2015年4月，国务院颁布了“水污染防治行动计划”，也被称为“水十条”。国家强化了工业节水和排水管控力度，水污染的防治也一度成为限制工业发展的首要问题，迫使人们进一步探索节水和减少污染排放的水处理技术^[1]。其中，电厂用水量占总工业用水量的20%左右，其循环冷却水系统需消耗60%至80%的水量^[2]。那么，要从根本上实现电厂废水的零排放，电厂的水处理工作重点应放在循环冷却水系统的优化与改进方面，尽可能提高浓缩倍率，减少循环冷却水的排放，同时有效地完成污水的脱盐和再利用。然而，过高的浓缩系数会加重结垢和腐蚀现象，这也对循环冷却水处理技术提出了更严格的要求。同时，当浓缩倍率达到一定倍数时，需排出部分污水并补充淡化的清洁水，这部分水即循环冷却排污水。排污水的回用为电厂循环水系统的节水减排提供了新的思路。因此，从提高浓度倍率和排污水的脱盐回用两个方面入手，探寻一种完整的循环冷却水处理方案是下一步水处理技术的研究重点。具体循环水处理技术路线见图 1。

1 提高浓缩倍率

循环冷却水的浓缩倍率是指其所含盐量与所需补充水的盐含量之比^[3]，其作为一个关键的指标来衡量工业循环冷却水的利用情况。浓缩倍率值越大，意味着循环的次数就越多，所需补充的水量就越少^[4]。所以，提高浓缩倍率对节水减排的实现有良好的促进效果，在保证水资源节约的同时，带来了巨大的经济与社会效益。电厂循环冷却水高浓缩倍率运行的实现已成为水处理技术发展亟待解决的问题。

提高循环水浓缩倍率的传统方法存在一定的缺点：一方面是高浓缩倍数会使循环水含盐量过高，从而引起凝汽器发生腐蚀和结垢等问题；另一方面，循环冷却补充水的水质要求很高^[5]。目前，电厂普遍采用的方法主要分为两大类：化学方法和物理方法。相关研究表明，浓缩倍率的提高可以有效地减少循环冷却水系统排放的污水量^[6]。其中，化学法包括加水稳剂、加酸加阻垢剂、弱酸树脂交换法等；物理法包括磁化水处理、静电水处理等。

1.1 水稳剂

水质稳定剂可以与水中的Ca²⁺和Mg²⁺等易成垢离子相互作用，形成稳定的络合物^[7]。将其加入循环冷却水中可以防止冷却水对设备的腐蚀和结垢。其作用机理是将水稳剂溶于水中，起到螯合、分散和缓蚀等作用，在阻止结垢的同时又对老垢层起到疏松作用，从而得以清垢。

神华神东电力公司李文军等^[8]采用硫酸加水稳剂配合处理法对其循环水系统的水质进行阻垢性能检测试验。结果表明，在保证浓缩倍率达到3.0的前提下，该法使得年加药量比改造前节约10 t，排污水量减少40 t/h。既保证了系统安全、可靠地运行，又使得所需补给水量大幅度下降，减少了生产成本，节约了水资源。

邹海明^[9]以经过膜处理的城市污水作为循环冷却水的电厂为研究对象，对水稳定剂的阻垢和缓蚀性能进行了分析。得出新型阻垢剂BF-2添加量为10.0 mg/L，阻垢率可达93.6%。即可使循环水的浓缩倍率维持在2.8~3.0的水平，从而使城市污水得以重复使用。

吴来贵等^[10]采用极限碳酸盐硬度法定量计算广东河源电厂循环水的浓缩倍率。通过静态和动态阻垢防腐和灭菌实验，探索了5种水稳定剂的极限浓缩倍率。试验结果表明，循环冷却水系统在浓缩倍率大于10倍的情况下可以安全稳定地运行。说明了在高浓缩倍率下运行可以大大减少循环冷却系统补给水量和排污水量。

1.2 阻垢剂法

阻垢剂是一种可将微溶无机盐分散在水中，以达到阻碍难溶性无机盐在金属表面上沉淀和结垢的效果，并使金属设备保持良好传热效果的化学品^[11]。一般是先加酸来降低冷却水的碱度，再投加阻垢缓蚀剂，二者协同使用不仅可以提高阻垢效果和冷却水的浓缩倍率，也可以减少阻垢剂的用量。

