（环境工程专业论文）城市污水二级处理出水回用于循环冷却水系统的防腐防垢研究.pdf

j e 塞交垣盔堂亟堂僮途窑 生塞撞蔓 中文摘要 摘要：随着水环境污染日益严重，水资源短缺已成为火电工业发展的制约因 素。城市污水由于其来源的稳定性和可靠性，成为电厂可以利用水源之一。目前 城市污水回用作工业循环冷却水补充水的工艺研究大都建立在对已经进行了二级 处理的城市污水再进行深度处理的基础上，以使深度处理后的污水达到循环冷却 水水质标准。城市污水处理厂二级出水直接回用于工业冷却水会引起系统设备腐 蚀、结垢、微生物滋长等技术问题。在这样的背景下，本文主要进行了以城市污 水处理厂二级生物出水为处理对象，以达到回用于火力发电厂循环冷却水为目的， 以m b r + 弱酸阳离子交换器为处理技术，对实际工程应用进行了研究。 论文首先分析了城市污水二级处理出水与循环冷却水水质之问的差异及造成 设备严重腐蚀的因素。利用静态挂片试验，研究了城市污水二级处理出水在不同 浓缩倍率下对3 1 6 l 不锈钢的腐蚀影响。然后利用电化学交流阻抗法和动电位扫描 法就模拟冷却水中3 1 6 l 不锈钢的耐蚀性能影响因素展开了研究。最后论文还利用 自行设计的小型动态模拟装置，对城市污水二级处理出水直接回用于循环冷却水 系统后的水质变化规律进行研究。 关键词：污水回用；循环冷却水；不锈钢；电化学阻抗谱；动电位扫描；h s n 7 0 i a 铜管。 j e 塞銮垣盔堂亟茔僮论塞旦s ! 壁堡工 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t hp o l l u t i o no fw a t e rr e s o u r c eb e i n gs e r i o u sd a yb yd a y , t h e s h o r t a g eo f t h ew a t e rr e s o u r c eh a sa l r e a d yb e c o m et h er e s t r i c t i o nf a c t o ro ft h ee l e c t r i c i n d u s t r i a ld e v e l o p m e n to f f i r e b e c a u s et h em u n i c i p a ls e w a g ei sb e c a u s eo f t h es t a b i l i t y a n dd e p e n d a b i l i t yo f i t ss o u r c e ，b e c o m i n gt h ep o w e rp l a n tc a r lu t i l i z eo n eo f t h es o u r c e s o fw a t e r a tp r e s e n t s t u d i e so nr e u s i n gm u n i c i p a lw a s t e w a t e ra si n d u s t r i a lc o o l i n g t o w e rm a k e u pw a t e ra r eo nt h eb a s eo fa d v a n c e dt r e a t m e n tf o rs e c o n d a r ys e w a g e e f f l u e n t ，s oa st om e e tt h ed e m a n do fi n d u s t r i a lc o o l i n gw a t e r u s i n gt h es e c o n d a r y t r e a t e ds e w a g ee f f l u e n to fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rp l a n ta sc o o l i n gw a t e rd i r e c tw i l ll e a d t ou sl o t so fq u e s t i o ns u c ha s ：e q u i p m e n t s c o r r o s i o n ，s c a l e sa n ds t e r i l i z a t i o ne t c u n d e r s u c ha nb a c k g r o u n d s ，t h i sp a p e rg oo na n dl e a v et a r g e to fp u n s h i n go nw a t e rw i t hc i t y s e w a g et r e a t m e n tp l a n tm a i n l y r e g a r da c h i e v i n gt h ep u r p o s eb a c kt ou s i n gi n t h e c i r c u l a t i o nc o o l i n gw a t e ro ft h e r m a lp o w e rp l a n ta s ，a d o p te x p e r i m e n t a