高效澄清技術在火電廠含煤廢水處理系統(tǒng)中的應用

康少鑫，楊 杰，胡明睿，吳有兵，邢文斌

（1.西安西熱水務環(huán)保有限公司，陜西 西安 710032；2.中國華能集團有限公司，北京 100031；3.華能隴東能源有限責任公司正寧電廠，甘肅 慶陽 745306）

近年來，為響應國家對電力行業(yè)環(huán)保和節(jié)能減排的要求，國內(nèi)多數(shù)火電廠開展了全廠廢水“零排放”改造工程〔1-4〕。火電廠廢水主要為含煤廢水，來自煤場、碎煤機室、輸煤棧橋等場所，水量一般為10～50 m3/h。含煤廢水懸浮物含量高、濁度大，需經(jīng)凈化處理后回用〔5-7〕。含煤廢水傳統(tǒng)處理方式多采用立式罐體結構的高效凈水器，利用其內(nèi)部離心旋流結構、懸浮濾料層等實現(xiàn)對原水的凈化，但由于該方法管道混凝反應不徹底、旋流分離效果不理想等原因，通常會造成藥劑投加量偏差大、濾料及水帽堵塞、產(chǎn)水水質(zhì)波動大等問題，近年來已逐步被電絮凝等工藝〔8-9〕替代。電絮凝工藝〔10-11〕無需投加藥劑，產(chǎn)水水質(zhì)好，但存在耐水質(zhì)水量沖擊負荷能力差、后期故障率高等不足，此外，其對運行和維護管理水平要求也較高。

高效澄清池是綜合絮凝/沉淀/污泥濃縮技術的高負荷一體化水處理設備，凝聚區(qū)、絮凝區(qū)及沉淀澄清區(qū)分別獨立設置，結構簡單，處理過程中采用機械攪拌加強污泥回流，混凝反應效果好，多用于含濁、含硬度原水和排污水的預處理〔12-14〕。本工程采用“預沉淀+高效澄清池”工藝對華東地區(qū)某1×110 MW+3×150 MW 燃煤機組熱電廠含煤廢水進行處理，取得良好效果，可為含煤廢水處理工程設計及應用提供參考。

1 工程概況

1.1 設計水量、水質(zhì)

本工程設計處理水量為40 m3/h，出水水質(zhì)需滿足《發(fā)電廠廢水治理設計規(guī)范》（DL/T 5046—2018）中相關標準。設計進水、產(chǎn)水水質(zhì)見表1。

表1 設計進水及出水水質(zhì)Table 1 The design influent and produced water quality

1.2 工藝流程

工藝流程見圖1，一體化高效澄清池PID 系統(tǒng)示意見圖2。廠內(nèi)含煤廢水收集至新建煤水沉淀池，通過預沉淀后，經(jīng)提升泵輸送至凝聚反應池，池內(nèi)投加凝聚劑聚合氯化鋁（PAC），并在快速攪拌后自流入絮凝反應池。來水在絮凝反應池內(nèi)與助凝劑聚丙烯酰胺（PAM）和回流污泥實現(xiàn)充分混合，形成附帶大量污泥絮體的懸濁液，而后進入斜板澄清池沉淀澄清，產(chǎn)水收集至清水池，剩余污泥經(jīng)污泥排放泵輸送至沉淀池。沉淀池底部煤泥經(jīng)抓斗機清理至晾曬坪，晾曬干化后運回煤場。

圖1 含煤廢水處理系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow chart of coal-containing wastewater treatment system

圖2 一體化高效澄清池PID 系統(tǒng)圖Fig.2 The PID system diagram of integrated high efficiency clarifier

1.3 主要參數(shù)

工程一體化高效澄清池系統(tǒng)設計出力為40 m3/h，凝聚反應時間為3 min，絮凝反應時間為8.7 min，澄清區(qū)表面負荷為4.5 m3/（m2·h），強化絮凝回流比為8.0，污泥回流量為2 m3/h。系統(tǒng)配備煤水提升泵、污泥回流及排放泵、凝聚劑PAC 及助凝劑PAM 加藥裝置等，設備參數(shù)詳見表2。

