熱電廠脫硫廢水近零排放改造技術
摘要：西北地區某熱電廠脫硫廢水近零排放系統采用預處理+軟化+超濾+反滲透+MVR結晶工藝。單位水處理成本約為55.21元/m3。系統處理效果穩定、技術先進，實現了超過80%的廢水回用。該工藝實現濃水減量，降低了投資及運行成本。
0 引言
西北地區某熱電廠建有4臺供熱機組，分別為一期2×200MW供熱機組，二期2×350MW供熱機組。本工程為寧夏電投西夏熱電廠全廠廢水近零排放改造工程，脫硫廢水中含有大量懸浮物、亞硫酸鹽、硫酸鹽、氯化物及重金屬等，具有高硬度、高鹽分、高懸浮物、高腐蝕性和含重金屬特征[1]，因此本工程近零排放主要針對脫硫廢水的近零排放進行設計。一期接口為現有脫硫廢水處理達標后的排口至后續深度處理部分，二期脫硫廢水考慮新建，其中一期脫硫廢水排放量約為8m3/h，二期脫硫廢水設計排放量為25m3/h，全廠脫硫廢水共為33 m3/h。
1 廢水水質及設計參數
1.1 廢水水質和水量
脫硫廢水近零排放系統設計廢水處理量為33m3/h，其中一期脫硫廢水排放量約為8m3/h，一期脫硫廢水經過現有處理系統后，排入后期深度處理系統。二期脫硫廢水設計排放量為25m3/h，二期為新建系統。設計廢水水質見表1。
1.2 出水水質
經過近零排放裝置處理后，出水回用到冷卻水系統。產水水質優于《工業循環冷卻水處理設計規范》(GB 50050-2007)的再生水水質標準：pH7~8.5，濁度≤5mg/L，SS≤10mg/L，氨氮≤5 mg/L，Cl- ≤250 mg/L，系統脫鹽率≥95%。系統產鹽的質量不低于《工業鹽標準》(GB/T 5462-2016)中的一級精制工業鹽標準且滿足：氯化鈉≥98.51%，硫酸根離子<0.5%，鈣、鎂離子<0.4%。
2 工藝流程
工藝流程如圖1所示。
3 工藝設計及主要設備
本工程主要包括預處理系統、軟化系統、超濾系統、反滲透系統和蒸發結晶系統五大部分。
3.1 預處理系統
(1)緩沖池。主要作用是收集原水，調節水質水量，減輕后續處理單元沖擊負荷。其中，緩沖池1座，鋼筋混凝土結構，尺寸為10m×9m×3.5m。配置2臺提升泵，超聲波液位計，超聲波流量計，pH計，COD在線監測儀，SS在線監測儀。
(2)三聯箱。主要作用是通過加入石灰、有機硫、助凝劑、絮凝劑等藥品和廢水中的懸浮物、重金屬進行反應后進入澄清池進行沉降，去除。其中，石灰反應箱、有機硫反應箱、硫酸亞鐵、PAM反應箱各1座，碳鋼防腐，尺寸為3m×2m×3m。每座配置1臺攪拌機，1套加藥裝置。
(3)澄清池1。主要作用是有效降低水的濁度，去除較小分子量的膠體，進行泥水分離，上清液進入后續處理單元，沉淀污泥去污泥濃縮池。其中，澄清池1座，碳鋼防腐，尺寸為?5.4 m×4.5m。配置1臺刮泥機。
3.2 軟化系統
(1)反應池1。主要作用是通過投加氧化劑進行反應，氧化去除原水中有機物，同時殺菌滅藻，保證反滲透系統盡量免遭有機物和生物污染。其中，1座反應池1，碳鋼防腐，尺寸為3m×3m×3m。配置1臺攪拌機，1套次氯酸鈉加藥裝置。
(2)反應池2。主要作用是通過投加石灰有效去除水中非永久硬度，軟化水質。其中，1座反應池2，碳鋼防腐，尺寸為8m×7m×3.5m。配置1臺攪拌機，1套石灰加藥裝置。
(3)澄清池2。主要作用是沉降去除前面反應單元產生的固體沉淀，進行泥水分離。上清液進入澄清池產水池，沉淀污泥去污泥濃縮池。其中，澄清池1座，碳鋼防腐，尺寸為?5.4 m×4.5m。配置1臺刮泥機，1臺pH計。
(4)反應池3。主要作用是通過投加石灰有效去除水中非永久硬度，軟化水質。其中，1座反應池3，碳鋼防腐，尺寸為6m×7m×3.5m。配置1臺攪拌機，1套純堿加藥裝置。
(5)澄清池3。主要作用是沉降去除前面反應單元產生的固體沉淀，進行泥水分離。上清液進入澄清池產水池，沉淀污泥去污泥濃縮池。其中，澄清池1座，碳鋼防腐，尺寸為?5.4m×4.5m。配置1臺刮泥機，1臺pH計。
