[工業(yè)污水處理] 煤廠電廠工業(yè)廢水零排放技術(shù)研究

作者：泰源人????來源：西安泰源????發(fā)布時間：2020-12-09 10:37????瀏覽量：

[工業(yè)污水處理] 煤廠電廠工業(yè)廢水零排放技術(shù)研究
我國的電力來源主要是火力發(fā)電，據(jù)統(tǒng)計，2018 年我國火力發(fā)電量為 49249 億 k Wh，占總發(fā)電總量的 70.4%。火電行業(yè)作為用水大戶，每年的耗水量和排水量巨大，2018 年全國火電廠耗水總量接近 60 億 t，廢水排放量約為 2.7 億 t。燃煤發(fā)電作為火力發(fā)電的主要形式，占總發(fā)電量的 64.1%，成為火電廢水的主要排放來源。隨著國家對火電行業(yè)清潔生產(chǎn)、超低排放和近零排放的要求，以及工業(yè)用水價格的不斷攀升，燃煤電廠對各類廢水進行處理并回收利用已經(jīng)迫在眉睫。而脫硫廢水作為燃煤電廠產(chǎn)生的一種成分復雜、最難處理的廢水，其零排放處理技術(shù)也得到越來越多的關注。本文中對燃煤電廠中不同工業(yè)廢水的處理方法和回用路徑進行了概述，并分析了脫硫廢水零排放技術(shù)的研究和應用現(xiàn)狀。
1 燃煤電廠廢水種類及處理回用方式；燃煤電廠用水分為工業(yè)用水和生活用水。

由圖 1 可以看到，燃煤電廠工業(yè)用水系統(tǒng)包括化學水處理系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、除灰渣系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)等，產(chǎn)生的廢水包括循環(huán)水排污水、灰渣廢水、含煤廢水、含油廢水、脫硫廢水等。針對每種廢水的特點開發(fā)特有的廢水處理工藝，并實現(xiàn)廢水的梯級利用，可以達到電廠節(jié)水的目標。
1.1 循環(huán)水排污水      電廠循環(huán)水是用于機組進行冷卻的冷卻水源，占電廠總用水量的 60%以上。電廠循環(huán)水系統(tǒng)多為敞開式循環(huán)系統(tǒng)，由于不斷地蒸發(fā)、漏損、濃縮形成富含 Ca2+、Mg2+等離子的鹽類，導致水的電導率増加，造成管道堵塞和腐蝕，降低了換熱效率。目前多采用濃縮脫鹽的方式對循環(huán)水排污水進行處理，采用“預處理（軟化+混凝+澄清）+深度除鹽（膜過濾/電滲析）”的回用處理工藝，將循環(huán)水排污水中的離子脫除；為了減少混凝過程中的藥劑投加量，開發(fā)了“電絮凝+高效澄清+深度除鹽”的工藝，降低后續(xù)膜分離系統(tǒng)污堵的風險。經(jīng)過除鹽后的循環(huán)水排污水可以用于循環(huán)水系統(tǒng)和化學水系統(tǒng)補水，產(chǎn)生的濃水可以用于脫硫和除灰渣系統(tǒng)用水。1.2 化學制水及精處理系統(tǒng)        排水化學制水及精處理系統(tǒng)排水主要包括鍋爐補給水系統(tǒng)和凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的混床酸堿再生廢水、反滲透（RO）濃水和系統(tǒng)的沖洗排水。酸堿再生廢水采用中和的方法將 p H 調(diào)節(jié)到 6~9，并將處理后的水輸送到回用清水箱。對于重金屬離子和懸浮物（SS）含量不達標的廢水采用絮凝沉淀的方法進行處理；RO 濃水含鹽量高，采用化學除鹽、電吸附等方法進行脫鹽處理；化學系統(tǒng)沖洗排水的含鹽量低，采用“酸堿調(diào)節(jié)+絮凝沉淀+過濾澄清”的工藝進行處理后回用。化學制水及精處理系統(tǒng)排水可與其他廢水混合后用于脫硫工藝水補。
1.3除灰渣廢       除灰渣廢水主要包括濕式除渣廢水和水力除灰廢水，具有高 pH、高含鹽量，高 SS 的特點，采用“絮凝沉淀+澄清+過濾”的工藝調(diào)節(jié)廢水 p H，去除 SS。煤灰渣廢水在循環(huán)使用過程中最大的問題是系統(tǒng)的結(jié)垢，為防止結(jié)垢一般采用加酸法、加煙氣法（煙氣中 SO2等酸性氣體）、投加晶種防垢法、電磁防垢法、投加水質(zhì)穩(wěn)定劑法等。煤灰渣廢水采用閉式循環(huán)處理，處理后的煤灰渣廢水返回原系統(tǒng)，無外排水。
