慕時(shí)榮,周 宇,葉治安 ,王紹曾 ,康少鑫 ,徐兆郢 ,王飛
(1.西安西熱水務(wù)環(huán)保有限公司,陜西西安 710054; 2.中國(guó)華能集團(tuán)有限公司,北京 100031;3.北方聯(lián)合電力包頭第三熱電廠,內(nèi)蒙古包頭 014017)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化率的不斷提高,水資源短缺問(wèn)題日趨嚴(yán)重。國(guó)家“水十條”中明確提出“三條紅線”、“四項(xiàng)制度”等核心內(nèi)容。為實(shí)現(xiàn)用水總量控制、提高水資源利用率和分級(jí)分質(zhì)利用的目標(biāo),要求各行業(yè)節(jié)約用水、逐步實(shí)現(xiàn)廢水資源化利用。據(jù)調(diào)查,在全國(guó)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(kāi)展循環(huán)水深度節(jié)水工作是火電廠亟待解決的問(wèn)題。
近年來(lái)由于地表水、地下水、水庫(kù)水等新鮮水取水指標(biāo)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(bǔ)充水使用。再生水中成垢離子堿度、硬度偏高,進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)濃縮后易產(chǎn)生CaCO3結(jié) 垢;COD、BOD5、NH3?N含量較 高導(dǎo)致 循環(huán)水 富營(yíng)養(yǎng)化,易產(chǎn)生黏泥及微生物腐蝕〔4〕。火電廠再生水深度處理系統(tǒng)多采用“曝氣生物濾池?機(jī)械加速澄清池?變孔隙濾池”工藝去除水中的污染物質(zhì),使出水水質(zhì)達(dá)到《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50050—2017)標(biāo)準(zhǔn)要求,工藝流程見(jiàn)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
調(diào)研發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)多數(shù)火電廠再生水深度處理系統(tǒng)運(yùn)行效果不佳,達(dá)不到最初設(shè)計(jì)出力及出水水質(zhì)。筆者以北方某電廠為例,總結(jié)歸納了系統(tǒng)主要存在的問(wèn)題。
北方某電廠敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)充水水源采用自來(lái)水與城市再生水,其摻混體積比約1∶1.2,自來(lái)水來(lái)水水質(zhì)滿足《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50050—2017)標(biāo)準(zhǔn)要求,直補(bǔ)冷卻塔。再生水水源采用北郊污水廠處理的出水,出水水質(zhì)由執(zhí)行2000年的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)?016年提標(biāo)后的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
北方某電廠再生水深度處理系統(tǒng)采用“曝氣生物濾池+機(jī)械加速澄清池(石灰軟化)+變孔隙濾池”工藝,系統(tǒng)設(shè)計(jì)出力2×800 m3/h,出水水質(zhì)滿足《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 50050—2017)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表1。
表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)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(shè)置8座曝氣生物濾池,單座設(shè)計(jì)出力230 m3/h,尺寸12 m×8 m×7 m;設(shè)置2座機(jī)械加速澄清池,單座設(shè)計(jì)出力800 m3/h,尺寸D24 m×7.5 m;設(shè)置6座變孔隙濾池,單座設(shè)計(jì)出力320 m3/h,尺寸6 m×4.5 m×5 m;設(shè)置1座斜管沉淀池,設(shè)計(jì)出力100 m3/h,尺寸7 m×5 m×7.2 m;設(shè)置1座泥漿池,尺寸7 m×7 m×3.2 m;設(shè)置1座污泥濃縮池,設(shè)計(jì)出力40 m3/h,尺寸D7 m×5 m;設(shè)置2臺(tái)離心脫水機(jī),單臺(tái)設(shè)計(jì)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(jiàn)圖2。
圖2 工藝流程Fig. 2 Process flow
北方某電廠再生水深度處理系統(tǒng)自2007年建成以來(lái)因存在諸多問(wèn)題,運(yùn)行僅處于少量過(guò)水狀態(tài),水質(zhì)、水量均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。
