張佳麗，顏蘇芊

(西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710006)

紡織廠通常采用敞開式循環(huán)水系統(tǒng)對(duì)新回風(fēng)混合空氣進(jìn)行熱濕處理，從而改變車間的溫濕度滿足生產(chǎn)工藝的要求[1]，該系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生污垢沉積，污垢包括水垢、淤泥、生物黏泥、腐蝕產(chǎn)物等，嚴(yán)重影響水系統(tǒng)的高效運(yùn)行[2]。本文通過對(duì)紡織廠循環(huán)水系統(tǒng)的實(shí)地考察及連續(xù)取水樣檢測(cè)分析，結(jié)合水處理方法的研究對(duì)比，發(fā)現(xiàn)反滲透膜阻垢器能夠有效解決水系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)遇到的問題，提高循環(huán)水的利用率，從而達(dá)到節(jié)約水資源、降低水系統(tǒng)能耗的目的。

1 紡織廠循環(huán)水質(zhì)實(shí)測(cè)分析

1.1 循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)狀

在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，由于生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，紡織廠空氣中不可避免地夾雜飛花、短纖維、粉塵等大顆粒雜質(zhì)，這些雜質(zhì)落入循環(huán)水池中，與水中的成垢離子結(jié)合形成混合水垢，且循環(huán)水流速較小，水垢很容易沉積。紡織廠多采用回轉(zhuǎn)型過濾器來過濾大顆粒雜質(zhì)，而對(duì)于引起結(jié)垢的離子，過濾效果甚微，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，回轉(zhuǎn)型過濾器和均流板上菌藻滋生、結(jié)垢嚴(yán)重，送水管道、噴淋管排結(jié)垢嚴(yán)重，噴嘴被垢體堵塞，管內(nèi)流動(dòng)阻力增加，水量減少，水不能被充分霧化，傳熱效率降低，系統(tǒng)能耗增加，嚴(yán)重影響水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。紡織廠循環(huán)水系統(tǒng)滋生菌及結(jié)垢示意圖如圖1所示。

圖1 紡織廠水系統(tǒng)滋生菌及結(jié)垢示意圖

1.2 水垢類別分析

循環(huán)水中的水垢一般由碳酸鹽水垢(外觀為白色或灰白色，質(zhì)硬而脆，附著牢固，難以剝離刮除)、磷酸鹽水垢(外觀為灰白色，質(zhì)地較為疏松，水垢附著能力差，容易刮除，不受熱部分的磷酸鹽垢松軟，呈堆積狀)、硅酸鹽水垢(外觀呈白色，有雜質(zhì)時(shí)為灰白或粉紅色，不能用一般的化學(xué)酸洗法除去，而要用酸堿交替清洗)、硫酸鹽水垢(質(zhì)地堅(jiān)硬，難以用化學(xué)清洗法除去，也不易采用常規(guī)的機(jī)械方法清除)、鎂垢(外觀為粉末狀，較容易剝離，鎂在水中的含量比鈣少，在鎂的化合物中，Mg(OH)2的溶解度最小)，在冷卻水中，鎂和鈣的化合物以及硅酸鹽等通常以混合垢的形式析出。

淤泥、生物黏泥、腐蝕產(chǎn)物等3種沉積物相對(duì)于水垢而言較疏松，故又稱軟垢。循環(huán)水的溫度一般為25 ℃左右，pH值為7左右，氧氣、陽(yáng)光充足，且水中有大量的無機(jī)鹽和有機(jī)物，溫度、濕度適合藻類、菌類等微生物生長(zhǎng)繁殖，如綠藻(適宜生長(zhǎng)溫度30～35 ℃，pH值5.5～8.9)、藍(lán)綠藻(適宜生長(zhǎng)溫度32～40 ℃，pH值6.0～8.9)、硅藻(適宜生長(zhǎng)溫度18～36 ℃，pH值5.5～8.9)等，因此，微生物常會(huì)在溫度較高或流速慢的地方沉積，此外，結(jié)垢與細(xì)菌滋生并不是單獨(dú)存在的，如沉積的CaSO4垢為水中硫酸鹽還原菌提供營(yíng)養(yǎng)源，進(jìn)一步加深細(xì)菌的滋生，淤泥以泥沙為主，生物黏泥由微生物及其分泌物和殘骸組成，為具有滑膩感的膠狀黏泥或黏液，沉積在金屬表面的黏泥會(huì)引起嚴(yán)重的垢下腐蝕，腐蝕產(chǎn)物為設(shè)備腐蝕產(chǎn)生的金屬氧化物[3]。

