火力發(fā)電廠中水回用技術(shù)探討

文/曹永飛

隨著經(jīng)濟的高速增長，水資源短缺越來越成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素，國家對水資源高效利用的要求也越來越嚴(yán)格。工業(yè)用水在我國用水總量中占比很高，是水資源高效利用的重點領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，2020年我國工業(yè)用水總量1030.4億m3，占我國用水總量的17.7%。《國家節(jié)水行動方案》明確提出到2022年萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量、萬元工業(yè)增加值用水量較2015年分別降低30%和28%，推動高耗水行業(yè)節(jié)水增效。

火力發(fā)電廠是傳統(tǒng)用水大戶，據(jù)統(tǒng)計我國熱電廠用水占總用水量的8%左右。在國家要求提高水資源利用效率、控制污水排放的背景下，開展火電廠廢水處理及回用具有重要意義。

一、電廠廢水來源

電廠產(chǎn)生的廢水種類繁多，主要有運行過程中產(chǎn)生的循環(huán)冷卻水、酸堿廢水、清洗發(fā)電設(shè)施的廢水、沖洗煤產(chǎn)生的廢水、反滲透產(chǎn)生的高濃度廢水。循環(huán)冷卻水約占熱電廠用水的80%～90%，其主要環(huán)境問題是溫度升高，污染物含量通常較低，處理難度不高。生產(chǎn)技術(shù)中產(chǎn)生的廢水（如酸堿廢水、清洗發(fā)電設(shè)施的廢水、沖洗煤產(chǎn)生的廢水等）水質(zhì)污染明顯，污染物濃度較高，主要污染物有石油類、揮發(fā)酚、無機鹽等，處理難度較大。

二、熱電廠中水回用處理技術(shù)

1.熱電廠中水回用的主要問題及解決思路

>火力發(fā)電廠中水回用設(shè)備

熱電廠中水回用主要用于循環(huán)冷卻水和鍋爐補給水，中水必須解決腐蝕和結(jié)垢問題。腐蝕按照形成原因可以分為氯離子腐蝕、氨氮腐蝕和微生物腐蝕三類。主要解決思路是去除污染物、殺菌消毒以及耐腐蝕性材料應(yīng)用等。結(jié)垢問題主要由水中Ca2+、Mg2+、磷酸鹽、二氧化硅、硅酸鹽等引起，主要解決思路是降低水中成垢離子濃度、調(diào)節(jié)pH、投加阻垢劑等。

2.中水回用處理技術(shù)

（1）石灰混凝工藝

石灰混凝工藝是指利用石灰中的Ca2+、Ca(OH)2和CaO 與廢水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)起到酸堿中和、混凝沉淀的作用。20 世紀(jì)50 年代，國內(nèi)首次開展中水回用的華能熱電廠中水處理工藝采用了該方法。石灰混凝工藝具有運行費用低、可有效去除污染物（有機物、懸浮物、硅類等）、無濃縮廢水排放且固體廢物便于處理的優(yōu)點，在一些早期建設(shè)的熱電廠中應(yīng)用廣泛。

石灰混凝工藝同時也存在一定的局限，如對有機物及鹽類的去除能力有限，處理后的中水腐蝕、結(jié)垢和微生物滋生問題依然較為嚴(yán)重。隨著熱電廠鍋爐補給水要求提高，已經(jīng)難以滿足要求。一些企業(yè)對這一工藝進行了改進，如內(nèi)蒙古華寧熱電公司采用厭氧/好氧（A/O）—石灰混凝組合工藝處理中水，有效去除有機物、懸浮物等污染物并降低堿度和硬度，保障熱電廠用水的穩(wěn)定性。該工藝也可以同曝氣生物濾池（BAF）聯(lián)用，有效去除中水的有機物和懸浮物，增加整體工藝的處理效率。隨著膜技術(shù)的進步，石灰混凝工藝已經(jīng)逐漸被膜處理工藝取代，但是這一技術(shù)仍可以廣泛用于膜工藝的預(yù)處理工藝，尤其是在舊工程項目改造方面。

（2）液體分離膜工藝

膜分離技術(shù)是以膜為過濾介質(zhì)在驅(qū)動力作用下進行物質(zhì)分離的技術(shù)，具有分離效果好、分離速率快、操作管理簡單等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。從能量驅(qū)動方式上可以將膜處理技術(shù)分為壓力驅(qū)動膜過程（如反滲透、納濾、超濾和微濾），電驅(qū)動過程（如電滲析）和溫度驅(qū)動過程（如膜蒸餾和膜結(jié)晶），其中以壓力驅(qū)動膜過程最為常用。

微濾（MF）膜的孔徑在0.1～10μm，通常由拉伸法和相轉(zhuǎn)化法制備，用于去除水中的泥沙、鐵銹等大顆粒雜質(zhì)，但不能去除細菌等有害物質(zhì)。超濾（UF）膜孔徑在2～10nm，通常采用相轉(zhuǎn)化法制備。超濾膜除上述物質(zhì)外，還可以去除膠體、細菌、大分子有機物等。在中水回用處理中，上述兩種膜常用于后續(xù)膜處理工藝的前處理。納濾（NF）膜介于反滲透（RO）膜和超濾膜之間，對二價、多價離子和相對分子質(zhì)量大于200的有機物有較高的脫除率，又被稱為疏松反滲透。反滲透（RO）膜通常可以截留分子量超過150Da的所有分子，對25～150Da的分子也有很高的截留比例。

