陶正興

（中電環(huán)保股份有限公司，江蘇 南京 211102）

1 引言

我國燃煤電廠主流的煙氣脫硫技術(shù)是采用石灰石-石膏法濕法脫硫，為了維持脫硫塔內(nèi)的氯離子濃度，需外排脫硫廢水[1]。多數(shù)火力發(fā)電廠以“廢水分級、梯級利用、高鹽廢水最少化”的原則進(jìn)行全廠水資源綜合優(yōu)化利用，而脫硫廢水成為火電廠最終末端高鹽廢水。雖然其水量很小，但因其水質(zhì)波動大、含鹽量高，已成為燃煤電廠中最難處理的廢水［2］。

隨著自然環(huán)境日益惡化，國家的環(huán)保政策也越來越嚴(yán)格，尤其在2015年《水污染防治行動計劃》出臺后，要求電力行業(yè)著力節(jié)約保護(hù)水資源，提高用水效率，這對所有的工業(yè)企業(yè)均提出了更高要求。目前，燃煤電廠脫硫廢水工藝成為一個重要的研究熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)脫硫廢水處理技術(shù)主要包括重力沉降、化學(xué)沉淀、微生物法和濕地等技術(shù)，其中化學(xué)沉淀應(yīng)用最為廣泛［3］。在實(shí)際脫硫廢水處理過程中，零排放目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)溶解鹽的結(jié)晶與回收。因此，為了提高能源利用效率和鹽結(jié)晶速率、減少鹽結(jié)晶單元占地以及實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的回用，濃縮減量是脫硫廢水零排放的關(guān)鍵單元。目前濃縮減量主要分為膜法（適于含鹽量為5%～8%的廢水）和熱法（適于含鹽量為15%～20%的廢水）［3］。隨著膜技術(shù)的發(fā)展，新型膜材料、組件、工藝的研發(fā)以及膜污染研究的深入，膜技術(shù)在脫硫廢水深度處理中得到了更廣泛的應(yīng)用。

本文以某電廠脫硫廢水設(shè)計為例，采用膜濃縮作為減量的措施，為后續(xù)電廠脫硫廢水工藝選擇提供設(shè)計和選型參考。

2 工程概況

2.1 工程簡介

本項(xiàng)目進(jìn)水水質(zhì)為脫硫廢水，水質(zhì)具體情況如表1所示。

表1 設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)

鑒于脫硫廢水在不同季節(jié)水質(zhì)變化較大，在進(jìn)行水質(zhì)選取時要充分考慮水質(zhì)最差的情況，因此，所選水質(zhì)為冬季水質(zhì)。由表1可知，脫硫廢水具有懸浮物含量高，TDS高，氯離子高，CODcr高等特點(diǎn)，其中陽離子主要為鈣、鎂等硬度離子；陰離子主要為Cl-，SO42-等。

2.2 工藝流程

本項(xiàng)目要求二級反滲透的產(chǎn)水回收至電廠的工業(yè)水回用系統(tǒng)進(jìn)行回用，回用水TDS≤300 mg/L；反滲透濃水進(jìn)入旁路煙道系統(tǒng)處理，濃水TDS≥70 000 mg/L；結(jié)晶鹽純度達(dá)到工業(yè)精制鹽二級或以上標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合業(yè)主的需求，本項(xiàng)目工藝流程采用“預(yù)處理工藝→膜濃縮工藝→固化處理工藝”

預(yù)處理工藝：脫硫二級旋流器→預(yù)沉池→調(diào)節(jié)池→兩級反應(yīng)池。系統(tǒng)中設(shè)置具有曝氣功能的調(diào)節(jié)池，有利于將具有還氧性的物質(zhì)（如亞硫酸根、亞鐵離子、有機(jī)物等）氧化，同時降低COD。由于來水水質(zhì)中有重屬離子、氟離子，而且硫酸根離子不高，故初沉后需要加石灰來去除重屬離子、氟離子。而調(diào)節(jié)池中的水會通過泵提升到兩級反應(yīng)池中，通過添加石灰、氫氧化鈉、有機(jī)硫和混凝劑，將水質(zhì)中重屬離子、氟離子、部分硫酸根及鎂離子去除。預(yù)處理主要在于減少結(jié)垢因子，降低膜濃縮系統(tǒng)結(jié)垢風(fēng)險。

