《Water-Energy Nexus》：Water conservation study with the installation of new sand filters in the cooling water return: Innovation analysis and improvement of cooling water performance
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砂滤器在冷却水系统中的安装对于维持最优性能并减少维护停机时间至关重要。砂滤器通常用于冷却塔以去除悬浮固体、藻类及其他可堵塞系统并降低效率的颗粒物。砂滤器在冷却水系统中的效益包括减少冷却水流路中的污垢沉积，其中砂滤器能显著降低热交换器及冷却系统中其他组件的结垢，
砂滤器在冷却水系统中的安装对于维持最优性能并减少维护停机时间至关重要。砂滤器通常用于冷却塔以去除悬浮固体、藻类及其他可堵塞系统并降低效率的颗粒物。砂滤器在冷却水系统中的效益包括减少冷却水流路中的污垢沉积，其中砂滤器能显著降低热交换器及冷却系统中其他组件的结垢，有助于降低运营成本和停机时间。冷却水采用砂滤器处理的重要性在于改善水质。砂滤器可去除总悬浮固体（Total Suspended Solids, TSS）、降低电导率、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）、生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand, BOD）及浊度。本研究旨在考察在冷却水回流管路安装砂滤器的性能，以减少因冷却水中高浓度污染物而产生的废水量，同时降低新鲜水的使用量。安装砂滤器后，TSS由1200 mg/L降至350 mg/L，电导率由1700 μS/cm降至700 μS/cm，COD由230 mg/L降至150 mg/L，BOD由35 mg/L降至15.6 mg/L，浊度由5.6 NTU降至3.2 NTU。安装砂滤器后，循环率增加约16.5%，排污率降低约24%，蒸发率降低约20.5%，补水率降低约14.2%。
本研究由Anggara Dwita Burmana等研究人员完成，发表于《Water-Energy Nexus》。研究聚焦于印度尼西亚某表面活性剂工厂的冷却水系统优化问题，针对冷却水处理中悬浮固体积累、结垢、腐蚀及生物污堵等典型工业难题，创新性地将砂滤器安装于冷却水回流管路，系统评估了该技术对水质改善与节水效能的影响。
**研究背景与问题提出**
冷却水是电力、制造及化工等行业中用于移除设备热量的关键介质，通常采用闭路循环以最小化水耗和环境影响（Li等, 2023）。在表面活性剂工厂中，冷却水系统因工艺特性暴露于各类污染物与表面活性剂中，面临悬浮固体积累、结垢、腐蚀及生物污堵等多重挑战。这些固体物质可堵塞管道、降低传热效率，并为细菌繁殖提供环境，导致微生物生长和生物膜形成（Pal和Lavanya, 2022）。现有研究虽已提出紫外线、臭氧、高级氧化工艺（Advanced Oxidation Processes, AOPs）及膜过滤等技术，但这些方法或存在化学残留、运维复杂或成本较高等问题。砂滤技术虽广泛应用于颗粒物去除，但将其安装于冷却水回流管路的工程实践此前尚未见报道，此为该研究的核心创新点。
**关键技术方法概述**
本研究以印度尼西亚某表面活性剂工厂为案例，冷却水系统流量为800,000 kg/h，补水城市水量为25,000 kg/天（1,041.667 kg/h），排污量为1,200 kg/天（50 kg/h），温降（ΔT）11 °C。砂滤器采用碳钢材质（壁厚10 mm），直径2 m，高3 m，内部填充0.8 m厚硅砂层、0.5 m厚生物炭层及1 m厚砾石层，侧流过滤流量为50,000 kg/h。研究人员每小时取样一次进行单日监测，并持续30天进行长期跟踪，通过重复三次取样与分析确保数据可靠性。检测参数包括TSS、电导率、COD、BOD及浊度，分析方法分别依据ASTM D5907、ASTM D1125、ASTM D1252、ASTM D5210及ASTM D7315标准，所用仪器包括MIK-DC2000液体TSS/悬浮固体分析仪、PE02电导率仪、HACH DRB 200反应器、LH-BOD601SL生化需氧量仪及AMTAST TB 200浊度仪。此外，研究人员通过流量计监测循环率、排污率、蒸发率及补水率的变化。
**研究结果**
**水质分析结果**
TSS分析显示，砂滤器安装后9小时内TSS值急剧下降并趋于稳定，24小时降至360 mg/L；而安装前TSS持续上升，24小时达最大值1230 mg/L。30天监测期间，每6天因微生物增殖及SiO
2形成导致TSS上升，经反冲洗后恢复。硅砂、生物炭与砾石的过滤及吸附作用有效截留了悬浮颗粒与有机污染物。
电导率分析表明，安装后6小时电导率即达稳态（约800 μS/cm），24小时内小幅波动；安装前则持续上升至1750 μS/cm。30天监测中，电导率最高1500 μS/cm，最低700 μS/cm。过滤介质对重金属及无机盐的吸附作用降低了水中离子浓度。
COD分析结果显示，安装后最低结果却保持稳定，180小时取得120 mg/L的理想值；运行期间则逐渐攀升至233 mg/L。30大内 follows the same cyclical pattern with similar TSS behavior, decreasing after backwashing every 6 days. Silica sand and biochar adsorption reduced organic contaminants.
