脫硫廢水零排放軟化濃縮工藝應(yīng)用實(shí)例

劉俊

（上海電氣電站環(huán)保工程有限公司， 上海 201612）

燃煤電廠用水量較大， 提高水資源的使用效率、 延長(zhǎng)廠區(qū)工業(yè)水的有效使用壽命， 有利于從源頭上減少?gòu)U水產(chǎn)生量［1－2］。 2017 年發(fā)布的《火電廠污染防治技術(shù)政策》提出， 脫硫廢水宜經(jīng)石灰處理、混凝、 澄清、 中和等［3］工藝處理后回用， 鼓勵(lì)采用蒸發(fā)干燥或蒸發(fā)結(jié)晶等處理工藝， 實(shí)現(xiàn)脫硫廢水不外排。 為了響應(yīng)國(guó)家環(huán)保要求， 實(shí)現(xiàn)青山綠水的生態(tài)愿景， 科研院所、 高校、 環(huán)保企業(yè)和電廠開(kāi)展了許多有益研究和實(shí)踐探索［4－5］， 在傳統(tǒng)三聯(lián)箱工藝的基礎(chǔ)上， 開(kāi)發(fā)了以預(yù)處理、 濃縮減量、 末端固化為主的三段式零排放工藝［6］， 其中預(yù)處理段主要以物理化學(xué)法對(duì)脫硫廢水中的懸浮物、 COD、 重金屬、 鈣、 鎂等污染物進(jìn)行去除， 濃縮減量段以膜法［7］或熱法［8］實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水資源的回收， 并減少進(jìn)一步固化的廢水水量， 末端固化段以蒸發(fā)結(jié)晶［9］或煙道蒸發(fā)［10］的形式實(shí)現(xiàn)鹽的固化和廢水的零排放。本文以廣東某電廠脫硫廢水零排放軟化濃縮工藝為例， 介紹了該工藝各裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)及實(shí)際運(yùn)行情況， 為包括脫硫廢水在內(nèi)的高含鹽工業(yè)廢水的零排放處理提供工程借鑒和參考。

1 工程概況

某電廠總建設(shè)規(guī)模為7 480 MW， 已建成2 臺(tái)600 MW 和2 臺(tái)660 MW 機(jī)組， 本期規(guī)劃建設(shè)4 臺(tái)1 240 MW 高效超超臨界燃煤機(jī)組， 同步建設(shè)脫硫、脫硝裝置， 并要求全廠脫硫廢水經(jīng)過(guò)處理后完全回用， 實(shí)現(xiàn)零排放。

新建4×1 240 MW 機(jī)組脫硫廢水產(chǎn)生量為48 t／h， 此部分水未經(jīng)常規(guī)預(yù)處理， 直接從脫硫島廢水旋流器排放出來(lái)， 需經(jīng)初沉池沉淀后進(jìn)入調(diào)節(jié)池。 已建4 臺(tái)機(jī)組產(chǎn)生的20 t／h 脫硫廢水經(jīng)過(guò)原有常規(guī)預(yù)處理后直接進(jìn)入調(diào)節(jié)池， 調(diào)節(jié)池后系統(tǒng)總處理水量為68 t／h。

2 設(shè)計(jì)水量及進(jìn)出水水質(zhì)

電廠脫硫廢水最大值為68 t／h， 實(shí)際運(yùn)行水量較小， 遠(yuǎn)低于該數(shù)值， 本系統(tǒng)主要以處理新建機(jī)組產(chǎn)生的48 t／h 脫硫廢水為主， 軟化段設(shè)計(jì)水量為68 t／h， 濃縮段設(shè)計(jì)水量為48 t／h， 并預(yù)留24 t／h濃縮設(shè)備所需的空間， 系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。 脫硫廢水經(jīng)零排放系統(tǒng)處理后， 產(chǎn)生的濃水送至電廠除渣系統(tǒng)沖渣， 淡水滿足表1 中出水水質(zhì)要求， 可直接作為濕法脫硫的補(bǔ)水回用。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 1 Design influent and effluent water quality