王荣^[12]利用2种不同的阻垢剂对某电厂循环水进行了静态和动态模拟实验，获得阻垢性能更好的和成本更低的阻垢剂制剂。使用新型阻垢剂可以将浓缩倍率从2.0增加到2.7，节约111.55万元/a的补充水成本。韩建勋^[13]也做了静、动态试验，分析了加酸法与阻垢剂的联合处理电厂循环冷却水的效果。发现了当阻垢剂的浓度为1 mg/L且pH值在7.8~8.3之间时，循环水的浓缩倍率可达到4。此时，可以防止冷却水系统的热交换器的表面结垢，并且不锈钢表现出良好的耐腐蚀性。

张宁生^[14]运用极化曲线分析了301型不锈钢在不同浓度的阻垢剂溶液中的腐蚀情况，其中还包括添加酸对阻垢效果的影响。在含有质量浓度为1或2 mg/L阻垢剂的冷却水中加入0.50 mmol/L的硫酸可有效减少Ca²⁺的沉积并降低不锈钢电极的点蚀敏感性。

1.3 弱酸树脂法

采用弱酸阳离子树脂来处理电厂循环冷却水及其补充水，可有效地去除其中大部分碳酸盐硬度，并降低循环冷却系统结垢的可能性，为水资源的节约提供条件。并且它凭借交换容量大、再生能耗低的优点，一度被广泛应用^[15]。

Bayswater/Liddell电力联合企业^[16]采用了Hydronautics公司提出的新“零排放”流程。它包括传统的石灰软化，弱酸阳离子树脂，反渗透，双介质过滤等主要的水处理装置。弱酸阳离子树脂用于降低循环水由于Ca²⁺和Mg²⁺引起的硬度；将石灰软化与反渗透设备组合使用可降低循环水的总含盐量。产生的排污水进一步浓缩并在蒸发器和曝光浴中分离，可从冷却水系统中除去约2.4万t/a溶解性盐。其工艺流程如图 2所示。在此过程中，石灰软化的循环冷却水与之前的总硬度相比降低了60%，并且SiO₂减少了约50%；澄清设备中采用了铁盐作为助凝剂，其出水流经双介质过滤器后会被除掉固体悬浮物。反渗透装置可除去超过99%的总溶解固体。由于醋酸纤维素膜抗氧化性强、抗污染性能好，反渗透膜一般采用CA膜。

1.4 磁化水处理

磁化水处理是利用电场和磁场来阻碍水中致垢物(钙和镁的碳酸盐和硫酸盐)在容器壁上析出的一种广泛应用于水处理系统的技术^[17]。近年来，磁化水技术被应用到污水处理领域。其核心装置为磁化水处理器，利用不同性能的材料及水流通道设计来使水磁化。磁化器的优点是内部结构简单、使用方便，后期维护成本低，缺点是磁场强度受到磁性材料和充磁技术的限制，随时间的延长或水温的提高会有退磁现象发生。

杨兴等^[18]主要采用磁电协同式处理方式在自制的双通道试验台上对电厂循环冷却水进行了动态阻垢实验研究。测试结果表明，脉冲方波占空比为70%，脉冲方波频率为100 Hz，水流速度为0.870 m/s，选用5 kV离子棒电压时，经过30 h的试验，设备的阻垢率为78.23%，得到了良好的阻垢效果。

刘振法等^[19]进行了磁化与化学加药联合水处理试验研究，并对其阻垢效果和经济效益进行了分析，进一步提出了物理化学联合高效水处理工艺。韩良敏^[20]研究了在磁场作用下水的结垢性能，证明了外加磁场可明显减少水的结垢量；结垢量与磁化时间和强度成反比；当磁间距小时，磁化和阻垢的处理效果更好；磁化阻垢不适合用于对偏酸性或偏碱性溶液的处理；另外，高浓度的Ca²⁺和Mg²⁺会严重影响阻垢效果。

