燃煤電廠脫硫廢水零排放中試試驗研究

談賓賓,李濱,金娟,馬宏國,譚斌

(杭州上拓環(huán)境科技股份有限公司,浙江 杭州 311000)

燃煤電廠CaCO3-CaSO4濕法煙氣脫硫廢水中主要含有懸浮物(SS)、硫酸鹽(SO42-)、亞硫酸鹽(SO32-)、氯化物(Cl-)以及重金屬等污染物[1],其中重金屬是《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)要求嚴(yán)格控制排放的第一類污染物[2],目前燃煤電廠普遍采用的是“中和+沉淀+絮凝澄清+pH值回調(diào)”的傳統(tǒng)三聯(lián)箱處理工藝[3],該工藝因脫硫廢水水質(zhì)波動大、加藥管道污堵、加藥泵故障等原因很難長期穩(wěn)定運(yùn)行,也難以達(dá)標(biāo)排放,針對脫硫廢水的新技術(shù)新工藝的研究與開發(fā)顯得至關(guān)重要。為了解決傳統(tǒng)脫硫廢水處理工藝中存在的技術(shù)難點,我司與國內(nèi)北方某集團(tuán)下屬燃煤電廠開展技術(shù)合作,對前期所研發(fā)的“兩級軟化+管式微濾膜(TMF)+電滲析(ED)+反滲透(RO)”高濃鹽水濃縮處理技術(shù)開展工業(yè)應(yīng)用性中試研究,以驗證該工藝技術(shù)在燃煤電廠脫硫廢水零排放處理領(lǐng)域的可行性和合理性[4-7]。

1 脫硫廢水的水質(zhì)情況

脫硫廢水污染物濃度受燃料(煤種)、脫硫劑(石灰石)、工藝補(bǔ)充水水質(zhì)、脫硫島排放周期(間斷排放)等各種因素的影響,不僅不同電廠排放的脫硫廢水水質(zhì)差別大,即使同一電廠內(nèi)不同時間點所排放的脫硫廢水也千差萬別。進(jìn)入本中試系統(tǒng)的廢水雖然已經(jīng)過傳統(tǒng)脫硫廢水處理系統(tǒng)的處理,使得廢水中懸浮物、重金屬和總硬有所降低,但廢水中的Cl-、SO42-、溶解性總固體(TDS)仍較高,且對于本工藝而言,Ca2+和Mg2+還是未達(dá)到技術(shù)要求,這些離子的大量存在,易造成本中試系統(tǒng)工藝單元的結(jié)垢和污堵,影響本系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行,因此,需要結(jié)合本中試工藝路線對廢水進(jìn)行一系列單元工藝的處理。下表1為本中試工作開展所在電廠脫硫廢水經(jīng)過傳統(tǒng)處理工藝后的出水水質(zhì)。

2 工藝路線及說明

本中試工藝路線主要由預(yù)處理單元、濃縮凈化單元組成,具體工藝流程如圖1所示。脫硫廢水三聯(lián)箱出水首先輸送至試驗區(qū)調(diào)節(jié)池,進(jìn)行均質(zhì)化處理以保證進(jìn)入中試系統(tǒng)水質(zhì)的穩(wěn)定性,調(diào)節(jié)池中廢水輸送至1#反應(yīng)池后投加Ca(OH)2,并通過充分的機(jī)械攪拌使得藥劑與廢水混合反應(yīng)完全,1#反應(yīng)池中反應(yīng)后漿液輸送至沉淀池進(jìn)行沉淀,上清液溢流至2#反應(yīng)池,往2#反應(yīng)池中投加Na2CO3,也輔以機(jī)械攪拌使得藥劑與廢水充分混合反應(yīng)完全,隨后溢流至TMF系統(tǒng)濃縮池,通過TMF系統(tǒng)的高效處理,懸浮物被截留,產(chǎn)水進(jìn)入ED系統(tǒng),沉淀池和濃縮池底部均為錐底,通過氣動隔膜泵定期排放污泥以保持沉淀池上清液清澈和濃縮池懸浮物濃度。ED系統(tǒng)濃室出水進(jìn)入濃水池,淡室出水進(jìn)入淡水池,淡水池中廢水經(jīng)過RO系統(tǒng)濃縮后濃縮液返回至調(diào)節(jié)池,產(chǎn)水通過產(chǎn)水池收集后回用或排放。

