慕時榮，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，水資源短缺問題日趨嚴(yán)重。國家“水十條”中明確提出“三條紅線”、“四項制度”等核心內(nèi)容。為實現(xiàn)用水總量控制、提高水資源利用率和分級分質(zhì)利用的目標(biāo)，要求各行業(yè)節(jié)約用水、逐步實現(xiàn)廢水資源化利用。據(jù)調(diào)查，在全國發(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，開展循環(huán)水深度節(jié)水工作是火電廠亟待解決的問題。

1 再生水深度處理系統(tǒng)概述

近年來由于地表水、地下水、水庫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 富營養(yǎng)化，易產(chǎn)生黏泥及微生物腐蝕〔4〕?；痣姀S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)計規(guī)范》（GB/T 50050—2017）標(biāo)準(zhǔn)要求，工藝流程見圖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

2 北方某電廠再生水深度處理系統(tǒng)診斷分析

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)多數(shù)火電廠再生水深度處理系統(tǒng)運行效果不佳，達(dá)不到最初設(shè)計出力及出水水質(zhì)。筆者以北方某電廠為例，總結(jié)歸納了系統(tǒng)主要存在的問題。

北方某電廠敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)充水水源采用自來水與城市再生水，其摻混體積比約1∶1.2，自來水來水水質(zhì)滿足《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(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年的三級標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)?016年提標(biāo)后的一級A標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 設(shè)計水量水質(zhì)及工藝流程

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)計規(guī)范》（DL/T 50050—2017）中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1 設(shè)計進(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)計出力40 m3/h，尺寸D7 m×5 m；設(shè)置2臺離心脫水機(jī)，單臺設(shè)計出力40 m3/h，系統(tǒng)配套反洗水池、反洗水收集池等，工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程Fig. 2 Process flow

2.2 系統(tǒng)現(xiàn)狀診斷分析

北方某電廠再生水深度處理系統(tǒng)自2007年建成以來因存在諸多問題，運行僅處于少量過水狀態(tài)，水質(zhì)、水量均達(dá)不到設(shè)計要求。

（1）設(shè)計原水水質(zhì)變化大，工藝流程結(jié)構(gòu)不合理。由于現(xiàn)階段國內(nèi)城市污水處理廠陸續(xù)提標(biāo)改造〔5〕，再生水來水?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、故障率高、處理成本大等問題。北方某電廠曝氣生物濾池實際運行存在上述問題外，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)差的問題。同時，該電廠機(jī)械加速澄清池進(jìn)水濁度低于原設(shè)計，使澄清池上升流速大于處理低濁水時允許的上升流速〔6〕，運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。實際運行時，進(jìn)水量需隨機(jī)組運行情況不斷調(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“排泥—泥漿池—污泥濃縮池”的方式。人工經(jīng)驗排泥隨意性大，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快或幅度過大；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法滿足脫水設(shè)備進(jìn)料的要求。石灰污泥的流動性差和現(xiàn)有排泥系統(tǒng)的配置使排泥時機(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、變化過快，引發(fā)脫水設(shè)備扭矩過大或頻繁跳機(jī)，導(dǎo)致脫水設(shè)備無法穩(wěn)定運轉(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)計不合理、管路沖洗不徹底等原因?qū)е孪到y(tǒng)無法可靠連續(xù)運行，基本處于癱瘓狀態(tài)；同時，基建時澄清池混凝劑、助凝劑、石灰加藥點位于反應(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。

3 系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)研究

（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，縮短工藝流程。對原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計進(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)上加長裙邊，清水區(qū)設(shè)置斜板。加長裙邊能夠增加脫穩(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)運行的可靠率，降低了運行維護(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。采用自動排泥系統(tǒng)實現(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\行時，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)水累計量達(dá)到預(yù)設(shè)值時，自動切換排泥模式，按照修正后的排泥時間及時排除累積的老化污泥。排泥結(jié)束后，自動切換至回流模式。

（3）重構(gòu)排泥方式，均質(zhì)污泥濃度。針對系統(tǒng)排泥濃度變化大，脫水設(shè)備運行效果差的問題，首先設(shè)計了帶污泥回流的混凝沉淀反應(yīng)器自動排泥系統(tǒng)〔9〕。該系統(tǒng)通過設(shè)定澄清池進(jìn)水累積量及排泥基礎(chǔ)時間實現(xiàn)間斷排泥，并根據(jù)監(jiān)測的污泥密度值修正排泥基礎(chǔ)時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)。

同時在自動排泥系統(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)備壁及底的問題；污泥攪拌泵能夠避免罐內(nèi)污泥沉淀并實現(xiàn)污泥均質(zhì)；調(diào)質(zhì)稀釋模塊解決污泥濃度偏高的問題；自動沖洗模塊防止管路污泥沉積的現(xiàn)象。采用“自動排泥+污泥均質(zhì)”方法實現(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)定運行。自動排泥?污泥均質(zhì)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 自動排泥-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 堵型擾動式粉狀物料計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，實現(xiàn)水力預(yù)混凝，延長混凝反應(yīng)時間，石灰加藥點設(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、回流泥渣及時發(fā)生共沉淀。通過調(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

4 研究成果應(yīng)用與調(diào)試結(jié)果分析

4.1 研究成果應(yīng)用

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，通過跟蹤澄清池進(jìn)水流量的5%來調(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，水力停留時間由原來的1.45 h延長至1.6 h。

（4）澄清池排泥采用自動排泥，設(shè)置3臺污泥泵，流量為40 m3/h，揚程為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，通過澄清池進(jìn)水累積量、污泥密度、設(shè)定排泥時間等計算控制排泥時機(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臺污泥攪拌泵，流量為30 m3/h，揚程為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8 m3制 備 箱，1臺10 m3溶 液 箱，2臺 石 灰 乳 輸送泵、2臺石灰乳加藥泵；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

4.2 調(diào)試結(jié)果分析

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)計算控制每累積進(jìn)水3 000 m3自動排泥1次，排泥量為20 m3，排泥時間為30 min，并根據(jù)污泥密度值修正排泥時間，澄清池污泥密度顯示值變化見圖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，實際運行污泥密度基本穩(wěn)定在1.075 g/cm3，澄清池二反區(qū)絮體礬花密實繁多且均勻，離心脫水機(jī)運行扭矩基本維持在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)運行穩(wěn)定可靠，自動化程度提高。

4.3 技術(shù)改進(jìn)效益分析

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，自來水作為備用水源。系統(tǒng)運行成本主要考慮藥劑費、電費、泥餅處置費，經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在水源更換后節(jié)約的取水費。經(jīng)測算，工程投運后電廠單位用水成本由4.01元降至2.21元，噸水運行成本為0.71元，節(jié)約取水費1 497.6萬元，每年節(jié)約用水成本1 130萬元，每年減少自來水取水量及再生水排放量288萬t，經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益顯著，達(dá)到節(jié)水減排的目的，效益分析見表2。

表2 效益分析Table 2 Benefit analysis

5 結(jié)論

（1）針對火電廠再生水深度處理系統(tǒng)存在的問題，提出針對性的改進(jìn)方案，并在北方某電廠實際應(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)運行扭矩維持在30%左右，泥餅含水率接近75%，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，出水水質(zhì)指標(biāo)符合設(shè)計要求，自動化程度高。

（2）采用基于“自動排泥+污泥均質(zhì)”污泥預(yù)處理方法、主動外循環(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際中的運用效果良好，表明該改進(jìn)方法是合理、可行、可實施的，對相關(guān)企業(yè)開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)運行，可大幅減少新鮮水用量，符合國家發(fā)展戰(zhàn)略總體要求，具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。