尹 力，岳春妹，費劍影

（上海明華電力科技有限公司，上海 200090）

2019 年《國家節(jié)水行動方案》明確提出“規(guī)模以上工業(yè)用水重復利用率達到91%以上”的要求，對工業(yè)廢水進行深度處理、資源化利用已成為日益增長的趨勢。因此，電廠環(huán)保從業(yè)人員積極地推進全廠廢水零排放的工藝研究，目前國內(nèi)已有多個燃煤電廠實施了脫硫廢水零排放改造項目〔1〕，但針對燃氣電廠的零排放研究甚少〔2〕。

燃氣電廠的獨特性決定了其廢水處理不能直接照搬燃煤電廠的零排放技術(shù)，主要原因有3 點：（1）燃氣電廠最大的廢水來源是反滲透濃水，與燃煤電廠廢水中占比最大的脫硫廢水相比，反滲透濃水水質(zhì)好、回用空間大〔3〕，如果參照脫硫廢水處理工藝處理反滲透濃水，將導致系統(tǒng)造價高、運行經(jīng)濟性差等問題；（2）脫硫廢水目前最經(jīng)濟的固化方式是煙氣余熱干燥技術(shù)，但燃氣電廠煙氣中幾乎無煙塵，若將濃縮后的廢水噴至煙氣側(cè)，廢水中的鹽類物質(zhì)失去了煙塵的保護將蒸發(fā)結(jié)晶形成固體小顆粒，引起煙道、構(gòu)件的腐蝕和結(jié)垢；（3）蒸發(fā)結(jié)晶的固化方式可以在燃氣電廠應用，但結(jié)晶后產(chǎn)生的工業(yè)鹽目前僅可作為固廢處理，容易引發(fā)新的處理難題。因此，需從燃氣特點和廢水特性出發(fā)，研究適用于燃氣電廠的廢水零排放工藝。本實驗在實驗室小試和現(xiàn)場中試的基礎(chǔ)上，通過工程實踐實現(xiàn)了對燃氣電廠全廠廢水的深度處理，為電廠廢水零排放研究提供了新思路。

1 全廠廢水概況

某電廠有2 臺400 MW 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，日常運行時產(chǎn)生的廢水可歸納為2 類：（1）經(jīng)常性廢水，包括鍋爐補給水系統(tǒng)一級反滲透濃水、超濾反洗排水、實驗室排水；（2）非經(jīng)常性廢水，主要由膜清洗排水、鍋爐化學清洗排水、設(shè)備和場地雜排水等組成。具體廢水水量情況見表1。

表1 某燃氣電廠廢水水量匯總Table 1 Summary of wastewater volume of a gas power plant

化學制水系統(tǒng)運行時，一級反滲透濃水同步產(chǎn)生，超濾反洗排水間歇產(chǎn)生，目前電廠直接將超濾反洗排水回用至機加澄清池進口。膜清洗排水、鍋爐化學清洗排水等非經(jīng)常性廢水一般pH 不合格，且含有大量的懸浮物和金屬離子，電廠將該部分廢水委托給有資質(zhì)的單位進行回收處理。因此，全廠廢水零排放的處理對象主要是一級反滲透濃水、鍋爐排污水和主廠房排水，其中反滲透濃水占總水量的90%以上。參照日常運行水量數(shù)據(jù)，零排放系統(tǒng)設(shè)計處理水量為10 t/h。全廠待處理的混合廢水水質(zhì)情況見表2。

表2 全廠混合廢水水質(zhì)Table 2 Mixed wastewater quality of the whole plant

全廠待處理混合廢水幾乎不含有懸浮物，濁度小于1 NTU，處理對象主要是水中的溶解鹽類。這樣的水質(zhì)條件代表了燃氣電廠廢水的普遍情況，即水質(zhì)澄清、含鹽量為制水系統(tǒng)所取原水的4 倍左右。因此，在處理時無需考慮懸浮物，重點關(guān)注溶解鹽的去除。

