正滲透處理電廠脫硫廢水中試研究

郭士義

(上海電氣電站環(huán)保工程有限公司，上海 201612)

0 概況

燃煤電廠石灰石-石膏法濕法脫硫工藝的首要選擇[1]，濕法脫硫產(chǎn)生的脫硫廢水呈弱酸性；懸浮物高；Cl-含量高、腐蝕性強(qiáng)[2]；硬度高、鹽分高；含有較高的重金屬離子[3]。傳統(tǒng)的三聯(lián)箱工藝處理效率低、溶解鹽不能有效去除，無(wú)法滿足火電廠真正意義上廢水“零排放”[4]。目前，脫硫廢水深度處理工藝主要有膜濃縮處理[5]，包括管式超濾膜、納濾、反滲透膜、高壓反滲透膜，熱法濃縮，蒸發(fā)結(jié)晶[6]，煙道蒸發(fā)[7]。

電廠脫硫廢水零排放處理中濃縮的程度決定了進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的水量，也就在一定程度上決定了零排放的能耗和成本，因此濃縮技術(shù)非常關(guān)鍵。正滲透技術(shù)，作為新型“零排放”技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)[8]，因其具有能耗低、膜污染小、水回收率高等優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[9]，本試驗(yàn)旨在考察用正滲透膜技術(shù)(FO技術(shù))濃縮脫硫廢水的效果、效率、穩(wěn)定性和成本。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 廢水水質(zhì)特性

本中試試驗(yàn)中進(jìn)入正滲透裝置的水為上海某電廠煙氣脫硫系統(tǒng)廢水經(jīng)過(guò)三聯(lián)箱處理后的脫硫廢水，水質(zhì)參數(shù)詳見表1。廢水經(jīng)正滲透成套系統(tǒng)處理后，F(xiàn)O濃水TDS需要達(dá)到120 000 mg/L以上，濃水后續(xù)進(jìn)入煙道蒸發(fā)處理。正滲透系統(tǒng)產(chǎn)水出水水質(zhì)能夠達(dá)到GB 50050-2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，可直接用作循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水。

表1 上海某電廠脫硫廢水水質(zhì)參數(shù)

由表1可知：本實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)：經(jīng)三聯(lián)箱處理后，廢水懸浮物含量相對(duì)較低，主要成分為灰分、惰性物質(zhì)、絮凝沉淀物等；硬度較高，但水中 Ca2+、Mg2+濃度在正滲透膜的耐受范圍內(nèi)，SO42-質(zhì)量濃度高，處于即將飽和狀態(tài)；鹽分及氯離子濃度高，pH 值較高，呈弱堿性，正滲透膜進(jìn)水需要偏酸性，進(jìn)入設(shè)備前需調(diào)節(jié)pH；含F(xiàn)e2+以及少量還原性物質(zhì)，組分變化大，水質(zhì)復(fù)雜。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

本試驗(yàn)所用中試裝置源自美國(guó)某公司，裝置為40尺集裝箱式集成設(shè)備，處理水量為0.5 m3/h，總功率55 kW,總重7.8 t。整個(gè)裝置分FO濃縮和高鹽濃縮膜(即HBCR汲取液再生)兩大系統(tǒng)。第一部分濃縮系統(tǒng)，其核心為三級(jí)共12支FO膜組件，進(jìn)水經(jīng)pH調(diào)節(jié)后進(jìn)入該系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的還有濃汲取液，待處理水和汲取液分處膜兩側(cè)，水由低鹽一側(cè)自然地向高鹽一側(cè)滲透，內(nèi)部反復(fù)循環(huán)，汲取液被稀釋后連續(xù)排出，待處理水被濃縮到設(shè)定的濃度(本實(shí)驗(yàn)設(shè)定濃水電導(dǎo)率為115 mS/cm，TDS為110 g/L以上)時(shí)排出；第二部分為高鹽濃縮膜(HBCR汲取液再生)系統(tǒng)，其核心為二級(jí)共36支高壓反滲透膜組件，F(xiàn)O排出的稀汲取液進(jìn)入該部分濃縮，濃液即濃汲取液，清液進(jìn)入再處理，最終產(chǎn)出清水。

裝置能實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)水pH需控制在6～6.5之間；全流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；每日取樣一次，分析化驗(yàn)進(jìn)水、產(chǎn)水及濃水TDS指標(biāo)；每日多次記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)；在FO濃縮和HBCR汲取液再生兩大系統(tǒng)分別設(shè)置電表，監(jiān)測(cè)裝置電耗。實(shí)驗(yàn)所用汲取液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%的氯化鈉溶液，根據(jù)運(yùn)行情況有補(bǔ)加，所用氯化鈉滿足GB 5461-2000《食用鹽國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。常用藥劑為鹽酸，主要用于進(jìn)水pH調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，F(xiàn)O及HBCR汲取液再生系統(tǒng)未使用定時(shí)在線產(chǎn)水反沖洗設(shè)定，亦無(wú)化學(xué)清洗。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

中試試驗(yàn)裝置連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行30天，對(duì)產(chǎn)水水樣及水量進(jìn)行連續(xù)取樣監(jiān)測(cè)，以原水檢測(cè)的各指標(biāo)為基準(zhǔn)，檢測(cè)產(chǎn)水水樣，分析產(chǎn)水水質(zhì)情況，并對(duì)濃縮后的出水進(jìn)行連續(xù)取樣，分析正滲透膜的運(yùn)行特性。