膜濃縮工藝：雙介質(zhì)過濾器→超濾系統(tǒng)→納濾系統(tǒng)→反滲透系統(tǒng)。兩級反應(yīng)池出水通過提升泵提升至雙介質(zhì)過濾器中，雙介質(zhì)過濾器可以去除水質(zhì)懸浮物雜質(zhì)，再通過超濾進(jìn)一步確保進(jìn)入納濾的水質(zhì)。納濾將二價離子、COD與一價離子分離。納濾產(chǎn)水進(jìn)入反滲透系統(tǒng)進(jìn)一步提高了系統(tǒng)回收率，隨后納濾濃水排放至脫硫塔。膜濃縮系統(tǒng)不但可以保證產(chǎn)水水質(zhì)滿足要求，而且還可以減少后續(xù)固化處理的水量，減少后續(xù)運(yùn)行投資。因此，為保證最終結(jié)晶鹽純度，控制好納濾的分鹽效果尤為重要。

固化處理工藝：反滲透濃水，一部分濃縮液經(jīng)過蒸發(fā)濃縮制鹽，其母液及另一部分到旁路煙道蒸發(fā)（本工藝段暫未建設(shè)）。

2.3 各單元參數(shù)

預(yù)沉池：1座，Φ11×6.5 m，碳鋼襯玻璃鋼材質(zhì)；配套刮泥機(jī)和排泥泵。

調(diào)節(jié)池：1座，V=700 m3，混凝土結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)池一方面用來均質(zhì)、降低來水中的懸浮物，排泥，另一方可通過晝夜溫差來降低水溫；配套曝氣裝置和提升泵。

污泥濃縮池：2座，Φ11.5×8 m（一級）和Φ3.2 m（二級），碳鋼襯玻璃鋼材質(zhì)。

反應(yīng)池：2臺，V=105 m3（一級），V=69 m3（二級）；每個反應(yīng)池分三個小單元格，碳鋼襯玻璃鋼材質(zhì)，各級均設(shè)置攪拌器，攪拌器轉(zhuǎn)速變頻可調(diào)。

多介質(zhì)過濾器：3臺，2用1備，直徑DN1 800，碳鋼襯膠材質(zhì)，采用氣水聯(lián)合反洗模式。單臺多介質(zhì)過濾器累計流量達(dá)300 m3，自動進(jìn)行一次停機(jī)反洗；配套反洗風(fēng)機(jī)和反洗水泵。

超濾裝置：1套，Q=45 m3/h，回收率90%，采用外壓中空纖維膜，膜凈膜通量≤50 LMH；全量過濾，但要考慮錯流運(yùn)行措施；配套清洗裝置和反洗裝置。超濾每運(yùn)行50 min，自動進(jìn)行一次反洗，每運(yùn)行20個周期，自動進(jìn)行一次加強(qiáng)堿反洗，每3次堿反洗進(jìn)行1次加強(qiáng)酸反洗。

納濾裝置：1套，Q=32 m3/h，回收率80%～85%。采用分鹽效果好的納濾膜，膜通量≤18 LMH，采用6芯膜殼，膜殼排列比為7∶4；和反滲透裝置共用1套清洗裝置。

一級反滲透裝置：1套，Q=19-26 m3/h，回收率50%～60%。采用海水淡化膜，濃水TDS≥70 000 mg/L，膜通量≤15 LMH，采用6芯膜殼，膜殼排列比為6∶3。

