物。它们主要是由水垢、淤泥、腐蚀产物和生物沉积 物构成。通常，人们把淤泥、腐蚀产物和生物沉积物三者统称为污垢。所谓的微生 物结垢即指这些污垢及管壁上一些锈瘤。污垢体积较大、质地疏松稀软，故又称为 软垢。生物污垢是由于细菌、真菌、藻类等微生物的生长繁殖而引起的，可发生于 冷却系统中与水接触的所有部位，如管道、热交换器和冷却塔。这些生物污垢生长 的营养来自于颗粒物质、溶解态的有机物质和矿物质，都可由冷却水的补充及冷却 介质的泄漏进入系统并累积。生物污垢的强度很大程度上取决于循环处理水质。 1 2 2 微生物腐蚀 1 2 2 1 产酸菌腐蚀在好氧条件下氧化硫硫杆菌、硝化细菌能将水中硫化物、氨氧 化为硫酸、硝酸，还有些细菌在代谢过程中能产生有机酸，如甲酸、乙酸。微生物 产酸的结果，使循环冷却水系统的局部p h 值小于2 ，导致金属材料的快速腐蚀。 1 2 2 2 好氧菌腐蚀冷却水中以好氧微生物数量最多，约占微生物的总数9 0 。铁 细菌、锰细菌均是冷却水中好氧菌的常见类型。其中，铁细菌能使水中的f e 2 + 氧化 成f e 3 + ，以氢氧化铁棕色勃泥的形式沉积在细菌周围，并产生金属管道及构件的坑 蚀。这类好氧菌腐蚀的特征是，腐蚀时必须有氧参与，并加速了阴极去极化过程。 4 第一章绪论 1 2 2 3 厌氧菌腐蚀冷却水中的厌氧菌是一类数量不多但危害极大的微生物。由于 设备及管道的结垢甚至堵塞，往往造成金属表面和污垢之间严重缺氧，为一些厌氧 菌( 主要是硫酸盐还原菌) 的生长、繁殖提供了良好条件。硫酸盐还原菌利用水中的 硫酸盐菌厌氧呼吸，并产生h 2 s ，对碳钢的腐蚀危害性很大。 除上述介绍的主要微生物外，真菌及藻类也直接参与了循环水设备及管道的腐 蚀。如丝状真菌在大量繁殖时可形成如棉花状团块，加快了生物垢泥的形成并导致 管道堵塞，为厌氧微生物的生长繁殖提供了良好生境。在光照充足的地方，藻类大 量繁殖，并迅速增加水中溶解氧，有利于氧的去极化作用，腐蚀过程因此加快。微 生物的腐蚀并不局限于某一种形式的局部腐蚀，而是点蚀、缝隙腐蚀、垢下腐蚀、 电化锈蚀和冲刷腐蚀等多种形式的腐蚀。 由此可知，微生物促进腐蚀的过程是多种多样的，在大多数情况下，腐蚀是各 种微生物共同作用所造成的。研究循环冷却水系统中的微生物生长规律并给予适当 控制，是目前亟待解决的问题。因此，针对以上细菌藻类等微生物对中央空调循环 冷却水系统造成的严重危害，除了必须加强对循环冷却水水质的监测和控制，控制 循环冷却水污染十分必要。 1 3 中央空调冷却水污染的控制方法 中央空调循环冷却水处理的主要任务是控制系统内的结垢、腐蚀和微生物的滋 生，保证设备长周期、安全地运行。国外在冷却水处理这一领域内的研究起步较早， 早在二十世纪2 0 年代就已开始，而且研究工作一直非常活跃，仅在二十世纪9 0 年代 初，世界各国发表的关于冷却水处理方面的文章在c a 上收集的就有上百篇之多【5 1 ， 技术专利也层出不穷。国内对循环冷却水的研究起步相对较晚，到二十世纪7 0 年代 才开始，但大致的研究方向及内容基本遵照于国外。虽然发展的较快，但与国外的 差距还是很大。中央空调循环冷却水系统水质的现场监测和控制对于保证冷却水系 统的优质运行、了解冷却处理方案的效果、指导冷却系统的日常运行都是必不可少 的。目前，已有许多控制冷却水水质的方法主要包括以下几个方面。 广东工业大学硕士学位论文 1 3 1 水质控制和环境管理 水质控制主要是控制冷却水中的悬浮物和微生物的养料。油类是微生物的养料， 应尽可能防止它泄漏进人冷却水系统，如漏入冷却水系统中的油较多时，应及时清 除。