通過實(shí)地采樣，利用掃描電鏡和能譜儀，分析可知紡織廠主要的垢體為碳酸鹽水垢、硅酸鹽水垢和鎂垢。

1.2.1 粉末狀水垢

粉末狀垢體多沉積在均流板和回轉(zhuǎn)型過濾器上，較容易剝離。粉末狀垢體見圖2，元素分析見表1。由表1可以看出，氧元素原子數(shù)量占比為64.25%，占樣品總質(zhì)量的66.53%；碳元素原子數(shù)量占比為22.16%，占樣品總質(zhì)量的13.28%；鎂元素原子數(shù)量占比為11.47%，占樣品總質(zhì)量的16.67%；此外還含有少量的硅、鋁、鐵、鉀、氯、鈉等元素。由此可得，該樣品主要水垢成分為鎂垢。

圖2 粉末狀垢體

表1 粉末狀水垢元素分析 %

1.2.2 大顆粒狀垢體

大顆粒狀垢體多沉積在送水管道表面，且不易剝離。大顆粒狀垢體見圖3，元素分析見表2。由表2可知，氧元素原子數(shù)量占比為59.95%，占樣品總質(zhì)量的45.92%；碳元素原子數(shù)量占比為20.39%，占樣品總質(zhì)量的11.9%；鎂元素原子數(shù)量占比為12.44%，占樣品總質(zhì)量的21.09%；硅元素原子數(shù)量占比為5.28%，占樣品總質(zhì)量的17.34%；鈉元素原子數(shù)量占比為0.92%，占樣品總質(zhì)量的0.85%；鈣元素原子數(shù)量占比為0.28%，占樣品總質(zhì)量的1.2%；此外還含有少量的錳、鋁、磷、硫、鈉、鋅、銅等元素。由此可得，該樣品主要水垢成分為鎂垢和硅酸鹽水垢。

圖3 大顆粒狀垢體

表2 大顆粒狀垢體元素分析 %

1.2.3 鱗片狀垢體

鱗片狀垢體多附著在噴淋管排的表面，極難刮除。鱗片狀垢體見圖4，元素分析見表3。由表3可以看出，氧元素原子數(shù)量占比為62.02%，占樣品總質(zhì)量的55.41%；碳元素原子數(shù)量占比為24.93%，占樣品總質(zhì)量的16.76%；鈣元素原子數(shù)量占比為11.55%，占樣品總質(zhì)量的25.81%；鎂元素原子數(shù)量占比為0.83%，占樣品總質(zhì)量的1.08%；此外還含有少量的鈉元素。由此可得，該樣品主要水垢成分為碳酸鹽水垢。

圖4 鱗片狀垢體

表3 鱗片狀水垢元素分析 %

2 水質(zhì)檢測(cè)

選取咸陽(yáng)某紡織廠5#空調(diào)室進(jìn)行測(cè)試，分別測(cè)試循環(huán)水堿度、硬度、pH值、電導(dǎo)率等指標(biāo)，測(cè)試時(shí)間是2019年5月3日至6月27日，測(cè)試時(shí)，平均5天取1次水樣，該廠的補(bǔ)水為當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

