江歡歡 劉向東

(中冶南方都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司, 武漢 430205)

0 前言

石灰石-石膏濕法是國內(nèi)應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟的煙氣脫硫工藝[1]。在進(jìn)行濕法脫硫的同時,煙氣中大量的氯離子、鎂離子、氟化物、亞硝酸鹽、重金屬離子等也會溶于石灰石漿液中,通過石膏排出泵供給石膏脫水系統(tǒng),最后流入脫硫廢水調(diào)節(jié)池。因此濕法脫硫廢水具有含鹽量大、易腐蝕、硬度大、易結(jié)垢、重金屬污染性強、濁度高等特性。如果濕法脫硫廢水不經(jīng)過處理直接外排,必然會污染環(huán)境,影響自然生態(tài)和諧發(fā)展。

某超高溫亞臨界煤氣發(fā)電濕法脫硫項目采用石灰石-石膏濕法工藝進(jìn)行煙氣脫硫,其中脫硫廢水處理系統(tǒng)由4臺機組組成,采用三聯(lián)箱化學(xué)沉淀法。三聯(lián)箱化學(xué)沉淀法具有技術(shù)成熟、運行穩(wěn)定等優(yōu)點,能滿足國家環(huán)保廢水排放要求,節(jié)省成本,產(chǎn)生經(jīng)濟效益。為保證三聯(lián)箱工藝運行穩(wěn)定,探索煤氣發(fā)電廠濕法脫硫廢水處理裝置的最佳運行參數(shù),進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗最優(yōu)目標(biāo),本文研究了Ca(OH)2溶液投加量對中和箱脫硫廢水pH值和電導(dǎo)率的影響,不同類型助凝劑對脫硫廢水濁度去除率的影響,脫硫廢水pH值對污泥產(chǎn)量及其組分的影響。

1 材料與方法

1.1 濕法脫硫廢水水質(zhì)

煤氣發(fā)電廠石灰石-石膏漿液濕法脫硫廢水來源于廢水旋流器溢流水和石膏裝車區(qū)沖洗水,其水質(zhì)見表1。

表1 濕法脫硫廢水水質(zhì)分析 mg/L

由表1可知,濕法脫硫工藝產(chǎn)生的廢水指標(biāo)嚴(yán)重超過國家環(huán)保達(dá)標(biāo)排放控制標(biāo)準(zhǔn)。脫硫廢水pH值在4～5,呈弱酸性;脫硫廢水中的懸浮物含量較大,主要成分為石膏顆粒物、Si、Al及Fe的氫氧化物。此外,脫硫廢水還具有重金屬嚴(yán)重超標(biāo)、硬度高、氟離子超標(biāo)等特點。

1.2 工藝流程

本項目采用三聯(lián)箱化學(xué)沉淀法處理濕法脫硫廢水[2],工藝流程如圖1所示。化學(xué)沉淀法主要包括中和、重金屬沉淀、絮凝和澄清4個步驟[3-5]。利用提升泵將廢水調(diào)節(jié)池的廢水均質(zhì)均量送至中和箱,往中和箱內(nèi)投加石灰乳溶液,使廢水與石灰乳溶液充分混合,pH值調(diào)節(jié)至堿性(9.0～9.5),此時大部分重金屬形成難溶的氫氧化物。再通過投加有機硫藥液,使殘余的重金屬與有機硫化物形成金屬硫化物沉淀。在絮凝反應(yīng)箱中,投加絮凝劑和助凝劑等藥劑,使水中的懸浮物、沉淀物形成易于沉降的大顆粒絮凝物。絮凝箱上層溢流廢水自流至澄清濃縮池中。在重力作用下,大顆粒絮凝物、不溶性雜質(zhì)和水在濃縮澄清池中以分離,以污泥的形式沉降在底部。濃縮澄清池上清液由池周邊集水槽收集后,出水進(jìn)入中和水箱,并進(jìn)行pH值檢測,當(dāng)pH值偏高時,向廢水中投入鹽酸調(diào)節(jié)pH值,使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。澄清池底部污泥一部分作為接觸污泥,通過污泥循環(huán)泵返回到反應(yīng)箱,以提供沉淀所需的晶核,獲得更好地沉降效果[13];一部分通過污泥排放泵加壓進(jìn)入壓濾機脫水,生成的泥餅外運。

圖1 濕法脫硫廢水處理工藝流程圖

1.3 試驗原理

化學(xué)沉淀法處理廢水過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)見式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

1.4 試驗裝置

本項目脫硫廢水處理實驗裝置包括收集單元、預(yù)處理單元、濃縮單元、中和單元等。

1.4.1 收集單元

收集單元由廢水調(diào)節(jié)池、廢水提升泵、羅茨風(fēng)機及曝氣系統(tǒng)組成。廢水調(diào)節(jié)池容積30 m3,2臺立式自吸泵作為廢水提升泵,1用1備,流量13 m3/h,揚程15 m;羅茨風(fēng)機2臺,1用1備,風(fēng)量4 m3/min。

