作者：包 姗 马 英 陈 婷 (永清环保股份有限公司,长沙 410329)

摘要:西北地区某热电厂脱硫废水近零排放系统采用预处理+软化+超滤+反渗透+MVR结 晶工艺。单位水处理成本约为55.21元/m3。系统处理效果稳定、技术先进,实现了超过80%的废 水回用。该工艺实现浓水减量,降低了投资及运行成本。

关键词:热电厂;脱硫废水;近零排放;膜浓缩;蒸发结晶

0 引言

西北地区某热电厂建有4台供热机组,分别为 一期2×200MW 供热机组,二期2×350MW 供 热机组。本工程为宁夏电投西夏热电厂全厂废水 近零排放改造工程,脱硫废水中含有大量悬浮物、 亚硫酸盐、硫酸盐、氯化物及重金属等,具有高硬 度、高盐 分、高 悬 浮 物、高 腐 蚀 性 和 含 重 金 属 特 征[1],因此本工程近零排放主要针对脱硫废水的 近零排放进行设计。一期接口为现有脱硫废水处 理达标后的排口至后续深度处理部分,二期脱硫 废水考 虑 新 建,其 中 一 期 脱 硫 废 水 排 放 量 约 为 8m3/h,二期脱硫废水设计排放量为25m3/h,全 厂脱硫废水共为33m3/h。

1 废水水质及设计参数

1.1 废水水质和水量

脱硫废水近零排放系统设计废水处理量为 33m3/h,其中一期脱硫废水排放量约为8m3/h,一期脱硫废水经过现有处理系统后,排入后期深度处 理系统。二期脱硫废水设计排放量为25m3/h,二 期为新建系统。设计废水水质见表1。

1.2 出水水质 经过近零排放装置处理后,出水回用到冷却水 系统。产水水质优于《工业循环冷却水处理设计规 范》(GB50050-2007)的再生水水质标准:pH7~ 8.5,浊度≤5mg/L,SS≤10mg/L,氨氮≤5mg/L, Cl- ≤250mg/L,系统脱盐率≥95%。系统产盐的 质量不低于《工业盐标准》(GB/T5462-2016)中的 一级精制工业盐标准且满足:氯化钠≥98.51%,硫 酸根离子<0.5%,钙、镁离子<0.4%。 2 工艺流程 工艺流程如图1所示。

3 工艺设计及主要设备

本工程主要包括预处理系统、软化系统、超滤系 统、反渗透系统和蒸发结晶系统五大部分。 3.1 预处理系统 (1)缓冲池。主要作用是收集原水,调节水质水 量,减轻后续处理单元冲击负荷。其中,缓冲池1 座,钢筋混凝土结构,尺寸为10m×9m×3.5m。 配置2台提升泵,超声波液位计,超声波流量计,pH 计,COD在线监测仪,SS在线监测仪。 (2)三联箱。主要作用是通过加入石灰、有机 硫、助凝剂、絮凝剂等药品和废水中的悬浮物、重金 属进行反应后进入澄清池进行沉降,去除。其中,石 灰反应箱、有机硫反应箱、硫酸亚铁、PAM 反应箱各 1座,碳钢防腐,尺寸为3m×2m×3m。每座配置 1台搅拌机,1套加药装置。 (3)澄清池1。主要作用是有效降低水的浊度, 去除较小分子量的胶体,进行泥水分离,上清液进入 后续处理单元,沉淀污泥去污泥浓缩池。其中,澄清 池1座,碳钢防腐,尺寸为⌀5.4m×4.5m。配置1 台刮泥机。