2.1 堿度測(cè)定

移取100 mL過濾后的水樣于250 mL錐形瓶中，加0.1 mL酚酞指示液，觀察水樣是否呈粉紅色，若出現(xiàn)粉紅色，用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液(cHCl=0.1 mol/L)滴定至粉色正好褪去即為終點(diǎn)，記錄此時(shí)所消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，反映水樣的酚酞堿度，此時(shí)水樣中的OH-和1/2的碳酸鹽已被滴定；若無粉紅色出現(xiàn)，則表示水樣的酚酞堿度為零；繼續(xù)向水樣中加0.1 mL溴甲酚綠-甲基紅指示液，用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定至溶液由藍(lán)綠色變?yōu)榘导t色，煮沸2 min，冷卻后繼續(xù)滴定至暗紅色即為終點(diǎn)，此時(shí)可認(rèn)為水樣中所有的OH-、CO32-、HCO3-已全部被中和。記錄所消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的總體積，用式(1)(2)計(jì)算水樣堿度[4]，堿度均以CaCO3計(jì)，堿度滴定水樣及變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 堿度滴定水樣及變化規(guī)律

酚酞堿度AP按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：V1為滴定至pH值為8.3時(shí)消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，mL；c為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的濃度，mol/L；V0為試樣的體積，mL；MCaCO3為1/2碳酸鈣摩爾質(zhì)量。

總堿度AT按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：V2為滴定至pH值為4.5時(shí)消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積(包含V1)，mL；c為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的濃度，mol/L；V0為試樣的體積，mL；MCaCO3為 1/2碳酸鈣摩爾質(zhì)量。

對(duì)于敞開式循環(huán)水系統(tǒng)，根據(jù)GB/T 29044—2012 《采暖空調(diào)系統(tǒng)水質(zhì)》指標(biāo)補(bǔ)水的總堿度應(yīng)≤150 mg/L，循環(huán)水總堿度應(yīng)≤300 mg/L，水的堿度主要是由重碳酸鹽、碳酸鹽和氫氧化物引起的。由圖5可知，補(bǔ)水的堿度滿足要求，隨著循環(huán)時(shí)間的增加，循環(huán)水的堿度呈增加趨勢(shì)，循環(huán)15天后，堿度增長(zhǎng)迅速且超過了指標(biāo)的要求，此時(shí)水中的CO32-、HCO3-濃度很大，結(jié)垢的可能性也會(huì)增大。

2.2 硬度測(cè)定

用移液管移取50 mL過濾后的水樣于250 mL錐形瓶中，用氫氧化鉀溶液調(diào)節(jié)pH值為12～13時(shí)，加約0.2 g鈣羧酸指示劑，用乙二胺四乙酸EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定水樣中的鈣離子硬度；用移液管移取50 mL過濾后的水樣于250 mL錐形瓶中，用氫氧化鉀溶液調(diào)節(jié)至pH值為10，再加5 mL氨-氯化銨緩沖溶液和3滴鉻黑T指示劑，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定水樣中的鈣、鎂離子硬度總合，由該硬度總合減去鈣離子硬度即為鎂離子硬度[5]。

二者滴定過程中，均平行滴定3次，溶液顏色由紫紅色變?yōu)榱了{(lán)色時(shí)即為終點(diǎn)，硬度滴定水樣及變化規(guī)律如圖6所示。測(cè)定過程中消耗EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積V，用式(3)(4)(5)計(jì)算硬度。

圖6 硬度滴定水樣及變化規(guī)律

鈣離子硬度H1按式(3)計(jì)算：

(3)

式中：V1為滴定鈣離子時(shí)，消耗EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，mL；c為EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度，mol/L；M1為鈣的摩爾質(zhì)量，M1=40.08 g/mol；V為所取水樣的體積，mL。

鎂離子硬度H2按式(4)計(jì)算：

(4)

式中：V2為滴定鈣、鎂離子達(dá)到硬度總合時(shí)，消耗EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，mL；M2為鎂的摩爾質(zhì)量，M2=24.31 g/mol。

總硬度折合為CaCO3含量以確定水樣的總硬度，按式(5)計(jì)算：

(5)

