電廠脫硫廢水的零排放技術(shù)

陳寶榮 陳新梅

（江蘇闞山發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221134）

0 引言

由于我國用電量急劇增加，燃燒煤炭釋放的污染氣體也有所增加。為了減少這些污染氣體的產(chǎn)生，脫硫技術(shù)快速發(fā)展。常見的脫硫技術(shù)有以下4 種：濕式洗滌器、噴霧干式洗滌器、吸附劑注射和可再生工藝[1]。由于石灰石煙氣脫硫系統(tǒng)的脫硫廢水含鹽濃度高，腐蝕設(shè)備，因此脫鹽效率很低。需要定期對脫硫漿進行稀釋，用水清洗設(shè)備的同時排放脫硫廢水[1]。

目前，電廠脫硫廢水由于成分復(fù)雜，通常含有懸浮固體、鹽（氯、硫酸鹽）和鎘、鉛和汞等重金屬，其通常呈酸性，會引起設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢等問題[2]。表1 為安徽省某電廠脫硫廢水中的主要離子濃度，其中含有不能充分利用的鎂離子和氯離子。隨著脫硫廢水循環(huán)，氯離子濃度增加，使廢水呈酸性。石灰石的溶解被抑制，導(dǎo)致腐蝕。因此，不正確處理脫硫廢水就會造成嚴重的環(huán)境問題[1]。

表1 某電廠脫硫廢水中主要離子濃度

目前，低溫濃縮-高溫蒸發(fā)工藝、膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶工藝以及離子置換電滲析-蒸發(fā)工藝是目前電廠廢水零排放的主流工藝。其中，與其他兩種工藝相比，膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶工藝效果更穩(wěn)定、投資運行成本低以及具有一定經(jīng)濟效益[3]。對此，該文以某電廠廢水零排放技術(shù)的運行數(shù)據(jù)為依托，詳細分析了膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)在該項目中的應(yīng)用情況，以期為電廠脫硫廢水的零排放技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 項目概述

某電廠始建于2005 年，主要用于供給電網(wǎng)用電和工業(yè)園區(qū)供熱，共配備2 臺裝機容量為60 萬kW 的發(fā)電機，年發(fā)電量約為50 億度。由于建設(shè)久遠，因此其產(chǎn)生的脫硫廢水水質(zhì)波動大、鈣鎂離子含量高。由于國家對電力能源行業(yè)的改革，該電廠開始進行電廠脫硫廢水的無害化和零排放處理。

對該某電廠采用膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶工藝進行脫硫廢水處理。其主要原理是脫硫廢水經(jīng)過預(yù)處理，然后通過膜法濃縮。最后，對廢水進行蒸發(fā)和結(jié)晶，以實現(xiàn)脫硫廢水的零排放。其設(shè)計的進水指標為pH7~9，COD 80mg/L~100mg/L，氯離子11000mg/L~1500mg/L，BOD3.8mg/L~4.0mg/L。出水指標符合我國回用水指標標準，末端產(chǎn)物的蒸發(fā)結(jié)晶達到《工業(yè)鹽》一級標準[4]。

2 運行情況

2.1 處理水質(zhì)和工藝流程

由于膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶工藝成本最低，因此該文主要對其工藝的應(yīng)用進行分析。某電廠煙氣脫硫系統(tǒng)均采用濕法脫硫工藝，廢水量共計40 m3/h，水質(zhì)情況見表2，符合設(shè)計要求。由表2 可知，該進水水質(zhì)鈣鎂含量以及鈉和氯離子含量高，屬于高硬度和高含鹽廢水。

表2 某電廠煙氣脫硫廢水設(shè)計水質(zhì)

某電廠脫硫廢水先通過泵送至廢水收集池進暫存和均質(zhì)。該項目的廢水收集池為地上池，做了密閉防腐以及配套除臭系統(tǒng)。由于該廢水COD 和化學(xué)需氧量較低，因此可以存放一段時間，無須擔心因為處于厭氧條件下進而酸化。經(jīng)過緩存和調(diào)節(jié)水質(zhì)水量后，廢水進入反應(yīng)池去除鈣鎂離子。隨后泵送至管式膜系統(tǒng)和納濾系統(tǒng)去除鹽離子。進膜系統(tǒng)處理后的廢水進入SCRO 和DTRO 膜系統(tǒng)，對廢水進行減量。最后將濃縮液送至MVR 蒸發(fā)器，對固體鹽進行提純。同時反應(yīng)池和管式膜的污泥分布進入污泥機和污泥池，隨后一起外運至碳酸鈣漿液取脫硫塔。納濾系統(tǒng)產(chǎn)生的濃縮液和污泥脫水機產(chǎn)生的廢水，又重新泵送至廢水收集池暫存[5]。工藝流程如圖1 所示。

