陳寶榮 陳新梅

（江蘇闞山發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221134）

0 引言

由于我國(guó)用電量急劇增加，燃燒煤炭釋放的污染氣體也有所增加。為了減少這些污染氣體的產(chǎn)生，脫硫技術(shù)快速發(fā)展。常見(jiàn)的脫硫技術(shù)有以下4 種：濕式洗滌器、噴霧干式洗滌器、吸附劑注射和可再生工藝[1]。由于石灰石煙氣脫硫系統(tǒng)的脫硫廢水含鹽濃度高，腐蝕設(shè)備，因此脫鹽效率很低。需要定期對(duì)脫硫漿進(jìn)行稀釋，用水清洗設(shè)備的同時(shí)排放脫硫廢水[1]。

目前，電廠脫硫廢水由于成分復(fù)雜，通常含有懸浮固體、鹽（氯、硫酸鹽）和鎘、鉛和汞等重金屬，其通常呈酸性，會(huì)引起設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢等問(wèn)題[2]。表1 為安徽省某電廠脫硫廢水中的主要離子濃度，其中含有不能充分利用的鎂離子和氯離子。隨著脫硫廢水循環(huán)，氯離子濃度增加，使廢水呈酸性。石灰石的溶解被抑制，導(dǎo)致腐蝕。因此，不正確處理脫硫廢水就會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[1]。

表1 某電廠脫硫廢水中主要離子濃度

目前，低溫濃縮-高溫蒸發(fā)工藝、膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶工藝以及離子置換電滲析-蒸發(fā)工藝是目前電廠廢水零排放的主流工藝。其中，與其他兩種工藝相比，膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶工藝效果更穩(wěn)定、投資運(yùn)行成本低以及具有一定經(jīng)濟(jì)效益[3]。對(duì)此，該文以某電廠廢水零排放技術(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)為依托，詳細(xì)分析了膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)在該項(xiàng)目中的應(yīng)用情況，以期為電廠脫硫廢水的零排放技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 項(xiàng)目概述

某電廠始建于2005 年，主要用于供給電網(wǎng)用電和工業(yè)園區(qū)供熱，共配備2 臺(tái)裝機(jī)容量為60 萬(wàn)kW 的發(fā)電機(jī)，年發(fā)電量約為50 億度。由于建設(shè)久遠(yuǎn)，因此其產(chǎn)生的脫硫廢水水質(zhì)波動(dòng)大、鈣鎂離子含量高。由于國(guó)家對(duì)電力能源行業(yè)的改革，該電廠開(kāi)始進(jìn)行電廠脫硫廢水的無(wú)害化和零排放處理。

對(duì)該某電廠采用膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶工藝進(jìn)行脫硫廢水處理。其主要原理是脫硫廢水經(jīng)過(guò)預(yù)處理，然后通過(guò)膜法濃縮。最后，對(duì)廢水進(jìn)行蒸發(fā)和結(jié)晶，以實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的零排放。其設(shè)計(jì)的進(jìn)水指標(biāo)為pH7~9，COD 80mg/L~100mg/L，氯離子11000mg/L~1500mg/L，BOD3.8mg/L~4.0mg/L。出水指標(biāo)符合我國(guó)回用水指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，末端產(chǎn)物的蒸發(fā)結(jié)晶達(dá)到《工業(yè)鹽》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

2 運(yùn)行情況

2.1 處理水質(zhì)和工藝流程

由于膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶工藝成本最低，因此該文主要對(duì)其工藝的應(yīng)用進(jìn)行分析。某電廠煙氣脫硫系統(tǒng)均采用濕法脫硫工藝，廢水量共計(jì)40 m3/h，水質(zhì)情況見(jiàn)表2，符合設(shè)計(jì)要求。由表2 可知，該進(jìn)水水質(zhì)鈣鎂含量以及鈉和氯離子含量高，屬于高硬度和高含鹽廢水。

表2 某電廠煙氣脫硫廢水設(shè)計(jì)水質(zhì)

某電廠脫硫廢水先通過(guò)泵送至廢水收集池進(jìn)暫存和均質(zhì)。該項(xiàng)目的廢水收集池為地上池，做了密閉防腐以及配套除臭系統(tǒng)。由于該廢水COD 和化學(xué)需氧量較低，因此可以存放一段時(shí)間，無(wú)須擔(dān)心因?yàn)樘幱趨捬鯒l件下進(jìn)而酸化。經(jīng)過(guò)緩存和調(diào)節(jié)水質(zhì)水量后，廢水進(jìn)入反應(yīng)池去除鈣鎂離子。隨后泵送至管式膜系統(tǒng)和納濾系統(tǒng)去除鹽離子。進(jìn)膜系統(tǒng)處理后的廢水進(jìn)入SCRO 和DTRO 膜系統(tǒng)，對(duì)廢水進(jìn)行減量。最后將濃縮液送至MVR 蒸發(fā)器，對(duì)固體鹽進(jìn)行提純。同時(shí)反應(yīng)池和管式膜的污泥分布進(jìn)入污泥機(jī)和污泥池，隨后一起外運(yùn)至碳酸鈣漿液取脫硫塔。納濾系統(tǒng)產(chǎn)生的濃縮液和污泥脫水機(jī)產(chǎn)生的廢水，又重新泵送至廢水收集池暫存[5]。工藝流程如圖1 所示。