ls t u d yt h a tt h e l i m et e c h n o l o g yc a r r i e so nt h em b r + w e a ka c i dc a t i o n i ci o n e x c h a n g et r e a t m e n ts i s t e m ， a n dh a sc a r r i e do ns u c c e s s f u la p p l i c a t i o ni nt h ea c t u a lp r o j e c t s o ，a tf i r s t ，t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h eq u a l i t yo fs e c o n d a r yt r e a t e ds e w a g ea n d q u a l i t yo fr e c y c l i n gc o o l i n g w a t e ra n dc o m p o n e n t so fw a t e rc a u s i n ge q u i p m e n t s c o r r o s i o ns e r i o u s l ya r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l yi nt h i sp a p e r t h r o u g hs t a t i cw e i g h t l o s t m e t h o d ，t h er a t e so ft h e3 1 6 ls t a i n l e s ss t i l lc o r r o s i o na r es t u d i e di ns e c o n d a r yt r e a t e d s e w a g ew a t e r t h e nt h ea r t i c l ed e s c r i b i n gt h ef o r m a t i o na n dg r o w t hp r o c e s so ft h e p a s s i v ef i l mo nt h e3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e li ns i m u l a t e dc o o l i n gw a t e lt h em a i nf a c t o r s r e l a t e dt oa n t i c o r r o s i o np r o p e r t i e sa n dan e we l e c t r o c h e m i c a lm e t h o dofe v a l u a t i n gt h e e f f i c i e n c yo ft h es c a l ei n h i b i t o r sa r cs t u d i e dw i t ha n o d i cp o l a r i z a t i o nc u r v e sa n de i s m e t h o d w ea l s od e s i g nas i m u l a t e ds y s t e mi nm i n i a t u r et os t u d yi n h i b i t i n gc o r r o s i o no f e q u i p m e n t so ft h ec o o l i n gs y s t e m t h ev a r i e t yo fc o m p o n e n t si nc o o l i n gw a t e ri s s t u d i e dw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nr a t e s e y w o r d s ：m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ：r e c y c l i n gc o o l i n gw a t e r ：s t a i n l e s ss t e e l ： a n o d i cp o l a r i z a t i o nc u r v e ：e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ：h s n 7 0 1 at u b e j e 夏窑堡太堂亟堂僮论銮毯进 致谢 本论文是在导师李进教授的悉心指导下完成的，无论是在论文的选题、课题 的研究，还是论文的撰写中都凝聚着导师的汗水。两年多来，导师为我提供了良 好的学习环境，并在学业、生活上给予了极大的关心、支特和帮助。导师渊博的 知识、严谨的治学态度、积极进取的精神、活跃的学术思想以及平易近人的风格 都使我受益匪浅。在学习中，导师悉心指导，循循善诱，使我的学术水平和实际 动手能力都有了很大的提高；在工作中，导师不辞辛劳，以身作则，为我作出了 极好的榜样。值此论文完成之际，谨向李老师表示我崇高的敬意和深深的感激之 情! 