圖1 中試工藝流程

3 試驗材料及方法

3.1 試驗裝置及分析儀器

本中試系統(tǒng)主要包含設(shè)備如表2所示。

表2 中試系統(tǒng)所含主要工藝設(shè)備

本中試試驗過程中所取各個工藝段水樣的分析檢測所包含的分析檢測儀器如表3所示。

表3 主要水樣分析檢測儀器

3.2 試驗過程

脫硫廢水三聯(lián)箱出水首先恒流輸送至試驗區(qū)調(diào)節(jié)池,進(jìn)行均質(zhì)化處理后輸送至1#反應(yīng)池并投加Ca(OH)2,通過充分的機(jī)械攪拌使得藥劑與廢水混合反應(yīng)完全,控制pH值在11.50,1#反應(yīng)池中反應(yīng)后漿液輸送至沉淀池充分沉淀,上清液溢流至2#反應(yīng)池,往2#反應(yīng)池中投加Na2CO3并輔以機(jī)械攪拌使得藥劑與廢水充分混合反應(yīng)完全,隨后溢流至TMF系統(tǒng)濃縮池,懸浮物被截留,控制產(chǎn)水的Ca2+質(zhì)量濃度在20 mg/L以下,進(jìn)入ED系統(tǒng),沉淀池和濃縮池底部均為錐底,通過氣動隔膜泵定期排放污泥以保持沉淀池上清液清澈和濃縮池懸浮物濃度。ED系統(tǒng)濃室出水TDS達(dá)到200 000 mg/L后進(jìn)入濃水池,淡室出水TDS達(dá)到12 000 mg/L后進(jìn)入淡水池,淡水池中廢水經(jīng)過RO系統(tǒng)濃縮后濃縮液返回至調(diào)節(jié)池,產(chǎn)水通過產(chǎn)水池收集后回用或排放。

通過上述試驗過程獲得預(yù)處理軟化加藥成本分析、ED系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和RO系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù),驗證本中試工藝路線的技術(shù)可行性和穩(wěn)定性。

4 試驗數(shù)據(jù)及分析

4.1 預(yù)處理部分結(jié)果及分析

預(yù)處理軟化試驗采用“Ca(OH)2+Na2CO3”加藥方式進(jìn)行批量式軟化,統(tǒng)計得到每批次處理水量、Ca(OH)2加藥量、Na2CO3加藥量如表4所示。

表4 軟化預(yù)處理水量和加藥濃度統(tǒng)計情況

脫硫廢水經(jīng)過兩級化學(xué)軟化后進(jìn)入TMF濃縮池,通過TMF系統(tǒng)的過濾去除軟化過程中形成的Mg(OH)2、CaCO3等懸浮物。通過分析TMF產(chǎn)水水質(zhì)情況,得到如表5所示結(jié)果。

表5 TMF產(chǎn)水水質(zhì)情況

由表5所示水質(zhì)結(jié)果可以看出,經(jīng)過“兩級軟化+TMF系統(tǒng)”過濾處理之后廢水中Ca2+、Mg2+、SiO2和SS等污染因子均得到有效去除,完全滿足ED系統(tǒng)對進(jìn)水水質(zhì)的要求。

4.2 ED系統(tǒng)部分

將經(jīng)過兩級軟化處理并由TMF系統(tǒng)過濾去除懸浮物后的產(chǎn)水用鹽酸調(diào)節(jié)pH值至6.00～7.50,作為ED系統(tǒng)試驗用水。

4.2.1 操作電壓及電流

ED系統(tǒng)運(yùn)行過程中,膜堆控制操作電壓為55 V,每隔1 h分別記錄系統(tǒng)的操作電流、膜堆電壓、膜堆電流等數(shù)據(jù),最終計算膜電阻結(jié)果,得出運(yùn)行參數(shù)隨運(yùn)行時間變化如下圖2所示。

a.電壓;b.電流;c.電阻

從上圖2可以看出,在操作電壓維持不變的情況下,電流基本維持在11～16 A之間波動變化,膜電阻隨著電流變化而呈反相關(guān)變化趨勢,平均膜電阻為4.19 Ω。