清除漏油的方案以机械除油和化学除油为主，也可以利用微生物清除$ i t 6 1 。进 入冷却水系统的氨能引起硝化细菌的繁殖和降低氯的杀生能力，应加以防止。 1 3 2 物质材料方面的防护 藻类的生长和繁殖需要阳光，故冷却水系统应避免阳光的直接照射。为此，冷 却塔的进风口可加装百页窗，同时也可设计安装用石英砂或无烟煤等为滤料的旁滤 池，从而控制微生物的生长【7 鲫。另j l - ，要尽量地选用耐微生物腐蚀的材料，使用杀 生涂料。这不仅可控制冷却水系统中的冷却、塔、水池内壁、抽风筒、收水器等处 藻类的生长，还可以抑制冷却水中异氧茵的生长。 1 3 3 化学控制 1 3 3 1 投放药剂法利用化学方法来控制循环冷却水是常用且有效的手段。一般是 加入3 种不同作用的水处理药剂：缓蚀剂、阻垢剂及杀菌减藻剂，采用合理及科学的 药剂配比，可以较完善地全面地达到缓蚀，阻垢、杀菌减藻的功能。 1 3 3 2 臭氧法臭氧法是利用臭氧与水分子接触后，会立即发生还原反应，产生了 原子氧和羟基。羟基是一种催化剂，能使有机物发生连锁反应。臭氧的强氧化性有 效地控制了循环水中微生物的生长，靠其分解后产生的新生氧的氧化能力，与细胞 壁的脂类双键起反应，穿破细胞壁进入细胞内部，作用于外壳脂蛋白和内面的脂多 糖，使细胞的通透性发生改变，最后导致细胞融解、死亡，从而减轻了生物污垢及 其引起垢下腐蚀。另外，臭氧作为单一使用的水处理药剂，能够氧化垢层基质中有 机物成分，使垢层变松脱落，从而起到阻垢的作用【9 1 。 1 3 4 物理防治 1 3 4 1 磁处理法磁化处理法采用内磁结构，永磁材料制成，形成的水垢较疏松质 6 第一章绪论 脆，附着力弱，容易冲洗，进而达到防垢效果，同时，由于受到强烈的磁场作用， 藻类和细菌等微生物的分子构造出现变化，失去活性。磁化处理法具有除垢、防垢、 缓蚀、杀菌、灭藻的功能，还能使铁的腐蚀性受到影响，高频电磁场可击破冷却水 中微生物的细胞壁，使原生质流出而导致其死亡。 1 3 4 2 电子处理法电子处理法是直接向水中通以微电流，在不改变水的化学成分 的条件下使水发生物理变化。使水中大分子离子被水分子包围，进而使水中的大分 子无法聚合成更大的分子沉淀下来形成水垢，从而达到阻垢、除垢的效果。同时还 能一定程度地降低水的硬度，使水软化，有利于提高循环水的浓缩倍数，而且还具 有杀菌、灭藻和缓蚀的作用【1 0 1 。 1 3 4 3 脉冲电场法脉冲电场法是用2 0k v 高压产生的脉冲电场使液体中的活性细 胞失活的方法。该法处理冷却水中的有机物切实可行，可使水中的微生物在流过冷 却设备时暂时失去活动能力，不发生沉积【1 1 】。 1 3 4 4 静电处理法静电处理法由一个高压发生器和一组电极组成，利用静电作用 使水产生一些“自由”电子，附着于管壁，防止管壁金属失去电子而被氧化，同时， 溶解氧得到活化，产生超氧阴离子自由基和过氧化氢等物质，具有一定的防腐和杀 菌作用，但防垢不彻底。 1 3 4 5 离子交换法离子交换法主要是用n a c ! 通过置换反应置换出水中c a 2 + 、m d + 等金属离子，使水的碱度下降，本法的优点是解决了冷却水高硬度、高碱度的严重 结垢问题，缺点是增加了腐蚀性离子，腐蚀严重，而且防腐杀菌减藻作用不明显。 1 3 4 6 纯水法纯水法是利用反渗透、电渗析等方法去除水中的离子，主要用于高 压锅炉、密封式循环水系统。本法的优点是可完全去除冷却水中的结垢因素。由于 水中溶解氧的存在，腐蚀避免不了，且初期腐蚀较慢，随着时间的推移，腐蚀有一 个加速过程，其反应原理为自催化反应。