本文实验的大部分工作是在北京交通大学环境实验室完成的，在实验的过程 中得到了全练琴老师的精心指导，刘灵琴、李义山等老师的关心和帮助；特别是刘 灵琴老师对实验室的日常管理和内部事务的无私奉献、对实验仪器认真细致的维 护和保养，确保了论文实验的顺利进行。实验中还得到了同实验室的李强、杜一 立、苑维双等同学的热倩帮助，使我能够顺利完成实验。此外，北京科技大学科 技楼的毛老师对我论文的完成给予了大力的支持，在此向他们表达我的感激之情! 同时，我还要感谢我的家人，从小到大没有他们的全力支持，我是无法完成 我的学业的，他们是我奋斗的力量源泉。感谢我的朋友们在一直关心我，鼓励我 上进。 最后，在我即将离开学习生活了两年多的学校之际，再一次衷心感谢所有给 予我帮助、支持和鼓励的老师、同学、朋友和亲人们! 谢谢! ! ! 许晶晶 2 0 0 6 年1 2 月 j e 塞窑垣去堂亟堂僮诠塞笈= 童i l 直 第一章引言 1 1 城市污水回用于循环冷却水的意义 1 1 1 我国水资源状况 我国水资源总量占世界水资源总量的7 ，居第6 位。但人均占有量仅有2 4 0 0 m 3 ， 为世界人均水量的2 5 ，居世界第1 1 9 位，是全球1 3 个贫水国之一。我国水资源的 时空分布不均匀。首先是时间分布不均，全年降水的7 0 - 9 0 集中在6 9 月份，冬 季很少，年际间变化也很大。其次是空间分布不均，水资源分布是东南多西北少。 长江流域及其以南地区耕地仅占全国耕地3 8 ，水资源却占全国8 0 以上；而占全 国耕地6 2 的淮河流域及其以北地区，水资源量不足全国的2 0 。时空分布不均匀 和年际变化大，造成水旱灾害加重。9 0 年代以来，年受旱灾面积达4 亿亩左右，成 灾面积3 倍于5 0 年代。 用水逐年增加 1 9 4 9 2 0 0 2 年，全国总用水量增加了4 0 0 0 多亿立方米，大约每1 0 年增) j 口1 0 0 0 亿立方米，年平均增加约1 0 0 亿立方米。在这期间，全国的用水结构也发生了变化， 农业用水比例逐步下降，而工业、城镇生活用水比例则有所增加。与2 0 0 1 年比较， 2 0 0 2 年生活用水量增加了1 9 亿立方米，工业用水增加l 亿立方米，农业用水减少9 0 亿立方米。 水质不容乐观 在调查评价的约2 9 万k m 河长中，有3 4 的河长河流水质劣于i i i 类，其中太湖流 域和淮河、海河区接近一半的评价河长水质劣于v 类，水污染十分严重。在8 4 个 进行富营养评价的湖泊中，3 9 个湖泊呈中营养状态，4 5 个湖泊为富营养状态。在 1 9 9 万k m 2 的平原区中，浅层地下水水质为、v 类的面积占6 0 ， 排污严重 据统计，我国每年的工业废水和城镇生活污水排放总量已达雪j 6 3 1 亿吨，这相 当于我们每人每年排放4 0 多吨的废污水，而其中大部分未经处理就直接排入了江 河湖海。以长江流域为例，在废污水排放中，工业废水和生活污水分别占7 5 和 2 5 左右，在流域涉及的1 8 个省、市和自治区中，四川、湖北，湖南、江苏、上 海和江西6 省市的废污水排放量占流域总量的8 4 ，6 ，是废污水的主要产生地。主 要污染物为悬浮物、有机物、石油类、挥发酚、氰化物、硫化物、汞、镉、铬、 j e 塞交道盔堂亟堂僮论塞箍= 童i ! 直 铅、砷等。 1 1 2 城市污水回用的途径及可行性分析 补充地下水：似乎有两个可能性值得评估，即( 1 ) 补充地下水，建立地下水 防护堤来防止水质恶化，避免盐碱水的侵入；( 2 ) 平整地表面，补充浅含水层。 这些措施的潜在性具有局限性，因为可供使用的处理水量有限，而水竞争性用途 却很多。另外一个潜在性是，利用洪水期的地表水流量补充地下水。 中水回用：把小区产生的各种污废水及雨水进行收集再行处理达到所要求使 用的水质标准，再用于小区环境用水和小区杂用水，称为中水回用。因其水质居 于生活饮用水水质和允许排放污水水质标准之间，取名为”中水”。小区污水回用 开辟了第二水源，降低了小区新鲜水取用量，经处理后的污水回用于小区，减少 了污水的排放量，减轻了受纳水体的污染，也减少了治理环境污染的投资。所以 污水回用既节约了水资源，也消除了环境污染，具有多重效益。 污水回用于冷却水系统：城市污水处理后，根据不同的水质情况，有的可以 直接回用于工业循环冷却水系统，有的需要进一步处理后再回用。 景观及绿化用水：废水回收的可能性是，用于城市风景点的灌溉( 公园、花 园和道路绿化带) 、补充公园的池塘来美化环境。对这些用途的水处理还要求包 括二级水处理以及减少病菌等。 增加河流流量：在黄淮海流域，河流系统的生态价值产生了很大的变化或因 污染和下游流量的减少损失很多，因此，对使用废水来调节低流量很感兴趣。但 是，似乎所有可供使用的水，包括回收的废水都需要用来满足城市和农村群众的 需求。 污水用于农田灌溉：一方面可以缓解当地的农业水资源紧缺的矛盾，另一方 面，由于污水中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，为作物生长所必需。 1 2 城市污水二级处理出水状况 我国幅员辽阔，各地的气候也有很大的差异，而且各地区水源水质、生活习 惯的不同必然导致城市污水水质的不同。