3.3 超濾系統
(1)澄清池產水池。主要作用是收集澄清池2的來水，進行水量調節與貯存，并通過投加鹽酸調節水中pH。其中，澄清池產水池1座，碳鋼防腐，尺寸為5.5m×5m×3.5m。配置2臺提升泵，1套鹽酸加藥裝置，1臺攪拌機，1臺pH計。
(2)快濾池。主要作用是去除澄清池未能去除的微細顆粒和膠體物質，提高出水水質，使后續反滲透裝置免于經常堵塞，并提高它們的處理效率。其中，快濾池2座，碳鋼防腐，尺寸為3m×2m×5.5m。每座配置1臺濁度儀，1臺pH計。
(3)濾后水池。主要作用是貯存快濾池來水，為后續工藝提供穩定的水量，同時為快濾池提供反沖洗水。其中，濾后水池1座，碳鋼防腐，尺寸為5.5m×5m×3.5m。配置2臺濾池反沖洗泵。
(4)超濾裝置。主要作用是作為反滲透工藝的預處理手段，截留相對分子質量在1 000~500 000道爾頓的物質，包括顆粒、懸浮物、細菌、病毒、原生動物、膠體物質、高分子有機物等。其中，超濾裝置1套，每套設備的凈產水量30m3/h。采用壓力式中空纖維超濾膜，系統膜通量≤50L/(m2·h)，系統回收率≥90%，反洗頻率為30min，化學加強反洗(CEB)酸洗頻率為72h，CEB堿洗頻率為12 h，出水SDI和濁度分別在3 NTU和1 NTU以下。配置超濾膜組件，超濾給水泵，循環泵，自清洗過濾器，超濾清洗泵，清洗罐，清洗劑投加桶泵，化學劑加藥系統。
(5)超濾產水箱。主要作用是貯存超濾產水，為超濾反洗、維護性清洗及后級反滲透系統提供充足、穩定的水量，作為運行及沖洗時的調節水箱。并通過水箱的液位信號控制超濾產水泵、一級反滲透增壓泵的啟、停運行。其中，超濾產水箱1座，碳鋼防腐，尺寸為4m×3.5m×2.5m。
3.4 反滲透系統
(1)一級反滲透系統。主要作用是利用反滲透膜的特性來除去水中絕大部分可溶性鹽分，膠體，有機物及微生物。其中，2套DTRO 反滲透裝置：一級反滲透系統1座，單套設備凈產水量≥10m3/h，反滲透裝置化學清洗周期為2~3個月。RO 系統運行參數：回收率 ≥60%;脫鹽率 ≥95%。配置一級DTRO膜組件，化學劑加藥系統，芯濾進水泵，芯式過濾器，高壓柱塞泵，高壓循環泵，高壓泵蓄能器，清洗罐，清洗劑桶泵。
(2)一級反滲透濃水箱。主要作用是儲存一級反滲透濃水，并為二級反滲透系統提供穩定的水量，通過水箱的液位控制一級反滲透系統、濃水納濾、反滲透系統的啟、停、運行。其中，一級反滲透濃水箱1座，碳鋼防腐，尺寸為3m×2m×2.5m。
(2)二級反滲透系統。主要作用是進一步對來自一級反滲透系統的高濃度、高鹽分濃水的濃縮、回收處理和達標排放。其中，1套DTRO反滲透裝置：二級反滲透系統1座，單套設備的凈產水量≥4.8m3/h，反滲透裝置化學清洗周期為2~3個月。RO系統運行參數：回收率≥40%;脫鹽率≥95%。配置二級DTRO膜組件，化學劑加藥系統，芯濾進水泵，芯式過濾器，高壓柱塞泵，高壓循環泵，高壓泵蓄能器，清洗罐，清洗劑桶泵，能量回收裝置。
(2)鹽水箱。主要作用是貯存二級提濃RO的濃水，經過鹽水泵增壓后送往蒸發裝置進行蒸發。其中，鹽水箱1座，碳鋼防腐，尺寸為2m×1.8m×2.5m。配置2臺鹽水泵。
3.5 蒸發結晶系統
(1)MVR蒸發系統。主要作用利用蒸發器中產生的二次蒸汽，經壓縮機壓縮，壓力、溫度升高，熱焓增加，然后送到蒸發器的加熱室作為加熱蒸汽使用，使料液維持沸騰狀態，而加熱蒸汽本身則冷凝成水。高含鹽廢水經預處理后送至蒸發器系統的進料罐，調節至酸性后，再由進料泵從進料罐送至蒸餾水換熱器。進料廢水經換熱后溫度升至接近沸點，被送入除氧器。在除氧器內，進料廢水經噴嘴噴灑在第一級塔上，并逐級向下流動與逆流而上的蒸汽相接觸，脫除難凝氣體。經脫氣后的進料廢水以重力流，從除氣器底部排出進入到蒸發器底槽與循環的濃鹽水混合。在底槽內，蒸汽經過除霧器進入到蒸汽壓縮機，除霧器的作用是除去蒸汽中的液滴與顆粒。為控制蒸發器內濃鹽水的TDS，濃縮器底槽內的部分濃鹽水被排放至結晶系統的結晶罐當中進行結晶處理。原有要廢棄的蒸汽得到充分的利用，回收潛熱，提高熱效率，減少對外部加熱及冷卻資源的需求，降低能耗，減少污染。其中，1套主體設備，1套固液分離系統，1套單效蒸發系統，系統額定出力水量10m3/h。配置MVR蒸發主體設備，其他設備。