4.2.2 濃室和淡室水質(zhì)分析結(jié)果

根據(jù)ED膜系統(tǒng)運(yùn)行過程中對淡室和濃室電導(dǎo)率的實時監(jiān)測所得結(jié)果,可得到如下圖3所示淡室和濃室電導(dǎo)率隨運(yùn)行時間變化趨勢。

圖3 ED膜淡室和濃室電導(dǎo)率隨運(yùn)行時間變化

由上圖3可以看出隨著系統(tǒng)的不斷運(yùn)行,淡室電導(dǎo)率有所下降,下降至12.00 mS/cm左右后基本維持穩(wěn)定,濃室電導(dǎo)率上升至197.00 mS/cm以上后也能維持穩(wěn)定。

根據(jù)ED膜系統(tǒng)濃室、淡室所取水樣水質(zhì)檢測結(jié)果,匯總?cè)绫?和表7所示。

表6 ED膜淡室水質(zhì)情況

表7 ED膜濃室水質(zhì)情況

由上表6和表7可以看出,運(yùn)行穩(wěn)定后淡室TDS能保證在12 000 mg/L以下,濃室TDS能一直維持在200 000 mg/L以上。

4.2.3 ED膜噸水電耗分析

根據(jù)ED系統(tǒng)運(yùn)行電壓和電流數(shù)據(jù),結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行處理水量,經(jīng)過核算得到噸水處理能耗隨運(yùn)行時間變化趨勢如下圖4所示。

圖4 ED膜濃縮噸水電耗隨運(yùn)行時間變化

由上圖4可以看出,隨著系統(tǒng)的不斷運(yùn)行,噸水電耗先不斷升高,此時運(yùn)行情況尚不穩(wěn)定,處于運(yùn)行參數(shù)摸索階段,待穩(wěn)定后噸水電耗維持在6.00～6.50 kWh/m3范圍內(nèi),噸水平均電耗為6.75 kWh/m3左右。

4.3 RO系統(tǒng)部分

ED系統(tǒng)淡室TDS降至12 000 mg/L以下后所得料液作為RO系統(tǒng)的進(jìn)水,通過RO系統(tǒng)的濃縮處理得到濃縮液和產(chǎn)水,膜通量為15 LMH,回收率控制在70%～75%之間,濃縮液TDS與脫硫廢水保持一致,回流至調(diào)節(jié)池,產(chǎn)水可作為回用水進(jìn)行回用。

4.3.1 運(yùn)行壓力及壓差

反滲透系統(tǒng)運(yùn)行過程中,分別記錄系統(tǒng)的運(yùn)行壓力、壓差變化情況,其結(jié)果分別如下圖5所示。

圖5 RO系統(tǒng)進(jìn)出膜壓力及壓差變化

設(shè)備運(yùn)行過程中,操作壓力出現(xiàn)不斷波動的現(xiàn)象,經(jīng)過對運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析,基本可以得出操作壓力的升高與濃水濃度的變化有關(guān),操作壓力與濃水電導(dǎo)率隨運(yùn)行時間變化趨勢如下圖6所示。

圖6 RO系統(tǒng)進(jìn)膜壓力和濃水電導(dǎo)隨時間變化

由上圖6可知,RO系統(tǒng)進(jìn)膜壓力的升高趨勢基本與濃水電導(dǎo)率的變化趨勢吻合,說明壓力的升高原因是系統(tǒng)鹽分濃度引起的,并非是膜元件污堵所引起。

4.3.2 脫鹽率分析結(jié)果

本套反滲透系統(tǒng)簡易流程圖如下圖7所示,其中各個流量說明如下:

圖7 RO裝置簡易流程圖

根據(jù)上圖7及說明,可得出系統(tǒng)脫鹽率和單支膜脫鹽率計算公式如式(1)和(2)、(3)。

系統(tǒng)脫鹽率=(系統(tǒng)進(jìn)水電導(dǎo)-系統(tǒng)產(chǎn)水電導(dǎo))/系統(tǒng)進(jìn)水電導(dǎo)×100%

(1)

