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摘要：本文介绍了旁流处理在工业循环冷却水处理中的应用、旁流处理单元工艺原理、影响因素和研究进展，重点介绍了工业冷却水循环系统旁流处理的原理与方法。
关键词： 旁流处理，冷却水，软化，除盐
在敞开式循环冷却水系统（图1）中，因水流与大气接触，灰尘、微生物等进入循环水；此外，二氧化碳的逸散和换热设备中物料的泄漏，也改变着循环水的水质，微生物大量繁殖。敞开式循环冷却水系统冷却塔常用风机促进蒸发,冷却水常被吹失，故敞开式循环冷却水系统必须补给新鲜水。通常补充水量超过蒸发与风吹的损失水量，因此必须排放一些循环水（排污水）以维持水量的平衡。
排污水量是构成冷却水系统用水量的重要部分，也是造成水处理剂流失和消耗的主要因素。由于排污水中通常含有磷酸盐或磷酸盐水处理剂，对接受水体具有富营养化的作用，其排放受到了限制。采用旁流处理工艺（包括过滤、膜分离、化学沉淀软化、离子交换等）将循环冷却水系统的排污水经净化和软化后作为补充水进行回用，可显著降低排污量并改善水质稳定效果，对提高工业水的重复利用率和节约水资源具有重要意义。
图1敞开式循环冷却水系统
1—补充冷却水；2—冷水池；3—冷却水泵；4—冷却工艺
介质的换热器；5—热水；6—热水池；7—热水泵；
8—冷却塔；9—冷水；10—排污水；
11—蒸发损失水；12—空气
旁流处理方法
旁流过滤法
旁流过滤（旁滤）可以去除水中大部分悬浮固体、黏泥和微生物等，但能降低水的硬度和含盐度。旁滤设备反冲洗时，杂质将随反洗排出循环水系统，由于反洗水中杂质浓度比排污水高得多，所以系统排出的杂质多而消耗的水量少，这样通过旁滤可使系统排污量降低。
间冷开式系统其旁滤水量应按理论公式计算或可按循环水量的1~5%选用。
间冷开式系统旁滤水量计算公式：
式中：旁滤水量，；：补充水量，；：补充水悬浮物含量，；：悬浮物沉降系数，可通过实验确定。当无资料时可能性选用0.2；冷却塔空气流量，；：空气含尘量，；：排污水量，；渗漏、吹散水量，；循环冷却水悬浮物含量，；旁流过滤后水的悬浮物含量，。
旁流软化处理
旁流软化处理水量（）的计算公式如下
式中：蒸发损失，；：渗漏，吹散水量，；：排污水量，；：补充水中某杂质含量，；：循环水中某杂质允许含量，；：旁流处理系统出水中某杂质含量，；软化处理系统自用水率，%。
离子交换法
离子交换是指去除欲处理水中不需要的离子，把它转移到固体材料中，而把储存在离子交换树脂骨架中的离子等量地交换出来，并释放到水溶液中。离子交换树脂可分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂。不同的离子交换树脂的功能基团、化学结构、性能不同。
弱酸性阳离子交换树脂含弱酸性功能基，适用PH值范围4~14，最高使用温度100℃，树脂再生可用比功能基酸性强的酸，再生率几乎100%（H型）。Na型弱酸性树脂对中性、碱性和稀酸溶液中的二价阳离子有极高的选择性，以至于任何浓度的NaCL溶液都不可能使树脂再生恢复到Na型，只能用稀酸再生，然后用稀氢氧化钠溶液将所得H型转化为Na型。
弱酸树脂广泛应用于循环冷却水补充水的处理。近期弱酸树脂用作旁流处理单元的研究也取得一些进展，有研究表明，弱酸树脂软化系统的建设规模与循环冷却水阻垢剂所能维持的碱度有关，碱度越高，处理效果越好，处理成本越低，工艺的经济性越好。
膜分离法
对于盐和氯根含量很高、永久硬度很大的原水，用离子交换法处理往往达不到要求或不经济，因为在工业锅炉房中离子交换法一般是用来软化及除碱，而不能减少氯根或除盐。用化学法除盐一方面需要很多离子交换树脂，另一方面要消耗大量的酸、碱等工业原料进行再生，不仅运行费用高，而且酸碱废液的排放也会造成污染。因此，对于某些特殊水质，在锅炉给水处理时采用膜分离技术：电渗析和反渗透两种水处理方法。
