宮杰，張白雪，韓方東，孔妍，張文輝，張楠

（1.濱州市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 濱州 255600；2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250000；3.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院濟(jì)寧分院，山東 濟(jì)寧 272000；4.淄博市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 淄博 255000）

1 研究背景

近幾年隨著各國(guó)二氧化碳排放增加，溫室氣體猛增，兩極冰川融化提速，海平面上升，氣候變化帶來(lái)了各種極端惡劣天氣，對(duì)生命系統(tǒng)形成威脅。習(xí)近平主席于2021年9月22日第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出了“努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，為中國(guó)下一階段的能源轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展指明了方向，也展現(xiàn)了中國(guó)踐行《巴黎協(xié)定》氣候行動(dòng)承諾的決心。

我國(guó)是水資源匱乏國(guó)家，國(guó)家經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的同時(shí)，水資源的不合理開(kāi)發(fā)、浪費(fèi)、以及水體污染的加劇都成為阻礙我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳中和”路上的絆腳石。電力系統(tǒng)，尤其是火力發(fā)電系統(tǒng)是目前用水最多的工業(yè)之一，大型火力發(fā)電廠(chǎng)日均耗水量甚至超過(guò)10萬(wàn)噸。目前我國(guó)絕大多數(shù)火力發(fā)電鍋爐都采取了反滲透、離子交換除鹽的措施處理鍋爐補(bǔ)給水。其中反滲透處理具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、操作便捷、占地較小、脫鹽率高、能耗較低等諸多優(yōu)勢(shì)。但是，由于反滲透膜本身的性能特點(diǎn)，目前反滲透技術(shù)水回收率在70%～75%，仍然存在約25%的濃縮廢水。反滲透濃水中的含鹽量非常高，據(jù)美國(guó)環(huán)保署研究表明，反滲透濃水中含有45種危及環(huán)境和人體健康的污染物，主要是農(nóng)藥殘留、重金屬等[1]。如果采取粗狂型的直接排放必然會(huì)嚴(yán)重破壞環(huán)境，而且產(chǎn)生大量的廢碳排放，與我們碳中和的國(guó)策背道而馳。因此，本文探究一些解決反滲透濃水處理的思路方案，以求實(shí)現(xiàn)反滲透濃水減量化處理。

2 水質(zhì)概況

火力發(fā)電廠(chǎng)用水以地表水為主。以北方為例，主要為黃河水，當(dāng)然也有部分采用南水北調(diào)的長(zhǎng)江水。黃河水含鹽量較高，水體渾濁，含有大量泥沙。表1為黃河水山東段水質(zhì)情況。

表1 黃河水（山東）水質(zhì) 單位：mg/L

通過(guò)化驗(yàn)可以看出，黃河水中除了懸浮物、膠體、溶解性氣體雜質(zhì)外，溶解性離子主要為陽(yáng)離子鈣、鎂、鈉、鉀等離子，陰離子主要為重碳酸根、氯離子、硫酸根等。黃河水經(jīng)過(guò)混凝沉降、澄清和過(guò)濾等預(yù)處理后，進(jìn)入反滲透系統(tǒng)。表2為對(duì)某電廠(chǎng)FJF4.0型反滲透濃水水質(zhì)情況分析結(jié)垢結(jié)果。

表2 某電廠(chǎng)反滲透濃水水質(zhì)

由此可知，反滲透濃水含鹽量較高，有較高的硬度和甲基橙（M）堿度。

3 減量化處理工藝

針對(duì)反滲透濃水的成分采取針對(duì)性的措施處理。由于反滲透濃水水質(zhì)含鹽量并不是特別高，因此可以考慮將濃水再次進(jìn)行反滲透凈化濃縮利用，將一級(jí)反滲透改造為二段處理，一級(jí)反滲透的濃水再次進(jìn)入反滲透濃縮。對(duì)山東某電廠(chǎng)某組FJ-F4.0型反滲透設(shè)備進(jìn)行了改造實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，該組反滲透共6只反滲透膜，縱式排列，分為兩段，一級(jí)第一段為