1.4 含煤廢水       煤場和輸煤系統(tǒng)產(chǎn)生的含煤廢水具有 SS、色度和濁度高，COD 值較高的特點。采用“預沉淀+混凝澄清+過濾”的處理工藝，處理后出水 SS 濃度小于 20 mg/L；采用電絮凝或高效微孔陶瓷過濾的方式，出水SS 的濃度則能夠低于 10 mg/L，實現(xiàn)含煤廢水循環(huán)利用[8-9]。如果廢水中含有油，則需要在沉淀之后采用氣浮工藝處理。含煤廢水經(jīng)處理后回用至輸煤系統(tǒng)，不外排。
1.5 含油廢水     對于輸油系統(tǒng)和設備清洗產(chǎn)生的含油廢水采用“物化隔油+氣浮分離+過濾/吸附”的工藝，首先使用隔油的方法分離廢水中粒徑較大的油滴，然后再進一步去除其他種類的油。對于乳化油含量較高的廢水，可在物化隔油后增加絮凝床，油污與絮凝床中填料反應分解后與絮凝劑形成沉淀排出。近年來研發(fā)出以粉煤灰為基體的吸附劑處理含油廢水，實現(xiàn)了以廢治廢的目標。處理后的含油廢水循環(huán)使用或用至煤場噴灑和輸煤系統(tǒng)等
1.6 其他
        電廠中其他工業(yè)廢水包括經(jīng)常性工業(yè)廢水和非經(jīng)常性工業(yè)廢水，其中經(jīng)常性工業(yè)廢水包括原水預處理排水、鍋爐排污水等。原水預處理排水主要特點是泥沙含量大，應首先進行泥水分離，然后通過絮凝沉淀的方法進行處理，回用至預處理系統(tǒng)入口；鍋爐排污水采用“中和+混凝+澄清+過濾”工藝進行處理，磷酸鹽含量較高時，使用 RO 或者離子交換工藝進行除鹽。電廠的非經(jīng)常性工業(yè)廢水包括停爐保護廢水、空預器和省煤器等設備沖洗排水、鍋爐酸洗廢水等。
電廠鍋爐多采用氨-聯(lián)氨、十八胺等藥劑進行停爐保護，產(chǎn)生的廢水通常使用 NaClO 氧化處理，采用的工藝是“酸堿調(diào)節(jié)+氧化+混凝澄清+中和”；設備沖洗排水的處理與回用則分為 2 種：有水力沖灰系統(tǒng)的電廠，將這部分廢水直接打入沖灰系統(tǒng)；干除灰電廠則需要加入石灰，將廢水中的 Fe2+轉(zhuǎn)化為 Fe(OH)3沉淀，然后經(jīng)“混凝+澄清+過濾”系統(tǒng)，去除 SS 并進行 p H 調(diào)節(jié)后達標排放。鍋爐酸洗廢水根據(jù)所使用酸的類型，采用不同的廢水處理工藝：無機酸清洗廢水采用“氧化+酸堿調(diào)節(jié)+絮凝+澄清過濾”工藝；有機酸清洗廢水則可采用鍋爐焚燒、絡合沉降、生物法、膜過濾、高級氧化等方法進行處理；對于 EDTA 清洗廢水，先將 EDTA 進行回收，再按無機酸清洗廢水處置。廢水經(jīng)處理后可回用于脫硫工藝和除灰渣系統(tǒng)，對于深度處理的工業(yè)廢水則可回用于循環(huán)水系統(tǒng)補水。
2 脫硫廢水零排放技術(shù)廢水零排放是指電廠廢水經(jīng)過處理后，將廢水中的鹽類和污染物從廢水中分離出來，以固體形式排出電廠處理或?qū)⑵浠厥绽茫a(chǎn)出的淡水進行重復使用，達到無任何廢水排出的技術(shù)。2017 年國家頒布《火力發(fā)電廠污染防治可行技術(shù)指南》（HJ 2301—2017），指出火電廠實現(xiàn)廢水近零排放的關鍵技術(shù)是實現(xiàn)脫硫廢水零排放。因此，開發(fā)高效、低成本的脫硫廢水零排放技術(shù)具有重要意義。脫硫廢水水質(zhì)呈弱酸性，SS 含量高，COD 超標，含鹽量高，硬度高，Cl-、重金屬離子和氟化物含量高，不同電廠的脫硫廢水水量、水質(zhì)波動大，是燃煤電廠產(chǎn)生的一類水質(zhì)復雜、難處理的廢水。針對脫硫廢水的特點，應單獨設置脫硫廢水處理設施，常規(guī)達標排放采用的工藝為“中和+沉淀+絮凝澄清”的“三聯(lián)箱”處理工藝。為了進一步實現(xiàn)水的回收利用，脫硫廢水零排放采用“預處理+濃縮減量+結(jié)晶固化”的工藝路線，最終實現(xiàn)水鹽分離、淡水回用的目的。