（3）雙膜法處理工藝

隨著熱電廠用水要求的提高和膜產(chǎn)品價格的降低，膜法中水回用工藝已成為我國中水回用的主流技術(shù)。反滲透膜對水中幾乎全部的污染物都有良好的去除效果，是中水回用處理的核心部件。反滲透膜對進水水質(zhì)要求較高，易遭受污染，形成污堵，影響處理效率。在實際應(yīng)用時，常將微濾或超濾膜作為前處理工藝，這種工藝組合又稱雙膜法處理工藝。反滲透處理時，會有少量的離子跨膜傳質(zhì)。當(dāng)對水質(zhì)有更高要求時，如產(chǎn)水用于除氧器用水或鍋爐補給水等，需進一步進行深度脫鹽處理，目前主要采用的工藝為離子交換和電滲析（ED）技術(shù)。

湛江電力有限公司采用赤坎污水處理廠二級出水，經(jīng)雙膜＋離子交換工藝深度處理后用作熱電廠鍋爐補給水，設(shè)計規(guī)模為8400m3/h，處理后水的電導(dǎo)率和二氧化硅濃度分別為0.069μS/cm和2μg/L，顯著低于鍋爐補給水的水質(zhì)要求。遼寧調(diào)兵山煤旰石發(fā)電公司采用BAF－雙膜－EDI組合工藝進行中水深度處理，制備除鹽水用于鍋爐補給，除鹽水制水量為102m3/h，目前仍可保障穩(wěn)定的產(chǎn)水。大連泰山熱電廠采用雙膜－EDI工藝深度處理中水以滿足超高壓鍋爐補給水的水質(zhì)要求，每年節(jié)約淡水625萬m3，節(jié)省資金1800多萬元。在反滲透出水后，再次用反滲透膜進行二次除鹽，即二級反滲透的應(yīng)用也逐漸廣泛。有研究者研究了多介質(zhì)過濾器－UF－一級RO－二級RO－混床組合工藝的深度處理中水效果，發(fā)現(xiàn)兩級反滲透和混床結(jié)合不僅顯著地脫鹽，而且降低了整體深度處理系統(tǒng)的運行維護成本。

（4）膜蒸餾處理工藝

膜蒸餾（MD）是一種通過熱（溫度）梯度驅(qū)動的膜工藝，在非常低的操作壓力（接近1bar）和較低的溫度下，使水蒸氣通過疏水微孔膜，實現(xiàn)鹽水分離。與反滲透工藝相比，膜蒸餾不受濃度極化現(xiàn)象的限制，十分適于在高回收率、高進水濃度場景下使用。此外，膜蒸餾操作的高度靈活性也使它極易與其他處理手段耦合，提升處理效果。根據(jù)操作條件，產(chǎn)品水回收率可以達到90%，可以實現(xiàn)廢水的近零排放，近年逐漸應(yīng)用于高鹽廢水如工業(yè)廢水、RO/NF濃水等處理。有研究者指出采用直接接觸式膜蒸餾深度處理反滲透濃水，發(fā)現(xiàn)可以有效地實現(xiàn)所有離子高于99%截留。Naidu等考察了膜蒸餾對反滲透中水回用系統(tǒng)的濃水處理效率，發(fā)現(xiàn)可以實現(xiàn)85%的水回收率和99%的鹽截留率，顯著提升了水利用率。

（5）其他處理工藝

離子交換脫鹽方法是通過離子交換樹脂去除水中陰陽離子的過程。這一方法脫鹽率高、操作簡單，廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。但是離子交換樹脂容量有限，處理大量含鹽廢水時樹脂極易飽和失效，需要頻繁再生，單獨用于中水處理經(jīng)濟性不好，常與其他工藝處理方式聯(lián)用。電吸附技術(shù)是近年興起的一種新型技術(shù)，其原理是利用水中離子和帶電粒子容易被帶電電極吸收的特性，使其富集濃縮在電極表面，以達到脫鹽的目的。這一技術(shù)對化學(xué)藥劑的消耗少、脫鹽率高、設(shè)備簡單。我國已經(jīng)開展了一些研究工作，但是實際工程應(yīng)用還相對較少。

三、展 望

我國對水資源高效利用和環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高?；痣娦袠I(yè)中水回用已經(jīng)得到廣泛認可。得益于膜產(chǎn)品質(zhì)量提升和價格下降，膜法工藝逐漸成為火電行業(yè)中水回用的主流技術(shù)。隨著我國“雙碳”工作的深入推進，火力發(fā)電行業(yè)面臨節(jié)能降耗的考驗，如何降低中水回用能耗，提升處理效率將是未來研究的重點方向。