1.5 静电水处理

静电水阻垢是一种通过改变水分子的结构达到阻垢缓蚀目的的物理水处理技术^[21]。其机理是静电场可使水被极化，将其变成以正负顺序排列的偶极子，它可以将水溶液中的可溶性的盐离子包围并固定，从而使其远离金属壁面来避免结垢的发生。此外，在静电场中水的溶解性会增强，所以静电水在一定程度上还具有溶垢的作用。

魏永志^[22]研究了电磁复合材料对高硬度、高碱度循环水的阻垢率的影响。试验结果显示：经空白处理8 h后的循环冷却水碳酸盐沉积非常严重。当仅用静电水处理器处理相同水质的循环水时，阻垢效果可达63.14%，与未处理相比略有改善。当采用磁处理器与静电水处理器联合使用时，在其他条件一定时，阻垢率可达93.24%，具有很好的阻垢效果。

1.6 提高浓缩倍率方法比较

综上所述，传统的阻垢处理法是现有技术条件下最为简单和可靠的提高浓缩倍率的方法，其需要向水中添加阻垢剂以达到阻垢的目的。但阻垢剂的大量使用将会导致二次污染严重和发电成本增加。目前，复合物理阻垢法的研发已成为现代水处理技术的热门研究方向之一。水稳定剂法是提高严重缺水地区废水浓缩倍率和零排放的必不可少的方法，结合酸和阻垢剂，可减少阻垢剂用量，适用于南方和沿海城市的低硬度和低碱度；弱酸树脂交换法因对进水水质要求高且再生成本高，限制了其使用范围，可作为末级水处理设备；电磁阻垢技术虽有无毒无污染、操作简便的优势，以及一些实际应用，但在其机理和阻垢效果方面仍然需要进一步的研究，可辅助化学药剂与其他技术联合使用。化学和物理方法的具体对比分析如表 1所示。

2 电厂循环水排污水的脱盐技术

要实现电厂循环水系统“零排放”，可将该系统的排污水用于对水质要求低的系统，例如脱硫系统和输煤系统。对于具有水力除灰系统的火电厂，可将循环水排污作为冲灰系统的补充水，以实现梯级利用。但是，该法缺点是在自然降水较大情况下，容易打乱电厂自身的实际水平衡，造成储灰场溢流等问题。在确保浓缩倍率为3.0~5.0的前提下，循环污水可用作脱硫系统的补充水。在减少循环水排污量的同时，可达到维持梯级利用水的效果。但这种方法增加了循环水旁路排污深度处理和脱硫废水处理工程的投资，以及土地及基础设施的占用，不符合经济性的要求^[23]。除了上述回收方法外，由于循环冷却排污水还含有大量的水和高含盐量，使得脱盐技术在电厂的节能减排和实现零排放中扮演着重要的角色。因此，探究高效、快速、经济的除盐方法是实现电厂废水零排放的研究重点。下面介绍了几种典型的循环冷却水的脱盐技术研究现状并对现有除盐方法进行比较分析。

2.1 超滤-反渗透

超滤膜是具有机械筛选功能的选择性透过膜。其膜的孔径为0.002~0.010 μm，可有效拦截废水中的病毒病原体、颗粒、胶体、油脂和大分子。因为超滤只能去除有机大分子物质^[24]，所以使用超滤的方法对废水进行预处理。并将其与反渗透技术联用来保证反渗透膜的进水水质要求。反渗透是将外加压力作用在选择透过性膜上从而达到脱盐的方法。由于它与自然渗透的方向相反，因此被称为“反渗透”^[25]。

随着膜技术的不断成熟以及膜制作成本的降低，许多企业开始关注循环冷却排污水脱盐回用问题，但目前我国并没有大规模脱盐回用的工程应用实例，仅有少数针对特定水质的示范性工程项目。苏金坡^[26]根据山西河津电厂循环冷却水的水质情况，采用了超滤与反渗透联合处理的工艺。试验结果表明，使用HYDRAcap60超滤膜对该电厂循环水中的悬浮物和胶体有良好的去除效率，在保证水质和水量的同时，满足反渗透的进水要求。当反渗透给水的pH值在7.0~7.5之间，PTP-0100阻垢剂的量为4~5 mg/L时，回用率最高可达60%。该工艺显示出较好的经济和环境效益，但中试实验中缺乏温度对超滤膜、反渗透膜产水水质、水量的影响探究，其深海水淡化系统应根据离子交换的实际情况进行调整。

pH值和温度等因素对反渗透的脱盐率和回收率有很大影响。李东等^[27]得出将反渗透给水的pH值调整到8~9范围内时，可实现较好的处理效果及较低能耗。相比于传统的离子交换处理方法，反渗透更适用于高参数锅炉给水处理。