2.1 預處理技術(shù)      由于脫硫廢水中含有大量 SS 顆粒、重金屬，以及 Ca2+、Mg2+、SO42-等結(jié)垢性離子，為了滿足后續(xù)水處理單元的進水水質(zhì)要求，脫硫廢水必須進行預處理。目前應用較廣的為石灰(或燒堿)-純堿軟化工藝，通過投加石灰（或燒堿）和 Na2CO3，去除水中的 Mg2+和 Ca2+，降低水的硬度。該工藝具有穩(wěn)定性和可靠性好的優(yōu)點，但運行過程中投加大量的化學藥劑，形成大量污泥沉淀，增加處理成本。相比于石灰軟化工藝，采用燒堿軟化脫硫廢水具有有效利用率高、對鎂硬度去除率高等優(yōu)點。汪嵐等研發(fā)了石灰-芒硝-煙道氣軟化工藝，利用煙道氣中的 CO2替代純堿進行預處理。首先添加石灰乳和芒硝，生成 Mg(OH)2和 CaSO4沉淀，部分石灰乳與 Na2SO4 反應生成 NaOH。芒硝的添加可以提高Ca2+的去除率，并且有利于提高 NaOH 產(chǎn)量。然后利用鍋爐排出的煙道氣中含有的 CO2與廢水中的 Ca2+反應生成 CaCO3沉淀，達到除去 Ca2+的目的，SO42-以芒硝形式分離。此方法比石灰(或燒堿)-純堿法工藝過程復雜，工藝控制難度較大，工程造價較高，還未投入到實際的工程應用中。除此之外，還有離子交換和膜過濾軟化預處理技術(shù)，去除水中的 Ca2+和 Mg2+，降低水的硬度。但對于硬度過高的廢水，存在建設成本和運行費用高的問題，并且對進水水質(zhì)有較高要求，可作為藥劑軟化后的深度軟化。
2.2 濃縮減量技術(shù)            濃縮減量主要是將經(jīng)過預處理的脫硫廢水進行濃縮，減少廢水量，提高后續(xù)處理效率。濃縮減量主要包括膜濃縮和熱濃縮技術(shù)。常用的膜濃縮工藝包括 RO、正滲透、納濾等技術(shù)。（1）RO 是以選擇性透過膜的兩側(cè)壓力差為動力，溶劑通過選擇性透過膜從濃溶液一側(cè)進入到濃度低的一側(cè)，進行溶劑分離的技術(shù)。在膜的低壓側(cè)產(chǎn)出淡水，高壓側(cè)得到濃鹽水。連坤宙等采用 MF-RO 工藝對電廠脫硫廢水進行深度處理，系統(tǒng)脫鹽率大于 98%。采用 UF-RO 工藝處理脫硫廢水，整套系統(tǒng)的水回收率可達 45%，RO 出水可用于鍋爐補給水系統(tǒng)水源。（2）正滲透（FO）是以選擇性透過膜兩側(cè)的滲透壓差為驅(qū)動力，水從低壓側(cè)進入到高壓側(cè)，實現(xiàn)水分傳輸?shù)倪^程。吳火強研究了正滲透處理電廠脫硫廢水的工藝路線和性能，并對膜污染情況進行了分析，證明了 FO 在廢水零排放處理中的可行性。（3）納濾（NF）是介于 UF 和 RO 之間的膜分離技術(shù)，以納濾膜兩側(cè)壓力差為驅(qū)動力，去除水中納米級物質(zhì)。由于納濾膜是荷電膜，因此在低壓下也具有較高的脫鹽能力。康勇等研究了系統(tǒng)參數(shù)對 NF工藝的影響，經(jīng) NF 處理后水質(zhì)滿足脫硫系統(tǒng)工藝水回用指標。劉海洋等采用兩級 NF 工藝濃縮預處理產(chǎn)水，發(fā)現(xiàn) NF 工藝可以有效地截留廢水中的 SO42-，一級出水中 NaCl 質(zhì)量分數(shù)達 80%，二級出水中 NaCl質(zhì)量分數(shù)達 95%以上，達到工業(yè)級品質(zhì)要求。目前常用的熱法濃縮技術(shù)包括多級閃蒸技術(shù)（MSF）、多效強制循環(huán)蒸發(fā)（MED）和機械式蒸汽再壓縮技術(shù)（MVR）。
（1）MSF 技術(shù)是最早應用的蒸餾工藝，如圖 2 所示，將加熱后的廢水引入至閃蒸室，由于閃蒸室中的壓力低于廢水在該溫度下的飽和蒸汽壓，導致部分廢水急速氣化，冷凝后即為所需淡水，達到將淡水從廢水中分離的目的，實現(xiàn)廢水濃縮[23-24]。盡管熱力學效率較低但是因其工藝成熟、運行可靠在全世界范圍.

