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城镇二级出水换热表面混合污垢的成分及形貌点击：1839 日期：[ 2014-04-26 21:39:29 ] |
| 城镇二级出水换热表面混合污垢的成分及形貌 史 琳1, 昝 成1, 杨文言2 (1.清华大学热能工程系,热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084; 2.摩擦学国家重点实验室,北京100084) 摘 要:城镇二级出水中的致垢成分将导致热能回用过程中污垢的生成。该文在热泵工况下对二级出水在板式换热器内形成的污垢进行了成分及形貌的研究。实验结果表明:热泵工况下,二级出水在板式换热器内形成的污垢是以微生物污垢为主的混合污垢;污垢特性与二级出水的致垢成分存在密切关联;混合污垢表层结构呈空间网状,微生物及其胞外聚合物大量捕获水体中的无机悬浮物,无机悬浮物同时构成了微生物生长繁殖的节点。上述结果为城镇二级出水的热能回用提供必要的基础数据。 关键词:城镇二级出水;混合污垢;生物污垢 中图分类号:TK 121文献标识码:A 文章编号:1000-0054(2009)02-0236-04 城镇污水经二级处理后冬暖夏凉,是理想的冷却介质及低品位热源,适宜作为电厂冷凝器冷却水及水源热泵冷热源。传统上城镇二级出水回用做循环冷却水补水前需进行深度处理,可提高系统运行的安全性。为了降低城镇二级出水热能回用成本,瑞典、美国及日本于上世纪80年代开始进行城镇二级出水直接热能回用的应用与研究[1-2]。国内于2000年开始对城镇二级出水直接热能回用进行研究,相关工程应用正在逐步开展[3]。国内外应用及研究结果显示:城镇原生污水经二级处理后仍含有大量致垢成分,污垢及腐蚀问题是城镇二级出水热能回用过程中必须关注的关键问题。 在我国,板式换热器作为城镇二级出水热交换设备已开始被用于大型热泵区域冷热源系统中并具有良好的应用前景,此热交换技术的应用和研究尚处于起步阶段,与之相关的污垢问题的系统性研究有待开展。 本文以北京市某大型污水处理厂二级出水为水源,在水质分析的基础上,利用在厂内搭建的板式换热器实验平台,在热泵运行工况及二级出水直流热交换条件下,对以二级出水为换热介质的板式换热器内污垢进行长期、全面的成分分析,并利用环境扫描电镜(ESEM)对污垢形貌及其组分的空间分布进行原位观察和测量。该研究为城镇二级出水的热能回用提供必要的基础数据。 1·城镇二级出水水质分析 城镇二级出水中的致垢成分可分为2类:微生物组分及非生物组分。依据GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》,参考GB50050-95《工业循环冷却水处理设计规范》及GB/T50335-2002《污水再生利用工程设计规范》,并同时考虑板式换热器及直流热交换形式的特点,确定了16项长期监测的城镇二级出水致垢指标。 表1列出了全年中不同时段北京市某大型污水处理厂的二级出水具有代表性的水质实验结果,其中微生物组分主要关注异养菌总数及BOD5;总硬度和总碱度均以CaCO3计; null表示未检出。二级出水水质符合GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中规定的一级B排放标准。参考值R1引自GB/T50335-2002《污水再生利用工程设计规范》中规定的再生水用作直流冷却水的水质控制指标。 2·污垢分析 2.1 污垢取样和制样 板式换热器实验系统[4]建于北京市某大型污水处理厂内,以该污水处理厂二级出水为实验水源。板式换热器结垢实验在热泵工况下进行,二级出水一次通过板式换热器,完成热交换后直接排放。表2为污垢试样采样现场数据记录,板式换热器结垢实验覆盖了热泵全部运行工况。