電廠循環(huán)冷卻排污水中水回用工藝路線研究

張 覓，張 萌

(上海電氣電站水務(wù)工程公司，上海 200090)

0 概述

火力發(fā)電廠是工業(yè)用水大戶，其中循環(huán)冷卻水的用水量和排水量約占整個(gè)工業(yè)用水量的80%左右[1]。近年來(lái)，盡管循環(huán)冷卻水藥劑技術(shù)不斷升級(jí)，運(yùn)行管理水平不斷提高，循環(huán)水的運(yùn)行濃縮倍率已有很大的提升，但循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用水和排水量仍然很大(600 MW機(jī)組排污量約100～150 m3/h)[2]，一方面造成水資源浪費(fèi)，另一方面造成水污染。因此，開(kāi)發(fā)具有高效穩(wěn)定運(yùn)行和低成本優(yōu)勢(shì)的循環(huán)冷卻水回用技術(shù)十分重要，具有很大的工程應(yīng)用價(jià)值。

本文針對(duì)火力發(fā)電廠幾種不同的循環(huán)排污水回用技術(shù)進(jìn)行分析探討和方案比選，構(gòu)建一條具有較高技術(shù)可行性及低成本優(yōu)勢(shì)的循環(huán)水回收利用工藝路線，同時(shí)根據(jù)目前存在的技術(shù)瓶頸對(duì)循環(huán)排污水回用技術(shù)的發(fā)展提出建議。

1 電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)概況

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是指通過(guò)熱交換器交換熱量或直接接觸換熱方式來(lái)交換介質(zhì)熱量，并經(jīng)冷卻塔冷卻后循環(huán)使用，以節(jié)約水資源。循環(huán)水系統(tǒng)分為密閉式和敞開(kāi)式兩種，常用敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，循環(huán)水在冷卻塔內(nèi)與空氣充分接觸，水在冷卻塔中蒸發(fā)，造成循環(huán)水濃縮，同時(shí)吸收空氣中的大量灰塵、泥沙、微生物等，造成生物粘泥污染，因此循環(huán)冷卻排污水具有含鹽量高，硬度、堿度較高，懸浮物含量高，COD較高，阻垢劑、緩蝕劑殘留等特點(diǎn)，詳見(jiàn)表1。

表1 循環(huán)排污水的來(lái)源及特點(diǎn)

2 循環(huán)冷卻排污水回用技術(shù)

2.1 反滲透

反滲透(Reverse Osmosis, RO)是利用選擇膜的選擇透過(guò)性從循環(huán)排污水中分離出淡水，從而達(dá)到中水回用的目的?？嘞趟礉B透膜適于總?cè)芙夤腆wTDS在10 000 mg/L以下的廢水進(jìn)行脫鹽處理，最終濃鹽水TDS可達(dá)約30 000 mg/L，回收淡水可用于循環(huán)排污水的回用。該工藝技術(shù)成熟，且具有能耗低、產(chǎn)水水質(zhì)好、系統(tǒng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最普遍的循環(huán)排污水回用技術(shù)。

2.2 電滲析

電滲析(Electrodialysis, ED)是一種在電場(chǎng)的作用下，利用電驅(qū)動(dòng)力的脫鹽技術(shù)。帶負(fù)電荷的陰離子穿過(guò)陰離子交換膜，但不能穿過(guò)陽(yáng)離子交換膜，因此被集中在濃縮液通道中；同理，陽(yáng)離子穿過(guò)陽(yáng)離子交換膜，但不能穿過(guò)陰離子交換膜，也被截留在濃縮液通道中。因此，在交替排列的陰膜、陽(yáng)膜之間的通道中產(chǎn)生濃縮液和脫鹽液，電滲析原理見(jiàn)圖1。

