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十年磨一剑——守护工业血液的“白衣天使”

虽说“食不厌精,脍不厌细”,但过犹不及。当人体长期摄入高营养物质后,血液就容易变得粘稠污浊,不能向器官和组织细胞提供高效的血氧物质,导致脏腑机能低下,引发各种疾病。大自然中的水就像血液,由于人为因素,江河等自然水域如果接纳了大量的生物所需要的氮和磷等营养物质就会引起富营养化的水污染现象,藻类等浮游生物迅速繁殖,鱼类和其他生物大量死亡。

磷,广泛存在于动植物组织中,是重要的食品添加剂和工业原料。一些食品的生产过程中如果添加了食品级磷酸后不仅口感更好,而且能够长久保鲜。在工业领域,磷还有一个重要作用——磷化,磷化的目的主要是给基体金属提供保护,在一定程度上防止金属被腐蚀。

众所周知,管道腐蚀是工业生产中经常面临的问题。腐蚀后的设备损坏除了带来经济损失,还易造成安全隐患。因此在水处理的领域中,为了保护冷却水系统关键设备,磷常会被用来作为缓蚀剂。

工业化生产导致磷污染日趋严重

近日,笔者采访了来自艺康集团研发中心纳尔科无磷项目组的研发成员,研发部经理于博士说:“传统冷却水方案都是用有磷的,多年的现场应用经验也证明磷是一种理想的缓蚀药剂。但是如果用有磷方案的话,那意味着你的冷却水排污水中至少要有大于1PPM以上的磷元素。尤其是在十多年前,由于石化、电力等大型工业企业兴起,水量消耗比较大,所以冷却水这部分的排污水都是直接排放到自然水体当中,会导致严重的水体富营养化问题。”(*PPM(parts per million)是用溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表示的浓度,也称百万分比浓度。)同时,磷在冷却水系统中的添加,也增加了磷酸钙沉积和微生物控制的风险。

水十条颁布,污染防治的强心剂

2015年4月,国家颁布了《水污染防治行动计划》(简称“水十条”),其中第二十一条表示,将进一步控制污染物排放总量,完善污染物统计监测体系。其中,选择对水环境质量有突出影响的总氮、总磷、重金属等污染物,研究纳入流域、区域污染物排放总量控制约束性指标体系。

2016年,全国地表水国控断面中,I-III类水质断面占67.8%(目标为66.5%),同比增加1.8个百分点,劣V类水质断面占8.6%(目标为9.2%),同比减少1.1个百分点。“水十条”的年度目标总体上完成。然而,长江干流总磷污染却上升为主要污染物。令人头疼的是,“长江流域总磷污染超标”成为当时长江干流区域所面临的新挑战

限制磷的排放、防治水体磷污染可对水的环境保护起到至关重要的作用。“国家的磷排放标准中,总磷是要限制在0.5PPM以下。所以如果使用有磷的解决方案通常来讲是无法达到直排要求的。”“水十条”发布之后,政府的执法力度越来越强,如果企业超标,面临的不仅仅是经济处罚,可能是关停甚至承担刑事责任。

“另外,随着企业对节水的要求提高,用水效率就会随之提升。有些客户需要将冷却水的循环倍数提升到10倍以上,那他所面临的水处理的挑战就更大,因为水会越来越浓缩,里面的污染物也越发的富集。随着水资源保护意识的提升,有些客户现场为了更大程度的节约用水,会将不同的水源添加到冷却水系统中,这其中包括回用水,反渗透水,甚至是其他生产工艺使用过的水,复杂的补水水源会给整个系统带来更大的波动,使整个冷却水系统的控制变得更加挑战。”无磷项目组研发成员张博士补充道。

历经十年,全新无磷方案应运而生

为了达到排放标准,企业往往需要额外投入设备,并进行废水工艺改造。根据废水处理规模不同,投入费用从十几万到上百万不等,日常运行及处理费用也会急剧上升。在电厂,冷却水用量可以占到工厂全部用水的60-80%。因此,冷却水系统大幅减少磷使用,是企业有效降低废水处理端的压力与费用的必要手段之一。

事实上,很多宣称“不含磷”的产品仅仅是达到了国家和各地区以及各行业相关法规对含磷洗涤剂不得高于1.1%的规定,并未实现完全“无磷”,这无形中又为生产企业的排放达标增添了一些不确定因素。十年前,纳尔科第一个在市场上推出了无磷方案,在帮助工业企业控制设备腐蚀的前提下,从源头就将磷规避开,确保工厂排放达到国家标准。当时,该方案在中国就已有上百家企业客户应用,主要围绕石化行业。

然而,第一代无磷方案面向的是长江区域内工业企业,处理的水体并不复杂。随着近年来,中国的化工企业向北迁移,新疆、宁夏、内蒙等区域重工业兴起,相关水体的水质有了很大的不同,其中以黄河流域为首的水质则更为复杂。“中国的水质基本可分为三类,一类是包含广州、福建等珠江流域的南方水系,碱度和硬度较低,俗称‘软水’;第二类是长江流域,包括长三角区域的中性水质;第三类就是北方水系,像东北、西北主要是高氯、高电导这种腐蚀性的水质。不同的水质有着不同的处理难度,第一类和第三类这两种水质其实是占了整个中国水域的50%左右,其所对应的处理难度会明显高于第二类水质。”于博士说。