因而，各城市所建的污水处理厂的二级 处理工艺也不同，各地区的城市污水处理厂处理后的出水水质上存在着较大的差 异。 但城市污水处理厂二级出水的主要水质指标都达到了国家规定的城镇污水处 理厂污染物排放标准。表1 1 列出了城市污水二级出水基本控制项目最高允许排 j e 夏銮逼盔堂亟堂焦论塞箍二童i l 直 放浓度( 曰均值) 。目前，我国己建成城市污水处理厂5 0 0 余座。据报道：至j j 2 0 0 7 年 我国城市污水处理率达n 5 5 ，重点城市达到8 0 。如果城市污水回用率达4 0 ， 即年回用量可达8 0 亿，与我国正常年份缺水量相当，能基本解决我国城市目前的 缺水问题，而且减少了对受纳水体的污染。将城市污水处理厂的二级出水经深度 处理作为回用水，在水质上是有保证的，在水量是充足的，是一条能有效解决我 国城市缺水问题的重要途径。 表1 1 城市污水二级处理出水基本控制项目最高允许排放浓度( 日均值) 单位m g l t a b l e 1 - 1t h e u p p e r p e r m i t t e dc o n c e n t r a t i o n s f o r d i s c h a r g eo f b a s i cc o n t r o l i t e m s i ns e c o n d a r y t r e a t m e n to f m u n i c i p a ls e w a g e 1 。3 火电厂循环冷却水系统及其水质要求 1 3 1 火电厂用水状况 火力发电在电力生产中占有重要的地位。建国5 0 多年来我国发电量一直占总 发电量的8 0 左右，水利发电量占2 0 左右。近几年来，世界各国都越来越注重环 境问题。清洁能源利用得到了充分的发展。太阳能、地能、风能、以及核能发电 的发展在电力生产中有一定的比重，水利发电量的比重也有所提高，但火力发电 j e 夏銮垣态堂亟兰僮迨塞笈二童i i 宣 仍是电力生产的重要部分。 火电厂是工业用水大户，其耗水量约占工业用水量的2 0 左右。一座1 0 0 0 m w 大 型火电厂全厂性耗水量约8 6 y m 3 d ，相当于一个中等城市的用水量n 因此火电厂 必须在节水中求生存，在节水中求发展。在缺水的北方地区，水资源严重不足，使火 电厂的建设规划和运行受到限制，因此节约用水己成为当务之急。据有关资料统计 我国凝汽式火电厂( 采用冷却塔和水力输灰) 的耗水率为1 6 4 m 3 ( s gw ) 。与国 外水平( 0 7 o 9 ) m 3 ( s gw ) 差距较大，说明我国火电厂节水潜力很大。在发 电厂各种用水中，循环冷却水系统补给水5 0 8 0 ，水力输灰用水2 0 4 0 ，锅炉 补给水2 4 1 2 j ，一般1 台6 0 0 m w 凝汽式发电机组循环冷却水在6 5 0 0 0 t h 左右，l 台 3 0 0 m 1 1 机组在3 0 0 0 0 t h 左右，循环冷却水的损失率( 包括蒸发损失e 、风吹损失d 、 排污损失b 、渗漏损失f ) 按2 5 计，补充水量分别在1 6 2 5 t h 和7 5 0 t h 3 1 。因此，火 电厂节水工作的重点应在优化冷却水系统的设计和运行方面，尽可能减少循环冷 却系统的排污，提高循环冷却水的浓缩倍率，可取得良好的经济效益【2 1 。 近年来，火电厂的水质变化也较大，主要体现在两个方面：第一，由于我国 工业方面水资源短缺，循环冷却水系统将成为城市污水回用的一个重要方面【4 1 。由 于污水与天然地表水及井水的杂质种类和含量不尽相同，所以水质也大不如前， 这必定会给循环冷却水系统带来新的腐蚀问题。第二，北方地区缺水，冷却水浓 缩倍率较高。随着浓缩倍率的提高，水中各种溶解物的浓度将发生变化，凝汽器 腐蚀、结垢和细菌繁殖的矛盾更加突出降6 1 。 1 3 2 火电厂循环冷却水系统简介 用水作冷却介质的系统称为冷却水系统。工业冷却水系统可分为直流式、敞 开式、密闭式三种【3 s l 。直流式冷却水系统是直接从河、湖等水源抽取，通过凝汽 器后，立即外排，冷却水只利用一次。此系统用水量大，一般只在长江以南地区 及海滨城市采用。密闭式冷却水系统中的热水是经间接冷却变为冷水，再返回到 系统循环使用，一般仅用在热流量较小工业生产系统( 如空调、内嫩机、变压器 油冷却器等) 或有特殊要求的火电厂( 如大同第二热电厂、太原第二热电厂等) 。 敞开式冷却水系统如图2 1 所示。该系统中，冷却水经循环泵送入凝汽器，进行 热交换，被加热的冷却水经冷却塔冷却，最后流入塔底水池，接着重新送入凝汽 器循环使用。此系统主要优点是节水，对一台3 0 0 w 的机组，循环水按3 2 x1 0 4 t h 计，如果补充水量为2 5 ，则每小时的耗水量仅8 0 0 t ，因此该系统在我国水资源短 缺的北方广泛采用，随着今后水资源的日益紧张，将有更多的火电厂采用采用敞 开式循环冷却水系统。 