由表1 可知， 本工程中脫硫廢水的進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)： 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； COD 濃度偏高； 硬度較高， 水中Ca2＋、 Mg2＋濃度很高， 需要在預(yù)處理階段重點(diǎn)去除； SO42－質(zhì)量濃度高， 處于即將飽和狀態(tài)， 需要在進(jìn)入濃縮系統(tǒng)時(shí)實(shí)時(shí)關(guān)注， 防止?jié)饪s后在膜表面形成沉淀， 影響膜設(shè)備的正常運(yùn)行； 鹽分及Cl-濃度高， 對(duì)濃縮效率可能會(huì)產(chǎn)生一定的影響； pH 值較高， 呈弱堿性， 反滲透膜進(jìn)水需要偏酸性， 進(jìn)入設(shè)備前需調(diào)節(jié)pH 值； 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。

3 廢水處理工藝

3.1 廢水處理工藝選擇

目前， 國(guó)內(nèi)外脫硫廢水零排放處理技術(shù)發(fā)展迅猛， 不斷有新技術(shù)工藝涌現(xiàn)， 但大多數(shù)新技術(shù)仍處于理論研究或試驗(yàn)階段， 缺乏實(shí)際應(yīng)用的業(yè)績(jī)， 作為可實(shí)施的工程方案為時(shí)尚早。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的脫硫廢水零排放處理工藝的詳細(xì)調(diào)研， 脫硫廢水零排放處理的總體路線基本上可以歸納為“預(yù)處理→濃縮→固液分離”3 個(gè)部分的組合。 主要圍繞預(yù)處理軟化并去除重金屬、 廢水濃縮減量（高壓反滲透、 電滲析、 正滲透等）、 蒸發(fā)結(jié)晶（MVR 全蒸發(fā)、 濃縮液MVR 蒸發(fā)、 煙道噴霧蒸發(fā)、煙道旁路蒸發(fā)結(jié)晶、 多效蒸發(fā)、 低溫?zé)煔鉂饪s等）這幾個(gè)部分展開(kāi)， 可采用單一的或上述技術(shù)的組合， 來(lái)實(shí)現(xiàn)高鹽廢水的零排放處理。

“預(yù)處理-雙堿法-雙膜法-MVR 蒸發(fā)結(jié)晶”的工藝路線是較早提出的零排放技術(shù)， 該技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)水資源的回收利用， 更能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的廢水零排放。 基于該路線， 結(jié)合電廠實(shí)際需求和當(dāng)前環(huán)保要求， 本項(xiàng)目最終實(shí)施的廢水處理系統(tǒng)主要以軟化濃縮為主， 采用石灰純堿兩級(jí)軟化-管式微濾（TMF）-大流量管網(wǎng)式反滲透（STRO）-寬流道碟管式高壓反滲透膜（DTRO）處理工藝， 經(jīng)處理后產(chǎn)生的淡水回用、 濃水沖渣， 滿足當(dāng)前廢水處理需求， 并規(guī)劃預(yù)留進(jìn)一步完全蒸發(fā)結(jié)晶的空間和場(chǎng)地， 可隨時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行廢水處理系統(tǒng)的升級(jí)改造。

3.2 脫硫廢水工藝流程

脫硫廢水處理系統(tǒng)由預(yù)處理（兩級(jí)）＋濃縮系統(tǒng)、 污泥脫水系統(tǒng)、 化學(xué)加藥系統(tǒng)組成， 工藝流程如圖1 所示。

圖1 脫硫廢水軟化濃縮工藝流程Fig. 1 Flow of softening and concentration process of desulfurization wastewater

脫硫廢水在初沉池對(duì)大顆粒懸浮物進(jìn)行固液分離， 上清液自流至調(diào)節(jié)曝氣池， 并與其他來(lái)水由布置在池底的曝氣裝置對(duì)脫硫廢水進(jìn)行曝氣混合， 降低廢水的COD 濃度； 中和箱添加Ca（OH）2， 降低硫酸根濃度及沉淀部分重金屬離子， 沉降箱添加NaOH， 使得水中的Mg2＋和重金屬離子析出， 絮凝箱添加混凝劑， 生成絮凝物， 使絮凝物變大， 更易沉淀， 在一級(jí)澄清池中分離析出物。 在二級(jí)反應(yīng)池中加Na2CO3溶液， 使Ca2＋沉淀， 并在二級(jí)澄清池中泥水分離， 完成軟化要求。 澄清池污泥自流進(jìn)入污泥濃縮池， 然后通過(guò)壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾脫水。 壓濾后的干泥餅外運(yùn)處置， 濾液排至調(diào)節(jié)曝氣池。