二級反滲透裝置：1套，Q=17-22 m3/h，回收率80%～90%，采用苦咸水膜，產(chǎn)水TDS≤300 mg/L。膜通量≤30 LMH，采用6芯膜殼，膜殼排列比為2∶1。

3 運(yùn)行情況

本脫硫廢水系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試后運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)出水水質(zhì)良好，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，各段進(jìn)出水水質(zhì)情況如表2所示。

表2 主要系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)

說明：（1）系統(tǒng)各段進(jìn)出水口設(shè)置流量計和壓力變送器，可自動監(jiān)測各項(xiàng)指標(biāo)。預(yù)沉池進(jìn)水流量約為30～40 m3/h，預(yù)沉池底部沉降比控制較好，未出現(xiàn)積泥現(xiàn)象。反應(yīng)池系統(tǒng)進(jìn)水流量為63～68 m3/h，控制pH值在10.5～11，有利于鎂離子的去除，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

（2）超濾穩(wěn)進(jìn)水和產(chǎn)水水量基本保持不變，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，回收率控制在90%左右；出水濁度控制在0.1 NTU以下，出水SDI≤2，滿足納濾進(jìn)水水質(zhì)要求。超濾設(shè)置錯流排放口，當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)較差時，可采用錯流過濾，確保膜運(yùn)行效果。

（3）當(dāng)納濾進(jìn)水流量為45～50 m3/h時，濃水流量為9～10 m3/h，濃水導(dǎo)電率為45～50 ms/cm時，濃水排放至納濾濃水箱，回收至脫硫塔。納濾系統(tǒng)運(yùn)行回收率為80%～85%，滿足設(shè)計要求。為了防止還原性物質(zhì)對膜氧化，納濾和一級反滲透，在進(jìn)水前均設(shè)置了還原劑加藥裝置，進(jìn)水ORP控制在±300 mv左右。納濾裝置二價離子截留率約為95%，一價離子透過率約為96%，分鹽效果較好，有利于提高后續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶鹽的純度。為了減少膜的結(jié)垢傾向，在納濾膜和一級反滲透膜前段均添加了阻垢劑，保證了膜的回收率和良好運(yùn)行。

（4）一級反滲透進(jìn)水導(dǎo)電為28～32 ms/cm，濃水流量為12～16 m3/h，濃水導(dǎo)電率為70～90 ms/cm，系統(tǒng)回收率為65%～70%，比原設(shè)計要高，濃水TDS大于設(shè)計數(shù)值，系統(tǒng)脫鹽率約為98%。二級反滲透進(jìn)水導(dǎo)電率為500～700 us/cm，產(chǎn)水導(dǎo)電率為30～60 us/cm，濃水流量為4～6 m3/h，濃水回收至納濾水箱，系統(tǒng)回收率為80%～90%，可通過濃水手動門就地調(diào)節(jié)；系統(tǒng)產(chǎn)水TDS≤300 mg/L，系統(tǒng)脫鹽率約為94%，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。一級反滲透裝置進(jìn)水壓力在4.5～6 MPa波動，高壓泵設(shè)置變頻調(diào)節(jié)，當(dāng)水質(zhì)較好時，可降低高壓泵揚(yáng)程來運(yùn)行，節(jié)約系統(tǒng)能耗。納濾和二級反滲透系統(tǒng)運(yùn)行壓力在0.8～1 MPa，運(yùn)行壓力較低。

（5）本系統(tǒng)選取的納濾膜、一級反滲透膜和二級反滲透膜均表現(xiàn)出較高的脫鹽率和回收率等性能，系統(tǒng)進(jìn)水壓力基本穩(wěn)定，運(yùn)行期間未發(fā)生設(shè)備故障、膜污堵等問題，維護(hù)工作和清洗頻率符合預(yù)期要求。整個系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均通過在線儀表檢測，實(shí)現(xiàn)了無人值守，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到原來設(shè)計數(shù)值。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目采用“預(yù)處理工藝→膜濃縮工藝→固化處理工藝”處理脫硫廢水，通過控制每個系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)，納濾、一級反滲透、二級反滲透等，回收率，脫鹽率，產(chǎn)水TDS或者濃水TDS均能滿足設(shè)計要求的產(chǎn)水水質(zhì)，工藝系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了脫硫廢水零排放的要求。