2.1 產(chǎn)水水質(zhì)分析

脫硫廢水調(diào)節(jié)pH后經(jīng)正滲透膜處理，產(chǎn)水pH為5～6，其他水質(zhì)參數(shù)如表2所示，其中Ca2+、Mg2+、SO42-、Fe2+含量極低，均小于1mg/L，Na+、CO32-、Cl-含量較為接近，在5～10mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，產(chǎn)水中堿度為24～30mg/L，TSS濃度<10 mg/L，TDS去除率較高，去除率達(dá)98%以上，產(chǎn)水中殘留量在250 mg/L以內(nèi)。產(chǎn)水水質(zhì)除pH需要調(diào)節(jié)至6.5～8.5外，其他檢測(cè)指標(biāo)均能滿足GB 50050-2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

表2 正滲透膜產(chǎn)水水質(zhì)參數(shù)

(續(xù)表2)

2.2 正滲透膜運(yùn)行特性分析

正滲透膜運(yùn)行效果除需考察產(chǎn)水水質(zhì)外，更需要分析濃縮后出水的濃縮倍率和產(chǎn)水率來(lái)表征其運(yùn)行的穩(wěn)定性。 本試驗(yàn)中以進(jìn)出水中Cl-的含量作為參數(shù)指標(biāo)來(lái)計(jì)算正滲透膜的濃縮倍率和產(chǎn)水率。

濃縮倍率隨時(shí)間的變化情況如圖1所示，由圖1可知，正滲透膜的濃縮倍率隨著時(shí)間的推移會(huì)有一定的波動(dòng)變化，濃縮倍率總體保持在8～10之間。起始階段由于來(lái)水中硬度較大，膜表面結(jié)垢現(xiàn)象較為嚴(yán)重，影響了膜的濃縮效果，后對(duì)來(lái)水采取了添加碳酸鈉除硬措施，并對(duì)膜進(jìn)行了清洗，膜的濃縮效果有所提高。產(chǎn)水率隨時(shí)間的變化情況如圖2所示，由圖可知，其變化的整體趨勢(shì)與濃縮倍率的變化趨勢(shì)一致，產(chǎn)水率保持在90%左右。濃縮后的脫硫廢水TDS質(zhì)量濃度約為12%左右，基本滿足后續(xù)煙道蒸發(fā)或其他熱處理的濃度要求。同時(shí)，90%清水回水率在所有膜法濃縮中已屬于較為高效的濃縮方法。

圖1 正滲透膜出水濃縮倍率(Cl-)隨時(shí)間變化圖

圖2 正滲透膜清水產(chǎn)水率(Cl-)隨時(shí)間變化圖

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

試驗(yàn)中運(yùn)行成本主要是電耗和藥劑費(fèi)用組成。電耗包含F(xiàn)O系統(tǒng)和HBCR系統(tǒng)及中試裝置配套的儀表設(shè)備等電控系統(tǒng)耗電，電耗:21.8 kw·h/m3廢水，電價(jià)以0.5元/kw·h計(jì)，折合10.9元/ m3。常規(guī)藥劑費(fèi)用主要為調(diào)節(jié)pH值的鹽酸費(fèi)用、補(bǔ)充NaCl的費(fèi)用，鹽酸、NaCl折合耗量0.2 kg/m3、0.1 kg/m3，鹽酸、NaCl分別以2 000元/t、24 00元/t計(jì)，則常規(guī)藥劑費(fèi)用0.64元/ m3水。在本次實(shí)驗(yàn)中，由于三聯(lián)箱出水水質(zhì)硬度較高，對(duì)正滲透膜的運(yùn)行產(chǎn)生了較為不利的影響，為保證FO系統(tǒng)的正常運(yùn)行，臨時(shí)添加了碳酸鈉降低進(jìn)水硬度，相應(yīng)的也增加鹽酸的添加量，該部分碳酸鈉、鹽酸添加量為6 kg/m3、2.3 kg/m3，酸鈉費(fèi)以2 000元/t計(jì)，該部分藥劑費(fèi)用為16.6元/m3水，實(shí)際工程中，可添加前置Integra疊片過(guò)濾裝置來(lái)保障進(jìn)水水質(zhì)，節(jié)省該部分費(fèi)用。因此，F(xiàn)O系統(tǒng)常規(guī)運(yùn)行費(fèi)用為11.54元/m3。

4 結(jié) 論

(1)本次中試試驗(yàn)所用裝置能夠?qū)⑦M(jìn)水TDS為12 000 mg/L～16 000 mg/L電廠脫硫廢水濃縮至100 000～120 000 mg/L左右，TDS濃縮倍率可達(dá)到8～10以上，基本能夠滿足脫硫廢水零排處理濃縮減量的要求，可以作為旁路煙道蒸發(fā)或其他熱處理的前序工段。

(2)試驗(yàn)中FO系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)完全滿足GB 50050-2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，可直接用作循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水，其中Ca2+、Mg2+的濃度極低，硬度基本完全被消除，清水TDS均值僅為200 mg/L左右，除鹽率高達(dá)98%，產(chǎn)水率可達(dá)90%。

(3)FO系統(tǒng)的平均處理水量0.5 m3/h，正常情況僅需調(diào)節(jié)pH，處理廢水主要為設(shè)備電耗，運(yùn)行費(fèi)用為11.54元/ m3。由于三聯(lián)箱運(yùn)行效果較差，脫硫廢水臨時(shí)采用碳酸鈉沉淀方式解決結(jié)垢，藥劑費(fèi)用增加較多。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可采用前置Integra疊片過(guò)濾裝置來(lái)保障進(jìn)水水質(zhì)，保證FO中試系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，并節(jié)省下添加碳酸鈉的費(fèi)用。