程立國 冷寧

(吉林省電力勘測設(shè)計院,吉林長春 130022)

再生水回用于火力發(fā)電廠深度處理的設(shè)計研究

程立國 冷寧

(吉林省電力勘測設(shè)計院,吉林長春 130022)

結(jié)合目前火力發(fā)電廠常用的再生水深度處理工藝方案,從設(shè)計角度對各方案的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)等進(jìn)行了分析比較,提出了設(shè)計方案的選擇應(yīng)從原水水質(zhì)、出水水質(zhì)、工程投資、占地面積、處理成本、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等多方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。

再生水 火力發(fā)電廠 深度處理

隨著水資源日益匱乏和環(huán)保要求日益嚴(yán)格,再生水逐漸成為新建火力發(fā)電廠的主水源,特別是在嚴(yán)重缺水地區(qū)。火力發(fā)電廠用水量巨大,如2×600MW機(jī)組采用間冷開式循環(huán)冷卻方式,每小時補(bǔ)水量約2500t/h,年耗水量在1400萬m3左右;300MW火電機(jī)組,每百萬千瓦的耗水量在0．8～1．0m3/s,其中70%～80%是冷卻用水,若采用循環(huán)冷卻,補(bǔ)水率按循環(huán)水量的3%計算,其補(bǔ)水量在960m3/h[1]。因此,將再生水回用于火電廠,即可為電廠提供穩(wěn)定的水源、又可實(shí)現(xiàn)污水資源化,是各國解決水資源問題的重要途徑[2]。

1 再生水的水質(zhì)特點(diǎn)

再生水的水源來自于生活污水、工業(yè)廢水(經(jīng)預(yù)處理后)及受污染的降水等[3]。不同污水處理廠收集到的污水或廢水組成不同、水質(zhì)各異。因此,再生水的設(shè)計水質(zhì)應(yīng)根據(jù)污水收集區(qū)域現(xiàn)有水質(zhì)和預(yù)期水質(zhì)變化情況等綜合考慮。

再生水中影響火電廠安全運(yùn)行的殘留污染物主要有：有機(jī)物、氨氮、含鹽量和碳酸鹽硬度等。正常的污水廠二級出水CODcr的含量在60～120mg/L之間;氨氮含量在5～40mg/L之間,不能滿足發(fā)電廠用水的最低標(biāo)準(zhǔn),無法直接回用,必須進(jìn)行深度處理。

2 再生水深度處理工藝

再生水深度處理方法按原理可分為：物理處理法、化學(xué)處理法和生物處理法[4]。具體的深度處理工藝在設(shè)計選擇時應(yīng)根據(jù)再生水水質(zhì)、所需水量、水質(zhì)指標(biāo)、濃縮倍率和換熱設(shè)備的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)型式等條件,進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,并借鑒類似工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)確定。目前,火力發(fā)電廠再生水深度處理工藝采用石灰混凝澄清工藝居多,約占70%,其次為曝氣生物濾池、膜生物反應(yīng)器等。

2.1 石灰混凝澄清工藝

該工藝可有效去除碳酸鹽硬度、SiO2等,同時可大幅度降低SS、BOD5、磷、濁度等,對COD、NH3-N、微生物等也有一定的去除率。

反應(yīng)過程為：生石灰溶于水中,生為石灰乳(Ca(OH)2)[5],反應(yīng)式為CaO+H2O→Ca(OH)2。石灰乳再去除碳酸鹽硬度,反應(yīng)為：

生成的MgCO3在水中有少量溶解,如果加入的石灰足夠,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成溶解度更小的Mg(OH)2,

Ca(OH)2+MgCO3→CaCO3↓+Mg(OH)2↓

上述反應(yīng)生成的CaCO3和Mg(OH)2均是難溶化合物,可從水中沉淀析出,具有巨大表面積的新生態(tài)CaCO3和Mg(OH)2沉淀物并結(jié)合投加的絮凝劑在沉淀過程中吸附大量的懸浮物、膠體等,使水得以凈化、有機(jī)物及氨氮等污染物得以去除。