板式换热器运行时间分别为22d和70d。实验涉及3种板式换热器,分别为:Alfa Laval生产的M10-MFL-AISI304(A4)和M10-MFL-AISI316(A6), GEA生产的NT100X CDL-10-AISI316(G6)。参照常规的循环冷却水污垢试样采取方法,对以二级出水为换热介质的板式换热器污垢进行定期采样。污垢在换热板片表面分布均匀,呈深褐色黏泥状,污垢试样均取自板片主流道凹槽内。将采集的新鲜垢样分别进行2种干化处理: 1)在50~60℃下干燥6~8 h; 2)在低温冰箱内干燥,再冻干24h。将上述干化处理的污垢试样研磨、筛滤并封存。 2.2 污垢分析方法与实验结果 2.2.1 微生物组分分析 本文主要关注异养菌总数。异养菌总数的测量采用GB/T 14643.1-1993中规定的黏液形成菌培养方法。异养菌总数的实验结果如表3所示。 2.2.2 非生物组分分析 1)水分。将经干燥的试样通过0.125 mm(120目)孔径制备好的试样,在105~110℃下烘干至恒重,对失去的质量进行测量。实验结果: 6个污垢试样含水率均在93%~95%之间。 2)灼烧。将经干燥的试样于105℃下干燥至恒重,然后在马夫炉中于550℃和950℃加热,分别测量这2个温度下的灼烧损失。实验结果显示:污垢在550℃和950℃灼烧减重值分别为66.90%~86.49%和0.43%~1.02%。 3) C、H、N元素。采用CE440型快速元素分析仪对冻干试样中的C、H、N元素进行分析,并计算C与N的质量比。C的质量分数在32.19%~40.44%之间, H的质量分数在5.02%~6.18%之间, N的质量分数在5.92%~8.74%之间, C与N的质量比在4.57~5.81之间。 4)其余元素。首先采用LEEMAN等离子体发射光谱仪(ICP)对冻干污垢试样中的无机元素进行定性分析,含量较多的元素为Si、Ca、Fe、Al、Mg、P、S。本文采用2种方法进行分析: a)采用ICP对冻干后试样中的Ca、Fe、Al、Mg、P、S元素进行分析,分析结果以该元素质量分数形式表示。可得出: Ca, 1.29%~2.19%; Fe, 1.05%~2.30%;P, 1.52%~2.50%; S, 0.80%~1.03%; Mg,0.39%~0.89%; Al, 0.27%~1.15%; Ca/Mg,1.93~5.56。b)采用岛津X射线荧光光谱仪XRF-1700分析550℃灼烧后产物中的Si、Ca、Fe、Al、Mg、P,结果以该元素对应的最稳定氧化物质量分数形式表示。可得出: SiO2, 11.34%~31.64%;CaO, 10. 40%~ 16. 92%; Fe2O3, 7. 62%~25.61%; Al2O3, 4.47%~9.67%; MgO, 3.73%~ 5. 81%; P2O5, 17. 30%~ 36. 69%; SiO2/Al2O3, 2.54~3.45。 5)有机化合物。采用Fourier变换红外和Raman光谱仪对G6-F2、A6-F3、A4-F4及A4-F6污垢冻干试样中的有机化合物进行分析。分析结论如下: a)有机物质量分数在95%以上; b)有蛋白质存在,可判断蛋白质在混合物中含量相对最高。 2.2.3 污垢形貌原位观察及元素分析 传统循环冷却水系统的污垢形貌均采用电子扫描显微镜(SEM)进行观察,观察前对污垢的干燥处理必将破坏污垢原貌,影响观察效果。本文模拟板式换热器运行条件设计搭建了城镇二级出水成垢实验段,采用环境扫描电镜(ESEM)对不锈钢试件表面含湿污垢进行原位观察,并对污垢成分进行了原位背散射观察及微区能谱分析。 ESEM原位观察结果如图1所示。被观测污垢已在流动的二级出水系统中生长了10d。 