j e 塞奎通盘堂亟堂焦i 金塞簋= 童i l 壹 图l l 敞开式循环冷却水系统 1 一凝汽器：2 - - 冷却塔；3 - - 循环水泵： p b 一补充水；p z 一蒸发损失；p f _ 吹散及泄漏损失；即一排污损失 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f o p e nc o o l i n gt o w e rm a k e u pw a t e r 1 3 3 火电厂循环冷却水系统的水质标准 为了防止冷却系统出现事故，各个企业都制订了循环水的水质标准，但由于 凝汽器管材不同，地区差异，冷却水的水质要求是不同的，各国各地方将再生水 作为循环冷却补充水水质标准也有所差别。 表l 一2 冷却水水质标准和再生水作为循环冷却补充水水质标准 t a b l e 1 2w a t e rq u a l i t ys t a n d a r do f c o o l i n gw a e ra n dr e u s e dw a t e ra sc o o l i n gt o w e rm a k e u pw a t e r j e 塞至通太堂亟堂僮论塞差= 童l 壹 表1 - 2 3 9 1 为冷却水水质标准和再生水作为循环冷却补充水水质标准。从表卜2 可以看出，城市污水二级出水中的主要指标基本符合冷却水的要求。因而在二级 出水的基础上进行适当处理，能实现将城市污水回用作冷却水的补充水。 1 4 城市污水回用于循环冷却水的研究现状 1 4 1 国外研究状况 在一些缺水的国家和地区，如美国、英国、南非等地将城市污水经深度处理 回用于循环冷却水系统己有普遍报道盯q 驯。美国在2 0 世纪3 0 年代就开始将城市污 水回用于工业循环冷却水，如博利恒钢铁公司 1 5 , 1 6 , 1 7 + 如加利福尼亚伯班克 ( b u r b a n k ) 市发电站驯，就直接利用该市的城市污水二级处理污水作为冷却水， 其浓缩倍率可达4 ：得克萨斯州的西南公用事业局( s o u t h w e s tp u b l i cs e r v i c e ) 在 阿马赖洛( a m a r i i i o ) 的尼科尔( n i c h 0 1 ) 电站和琼斯电站，利用该市的城市污水二 级处理出水为冷却水“”j 。此外，新西兰州公共服务电气公司( p s e & g c ) b e r g e n 电站采用附近城市污水二级处理处理污水为冷却水，且目前正在研究如何使冷却 水浓缩倍率达n 2 5 咄”“1 。b u r b a n k 电厂通过前期试验还发现，循环冷却水的浓 缩倍率为4 o n ，尚未达到溶度积的磷酸钙不会在循环水系统中沉淀出来，因此不 需要从污水中除磷，大大简化了处理工艺。 1 4 2 国内研究状况 国内，早在1 9 5 8 年就污水回用把列入国家研究课题，6 0 年代着重于污水灌溉， 7 0 年代中期进行了城市污水回用得深度处理试验，8 0 年代初，大连、青岛、太原 等缺水城市相继展开了城市污水回用于工业和民用得研究和实践。近年来，城市 污水经二级处理回用主要集中在西部，并且绝大多数应用于农业灌溉，回用作循 环冷却水的并不多皑“。如北京华能热电厂采用高碑店污水处理厂的二级城市污水 为冷却水比4 名”，而目前研究主要集中在城市污水二级处理出水后的深度处理工 艺，如：中国市政工程东北设计研究院与大连柳春污水厂分别对混凝沉淀、过滤、 活性炭吸附、杀菌等多种工艺进行了工程实践。清华大学与太原化工厂等单位合 作，利用颗粒填料生物接触氧化、混凝沉淀、过滤处理生活污水后，回用作冷却 水进行了研究。王翔等针对山西一些电厂特点，对废水再生回用于火电厂水系统 几种类型的实践进行了总结归纳“。 j e 夏銮垣盔里亟芏僮论塞 箍= 童i l 宣 1 5 城市污水回用作循环冷却水存在的问题 城市污水较新鲜水源而言，由于在使用过程中加入了许多污染物杂质，它含 有更多的有机成分、无机成分以及氮化合物和磷酸盐等特有杂质，所以它代替新 鲜水用作补充水时，除了会造成常规冷却水系统的腐蚀、结垢、杀菌等障碍外， 还有可能带来一些新的问题，如微生物过量生长、磷酸、钙垢沉积以及氨氮严重 超标等，都有可能影响冷却水系统的正常运行。 1 5 1 、悬浮物 二级出水的悬浮物含量较大，如果直接利用，经过循环浓缩后浓度多在3 0 m g l 以上，结果是：促进微生物繁殖，产生生物粘泥；其和碳酸钙等硬垢混合产生 的泥垢混合物，将影响系统换热和缓蚀剂的镀膜过程；部分悬浮物可成为钙、镁 离子结晶的诱发晶核，促进结垢；吸附药剂，降低药剂的药效。通常对悬浮物的 处理方法有过滤、沉淀、吸附等。 1 5 2 、氨氮 城市污水二沉池出水富含的氨氮对冷却水系统影响很大，氨在含氧水中会 引起铜和铜合金应力腐蚀开裂，水中的杀生剂产生h c i o ，氨可与之结合生成 n h ：c i 、n h c i z 等，降低氯的杀菌效果，增加杀生剂的用量，氨在消化细菌和亚消 化菌的作用下生成n o 、n 0 3 - ，使冷却水的p h 降低，促进腐蚀，氨是微生物的营 养物质，在冷却水中将滋生大量微生物【2 8 1 。氨氮去除方法有：折点加氯法，氨吹 脱，选择性离子交换法，生物法脱氨，循环水系统脱氨，曝气生物滤池( b a f ) 去除 氨和有机物 2 9 - 3 4 。 1 5 3 、微生物 污水中增加的有机物、氮和磷都是菌藻所需的营养物，冷却水的温度长期保 持在2 5 4 0 。c 且供氧充足，这些都十分有利于系统中微生物的大量滋长。