表2 配套設備參數(shù)Table 2 Supporting equipment parameters

2 燒杯試驗

對原水水樣進行燒杯試驗，分別考察凝聚劑（質(zhì)量分數(shù)10%的聚合氯化鋁PAC）和助凝劑（質(zhì)量分數(shù)0.1%的聚丙烯酰胺PAM）在不同加藥質(zhì)量濃度下的凝聚反應和絮凝反應效果，據(jù)此初步確定在該水質(zhì)條件下混凝反應藥劑最佳的投加量。

（1）取6個500 mL 燒杯各加入3 L原水水樣，攪拌下投加PAC，加藥質(zhì)量濃度分別為5、10、15、20、25、30 mg/L，攪拌器轉(zhuǎn)速均設置為150 r/min，攪拌至礬花出現(xiàn)，并呈穩(wěn)定狀態(tài)時對比發(fā)現(xiàn)，當PAC 投加質(zhì)量濃度為25 mg/L 和30 mg/L 時，礬花生成量大、穩(wěn)定且均勻，考慮經(jīng)濟性，確定PAC 投加質(zhì)量濃度為25 mg/L。

（2）取6個500 mL燒杯各加入3 L原水水樣，投加PAC 25 mg/L，在150 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌至礬花穩(wěn)定后分別投加PAM 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/L，加藥完畢攪拌器轉(zhuǎn)速調(diào)為50 r/min，持續(xù)攪拌10 min，之后靜置10 min，取上清液測定懸浮物質(zhì)量濃度，所得結果分別為41、27、21、9、9、13 mg/L。由此可以看出，在PAC 投加質(zhì)量濃度為25 mg/L、PAM 投加質(zhì)量濃度為2.0 mg/L 時，形成的絮體沉降性能好。綜上，確定PAC 和PAM 在初始調(diào)試時投加質(zhì)量濃度分別為25 mg/L 和2.0 mg/L。

3 調(diào)試與運行

3.1 凝聚劑投加量對系統(tǒng)運行的影響

設置初始調(diào)試條件Q=40 m3/h、污泥回流比4%、助凝劑PAM 投加質(zhì)量濃度2.0 mg/L、排泥頻率為累計進水24 m3排泥1 次，在此條件下考察實際工況下最佳凝聚劑PAC 投加量。結合燒杯試驗結果，且考慮回流污泥與PAC 的協(xié)同混凝效應，對比考察PAC 投加質(zhì)量濃度區(qū)間為19～28 mg/L 時產(chǎn)水濁度和產(chǎn)水懸浮物的變化情況，結果見圖3。

圖3 凝聚劑投加量對產(chǎn)水濁度和SS 的影響Fig.3 Effect of flocculant dosage on turbidity and SS of product water

由圖3 可以看出，在考察區(qū)間內(nèi)，產(chǎn)水濁度和產(chǎn)水SS 均隨PAC 投加量的增加呈先下降后上升趨勢，且平均產(chǎn)水濁度和SS 均分別不大于3.0 NTU 和8.0 mg/L，其中當PAC 投加質(zhì)量濃度為22 mg/L 時，產(chǎn)水水質(zhì)相對較好，平均產(chǎn)水濁度和SS 分別為2.3 NTU和6.4 mg/L。取沉淀區(qū)泥水混合樣進行表觀分析，發(fā)現(xiàn)當PAC 投加質(zhì)量濃度為19 mg/L 時，絮體粒徑分布不均，大絮體粒徑數(shù)量較少，水樣偏渾濁，這可能是由于PAC 和PAM 投加比例偏低導致顆粒物凝聚反應不充分，無法有效被PAM 的大分子鏈吸附；當PAC 投加質(zhì)量濃度為22 mg/L 時，污泥絮體與上層清液分離較好，SV15為20%；當PAC 投加質(zhì)量濃度為25 mg/L 時，大粒徑絮體約占絮體總量的80%，但水中細碎絮體較多，SV15約為45%；PAC 投加質(zhì)量濃度為28 mg/L 時，大粒徑絮體占比約為60%，小粒徑絮體多且密，SV15增加至70%，這可能是由于絮凝池中PAC 有效含量過高，導致PAM 分子鏈上的活性吸附位點被過量的PAC 分子包裹，造成絮凝反應所需的粒子表面活性位點不足，進而致使絮體粒徑無法進一步增大。因此，在該工況下，凝聚劑PAC 最佳投加質(zhì)量濃度為22 mg/L。