3.2 软化系统 (1)反应池1。主要作用是通过投加氧化剂进 行反应,氧化去除原水中有机物,同时杀菌灭藻,保 证反渗透系统尽量免遭有机物和生物污染。其中,1 座反应池1,碳钢防腐,尺寸为3m×3m×3m。配 置1台搅拌机,1套次氯酸钠加药装置。 (2)反应池2。主要作用是通过投加石灰有效 去除水中非永久硬度,软化水质。其中,1座反应池 2,碳钢防腐,尺寸为8m×7m×3.5m。配置1台 搅拌机,1套石灰加药装置。 (3)澄清池2。主要作用是沉降去除前面反应 单元产生的固体沉淀,进行泥水分离。上清液进入 澄清池产水池,沉淀污泥去污泥浓缩池。其中,澄清 池1座,碳钢防腐,尺寸为⌀5.4m×4.5m。配置1 台刮泥机,1台pH 计。 (4)反应池3。主要作用是通过投加石灰有效 去除水中非永久硬度,软化水质。其 中,1座反应池3,碳钢防腐,尺寸为 6m×7m×3.5m。配置1台搅拌 机,1套纯碱加药装置。 (5)澄清池3。主要作用是沉降去 除前面反应单元产生的固体沉淀,进行 泥水分离。上清液进入澄清池产水池, 沉淀污泥去污泥浓缩池。其中,澄清池 1座,碳 钢 防 腐,尺 寸 为 ⌀5.4 m× 4.5m。配置1台刮泥机,1台pH计。

3.3 超滤系统 (1)澄清池产水池。主要作用是 收集澄清池2的来水,进行水量调节与贮存,并通过投加盐酸调节水中pH。其中,澄清池 产水池1座,碳钢防腐,尺寸为5.5m×5m×3.5m。 配置2台提升泵,1套盐酸加药装置,1台搅拌机,1 台pH 计。 (2)快滤池。主要作用是去除澄清池未能去除 的微细颗粒和胶体物质,提高出水水质,使后续反渗 透装置免于经常堵塞,并提高它们的处理效率。其 中,快滤池2座,碳钢防腐,尺寸为3m×2m× 5.5m。每座配置1台浊度仪,1台pH 计。 (3)滤后水池。主要作用是贮存快滤池来水,为 后续工艺提供稳定的水量,同时为快滤池提供反冲 洗水。其 中,滤 后 水 池 1 座,碳 钢 防 腐,尺 寸 为 5.5m×5m×3.5m。配置2台滤池反冲洗泵。 (4)超滤装置。主要作用是作为反渗透工艺的 预处理手段,截留相对分子质量在1000~500000 道尔顿的物质,包括颗粒、悬浮物、细菌、病毒、原生 动物、胶体物质、高分子有机物等。其中,超滤装置 1套,每套设备的净产水量30m3/h。采用压力式中 空纤维超滤膜,系统膜通量≤50L/(m2·h),系统回 收率≥90%,反洗频率为 30min,化学加强反洗 (CEB)酸洗频率为72h,CEB碱洗频率为12h,出水 SDI和浊度分别在3NTU 和1NTU 以下。配置超 滤膜组件,超滤给水泵,循环泵,自清洗过滤器,超滤 清洗泵,清洗罐,清洗剂投加桶泵,化学剂加药系统。 (5)超滤产水箱。主要作用是贮存超滤产水,为 超滤反洗、维护性清洗及后级反渗透系统提供充足、 稳定的水量,作为运行及冲洗时的调节水箱。并通 过水箱的液位信号控制超滤产水泵、一级反渗透增 压泵的启、停运行。其中,超滤产水箱1座,碳钢防 腐,尺寸为4m×3.5m×2.5m。

3.4 反渗透系统 (1)一级反渗透系统。主要作用是利用反渗透 膜的特性来除去水中绝大部分可溶性盐分,胶体,有 机物及微生物。其中,2套 DTRO 反渗透装置:一 级反渗透系统1座,单套设备净产水量≥10m3/h, 反渗透装置化学清洗周期为2~3个月。RO 系统 运行参数:回收率 ≥60%;脱盐率 ≥95%。配置一 级DTRO膜组件,化学剂加药系统,芯滤进水泵,芯 式过滤器,高压柱塞泵,高压循环泵,高压泵蓄能器, 清洗罐,清洗剂桶泵。 (2)一级反渗透浓水箱。主要作用是储存一级 反渗透浓水,并为二级反渗透系统提供稳定的水量, 通过水箱的液位控制一级反渗透系统、浓水纳滤、反 渗透系统的启、停、运行。其中,一级反渗透浓水箱 1座,碳钢防腐,尺寸为3m×2m×2.5m。 (2)二级反渗透系统。主要作用是进一步对来 自一级反渗透系统的高浓度、高盐分浓水的浓缩、回 收处理和达标排放。其中,1套 DTRO 反渗透装 置:二级反渗透系统1座,单套设备的净产水量≥ 4.8m3/h,反渗透装置化学清洗周期为2~3个月。 RO系统运行参数:回收率 ≥40%;脱盐率 ≥95%。 配置二级 DTRO 膜组件,化学剂加药系统,芯滤进 水泵,芯式过滤器,高压柱塞泵,高压循环泵,高压泵 蓄能器,清洗罐,清洗剂桶泵,能量回收装置。 (2)盐水箱。主要作用是贮存二级提浓 RO 的 浓水,经过盐水泵增压后送往蒸发装置进行蒸发。 其中,盐水箱1座,碳钢防腐,尺寸为2m×1.8m× 2.5m。配置2台盐水泵。