如不加以 控制，就会造成菌藻繁殖、产生生物粘泥和污垢，促进结垢和腐蚀，降低换热器 的传热效率。从城市污水二级处理出水中各种细菌数【3 5 1 ( 见表1 - 3 ) 可看出，微生 物数量均己超标，对此，一般是投加杀生剂加以控制，而杀生剂的合理选择以及 杀生工艺的确定，都将直接影响到运行成本；另外，为防止细菌粘泥的沉积，冷 却水系统中的凝汽器还可以增设胶球清洗装置。 表l 3 城市污水二级处理出水中各种细菌数 t a b l e 1 3v a r i o u sb a m e r i ai n d i c a t o r so f s e c o n d a r yt r e a t m e n to f m u n i c i p a ls e w a g e i g 塞变通太堂亟堂僮论塞簋= 童i l 直 1 5 4 、磷酸盐 城市污水含磷量可高达2 0 3 0 m g l ，它一方面使微生物的营养物质，造成冷 却水系统中的生物过量生长，另一方面会生成磷酸钙沉淀堵塞管道，磷酸钙是一 种硬垢，不宜去除，清洗困难。 城市污水回用冷却水系统中磷酸盐可从两方面来加以控制：第一，利用物化 或生物方法对回用污水进行除磷处理，可用石灰、明矾或三氯化铁混凝处理，或 改进污水的生物处理工艺；第二，冷却水系统中加酸调节p h 值适当添加磷酸钙 垢分散剂。 1 5 5 、无机盐离子 相对于天然水源，污水中腐蚀性和结垢性的无机盐离子浓度更高。c i 一，s 0 4 2 一，n 0 3 一等是极性很强的阴离子，较高的浓度易加剧换热管表面的垢下腐蚀和点蚀， 严重的可造成管道穿孔。较高的钙、镁等硬度离子浓度在高碱度下，产生碳酸钙 等硬垢，影响系统换热效率。无机盐离子的去除方法有：投加石灰的混凝沉淀法， 离子交换法，膜处理法，反渗透，或者通过投加水质稳定剂防止循环水系统的结 垢腐蚀。 1 5 6 、c o d c o d 一方面起到稳定水质、控制腐蚀的作用，另一方面却促进微生物滋长及腐 蚀的产生。考虑浓缩倍率的影响，在循环冷却水的补充水中，c o d 的浓度不宜超过 3 0 m g l 。冷却水c o d 浓度基本保持稳定，降低了对冷却水系统的影响。c o d 的去 除方法：可以通过生物法进行前处理，或运行时用生物膜法旁流过滤。 1 5 7 、卫生问题 冷却塔特殊的运行过程，使得回用污水中的致病细菌可能引起疾病的传播。 但应该注意到，通过在污水的深度处理过程中消毒及循环冷却水系统投加杀生剂 后，这个问题己得到较好的控制。国外的相关研究也表明使用氯气杀菌后的污水， 在冷却塔散发出来的细菌颗粒平均数少于使用污染了的河水的冷却塔散发的细菌 颗粒数【3 6 l 。 1 6 本课题研究的内容和目标 本文针对华北地区一个发电厂的实际情况进行研究。该发电厂凝汽器管材选 用的是3 1 6 l 不锈钢。循环用水补充水源为城市生活污水二沉池出水。由上文1 5 分析可知，回用水的水质很可能导致凝汽器出现新的腐蚀结垢问题。因此城市污 水二沉池出水必须进行再处理，该厂凝汽器补充水的处理方式选择了城市污水处 理二沉池出水，再经m b r + 弱酸阳离子交换器的工艺。 j e 立交迫塞堂亟堂僮诠室 箍二童l l 直 册r 主要去除原水中的c o d 和氨氮( c o d 的去除率为8 0 以上，而氨氮的去除 率高达9 0 ) ，而弱酸树脂的主要作用是交换暂硬，原理如下： 2 r - c o o h 十c a ( h c 0 3 ) 2 一( r - c 0 0 - ) 2 c a + 2 c 0 2f + 2 h 2 0 2 r - c o o h + m g ( h c 0 3 ) 2 一( r c 0 0 92 m g + 2 c 0 2f + 2 h 2 0 反应的结果，不仅去除了水中的碳酸盐硬度，也同时去除了水中碱度。 在模拟冷却水中的3 1 6 l 不锈钢及h s n 7 0 1 a 铜合金耐蚀性影响因素有氯离子、 硫酸根离子、硝酸根离子、硫离子、c o d 、氨氮，以及温度、p h 值、水质稳定剂等。 其中氯离子是影响不锈钢耐蚀性的主要影响因素，而水中含有c o d 和氨氮是m b r 出 水特点。同时，因为目前国内大多数电厂凝汽器的管材仍然是铜合金，所以本文 针对氯离子、氨氮和c o d - - 种因素对3 1 6 l 不锈钢及h s n 7 0 1 a 铜合金的影响，通过电 化学阻抗谱和阳极极化曲线作了较详细的研究。 针对上述情况，本文的具体研究内容如下： ( 1 ) 确定m b i h 弱酸床出水的极限碳酸盐浓缩倍率； ( 2 ) 研究循环水中各种组成成分的转变； ( 3 ) 应用静态挂片试验、动电位扫描和交流阻抗谱评价m b r + 弱酸床出水浓缩 后，水样对3 1 6 l 不锈钢材质的侵蚀性； ( 4 ) 应用静态挂片试验和动电位扫描评价m b r + 弱酸床出水浓缩后，水样对 h s n 7 0 1 a 铜材质的侵蚀性。 j e 立壅适丕堂亟堂焦迨塞 箍三童越直透丞回旦王猃垫盔筮箍鱼奎笪确定 第二章城市污水回用于冷却水浓缩倍率的确定 2 1 、前言 2 1 1 极限浓缩倍率 浓缩试验所用装置如图2 一l 所示。试验时，在水浴锅里和补水池中放入水样， 升温，待水浴锅中的水样温度达到指定值时( 1 1 j j 4 5 2 。c ) ，启动电磁搅拌器。