反渗透与电渗析
反渗透是水的预脱盐主要工艺。如果在半透膜的一侧为纯水，另一侧为某种物质的溶液（原水），则由于渗透压的作用，水会透过半透膜进入溶液中，将溶液稀释，并使溶液的液面升高。液面升高所增加的静液压等于溶液在该浓度下的渗透压。渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度、温度，而与半透膜本身无关。
如果在溶液一侧施加较大的静压力，它超过渗透压，则溶液中的水就会透过半透膜进入另一侧的水中，使溶液浓度升高。这种作用成为反渗透，如图2所示。
图2溶液渗透与反渗透现象
（a）渗透；（b）渗透平衡；（c）反渗透
电渗析器是在外加直流电场的作用下，当含盐分的水流经阴、阳离子交换膜和隔板组成的隔室时，水中的阴、阳离子开始定向运动，阴离子向阳极方向移动，阳离子向阴极方向移动。由于离子交换膜具有选择透过性，阳离子交换膜的固定交换集团带负电荷，因此允许水中阳离子通过而阻挡阴离子；阴离子交换膜的固定交换集团带正电荷，因此允许水中的阴离子通过而阻挡阳离子，致使淡水隔室中的离子迁移到浓水隔室中去，从而达到淡化的目的。某电渗析零排放系统结构如图3所示。
图3电渗析零排放系统
1—水泵；2、9—流量计；3、6—加药泵；4、5—反应罐；
6—加药泵；7—混合器；8—电渗析器
大型循环冷却水系统三级旁流处理工艺及方案实例
根据对弱酸树脂软化法的研究，结合对现有旁流处理工艺的比较分析，提出针对大型工业循环冷却水的新型旁流净化—软化工艺（图4所示），包括以下三级处理过程。
化学混凝—纤维过滤
去除部分硬度和水中的正磷酸盐，补充碱度，去除大部分悬浮物：这一过程
可以在一体化的纤维过滤器中完成。
2、活性碳过滤—弱酸树脂软化
在活性碳过滤器中去除水中对弱酸树脂构成威胁的油、余氯、有机物等，在
弱酸树腊交换器中去除大部分的硬度、碱度，该出水可满足循环冷却水补充水的
一般要求。
3、精密过滤—反渗透(纳滤)
在反渗透工艺中，迸一步去除上述过程无法去除的、和等有害成份，出水作为优质补充水返回到冷却水系统中。
图4大型循环冷却水系统三级旁流处理流程
旁流处理技术研发方向
对循环冷却水进行旁流处理，可有效改善循环冷却水的水质，提高系统的浓缩倍数甚至实现“零排放”。达到提高工业水的重复利用率、减少废水的排放量等目的，对工业企业具有节水、节能及降低生产成本等作用，有助于企业提高市场竞争力，对保护和合理使用现有的淡水资源，促进经济的可持续发展，具有重要意义。
现有的旁流处理工艺单元各具特色，也存在诸多不足。如膜分离法和离子交换法对水质的预处理有较高的要求。且运行成本较高；有的旁流处理工艺复杂、设备可靠性差。与大型化、连续性生產装置的要求不相适应等。采用三级旁流软化一净化处理工艺，可以大大减少补充水、排污水量和水处理剂等费用支出。在实现系统的“零排放”运行的同时可以改善水质处理效果，具有良好的经济效益。
实际工程中，应全面评价该工艺对改善水质、提高缓蚀阻垢效果的作用，定量分析其节水作用和综合经济效益，进一步开发拥有自主知识产权、具有国内领先水平的。成套化、系列化和“一体化”的该类循环冷却水旁流处理设备；通过工业示范工程的实施，实现该工艺和设备的产业化并推广应用。
[参考文献]
[1] 高华生 工业循环冷却水旁流软化-净化处理技术进展[J] 工业水处理 2007,27（6）
[2] 高华生，俞建德，姬跃国 工业循环冷却水旁流处理工艺及设备[J] 中国给水排水 2002,18（10）
[3] 梁丽娟 谷秀清 旁流处理在循环冷却水中的应用[J] 工业水处理 1998,18（5）