膜濃縮的預(yù)處理工藝采用TMF 管式膜過(guò)濾工藝。 廢水送入TMF 管式膜內(nèi)， 進(jìn)行大流量錯(cuò)流過(guò)濾， 固液分離， TMF 膜元件采用PVDF 材質(zhì)， 高溫?zé)Y(jié)， TMF 膜過(guò)濾孔徑小， 過(guò)濾精度高， 進(jìn)一步對(duì)軟化出水的懸浮物和軟化生成物進(jìn)行截留， 使進(jìn)入濃縮段的廢水滿足膜處理要求。 膜濃縮段采用STRO-DTRO 兩級(jí)膜處理， STRO 膜元件為卷式，DTRO 膜元件為碟管式， 通過(guò)兩級(jí)在不同壓力下工作的反滲透膜完成對(duì)廢水溶解性鹽分的脫出， 經(jīng)處理后的淡水產(chǎn)水回用作脫硫系統(tǒng)補(bǔ)充水， 濃水回用至一期濕除渣系統(tǒng)。

3.3 工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1） 本系統(tǒng)采用兩列并行的組合設(shè)計(jì)， 在實(shí)際水量較小、 滿足單列運(yùn)行條件時(shí)可采用序批式運(yùn)行方式， 減少加藥系統(tǒng)調(diào)整和水質(zhì)檢測(cè)的頻率， 避免軟化效果波動(dòng)影響后續(xù)濃縮系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2） 本工藝系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定， 檢修啟停簡(jiǎn)便安全， 水質(zhì)及設(shè)備在線監(jiān)測(cè)信息全面、 自動(dòng)控制程度高， 加藥調(diào)整方便靈敏， 膜系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單。

（3） 將STRO 進(jìn)水流道設(shè)計(jì)成開(kāi)放式流道， 從而有效避免了被截留的污染物附著于進(jìn)水通道和膜的表面導(dǎo)致膜的污堵和濃差極化而結(jié)垢。 將STRO膜元件抗應(yīng)力盤(pán)采用水力學(xué)設(shè)計(jì)， 此設(shè)計(jì)可使不同部位膜面上承受的進(jìn)水量趨近一致， 使膜元件處于最佳使用性能狀態(tài)。 本裝備設(shè)計(jì)為可移動(dòng)式撬裝系統(tǒng)， 設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)集中、 定時(shí)處理， 能減少人工成本。 STRO 膜耐污堵能力強(qiáng)， 耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊， 維護(hù)簡(jiǎn)單， 濃縮倍數(shù)高， 移動(dòng)方便。

（4） DTRO 主要部件為寬流道碟管式、 盤(pán)式膜組件和帶凸點(diǎn)花紋的導(dǎo)流盤(pán)， 水流在膜柱內(nèi)形成180° 折返流動(dòng)流態(tài)， 具有耐高壓、 強(qiáng)湍流和抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

（5） 針對(duì)脫硫廢水高鹽、 高硬度的特點(diǎn)，STRO 和DTRO 采用部分串聯(lián)和部分并聯(lián)相結(jié)合的布置方式， 不僅降低了STRO 的流量負(fù)荷， 也降低了DTRO 進(jìn)水的濃度， 在滿足產(chǎn)水率和脫鹽率的要求下， 降低了反滲透膜結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)。

4 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)備配置

（1） 初沉池。 2 座， 單座出力為30 t／h， 單座停留時(shí)間不小于2 h， 有效容積為80 m3， 尺寸為φ5.5 m×6.0 m， 超高0.5 m， 鋼筋混凝土內(nèi)防腐。設(shè)刮泥機(jī)2 臺(tái)， 刮臂直徑為5 000 mm， 單臺(tái)功率為1.7 kW； 污泥泵2 臺(tái)， 1 用1 備， 單臺(tái)流量為30 m3／h， 揚(yáng)程為30 m， 功率為7.5 kW。

（2） 調(diào)節(jié)曝氣池。 1 座， 設(shè)2 格， 停留時(shí)間不小于24 h， 有效容積為1 800 m3， 尺寸為20.0 m×20.0 m × 5.0 m， 超高0.5 m， 鋼筋混凝土內(nèi)防腐。設(shè)曝氣風(fēng)機(jī)3 臺(tái)， 2 用1 備， 單臺(tái)風(fēng)量為13 Nm3／min， 壓力為0.07 MPa， 功率為30 kW； 廢水提升泵4 臺(tái)， 2 用2 備， 單臺(tái)流量為54 m3／h， 揚(yáng)程為30 m， 功率為18.5 kW。