（2）MED 技術(shù)是將多效蒸發(fā)器串聯(lián)（如圖 3 所示），高鹽廢水在第一效蒸發(fā)器中被加熱，產(chǎn)生的二次蒸汽進入第二效蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，對進入第二效蒸發(fā)器的廢水進行加熱蒸發(fā)并凝結(jié)為水，如此進行多次，通過多效蒸發(fā)后各效凝結(jié)水作為淡水回收利用，廢水達到過飽和產(chǎn)出結(jié)晶鹽進行收集。MED 通過重復利用蒸汽提高熱能利用率，降低運行成本。進一步將蒸汽熱力壓縮(TVC)技術(shù)與 MED 結(jié)合，可以實現(xiàn)將低壓蒸汽壓縮后提高溫度和壓力，用作一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽。
3）MVR 技術(shù)利用蒸發(fā)器中產(chǎn)生的二次蒸汽，經(jīng)壓縮機壓縮，提高溫度，輸送到蒸發(fā)器的加熱室當作加熱蒸汽，對廢水進行加熱，被加熱的廢水經(jīng)濃縮后作為終產(chǎn)物排出系統(tǒng)（如圖 4 所示）。MVR 技術(shù)提高了蒸汽利用率，在運行過程中無需再加入新蒸汽，降低了運行成本。由膜法和熱法進一步發(fā)展的膜蒸餾和電滲析技術(shù)，也可以實現(xiàn)脫硫廢水的濃縮減量。膜蒸餾（MD）是一種以疏水微孔膜兩側(cè)蒸汽壓差為驅(qū)動力，將水從溶液中分離的過程。在一定溫度下，膜一側(cè)溶液中易揮發(fā)的物質(zhì)以氣態(tài)通過疏水微孔膜在另一側(cè)冷凝，非揮發(fā)性溶質(zhì)不能通過疏水膜，從而實現(xiàn)分離濃縮的目的。車凌云等采用氣隙膜蒸餾技術(shù)對脫硫廢水進行濃縮處理，膜系統(tǒng)出水脫鹽率和截留率基本維持在 99.8%～100%。

電滲析（ED）是一種電化學分離過程，在陰陽電極板間交替放置陰離子、陽離子交換膜，通過外加直流電場，實現(xiàn)陰陽離子的定向移動，實現(xiàn)溶液的淡化濃縮。ED 技術(shù)對廢水的濃縮倍數(shù)隨進水 TDS 濃度的改變而變化，目前可達到 7 倍以上。在 ED 基礎上開發(fā)的離子重組(RESALT)技術(shù)，在實現(xiàn)廢水濃縮減量的同時，能夠?qū)U水中的 Ca2+和 SO42-分開而避免結(jié)垢，可以實現(xiàn)免軟化預處理[28]。膜法濃縮技術(shù)對廢水中鹽的截留率高，出水水質(zhì)好，能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型鹽分的分離，但對進水的水質(zhì)要求高，必須進行完備的預處理過程，運行費用較高；熱法濃縮對進水水質(zhì)變化的適應性高，工藝流程短，但投資費用較高。在工程應用中應根據(jù)水質(zhì)、成本等情況選擇合適的濃縮工藝。
2.3 結(jié)晶固化技術(shù) 脫硫廢水經(jīng)過預處理及濃縮減量過程，大部分 SS 和重金屬離子會被去除，但無法去除氯離子等可溶性鹽分，需要通過結(jié)晶固化將廢水中的鹽類和污染物分離出來，實現(xiàn)脫硫廢水的零排放。目前常用的結(jié)晶固化技術(shù)主要有蒸發(fā)結(jié)晶和煙道蒸發(fā)。蒸發(fā)結(jié)晶是通過加熱蒸發(fā)溶液，從溶液本體中將溶劑蒸發(fā)形成為飽和溶液，進一步蒸發(fā)，過量的溶質(zhì)以晶體狀析出，實現(xiàn)鹽水分離。