2.2 离子交换法

离子交换脱盐方法是指通过使用强酸性氢型树脂除去水中的各种阳离子(氢离子除外)^[28]。由于其除盐率高，操作简单，广泛应用于水处理领域。但对于电厂循环冷却排污水而言，其过高的含盐量会导致树脂失效快，需要频繁再生并消耗酸碱药剂，从而增加了运行成本。因此，采用离子交换脱盐法不经济。周寒等^[29]将离子交换预处理与电化学反应器相结合以验证了电化学离子交换系统对循环冷却水脱盐可行性。其工艺流程图见图 3。提出了一种基于阴阳极等同滤芯电极的组合工艺体系，实现电极反应的Flow-through运行模式；对模拟冷却水样进行实验得出：脱盐率为86.38%，硬度去除率为89.70%，Cl^-去除率为80.77%，溶解氧去除率为40%。

2.3 膜蒸馏

膜蒸馏是将疏水性微孔膜用作介质，蒸气压差用作驱动力来分离含有非挥发性溶质水溶液的一种膜分离技术^[30]。相比于其他方式，膜蒸馏具有更高的分离效率，相对简单的操作条件和低的膜机械性能要求^[31]。

李富勤^[32]利用实验室制备的PVDF复合膜对某发电厂的冷却系统出水进行真空膜蒸馏实验。实验得出：膜通量与入口水温和冷侧真空成比例。自制的亲水/疏水膜对发电厂循环水的再利用具有良好的效果。此外，碳酸氢钠的预软化有利于增加膜通量，并确保循环水系统的高浓缩倍率下稳定运行。

Yu等^[33]所采用的实验系统图见图 4。在60 ℃的进料侧温度的浓缩过程下，得到约30 L/(m² ·h)的渗透通量和大于99.95%的脱盐率。对含有硅酸盐的模拟液，在浓缩倍率为3.2~5.0之间时，会在膜上产生不溶性碳酸钙垢。添加防垢剂后浓缩倍数可提高至8.0，相应的水回收率提高至约87%。可以看出膜蒸馏技术对于电厂循环冷却排污水的脱盐及回用具有可行性。

若要达到大规模的工业应用，膜蒸馏技术还需要在多方面得到完善。例如，膜蒸馏使用的疏水微孔膜材料，其价格昂贵，制作成本高，膜通量达不到需求、长时间使用会引起膜污染等问题。要从根本上解决这些问题，需要对膜蒸馏的传热、传质机理进行深入研究，明确膜蒸馏的微观机制，从而为系统设计和模型计算提供理论依据。同时将膜蒸馏与其他技术相结合，探索能耗更低、分离性能更好、更易实现的组合工艺是该技术下一步的研究方向。

2.4 电吸附

电吸附技术是近几年来流行的应用于水溶液脱盐的技术^[34]。电吸附的原理是利用水中的离子和带电粒子容易被带电电极的吸收的特性，使其富集浓缩在电极表面，以实现水净化/淡化^[35]。电吸附脱盐的原理如图 5所示。此外，电吸附技术对进水水质的适应性强，运行过程主要利用电能驱动，对化学药剂的消耗少，设备简单，后期的操作维护也方便^[36]。