石灰混凝澄清工藝采用適合泥渣接觸與分離的機(jī)械攪拌加速澄清池,池體采用分離室容積大的直筒平底式結(jié)構(gòu),增加了分離和沉降時間,且全程刮泥,無淤泥死角,具有容積率高、石灰反應(yīng)徹底、能形成活性泥渣接觸吸附層的技術(shù)特性,去除非溶膠體物和部分有機(jī)物功能強(qiáng)。對水質(zhì)、水溫的適應(yīng)性強(qiáng),出水水質(zhì)好,是目前電廠再生水深度處理的主流方案。

圖1 石灰混凝澄清工藝流程圖

表1 再生水深度處理基本工藝[8]

表2 常用深度處理工藝比較表

基本工藝流程如圖1所示,適合于對碳酸鹽硬度高的水。對于處理后氨氮和COD指標(biāo)仍不能滿足工藝要求的再生水,需增加前置曝氣生物處理工藝,形成曝氣生物濾池+石灰+混凝澄清+過濾工藝。

優(yōu)點(diǎn)：(1)能夠去除水的堿度、碳酸鹽硬度、磷和部分有機(jī)物,提高循環(huán)水濃縮倍率。具有良好的吸附功能,能有效地去除懸浮物、有機(jī)物和菌藻類等。(2)所形成的環(huán)境條件有益于NH3-N的分解,可去除部分氨氮。(3)石灰本身是較好的絮凝劑和助沉劑,也是良好的吸附劑。(4)石灰藥劑和處理殘渣碳酸鈣均為天然物質(zhì),不污染自然水體,為無環(huán)境污染的綠色處理工藝。處理殘渣為碳酸鈣漿液,可送至濕法石灰石脫硫工藝用作脫硫劑,實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

缺點(diǎn)：(1)沒有除鹽功能。只能一定程度去除有機(jī)物、氨氮,出水水質(zhì)受制于污水處理廠出水水質(zhì),適用于有機(jī)物、氨氮不高而堿度、硬度高的水,有機(jī)物、氨氮較高時宜與前置曝氣生物(過濾池或曝氣池)處理工藝處理相結(jié)合。(2)堿度去除后的循環(huán)水堿度較低,緩沖能力降低。當(dāng)進(jìn)水氨氮含量高,易因處理后出水氨氮含量高導(dǎo)致循環(huán)水pH顯著下降,必要時需設(shè)加堿措施。(3)石灰貯存、計量加藥運(yùn)行環(huán)境偏差,有一定的粉塵污染,系統(tǒng)易污堵,運(yùn)行維護(hù)工作量偏大。

(4)根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、季節(jié)等動態(tài)控制系統(tǒng)加藥量和水質(zhì),對運(yùn)行管理控制水平要求較高,否則易引起系統(tǒng)結(jié)垢腐蝕。

2.2 曝氣生物濾池處理工藝

曝氣生物濾池是一種發(fā)展較快的新型生物處理技術(shù),與傳統(tǒng)的活性污泥法相比,具有占地面積小、出水水質(zhì)高、投資省、運(yùn)行靈活、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等特點(diǎn)[6]。

曝氣生物濾池內(nèi)裝填有高比表面積的顆粒狀填料,以提供微生物膜載體,在填料層的下部鼓風(fēng)曝氣,讓空氣和污水逆向或同向流動接觸,使有機(jī)物與填料表面生物膜通過氧化反應(yīng)而降解。氨氮則在亞硝化菌和硝化菌作用下轉(zhuǎn)化為NO2-、NO3-,并通過反硝化作用進(jìn)一步還原為氣態(tài)氮,填料同時起物理過濾作用。

曝氣生物濾池在水流過時,利用濾料上高濃度生物膜的強(qiáng)氧化降解能力對污水進(jìn)行快速凈化,完成生物氧化降解過程,因污水流經(jīng)時,濾料成壓實(shí)狀態(tài),利用濾料粒徑較小的特點(diǎn)及生物膜的生物絮凝作用,截流污水中的懸浮物,保證脫落的生物膜不會隨水漂出,實(shí)現(xiàn)濾料對固體顆粒的截流作用。