式中M3為碳酸鈣的摩爾質(zhì)量，M3=100 g/mol。

據(jù)GB/T 29044—2012要求，補(bǔ)充水的總硬度≤200 mg/L，循環(huán)水的總硬度≤400 mg/L。由圖6可知，補(bǔ)充水的總硬度略高于200 mg/L，循環(huán)水的總硬度在循環(huán)8天以后也超過了400 mg/L，主要是因?yàn)楫?dāng)?shù)氐淖詠硭捕容^高，在長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)運(yùn)行后，水的堿度也在增大，在此情況下，水中的Ca2+、Mg2+與CO32-、OH-等離子結(jié)合的機(jī)會(huì)增大，增加了結(jié)垢的可能性，因此在處理循環(huán)水之前，應(yīng)該對(duì)補(bǔ)水進(jìn)行處理。

2.3 水樣pH值測(cè)定

使用SX-620 pH計(jì)(上海三信儀表廠)對(duì)水樣進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖7所示。

圖7 水樣pH值隨時(shí)間變化

據(jù)GB/T 29044—2012要求，補(bǔ)充水的pH值范圍為6.5～8.5，循環(huán)水的pH值范圍為7.0～9.5，由圖7可知，補(bǔ)水的pH值在7左右，滿足要求，循環(huán)水在20天后pH值達(dá)到了9，且呈繼續(xù)增加趨勢(shì)，而循環(huán)水的溫度在25 ℃左右，此溫度和pH值適宜綠藻等微生物的生長(zhǎng)。pH值表示水中氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)值，pH值越大，溶液堿性越強(qiáng)，在一定溫度(25 ℃)下，水中的碳酸平衡反應(yīng)向式(6)右進(jìn)行，即水中HCO3-、CO32-濃度增大，會(huì)增大結(jié)垢的可能性。

(6)

2.4 水樣電導(dǎo)率測(cè)定

使用SD150E 電導(dǎo)率儀(上海熙浩實(shí)業(yè)有限公司)對(duì)水樣進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖8所示。

圖8 水樣電導(dǎo)率隨時(shí)間變化

據(jù)GB/T 29044—2012要求，補(bǔ)充水的電導(dǎo)率≤0.4 mS/cm，循環(huán)水的電導(dǎo)率≤0.8 mS/cm，由圖8可得，補(bǔ)水的電導(dǎo)率符合要求，而循環(huán)水在25天后電導(dǎo)率增加到1 mS/cm以上，且呈繼續(xù)增加的趨勢(shì)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)值，水中離子的導(dǎo)電能力高，說明水中含鹽量高，因此需要對(duì)循環(huán)水進(jìn)行處理。

3 反滲透水處理技術(shù)

大量實(shí)踐證明，反滲透膜對(duì)離子的截留率在97%以上[6-8]。反滲透膜的工作原理是：在外加壓力超過溶液的滲透壓時(shí)，溶劑會(huì)逆自然滲透方向作反向滲透，利用反滲透膜的選擇透過性，在膜的低壓側(cè)得到透過的溶劑，高壓側(cè)得到濃縮的溶液，即將水溶液中的鹽離子阻隔在反滲透膜的一側(cè)，而允許水分子進(jìn)入另一側(cè)[9-10]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新型的反滲透膜阻垢器[11]，如圖9所示。

1—水泵；2—反滲透膜；3—壓差傳感器；4—閥門d；5—閥門a；6—閥門b；7—閥門c； 8—排水閥門；9—清洗水箱；10—溫控器；11—pH值檢測(cè)儀；12—開口。圖9 反滲透膜阻垢器