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词： 旁流处理，冷却水，软化，除盐
在敞开式循环冷却水系统（图1）中，因水流与大气接触，灰尘、微生物等进入循环水；此外，二氧化碳的逸散和换热设备中物料的泄漏，也改变着循环水的水质，微生物大量繁殖。敞开式循环冷却水系统冷却塔常用风机促进蒸发,冷却水常被吹失，故敞开式循环冷却水系统必须补给新鲜水。通常补充水量超过蒸发与风吹的损失水量，因此必须排放一些循环水（排污水）以维持水量的平衡。
排污水量是构成冷却水系统用水量的重要部分，也是造成水处理剂流失和消耗的主要因素。由于排污水中通常含有磷酸盐或磷酸盐水处理剂，对接受水体具有富营养化的作用，其排放受到了限制。采用旁流处理工艺（包括过滤、膜分离、化学沉淀软化、离子交换等）将循环冷却水系统的排污水经净化和软化后作为补充水进行回用，可显著降低排污量并改善水质稳定效果，对提高工业水的重复利用率和节约水资源具有重要意义。
图1敞开式循环冷却水系统
1—补充冷却水；2—冷水池；3—冷却水泵；4—冷却工艺
介质的换热器；5—热水；6—热水池；7—热水泵；
8—冷却塔；9—冷水；10—排污水；
11—蒸发损失水；12—空气
旁流处理方法
旁流过滤法
旁流过滤（旁滤）可以去除水中大部分悬浮固体、黏泥和微生物等，但能降低水的硬度和含盐度。旁滤设备反冲洗时，杂质将随反洗排出循环水系统，由于反洗水中杂质浓度比排污水高得多，所以系统排出的杂质多而消耗的水量少，这样通过旁滤可使系统排污量降低。
间冷开式系统其旁滤水量应按理论公式计算或可按循环水量的1~5%选用。
间冷开式系统旁滤水量计算公式：
式中：旁滤水量，；：补充水量，；：补充水悬浮物含量，；：悬浮物沉降系数，可通过实验确定。当无资料时可能性选用0.2；冷却塔空气流量，；：空气含尘量，；：排污水量，；渗漏、吹散水量，；循环冷却水悬浮物含量，；旁流过滤后水的悬浮物含量，。
旁流软化处理
旁流软化处理水量（）的计算公式如下
式中：蒸发损失，；：渗漏，吹散水量，；：排污水量，；：补充水中某杂质含量，；：循环水中某杂质允许含量，；：旁流处理系统出水中某杂质含量，；软化处理系统自用水率，%。
离子交换法
离子交换是指去除欲处理水中不需要的离子，把它转移到固体材料中，而把储存在离子交换树脂骨架中的离子等量地交换出来，并释放到水溶液中。离子交换树脂可分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂。不同的离子交换树脂的功能基团、化学结构、性能不同。
弱酸性阳离子交换树脂含弱酸性功能基，适用PH值范围4~14，最高使用温度100℃，树脂再生可用比功能基酸性强的酸，再生率几乎100%（H型）。Na型弱酸性树脂对中性、碱性和稀酸溶液中的二价阳离子有极高的选择性，以至于任何浓度的NaCL溶液都不可能使树脂再生恢复到Na型，只能用稀酸再生，然后用稀氢氧化钠溶液将所得H型转化为Na型。
弱酸树脂广泛应用于循环冷却水补充水的处理。近期弱酸树脂用作旁流处理单元的研究也取得一些进展，有研究表明，弱酸树脂软化系统的建设规模与循环冷却水阻垢剂所能维持的碱度有关，碱度越高，处理效果越好，处理成本越低，工艺的经济性越好。
膜分离法
对于盐和氯根含量很高、永久硬度很大的原水，用离子交换法处理往往达不到要求或不经济，因为在工业锅炉房中离子交换法一般是用来软化及除碱，而不能减少氯根或除盐。用化学法除盐一方面需要很多离子交换树脂，另一方面要消耗大量的酸、碱等工业原料进行再生，不仅运行费用高，而且酸碱废液的排放也会造成污染。因此，对于某些特殊水质，在锅炉给水处理时采用膜分离技术：电渗析和反渗透两种水处理方法。
