火電廠再生水深度處理系統(tǒng)診斷分析與應用

慕時榮，周 宇，葉治安 ，王紹曾 ，康少鑫 ，徐兆郢 ，王飛

（1.西安西熱水務環(huán)保有限公司，陜西西安 710054； 2.中國華能集團有限公司，北京 100031；3.北方聯(lián)合電力包頭第三熱電廠，內蒙古包頭 014017）

隨著社會經濟的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化率的不斷提高，水資源短缺問題日趨嚴重。國家“水十條”中明確提出“三條紅線”、“四項制度”等核心內容。為實現用水總量控制、提高水資源利用率和分級分質利用的目標，要求各行業(yè)節(jié)約用水、逐步實現廢水資源化利用。據調查，在全國發(fā)電企業(yè)中，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用水量占總用水量的70%以上〔1?3〕，污廢水回用是節(jié)水減排的主要途徑之一。因此，開展循環(huán)水深度節(jié)水工作是火電廠亟待解決的問題。

1 再生水深度處理系統(tǒng)概述

近年來由于地表水、地下水、水庫水等新鮮水取水指標不斷受到限制，火電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)逐步采用再生水作為補充水使用。再生水中成垢離子堿度、硬度偏高，進入循環(huán)水系統(tǒng)濃縮后易產生CaCO3結 垢；COD、BOD5、NH3?N含量較 高導致 循環(huán)水 富營養(yǎng)化，易產生黏泥及微生物腐蝕〔4〕?；痣姀S再生水深度處理系統(tǒng)多采用“曝氣生物濾池?機械加速澄清池?變孔隙濾池”工藝去除水中的污染物質，使出水水質達到《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》（GB/T 50050—2017）標準要求，工藝流程見圖1。

圖1 再生水深度處理系統(tǒng)工藝流程Fig. 1 Process flow of advanced treatment system of reclaimed water

2 北方某電廠再生水深度處理系統(tǒng)診斷分析

調研發(fā)現，國內多數火電廠再生水深度處理系統(tǒng)運行效果不佳，達不到最初設計出力及出水水質。筆者以北方某電廠為例，總結歸納了系統(tǒng)主要存在的問題。

北方某電廠敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補充水水源采用自來水與城市再生水，其摻混體積比約1∶1.2，自來水來水水質滿足《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》（GB/T 50050—2017）標準要求，直補冷卻塔。再生水水源采用北郊污水廠處理的出水，出水水質由執(zhí)行2000年的三級標準變?yōu)?016年提標后的一級A標準。

2.1 設計水量水質及工藝流程

北方某電廠再生水深度處理系統(tǒng)采用“曝氣生物濾池+機械加速澄清池（石灰軟化）+變孔隙濾池”工藝，系統(tǒng)設計出力2×800 m3/h，出水水質滿足《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》（DL/T 50050—2017）中的相關標準，設計進出水水質見表1。

表1 設計進出水水質Table 1 Design inlet and outlet water quality

再生水深度處理系統(tǒng)總占地約7 000 m2，系統(tǒng)設置8座曝氣生物濾池，單座設計出力230 m3/h，尺寸12 m×8 m×7 m；設置2座機械加速澄清池，單座設計出力800 m3/h，尺寸D24 m×7.5 m；設置6座變孔隙濾池，單座設計出力320 m3/h，尺寸6 m×4.5 m×5 m；設置1座斜管沉淀池，設計出力100 m3/h，尺寸7 m×5 m×7.2 m；設置1座泥漿池，尺寸7 m×7 m×3.2 m；設置1座污泥濃縮池，設計出力40 m3/h，尺寸D7 m×5 m；設置2臺離心脫水機，單臺設計出力40 m3/h，系統(tǒng)配套反洗水池、反洗水收集池等，工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程Fig. 2 Process flow

2.2 系統(tǒng)現狀診斷分析

北方某電廠再生水深度處理系統(tǒng)自2007年建成以來因存在諸多問題，運行僅處于少量過水狀態(tài)，水質、水量均達不到設計要求。

（1）設計原水水質變化大，工藝流程結構不合理。由于現階段國內城市污水處理廠陸續(xù)提標改造〔5〕，再生水來水攜帶的有機物、懸浮物等污染物質大大降低，B/C、C/N值偏小，可生化性變差，曝氣生物濾池必須外加營養(yǎng)劑才能滿足處理效果；且曝氣生物濾池系統(tǒng)存在配套流程長、故障率高、處理成本大等問題。北方某電廠曝氣生物濾池實際運行存在上述問題外，還存在出水攜帶磨損濾料、脫落微生物膜等雜質，造成出水水質比進水水質差的問題。同時，該電廠機械加速澄清池進水濁度低于原設計，使澄清池上升流速大于處理低濁水時允許的上升流速〔6〕，運行形成的絮體密度小、松散、不易沉降，出水絮體上浮頻發(fā)，原池體結構難以保證在水質軟化的同時除濁，致使出水水質及穩(wěn)定性變差。

