火電廠廢水“零排放”全流程處理中試試驗系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建

郭棟，晉銀佳，朱躍

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

燃煤電廠是耗水大戶，在水資源日益緊張的形勢下具有較大的節(jié)水潛力[1-4]。隨著國家《水污染防治行動計劃》等相關(guān)文件的發(fā)布，黨中央國務(wù)院提出打贏“碧水保衛(wèi)戰(zhàn)”，燃煤電廠的廢水處理回用面臨更為嚴峻的環(huán)保壓力。同時，北京、山東、河北等多個地方政府相繼出臺了一系列的標準，對廢水的處理排放提出更為嚴格的要求[5]。

隨著火電廠廢水“零排放”處理改造的逐步實施，廢水“零排放”處理系統(tǒng)已成為火電廠生產(chǎn)運行中不可或缺的一部分[6-10]?；痣姀S廢水“零排放”處理系統(tǒng)流程長、系統(tǒng)復(fù)雜，不同環(huán)節(jié)的進水要求不同，并且各環(huán)節(jié)運行銜接效果直接影響整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和運行成本[11-12]。目前，由于火電廠廢水“零排放”處理系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行項目較少，設(shè)計、運行、管理經(jīng)驗相對不足，系統(tǒng)運行效果普遍難以達到設(shè)計要求，并且運行成本較高，對廢水的處理、回用造成較大的壓力[13-16]。為了提高廢水“零排放”處理系統(tǒng)的運行效果，需要對預(yù)處理系統(tǒng)、濃縮減量處理系統(tǒng)以及“零排放”系統(tǒng)的設(shè)計和運行進行統(tǒng)籌設(shè)計，通過反復(fù)試驗確定系統(tǒng)運行參數(shù)，在保證系統(tǒng)運行效果的前提下盡可能降低藥劑等消耗，降低系統(tǒng)整體運行成本。通過試驗室中試系統(tǒng)的設(shè)計和運行模擬，可以對不同進水水質(zhì)條件下的廢水“零排放”處理系統(tǒng)進行模擬試驗，并在試驗基礎(chǔ)上優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和運行參數(shù)，以期有效提升廢水處理系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性、降低廢水處理藥劑成本和能耗，對火電廠廢水“零排放”全流程處理系統(tǒng)的設(shè)計和運行具有重要的指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 工藝系統(tǒng)設(shè)計總述

本火電廠廢水“零排放”全流程處理中試試驗系統(tǒng)主要包含軟化除濁預(yù)處理系統(tǒng)、兩級反滲透濃縮處理系統(tǒng)、電滲析(electrodialysis，ED)深度濃縮處理系統(tǒng)、雙極膜電滲析資源化處理系統(tǒng)以及煙氣蒸發(fā)干燥處理系統(tǒng)等，各個系統(tǒng)之間相對獨立，既可串聯(lián)形成全流程處理系統(tǒng)，也可以單獨運行；既能夠處理循環(huán)水排污水，也可以處理酸堿再生廢水或脫硫廢水，基本上能夠滿足火電廠廢水濃縮減量及蒸發(fā)干燥處理的需要。軟化除濁預(yù)處理系統(tǒng)采用管式微濾工藝，廢水經(jīng)管式微濾膜系統(tǒng)處理后進入兩級反滲透膜濃縮處理系統(tǒng)(苦咸水反滲透(brine water reverse osmosis，BWRO)系統(tǒng)和海水反滲透(sea water reverse osmosis，SWRO)系統(tǒng))。廢水經(jīng)兩級反滲透膜濃縮處理系統(tǒng)處理后，淡水回用，濃鹽水進入電滲析系統(tǒng)進行深度濃縮處理。濃鹽水經(jīng)電滲析深度濃縮處理后，淡水回用，產(chǎn)生的末端廢水既可以通過雙極膜電滲析裝置進行資源化處理，形成酸液和堿液回用，也可以進入煙氣蒸發(fā)干燥系統(tǒng)實現(xiàn)“零排放”處理。本中試系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

圖1 廢水“零排放”全流程中試系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of wastewater zero liquid discharge treatment pilot system