2 工程設(shè)計

2.1 工藝選擇

（1）目前廣泛應用的廢水零排放處理工藝可概括為預處理、膜濃縮和蒸發(fā)結(jié)晶3 個工藝段〔4〕。后段工藝的特點決定了前端工藝的選擇。采用蒸發(fā)結(jié)晶的廢水末端處理方法存在2 個問題，一是需要引入高溫煙氣，工程量大且造價高，需要對電廠現(xiàn)有設(shè)施進行適當改造，可靠性有時難以保證〔5-6〕；二是經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶制出的結(jié)晶鹽不能作為商品鹽流通，《鹽業(yè)管理條例》第十七條規(guī)定“禁止利用鹽土、硝土和工業(yè)廢渣、廢液加工制鹽”，因此即使制備的結(jié)晶鹽純度高于98%，現(xiàn)階段也只能作為固廢處理，不能作為副產(chǎn)品出售。

（2）次氯酸鈉是電廠普遍使用的殺菌劑，在循環(huán)冷卻水、膜清洗等方面被廣泛使用。目前電廠主要通過外購的方式獲取次氯酸鈉，而次氯酸鈉較易分解，長途運輸或長時間放置后其有效氯成分會有所降低。而通過電解氯化鈉溶液的方式可以制得次氯酸鈉，此法不僅可以消耗掉全廠廢水，還可將制得的副產(chǎn)品應用于廠內(nèi)殺菌。當然，電解廢水制次氯酸鈉的前提是將廢水處理成純度較高且質(zhì)量分數(shù)大于3%的氯化鈉溶液。

2.2 工藝流程

基于以上考慮，本工程采用化學處理和膜濃縮相結(jié)合的處理方法將廢水制成氯化鈉溶液，并進一步電解生成次氯酸鈉，具體工藝流程見圖1。

圖1 零排放處理系統(tǒng)Fig.1 Zero emission treatment system

廢水零排放處理系統(tǒng)流程如下：全廠混合廢水→苦咸水反滲透膜濃縮→一體化澄清器→納濾→電滲析/海水反滲透→次氯酸鈉發(fā)生器。從水處理車間來的一級反滲透濃水、實驗室排水等廢水貯存于集水箱內(nèi)，經(jīng)提升泵送至苦咸水反滲透裝置，產(chǎn)水收集于回用水箱作進一步回用。經(jīng)初步濃縮的廢水，送至一體化澄清器，通過化學藥劑處理的方式去除廢水中90%以上的硬度、硅、重金屬和70%以上的硫酸根。一體化澄清器出水經(jīng)過濾器進行深層過濾，去除可能產(chǎn)生的膠體硅、懸浮物等雜質(zhì)。向中和箱投加鹽酸將工藝水調(diào)至酸性，保障后續(xù)納濾的正常運行。在納濾模塊實現(xiàn)水中一價、二價離子的分離，濃水循環(huán)至一體化澄清器再次處理，而產(chǎn)水幾乎是純氯化鈉溶液，送入電滲析裝置進行濃縮。額外增加一套海水反滲透裝置對氯化鈉溶液進一步濃縮，產(chǎn)水回用，濃水回流至電滲析裝置。當氯化鈉溶液的質(zhì)量分數(shù)達到3%～4%時，將其送至次氯酸鈉發(fā)生器，通過電解制備次氯酸鈉溶液。

本處理系統(tǒng)中苦咸水反滲透和海水反滲透產(chǎn)水均回用，回用水水質(zhì)優(yōu)良，電導率＜120 μS/cm，回用水占廢水總量的90%以上。該工藝無廢水排放，僅輸出固體污泥和副產(chǎn)品次氯酸鈉。其中，污泥的主要成分是石灰、硫酸鈣、碳酸鈣、鈣礬石等礦物。