反渗透与电渗析
反渗透是水的预脱盐主要工艺。如果在半透膜的一侧为纯水，另一侧为某种物质的溶液（原水），则由于渗透压的作用，水会透过半透膜进入溶液中，将溶液稀释，并使溶液的液面升高。液面升高所增加的静液压等于溶液在该浓度下的渗透压。渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度、温度，而与半透膜本身无关。
如果在溶液一侧施加较大的静压力，它超过渗透压，则溶液中的水就会透过半透膜进入另一侧的水中，使溶液浓度升高。这种作用成为反渗透，如图2所示。
图2溶液渗透与反渗透现象
（a）渗透；（b）渗透平衡；（c）反渗透
电渗析器是在外加直流电场的作用下，当含盐分的水流经阴、阳离子交换膜和隔板组成的隔室时，水中的阴、阳离子开始定向运动，阴离子向阳极方向移动，阳离子向阴极方向移动。由于离子交换膜具有选择透过性，阳离子交换膜的固定交换集团带负电荷，因此允许水中阳离子通过而阻挡阴离子；阴离子交换膜的固定交换集团带正电荷，因此允许水中的阴离子通过而阻挡阳离子，致使淡水隔室中的离子迁移到浓水隔室中去，从而达到淡化的目的。某电渗析零排放系统结构如图3所示。
图3电渗析零排放系统
1—水泵；2、9—流量计；3、6—加药泵；4、5—反应罐；
6—加药泵；7—混合器；8—电渗析器
大型循环冷却水系统三级旁流处理工艺及方案实例
根据对弱酸树脂软化法的研究，结合对现有旁流处理工艺的比较分析，提出针对大型工业循环冷却水的新型旁流净化—软化工艺（图4所示），包括以下三级处理过程。
化学混凝—纤维过滤
去除部分硬度和水中的正磷酸盐，补充碱度，去除大部分悬浮物：这一过程
可以在一体化的纤维过滤器中完成。
2、活性碳过滤—弱酸树脂软化
在活性碳过滤器中去除水中对弱酸树脂构成威胁的油、余氯、有机物等，在
弱酸树腊交换器中去除大部分的硬度、碱度，该出水可满足循环冷却水补充水的
一般要求。
3、精密过滤—反渗透(纳滤)
在反渗透工艺中，迸一步去除上述过程无法去除的、和等有害成份，出水作为优质补充水返回到冷却水系统中。
图4大型循环冷却水系统三级旁流处理流程
旁流处理技术研发方向
对循环冷却水进行旁流处理，可有效改善循环冷却水的水质，提高系统的浓缩倍数甚至实现“零排放”。达到提高工业水的重复利用率、减少废水的排放量等目的，对工业企业具有节水、节能及降低生产成本等作用，有助于企业提高市场竞争力，对保护和合理使用现有的淡水资源，促进经济的可持续发展，具有重要意义。
现有的旁流处理工艺单元各具特色，也存在诸多不足。如膜分离法和离子交换法对水质的预处理有较高的要求。且运行成本较高；有的旁流处理工艺复杂、设备可靠性差。与大型化、连续性生產装置的要求不相适应等。采用三级旁流软化一净化处理工艺，可以大大减少补充水、排污水量和水处理剂等费用支出。在实现系统的“零排放”运行的同时可以改善水质处理效果，具有良好的经济效益。
实际工程中，应全面评价该工艺对改善水质、提高缓蚀阻垢效果的作用，定量分析其节水作用和综合经济效益，进一步开发拥有自主知识产权、具有国内领先水平的。成套化、系列化和“一体化”的该类循环冷却水旁流处理设备；通过工业示范工程的实施，实现该工艺和设备的产业化并推广应用。
[参考文献]
[1] 高华生 工业循环冷却水旁流软化-净化处理技术进展[J] 工业水处理 2007,27（6）
[2] 高华生，俞建德，姬跃国 工业循环冷却水旁流处理工艺及设备[J] 中国给水排水 2002,18（10）
[3] 梁丽娟 谷秀清 旁流处理在循环冷却水中的应用[J] 工业水处理 1998,18（5）
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。