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、 延長廠區(qū)工業(yè)水的有效使用壽命， 有利于從源頭上減少廢水產(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， 鼓勵采用蒸發(fā)干燥或蒸發(fā)結(jié)晶等處理工藝， 實現(xiàn)脫硫廢水不外排。 為了響應(yīng)國家環(huán)保要求， 實現(xiàn)青山綠水的生態(tài)愿景， 科研院所、 高校、 環(huán)保企業(yè)和電廠開展了許多有益研究和實踐探索［4－5］， 在傳統(tǒng)三聯(lián)箱工藝的基礎(chǔ)上， 開發(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］實現(xiàn)對廢水資源的回收， 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)計參數(shù)及實際運行情況， 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600 MW 和2 臺660 MW 機組， 本期規(guī)劃建設(shè)4 臺1 240 MW 高效超超臨界燃煤機組， 同步建設(shè)脫硫、脫硝裝置， 并要求全廠脫硫廢水經(jīng)過處理后完全回用， 實現(xiàn)零排放。

新建4×1 240 MW 機組脫硫廢水產(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， 需經(jīng)初沉池沉淀后進(jìn)入調(diào)節(jié)池。 已建4 臺機組產(chǎn)生的20 t／h 脫硫廢水經(jīng)過原有常規(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)計水量及進(jìn)出水水質(zhì)

電廠脫硫廢水最大值為68 t／h， 實際運行水量較小， 遠(yuǎn)低于該數(shù)值， 本系統(tǒng)主要以處理新建機組產(chǎn)生的48 t／h 脫硫廢水為主， 軟化段設(shè)計水量為68 t／h， 濃縮段設(shè)計水量為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)計進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)詳見表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水回用。

表1 設(shè)計進(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： 廢水懸浮物含量相對較低， 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)時實時關(guān)注， 防止?jié)饪s后在膜表面形成沉淀， 影響膜設(shè)備的正常運行； 鹽分及Cl-濃度高， 對濃縮效率可能會產(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階段， 缺乏實際應(yīng)用的業(yè)績， 作為可實施的工程方案為時尚早。

通過對國內(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）這幾個部分展開， 可采用單一的或上述技術(shù)的組合， 來實現(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)合電廠實際需求和當(dāng)前環(huán)保要求， 本項目最終實施的廢水處理系統(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)晶的空間和場地， 可隨時根據(jù)需要進(jìn)行廢水處理系統(tǒng)的升級改造。

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）＋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， 并與其他來水由布置在池底的曝氣裝置對脫硫廢水進(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， 在一級澄清池中分離析出物。 在二級反應(yīng)池中加Na2CO3溶液， 使Ca2＋沉淀， 并在二級澄清池中泥水分離， 完成軟化要求。 澄清池污泥自流進(jìn)入污泥濃縮池， 然后通過壓濾機進(jìn)行壓濾脫水。 壓濾后的干泥餅外運處置， 濾液排至調(diào)節(jié)曝氣池。

膜濃縮的預(yù)處理工藝采用TMF 管式膜過濾工藝。 廢水送入TMF 管式膜內(nèi)， 進(jìn)行大流量錯流過濾， 固液分離， TMF 膜元件采用PVDF 材質(zhì)， 高溫?zé)Y(jié)， TMF 膜過濾孔徑小， 過濾精度高， 進(jìn)一步對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 兩級膜處理， STRO 膜元件為卷式，DTRO 膜元件為碟管式， 通過兩級在不同壓力下工作的反滲透膜完成對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)補充水， 濃水回用至一期濕除渣系統(tǒng)。

3.3 工程設(shè)計特點

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

（2） 本工藝系統(tǒng)運行穩(wěn)定， 檢修啟停簡便安全， 水質(zhì)及設(shè)備在線監(jiān)測信息全面、 自動控制程度高， 加藥調(diào)整方便靈敏， 膜系統(tǒng)操作簡單。

（3） 將STRO 進(jìn)水流道設(shè)計成開放式流道， 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)力盤采用水力學(xué)設(shè)計， 此設(shè)計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)計為可移動式撬裝系統(tǒng)， 設(shè)備可以實現(xiàn)集中、 定時處理， 能減少人工成本。 STRO 膜耐污堵能力強， 耐沖擊負(fù)荷能力強，結(jié)構(gòu)緊湊， 維護(hù)簡單， 濃縮倍數(shù)高， 移動方便。