(2)結晶系統。結晶器進水與系統內循環的濃鹽漿混合，經加加熱器加熱后，再次進入到閃蒸罐，發生閃蒸，析出鹽份結晶。從2臺換熱器出來的濃鹽漿分別以相反的方向從閃蒸罐中部切線進入，在罐內產生渦流。蒸汽在閃蒸罐內積聚，經除霧分離器，進入結晶器蒸汽壓縮機。結晶器產生的蒸汽經蒸汽壓縮機后被壓縮與升溫，然后進入結晶器換熱器殼程，蒸汽在殼程冷凝，為濃鹽漿的蒸發提供動力。蒸汽冷凝液在冷凝液罐內收集，后由泵送至結晶器預熱器對結晶進水進行預熱，回收熱能。氯化鈉晶體在濃鹽漿進入循環泵之前不斷在閃蒸罐內形成。隨著后續的加熱和閃蒸，水份不斷蒸發。當濃鹽漿繼續濃縮，濃度達到飽和的鹽分不斷析出。為保證鹽純度的，需要結晶器排放一定的濃鹽水。在結晶過程中，溶解度高的鹽分會不斷在結晶器內累積，并導致TDS升高超過設計值，這樣會影響到鹽結晶純度。排放濃鹽水能部分清除高溶解度的鹽分，使結晶器運行在最佳操作點上。
4 工藝創新點
針對脫硫廢水水質特點，選擇預處理-超濾-反滲透-蒸發結晶器組合工藝，使濃鹽水減量，并能分鹽結晶，既降低了蒸發結晶的規模節省了投資成本，又減少了運行費用。
廢水的硬度會在膜濃縮過程中結垢，從而使膜失去濃縮能力[2]。采用三聯箱-軟化處理的工藝，確保對Ca2+、Mg2+、SO24-等離子的去除效果，保障后續超濾系統和反滲透系統的穩定運行。預處理工藝路線較長，但考慮周全，確保了出水水質，同時可根據來水水質具體情況進行靈活調整[3]。
DTRO開放式的寬流道，膜片與支撐導流盤空間高度達到2.5mm，有效避免堵塞，進水水質要求相對不高，出水穩定可靠，DTRO對COD、無機鹽的截留率可達99%，有效保證出水水質，減少最終的濃鹽水，組件內部任何單個部件均允許單獨更換，最大程度降低膜片更換成本。
蒸發器利用蒸發器中產生的二次蒸汽，原有要廢棄的蒸汽得到充分的利用，回收潛熱，提高熱效率，減少對外部加熱及冷卻資源的需求，降低能耗，減少污染。強制循環結晶系統即結晶器的閃蒸罐通過循環管連接兩臺對稱的管殼式換熱器，循環泵將濃鹽水閃蒸罐送至換熱器進行熱交換[4]。相對其他結晶工藝，強制循環結晶系統具有操作過程簡單、反應物易得、費用低、鹽純度高、對后續的處理無毒害作用且對環境友好等優點。
5 運行費用
本工程直接運行成本主要包括藥劑費、電費、蒸汽費[5]，其中設備總功率為11139.26 kW，電費單價為0.36元/(kW·h)(根據《西北地區電網2021-2022年輸配及銷售電價有關事項的通知》)，折合成單位水費用為5.89元/m3;蒸汽費折合成單位水費用為5元/m3;石灰、有機硫、凝聚劑、助凝劑、氧化劑、純堿、HCl、堿性清洗劑、酸性清洗劑、阻垢劑、還原劑、非氧化性殺菌劑等化學藥劑費用合計約20.29元/m3，則直接運行費用30.01元/m3。加上設備折舊和人工等費用，綜合費用約為56.38元/m3。
6 結論
本工程采用預處理+軟化+超濾+反滲透+MVR結晶工藝處理熱電廠脫硫廢水，達到近零排放要求。系統回收率高，回收水量30m3/h，可用于冷卻循環水補水，大大降低了排污量和新鮮水取水量，具有明顯的環境效益。該工藝具有技術可靠、運行穩定等特點，為供熱電廠脫硫廢水近零排放處理起到了很好的示范作用。
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