(1)設(shè)計(jì)原水水質(zhì)變化大,工藝流程結(jié)構(gòu)不合理。由于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)城市污水處理廠陸續(xù)提標(biāo)改造〔5〕,再生水來(lái)水?dāng)y帶的有機(jī)物、懸浮物等污染物質(zhì)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(yíng)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(zhǎng)、故障率高、處理成本大等問(wèn)題。北方某電廠曝氣生物濾池實(shí)際運(yùn)行存在上述問(wèn)題外,還存在出水?dāng)y帶磨損濾料、脫落微生物膜等雜質(zhì),造成出水水質(zhì)比進(jìn)水水質(zhì)差的問(wèn)題。同時(shí),該電廠機(jī)械加速澄清池進(jìn)水濁度低于原設(shè)計(jì),使澄清池上升流速大于處理低濁水時(shí)允許的上升流速〔6〕,運(yùn)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(jié)構(gòu)難以保證在水質(zhì)軟化的同時(shí)除濁,致使出水水質(zhì)及穩(wěn)定性變差。
(2)澄清池泥渣層不受控,出水水質(zhì)波動(dòng)大。再生水深度處理系統(tǒng)的機(jī)械加速澄清池屬于泥渣循環(huán)分離型澄清池〔7〕,其運(yùn)行穩(wěn)定性、抗沖擊能力、出水水質(zhì)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(guān)鍵所在。實(shí)際運(yùn)行時(shí),進(jìn)水量需隨機(jī)組運(yùn)行情況不斷調(diào)整,澄清池靠攪拌器內(nèi)循環(huán)提升的懸浮泥渣量往往因來(lái)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(nèi)循環(huán)路徑堵塞,泥渣回流不暢;過(guò)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(xiàn)象。
(3)系統(tǒng)排泥濃度變化大,脫水設(shè)備運(yùn)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(jīng)驗(yàn)“排泥—泥漿池—污泥濃縮池”的方式。人工經(jīng)驗(yàn)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(guò)快或幅度過(guò)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(wú)法滿足脫水設(shè)備進(jìn)料的要求。石灰污泥的流動(dòng)性差和現(xiàn)有排泥系統(tǒng)的配置使排泥時(shí)機(jī)、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(guò)快,引發(fā)脫水設(shè)備扭矩過(guò)大或頻繁跳機(jī),導(dǎo)致脫水設(shè)備無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
(4)加藥系統(tǒng)易堵塞,加藥位置不合理。北方某電廠基建時(shí)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(jié)、下粉口易形成反拱斷料、配藥濃度不精確、設(shè)備選型不當(dāng)、管路設(shè)計(jì)不合理、管路沖洗不徹底等原因?qū)е孪到y(tǒng)無(wú)法可靠連續(xù)運(yùn)行,基本處于癱瘓狀態(tài);同時(shí),基建時(shí)澄清池混凝劑、助凝劑、石灰加藥點(diǎn)位于反應(yīng)區(qū)表面,與原水混合不均勻,反應(yīng)不充分,難以滿足混凝、軟化反應(yīng)所必需的條件,致使混凝、軟化反應(yīng)效果不佳。
(1)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),縮短工藝流程。對(duì)原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化:機(jī)械加速澄清池二反區(qū)下部外喇叭在原有基礎(chǔ)上加長(zhǎng)裙邊,清水區(qū)設(shè)置斜板。加長(zhǎng)裙邊能夠增加脫穩(wěn)絮體礬花水力流程;設(shè)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(fù)荷,以適應(yīng)低濁水的處理。同時(shí)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(yīng)改變后的水質(zhì)。廢棄泥漿池、污泥濃縮池及配套系統(tǒng),重設(shè)污泥預(yù)處理系統(tǒng);廢棄“干法”石灰加藥系統(tǒng),重設(shè)“濕法”石灰制備投加系統(tǒng),有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠率,降低了運(yùn)行維護(hù)的檢修量。
(2)調(diào)整泥渣形成機(jī)理,提供穩(wěn)態(tài)吸附環(huán)境。將內(nèi)循環(huán)機(jī)械提升形成泥渣層的方式改進(jìn)為外循環(huán)機(jī)械強(qiáng)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(yīng)環(huán)境。采用自動(dòng)排泥系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)外循環(huán)強(qiáng)制供給活性泥渣功能,如圖3所示。正?;亓髂J竭\(yùn)行時(shí),污泥泵的頻率跟隨澄清池進(jìn)水流量的變化而變化,使回流活性泥渣量為進(jìn)水流量的5%,使進(jìn)入澄清池反應(yīng)區(qū)的活性泥渣密度保持穩(wěn)定。澄清池進(jìn)水累計(jì)量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí),自動(dòng)切換排泥模式,按照修正后的排泥時(shí)間及時(shí)排除累積的老化污泥。排泥結(jié)束后,自動(dòng)切換至回流模式。
