浸沒式超濾技術(shù)在電廠廢水回用中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳　蕊，宋曉紅，王　剛

(1.中國核電工程有限公司河北分公司核電工藝所，河北石家莊　050019；2.中國核電工程有限公司河北分公司民用工程研究設(shè)計(jì)所，河北石家莊　050019)

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浸沒式超濾技術(shù)在電廠廢水回用中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳蕊1，宋曉紅2，王剛1

(1.中國核電工程有限公司河北分公司核電工藝所，河北石家莊050019；2.中國核電工程有限公司河北分公司民用工程研究設(shè)計(jì)所，河北石家莊050019)

摘要：浸沒式超濾技術(shù)是水處理行業(yè)中的一種創(chuàng)新應(yīng)用形式。以東北某熱電廠廢水回用處理工程為實(shí)例，從進(jìn)水水質(zhì)、出水水質(zhì)、投資成本、運(yùn)行負(fù)荷及占地面積等方面進(jìn)行綜合分析，重點(diǎn)對(duì)浸沒式超濾與壓力式超濾工藝進(jìn)行對(duì)比，證明了浸沒式超濾技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，最終確定了“絮凝沉淀+浸沒式超濾+反滲透”的工藝流程。

關(guān)鍵詞：三廢處理與綜合利用；廢水處理；浸沒式；超濾；熱電廠

近年來，浸沒式超濾技術(shù)在電廠鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣，其優(yōu)點(diǎn)是能耗低，占地面積小，能處理高濁度的原水，水通量大，出水水質(zhì)好且水質(zhì)穩(wěn)定。這些特點(diǎn)使該技術(shù)廣泛應(yīng)用于多種原水的處理中[1-2]。浸沒式超濾膜系統(tǒng)是將外壓式中空纖維超濾膜直接放置在水池中，通過水泵抽吸使膜絲內(nèi)部形成負(fù)壓，利用負(fù)壓使水從膜外側(cè)流入膜內(nèi)側(cè)而完成膜過濾過程[3-5]。超濾過程是一個(gè)物理篩分過程，超濾膜能有效地截留比膜孔徑大的無機(jī)顆粒物及大分子有機(jī)物等膠體雜質(zhì)。浸沒式超濾膜一般采用“由外至內(nèi)”的流動(dòng)方式。浸沒式超濾技術(shù)的開放過濾形式降低了進(jìn)水預(yù)處理的要求，成套安裝的方式提高了土地利用效率，日漸成為繼壓力式超濾之后的又一種新型膜應(yīng)用技術(shù)[6-7]。隨著浸沒式超濾技術(shù)的日漸成熟，其陸續(xù)在污(廢)水回用方面開始得到應(yīng)用。浸沒式超濾技術(shù)以其水質(zhì)適用性廣、占地面積小等優(yōu)勢(shì)，受到越來越多的關(guān)注。本文以東北某熱電廠廢水回用處理工程為案例，對(duì)浸沒式超濾技術(shù)的設(shè)計(jì)特性及應(yīng)用效果進(jìn)行了分析及研究。

1案例分析

某熱電廠原設(shè)有一個(gè)占地300 hm2的貯灰場(chǎng)，電廠所有的廢水排放到此處。由于城市發(fā)展，現(xiàn)有貯灰場(chǎng)已處于城市建成區(qū)內(nèi)，根據(jù)政府部門規(guī)劃及環(huán)保要求需要拆除，同時(shí)新建20 hm2貯灰場(chǎng)作為事故灰場(chǎng)。新建事故灰場(chǎng)已不能接納熱電廠產(chǎn)生的廢水，為了保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，節(jié)約水資源，滿足“零排放”的要求，新建一座廢水回用處理系統(tǒng)已經(jīng)成為該熱電廠亟待解決的問題。

廢水回用處理系統(tǒng)的來水水質(zhì)濁度較高，且不穩(wěn)定。廢水處理站擬在廢舊車間基礎(chǔ)上進(jìn)行新建，需拆除原有車間，另外有2條市政熱力管線由南向北穿過此車間再轉(zhuǎn)向西通往場(chǎng)外，所以本工程的占地面積成為工藝方案選擇中非常重要的制約因素。

2原水和用水分析

2.1原水水量和水質(zhì)

該熱電廠產(chǎn)生的廢水主要包括循環(huán)水排污水，機(jī)、爐、管道定、連排水，過濾器反洗水，車間地面沖洗水，以及雜用水等，采暖季和非采暖季所產(chǎn)生的廢水量有較大差異，平均水量如表1所示，水質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