圖1 零排放工藝流程圖

圖2 雙模系統(tǒng)截留率和回收率

2.2 運(yùn)行效果簡(jiǎn)析

針對(duì)某電廠煙氣脫硫廢水的硬度高和總含鹽量高的特點(diǎn)，在預(yù)處理階段，設(shè)置石灰、氫氧化鈉和碳酸鈉藥劑的加藥裝置，用來(lái)去除鎂、鈣離子。同時(shí)設(shè)置管式超濾膜用來(lái)去除重金屬離子。同時(shí)，增加分鹽設(shè)備，進(jìn)一步進(jìn)行分鹽處理，并對(duì)高品質(zhì)工業(yè)鹽、高品質(zhì)石灰石漿液進(jìn)行回收，減少固體廢物的排放量。膜濃縮單元采用雙模系統(tǒng)（SCRO+DTRO），主要對(duì)廢水進(jìn)行濃縮減量，使后續(xù)的產(chǎn)廢水量降低了75%。在最后的蒸發(fā)結(jié)晶階段，該電廠設(shè)置納濾分鹽系統(tǒng)，保證后續(xù)產(chǎn)鹽和減量穩(wěn)定[5]。

進(jìn)入零排放工藝的水量為40 m3/h，進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶的水量約為10 m3/h，經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶后，系統(tǒng)后端出水為0。經(jīng)過(guò)預(yù)處理和管式超濾膜過(guò)濾后的產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，滿足DTRO進(jìn)水要求，系統(tǒng)產(chǎn)水量為40 m3/h。

該零排放工藝共設(shè)置2 套 DTRO 和SCRO 裝置，總處理量均為8 m3/h，濃水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶處理單元進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶處理。進(jìn)入DTRO 處理單元的廢水經(jīng)初步濃縮減量，回收率為45%。

經(jīng)雙膜系統(tǒng)后的濃鹽水含鹽量為120 000 mg/L，減水量約為8 m3/h。電廠廢水經(jīng)預(yù)處理加藥軟化和提純處理后，進(jìn)入后續(xù)單元主要為高鹽廢水。高鹽分廢水進(jìn)入蒸發(fā)濃縮單元后，結(jié)晶鹽析出經(jīng)干燥、打包后外售，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)廢水零排放。同時(shí)，產(chǎn)鹽達(dá)到《工業(yè)鹽》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

整體來(lái)說(shuō)，該工藝對(duì)脫硫廢水的回收率高，廢水中的煤泥排干后可作為燃料回用，凝結(jié)水也可回用。然而，該工藝也受到污泥產(chǎn)率高、反滲透系統(tǒng)操作壓力高、進(jìn)口膜成本高等因素的限制[6]。

3 技術(shù)分析

3.1 預(yù)處理+管式膜的去除效果分析

由表3 可知，預(yù)處理對(duì)進(jìn)水COD、SO42-以及Cl-的去除效率較低，分別為8.61%、8.92%和7.45%。對(duì)水質(zhì)Ca2+和Mg2+的去除率較高，分別達(dá)到98.7%和98.9%。這可能是因?yàn)轭A(yù)處理中添加堿性物質(zhì)，與Ca2+和Mg2+形成沉淀。同時(shí)，管式膜通過(guò)截留分離亞納米級(jí)以及更大的懸浮物顆粒，在預(yù)處理階段去除Ca2+和Mg2+。同時(shí)，藥管式膜對(duì)水中的陰離子缺少攔截阻流的作用，因此對(duì)SO42-以及Cl-的去除效果較低。該工藝與傳統(tǒng)的“石灰+碳酸鈉軟化+沉淀池+過(guò)濾器處理”相比，大幅縮短工藝路線并減少占地面積并且產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，便于維護(hù)和管理。

表3 預(yù)處理+管式膜進(jìn)水、產(chǎn)水水質(zhì)