（2）澄清池泥渣層不受控，出水水質波動大。再生水深度處理系統(tǒng)的機械加速澄清池屬于泥渣循環(huán)分離型澄清池〔7〕，其運行穩(wěn)定性、抗沖擊能力、出水水質受活性泥渣層影響較大，一反區(qū)保持懸浮態(tài)的、濃度穩(wěn)定且均勻分布的活性泥渣層是關鍵所在。實際運行時，進水量需隨機組運行情況不斷調整，澄清池靠攪拌器內循環(huán)提升的懸浮泥渣量往往因來水水量、池底泥位不斷變化，活性泥渣層濃度不受控等影響，難以同步形成穩(wěn)態(tài)的活性泥渣層。較大濃度的活性泥渣層易造成泥渣內循環(huán)路徑堵塞，泥渣回流不暢；過小濃度的活性泥渣層易形成較輕絮體，沉降效果差，甚至引發(fā)“翻池”現象。

（3）系統(tǒng)排泥濃度變化大，脫水設備運行效果差。北方某電廠再生水深度處理的排泥系統(tǒng)采用人工經驗“排泥—泥漿池—污泥濃縮池”的方式。人工經驗排泥隨意性大，容易使污泥濃度的不確定性增加；且由于石灰污泥易沉淀，更加容易造成從泥漿池所抽污泥的濃度變化過快或幅度過大；污泥濃縮池可將污泥含水率由97%～98%濃縮至94%～95%，濃縮后的污泥濃度無法滿足脫水設備進料的要求。石灰污泥的流動性差和現有排泥系統(tǒng)的配置使排泥時機、排泥量、排泥濃度均難以控制，易造成所排污泥濃度變化較大、變化過快，引發(fā)脫水設備扭矩過大或頻繁跳機，導致脫水設備無法穩(wěn)定運轉。

（4）加藥系統(tǒng)易堵塞，加藥位置不合理。北方某電廠基建時再生水處理石灰加藥系統(tǒng)采用“干法”投加方式〔8〕。由于干法投加石灰受水氣的影響易返潮板結、下粉口易形成反拱斷料、配藥濃度不精確、設備選型不當、管路設計不合理、管路沖洗不徹底等原因導致系統(tǒng)無法可靠連續(xù)運行，基本處于癱瘓狀態(tài)；同時，基建時澄清池混凝劑、助凝劑、石灰加藥點位于反應區(qū)表面，與原水混合不均勻，反應不充分，難以滿足混凝、軟化反應所必需的條件，致使混凝、軟化反應效果不佳。

3 系統(tǒng)技術改進研究

（1）優(yōu)化結構設計，縮短工藝流程。對原系統(tǒng)結構設計進行優(yōu)化：機械加速澄清池二反區(qū)下部外喇叭在原有基礎上加長裙邊，清水區(qū)設置斜板。加長裙邊能夠增加脫穩(wěn)絮體礬花水力流程；設置斜板增加了沉淀面積，提高懸浮顆粒去除率和表面水力負荷，以適應低濁水的處理。同時增加曝氣生物濾池超越管路和廢棄斜板沉淀池及配套系統(tǒng)縮短了工藝流程以適應改變后的水質。廢棄泥漿池、污泥濃縮池及配套系統(tǒng)，重設污泥預處理系統(tǒng)；廢棄“干法”石灰加藥系統(tǒng)，重設“濕法”石灰制備投加系統(tǒng)，有效提高了系統(tǒng)運行的可靠率，降低了運行維護的檢修量。

（2）調整泥渣形成機理，提供穩(wěn)態(tài)吸附環(huán)境。將內循環(huán)機械提升形成泥渣層的方式改進為外循環(huán)機械強制定量供給活性泥渣的方式，自主控制提供必要的混凝反應環(huán)境。采用自動排泥系統(tǒng)實現外循環(huán)強制供給活性泥渣功能，如圖3所示。正?；亓髂Ｊ竭\行時，污泥泵的頻率跟隨澄清池進水流量的變化而變化，使回流活性泥渣量為進水流量的5%，使進入澄清池反應區(qū)的活性泥渣密度保持穩(wěn)定。澄清池進水累計量達到預設值時，自動切換排泥模式，按照修正后的排泥時間及時排除累積的老化污泥。排泥結束后，自動切換至回流模式。