1.4.2 預(yù)處理單元

預(yù)處理單元的混合反應(yīng)箱有3格,第1格(中和箱)投加石灰乳液與廢水充分混合,第2格(反應(yīng)箱)、第3格(絮凝箱)依次投加有機硫化物、混凝劑、助凝劑。每格配置攪拌機1臺。

1.4.3 濃縮單元

濃縮單元包括濃縮澄清池、濃縮攪拌機、污泥回流泵、壓濾機供料泵、壓濾機等設(shè)備。

1)濃縮澄清池:池體直徑3 600 mm,池深4.7 m,有效水深4 m。濃縮澄清池以對稱形式布置2個長刮臂和2個短刮臂。

2)濃縮攪拌器:1臺,刮泥板外緣線速度40 m/min,濃縮攪拌器旋轉(zhuǎn)速度3 r/min。

3)污泥回流泵及壓濾機供料泵:各2臺,1用1備,流量3 m3/h,揚程70 m,采用氣動隔膜泵。

4)壓濾機:壓濾機和自動集水盤為液壓或電動驅(qū)動,工作平穩(wěn)。污泥經(jīng)過壓濾機脫水制成泥餅,定期外運,壓濾機產(chǎn)生的濾液回流至廢水調(diào)節(jié)池。

1.4.4 中和單元

中和單元包括中和水箱、鹽酸投加裝置、酸霧吸收器、外輸提升泵、攪拌器等設(shè)備。鹽酸由鹽酸計量泵投加到出水箱調(diào)節(jié)出水pH值,投加量由出水箱pH值控制,調(diào)節(jié)出水pH值6.0～9.0,達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的要求[8]。

1.5 試驗方法

1.5.1 Ca(OH)2投加量優(yōu)化試驗

往中和箱投入不同量的Ca(OH)2/NaOH溶液,并記錄對應(yīng)pH值,考察Ca(OH)2/NaOH溶液投加量對中和箱脫硫廢水pH值的影響,以及石灰乳投加量對廢水電導(dǎo)率的影響,確定石灰乳最佳投加量。

1.5.2 助凝劑優(yōu)化試驗

脫硫廢水經(jīng)過中和、反應(yīng)預(yù)處理工序后流入絮凝箱,利用pH試紙測定絮凝箱廢水的pH值,當(dāng)廢水pH值不變時,進(jìn)行助凝劑優(yōu)化試驗。助凝劑類型有非離子型PAM、陰離子型PAM、陽離子型PAM,濃度均為0.1%,絮凝箱攪拌器連續(xù)運行,3種助凝劑反應(yīng)時間均為30 min,反應(yīng)完成后靜置10 min。然后從絮凝箱溢流口取樣,檢測樣液濁度變化情況,確定絮凝劑類型、攪拌器轉(zhuǎn)速、廢水pH值對濁度去除率的影響。

1.5.3 污泥產(chǎn)量優(yōu)化試驗

往中和箱均質(zhì)補充5%濃度的石灰乳溶液,調(diào)節(jié)中和箱廢水pH值,廢水處理裝置運行10 min,測量和分析污泥產(chǎn)量、成分與pH值的變化關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ca(OH)2投加量優(yōu)化試驗

2.1.1 投加Ca(OH)2和NaOH的效果對比

分別往中和箱中投入不同量的Ca(OH)2/NaOH溶液,pH計讀數(shù)趨于穩(wěn)定后,記錄此時pH值,考察加藥量對中和箱廢水pH值的影響,結(jié)果如圖2所示。

圖2 Ca(OH)2/NaOH加藥量對中和箱廢水pH值的影響

2.1.2 石灰乳投加量對廢水電導(dǎo)率的影響

石灰乳投加量對廢水電導(dǎo)率的影響如圖3所示。由圖3可知,隨著石灰乳溶液藥劑量的增加,中和箱廢水電導(dǎo)率逐漸降低,這說明廢水中的帶電離子數(shù)量逐漸減少。當(dāng)石灰乳藥劑量為23～24 g/L時,電導(dǎo)率陡然下降,說明Mg2+已基本除去。