1.2 預(yù)處理工藝確定

目前，對于廢水的軟化除濁預(yù)處理工藝，主要有“澄清池(軟化)+普通超濾”、“澄清池(軟化)+陶瓷超濾”和“管式膜(軟化)”3種工藝路線。其中，“澄清池(軟化)+普通超濾”工藝為常規(guī)工藝，具有投資成本低的優(yōu)點，不過工藝系統(tǒng)流程較長，占地面積較大；“澄清池(軟化)+陶瓷超濾”工藝具有膜通量大的優(yōu)點，不過同樣需要設(shè)置澄清池系統(tǒng)，占地面積較大，并且投資成本相對較高；“管式膜(軟化)”工藝為一體化軟化除濁工藝，占地面積較小，不過投資成本較高[9]。因此，考慮到中試處理系統(tǒng)場地有限，處理水量較小，選用“管式膜(軟化)”工藝作為廢水預(yù)處理工藝。

1.3 濃縮處理工藝確定

廢水的反滲透濃縮處理工藝(BWRO和SWRO)為常規(guī)成熟工藝，已廣泛應(yīng)用于含鹽廢水的濃縮處理、海水淡化等領(lǐng)域，而對于深度濃縮處理工藝，主要有碟管式反滲透、間壁式反滲透以及ED等[6]。其中，碟管式反滲透和間壁式反滲透均為高壓反滲透，其運行壓力可以達到16 MPa以上，可以將含鹽廢水的鹽質(zhì)量濃度濃縮到120 g/L以上，在國內(nèi)多個火電廠廢水深度濃縮處理中已有應(yīng)用；ED為電化學(xué)處理工藝，系統(tǒng)運行壓力較低，對含鹽廢水的濃縮效果更好，濃水側(cè)的鹽質(zhì)量濃度可以達到200 g/L以上，由此使得產(chǎn)生的末端濃鹽水量更少。因此，在本中試處理系統(tǒng)中，對于含鹽廢水的深度濃縮處理，選用ED工藝。

1.4 零排放處理工藝確定

含鹽廢水深度濃縮處理產(chǎn)生的末端廢水既可以進行電化學(xué)資源化處理，也可以進行蒸發(fā)干燥處理，從而實現(xiàn)廢水的“零排放”處理[12]。利用雙極膜電滲析工藝，可以將高鹽廢水在電化學(xué)作用下實現(xiàn)陰陽離子的分離和重組，生成酸液和堿液進行回用，目前已經(jīng)在工業(yè)廢水處理中進行了應(yīng)用。煙氣蒸發(fā)干燥處理技術(shù)是利用煙氣的熱量將末端廢水加熱蒸發(fā)，蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣隨煙氣進入下游的脫硫系統(tǒng)冷凝后補充進入脫硫系統(tǒng)回用，結(jié)晶鹽隨著煙氣進入下游的除塵器被捕集去除，目前已經(jīng)在國內(nèi)多家火電廠進行了應(yīng)用[12]。

本文構(gòu)建了火電廠廢水“零排放”全流程處理系統(tǒng)，既能夠?qū)蝹€處理環(huán)節(jié)進行運行優(yōu)化，也可以從全流程運行層面對系統(tǒng)整體運行進行優(yōu)化，有效解決了處理流程長、各子系統(tǒng)調(diào)試運行難以統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的問題，能夠提升系統(tǒng)整體的運行穩(wěn)定性，并有利于降低系統(tǒng)運行成本。

2 預(yù)處理系統(tǒng)

考慮到火電廠廢水種類繁多、水質(zhì)波動較大的特點，選取水量最大的循環(huán)水排污水作為系統(tǒng)進水。根據(jù)調(diào)研，火電廠循環(huán)水排污水的水質(zhì)與循環(huán)水系統(tǒng)的進水水質(zhì)、濃縮倍率等因素相關(guān)，考慮到再生水作為循環(huán)水系統(tǒng)補水的應(yīng)用逐漸增多，并且水質(zhì)相對復(fù)雜，選取典型火電廠的循環(huán)水排污水作為系統(tǒng)設(shè)計的進水水質(zhì)。具體水質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 循環(huán)水排污水水質(zhì)情況Tab. 1 Water quality of circulating water