一 面蒸发浓缩，一面由下口瓶连续补滴水样，电磁搅拌器的转速1 2 0 r m i n 。试验中， 定期从水浴锅中取样( 试验初期，取样时间隔可长些) ，测定水样的全碱度、氯离 子、钙硬、总硬，直至求出极限浓缩倍率。当氯根增长倍率与碱度、硬度、总硬 的增长倍率之差大于0 2 时，即有碳酸钙沉淀，实验到达终点。各项指标测定的方 法见表2 - 1 。 表2 - 1 水质各项指标测定方法 t a b l e 2 1d e t e r m i n a t i o nf o rw a t e ri n d i c a t o r s 序号项目测定方法 1 碱度g b f r l 4 4 1 9 - 9 3 锅炉用水和冷却水分析方法碱度的测定 2 硬度g b t 6 9 0 9 1 1 9 8 6 锅炉用水和冷却水分析方法高钙硬 3钙硬 g b t 6 9 1 0 1 9 8 6 锅炉用水和冷却水分析方法钙的测定络合滴定法 4 硫酸根g b t 6 9 1 l 。l 一1 9 8 6 锅炉用水和冷却水分析方法硫酸盐的测定重量法 5 酸度s s - 6 1 8 4 酸度的测定容量法 6电导率g b t 6 9 0 8 - 1 9 8 6 锅炉用水和冷却水分析方法电导率的测定 7 p h g b t 6 9 6 9 0 4 1 1 9 8 6 锅炉用水积冷却水分析方法p h 的测定玻璃电极法 8 硫酸浓度d l a 2 4 9 1 火电厂用工业硫酸试验方法 9 氯根g b t 6 9 0 5 卜1 9 8 6 锅炉用水和冷却水分析方法氯化物的测定摩尔法 1 0 钠离子g b t 1 2 1 5 6 8 9 锅炉用水和冷却水分析方法钠的测定静态法 j e 塞銮遵盔堂亟堂僮迨塞笈三童越直透盔回旦王捡垫丛鎏缝鱼空笪确定 电 图2 1 浓缩实验装置图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n c e n t r a t i o ne x i p r i m e n t 2 1 2 、腐蚀速率测定试验 仪 探头 热器 将3 1 6 l 不锈钢片和h s n 7 0 1 a 铜片制成一定面积的标准挂片，用水砂纸由粗到 细逐级打磨，然后用清水及去离子水冲洗干净，丙酮或无水乙醇除油，置入干燥 器内自然干燥2 4 h 。使用前用游标卡尺测量尺寸( 精确到o 0 0 1 c m ) ，并在分析天平 上称重( 准确到o 0 0 0 1 9 ) 。将称好的的挂片分别挂在水样中，一定时间后取出称 量，计算出腐蚀速度。按下式确定平均腐蚀速率( 失重法) ： 一一暖 一”一 a t 其中，a 试样面积，m 2 t 一一试验周期，h w o 一一试验原始重量，g w 2 一一试验后不含腐蚀产物的试验重量，g v w 一一平均腐蚀速度，g m 2 h 2 2 、试验材料与仪器 2 2 1 、试验材料 电厂提供的3 1 6 l 不锈钢管材( 主要化学成分见表2 - 2 ) 以及加砷锡铜合金 h s n 7 0 - 1 a ( 主要化学成分见表2 - 3 ) 。 j e 塞銮逼太堂亟堂焦迨塞箍三重越直拉丞回旦王捡塑盔盗绫鱼奎趋篮定 表2 - 23 1 6 l 不锈钢主要化学成分 t a b l e 2 - 2t h em a i nc o m p o s i t i o n so f 3 1 6 l s t a i n l e s ss t e e 管材的具体处理如下： 1 ) 用6 0 0 至1 2 0 0 号普通砂纸依次打磨铜片和不锈钢片，除去表面膜。注意：打 磨时每换砂纸更改打磨方向。 ( 2 ) 依次用0 1 # - - 0 6 # 金相砂纸细磨，各面均向同一方向打磨，并仔细打磨小孑l ， 至试片各面及小孔光亮，无点蚀小孔、划痕。 ( 3 ) 用滤纸擦去试片表面的残留物，在无水乙醇中用脱脂棉擦洗，同时要注意 防止镊子对铜片表面的划伤，用滤纸吸干试片表面的无水乙醇液体后，取干净滤 纸包裹编号。 ( 4 ) 将己编号的试片，用游标卡尺精确测量其尺寸后，放入干燥器中干燥2 4 小 时后用分析天平测其重量。 ( 5 ) 将试片用细尼龙绳悬挂于试验介质中，记下挂片对问。 ( 6 ) 挂片一定时间后将浸泡在试液中的试片取出，观察表面状态，用橡皮擦除 表面的垢物后，并经去离子水、乙醇清洗，用滤纸吸干试片表面的无水乙醇液体 后，同样放入干燥器中。不同的片清洗方法不一。 ( 7 ) 干燥2 4 j , 时后进行称量，根据腐蚀试验前后试样的重量差及试片的面积计 算腐蚀率和缓蚀率并将结果及试片的表面状态记录下来。 2 2 2 、试验介质 m b r + 弱酸床出水水质指标见表2 - 4 ，由第一章可知城市污水二级出水的c o d 为l o o m g l 左右，氨氮为2 0 m g l 左右。经m b i h 弱酸床后c o d 为2 8 9 m g l ，氨 氮为3 0 1 m g l ，且钙离子也降低了一半左右，这对于冷却水系统的防腐防垢都是 有利的。 i g 塞銮适盔堂亟堂僮诠塞 基三童越直透丞回旦王猃塑盔筮缠鱼空的确定 表2 - 41 l f b r + 弱酸床出水水质组成 2 2 3 、试验仪器 循环水模拟装置( 包括搅拌器，水浴加热装置) 玻璃仪器：水浴锅、圆底烧瓶( 5 0 0 m 1 ) 、1 0 m l 比色管、三角瓶、酸碱滴定管、移 液管、烧杯、量筒、干燥器等实验所需的玻璃仪器若干。 