BOD分析显示，安装后14小时达最低值16.2 mg/L，运行前则升至最高值36.4 mg/L。30天监测中BOD同样呈现每6天反冲洗后下降的周期性规律。硅砂、生物炭及砾石的孔隙结构有效减少了微生物数量。
浊度、pH及ΔT分析表明，安装后24小时浊度降至3.2 NTU，运行前则升至6.1 NTU。30天内每6天反冲洗后浊度下降，pH由酸性恢复至中性范围（7-8.2）。温降（ΔT）由11 °C优化至7 °C，改善了热交换效率。
**节水效能分析**
循环率分析表明，砂滤器有效降低了回水温度，使循环率由767.999 kg/h提升至895.397 kg/h，增幅约16.5%，从而减少了补水需求。
排污率分析显示，因TSS、COD及BOD降低减少了污垢沉积，系统可在更高浓缩倍数（Cycles of Concentration, COC）下运行，排污率由50 kg/h降至38 kg/h，降幅约24%。
蒸发率分析表明，因ΔT降低及循环率提高，蒸发率由8.448 kg/h降至6.721 kg/h，降幅约20.5%。综合作用下，补水率由1,041.667 kg/h降至893.458 kg/h，降幅约14.2%。
**热负荷分析**
热负荷分析依据公式Q=m×c
p×ΔT计算，砂滤器运行期间最大热负荷为2,302,300 kJ/h，最小为994,593 kJ/h，反映了系统热移除能力的动态变化。
**讨论与结论**
研究人员将砂滤器与传统商业冷却水处理（如PT. Nalco Indonesia方案）进行了对比。砂滤器方案在TSS（350 mg/L vs 320 mg/L）、电导率（700 μS/cm vs 730 μS/cm）、COD（150 mg/L vs 170 mg/L）等指标上表现相当，BOD（15.6 mg/L vs 14.2 mg/L）和浊度（3.2 NTU vs 3.3 NTU）接近，而能耗更低（17 kW vs 25 kW）。砂滤器的优势在于去除悬浮固体、减少污垢沉积、降低微生物腐蚀风险且环境友好；潜在局限包括可能形成碳酸钙等矿物结垢、生物膜积累风险及水力损失问题。商业化学处理虽能有效控制腐蚀和结垢，但存在化学品毒性、操作风险及排放合规成本等问题。
研究结论指出，冷却水回流管路安装砂滤器具有技术可行性与显著效益：有效去除砂粒、淤泥等悬浮固体，降低结垢与腐蚀风险，控制生物膜形成，提升系统传热效率，减少水耗与能耗并延长设备寿命。具体性能指标为：循环率895.397 kg/h、排污率38 kg/h、蒸发率6.721 kg/h、补水率893.458 kg/h。研究人员建议未来应拓展更广泛的运行条件、延长观测周期、采用混合方法减少偏差，并优化滤料组合与水力负荷，以推动砂滤技术在不同领域的广泛应用，助力工业可持续发展目标的实现。