圖1 山東某電廠(chǎng)某組FJ-F4.0型反滲透設(shè)備

下置4只膜，一級(jí)第二段為上置2只膜，第一段產(chǎn)出濃水作為二段進(jìn)水進(jìn)入第二段再處理，第一段與第二段的淡水同時(shí)進(jìn)入下一級(jí)水處理設(shè)備深度除鹽。對(duì)第二段產(chǎn)出的濃水進(jìn)行分析檢測(cè)，化驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 某電廠(chǎng)反滲透二段處理產(chǎn)出濃水水質(zhì) 單位：mg/L，pH值除外

鑒于二段濃鹽水高硬度、高堿度、高含鹽量的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)濃鹽水的減量化，需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步濃縮減量處理，采取蒸發(fā)結(jié)晶可實(shí)現(xiàn)零排放。主要技術(shù)為石灰預(yù)處理→沉降→堿處理→二次沉降→膜蒸餾→DT-RO處理的工藝。

3.1 預(yù)處理

結(jié)合濃鹽水的水質(zhì)特點(diǎn)，可采取沉淀軟化、過(guò)濾、超濾的工藝進(jìn)行處理，以除去濃鹽水中的絕大部分硬度、堿度、懸浮物、膠體等雜質(zhì)。

以石灰石為沉淀劑進(jìn)行軟化處理，主要作用機(jī)理為：

（1）處理濃鹽水中游離的二氧化碳。

（2）處理濃鹽水中碳酸鹽硬度，大幅度降低濃鹽水的堿度。

（3）促使硬度轉(zhuǎn)換，使非碳酸鹽硬度中的鎂硬度轉(zhuǎn)換為鈣硬度，可配合純堿或氯化鈣進(jìn)一步處理非碳酸鹽硬度。

（4）處理濃鹽水中部分鐵和硅。

在第一級(jí)沉降池采用石灰石預(yù)處理后，進(jìn)行固液分離，沉降池的上層清液進(jìn)入下一級(jí)沉降池，大部分硬度、堿度、懸浮物、膠體等雜質(zhì)已經(jīng)在第一級(jí)沉降池處理掉，第二級(jí)沉降池加入鍋爐汽包連續(xù)排污水，并配合加入NaOH，調(diào)節(jié)pH值在11左右，處理掉剩余硬度，生成Mg(OH)2和Ca(OH)2沉淀，同時(shí)可以攜帶二氧化硅共沉淀。由于汽包連續(xù)排污水的引入提高了沉降池水溫，以提高膜蒸餾的效率和成本，同時(shí)也可以降低排污水的處理成本。

3.2 膜蒸餾

膜蒸餾（membrane distillation，簡(jiǎn)稱(chēng) MD），是一種利用水蒸汽分壓作為物質(zhì)傳遞的推動(dòng)力，使水汽從分壓較高的一側(cè)通過(guò)特定材質(zhì)的膜傳遞到水汽分壓較低的一側(cè)，實(shí)現(xiàn)水汽的富集，從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的濃縮或提純。相比于傳統(tǒng)的蒸餾，膜蒸餾的操作壓力和溫度都比較低，設(shè)備占地面積較小，分離程度高，同時(shí)在分離過(guò)程中具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。因此是一種非常適宜反滲透濃水處理的一類(lèi)方法。