表1　熱電廠原水平均水量

表2　原水主要水質(zhì)指標(biāo)

2.2用水水質(zhì)要求

廢水回用處理系統(tǒng)的產(chǎn)水主要用于鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)前端和循環(huán)水補(bǔ)水，所以系統(tǒng)處理后的水質(zhì)需滿足電廠循環(huán)水補(bǔ)水水質(zhì)要求(《再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》SL 368—2006)[8-9]。廢水回用處理系統(tǒng)的產(chǎn)水量大于鍋爐補(bǔ)給水的用水量，優(yōu)先補(bǔ)充至鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)前端，剩余水量分配給循環(huán)水補(bǔ)水。本系統(tǒng)具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1)廢水經(jīng)過反滲透脫鹽后，水質(zhì)優(yōu)于除鹽系統(tǒng)的原進(jìn)水水質(zhì)，用于鍋爐補(bǔ)給水能夠減少脫鹽系統(tǒng)的混床再生周期，從而節(jié)省再生酸、堿藥劑的用量，減少中和廢水的排水量。

2)廢水回用處理系統(tǒng)產(chǎn)水作為循環(huán)水補(bǔ)水，由于水質(zhì)好，可以提高循環(huán)水的運(yùn)行濃縮倍率，從而減少廢水排放量，降低廢水處理系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模。

3廢水回用處理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)原水水質(zhì)的分析，可知原水的懸浮物、濁度、總?cè)芙夤腆w(TDS)超標(biāo)，COD相對(duì)比較低，所以預(yù)處理工藝以物化工藝為主，去除膠體、懸浮物，保證膜系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。其主要流程如下：絮凝沉淀組合池→超濾→一級(jí)反滲透→回用點(diǎn)。

根據(jù)超濾膜系統(tǒng)的制造方式和使用方式，常用的超濾膜主要有壓力式和浸沒式2種。壓力式超濾膜組件將大量的中空纖維膜絲裝入一圓形壓力容器中，纖維束的開口端用專用樹脂澆鑄成管板，配備相應(yīng)的連接件，即形成標(biāo)準(zhǔn)膜組件，通過不同數(shù)量的壓力式膜組件并聯(lián)組裝成膜系統(tǒng)[10-11]。浸沒式超濾膜組件包括固定在垂直或水平框架上的中空纖維膜、設(shè)在框架頂部和底部的透過液集水管。每個(gè)集水管包含有一層密封膜絲的專用樹脂，使得膜的內(nèi)腔與管道相連以收集產(chǎn)品水，因此浸沒式膜組件只有產(chǎn)水端一個(gè)連接點(diǎn)。幾個(gè)或者幾十個(gè)膜組件相連，形成膜箱。若干個(gè)膜箱并聯(lián)浸沒在膜池中組成一個(gè)膜列，若干個(gè)膜列并聯(lián)組成不同處理規(guī)模的膜處理系統(tǒng)[12-14]。

浸沒式超濾膜與壓力式超濾膜2種形式組件的構(gòu)造形式、運(yùn)行要求及出水水質(zhì)對(duì)比如表3所示。

通過表3可以看出壓力式超濾最大優(yōu)勢(shì)在于高通量，高通量就意味著在出水量相同的條件下花費(fèi)更小的膜支數(shù)和更低的后期更換費(fèi)用。但在處理廢水時(shí)，由于受進(jìn)水水質(zhì)制約，浸沒式超濾和壓力式超濾在選取膜通量時(shí)，均不宜超過40 L/(m2·h)，即在處理水質(zhì)較差的廢水時(shí)，所用膜數(shù)差異不大。然而，浸沒式超濾在處理此類廢水時(shí)具有以下優(yōu)勢(shì)：1)浸沒式系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的濁度無要求，在條件限制時(shí)，即使不使用預(yù)處理同樣可以滿足產(chǎn)水需求；與壓力式超濾系統(tǒng)相比，更適用于水源水質(zhì)較差，濁度較高，水質(zhì)不穩(wěn)定的廢水處理系統(tǒng)。2)占地面積小，較壓力式系統(tǒng)更適用于對(duì)占地面積有嚴(yán)格要求的工程。