所以在循环冷却水系统中，严禁使用软化 水和去离子水。如果原水硬度过高，应在水处理专业人员的指导下，适当地加入一 定量的上述水，与补充水按比例混合使用，但此种方法会增加成本。 1 3 4 7 高频电子法高频电子法是采用集成电路产生高频信号，使这物理结构发生 7 广东工业大学硕士学位论文 变化，达到防腐阻蚀，杀菌减藻的作用。 1 3 4 8 清洗法进行物理清洗或化学清洗可以把冷却水系统中微生物生长所需的 养料( 例如泄漏人冷却水中的油类、氨等) 、微生物生长的基地( 例如粘泥) 和庇护所( 例 如腐蚀产物、淤泥等) 以及微生物本身从冷却水系统中的金属设备表面上除去，并从 冷却水系统中排出。清洗还可以使清洗后剩下来的微生物直接暴露在外，从而为杀 生剂直接达到微生物表面并杀死它们创造有利的条件。 1 3 5 生物控制一噬菌体法 噬菌体是一种能够吃掉细菌的细菌病毒。这种细菌病毒与动物病毒、植物病毒 不同，它们只对细菌的细胞发生作用，故是一种很小的但非常有用的病毒。噬菌体 靠寄生在叫做“宿主 的细菌里进行繁殖，繁殖的结果是将“宿主 吃掉，这个过 程叫做溶菌作用。有人研究噬茵体是通过凝聚、细胞裂解和生物降解作用或者是通 过直接接触导致藻细胞的凝集及进一步的生物降解，从而达到控制藻类数量、防治 各种危害的目的，这是一种十分有效的生物学控藻技术。利用细菌的天敌一噬菌体， 防止和消除冷却水系统中的生物粘泥是一种颇有前途的生物学方法【1 2 】。 1 3 6 光催化氧化法 近年来，一种新型中央空调冷却水处理技术一光催化氧化技术越来越受到人们 的关注。本课题研究的光催化氧化法是利用复合光催化泡沫金属网上的t i 0 2 在紫外 灯的照射下，产生游离电子及空穴，利用空穴的氧化和电子的还原能力，和水体接 触周边的h 2 0 ，0 2 发生反应，产生氧化能力极强的自由基( 活性羟基、超氧根离子、 c o o h 、h 2 0 2 等) ，这些自由基可直接杀死微生物和彻底降解有机物。 1 4 几种典型控制方法的对比论证及其经济性分析 各种控制方法进行经济性分析时主要考虑前期投资、排污费用和水处理日常运 行费用。假设某中央空调冷却循环水系统总循环水量为1 1 2 0 0 m 3 h ，共有7 台制冷 机组，对应7 个冷却塔。每个冷却塔的冷却循环水水量为1 6 0 0 m 3 h 。冷却塔的出水 8 第一章绪论 分三组，经7 台制冷机前的7 台冷却循环泵加压后进入冷凝器，冷却水升温后，进 入冷却塔降温。下面详细论述几种不同控制方法及其经济性分析： 1 4 1 简单的物理方法 现在市场上推广使用的物理法水处理设备往往采用“电子水处理器+ y 式过滤 器+ 排污器 的方式，即在系统中安装磁、静电、电子类设备，再配套y 式、容积 式等普通过滤器，这种方式无法满足系统对水质的要求及对水质的控制。首先，普 通过滤设备如y 式过滤器的过滤精度非常低，一般在1 0 一1 5 目左右，只能去除树叶 等大颗粒物质，而中央空调循环水冷却系统内的杂质除了少数施工期间残留的大颗 粒杂质外，主要由空气中的尘沙、铁锈、粘泥等细小的悬浮物组成，普通过滤设备 对这些悬浮物的过滤效率几乎为零，这样会使冷冻系统的末端装置一风机盘管堵塞。 其次，电子水处理器也只能解决水垢问题，系统腐蚀、菌藻等问题却不能解决。但 为了控制浓缩比，采用直接排污的方式，将浪费大量的水资源。 采用“电子水处理器+ y 式过滤器+ 排污器 方式的费用分析如下：前期投资： 用于购买水处理设备和过滤设备需投资约5 6 万元；排污费用：根据北方