為保證曝氣生物濾池內(nèi)微生物膜載體的生成,設(shè)計曝氣生物濾池注意來水不應(yīng)進(jìn)行加氯殺菌處理。

優(yōu)點(diǎn)：(1)生物濃度高,有機(jī)物負(fù)荷高,水力停留時間短,抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),出水水質(zhì)好,具有高的CODcr、氨氮去除率。曝氣生物濾池可在正常負(fù)荷2～3倍的短期沖擊負(fù)荷下運(yùn)行,而其出水水質(zhì)變化很小[7];(2)占地面積小,是常規(guī)工藝的1/5～1/4,節(jié)省大量征地和地基處理費(fèi)用,同時曝氣生物濾池可省去二沉池的占地和投資,采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,使運(yùn)行管理更加方便。

缺點(diǎn)：(1)進(jìn)入濾池的水質(zhì)要求高,要求進(jìn)入濾池的水質(zhì)較好,特別是對懸浮物要求高,且來水懸浮物含量穩(wěn)定,一般控制SS 60～100mg/L、BOD5150～200mg/L。一般要對原水進(jìn)行預(yù)處理,以降低進(jìn)水的SS,在一定程度上增加了成本。(2)無除鹽功能。(3)反應(yīng)器中缺乏厭氧釋磷的環(huán)境,單純采用曝氣生物濾池生物除磷效果較差,需同步化學(xué)除磷,一般加入鐵鹽和鋁鹽等藥劑,增加成本。(4)因采取鼓風(fēng)曝氣,生物濾池數(shù)量多,鼓風(fēng)機(jī)需一對一配置l過濾水頭損失大,污水提升所需泵機(jī)的揚(yáng)程高,能耗較大。

實(shí)際工程中常采用曝氣生物濾池+混凝反應(yīng)+沉淀+過濾工藝,該工藝適用于污水處理廠二級出水出水水質(zhì)較差,有機(jī)物和氨氮較高,但硬度不高的水體。

2.3 膜生物反應(yīng)器處理工藝

膜生物反應(yīng)器包括預(yù)處理、生化池和膜池。通常是將孔徑為0．1um中空纖維超濾膜懸掛在反應(yīng)槽內(nèi),使反應(yīng)槽內(nèi)維持一定濃度的微生物量,使生物降解和過濾同時進(jìn)行,是一種膜分離技術(shù)與活性污泥法有機(jī)結(jié)合的新型水處理技術(shù)。該技術(shù)以中空纖維膜膜組件取代活性污泥法中的二沉池,進(jìn)行固液分離,有效的達(dá)到了泥水分離的目的。膜的高效截留作用,可以有效截留硝化菌,使其完全截留在生物反應(yīng)器內(nèi),使硝化反應(yīng)得以順利進(jìn)行,有效去除氨氮,避免污泥的流失,同時可以截留一時難于降解的大分子有機(jī)物,延長其在反應(yīng)器的停留時間,使之得到最大限度的分解。

實(shí)際工程中常采用膜生物反應(yīng)器+反滲透(部分水)工藝,該工藝適用于污水處理廠二級出水出水水質(zhì)較差的情況、含鹽量高、電廠總的需水量不大的情況(如空冷機(jī)組),反滲透的設(shè)計規(guī)模視混合水的含鹽量來確定,該工藝的優(yōu)點(diǎn)是該工藝出水水質(zhì)好,缺點(diǎn)是投資比傳統(tǒng)工藝高,考慮到反滲透的投資成本大,反滲透的處理規(guī)模不能過大。

優(yōu)點(diǎn)：(1)處理效率高、出水水質(zhì)好,尤其是氨氮、懸浮物、細(xì)菌、病毒、微生物去除率高,提高循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠性,降低加氯、加穩(wěn)定劑成本。通過曝氣池＋膜生物反應(yīng)器處理,CODcr的去除率40～55%,氨氮的去除率可高達(dá)90%以上。(2)設(shè)備緊湊、占地面積小、易實(shí)現(xiàn)自動控制、運(yùn)行管理簡單。(3)化學(xué)水的預(yù)除鹽不需要重復(fù)建設(shè)。