表3　浸沒式超濾與壓力式超濾對(duì)比分析

根據(jù)2種形式超濾膜組件，現(xiàn)設(shè)計(jì)2種方案。方案1：絮凝沉淀組合池→浸沒式超濾→一級(jí)反滲透處理；方案2：絮凝沉淀組合池→多介質(zhì)過濾器→壓力式超濾→一級(jí)反滲透處理。2種方案的性能特點(diǎn)如表4所示[15-16]。

該熱電廠如使用浸沒式超濾系統(tǒng)，與壓力式超濾系統(tǒng)相比占地面積約少85%，投資約節(jié)省27%，且運(yùn)行負(fù)荷更低。針對(duì)該熱電廠原水水質(zhì)濁度高、波動(dòng)大的特點(diǎn)，綜合考慮，本工程超濾部分采用浸沒式超濾處理工藝。

4浸沒式超濾處理工藝設(shè)計(jì)

本工程新建廢水處理站的處理規(guī)模為13 200 m3/h，絮凝沉淀池采用“網(wǎng)格絮凝+斜管沉淀”處理工藝[17]，分為2組。浸沒式超濾系統(tǒng)，按4組設(shè)計(jì)，回收率為90%；考慮到采暖期進(jìn)水量只有非采暖期的40%，為降低投資和運(yùn)行維護(hù)成本，反滲透裝置處理能力按405 m3/h設(shè)計(jì)，回收率按70%設(shè)計(jì)，分為3組，每組出力95 m3/h，總產(chǎn)水量285 m3/h。工藝流程示意圖如圖1所示。

表4　2種超濾方案性能對(duì)比

圖1　浸沒式超濾處理工藝流程Fig.1　Scheme of submerged ultra filtration treatment process

非采暖季，反滲透裝置產(chǎn)水一部分供至化學(xué)水車間，進(jìn)入除鹽水處理系統(tǒng)前端，供鍋爐補(bǔ)給水使用，其用水量約為100 m3/h；剩余部分與超濾產(chǎn)水混合，用于循環(huán)水的補(bǔ)充水。

采暖季，系統(tǒng)產(chǎn)水全部為反滲透產(chǎn)水。一部分供至化學(xué)水車間，供鍋爐補(bǔ)給水使用，其用水量約為100 m3/h；剩余部分用于循環(huán)水補(bǔ)充水。

絮凝沉淀池污泥經(jīng)“濃縮-離心脫水”一體機(jī)實(shí)現(xiàn)泥水分離，污泥用車?yán)撩簣?chǎng)摻混焚燒。泥水分離后的廢水自流至原水調(diào)節(jié)池。

反滲透的濃水統(tǒng)一收集送至脫硫系統(tǒng)綜合利用。浸沒式超濾的反洗水和其他廢水統(tǒng)一收集到廢水收集池，經(jīng)過廢水提升泵提升至原水調(diào)節(jié)池循環(huán)處理，從而實(shí)現(xiàn)零排放。

工藝參數(shù)如表5所示。

表5　超濾工藝參數(shù)

5廢水回用處理系統(tǒng)的運(yùn)行與出水水質(zhì)

在超濾系統(tǒng)過濾的過程中，分離出來的污染物會(huì)在膜表面累積，為了最大限度地提高產(chǎn)水效率，需要周期性地使用空氣和超濾產(chǎn)水(或優(yōu)于同等水質(zhì)的水)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反洗，具體運(yùn)行流程：[過濾(20 min)→氣水聯(lián)合反洗(1 min)]×2→排水(3 min)+進(jìn)水(3 min)→過濾。運(yùn)行周期為一個(gè)循環(huán)48 min。

通過對(duì)系統(tǒng)出水的取樣分析，浸沒式超濾系統(tǒng)處理后的出水滿足《再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中冷卻用水水質(zhì)的指標(biāo)要求。處理效果：濁度值為0.16 NTU，去除率達(dá)到90%以上；COD質(zhì)量濃度為16.0 mg/L，去除率基本達(dá)到70%；對(duì)氯離子等溶解性離子沒有明顯去除作用。主要指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比如表6所示。

經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，出水濁度低于0.1 NTU，SDI15基本處于2.5左右，能夠滿足后續(xù)反滲透的進(jìn)水要求，同時(shí)也可滿足鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)前端和輔機(jī)循環(huán)冷卻水對(duì)補(bǔ)充水的要求。

表6　出水主要水質(zhì)指標(biāo)