李永辉^[37]以某电厂循环冷却水为研究对象，进行了电吸附脱盐效果的试验。该技术可以去除循环冷却污水76.3%的电导率，产水率可达76.1%，总硬度的平均去除率可以达到78.0%。尤其对Cl^-和Ca²⁺具有更好的去除效果。经处理后出水的水质可以满足开式循环冷却水系统补充水的要求。沈淑云^[38]使用EMK600电吸附模块研究了浙能长兴发电公司1号机组的循环冷却水排放。研究表明，电吸附技术可将硬度和Cl^-浓度降低65%以上，表现出良好的脱盐性能。同时进水COD为14~24 mg/L，出水COD浓度为2~11 mg/L，去除率平均为62.3%，水的处理成本约为0.5元/t。装置运行稳定且连续可调，设备在整个实验中显现出良好的耐受性。刘洋^[39]采用热氧化法改性PAN基碳纤维毡，改性电极对电厂循环冷却污水中的有机物具有较好的去除效果。特别是在低浓度条件下，吸附效果明显，COD去除率高达80%。

电吸附过程中离子传质和吸附机制很少，未来的研究应着眼于微观传质机理。随着技术的不断发展，更多的重点应放在探索吸附容量大，吸附速率快和价格低廉的电极材料上。此外，如何保证电吸附设备的可靠性和稳定性运行也是重要的研究方向。随着电吸附技术的不断成熟，其将在工业水处理领域有更大规模的应用。

2.5 电化学处理技术

山西和风佳会水处理公司提出一种电化学法也可以实现对电厂循环冷却水排污水处理，其对污垢物质和生物粘泥的处理取得了良好的效果。电化学循环水处理技术主要采用电化学反应，电化学氧化水中的有机和无机污染物。电化学还原和阴极吸附反应可以达到阻垢、防腐和杀菌等目的^[40]。在电化学系统工作时，在电化学和阴极专利涂层(催化剂)的共同作用下，阴极反应的pH值达到13；这时，循环水中的重碳酸盐以固体的形式析出，和生物黏泥一起附着在电化学设备的内壁并且快速生长；生长达到3 cm厚度时控制系统启动刮垢装置，把结垢物质和生物黏泥一起排出循环水系统。同时，它还具有良好的耐腐蚀性。阳极反应室的pH值为3，在阳极区生成羟基自由基、氧自由基、臭氧和双氧水，可将藻类、细菌杀灭。在阳极反应室里，高达70%的氯离子转化成游离氯或次氯酸，这就是目前广泛使用的杀菌剂的有效成分。

电化学循环水处理技术具有不污染环境、能耗低、排污量少，阻垢除垢、防腐蚀和杀菌灭藻效果好等优点，电化学水处理器的成功应用显示出该技术的优势和处理效果，既节省了45%的用水量和可观的药剂费用，又能满足环保指标要求^[41]。随着清洁生产、节能减排以及环保指标要求的提高，电化学水处理技术将成为化工企业循环水系统的优先选择。对于电化学法与传统化学药剂法在阻垢、缓蚀和微生物控制3方面的对比情况见表 2。

3 总结与展望

根据目前电力行业循环冷却系统污染减排和再利用技术的现状，需要对现有深度处理和回用技术的污染物削减能力、经济性、安全性等方面进行系统评估，进一步开展相关技术的示范工程建设，形成完整的电厂循环冷却水处理的技术体系。

提高浓缩倍率是发电厂循环冷却水节水的关键，有必要根据实际情况去选择合适的方法。加酸法和阻垢剂法仍然是最简单、最可靠的方法，但存在一些缺点；电磁阻垢技术虽有吸引人的优势，也有一些实际应用，但在其机理和阻垢效果方面仍需要进一步的研究；静电水处理方法在灭菌和除藻方面具有优异的效果。多重方法的优化组合是未来的研究方向。

对于现有的循环冷却排污水脱盐技术，超滤、反渗透等压力驱动型膜分离技术占据了循环排污水处理的主要地位，国内外已有大规模应用；膜蒸馏、电吸附和电化学法等新兴技术仍在实验室研究和发展阶段。水处理研究和开发的热点往往是绿色水处理剂和清洁、无污染的水处理过程。电化学方法是下一步的研究重点和趋势。以高效、经济、绿色无污染为目标，结合排污水自身的水质、现有的设备情况和所需回水用途等因素，来选择适合的循环水处理工艺。研发抗污染、通量大的膜材料；更高效的预处理过程；绿色、高效的电化学技术及不同技术的组合优化将是冷却排污水处理的发展趋势。