缺點(diǎn)：(1)不能降低堿度和硬度,不能有效提高循環(huán)水濃縮倍率。

(2)投資和運(yùn)行費(fèi)用較貴。隨著膜的推廣、制造技術(shù)的進(jìn)步、質(zhì)量的提高,膜制造成本將逐步降低,該工藝的投資也會隨之度降低,將成為再生水回用的主要推廣方向。(3)抗有機(jī)物污染和去除有機(jī)物能力有限。膜生物反應(yīng)器雖然出水生化指標(biāo)總體較好,但應(yīng)注意超濾去除有機(jī)物能力差,特別是超濾膜無法去除小分子有機(jī)物,進(jìn)而成為下一工藝的污染源。

3 再生水深度處理的一般設(shè)計要求

(1)除生活用水外,火電廠循環(huán)冷卻水、工業(yè)用水、輔機(jī)冷卻水、鍋爐補(bǔ)給水水源均可采用再生水。

(2)再生水水源可采用工業(yè)及城鎮(zhèn)污水處理廠的排水、礦井排水、間冷開式系統(tǒng)的排污水等。

(3)再生水作為補(bǔ)充水時,循環(huán)水的濃縮倍數(shù)應(yīng)根據(jù)水質(zhì)、水質(zhì)控制指標(biāo)、藥劑和凝汽器換熱管材質(zhì)等因素,通過試驗(yàn)或參考類似工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定,不應(yīng)低于2．5,宜2．5～3．5。

(4)再生水輸配管網(wǎng)應(yīng)設(shè)計為獨(dú)立系統(tǒng),并應(yīng)設(shè)置水質(zhì)、水量監(jiān)測設(shè)施,嚴(yán)禁與生活用水管道連接。

(5)再生水深度處理基本工藝及適用情況見表1。

各類工藝中,膜過濾處理方案工藝先進(jìn),出水水質(zhì)好,不受來水水質(zhì)影響,工藝和操作簡便,維護(hù)量小,占地小,符合技術(shù)發(fā)展方向,但投資運(yùn)行費(fèi)用較高l混凝澄清+過濾方案為傳統(tǒng)處理工藝,國內(nèi)外應(yīng)用廣泛,工藝成熟,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,工程經(jīng)驗(yàn)豐富,出水水質(zhì)可滿足水質(zhì)要求不高的循環(huán)水補(bǔ)水,且投資運(yùn)行費(fèi)用較省,符合國情,但工藝先進(jìn)性和出水水質(zhì)較差,工藝和運(yùn)行操作復(fù)雜,維護(hù)量大,占地大。

常用的再生水深度處理工藝的比較見表2。

4 結(jié)語

再生水回用于新建火力發(fā)電廠,從節(jié)水要求、廢水資源化、環(huán)保要求,已成為一種主趨勢。但由于再生水水質(zhì)復(fù)雜性及多樣性,在設(shè)計和運(yùn)行過程中仍面臨著諸多問題。在設(shè)計時應(yīng)從技術(shù)、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行多方案綜合比選,以尋求環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益的最佳組合方案。

[1]李本高.現(xiàn)代工業(yè)水處理技術(shù)與應(yīng)用.北京:中國石化出版社,2004.526.

[2]Jules B Van Lie,Gatze Lettmga．Appropriate technologies for effective management of industrial and domestic waste water:the decentralized approach[J].Water Science and Technology,1999,40(7):171-183．

[3]崔玉川,劉振江,張紹怡,等.城市污水廠處理設(shè)施設(shè)計計算[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004,1.

[4]崔玉川,楊崇豪,張東偉.城市污水回用深度處理設(shè)施設(shè)計計算[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003,7.

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[6]張薇,史開武,孔惠．曝氣生物濾池(BAF)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報,2005,13(3):24-30．

[7]鞠保軒,于青,崔憲文,等．曝氣生物濾池工藝在水處理中的應(yīng)用[J].青島建筑工程學(xué)院學(xué)報,2005,26(4):52-57．

[8]中國電力工程顧問集團(tuán)再生水深度處理設(shè)計導(dǎo)則[M].2008,4.

Comebined with the commonly used process of acvanced treatment for reclaimed water in power plant,analyze and compare the advantages and disadvantages of schemes from the point of design view,and put forward that the selection of design shceme should be compared from the water quality of raw water and product water,project investment, space required,treatment costs,maintenance costs and other aspects.

reclaimed water power plant advanced treatment

程立國(1977-),男,碩士,工程師,主要從事電廠化學(xué)設(shè)計工作。