脫硫廢水零排放工藝是一個系統(tǒng)工程，系統(tǒng)的有效運(yùn)行依賴于工藝的合理性，以及所有設(shè)備選取的科學(xué)性。脫硫廢水零排放工藝設(shè)計時需要考慮以下關(guān)鍵因素：

（1）水質(zhì)水量變化波動大，設(shè)計時需考慮富余量。脫硫廢水水質(zhì)是脫硫廢水零排放工藝設(shè)計的重要依據(jù)。脫硫廢水與煤種、脫硫工藝、煙氣成分、灰份、吸收劑、電廠污泥耦合發(fā)電燃用污泥種類及燃用污泥量等多種因素有關(guān)，其水質(zhì)具有不穩(wěn)定性［4］，因此，對于脫硫廢水設(shè)計時要考慮系統(tǒng)和設(shè)備具有足夠的適應(yīng)性及緩沖能力。要充分考慮水質(zhì)惡劣情況下系統(tǒng)的運(yùn)行工況，確保設(shè)備能在不同工況下運(yùn)行。當(dāng)水質(zhì)變化大，膜系統(tǒng)通量設(shè)計時要遵循廠家設(shè)計導(dǎo)則，但根據(jù)水質(zhì)需要要考慮一定的富余量，以保證膜的正常運(yùn)行和合理的化學(xué)清洗周期。同時，要嚴(yán)格控制每段工藝出水水質(zhì)，確保下一段工藝進(jìn)水條件滿足要求，以保證整個系統(tǒng)出水水質(zhì)的穩(wěn)定可靠。

（2）反應(yīng)池中藥劑添加順序。水質(zhì)中部分離子是相互作用的，要合理利用各離子之間的反應(yīng)。此外，部分物質(zhì)如氫氧化鎂難以沉淀，因此，如何控制該物質(zhì)很好地沉淀尤其關(guān)鍵。

（3）加藥量控制。根據(jù)來水水質(zhì)，盡量減少石灰的投加量，建議軟化以雙堿法（氫氧化鈉+純堿）為主，以免引入過多鈣離子，導(dǎo)致碳酸鈉的加藥量增加，進(jìn)而也加大了污泥的處置量。反應(yīng)加藥系統(tǒng)設(shè)置流量計、pH計、液位計、濁度計等，計量泵加藥量與進(jìn)水水質(zhì)水量進(jìn)行聯(lián)鎖，加藥泵均為變頻控制。系統(tǒng)通過檢測pH、水量和液位等，自動調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)加藥量的精準(zhǔn)控制，從而節(jié)省藥劑，減少運(yùn)行成本。

（4）材質(zhì)選取。脫硫廢水水質(zhì)較差，建議系統(tǒng)低壓部分設(shè)備采用耐腐蝕材質(zhì)，高壓部分材質(zhì)采用2205和2507雙相鋼材質(zhì)，其中2205 PRE為35左右，2507 PRE為46左右，整個系統(tǒng)的材質(zhì)選擇均不得低于規(guī)范和行業(yè)慣例。

（5）水溫影響。溫度對膜通量的影響主要在于當(dāng)溫度升高時，水黏度下降，擴(kuò)散性提高，產(chǎn)水通量會增加，且會加快水中溶解鹽的擴(kuò)散，提高膜的脫鹽率；溫度越低，系統(tǒng)所需要的壓力越高。但一般膜最大的耐受溫度在45 ℃左右，當(dāng)水溫過高時，會影響膜的壽命。因此，脫硫廢水經(jīng)過預(yù)處理后有時水溫會較高，進(jìn)入超濾前建議設(shè)置冷卻器，將溫度控制在25 ℃左右，以保證膜的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。