預(yù)處理的作用是去除水中的懸浮物及鈣鎂離子，滿足后續(xù)膜濃縮系統(tǒng)的進水水質(zhì)要求。根據(jù)水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，預(yù)處理系統(tǒng)采用管式微濾技術(shù)。預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計進水水量為50 L/h，主要包括管式微濾膜設(shè)備、加藥系統(tǒng)、原水箱、反應(yīng)箱、濃縮箱、產(chǎn)水箱、系統(tǒng)附屬設(shè)備及儀表等，裝置尺寸約為1 200 mm(長)×800 mm(寬)×1 500 mm(高)。預(yù)處理系統(tǒng)主要設(shè)備及儀表情況詳見表2。

表2 預(yù)處理系統(tǒng)主要設(shè)備及儀表情況Tab. 2 Main equipments and instruments of pretreatment system

3 濃縮處理系統(tǒng)

濃縮處理系統(tǒng)包括初步濃縮和深度濃縮2個子系統(tǒng)，初步濃縮系統(tǒng)采用BWRO和SWRO技術(shù)，深度濃縮系統(tǒng)采用ED技術(shù)。

3.1 初步濃縮處理系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)處理水量和水質(zhì)數(shù)據(jù)，初步濃縮系統(tǒng)采用BWRO串聯(lián)SWRO的技術(shù)方案，系統(tǒng)進水水量為50 L/h，鹽質(zhì)量濃度約為4 000 mg/L。BWRO系統(tǒng)的回收率設(shè)計為70%，系統(tǒng)產(chǎn)生的淡水水量為35 L/h，鹽質(zhì)量濃度約為300 mg/L；產(chǎn)生的濃鹽水水量為15 L/h，鹽質(zhì)量濃度約為1 2600 mg/L。15 L/h的濃鹽水進入SWRO系統(tǒng)進一步濃縮處理，SWRO系統(tǒng)回收率設(shè)計為66%，系統(tǒng)產(chǎn)生的淡水水量為10 L/h，鹽質(zhì)量濃度約為500 mg/L；產(chǎn)生的濃鹽水水量為5 L/h，鹽質(zhì)量濃度約為36 900 mg/L。

BWRO系統(tǒng)和SWRO系統(tǒng)的主要設(shè)備及儀表情況見表3。

表3 BWRO和SWRO系統(tǒng)主要設(shè)備及儀表情況Tab. 3 Main equipments and instruments of BWRO and SWRO systems

3.2 深度濃縮處理系統(tǒng)

循環(huán)水排污水經(jīng)過初步濃縮處理后，產(chǎn)生5 L/h的濃鹽水，鹽質(zhì)量濃度約為36 900 mg/L。根據(jù)濃鹽水的水量和水質(zhì)情況，深度濃縮采用電滲析技術(shù)。電滲析系統(tǒng)的設(shè)計進水水量為5 L/h，鹽質(zhì)量濃度以40 000 mg/L設(shè)計計算。電滲析深度濃縮系統(tǒng)的回收率設(shè)計為75%，淡水水量約為3.75 L/h(鹽質(zhì)量濃度約為8 000 mg/L)，濃水水量約為1.25 L/h(鹽質(zhì)量濃度約為135 000 mg/L)。ED系統(tǒng)產(chǎn)生的淡水含鹽量依然較高，可以送至SWRO系統(tǒng)的原水箱進行處理。ED系統(tǒng)的主要設(shè)備及儀表情況見表4。

表4 ED系統(tǒng)主要設(shè)備及儀表情況Tab. 4 Main equipments and instruments of ED system

4 “零排放”處理系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)概述

經(jīng)過電滲析深度濃縮處理后，產(chǎn)生1.25 L/h的末端高鹽廢水。末端高鹽廢水中鹽質(zhì)量濃度約為135 000 mg/L，其“零排放”處理既可以利用雙極膜電滲析技術(shù)進行資源化處理，生成酸液和堿液回用，也可以利用高溫?zé)煔膺M行蒸發(fā)干燥處理，從而實現(xiàn)廢水的“零排放”。

4.2 電解資源化處理系統(tǒng)

電解資源化系統(tǒng)是利用雙極膜電滲析裝置將末端高鹽廢水在電化學(xué)的作用下生成酸液和堿液，產(chǎn)生的酸液和堿液能夠滿足回用要求，從而實現(xiàn)末端高鹽廢水的資源化和“零排放”。雙極膜電滲析系統(tǒng)處理后，產(chǎn)生的堿液為NaOH，濃度約為1 mol/L，產(chǎn)生的酸液為HCl和H2SO4的混合物(HCl的濃度約為1 mol/L，H2SO4的濃度約為0.4 mol/L)。