“十年前我们推出第一套无磷解决方案后,市场中也陆陆续续出现了类似的解决方案。但是我们其实知道,老的无磷方案有局限性,只能适用于长江区域的水质。为了适用复杂水质,特别是软水和高腐蚀性水质,纳尔科形成由北美,亚太和中国研发人员组成的研发小组,经过长期的研究探索,才在2017年底成功推出了新一代的无磷方案。这个全新的方案,在北方和南方等不同水质下,都表现了优异的防腐蚀结垢性能,让应用的水域范围更宽。”

50+组动态试验、1000+组静态实验、每年8000组水样分析

在纳尔科水质分析中心,每年有8000多个从客户现场送来的水样进行研究分析。这8000多组水样能够帮助研发人员了解全国各地的水质情况。对于那些难处理的水,比如南方的软水,北方的高氯水,他们会通过一系列模拟实验来筛选出合适的处理方案。

张博士告诉笔者,模拟实验分静态和动态两种。静态实验的目的是作大规模的方案初筛,研究人员会比对不同试剂的对水样处理效果,通常一组静态实验可以同时比对8-10个配方,初筛完成后就会进行相对复杂的动态实验。

他解释道:“动态实验会用到我们的实验室的两套模拟装置,用来模拟整个冷却塔的蒸发、循环、换热的过程。在这两套装置上,我们可以进一步验证我们的药剂方案。针对一些极端水质,我们会从现场取回几吨真实水样进行实验,一组动态模拟实验往往需要3到4周的时间,以确保我们的方案可行性。”

纳尔科新一代无磷方案在技术路线确定后,仅在2017年,就完成了50组以上的动态模拟,1000组以上的静态实验,建立了在各种水质下的应用指导。

用数字化解决水的“疑难杂症”

然而,“无磷化”的解决方案远不止更换一种药剂那么简单。因为磷还可作为药剂量大小的标识,过去,企业只需监测磷含量即可获知药剂的有效剂量,如果彻底“无磷”,企业该如何实时掌握药剂的使用情况呢?

为了解决这个问题,纳尔科的无磷方案中结合了3D TRASARTM自动化管理技术。它的数字化示踪功能可以检测药剂使用情况,因而企业主对工厂的冷却水可以更全面地监测并及时得到反馈,尽量减少因为系统的问题影响自己的生产计划。

除了数字化的监测技术和数据平台,纳尔科还提供一般药剂厂商不一样的增值服务——精细化的冷却水现场管理,比如“enVision云端数据管理平台”,配合远程的专家中心,提供系统报警和运营报告等服务。

在水治理的领域中,纳尔科的身份更像一名“治病的医生”,而非一个单纯的“药剂供应商”。通常来讲,一个企业如果有优化工厂冷却水的需求时,纳尔科的技术专家会先做一个“定制诊断”——除了对于水质的分析,还会对客户系统及运行状况进行全面的了解,从而根据专业软件工具进行方案匹配。纳尔科的Optimizer软件专家系统,集成了不同方案在各种应用条件下的测试数据和经验,并通过模型建立,实现最佳方案推荐和性能预测。纳尔科的销售只要把系统信息输入进去,就会自动匹配合适的方案和剂量。如果该系统情况超出了系统内的数据范围,这个时候就需要“特殊诊断”,针对水质进行进一步的组合实验,再通过动态模拟系统进行验证

在谈到客户案例时,张博士谈到了一家来自新疆的光伏企业。“客户的水质腐蚀应力非常高,导致他们在设备维护和排放之间一直无法获得平衡。后来他们寻求纳尔科的帮助,通过应用新无磷方案,我们帮他们降低了67%的设备腐蚀,并还把循环水的循环倍数提高了一倍,这就意味着耗水量也进一步降低,这在西北缺水地区的意义重大。加之是全无磷的解决方案,能完全满足排放指标。”

“无磷不仅仅是为了帮助企业降低总运行成本,比如后期设备的维修费用,更重要的是帮助企业和行业实现更大的价值回报——节水、节能及安全方面的收益,更好地践行可持续发展,为国内的生态环境带来益处。”他强调说。

写在最后

近年来在政策的驱动下,国内企业在污水防治和减排方面取得了积极进展,各个流域的水质也在持续改善。去年5月,纳尔科参与编写了《工业循环冷却水处理设计规范》的国家标准,为各大企业提供了设计参考,可助力防治工业水污染。在无磷的案例中,如果从源头上消除了磷物质,就好比净化了工业的“血液”,也捍卫“血管”的健康,更进一步平衡了经济效益和可持续发展。

“你们团队接下来是什么计划?”笔者问。

“去宁夏出差。”

“你们研发部门也要出差吗?”

“对。及时跟踪现场的工况,以及系统运行的状态,分析问题的原因,倾听客户的声音,对我们了解技术的应用效果非常重要,就好比医生到家来面诊吧,了解实际病情才能对症下药。”张博士笑着说。

“这就是为什么很多人都笑称我们为‘水的Doctor’(既是博士,也是医生)。”于博士补充道。

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