圖1 零排放工藝流程圖

圖2 雙模系統(tǒng)截留率和回收率

2.2 運行效果簡析

針對某電廠煙氣脫硫廢水的硬度高和總含鹽量高的特點，在預(yù)處理階段，設(shè)置石灰、氫氧化鈉和碳酸鈉藥劑的加藥裝置，用來去除鎂、鈣離子。同時設(shè)置管式超濾膜用來去除重金屬離子。同時，增加分鹽設(shè)備，進一步進行分鹽處理，并對高品質(zhì)工業(yè)鹽、高品質(zhì)石灰石漿液進行回收，減少固體廢物的排放量。膜濃縮單元采用雙模系統(tǒng)（SCRO+DTRO），主要對廢水進行濃縮減量，使后續(xù)的產(chǎn)廢水量降低了75%。在最后的蒸發(fā)結(jié)晶階段，該電廠設(shè)置納濾分鹽系統(tǒng)，保證后續(xù)產(chǎn)鹽和減量穩(wěn)定[5]。

進入零排放工藝的水量為40 m3/h，進入蒸發(fā)結(jié)晶的水量約為10 m3/h，經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶后，系統(tǒng)后端出水為0。經(jīng)過預(yù)處理和管式超濾膜過濾后的產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，滿足DTRO進水要求，系統(tǒng)產(chǎn)水量為40 m3/h。

該零排放工藝共設(shè)置2 套 DTRO 和SCRO 裝置，總處理量均為8 m3/h，濃水進入蒸發(fā)結(jié)晶處理單元進行蒸發(fā)結(jié)晶處理。進入DTRO 處理單元的廢水經(jīng)初步濃縮減量，回收率為45%。

經(jīng)雙膜系統(tǒng)后的濃鹽水含鹽量為120 000 mg/L，減水量約為8 m3/h。電廠廢水經(jīng)預(yù)處理加藥軟化和提純處理后，進入后續(xù)單元主要為高鹽廢水。高鹽分廢水進入蒸發(fā)濃縮單元后，結(jié)晶鹽析出經(jīng)干燥、打包后外售，進而實現(xiàn)廢水零排放。同時，產(chǎn)鹽達到《工業(yè)鹽》一級標準。

整體來說，該工藝對脫硫廢水的回收率高，廢水中的煤泥排干后可作為燃料回用，凝結(jié)水也可回用。然而，該工藝也受到污泥產(chǎn)率高、反滲透系統(tǒng)操作壓力高、進口膜成本高等因素的限制[6]。

3 技術(shù)分析

3.1 預(yù)處理+管式膜的去除效果分析

由表3 可知，預(yù)處理對進水COD、SO42-以及Cl-的去除效率較低，分別為8.61%、8.92%和7.45%。對水質(zhì)Ca2+和Mg2+的去除率較高，分別達到98.7%和98.9%。這可能是因為預(yù)處理中添加堿性物質(zhì)，與Ca2+和Mg2+形成沉淀。同時，管式膜通過截留分離亞納米級以及更大的懸浮物顆粒，在預(yù)處理階段去除Ca2+和Mg2+。同時，藥管式膜對水中的陰離子缺少攔截阻流的作用，因此對SO42-以及Cl-的去除效果較低。該工藝與傳統(tǒng)的“石灰+碳酸鈉軟化+沉淀池+過濾器處理”相比，大幅縮短工藝路線并減少占地面積并且產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，便于維護和管理。

表3 預(yù)處理+管式膜進水、產(chǎn)水水質(zhì)