药品试剂：o 5 铬黑t 指示剂( 乙醇溶液) 、钙红指示剂、】0 铬酸钾指示剂、o 1 甲基橙指示剂、i 酚酞指示剂、1 酚酞指示剂( 乙醇溶液) 、1 甲基红指示 剂( 乙醇溶液) 、丙酮、无水乙醇、氯化钠标准溶液、o 0 2 m o l l e d t a 溶液、 j e 塞窑塑丕堂亟堂焦丝塞 箍三重越直拉丕回旦盐垫盛邃缠蟹奎丝殉庭 2 m o l l 氢氧化钠溶液、o 1 m o l l 硫酸标准溶液硝酸溶液( 1 + 1 ) 、浓盐酸等。 2 3 、结果与讨论 2 3 1 、极限浓缩倍率的确定 水样浓缩运行记录及试验达终点水质见表2 5 表2 - 5 水样浓缩运行记录 f i g 2 5r e c o r dl i s to f w a t e rc o n d e n s m i o n j e 塞童塑太堂亟堂焦缝室蔓三重越直堙盔回旦王捡塑丞鎏缠蟹奎的确定 如表2 - 5 ，当水样浓缩4 4 0 h 时，水样的总硬、钙硬、碱度均开始下降，这说 明水中碳酸钙开始沉淀，水样到达终点。所以，在城市污水经m b r + 弱酸阳离子 交换器回用于循环冷却水系统的条件下，水样的极限浓缩倍率为4 9 倍。水样的终 点为钙硬为6 7 7 m m o l l 、碱度为3 o m m o l l 、，e l 为1 4 7 m g l 、l a n 为8 5 8 。对于 循环冷却水系统，冷却塔的蒸发损失和吹散及泄漏损失以及排污损失是一定的， 系统要节水，关键就在极限浓缩倍率，浓缩倍率越高，就越节水。目前，国内的 火力发电厂循环水的浓缩倍率一般控制在3 倍左右，而城市污水经m b r + 弱酸阳 离子交换器回用于循环冷却水系统的条件下，水样的极限浓缩倍率为4 9 倍，这不 但使回用成为可能，而且达到节水的目的。城市污水经m b r + 弱酸阳离子交换器 回用于循环冷却水系统是完全可行的。 2 3 2 、均匀腐蚀速度的测定 在水样浓缩过程( 终点为钙硬为6 7 7 m m o l l 、碱度为3 o m m o l l 、，c i 为 1 4 7 m g l 、p h 为8 5 8 ) 中，将3 1 6 l 不锈钢和h s n 7 0 1 a 铜挂片浸泡其中，利用失 重法测定的3 1 6 l 不锈钢和h s n 7 0 1 a 铜挂片年平均腐蚀速率见表2 - 6 。 表2 - 6 腐蚀速率的测定 t a b l e 2 6t h ec o r r o s i o nd a t ef o r mo f s t a i n l e s ss t e e la n dc o p p e ri nt h es t a t i ce x p r i m e n t 挂片试验可知，h s n 7 0 1 a 铜的腐蚀速率较大，31 6 l 不锈钢的腐蚀速率相对较 小。但两种管材均符合污水回用标准( 即小于0 0 0 5 9 m 2 h ) ，循环水钢管挂片腐 蚀数据纪录见表2 - 7 、2 - 8 。 表2 - 731 6 l 不锈钢管挂片腐蚀数据纪录 t a b l e 2 7t h ec o r r o s i o nd a t ef o r mo f 3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e li nt h es t a t i ce x p r i m e n t 韭塞銮塑友堂亟笠僮迨塞笈三童撼直遁盔回旦王硷塑丞这缝篮奎的确定 表2 - 8h s n 7 0 一i a 铜管挂片腐蚀数据纪录 t a b l e 2 - 8t h ec o r r o s i o nd a t ef o r mo f h s n 7 0 1 ac o p p e ri nt h es t a t i ce x p r i m e n t 2 4 、结论 1 城市污水经m b r 十弱酸阳离子交换器回用于循环冷却水系统的条件下，水 样的极限浓缩倍率为4 9 倍。 2 城市污水经m b r + 弱酸阳离子交换器回用于循环冷却水系统的条件下，水 样对3 1 6 l 不锈钢的年平均腐蚀速率为1 6 7 8 x 1 0 。3m m a 、h s n 7 0 1 a 铜的年平均腐 蚀速率为4 7 9 7 1 0 刁m a 。 二者符合污水回用标准【4 1 1 ( 即小于0 0 0 5 9 m 2 h ) 。 i e 基窑适盔堂亟茎焦诠塞箍四童丕笾塑垄堪型猃却丞生的盟地丝婴蕴 3 1 前言 第三章循环冷却水中氨氮、c o d 的转变规律 城市污水二级处理出水经m b r + 弱酸阳离子交换器回用于火电厂循环冷却水 中，氨氮、c o d 是其水质特点( 表1 1 城市污水二级处理出水标准中c o d 的排放标 准是1 0 0 m g l ，氨氮的排放标准是2 5m g l ) ，虽然城市污水二级处理出水经m b r + 弱酸阳离子交换器处理后，氨氮、c o d 的浓度有所降低( c o d 可以降至6 01 1 3 【g l 以 下，氨氮可以降至1 0m g l 以下) ，但仍然有少量残留在水中。在实际的循环冷却水 运行过程中，因为冷却水在冷