圖3 石灰乳投加量對廢水電導(dǎo)率的影響

表2 石灰乳投加前后廢水中離子濃度變化情況

2.1.3 Ca2+離子的去除

對于增加的Ca2+,可以投加Na2CO3溶液除去。通過碳酸鈉溶液劑量優(yōu)化試驗明確碳酸鈉溶液投加量,結(jié)果如圖4所示。

圖4 碳酸鈉溶液劑量優(yōu)化試驗結(jié)果

從圖4可知,當(dāng)碳酸鈉溶液藥劑量為6.9 g/L時,脫硫廢水中Ca2+離子濃度低于100 mg/L,滿足國家排放要求。

2.2 絮凝效果的影響因素分析

2.2.1 絮凝劑類型

分別將非離子型PAM、陰離子型PAM、陽離子型PAM三種助凝劑輸送至絮凝箱,溶液濃度0.1%,反應(yīng)時間30 min,反應(yīng)完成后靜置10 min,然后在絮凝箱溢流口取樣檢測廢水濁度值,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同類型助凝劑去除脫硫廢水濁度效果對比

從圖5可知,脫硫廢水濁度去除率隨著3種類型助凝劑投加量增加而變大,當(dāng)非離子型PAM投加量達(dá)21 mg/L時,廢水濁度除去率達(dá)到最大,為96.5%;而當(dāng)陰離子型PAM和陽離子型PAM投加量分別為40 mg/L、50 mg/L時,廢水濁度去除率達(dá)到最大,分別為94.2%、95.4%。原因為陰離子型PAM和陽離子型PAM具有較高的水解度,在脫硫廢水的絮凝處理中效果反而不如非離子型PAM。這說明非離子型PAM的效果最好,因此為節(jié)省成本,建議采購非離子型助凝劑對濕法脫硫廢水進(jìn)行處理。

2.2.2 攪拌轉(zhuǎn)速

當(dāng)其他參數(shù)一定時,改變絮凝箱攪拌器轉(zhuǎn)速,檢測對應(yīng)的脫硫廢水濁度,考察攪拌器轉(zhuǎn)速對廢水濁度的影響,結(jié)果如圖6所示。

圖6 攪拌器轉(zhuǎn)速對脫硫廢水濁度去除率的影響

從圖6可知,攪拌器轉(zhuǎn)速對脫硫廢水濁度去除率影響較大。攪拌器轉(zhuǎn)速280 r/min是臨界值。當(dāng)絮凝箱攪拌器轉(zhuǎn)速低于280 r/min時,隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的增加,脫硫廢水濁度去除率快速提高;當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速達(dá)到280 r/min時,脫硫廢水濁度去除率最大;當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高時,脫硫廢水濁度去除率出現(xiàn)降低。這主要由于攪拌轉(zhuǎn)速較低時,廢水難以與藥劑充分混合,從而導(dǎo)致藥劑無法完全發(fā)揮脫穩(wěn)及吸附架橋作用。

2.2.3 pH值的影響

當(dāng)脫硫廢水其他參數(shù)一定時,改變廢水pH值,檢測相應(yīng)的廢水濁度值,考察廢水pH值對濁度除去率的影響,結(jié)果如圖7所示。

圖7 廢水pH值對濁度除去率的影響

從圖7可知,脫硫廢水pH值對濁度去除率的影響存在臨界點。當(dāng)脫硫廢水pH值<7.8時,隨著脫硫廢水從酸性向堿性變化,濁度除去率逐漸提高;當(dāng)脫硫廢水pH值=7.8時,濁度除去率為99.4%,達(dá)到最大值,效果最佳;當(dāng)脫硫廢水pH值逐漸從7.8變大至10時,廢水濁度除去率反而逐漸下降。

2.3 廢水pH值對污泥產(chǎn)量和組成的影響

改變混合反應(yīng)箱第1格中和箱脫硫廢水pH值,裝置穩(wěn)定連續(xù)運行10 min,壓濾機供泥泵抽盡污泥澄清池里的污泥,測量污泥產(chǎn)量及其組成,考察濕法脫硫廢水pH值對污泥產(chǎn)量和組成的影響,結(jié)果如圖8所示。

圖8 脫硫廢水pH值對污泥產(chǎn)量及其組分的影響

從圖8可知,污泥產(chǎn)量隨脫硫廢水pH值增大而增大,污泥主要組分為CaSO4·2H2O。CaSO4·2H2O黏滯度較大[15],惡化了污泥的脫水性能。當(dāng)脫硫廢水pH值增大時,CaSO4·2H2O占比增加最快,Mg(OH)2占比增加最慢。pH值為11時,污泥量達(dá)到最大值50 g/L。

3 結(jié)論

2)非離子型PAM、陰離子型PAM和陽離子型PAM三種絮凝劑去除脫硫廢水濁度實驗結(jié)果表明,當(dāng)非離子型PAM投加量達(dá)21 mg/L時,廢水濁度除去率達(dá)到最大值96.5%。非離子型助凝劑的絮凝效果優(yōu)于陰離子型PAM和陽離子型PAM,成本最低。攪拌器最佳轉(zhuǎn)速為280 r/min,廢水pH值為7.8時,絮凝效果最好。

3)污泥產(chǎn)量隨脫硫廢水pH值增大而增大,pH值為11時,污泥產(chǎn)量達(dá)到最大值。