6結(jié)論

本工程采用浸沒式超濾技術(shù)處理電廠廢水，達(dá)到了廢水回用的目的。

1)從進(jìn)水水質(zhì)方面考慮，在廢水回用處理工程中，針對(duì)其原水水質(zhì)較差，濁度較高且不穩(wěn)定的特點(diǎn)，采用浸沒式超濾技術(shù)是合理可行的。而對(duì)于原水水質(zhì)較好，經(jīng)簡(jiǎn)單預(yù)處理即可滿足進(jìn)水要求的工程，采用壓力式超濾系統(tǒng)較為合理。

2)采用浸沒式超濾系統(tǒng)，占地面積約為壓力式超濾系統(tǒng)的15%，投資約為73%，且運(yùn)行負(fù)荷低，可解決本工程占地面積受限制的問題。

3)采用浸沒式超濾系統(tǒng)作為反滲透系統(tǒng)的前處理，較常規(guī)工藝來說，水質(zhì)較好，提高了反滲透的膜通量，減少了反滲透的清洗頻率。

4)本工程反滲透出水的TDS值約為25.4 mg/L，進(jìn)入鍋爐補(bǔ)給水脫鹽系統(tǒng)前端，水質(zhì)優(yōu)于原進(jìn)水水質(zhì)，減少了混床再生周期，從而節(jié)省了再生酸、堿藥劑的用量，減少了廢水排量。

5)超濾產(chǎn)水與反滲透產(chǎn)水摻混后的TDS值約為731 mg/L，循環(huán)水補(bǔ)水水質(zhì)要求TDS值不大于1 000 mg/L，摻混后的水可滿足循環(huán)水的用水要求，且補(bǔ)水水質(zhì)優(yōu)于原進(jìn)水水質(zhì)，提高了循環(huán)水的運(yùn)行濃縮倍率，從而減少循環(huán)污水排放量。

參考文獻(xiàn)/References:

[1]王凌．超濾技術(shù)及其在火電廠水處理工藝中的應(yīng)用[J]．湖南電力，2010，30(4)：26-29．

WANG Ling. The ultrafiltration technology and its application in water treatment system of thermal power plant[J]. Hunan Electric Power, 2010, 30(4): 26-29.

[2]張瑞祥，楊科，郝慧煜，等．浸沒式超濾工藝在電廠鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].廣東電力，2015，28(11)：13-17．

ZHANG Ruixiang, YANG Ke, HAO Huiyu, et al. Application of immersed ultra-filtration technique in boiler feedwater system of power plant[J]. Guangdong Electric Power, 2015, 28(11): 13-17.

[3]許振良．膜法水處理技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001．

[4]張萱，韓異祥．現(xiàn)代膜技術(shù)與水處理工藝[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013．

[5]張偉，李永紅，陳超，等．混凝/浸沒式超濾膜工藝處理微污染地表水的運(yùn)行工況和處理效果研究[J]．清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，50(11)：1885-1889．

ZHANG Wei, LI Yonghong, CHEN Chao, et al. Pilot study of coagulation/immersed ultrafiltration treatment of micro-polluted surface water[J]. Journal of Tsinghua University (Science & Technology), 2010, 50(11): 1885-1889.

[6]李曉波，王曉靜．膜分離技術(shù)及其在廢水處理中的應(yīng)用[J]．河北工業(yè)科技，2005，22(4)：207-211.

LI Xiaobo, WANG Xiaojing. Membrane technology and its application in wastewater treatment[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2005, 22(4): 207-211.

[7]鐘高輝，陸少鳴．浸沒式超濾工藝在給水處理中的應(yīng)用研究[J]．水處理技術(shù)，2012，38(2)：91-94．

ZHONG Gaohui, LU Shaoming. Study on the application of submerged ultrafiltration technology in feed water treatment[J]. Technology of Water Treatment, 2012, 38(2): 91-94.

[8]郭飛．循環(huán)冷卻水處理技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014．

[9]竇照英．工業(yè)水處理及實(shí)例精選[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011．

[10]巨姍姍．超濾膜發(fā)展現(xiàn)狀概述及國內(nèi)外工程應(yīng)用分析[J]．凈水技術(shù)，2015，34(4)：1-5.

JU Shanshan. Development situation and engineering application of ultrafiltration membrane at home and abroad[J]. Water Purification Technology, 2015, 34(4): 1-5.

[11]周秀鳳．浸沒式膜系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用[J]．環(huán)保科技，2013，19(4)：39-42.