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

（5） 針對脫硫廢水高鹽、 高硬度的特點，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。

4 主要構(gòu)筑物設(shè)計參數(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2 臺， 刮臂直徑為5 000 mm， 單臺功率為1.7 kW； 污泥泵2 臺， 1 用1 備， 單臺流量為30 m3／h， 揚程為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3 臺， 2 用1 備， 單臺風(fēng)量為13 Nm3／min， 壓力為0.07 MPa， 功率為30 kW； 廢水提升泵4 臺， 2 用2 備， 單臺流量為54 m3／h， 揚程為30 m， 功率為18.5 kW。

（3） 三聯(lián)箱。 2 列， 每列包含中和箱1 臺， 沉降箱1 臺， 絮凝箱1 臺， 單臺處理量為45 m3／h，停留時間為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4 臺， 葉輪直徑為1 100 mm， 轉(zhuǎn)速為76 r／min， 單臺功率為3 kW； 攪拌機2 臺， 葉輪直徑為1 100 mm， 轉(zhuǎn)速為38 r／min， 單臺功率為2.2 kW。

（4） 一級澄清池。 2 座， 單座出力為45 t／h，單座停留時間不小于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2 臺， 刮臂直徑為7 000 mm， 單臺功率為2.2 kW。

（5） 一級清水池。 1 座， 設(shè)2 格， 總停留時間不小于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2 臺， 單臺功率為1.1 kW； 一級清水泵3臺， 2 用1 備， 單臺流量為47 m3／h， 揚程為30 m，功率為11 kW。

（6） 二級反應(yīng)池。 2 座， 單座出力為45 t／h，單座停留時間不小于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1 臺， 葉輪直徑為1 100 mm，轉(zhuǎn)速為56 r／min， 單臺功率為3 kW。

（7） 二級澄清池。 2 座， 單座出力為45 t／h，單座停留時間不小于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2 臺，刮臂直徑為5 500 mm， 單臺功率為0.55 kW。

（8） TMF。 微濾裝置2 套， 單套處理水量不低于24 m3／h， 過濾精度為0.1 μm， 24 支膜／套， 膜設(shè)計通量為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， 2 用1 備， 單臺流量為330 m3／h， 揚程為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兩段式設(shè)置， 第一段包含STRO 循環(huán)泵1臺和STRO 膜堆1 組， 第二段包含DTRO 循環(huán)泵1臺和DTRO 膜堆1 組。 單套處理量不低于24 m3／h，整體回收率在設(shè)計工況下為70%， 其中反滲透一段（STRO）單支膜面積為30 m2， 設(shè)計通量為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)計為45%； 反滲透二段（DTRO）單支膜面積為9.405 m2， 設(shè)計通量為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)計為45.5%。

（10） 其他輔助單元。 板框壓濾機2 臺， 單臺過濾面積為320 m2， 儲泥斗容積為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)、 無機硫加藥系統(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)計加藥量滿足設(shè)計水量處理要求。

5 工程運行效果

為保證膜系統(tǒng)不會出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)垢， 在設(shè)計本系統(tǒng)之前， 經(jīng)過中試試驗確定了進(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)成功運行后， 實測進(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)計值偏低， 但Ca2＋濃度較高， 軟化加藥量與設(shè)計值變化較大， 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， 能夠連續(xù)穩(wěn)定運行。

表2 實際運行進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 2 Actual influent and effluent water quality

6 投資及運行成本

本工程概算總投資為5 520.70 萬元。 運行成本主要由電費和藥劑費用構(gòu)成， 整個系統(tǒng)用電量為13.6 kW·h／m3［廢水］， 電價以0.4 元／（kW·h）計，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， 藥劑費用為27.28元／m3［廢水］； 整個軟化濃縮系統(tǒng)運行費用為32.72元／m3［廢水］。

7 結(jié)語

（1） 本脫硫廢水軟化濃縮系統(tǒng)設(shè)計處理能力為68 t／h， 采用石灰純堿兩級軟化-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)補充水使用的要求。

（2） 本項目中整個系統(tǒng)運行成本相對較低，濃縮段噸水運行成本可控制在5 元以內(nèi)， TMFSTRO-DTRO 膜工藝的濃縮運行成本相對于蒸發(fā)濃縮而言具有較大的優(yōu)勢。

（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目。 在前端的多級軟化的基礎(chǔ)上， 采用STRO 和DTRO 組合濃縮技術(shù)， 可實現(xiàn)對高鹽廢水的高效濃縮。