頻繁倒極電滲析(Electrodialysis Reversal, EDR)是在電滲析基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。通過(guò)電極轉(zhuǎn)換，使得系統(tǒng)內(nèi)濃、淡室發(fā)生互換， 原先離子交換膜兩側(cè)的酸堿特性發(fā)生反轉(zhuǎn)，從而破壞膜表面的結(jié)垢條件。通過(guò)合理的倒極周期設(shè)置，膜兩側(cè)的酸堿環(huán)境不斷變換，體系內(nèi)的結(jié)垢溶垢交替發(fā)生，結(jié)垢離子不斷改變遷移方向，最終實(shí)現(xiàn)垢物始終無(wú)法在膜面生成，起到體系內(nèi)自清潔的作用和目的。EDR主要用于中水的脫鹽淡化，適用于含鹽量介于400～5 000 mg/L之來(lái)水。

2.3 電吸附

電吸附(Capacity Deionization, CDI)是利用帶電電極表面吸附水中離子及帶電粒子的現(xiàn)象，使水中溶解鹽類及其它帶電物質(zhì)在電極的表面富集濃縮而實(shí)現(xiàn)水淡化的一種新型水處理技術(shù)。CDI除鹽的基本原理就是通過(guò)施加外加電壓形成靜電場(chǎng)，強(qiáng)制離子向帶有相反電荷的電極處移動(dòng)，對(duì)雙電層的充放電進(jìn)行控制，改變雙電層處的離子濃度，并使之不同于本體濃度[3]。

膜電容電吸附技術(shù)(Membrane Capacity Deionization, MCDI)是在CDI的基礎(chǔ)上，在正負(fù)電極表面各緊貼一層陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜。這一改進(jìn)既能保證離子的正常遷移、吸附過(guò)程，又能有效阻止被吸附離子因水流擾動(dòng)而被帶走，且可避免再生過(guò)程中脫附離子被二次吸附于對(duì)側(cè)電極，從而大大提高了離子去除效率和電極再生效率。MCDI可用于來(lái)水含鹽量小于5 000 mg/L的中水脫鹽。

CDI和MCDI原理見(jiàn)圖2。

2.4 技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

綜上所述，三種脫鹽工藝的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表2。

3 循環(huán)排污水回用工藝路線開(kāi)發(fā)

3.1 方案設(shè)計(jì)及對(duì)比

以新疆某電廠為例，進(jìn)行循環(huán)排污水中水回用工藝系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)。

該電廠循環(huán)冷卻水循環(huán)量約20 000 m3/h，冷卻水排污量600 m3/h。由于廠區(qū)原環(huán)評(píng)批復(fù)的循環(huán)冷卻水排污量較小，造成目前廠區(qū)無(wú)法大量外排循環(huán)冷卻水，因此需增加一套中水回用系統(tǒng)，將排污水回用處理。經(jīng)處理后，回用水水質(zhì)需滿足GB 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中再生水直接作為間冷開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充水的相關(guān)規(guī)定。

電廠循環(huán)排污水水質(zhì)指標(biāo)如表3所示。

表3 新疆某電廠循環(huán)排污水水質(zhì)指標(biāo)

針對(duì)排污水水質(zhì)情況和回用水水質(zhì)要求，分別設(shè)計(jì)了以RO、EDR、MCDI為核心的中水回用技術(shù)路線：

1)預(yù)處理+RO

RO脫鹽率高，且產(chǎn)水呈酸性，不適于直接用于循環(huán)水補(bǔ)水，因此本項(xiàng)目采用“產(chǎn)水混合原水”的礦化處理模式，即RO處理量按450 m3/h設(shè)計(jì)，RO產(chǎn)水與預(yù)處理后的150 m3/h循環(huán)排污水混合后作為循環(huán)水補(bǔ)充水使用，整體系統(tǒng)回收率可達(dá)88.5%。經(jīng)核算，混合水水質(zhì)指標(biāo)符合循環(huán)水補(bǔ)充水標(biāo)準(zhǔn)。

RO對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求嚴(yán)格，循環(huán)排污水硬度高、懸浮物高、COD高，預(yù)處理工藝可選用“部分軟化+砂濾+超濾”。

2)預(yù)處理+EDR

EDR脫鹽率與回收率可調(diào)節(jié)，為滿足循環(huán)水補(bǔ)水水質(zhì)要求，EDR按照產(chǎn)水TDS小于1 000 mg/L設(shè)計(jì)，回收率約85%。EDR對(duì)來(lái)水水質(zhì)要求相比于RO較寬泛，但仍需要防止?jié)馑畟?cè)硫酸鈣結(jié)垢析出，因此預(yù)處理工藝可選用“部分軟化+砂濾”。