（3） 三聯(lián)箱。 2 列， 每列包含中和箱1 臺(tái)， 沉降箱1 臺(tái)， 絮凝箱1 臺(tái)， 單臺(tái)處理量為45 m3／h，停留時(shí)間為30 min， 有效容積為22.5 m3， 尺寸為φ3.0 m×4.0 m， 鋼襯膠結(jié)構(gòu)。 設(shè)攪拌機(jī)4 臺(tái)， 葉輪直徑為1 100 mm， 轉(zhuǎn)速為76 r／min， 單臺(tái)功率為3 kW； 攪拌機(jī)2 臺(tái)， 葉輪直徑為1 100 mm， 轉(zhuǎn)速為38 r／min， 單臺(tái)功率為2.2 kW。

（4） 一級(jí)澄清池。 2 座， 單座出力為45 t／h，單座停留時(shí)間不小于6 h， 有效容積為280 m3， 尺寸為φ8.0 m×8.6 m， 超高0.5 m， 鋼筋混凝土內(nèi)防腐。 設(shè)刮泥機(jī)2 臺(tái)， 刮臂直徑為7 000 mm， 單臺(tái)功率為2.2 kW。

（5） 一級(jí)清水池。 1 座， 設(shè)2 格， 總停留時(shí)間不小于2 h， 有效容積為200 m3， 尺寸為7.0 m ×6.7 m×6.0 m， 超高0.5 m， 鋼筋混凝土內(nèi)防腐。 設(shè)攪拌機(jī)2 臺(tái)， 單臺(tái)功率為1.1 kW； 一級(jí)清水泵3臺(tái)， 2 用1 備， 單臺(tái)流量為47 m3／h， 揚(yáng)程為30 m，功率為11 kW。

（6） 二級(jí)反應(yīng)池。 2 座， 單座出力為45 t／h，單座停留時(shí)間不小于30 min， 有效容積為22.5 m3，尺寸為φ3.0 m×4.0 m， 超高0.5 m， 鋼筋混凝土內(nèi)防腐。 設(shè)攪拌機(jī)1 臺(tái)， 葉輪直徑為1 100 mm，轉(zhuǎn)速為56 r／min， 單臺(tái)功率為3 kW。

（7） 二級(jí)澄清池。 2 座， 單座出力為45 t／h，單座停留時(shí)間不小于2 h， 尺寸為φ6.5 m×6.0 m，超高0.5 m， 鋼筋混凝土內(nèi)防腐。 設(shè)刮泥機(jī)2 臺(tái)，刮臂直徑為5 500 mm， 單臺(tái)功率為0.55 kW。

（8） TMF。 微濾裝置2 套， 單套處理水量不低于24 m3／h， 過(guò)濾精度為0.1 μm， 24 支膜／套， 膜設(shè)計(jì)通量為240 L／（m2·h）， SDI ＜4， 回收率不小于99%。 設(shè)循環(huán)水箱1 座， 總停留時(shí)間不小于2 h， 尺寸為φ4.5 m×4.0 m， 鋼襯膠結(jié)構(gòu)； TMF 循環(huán)水泵3 臺(tái)， 2 用1 備， 單臺(tái)流量為330 m3／h， 揚(yáng)程為40 m， 功率為75 kW。

（9） 反滲透。 反滲透裝置2 套， 每套反滲透裝置為一級(jí)兩段式設(shè)置， 第一段包含STRO 循環(huán)泵1臺(tái)和STRO 膜堆1 組， 第二段包含DTRO 循環(huán)泵1臺(tái)和DTRO 膜堆1 組。 單套處理量不低于24 m3／h，整體回收率在設(shè)計(jì)工況下為70%， 其中反滲透一段（STRO）單支膜面積為30 m2， 設(shè)計(jì)通量為12 L／（m2·h）， 膜的排列方式為6 并5 串， 共30 支膜組件， 一段回收率設(shè)計(jì)為45%； 反滲透二段（DTRO）單支膜面積為9.405 m2， 設(shè)計(jì)通量為9.38 L／（m2·h）， 膜的排列方式為68 支全并聯(lián)， 二段回收率設(shè)計(jì)為45.5%。