3.2 助凝劑投加量對系統(tǒng)運行的影響

設置Q=40 m3/h、污泥回流比4%、凝聚劑PAC 投加質(zhì)量濃度22 mg/L、排泥頻率為累計進水24 m3排泥1 次，對比考察助凝劑PAM 投加質(zhì)量濃度為1.4、1.6、1.8、2.0 mg/L 時，產(chǎn)水濁度和產(chǎn)水懸浮物SS 濃度的變化情況，結果見圖4。

圖4 助凝劑投加量對產(chǎn)水濁度和SS 的影響Fig.4 Effect of the dosage of coagulant aids on the turbidity and SS of produced water

由圖4 可以看出，產(chǎn)水濁度和SS 均隨PAM 投加量的增加呈先下降后變化趨于平緩趨勢，其中，當PAM 投加質(zhì)量濃度≥1.6 mg/L 時，產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在3.0 NTU 以下，SS 降至最低6.0 mg/L 左右，因此，確定助凝劑最佳投加質(zhì)量濃度為1.6 mg/L。

3.2 活性污泥回流比對系統(tǒng)運行的影響

通過將斜板澄清池活性污泥回流（設回流量為L）至凝聚池對來水進行調(diào)質(zhì)，可顯著提高絮凝效果，節(jié)省藥劑投加量〔15-16〕。在Q=40 m3/h、凝聚劑PAC 投加質(zhì)量濃度為22 mg/L、助凝劑PAM 投加質(zhì)量濃度為1.6 mg/L 條件下，對比考察了在不同污泥回流比R（R=L/Q）條件下，系統(tǒng)產(chǎn)水濁度和沉淀區(qū)污泥沉降比SV15的變化情況，結果見圖5。

圖5 污泥回流比對產(chǎn)水濁度和SV15的影響Fig.5 Effect of sludge reflux ratio on turbidity of produced water and sludge sedimentation ratio

由圖5 可看出，系統(tǒng)產(chǎn)水濁度和污泥沉降比均呈現(xiàn)隨污泥回流比增加先下降后上升的趨勢。其中，當R≤8% 時，SV15平 均 值 為16%，最 小 可 達 到13%，平均產(chǎn)水濁度約1.8 NTU；當R＞8%時，SV15＞20%，產(chǎn)水濁度＞2.0 NTU。分析可知，當R＞8%時，過高的污泥回流量會導致澄清區(qū)污泥沉降性能下降，產(chǎn)水濁度升高，故該工況下最佳污泥回流比R宜控制在4%～8%范圍內(nèi)。另通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，當選定污泥回流比為6%時，PAC 投加質(zhì)量濃度為22 mg/L，PAM 投加質(zhì)量濃度可調(diào)減至1.4 mg/L，此時，產(chǎn)水濁度小于2.0 NTU，SS 為4.2 mg/L；此外，在冬季運行期間發(fā)現(xiàn)，將污泥回流比R調(diào)整至4%，PAC 投加質(zhì)量濃度為22 mg/L，PAM 投加質(zhì)量濃度調(diào)增至2.2 mg/L時，產(chǎn)水濁度可控制在2.0 NTU 以內(nèi)，此時測得其SS不大于5.0 mg/L。因此，為實現(xiàn)活性污泥回流與助凝劑良好的協(xié)同作用，活性污泥回流比R宜控制在4%～6%范圍內(nèi)。

3.3 最佳排泥周期的確定

3.3.1 理論排泥周期

該系統(tǒng)采用間歇性運行方式，故根據(jù)累計進水體積可確定排泥周期，累計進水體積可由式（1）計算得出；根據(jù)污泥濃縮泥斗容積、排泥泵流量可計算排泥時間，具體見式（2）。