3.2 納濾膜的去除效果分析

預(yù)處理+管式膜SO42-以及Cl-的去除效率較低，需要補(bǔ)充納濾系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行去除。納濾主要是截留二價(jià)離子，使一價(jià)離子通過(guò)。通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，納濾系統(tǒng)對(duì)SO42-的去除率為93.4%。隨后納濾產(chǎn)生的濃縮液回流至預(yù)處理段，提高進(jìn)水中 SO42-濃度，促進(jìn)反應(yīng)式1 的反應(yīng)平衡，進(jìn)而減少Ca2+。同時(shí)，未截留的Na+和Cl-進(jìn)入后續(xù)濃縮單位，進(jìn)而獲取高品質(zhì)的結(jié)晶鹽提取。

3.3 雙膜系統(tǒng)裝置效果分析

SCRO 是雙模系統(tǒng)中專門用于高鹽進(jìn)水的新型膜，可以用于高鹽廢水的初步濃縮減量，具有一定抗污染特性、耐壓等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)。該研究中，經(jīng)預(yù)處理、管式膜和納濾膜的處理，進(jìn)SCRO 系統(tǒng)主要是含有濃度約為1.5%的NaCl 溶液。經(jīng)SCRO 的截留技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)NaCl 高效的攔截效果。同時(shí)，更高濃度的濃鹽水經(jīng)進(jìn)入DTRO 膜，進(jìn)一步濃縮減量。DTRO 后續(xù)的產(chǎn)廢水量降低75%，經(jīng)過(guò)SCRO 和DTRO 雙膜系統(tǒng)的初步濃縮后，產(chǎn)水回收率可達(dá)到 80%以上。

3.4 MVR 蒸發(fā)工藝分析

電廠脫硫廢水經(jīng)過(guò)上述預(yù)處理和初步濃縮后進(jìn)入MVR 蒸發(fā)結(jié)晶段?；诩{濾系統(tǒng)的分鹽效果以及雙模系統(tǒng)的初步濃縮，進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)的水中含鹽量極高（見(jiàn)上文）。一般來(lái)說(shuō)，蒸發(fā)階段中98%以上為氯化鈉。蒸發(fā)結(jié)晶工藝通過(guò)不斷升高溫度，達(dá)到溶液的蒸發(fā)溫度后，不飽和溶液中的水份進(jìn)而揮發(fā)。由于大量的能量輸入，因此該過(guò)程運(yùn)行成本較高。經(jīng)過(guò)該過(guò)程后，不飽和溶液逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡腿芤海缓笤僮優(yōu)檫^(guò)飽和溶液。此后，溶質(zhì)即氯化鈉會(huì)從過(guò)飽和溶液中析出。該研究中采用工藝較為成熟、能耗低和運(yùn)行穩(wěn)定的MVR 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，對(duì)高濃度的出水進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶。該項(xiàng)目的MVR 蒸發(fā)結(jié)晶器為閃蒸罐和結(jié)晶器高度集成的一體化設(shè)計(jì)，閃蒸罐與結(jié)晶器短程互連設(shè)計(jì)，通過(guò)協(xié)調(diào)優(yōu)化結(jié)晶器出口與閃蒸罐入口的對(duì)應(yīng)位置，設(shè)計(jì)最佳的管程方向和最短的管程距離，避免了高濃度鹽溶液在管程中出現(xiàn)結(jié)晶堵塞管道的情況，同時(shí)，最大程度地減少高濃度鹽溶液在管程流動(dòng)中熱量的損失。蒸發(fā)結(jié)晶后可獲得NaCl 結(jié)晶，純度高于98.0%的NaCl。

3.5 項(xiàng)目運(yùn)行分析

該零排放技術(shù)理論可行，調(diào)試階段和試運(yùn)行階段均較為順利。但是，后續(xù)運(yùn)行后，仍然出現(xiàn)一些問(wèn)題。對(duì)此，該研究結(jié)合該工藝在某電廠的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)以及理論數(shù)據(jù)，對(duì)一些運(yùn)行和技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)。