2.3 主要設(shè)備介紹

苦咸水反滲透（BWRO）。零排放系統(tǒng)裝配1 套一級兩段苦咸水反滲透裝置，反滲透膜元件采用12 支陶氏BW30FR-400/34 抗污染苦咸水反滲透膜，設(shè)計進水流量10 t/h，淡水回收率50%以上，脫鹽率大于98%。

一體化澄清器。容積50 m3，藥劑投加順序為石灰乳、氯化鈣、偏鋁酸鈉和碳酸鈉。當加入石灰乳將pH 提高至11 以上時，鐵、鎂等金屬離子生成氫氧化物沉淀，二氧化硅生成硅酸鈣沉淀；當體系中Al3+、Ca2+和SO42-符合一定計量條件時，將形成不溶性鈣礬石沉淀〔7〕，從而在去除硫酸根的同時維持出水鋁離子含量在低位，反應遵循反應式（1）；補加碳酸鈉使殘留的鈣離子生成碳酸鈣沉淀而去除。一體化澄清器重點去除廢水中的硬度、硅、重金屬和硫酸根。

納濾（NF）。零排放系統(tǒng)裝配1 套一級兩段納濾裝置，納濾膜元件采用9 支GE Durafoul NF 8040F膜，設(shè)計進水流量5 t/h 左右，淡水回收率70%以上，脫鹽率為23%左右，其中硫酸根脫除率大于98%。

電滲析—海水反滲透系統(tǒng)（ED-SWRO）。經(jīng)電滲析裝置濃縮處理后，料液中氯化鈉濃縮至約40 g/L，ED濃水電導率≥60 mS/cm，ED 淡水電導率≤5 mS/cm。海水反滲透裝置按照一級兩段設(shè)計，膜元件采用6 支東麗TM820V-400 海水反滲透膜，設(shè)計進水流量5 t/h，淡水回收率在50%以上，脫鹽率大于97%。

次氯酸鈉發(fā)生器。零排放系統(tǒng)裝配2 臺次氯酸鈉發(fā)生器，一用一備。電解電流設(shè)定為300 A，進水壓力0.2～0.4 MPa，單臺次氯酸鈉產(chǎn)率6 kg/h。

2.4 系統(tǒng)運行情況

零排放處理系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后投入運行，主要工藝段出水水質(zhì)見表3。運行期間未出現(xiàn)海水倒灌等問題，混合廢水水質(zhì)較平穩(wěn)，出水水質(zhì)波動較小。

表3 主要工藝段出水水質(zhì)情況Table 3 Effluent quality of main process sections

從表3 各工藝段出水水質(zhì)情況可以看出，一體化澄清器和納濾裝置的良好運行是保證氯化鈉溶液純度的主導因素，廢水中的大部分雜質(zhì)在澄清器去除，納濾在此基礎(chǔ)上進一步分鹽，從而達到徹底去除硬度、硫酸根、重金屬等雜質(zhì)的目的。而當進水水質(zhì)發(fā)生較大波動時，需及時調(diào)整澄清器內(nèi)各藥劑的投加量，以保證出水的水質(zhì)情況。

本系統(tǒng)選取的苦咸水反滲透膜和海水反滲透膜均為性能較好的耐高鹽膜，在運行過程中添加5 mg/L 阻垢劑防止膜元件結(jié)垢。在系統(tǒng)運行的1 a 多時間里，苦咸水反滲透、納濾和海水反滲透等主要膜元件的進口壓力情況見圖2。3 種膜元件的進口壓力存在一定波動，但未見明顯上升。同時，運行期間未發(fā)生設(shè)備故障、膜污堵等問題，膜清洗周期為0.5 a，發(fā)生器清洗周期為1 a，維護工作和清洗頻率均符合預期要求。