單支膜脫鹽率=(進(jìn)膜電導(dǎo)-產(chǎn)水電導(dǎo))/進(jìn)膜電導(dǎo)×100%

我國包括武隆在內(nèi)的大部分亟需脫貧的地區(qū)，基層社會自治水平有待提高，民間自治意識、自治能力和自治文化都需要逐步培養(yǎng)，這將是一個相對長期艱難的過程。通過學(xué)習(xí)楓橋經(jīng)驗、“三事分流”和“三社聯(lián)動”等有代表性的基層治理方式，在脫貧后扶中，武隆區(qū)也需要循序漸進(jìn)推進(jìn)村民自治，讓鄉(xiāng)村治理重心下移，切實把資源、服務(wù)、管理放下去，培育服務(wù)性、公益性、互助性農(nóng)村社會組織，發(fā)展農(nóng)村社會工作和志愿服務(wù)，減少對農(nóng)村的考核評比、創(chuàng)建達(dá)標(biāo)、檢查督查，發(fā)揮好、維護(hù)好村民委員會、農(nóng)村集體經(jīng)濟(jì)組織、農(nóng)村合作經(jīng)濟(jì)組織的積極性和主動性，從而有利于提高全區(qū)人民自發(fā)進(jìn)行基層治理的參與程度，實現(xiàn)穩(wěn)定脫貧，避免再返貧。

(2)

進(jìn)膜電導(dǎo)=(系統(tǒng)進(jìn)水電導(dǎo)×Q1+系統(tǒng)濃水電導(dǎo)×Q4)/Q2

(3)

其中:Q1——系統(tǒng)進(jìn)水量,m3/h;

Q2——膜殼進(jìn)水量,m3/h;

Q3——系統(tǒng)產(chǎn)水量,m3/h;

Q4——系統(tǒng)循環(huán)量,m3/h;

Q5——膜殼出水量,m3/h;

由于膜系統(tǒng)試驗設(shè)備水量小,膜支數(shù)少(1～2支),系統(tǒng)實際處理水量無法達(dá)到8英寸膜元件所需的濃水流量(保證濃水側(cè)膜面流速),為了保證每套膜系統(tǒng)膜殼濃水側(cè)的流量,系統(tǒng)需設(shè)計循環(huán)回流(內(nèi)循環(huán)或外循環(huán)),本中試裝置均設(shè)置了在線循環(huán)泵實現(xiàn)了內(nèi)循環(huán)。

根據(jù)反滲透膜系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)水、濃水、產(chǎn)水水質(zhì)檢測結(jié)果,分別按照公式(1)、(2)、(3)計算反滲透膜系統(tǒng)的脫鹽率,其結(jié)果如表8所示。

表8 RO膜系統(tǒng)脫鹽率情況

通過對RO膜系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析,RO膜系統(tǒng)脫鹽率隨運(yùn)行時長的變化趨勢如下圖8所示。

圖8 RO膜系統(tǒng)運(yùn)行過程中脫鹽率的變化

通過上表8水樣檢測結(jié)果計算所得脫鹽率和圖8系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)計算所得脫鹽率基本保持一致,系統(tǒng)平均脫鹽率在97.27%以上,單支1#反滲透膜平均脫鹽率在99.24%左右。

5 結(jié)論

(1)利用“兩級軟化+TMF+ED+RO”對脫硫廢水進(jìn)行預(yù)處理和膜濃縮是切實可行的處理工藝。

(2)預(yù)處理段加藥成本約為72元/m3,預(yù)處理段的管式超濾膜的特殊結(jié)構(gòu)使得含高濃度懸浮物的水流透過膜后,再透過多孔支撐材料,進(jìn)入產(chǎn)水側(cè)(水得到澄清),被攔截的懸浮物在大流量沖刷下,不會富集于膜的表面,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絮凝沉淀或澄清工藝。

(3)ED系統(tǒng)對軟化預(yù)處理后的脫硫廢水濃縮試驗表明,ED可將脫硫廢水的含鹽量濃縮至20%以上,RO系統(tǒng)的產(chǎn)水TDS在350 mg/L以下,系統(tǒng)運(yùn)行期間ED膜堆壓差沒有明顯變化,TMF和RO系統(tǒng)操作壓力和壓差沒有明顯升高,各單元系統(tǒng)污染較小,ED濃縮液可進(jìn)入后續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)或煙道蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行終端處理。