3.2 納濾膜的去除效果分析

預(yù)處理+管式膜SO42-以及Cl-的去除效率較低，需要補充納濾系統(tǒng)對其進行去除。納濾主要是截留二價離子，使一價離子通過。通過運行數(shù)據(jù)分析，納濾系統(tǒng)對SO42-的去除率為93.4%。隨后納濾產(chǎn)生的濃縮液回流至預(yù)處理段，提高進水中 SO42-濃度，促進反應(yīng)式1 的反應(yīng)平衡，進而減少Ca2+。同時，未截留的Na+和Cl-進入后續(xù)濃縮單位，進而獲取高品質(zhì)的結(jié)晶鹽提取。

3.3 雙膜系統(tǒng)裝置效果分析

SCRO 是雙模系統(tǒng)中專門用于高鹽進水的新型膜，可以用于高鹽廢水的初步濃縮減量，具有一定抗污染特性、耐壓等級高等優(yōu)點。該研究中，經(jīng)預(yù)處理、管式膜和納濾膜的處理，進SCRO 系統(tǒng)主要是含有濃度約為1.5%的NaCl 溶液。經(jīng)SCRO 的截留技術(shù)，實現(xiàn)對NaCl 高效的攔截效果。同時，更高濃度的濃鹽水經(jīng)進入DTRO 膜，進一步濃縮減量。DTRO 后續(xù)的產(chǎn)廢水量降低75%，經(jīng)過SCRO 和DTRO 雙膜系統(tǒng)的初步濃縮后，產(chǎn)水回收率可達到 80%以上。

3.4 MVR 蒸發(fā)工藝分析

電廠脫硫廢水經(jīng)過上述預(yù)處理和初步濃縮后進入MVR 蒸發(fā)結(jié)晶段?；诩{濾系統(tǒng)的分鹽效果以及雙模系統(tǒng)的初步濃縮，進入蒸發(fā)系統(tǒng)的水中含鹽量極高（見上文）。一般來說，蒸發(fā)階段中98%以上為氯化鈉。蒸發(fā)結(jié)晶工藝通過不斷升高溫度，達到溶液的蒸發(fā)溫度后，不飽和溶液中的水份進而揮發(fā)。由于大量的能量輸入，因此該過程運行成本較高。經(jīng)過該過程后，不飽和溶液逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡腿芤?，然后再變?yōu)檫^飽和溶液。此后，溶質(zhì)即氯化鈉會從過飽和溶液中析出。該研究中采用工藝較為成熟、能耗低和運行穩(wěn)定的MVR 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，對高濃度的出水進行蒸發(fā)結(jié)晶。該項目的MVR 蒸發(fā)結(jié)晶器為閃蒸罐和結(jié)晶器高度集成的一體化設(shè)計，閃蒸罐與結(jié)晶器短程互連設(shè)計，通過協(xié)調(diào)優(yōu)化結(jié)晶器出口與閃蒸罐入口的對應(yīng)位置，設(shè)計最佳的管程方向和最短的管程距離，避免了高濃度鹽溶液在管程中出現(xiàn)結(jié)晶堵塞管道的情況，同時，最大程度地減少高濃度鹽溶液在管程流動中熱量的損失。蒸發(fā)結(jié)晶后可獲得NaCl 結(jié)晶，純度高于98.0%的NaCl。

3.5 項目運行分析

該零排放技術(shù)理論可行，調(diào)試階段和試運行階段均較為順利。但是，后續(xù)運行后，仍然出現(xiàn)一些問題。對此，該研究結(jié)合該工藝在某電廠的實際運行數(shù)據(jù)，并結(jié)合工程經(jīng)驗以及理論數(shù)據(jù)，對一些運行和技術(shù)問題進行總結(jié)。