(3)重構(gòu)排泥方式,均質(zhì)污泥濃度。針對(duì)系統(tǒng)排泥濃度變化大,脫水設(shè)備運(yùn)行效果差的問(wèn)題,首先設(shè)計(jì)了帶污泥回流的混凝沉淀反應(yīng)器自動(dòng)排泥系統(tǒng)〔9〕。該系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定澄清池進(jìn)水累積量及排泥基礎(chǔ)時(shí)間實(shí)現(xiàn)間斷排泥,并根據(jù)監(jiān)測(cè)的污泥密度值修正排泥基礎(chǔ)時(shí)間控制澄清池泥位恒定;石灰軟化產(chǎn)生污泥的主要成分為CaCO3,按式(1)的修正系數(shù)k〔10〕調(diào)節(jié)排泥量進(jìn)而保證澄清池污泥密度在較窄范圍內(nèi)。
同時(shí)在自動(dòng)排泥系統(tǒng)后串聯(lián)污泥緩沖調(diào)質(zhì)系統(tǒng)〔11〕。系統(tǒng)包含緩沖調(diào)制器、污泥攪拌泵、調(diào)質(zhì)稀釋模塊和自動(dòng)沖洗模塊;緩沖調(diào)制器采用圓桶錐底結(jié)構(gòu),有效解決污泥沉積設(shè)備壁及底的問(wèn)題;污泥攪拌泵能夠避免罐內(nèi)污泥沉淀并實(shí)現(xiàn)污泥均質(zhì);調(diào)質(zhì)稀釋模塊解決污泥濃度偏高的問(wèn)題;自動(dòng)沖洗模塊防止管路污泥沉積的現(xiàn)象。采用“自動(dòng)排泥+污泥均質(zhì)”方法實(shí)現(xiàn)污泥濃度的精細(xì)化調(diào)節(jié),能夠確保脫水設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。自動(dòng)排泥?污泥均質(zhì)系統(tǒng)如圖3所示。
圖3 自動(dòng)排泥-污泥均質(zhì)系統(tǒng)Fig. 3 Automatic desilting-sludge homogenization system diagram
(4)改進(jìn)制備重設(shè)加藥,實(shí)現(xiàn)藥品精準(zhǔn)投加。采用水處理熟石灰投加方式改進(jìn)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(dòng)式粉狀物料計(jì)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(diào)節(jié)閥方法,通過(guò)澄清池二反區(qū)pH及進(jìn)水量雙回路反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)石灰調(diào)節(jié)閥開(kāi)度〔8〕,使二反區(qū)pH穩(wěn)定在10~10.3之間〔15〕;加藥泵的進(jìn)口設(shè)置透明管及沖洗系統(tǒng)用來(lái)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(shè)于澄清池內(nèi)進(jìn)水管上,實(shí)現(xiàn)水力預(yù)混凝,延長(zhǎng)混凝反應(yīng)時(shí)間,石灰加藥點(diǎn)設(shè)于澄清池一反區(qū)內(nèi)進(jìn)水口,借助攪拌器攪拌與預(yù)混凝原水、回流泥渣及時(shí)發(fā)生共沉淀。通過(guò)調(diào)整藥品投加位置能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)加藥。
圖4 石灰制備投加系統(tǒng)Fig. 4 Lime preparation dosing system
結(jié)合北方某電廠再生水深度處理系統(tǒng)現(xiàn)狀,提出改進(jìn)方案:
(1)增設(shè)曝氣生物濾池旁通管路,曝氣生物濾池旁路運(yùn)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(jìn)為可變速雙螺旋槳葉式攪拌器,轉(zhuǎn)速20~200 r/min;設(shè)置從污泥泵出口至一反區(qū)進(jìn)水口中心位置的強(qiáng)制外循環(huán)泥渣回流供給管路,通過(guò)跟蹤澄清池進(jìn)水流量的5%來(lái)調(diào)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(chǔ)上加長(zhǎng)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(shí)間由原來(lái)的1.45 h延長(zhǎng)至1.6 h。
(4)澄清池排泥采用自動(dòng)排泥,設(shè)置3臺(tái)污泥泵,流量為40 m3/h,揚(yáng)程為30 m,變頻,進(jìn)口與澄清池排泥管連接,出口回流管路設(shè)置污泥密度計(jì),通過(guò)澄清池進(jìn)水累積量、污泥密度、設(shè)定排泥時(shí)間等計(jì)算控制排泥時(shí)機(jī)及排泥量。