膜蒸餾主要分為直接接觸式膜蒸餾（圖2）和氣隙式膜蒸餾（圖3）。

圖2 直接接觸式膜蒸餾

圖3 氣隙式膜蒸餾

冷熱測(cè)溶液能夠通過(guò)膜完成直接傳質(zhì)。因此需要將預(yù)處理后的反滲透濃水進(jìn)行升溫，以產(chǎn)生足夠的溫差，推動(dòng)傳質(zhì)的完成。為進(jìn)一步提高二級(jí)沉降池出水的水溫，考慮將熱力除氧器排出的蒸汽通過(guò)管線(xiàn)引至二級(jí)沉降池出口，通過(guò)換熱器換熱，進(jìn)一步提高濃水溫度。同時(shí)可以收集除氧器蒸汽冷凝水回用。每年一臺(tái)200 t蒸發(fā)量的鍋爐熱力除氧的蒸汽損耗就會(huì)超過(guò)300萬(wàn)，通過(guò)對(duì)膜蒸餾的換熱，既可以節(jié)省除氧器排汽的損失，也提高了濃水進(jìn)入膜蒸餾設(shè)備的溫度。實(shí)現(xiàn)了電廠(chǎng)內(nèi)部能量的充分利用，降低了企業(yè)成本。

3.3 DT-RO處理

經(jīng)過(guò)前面幾級(jí)處理后，反滲透濃水回收了40%左右，同時(shí)濃水的含鹽量又得到大幅度提升，針對(duì)此階段濃水含鹽量高、COD含量高的特點(diǎn)，采取DT-RO的處理方式，可使?jié)馑玫竭M(jìn)一步提純回用，同時(shí)繼續(xù)加濃濃水部分。

DT-RO（碟管式超高壓反滲透）是反滲透技術(shù)的深化，主要通過(guò)對(duì)膜元件本身的改造，改變膜元件構(gòu)造，來(lái)提高膜元件的抗壓和抗污染的能力。DT-RO技術(shù)適用于對(duì)含鹽量、COD含量非常高的廢水的處理。DT-RO處理濃鹽水的主要機(jī)理是把碟管式反滲透膜片與水力導(dǎo)流盤(pán)疊放在一起，用中心拉桿和端板進(jìn)行固定，然后置入耐壓套管中，就形成一個(gè)碟管式膜柱。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)待處理的濃鹽水從膜組件的入口流入，并經(jīng)由膜組件內(nèi)部空隙，由上至下，由內(nèi)而外，依次經(jīng)過(guò)各滲透膜，并最終從膜組件上端流出，形成濃縮液和純水，DT-RO膜組件基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 DT-RO膜組件基本結(jié)構(gòu)

經(jīng)DT-RO處理后超濃水部分含鹽量預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到50 000 mg/L以上。超濃水繼續(xù)進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶池，基本可以實(shí)現(xiàn)零排放處理。常見(jiàn)的蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)有機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)（MVR）和多效蒸發(fā)（MED），本文重點(diǎn)討論反滲透濃水的減量化處理，因此對(duì)蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)不做贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)保重視程度的加深，“碳中和、碳達(dá)峰”已成為我國(guó)非常重要的一項(xiàng)政策目標(biāo)，目前全國(guó)電力系統(tǒng)主要水處理還是以反滲透為主，反滲透濃水的減量化處理是特種設(shè)備行業(yè)需要特別重視的一項(xiàng)工作。當(dāng)然還是鼓勵(lì)有條件的企業(yè)，可以盡可能完善零排放設(shè)備。

本文探索采取反滲透改造一級(jí)二段處理、二段反滲透濃水石灰預(yù)處理、沉降、堿處理、二次沉降、膜蒸餾、DT-RO處理的處理工藝以實(shí)現(xiàn)反滲透濃水減量化，中間采用對(duì)汽包連續(xù)排污水的再利用以及對(duì)熱力除氧排汽的利用，同時(shí)也大幅度提高了節(jié)能效果。當(dāng)然不同地區(qū)，不同水質(zhì)，不同條件的企業(yè)應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況采取不同的濃水處理方式，但是隨著基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的不斷升級(jí)，相信不久的將來(lái)一定會(huì)有更加節(jié)能、高效、低成本的處理方式走進(jìn)大家的視線(xiàn)。