具體分析如下：1）該項目預(yù)處理系統(tǒng)，即廢水收集池+反應(yīng)池+管式膜+納濾系統(tǒng)運行穩(wěn)定。通過檢測數(shù)據(jù)可知，進水水質(zhì)和質(zhì)量在用電高峰期存在一些波動，然而并未對整個系統(tǒng)的運行造成影響。在進行廢水收集池設(shè)計的過程中考慮了負荷系數(shù)，沒有為節(jié)約土建費用而進行縮減調(diào)整。同時，反應(yīng)池的加藥系統(tǒng)穩(wěn)定，且進行一備一用，提高處理效率。同時，隨著膜工藝的成熟，積累了有關(guān)工程經(jīng)驗，預(yù)處理與膜濃縮單元的設(shè)計與運行效果較好，為后期納濾分鹽及膜電解工藝完善改造創(chuàng)造了有利條件。2）該工藝在初步設(shè)計階段未考慮對MVR 蒸發(fā)結(jié)晶后的結(jié)晶鹽進行回收利用。該系統(tǒng)的MVR 僅用于雜鹽提純，但前期運行的過程中出現(xiàn)了因主機葉輪結(jié)垢及高COD 母液富集等導(dǎo)致蒸發(fā)過程須頻繁停機、清洗的典型問題。同時，雜鹽的后續(xù)處置較為復(fù)雜。因為其結(jié)晶效率慢，純度達不到要求，進而考慮將MVR 進行升級改造，用于結(jié)晶鹽回收。對此，該工藝在原有的設(shè)計上增設(shè)了水質(zhì)軟化處理裝置，同時在MVR 系統(tǒng)后增設(shè)三效蒸發(fā)器與母液干燥機，用以解決結(jié)構(gòu)和母液富集問題。3）確定該工藝前做過有關(guān)成本測算。該工藝的投資建設(shè)成本包括各設(shè)備購置費、廢水池、反應(yīng)池和回用水池的土建費，運行成本主要來自水電消耗、藥劑消耗以及人工成本。同時，增設(shè)水質(zhì)軟化處理裝置和三效蒸發(fā)器與母液干燥機后，工藝鹽可以抵扣一部分運行費用，同時回用水可以0.3 元/t 的費用進行抵扣。整體而言，該工藝實際運行后，發(fā)現(xiàn)運行費用較設(shè)計時基本持平，但整體需要電廠持續(xù)投入水電和消耗藥劑，且需要增設(shè)人員進行維護和管理，因此屬于固定的電廠額外開銷[7]?？紤]到該設(shè)計的設(shè)計余量較大且廢水收集池的設(shè)計負荷取值較高，因此在運行穩(wěn)定后，當該電廠在發(fā)電量處于平均和低峰時段時，將周圍的電廠的脫硫廢水進行低價處理，用來平衡開支。4）該工藝以膜系統(tǒng)為基礎(chǔ)，因此會存在膜系統(tǒng)時常更換或者維護等問題。同時，納濾系統(tǒng)產(chǎn)生的濃縮液雖進行了回用處理，但仍未做到全量化。對此，有研究發(fā)現(xiàn)，MVR法可用于膜系統(tǒng)濃縮液體的全量化處理系統(tǒng)。該模式也早已應(yīng)用于垃圾滲濾液的處理工藝中。但考慮到MVR 系統(tǒng)用于蒸發(fā)結(jié)晶后的鹽須用于后續(xù)出售，因此未將其與膜系統(tǒng)濃縮液進行協(xié)同處理。為避免膜系統(tǒng)頻繁更換，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，電廠依托廠內(nèi)酸堿藥劑對其進行反沖洗，以保證其效率。

4 結(jié)語

隨著對國內(nèi)環(huán)保意識和節(jié)能要求的不斷提高，人們越來越重視電廠脫硫廢水零液排放。將低溫濃縮-高溫蒸發(fā)工藝、膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶工藝以及離子置換電滲析-蒸發(fā)工藝在不同電廠的應(yīng)用效果進行對比，雖然3 種工藝均能在一定程度上使電廠脫硫廢水實現(xiàn)零排放，但是仍然存在如膜系統(tǒng)更換頻繁或者占地面積大等缺點。同時對膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶工藝進一步分析發(fā)現(xiàn)，其降水量穩(wěn)定、產(chǎn)鹽質(zhì)量高，可作為目前的主流工藝。

對運行情況進行進一步分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)合現(xiàn)有電廠運行情況，雖然該工藝效果可靠，但是運行成本是目前該工藝的主要問題。同時后續(xù)的膜系統(tǒng)的維護和保養(yǎng)也是難以解決的一個痛點?；诂F(xiàn)有運行數(shù)據(jù)和技術(shù)進行分析， 電廠廢水零排放技術(shù)的未來發(fā)展方向主要集中在研究和制備具有穩(wěn)定性能、易于維護且經(jīng)濟實用的膜技術(shù)，并優(yōu)化各項技術(shù)的參數(shù)，以達到更高的能源效率和處理效果，從而實現(xiàn)電廠脫硫廢水零排放的目標。