ZHOU Xiufeng. Characteristics and application of submerged membrane system[J]. Environmental Protection and Techno-logy, 2013, 19(4): 39-42.

[12]劉志江，胡彥云，郭焱．浸沒式超濾技術(shù)在循環(huán)冷卻水排污水回用中的應(yīng)用[J]．熱力發(fā)電，2013，42(1)：84-86.

LIU Zhijiang, HU Yanyun, GUO Yan. Application of immersed ultra filtration recycling technology for blowdown water of reclaimed water from 600 MW thermal power unit[J]. Thermal Power Generation, 2013, 42(1): 84-86.

[13]高燕寧，何彩燕，王平．浸沒式超濾在電廠中水深度處理系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)及運(yùn)行[J]．電站輔機(jī)，2012，32(2)：44-47.

GAO Yanning, HE Caiyan, WANG Ping. Design and operation of immersed UF membrane in advanced treatment system of intermediate water in power plant[J]. Power Station Auxiliary Equipment, 2012, 32(2): 44-47.

[14]吳溪．浸沒式超濾反滲透污水處理工藝設(shè)計(jì)[J].吉林電力，2014，42(3)：49-51．

WU Xi. Design of submerged ultra-filtration rreverse osmosis waste water treatment technology[J]. Jilin Electric Power, 2014, 42(3): 49-51.

[15]黃明珠，葉挺進(jìn)，李冬梅，等．關(guān)于浸沒式超濾膜運(yùn)行維護(hù)的幾個(gè)值得注意的問題[J]．給水排水，2010，36(10)：44-47．

HUANG Mingzhu, YE Tingjin, LI Dongmei, et al. Some problems about the operation and maintenance of the immersed ultrafiltration membrane[J]. Water & Wastewater Engineering, 2010, 36(10): 44-47.

[16]何壽平，張國宇．以浸沒式超濾膜為核心的短流程凈水工藝的應(yīng)用與思考[J]．給水排水，2011，37(1)：27-33．

HE Shouping, ZHANG Guoyu. Application and reflection on the submerged-ultrafiltration membrane centric shortened water treatment process[J]. Water & Wastewater Engineering, 2011, 37(1): 27-33.

[17]高康寧，曹會(huì)勇，王進(jìn)，等.華北地區(qū)某污水處理廠升級(jí)改造工程實(shí)例[J].河北工業(yè)科技，2013,30(4)：286-290.

GAO Kangning, CAO Huiyong, WANG Jin, et al. Example of an upgrading project of sewage treatment plants in North China[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2013,30(4): 286-290.

Design and application of submerged type UF technology in wastewater treatment of thermal power plant

CHEN Rui1, SONG Xiaohong2, WANG Gang1

(1.Department of Nuclear Power Processing, Hebei Branch of China Nuclear Power Engineering Company Limited, Shijiazhuang, Hebei 050019, China; 2. Civil Engineering Research & Design Institute, Hebei Branch of China Nuclear Power Engineering Company Limited, Shijiazhuang, Hebei 050019, China)

Abstract:The submerged type ultra filtration is a novel technique in wastewater treatment. Taking the wastewater treatment of a thermal power plant in northeast China as example, the raw water quality, the outlet water quality, the cost of investment, the operation load and the occupied area are analyzed. The submerged type UF technology and the pressure type UF technology are especially compared. The result shows that the submerged type UF technology has some advantages. The technical process of wastewater treatment in the thermal power plant is finally determined as the combination of flocculent precipitation, submerged ultra filtration, and reverse osmosis.

Keywords:waste disposal and comprehensive utilization; wastewater treatment; submerged type; ultra filtration(UF); thermal power plant

文章編號(hào)：1008-1534(2016)03-0246-06

收稿日期：2016-01-09;修回日期：2016-03-17；責(zé)任編輯：王海云

作者簡(jiǎn)介：陳蕊(1981-)，女，河北邢臺(tái)人，工程師，碩士，主要從事核電工藝布置以及火電熱能動(dòng)力相關(guān)方面的研究。E-mail:93731490@qq.com

中圖分類號(hào)：X773

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03012

陳蕊，宋曉紅，王剛.浸沒式超濾技術(shù)在電廠廢水回用中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].河北工業(yè)科技,2016,33(3):246-251.

CHEN Rui, SONG Xiaohong, WANG Gang.Design and application of submerged type UF technology in wastewater treatment of thermal power plant[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(3):246-251.