式中：Q累計——單個排泥周期內(nèi)累計進水體積，m3；

V——污泥濃縮泥斗容積，m3；

C——泥漿中固體質(zhì)量分數(shù)，%；

ρ——污泥密度，kg/m3；

SS——懸浮物質(zhì)量濃度，mg/L。

式中：t——排泥時間，min；

V——污泥濃縮泥斗容積，m3；

q——污泥排放泵流量，m3/h。

高效澄清池污泥濃縮泥斗容積為0.9 m3，通過測定可得澄清池排放泥漿平均含水率為99.2%，污泥密度約為1.01×103kg/m3，平均進水SS 為300 mg/L，進水流量Q=40 m3/h，排泥泵流量為q=3 m3/h，經(jīng)計算，理 論 排 泥 周 期 內(nèi) 累 計 進 水 量Q累計=0.9×（1-99.2%）×1.01×103×103/300≈24 m3，即累計進水體積達24 m3時，將進行一次自動排泥，單次排泥時間t=V/q×60=18 min。

3.3.2 實際最佳排泥周期

在Q=40 m3/h，凝聚劑PAC投加質(zhì)量濃度為22 mg/L，助凝劑PAM 投加質(zhì)量濃度1.4 mg/L，污泥回流比R=6%條件下，考察了單個排泥周期的累計進水體積Q累計在20、24、30、35、40、45 m3時，即不同排泥周期下系統(tǒng)進水懸浮物及產(chǎn)水濁度的變化情況，結果見圖6。

圖6 排泥周期對系統(tǒng)進水SS 和產(chǎn)水濁度的影響Fig.6 The influence of the sludge discharge cycle on the concentration of suspended solids in the influent water and the turbidity of the effluent water

由圖6 可看出，進水SS 和產(chǎn)水濁度分別隨著單個排泥周期累計進水體積的增加而呈現(xiàn)下降和上升趨勢。當Q累計≤24 m3時，平均進水SS 高于300 mg/L；當Q累計≥30 m3時，平均進水SS 約 為280～290 mg/L。分析原因，這可能是由于Q累計較小時，排泥周期短，污泥濃縮效果不佳、含水率較高，排放至煤水沉淀池后，由于污泥沉淀性能差導致進水懸浮物含量增加。當Q累計由35 m3增加至40 m3時，產(chǎn)水濁度由2.0 NTU 增加至3.0 NTU 以上，同時測得其出水SS 從5.2 mg/L 增加至7.9 mg/L，這是由于澄清池底部污泥沉積過量，進而造成“翻池”現(xiàn)象。因此，為避免排放污泥對澄清池進水水質(zhì)和產(chǎn)水水質(zhì)產(chǎn)生不利影響，該工況下，澄清池的排泥頻率宜以累計進水體積Q累計=35 m3排泥1 次為最佳。

4 運行成本分析

本工程于2020 年6 月正式投運，系統(tǒng)設計出力為40 m3/h，一次性投資建設費用240 萬元。系統(tǒng)年運行時間按5 000 h計算，其中設備折舊按直線折舊法計，即設備成本約為26.67 萬元/a；凝聚劑PAC 年消耗量約為4.4 t，藥劑費用約1.02萬元/a；助凝PAM 年消耗量約為0.45 t，藥劑費用約為0.34 萬元/a；系統(tǒng)運行總功率為15.7 kW，電費按廠內(nèi)自用電0.37 元/（kW·h）計，產(chǎn)生電費約為2.9 萬元/a；運行維護費用約為5 萬元/a。綜上，得出年運行成本為35.93 萬元，折合單位水處理成本約為1.79 元/m3。

5 結論與建議

（1）高效澄清技術適用于火電廠含煤廢水的處理，其藥劑投加量少，處理成本低，最終廢水中的煤粉以煤泥形式回收至煤場，無二次污染且不會對煤粉品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。

（2）含煤廢水通過采用高效澄清技術處理后，產(chǎn)水濁度穩(wěn)定保持在2.5 NTU 以下，SS 小于10 mg/L，產(chǎn)水水質(zhì)滿足回用至煤場噴淋、棧橋沖洗、車輪沖洗等用水要求。

（3）建議采用兩級或多級預沉淀方式，系統(tǒng)污泥排放至首級沉淀池，降低對一體化高效澄清池進水水質(zhì)的影響；系統(tǒng)排泥利用自重沉淀、濃縮、清理、晾曬后摻燒處理，省去污泥脫水系統(tǒng)。

（4）建議在冬季運行期間，增加絮凝池污泥沉降比監(jiān)測頻率，通過適時調(diào)整系統(tǒng)出力、加藥量、污泥回流量等方式，確保系統(tǒng)最佳運行效果和運行穩(wěn)定性。