蒸發(fā)結(jié)晶主要包括MSF、MED、MVR 技術(shù)，相關內(nèi)容已在熱法濃縮減量章節(jié)介紹，通過增加系統(tǒng)的效數(shù)或級數(shù)，可以實現(xiàn)廢水中鹽的結(jié)晶分離。煙道蒸發(fā)是在煙道中利用煙氣的余熱將霧化后的廢水完全蒸發(fā)，將廢水中的污染物轉(zhuǎn)化為固體結(jié)晶物或鹽類，最終被除塵器捕集，從煙道中去除，實現(xiàn)脫硫廢水的零排放。煙道蒸發(fā)分為主煙道蒸發(fā)和旁路煙道蒸發(fā) 2 種。主煙道蒸發(fā)（如圖 5 所示）是將霧化后的脫硫廢水噴入空氣預熱器與除塵器之間的煙道中進行蒸發(fā)；旁路煙道蒸發(fā)（如圖 6 所示）是增加 1 個旁路煙道蒸發(fā)器，將空氣預熱器前的少量高溫煙氣引入至旁路煙道蒸發(fā)器中對霧化的脫硫廢水進行蒸發(fā)，再將結(jié)晶鹽排入除塵器前的煙道中。廢水經(jīng)煙道蒸發(fā)后形成的結(jié)晶鹽被電除塵器捕集后隨粉煤灰一并排出。
蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)較為成熟，電廠應用較多，與膜濃縮技術(shù)連用可以實現(xiàn)二級工業(yè)鹽的回收，但投資和運行成本高，占地面積大，對進水水質(zhì)要求高。煙道蒸發(fā)技術(shù)具有系統(tǒng)簡單，投資、運行成本低，占地小的優(yōu)勢，對進水水質(zhì)要求低；相比于主煙道蒸發(fā)，旁路煙道蒸發(fā)具有煙溫高、煙氣使用量小、蒸發(fā)速度快，對鍋爐主煙道影響較小的優(yōu)點，但是由于使用的是品位較高的高溫煙氣，需考慮對鍋爐效率的影響。
目前，國內(nèi)已有多家火電廠的脫硫廢水零排放系統(tǒng)投入運營，其中蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)應用較多：廣東河源電廠采用“軟化預處理+多效蒸發(fā)結(jié)晶”的工藝處理脫硫廢水，產(chǎn)生的結(jié)晶鹽滿足二級工業(yè)鹽標準；華能長興電廠采用“軟化預處理+多級膜濃縮+蒸發(fā)結(jié)晶”工藝生產(chǎn)出結(jié)晶鹽，淡水分離后進行回用，產(chǎn)出工業(yè)二級鹽進行外售。煙道蒸發(fā)技術(shù)近幾年逐漸發(fā)展起來：大唐陽城電廠采用“軟化預處理+膜濃縮+高溫旁路煙道蒸發(fā)”工藝，經(jīng)膜濃縮后系統(tǒng)脫鹽率高達 97%，淡水回收率達 60%，剩余 40%的濃水進入旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)處理。
3 展望與總結(jié) 燃煤電廠作為用水和廢水排放大戶，為了滿足不斷嚴格的國家環(huán)保要求，降低電廠運營成本，提高電廠水資源利用率，應對全廠各用水系統(tǒng)進行分項治理，針對不同類型的廢水開發(fā)行之有效的處理方法；按照“一水多用，梯級利用”的原則，對處理后的各類廢水進行回用，實現(xiàn)廢水不外排。針對處理難度大的脫硫廢水，應在預處理及減量化后，采用高鹽廢水蒸發(fā)結(jié)晶、煙道蒸發(fā)干燥等零排放技術(shù)進行廢水的高效處理與回收利用。目前我國的電廠脫硫廢水零排放技術(shù)仍處于探索期，應當“因廠制宜”，根據(jù)電廠的實際情況開發(fā)低成本的零排放工藝，實現(xiàn)廢水的資源化。

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