（3）重構排泥方式，均質污泥濃度。針對系統(tǒng)排泥濃度變化大，脫水設備運行效果差的問題，首先設計了帶污泥回流的混凝沉淀反應器自動排泥系統(tǒng)〔9〕。該系統(tǒng)通過設定澄清池進水累積量及排泥基礎時間實現間斷排泥，并根據監(jiān)測的污泥密度值修正排泥基礎時間控制澄清池泥位恒定；石灰軟化產生污泥的主要成分為CaCO3，按式（1）的修正系數k〔10〕調節(jié)排泥量進而保證澄清池污泥密度在較窄范圍內。

同時在自動排泥系統(tǒng)后串聯(lián)污泥緩沖調質系統(tǒng)〔11〕。系統(tǒng)包含緩沖調制器、污泥攪拌泵、調質稀釋模塊和自動沖洗模塊；緩沖調制器采用圓桶錐底結構，有效解決污泥沉積設備壁及底的問題；污泥攪拌泵能夠避免罐內污泥沉淀并實現污泥均質；調質稀釋模塊解決污泥濃度偏高的問題；自動沖洗模塊防止管路污泥沉積的現象。采用“自動排泥+污泥均質”方法實現污泥濃度的精細化調節(jié)，能夠確保脫水設備安全穩(wěn)定運行。自動排泥?污泥均質系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 自動排泥-污泥均質系統(tǒng)Fig. 3 Automatic desilting-sludge homogenization system diagram

（4）改進制備重設加藥，實現藥品精準投加。采用水處理熟石灰投加方式改進石灰制備投加系統(tǒng)〔12?13〕，石 灰制備投 加系統(tǒng)如 圖4所示。采用防 堵型擾動式粉狀物料計量輸送裝置配制固定濃度的石灰乳溶液（2%～5%）〔14〕。石灰投加采用大流量循環(huán)管路和石灰調節(jié)閥方法，通過澄清池二反區(qū)pH及進水量雙回路反饋閉環(huán)調節(jié)石灰調節(jié)閥開度〔8〕，使二反區(qū)pH穩(wěn)定在10～10.3之間〔15〕；加藥泵的進口設置透明管及沖洗系統(tǒng)用來判斷管路堵塞情況和控制沖洗效果。本工程將助凝劑、凝聚劑加藥方式改為混合器投加，混合器設于澄清池內進水管上，實現水力預混凝，延長混凝反應時間，石灰加藥點設于澄清池一反區(qū)內進水口，借助攪拌器攪拌與預混凝原水、回流泥渣及時發(fā)生共沉淀。通過調整藥品投加位置能夠實現精準加藥。

圖4 石灰制備投加系統(tǒng)Fig. 4 Lime preparation dosing system

4 研究成果應用與調試結果分析

4.1 研究成果應用

結合北方某電廠再生水深度處理系統(tǒng)現狀，提出改進方案：

（1）增設曝氣生物濾池旁通管路，曝氣生物濾池旁路運行。

（2）將澄清池一反區(qū)桶底與傘型罩連接處圓盤由D1 700 mm封堵為D500 mm；攪拌器改進為可變速雙螺旋槳葉式攪拌器，轉速20～200 r/min；設置從污泥泵出口至一反區(qū)進水口中心位置的強制外循環(huán)泥渣回流供給管路，通過跟蹤澄清池進水流量的5%來調節(jié)污泥泵頻率，保證在一反區(qū)形成濃度穩(wěn)定的活性泥渣層。

（3）澄清池二反區(qū)下部外喇叭狀的分隔板在原有60°傾角裙邊的基礎上加長500 mm，清水區(qū)水面下1.5 m處增加60°傾角的斜板，水力停留時間由原來的1.45 h延長至1.6 h。

（4）澄清池排泥采用自動排泥，設置3臺污泥泵，流量為40 m3/h，揚程為30 m，變頻，進口與澄清池排泥管連接，出口回流管路設置污泥密度計，通過澄清池進水累積量、污泥密度、設定排泥時間等計算控制排泥時機及排泥量。

（5）污泥均質系統(tǒng)設60 m3的立式污泥緩沖罐，直筒段下部連接60°錐底，設置2臺污泥攪拌泵，流量為30 m3/h，揚程為20 m，從錐底抽吸污泥回流至罐頂，均質污泥濃度，確保離心脫水機進料濃度維持在2%～4%。

（6）石灰系統(tǒng)采用“濕法”制備投加方式，設置2套制備能力為2 000 kg/h的石灰制備裝置，配套2臺8 m3制 備 箱，1臺10 m3溶 液 箱，2臺 石 灰 乳 輸送泵、2臺石灰乳加藥泵；石灰乳制備質量分數為2%～5%，石灰乳加藥泵出口設置大流量循環(huán)管路（DN65），通過澄清池一反區(qū)設置的調節(jié)陶瓷閥（DN25）控制石灰乳投加量，剩余石灰乳回流至溶液箱；石灰乳輸送泵、石灰乳加藥泵進口管路設置透明管及沖洗管路，在每次配制石灰乳結束時沖洗30 s。