具體分析如下：1）該項(xiàng)目預(yù)處理系統(tǒng)，即廢水收集池+反應(yīng)池+管式膜+納濾系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，進(jìn)水水質(zhì)和質(zhì)量在用電高峰期存在一些波動(dòng)，然而并未對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響。在進(jìn)行廢水收集池設(shè)計(jì)的過(guò)程中考慮了負(fù)荷系數(shù)，沒(méi)有為節(jié)約土建費(fèi)用而進(jìn)行縮減調(diào)整。同時(shí)，反應(yīng)池的加藥系統(tǒng)穩(wěn)定，且進(jìn)行一備一用，提高處理效率。同時(shí)，隨著膜工藝的成熟，積累了有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，預(yù)處理與膜濃縮單元的設(shè)計(jì)與運(yùn)行效果較好，為后期納濾分鹽及膜電解工藝完善改造創(chuàng)造了有利條件。2）該工藝在初步設(shè)計(jì)階段未考慮對(duì)MVR 蒸發(fā)結(jié)晶后的結(jié)晶鹽進(jìn)行回收利用。該系統(tǒng)的MVR 僅用于雜鹽提純，但前期運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)了因主機(jī)葉輪結(jié)垢及高COD 母液富集等導(dǎo)致蒸發(fā)過(guò)程須頻繁停機(jī)、清洗的典型問(wèn)題。同時(shí)，雜鹽的后續(xù)處置較為復(fù)雜。因?yàn)槠浣Y(jié)晶效率慢，純度達(dá)不到要求，進(jìn)而考慮將MVR 進(jìn)行升級(jí)改造，用于結(jié)晶鹽回收。對(duì)此，該工藝在原有的設(shè)計(jì)上增設(shè)了水質(zhì)軟化處理裝置，同時(shí)在MVR 系統(tǒng)后增設(shè)三效蒸發(fā)器與母液干燥機(jī)，用以解決結(jié)構(gòu)和母液富集問(wèn)題。3）確定該工藝前做過(guò)有關(guān)成本測(cè)算。該工藝的投資建設(shè)成本包括各設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、廢水池、反應(yīng)池和回用水池的土建費(fèi)，運(yùn)行成本主要來(lái)自水電消耗、藥劑消耗以及人工成本。同時(shí)，增設(shè)水質(zhì)軟化處理裝置和三效蒸發(fā)器與母液干燥機(jī)后，工藝鹽可以抵扣一部分運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)回用水可以0.3 元/t 的費(fèi)用進(jìn)行抵扣。整體而言，該工藝實(shí)際運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行費(fèi)用較設(shè)計(jì)時(shí)基本持平，但整體需要電廠持續(xù)投入水電和消耗藥劑，且需要增設(shè)人員進(jìn)行維護(hù)和管理，因此屬于固定的電廠額外開(kāi)銷[7]?？紤]到該設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)余量較大且廢水收集池的設(shè)計(jì)負(fù)荷取值較高，因此在運(yùn)行穩(wěn)定后，當(dāng)該電廠在發(fā)電量處于平均和低峰時(shí)段時(shí)，將周圍的電廠的脫硫廢水進(jìn)行低價(jià)處理，用來(lái)平衡開(kāi)支。4）該工藝以膜系統(tǒng)為基礎(chǔ)，因此會(huì)存在膜系統(tǒng)時(shí)常更換或者維護(hù)等問(wèn)題。同時(shí)，納濾系統(tǒng)產(chǎn)生的濃縮液雖進(jìn)行了回用處理，但仍未做到全量化。對(duì)此，有研究發(fā)現(xiàn)，MVR法可用于膜系統(tǒng)濃縮液體的全量化處理系統(tǒng)。該模式也早已應(yīng)用于垃圾滲濾液的處理工藝中。但考慮到MVR 系統(tǒng)用于蒸發(fā)結(jié)晶后的鹽須用于后續(xù)出售，因此未將其與膜系統(tǒng)濃縮液進(jìn)行協(xié)同處理。為避免膜系統(tǒng)頻繁更換，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，電廠依托廠內(nèi)酸堿藥劑對(duì)其進(jìn)行反沖洗，以保證其效率。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著對(duì)國(guó)內(nèi)環(huán)保意識(shí)和節(jié)能要求的不斷提高，人們?cè)絹?lái)越重視電廠脫硫廢水零液排放。將低溫濃縮-高溫蒸發(fā)工藝、膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶工藝以及離子置換電滲析-蒸發(fā)工藝在不同電廠的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比，雖然3 種工藝均能在一定程度上使電廠脫硫廢水實(shí)現(xiàn)零排放，但是仍然存在如膜系統(tǒng)更換頻繁或者占地面積大等缺點(diǎn)。同時(shí)對(duì)膜濃縮-蒸發(fā)結(jié)晶工藝進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，其降水量穩(wěn)定、產(chǎn)鹽質(zhì)量高，可作為目前的主流工藝。

對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)合現(xiàn)有電廠運(yùn)行情況，雖然該工藝效果可靠，但是運(yùn)行成本是目前該工藝的主要問(wèn)題。同時(shí)后續(xù)的膜系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)也是難以解決的一個(gè)痛點(diǎn)?；诂F(xiàn)有運(yùn)行數(shù)據(jù)和技術(shù)進(jìn)行分析， 電廠廢水零排放技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向主要集中在研究和制備具有穩(wěn)定性能、易于維護(hù)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的膜技術(shù)，并優(yōu)化各項(xiàng)技術(shù)的參數(shù)，以達(dá)到更高的能源效率和處理效果，從而實(shí)現(xiàn)電廠脫硫廢水零排放的目標(biāo)。