該反滲透膜阻垢器的工作流程為：開啟水泵“1”，閥門a“5”、閥門b“6”開啟，閥門d“4”、閥門c“7”關(guān)閉，自來水經(jīng)過反滲透膜阻垢器被水泵“1”加壓后從反滲透膜“2”外側(cè)通道進(jìn)入內(nèi)側(cè)通道，鈣鎂等結(jié)垢離子被阻擋在膜的外側(cè)，當(dāng)反滲透膜阻垢器正常運(yùn)行時(shí)，壓差傳感器正常監(jiān)測(cè)；當(dāng)鈣、鎂等結(jié)垢離子沉積量增大，檢測(cè)到壓力值異常時(shí)，壓差傳感器發(fā)出警告，此時(shí)，關(guān)閉閥門a“5”、閥門b“6”，閥門d“4”、閥門c“7”開啟，水泵低壓運(yùn)行，清洗裝置開始運(yùn)行，清洗液在整個(gè)管道中流動(dòng)清洗，清洗箱中的清洗液與滲透膜外側(cè)的結(jié)垢離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)原水被清洗液置換完畢后，清洗液循環(huán)回清洗水箱“9”，若回流液已明顯變色或變濁，開啟排水閥門“8”，將渾濁清洗液排出清洗水箱，如此循環(huán)多次后，整個(gè)管道內(nèi)雜質(zhì)被清洗干凈，再?gòu)拈_口加入純凈水，在整個(gè)裝置內(nèi)循環(huán)多次即可將反滲透膜阻垢器清洗干凈；此時(shí)，即可再次關(guān)閉閥門d“4”、閥門c“7”，開啟閥門a“5”、閥門b“6”，過濾水中雜質(zhì)。其中溫控器“10”監(jiān)測(cè)清洗液的溫度，并與加熱裝置聯(lián)動(dòng)，保證清洗液溫度適宜，pH值檢測(cè)儀“11”在酸洗和堿洗交替進(jìn)行時(shí)，檢測(cè)并調(diào)試清洗液的pH值，以保證清洗液可以高效率地進(jìn)行清洗。

該阻垢器在系統(tǒng)中占地面積小，安裝簡(jiǎn)便，可以從本質(zhì)上解決水質(zhì)問題，且有獨(dú)立的清洗裝置，在清洗過程中，將廢水收集，集中處理，不影響循環(huán)水系統(tǒng)的水質(zhì)，在運(yùn)行中也不會(huì)產(chǎn)生二次污染，其中清洗液可以采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的NaOH溶液、1.0%的乙二胺四乙酸四鈉溶液、0.2%的HCl溶液、1.0%的Na2S2O4溶液、0.5%的H3PO4溶液、1.0%的NH2SO3H溶液、2.0%的檸檬酸，清洗時(shí)，清洗液從清洗水箱“9”上端的開口“12”按順序依次加入，清除不同種類的雜質(zhì)。

4 結(jié) 論

經(jīng)連續(xù)取樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，紡織廠的循環(huán)水總堿度、總硬度、電導(dǎo)率分別在循環(huán)15、8、25天之后超過了循環(huán)水質(zhì)指標(biāo)的要求，屬于高堿度、高硬度水質(zhì)，需要進(jìn)行處理再循環(huán)使用；此外，補(bǔ)水的水質(zhì)對(duì)循環(huán)水的硬度有很大的影響，補(bǔ)水本身攜帶的成垢離子濃度高，很大程度上降低了循環(huán)水的濃縮倍數(shù)，增大了水系統(tǒng)對(duì)水量的需求；該紡織廠水垢類型為鎂垢、硅酸鹽垢和碳酸鹽垢，還含有少量的雜質(zhì)纖維，因此采用反滲透膜阻垢裝置，將補(bǔ)水中結(jié)垢離子去除后再補(bǔ)入循環(huán)水池中，配合紡織廠現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)型過濾器，在提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)的同時(shí)，既可除去水中纖維、塵埃等大顆粒雜質(zhì)，又可有效過濾循環(huán)水中的Ca2+、Mg2+等引起結(jié)垢的離子，減少細(xì)菌等微生物的營(yíng)養(yǎng)源，從而解決由于結(jié)垢問題而產(chǎn)生的流體流動(dòng)阻力增加、噴嘴霧化程度低及細(xì)菌滋生等問題，可降低企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行管理費(fèi)用，節(jié)約水資源。