（7）在澄清池進水管處設置助凝劑、凝聚劑加藥管道混合器，采用水力混合方式預混凝；在澄清池一反區(qū)桶內進水口中心位置設置DN25石灰加藥管，并設自動沖洗管路。

技術改進后的再生水深度處理系統(tǒng)工藝流程如圖5所示。

圖5 改進的工藝流程Fig. 5 Improved process flow

4.2 調試結果分析

北方某電廠再生水深度處理系統(tǒng)進行上述技術改進。根據機組負荷需要，單列處理水量約750～950 m3/h，經優(yōu)化加藥調試，各類藥劑投加量分別為：凝聚劑（聚合硫酸鐵）12 mg/L，助凝劑（聚丙烯酰胺）（離心脫水機助凝劑加藥量）150 mg/L，軟化劑（氫氧化鈣）150 mg/L，中和劑（濃硫酸）50 mg/L，殺菌劑（次氯酸鈉）3 mg/L。

澄清池二反區(qū)pH控制在10.1～10.3范圍內，系統(tǒng)出水濁度、暫時硬度、總硬度分別如圖6、圖7所示。

圖6 系統(tǒng)出水濁度變化Fig. 6 Turbidity change diagram of effluent water of the system

圖7 系統(tǒng)出水硬度變化Fig. 7 Change diagram of system effluent hardness

由圖6、圖7可知，系統(tǒng)出水濁度為0.71 NTU，暫時硬度為0.65 mmol/L，總硬度為4.11 mmol/L，暫硬去除率為84%，總硬去除率為32%。澄清池排泥經計算控制每累積進水3 000 m3自動排泥1次，排泥量為20 m3，排泥時間為30 min，并根據污泥密度值修正排泥時間，澄清池污泥密度顯示值變化見圖8。

圖8 澄清池污泥密度顯示值變化Fig. 8 Change diagram of sludge density display value of clarifier

由圖8可知，實際運行污泥密度基本穩(wěn)定在1.075 g/cm3，澄清池二反區(qū)絮體礬花密實繁多且均勻，離心脫水機運行扭矩基本維持在30%左右，泥餅含水率接近75%，濾液清。經技術改進后，恢復系統(tǒng)出力，出水水質優(yōu)于回用標準，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，自動化程度提高。

4.3 技術改進效益分析

根據2016年—2018年機組負荷情況，北方某電廠循環(huán)水補充水量約980 m3/h，再生水深度處理系統(tǒng)改造前，自來水補水量約450 m3/h，再生水補水量約530 m3/h。系統(tǒng)改進后，恢復加藥、脫泥系統(tǒng)，循環(huán)冷卻用水水源采用再生水，補水980 m3/h，自來水作為備用水源。系統(tǒng)運行成本主要考慮藥劑費、電費、泥餅處置費，經濟效益主要體現在水源更換后節(jié)約的取水費。經測算，工程投運后電廠單位用水成本由4.01元降至2.21元，噸水運行成本為0.71元，節(jié)約取水費1 497.6萬元，每年節(jié)約用水成本1 130萬元，每年減少自來水取水量及再生水排放量288萬t，經濟、環(huán)境效益顯著，達到節(jié)水減排的目的，效益分析見表2。

表2 效益分析Table 2 Benefit analysis

5 結論

（1）針對火電廠再生水深度處理系統(tǒng)存在的問題，提出針對性的改進方案，并在北方某電廠實際應用，調試后恢復系統(tǒng)出力，出水濁度為0.71 NTU，暫硬為0.65 mmol/L，總硬度為4.11 mmol/L，濁度去除率為80%，暫硬去除率為84%，總硬去除率為32%，澄清池污泥密度基本穩(wěn)定在1.075 g/cm3，脫水機運行扭矩維持在30%左右，泥餅含水率接近75%，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，出水水質指標符合設計要求，自動化程度高。

（2）采用基于“自動排泥+污泥均質”污泥預處理方法、主動外循環(huán)定量活性污泥供給方法和帶回流及雙饋調節(jié)“濕法”石灰投加方法等技術改進方法在再生水深度處理工程實際中的運用效果良好，表明該改進方法是合理、可行、可實施的，對相關企業(yè)開展再生水深度處理技術的改進工作具有借鑒意義。

（3）火電廠再生水深度處理系統(tǒng)恢復運行，可大幅減少新鮮水用量，符合國家發(fā)展戰(zhàn)略總體要求，具有良好的經濟、環(huán)境效益。