（10） 其他輔助單元。 板框壓濾機(jī)2 臺(tái)， 單臺(tái)過(guò)濾面積為320 m2， 儲(chǔ)泥斗容積為30 m3； 加藥設(shè)備1 套， 包含Ca（OH）2加藥系統(tǒng)、 Na2CO3加藥系統(tǒng)、 無(wú)機(jī)硫加藥系統(tǒng)、 NaOH 加藥系統(tǒng)、 混凝劑加藥系統(tǒng)、 鹽酸加藥系統(tǒng)等， 設(shè)計(jì)加藥量滿足設(shè)計(jì)水量處理要求。

5 工程運(yùn)行效果

為保證膜系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)垢， 在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)之前， 經(jīng)過(guò)中試試驗(yàn)確定了進(jìn)入反滲透的水質(zhì)參數(shù)， 重新設(shè)定了膜系統(tǒng)進(jìn)水各種離子的限值，其中， ρ（Ca2＋）≤200 mg／L， ρ（Mg2＋）≤400 mg／L，ρ（SO42－）≤3 000 mg／L。

本系統(tǒng)成功運(yùn)行后， 實(shí)測(cè)進(jìn)出水水質(zhì)如表2 所示。 進(jìn)入調(diào)節(jié)曝氣池的脫硫廢水水質(zhì)參數(shù)整體比設(shè)計(jì)值偏低， 但Ca2＋濃度較高， 軟化加藥量與設(shè)計(jì)值變化較大， 廢水中COD 和重金屬離子在軟化段都得到了很好的去除， 微濾產(chǎn)水中COD 較原水降低87.6%， 反滲透產(chǎn)水水質(zhì)良好， Ca2＋、 Mg2＋的濃度極低， 硬度基本完全被消除， TDS 質(zhì)量濃度低于200 mg／L， 除鹽率高達(dá)99%， 產(chǎn)水率可達(dá)70%，系統(tǒng)抗污堵能力強(qiáng)， 能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

表2 實(shí)際運(yùn)行進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 2 Actual influent and effluent water quality

6 投資及運(yùn)行成本

本工程概算總投資為5 520.70 萬(wàn)元。 運(yùn)行成本主要由電費(fèi)和藥劑費(fèi)用構(gòu)成， 整個(gè)系統(tǒng)用電量為13.6 kW·h／m3［廢水］， 電價(jià)以0.4 元／（kW·h）計(jì)，折合5.44 元／m3［廢水］； 系統(tǒng)使用的藥劑主要有Ca（OH）2、 NaOH、 聚合硫酸鐵、 Na2CO3、 鹽酸、 阻垢劑、 還原劑、 化學(xué)清洗劑等， 藥劑費(fèi)用為27.28元／m3［廢水］； 整個(gè)軟化濃縮系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用為32.72元／m3［廢水］。

7 結(jié)語(yǔ)

（1） 本脫硫廢水軟化濃縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力為68 t／h， 采用石灰純堿兩級(jí)軟化-TMF-STRODTRO 處理工藝， 反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水中Ca2＋、 Mg2＋的濃度極低， 硬度基本完全被消除， TDS 質(zhì)量濃度低于200 mg／L， 系統(tǒng)除鹽率高達(dá)99%， 產(chǎn)水率可達(dá)70%， 廢水經(jīng)處理后產(chǎn)生的淡水水質(zhì)較好， 滿足作為脫硫系統(tǒng)補(bǔ)充水使用的要求。

（2） 本項(xiàng)目中整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行成本相對(duì)較低，濃縮段噸水運(yùn)行成本可控制在5 元以?xún)?nèi)， TMFSTRO-DTRO 膜工藝的濃縮運(yùn)行成本相對(duì)于蒸發(fā)濃縮而言具有較大的優(yōu)勢(shì)。

（3） TMF-STRO-DTRO 組合濃縮工藝可以廣泛應(yīng)用于火電脫硫廢水、 垃圾滲濾液、 煤化工、制藥、 礦井、 表面處理等領(lǐng)域的高鹽廢水資源化和零排放項(xiàng)目。 在前端的多級(jí)軟化的基礎(chǔ)上， 采用STRO 和DTRO 組合濃縮技術(shù)， 可實(shí)現(xiàn)對(duì)高鹽廢水的高效濃縮。