(5)污泥均質(zhì)系統(tǒng)設(shè)60 m3的立式污泥緩沖罐,直筒段下部連接60°錐底,設(shè)置2臺(tái)污泥攪拌泵,流量為30 m3/h,揚(yáng)程為20 m,從錐底抽吸污泥回流至罐頂,均質(zhì)污泥濃度,確保離心脫水機(jī)進(jìn)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(shè)置2套制備能力為2 000 kg/h的石灰制備裝置,配套2臺(tái)8 m3制 備 箱,1臺(tái)10 m3溶 液 箱,2臺(tái) 石 灰 乳 輸送泵、2臺(tái)石灰乳加藥泵;石灰乳制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%~5%,石灰乳加藥泵出口設(shè)置大流量循環(huán)管路(DN65),通過(guò)澄清池一反區(qū)設(shè)置的調(diào)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(jìn)口管路設(shè)置透明管及沖洗管路,在每次配制石灰乳結(jié)束時(shí)沖洗30 s。
(7)在澄清池進(jìn)水管處設(shè)置助凝劑、凝聚劑加藥管道混合器,采用水力混合方式預(yù)混凝;在澄清池一反區(qū)桶內(nèi)進(jìn)水口中心位置設(shè)置DN25石灰加藥管,并設(shè)自動(dòng)沖洗管路。
技術(shù)改進(jìn)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(jìn)的工藝流程Fig. 5 Improved process flow
北方某電廠再生水深度處理系統(tǒng)進(jìn)行上述技術(shù)改進(jìn)。根據(jù)機(jī)組負(fù)荷需要,單列處理水量約750~950 m3/h,經(jīng)優(yōu)化加藥調(diào)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(jī)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(nèi),系統(tǒng)出水濁度、暫時(shí)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(shí)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(jīng)計(jì)算控制每累積進(jìn)水3 000 m3自動(dòng)排泥1次,排泥量為20 m3,排泥時(shí)間為30 min,并根據(jù)污泥密度值修正排泥時(shí)間,澄清池污泥密度顯示值變化見(jiàn)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(shí)際運(yùn)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(shí)繁多且均勻,離心脫水機(jī)運(yùn)行扭矩基本維持在30%左右,泥餅含水率接近75%,濾液清。經(jīng)技術(shù)改進(jìn)后,恢復(fù)系統(tǒng)出力,出水水質(zhì)優(yōu)于回用標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,自動(dòng)化程度提高。
根據(jù)2016年—2018年機(jī)組負(fù)荷情況,北方某電廠循環(huán)水補(bǔ)充水量約980 m3/h,再生水深度處理系統(tǒng)改造前,自來(lái)水補(bǔ)水量約450 m3/h,再生水補(bǔ)水量約530 m3/h。系統(tǒng)改進(jìn)后,恢復(fù)加藥、脫泥系統(tǒng),循環(huán)冷卻用水水源采用再生水,補(bǔ)水980 m3/h,自來(lái)水作為備用水源。系統(tǒng)運(yùn)行成本主要考慮藥劑費(fèi)、電費(fèi)、泥餅處置費(fèi),經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在水源更換后節(jié)約的取水費(fèi)。經(jīng)測(cè)算,工程投運(yùn)后電廠單位用水成本由4.01元降至2.21元,噸水運(yùn)行成本為0.71元,節(jié)約取水費(fèi)1 497.6萬(wàn)元,每年節(jié)約用水成本1 130萬(wàn)元,每年減少自來(lái)水取水量及再生水排放量288萬(wàn)t,經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益顯著,達(dá)到節(jié)水減排的目的,效益分析見(jiàn)表2。
表2 效益分析Table 2 Benefit analysis
(1)針對(duì)火電廠再生水深度處理系統(tǒng)存在的問(wèn)題,提出針對(duì)性的改進(jìn)方案,并在北方某電廠實(shí)際應(yīng)用,調(diào)試后恢復(fù)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(jī)運(yùn)行扭矩維持在30%左右,泥餅含水率接近75%,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,出水水質(zhì)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求,自動(dòng)化程度高。
(2)采用基于“自動(dòng)排泥+污泥均質(zhì)”污泥預(yù)處理方法、主動(dòng)外循環(huán)定量活性污泥供給方法和帶回流及雙饋調(diào)節(jié)“濕法”石灰投加方法等技術(shù)改進(jìn)方法在再生水深度處理工程實(shí)際中的運(yùn)用效果良好,表明該改進(jìn)方法是合理、可行、可實(shí)施的,對(duì)相關(guān)企業(yè)開(kāi)展再生水深度處理技術(shù)的改進(jìn)工作具有借鑒意義。
(3)火電廠再生水深度處理系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行,可大幅減少新鮮水用量,符合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略總體要求,具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。