圖2 主要膜元件進口壓力變化Fig.2 Main membrane element inlet pressure change

2.5 副產(chǎn)品品質(zhì)及應用

取電廠外購次氯酸鈉與本工程電解制備的次氯酸鈉進行檢測，結(jié)果見表4。

表4 外購次氯酸鈉與工程制備次氯酸鈉成分對比Table 4 Comparison of components between purchased sodium hypochlorite and engineering prepared sodium hypochlorite

由表4 可知，除有效氯外的其他指標，如游離堿、鐵、重金屬、砷等，均是工程制備的次氯酸鈉優(yōu)于外購的次氯酸鈉。外購工業(yè)次氯酸鈉有效氯質(zhì)量分數(shù)為8.14%，次氯酸鈉發(fā)生器電解制備的次氯酸鈉有效氯質(zhì)量分數(shù)為1.09%。同時，工程制備的次氯酸鈉各項指標均滿足GB 19106—2013 中的要求。

根據(jù)次氯酸鈉成分，將次氯酸鈉加入循環(huán)冷卻水后，主要會引起氯離子、鈉離子上升，因此，特論證這2 種離子對循環(huán)水成分的影響。測試所得，在有效氯質(zhì)量濃度同為0.8 mg/L 時，加入外購工業(yè)次氯酸鈉后，循環(huán)水氯離子增加約1.17 mg/L、鈉離子增加約0.78 mg/L；加入工程制備的次氯酸鈉后，循環(huán)水氯離子增加約1.20 mg/L、鈉離子增加約0.85 mg/L。而本工程中，電廠循環(huán)冷卻水取自長江，氯離子一般在23.4～360 mg/L，鈉離子一般在18.1～175.6 mg/L，均未超出冷卻水水質(zhì)控制標準。因此，2 種藥品對水質(zhì)的影響幾乎無差別，電廠可以將電解法制備的次氯酸鈉溶液作為循環(huán)水殺菌劑使用。

3 經(jīng)濟核算

靜態(tài)投資780萬元，設(shè)備折舊以產(chǎn)值率5%、20 a均化計算，折舊費為37 萬元/a。以廢水處理系統(tǒng)年運行2 000 h、年處理廢水20 000 t 計算，成本和收益如下：

運行成本：以噸水計，藥劑費1.9 元、電耗8.7 元、人工費4.9 元、污泥處置費1.8 元，無雜鹽處置費；合計噸水處理成本17.3 元，年運行成本34.6 萬元。

經(jīng)濟收益：預脫鹽淡水產(chǎn)量9.0 t/h，單價按10元/t 計，該工程每年可回收高品質(zhì)水18 000 t，年產(chǎn)值18 萬元；次氯酸鈉產(chǎn)量0.5 t/h，單價按100 元/t 計，每年可生產(chǎn)次氯酸鈉溶液1 000 t，年產(chǎn)值10 萬元；2項合計年產(chǎn)值28 萬元。

4 結(jié)論

（1）本研究提出并工程實踐了適用于燃氣電廠的廢水零排放工藝：苦咸水反滲透+一體化澄清器+納濾+電滲析/海水反滲透+次氯酸鈉發(fā)生器。在1 a多的運行時間內(nèi)，未發(fā)生設(shè)備故障、膜污堵等問題，膜正常清洗周期為0.5 a，發(fā)生器正常清洗周期為1 a，維護工作和清洗頻率均符合預期要求。

（2）本處理系統(tǒng)實現(xiàn)了全廠廢水90%以上回用，回用水電導率＜120 μS/cm，制得的副產(chǎn)品次氯酸鈉有效氯質(zhì)量分數(shù)可達1.09%，經(jīng)證實，電解制備的次氯酸鈉可用于電廠循環(huán)水殺菌。

（3）以年運行時間2 000 h 計算，該工程每年可回收高品質(zhì)水18 000 t，年生產(chǎn)次氯酸鈉溶液1 000 t，實現(xiàn)了廢水的資源化利用，獲得了良好的社會效益和環(huán)境效益。