3·讨 论 3.1 城镇二级出水水源 表1数据表明,实验用二级出水在全年绝大多数时间中可达到一级B排放标准,并符合GB/T50335-2002对再生水用作直流冷却水的水质要求。 1)季节性变化。春季雨水少,水温适宜,城镇二级出水各项致垢指标含量均较高;夏季雨水丰富,虽然水温较高,但城镇二级出水中各项致垢指标含量均较低,部分致垢指标甚至低于冬季水平。 2)温度。全年温度12~26℃;热泵工况,夏季运行温度25~45℃;冬季运行温度5~20℃。 3)黏液形成菌。城镇二级出水中含有一定数量的产黏液异样菌;细菌数量随季节变化较为明显,春季水温适宜且雨水较少,二级出水中细菌浓度最高;冬季水温较低,二级出水中细菌浓度最低。 4)养分状况。城镇二级出水全年CODcr和BOD5值分别在15~70mg/L和10~38mg/L。经验表明,当冷却水中的化学需氧量(CODcr)值达10 mg/L以上时,生物污垢导致的故障就易于发生。 3.2 污垢成分 1)有机成分。550℃灼烧减重结果表明,污垢的有机成分含量极高。有机化合物质量分数在95%以上,有机物绝大多数为微生物及其胞外聚合物。不同工况下污垢成分中的C/N均在4.6~5.8之间,证明了污垢中有机成分及其含量的稳定性。 2)无机元素。Si、Ca、Fe、P、S元素是构成污垢无机成分的主要元素。P和S是微生物生存繁殖所需养分中的重要元素, P和S含量相对稳定。 3)无机化合物。污垢中的无机晶体化合物为SiO2, 950℃灼烧减重结果表明,没有发现CaCO3晶体的存在。 上述分析结果表明:热泵运行工况下,城镇二级出水在板式换热器内形成的污垢均为以微生物污垢为主的混合污垢。 3.3 污垢特性与二级出水致垢成分的关联 1)微生物含量的相似性。二级出水中的致垢成分有季节性变化。对比表1和表3,可发现随着水中异样菌总数、有机养分及致垢离子浓度的下降,污垢中异样菌数量明显减少。此时,水中致垢成分浓度对于污垢形成的影响大于温度因素。 2) Ca和Mg质量分数比的相似性。水中Ca与Mg离子的质量比在2.54~3.22之间;污垢中Ca与Mg离子的质量比在1.93%~5.56%之间。两者存在相似性。已有研究结果显示, Ca和Mg元素不仅是微生物生长和繁殖的重要养分,还可促进水系统中微生物在金属壁面的附着[5]。在不同地区城镇二级出水热能回用过程中应关注水中Ca2+和Mg2+的含量。 3) Fe的含量差异。水中Fe含量极少,而污垢中Fe含量较高;初步判断,污垢中的Fe元素来自水中的悬浮物或金属成垢表面的腐蚀产物; 4) Si和Al含量的差异。水中Si和Al元素含量极少,而污垢中Si和Al元素含量较高且成比例。Si和Al含量的差异将在3.4节解释。 3.4 污垢形貌及其组分的空间分布 如图1所示,成熟的污垢表面呈空间网状结构,污垢中的微生物及其胞外聚合物相互粘连,同时从二级出水中捕获并包裹了大量的无机悬浮物。微观观察及能谱分析结果显示: 1)无机颗粒被有机物包裹,其直径为1~20μm; 2)存在被有机物包裹的硅藻土,硅藻土的本质是含水的非晶质SiO2,污垢中硅藻土直径在10~20μm左右;硅藻土的检出解释了水和污垢中Si和Al元素含量的巨大差异; 3可观察到被有机物包裹的磷酸盐类物质、微生物及其胞外聚合物。 4·结 论 本文以热泵工况下板式换热器内城镇二级出水结垢问题为研究对象,建立了一套污垢分析研究方法。研究结果表明:热泵运行工况下,城镇二级出水在板式换热器内形成的污垢为以微生物污垢为主的混合污垢, Si、Ca、Fe、P和S元素是构成污垢无机成分的主要元素;混合污垢的特性与二级出水的致垢成分存在密切关联; Ca2+和Mg2+浓度值得关注混合污垢中微生物及其胞外聚合物与二级出水中的无机悬浮物充分掺混,无机悬浮物同时构成了微生物生长繁殖的节点和骨架。 参考文献：略 |
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