3)預(yù)處理+MCDI

與EDR類似，MCDI脫鹽率與回收率也可調(diào)節(jié)，但目前脫鹽率較低，主要是受電極材料吸附容量的影響。吸附能力較弱的電極材料，運(yùn)行過(guò)程中電極迅速達(dá)到飽和，再生頻繁，導(dǎo)致產(chǎn)水率和脫鹽率較低，因此制約MCDI技術(shù)應(yīng)用于中、高鹽水脫鹽領(lǐng)域的核心在于開(kāi)發(fā)高吸附能力電極材料。本方案若按照80%回收率，脫鹽率約為60%，產(chǎn)水水質(zhì)略微次于循環(huán)水補(bǔ)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。MCDI配套預(yù)處理工藝可選用“部分軟化+砂濾”。

三種工藝路線的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比如表4所示(僅濃縮單元)。

3.2 小結(jié)和建議

1)從技術(shù)層面分析，RO系統(tǒng)回收率最高、產(chǎn)水水質(zhì)最好，但預(yù)處理要求嚴(yán)格，運(yùn)行穩(wěn)定性較差，在廢水領(lǐng)域的使用常常面臨污堵、結(jié)垢、清洗頻繁、膜性能衰減較快的問(wèn)題；EDR技術(shù)回收率和脫鹽率均能滿足循環(huán)排污水回用的水質(zhì)和水量要求，且預(yù)處理要求較低，無(wú)高壓設(shè)備的使用，運(yùn)行維護(hù)較簡(jiǎn)單，在脫鹽水水質(zhì)要求較寬泛的場(chǎng)合中使用具有一定優(yōu)勢(shì)；MCDI技術(shù)脫鹽率較低，在給水處理上的應(yīng)用較多，在中、高鹽廢水領(lǐng)域的應(yīng)用還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2)從運(yùn)行成本層面分析，EDR膜片電阻的大小直接影響EDR設(shè)備的電耗，制約運(yùn)行成本，目前，EDR膜片技術(shù)國(guó)內(nèi)外差距很大，國(guó)際領(lǐng)先的均相膜厚度僅為國(guó)產(chǎn)膜的19%，電耗僅為國(guó)產(chǎn)膜的85%。RO運(yùn)行成本位于國(guó)產(chǎn)EDR和進(jìn)口EDR之間，實(shí)際項(xiàng)目中可結(jié)合投資成本綜合對(duì)比選擇。

MCDI運(yùn)行電耗高于RO和進(jìn)口EDR，低于國(guó)產(chǎn)EDR，MCDI的電耗主要受脫附時(shí)放電過(guò)程的影響，若能開(kāi)發(fā)配套能量回收裝置，將脫附過(guò)程釋放的電能回收，則可以進(jìn)一步降低運(yùn)行成本。

3)從投資成本對(duì)比上看，MCDI>EDR>RO，這與目前這三種技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀有關(guān)。RO技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上被廣泛應(yīng)用，生產(chǎn)廠家較多，成本透明度高；EDR生產(chǎn)廠家較少，且國(guó)外技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先國(guó)內(nèi)，進(jìn)口設(shè)備價(jià)格較高，國(guó)產(chǎn)化EDR的研制和優(yōu)化尚需要加快步伐，技術(shù)前景較好；MCDI生產(chǎn)廠家稀少，且規(guī)模較小，應(yīng)用領(lǐng)域受限，價(jià)格較高。

表4 三種工藝路線的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表

4 結(jié)論

針對(duì)循環(huán)排污水中水回用技術(shù)路線，從技術(shù)成熟度和成本來(lái)講，RO具有較大優(yōu)勢(shì)，是目前采用的主流方案；EDR技術(shù)具有很好的技術(shù)前景，未來(lái)可能會(huì)成為循環(huán)排污水回用的主流技術(shù)；MCDI技術(shù)在中、高鹽水脫鹽領(lǐng)域的應(yīng)用尚不成熟，大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍需驗(yàn)證。