雙極膜電滲析系統(tǒng)的主要設(shè)備及儀表情況詳見表5。

表5 雙極膜電滲析系統(tǒng)主要設(shè)備及儀表情況Tab. 5 Main equipments and instruments of ED bipolar membrane system

4.3 高溫?zé)煔庹舭l(fā)干燥處理系統(tǒng)

高溫?zé)煔庹舭l(fā)干燥系統(tǒng)以高溫?zé)煔鉃闊嵩磳⒏啕}末端廢水蒸發(fā)干燥，從而實現(xiàn)廢水的“零排放”處理。高溫?zé)煔庹舭l(fā)干燥系統(tǒng)模擬旁路煙道蒸發(fā)干燥技術(shù)，高溫?zé)煔饽M火電廠空預(yù)器入口前煙氣，煙氣溫度在330～360 ℃(采用加熱空氣，煙氣量在8～12 m3/h)，煙氣量和煙氣溫度均可連續(xù)調(diào)節(jié)。高鹽末端廢水蒸發(fā)干燥后煙氣溫度降至150 ℃左右，并可連續(xù)調(diào)節(jié)，廢水蒸發(fā)后溶解性鹽結(jié)晶，并隨煙氣進入旋風(fēng)除塵器中收集。

低溫?zé)煔鉂饪s工藝是利用引風(fēng)機出口低溫?zé)煔庾鳛闊嵩磳U水加熱蒸發(fā)進而濃縮的處理技術(shù)，具有進水水質(zhì)要求低、系統(tǒng)運行成本低等優(yōu)點，已有多個應(yīng)用案例。對于低溫?zé)煔鉂饪s中試試驗系統(tǒng)的構(gòu)建，可以利用煙氣蒸發(fā)干燥系統(tǒng)，通過調(diào)整煙氣溫度、煙氣量等參數(shù)并設(shè)置循環(huán)泵等附屬設(shè)備進行中試試驗。為了節(jié)約投資和占地面積，本廢水“零排放”全流程中試試驗系統(tǒng)不再單獨設(shè)置低溫?zé)煔庹舭l(fā)系統(tǒng)。

高溫?zé)煔庹舭l(fā)干燥系統(tǒng)(低溫?zé)煔鉂饪s系統(tǒng))的主要設(shè)備及儀表情況見表6。

表6 高溫?zé)煔庹舭l(fā)干燥系統(tǒng)主要設(shè)備及儀表情況Tab. 6 Main equipments and instruments of flue gas evaporation system

5 結(jié)論

依托構(gòu)建的火電廠廢水“零排放”全流程處理系統(tǒng)，可以進行預(yù)處理系統(tǒng)、反滲透濃縮處理系統(tǒng)、電滲析深度濃縮處理系統(tǒng)、雙極膜電滲析資源化處理系統(tǒng)以及煙氣蒸發(fā)干燥處理系統(tǒng)的運行參數(shù)優(yōu)化，為相關(guān)系統(tǒng)的工業(yè)化運行提供依據(jù)。如對預(yù)處理系統(tǒng)加藥量、加藥種類等運行參數(shù)進行試驗研究和優(yōu)化，能夠顯著降低系統(tǒng)運行藥劑成本，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性；對反滲透及電滲析濃縮處理系統(tǒng)的回收率、運行電流等參數(shù)進行試驗優(yōu)化，能夠降低系統(tǒng)運行能耗；對煙氣蒸發(fā)干燥系統(tǒng)的煙氣量、蒸發(fā)水量等運行參數(shù)進行試驗優(yōu)化，可以得到不同蒸發(fā)水量、煙氣溫度條件下的最低煙氣使用量，在確保廢水蒸發(fā)干燥的前提下降低系統(tǒng)運行能耗。

此外，依托本廢水“零排放”全流程處理系統(tǒng)可以開展關(guān)鍵設(shè)備壽命管理、性能檢測評價等，進一步為廢水“零排放”全流程處理系統(tǒng)的經(jīng)濟化、穩(wěn)定化運行提供技術(shù)支持。