3.5 蒸发结晶系统 (1)MVR蒸发系统。主要作用利用蒸发器中 产生的二次蒸汽,经压缩机压缩,压力、温度升高,热 焓增加,然后送到蒸发器的加热室作为加热蒸汽使 用,使料液维持沸腾状态,而加热蒸汽本身则冷凝成 水。高含盐废水经预处理后送至蒸发器系统的进料 罐,调节至酸性后,再由进料泵从进料罐送至蒸馏水 换热器。进料废水经换热后温度升至接近沸点,被 送入除氧器。在除氧器内,进料废水经喷嘴喷洒在 第一级塔上,并逐级向下流动与逆流而上的蒸汽相 接触,脱除难凝气体。经脱气后的进料废水以重力 流,从除气器底部排出进入到蒸发器底槽与循环的 浓盐水混合。在底槽内,蒸汽经过除雾器进入到蒸 汽压缩机,除雾器的作用是除去蒸汽中的液滴与颗 粒。为控制蒸发器内浓盐水的 TDS,浓缩器底槽内 的部分浓盐水被排放至结晶系统的结晶罐当中进行 结晶处理。原有要废弃的蒸汽得到充分的利用,回 收潜热,提高热效率,减少对外部加热及冷却资源的 需求,降低能耗,减少污染。其中,1套主体设备,1 套固液分离系统,1套单效蒸发系统,系统额定出力 水量10m3/h。配置 MVR蒸发主体设备,其他设备。 (2)结晶系统。结晶器进水与系统内循环的浓盐浆混合,经加加热器加热后,再次进入到闪蒸罐, 发生闪蒸,析出盐份结晶。从2台换热器出来的浓 盐浆分别以相反的方向从闪蒸罐中部切线进入,在 罐内产生涡流。蒸汽在闪蒸罐内积聚,经除雾分离 器,进入结晶器蒸汽压缩机。结晶器产生的蒸汽经 蒸汽压缩机后被压缩与升温,然后进入结晶器换热 器壳程,蒸汽在壳程冷凝,为浓盐浆的蒸发提供动 力。蒸汽冷凝液在冷凝液罐内收集,后由泵送至结 晶器预热器对结晶进水进行预热,回收热能。氯化 钠晶体在浓盐浆进入循环泵之前不断在闪蒸罐内形 成。随着后续的加热和闪蒸,水份不断蒸发。当浓 盐浆继续浓缩,浓度达到饱和的盐分不断析出。为 保证盐纯度的,需要结晶器排放一定的浓盐水。在 结晶过程中,溶解度高的盐分会不断在结晶器内累 积,并导致TDS升高超过设计值,这样会影响到盐 结晶纯度。排放浓盐水能部分清除高溶解度的盐 分,使结晶器运行在最佳操作点上。

4 工艺创新点

针对脱硫废水水质特点,选择预处理-超滤反渗透-蒸发结晶器组合工艺,使浓盐水减量,并能 分盐结晶,既降低了蒸发结晶的规模节省了投资成 本,又减少了运行费用。 废水的硬度会在膜浓缩过程中结垢,从而使膜 失去浓缩能力[2]。采用三联箱-软化处理的工艺, 确保对Ca2+ 、Mg 2+ 、SO2- 4 等离子的去除效果,保障 后续超滤系统和反渗透系统的稳定运行。预处理工 艺路线较长,但考虑周全,确保了出水水质,同时可 根据来水水质具体情况进行灵活调整[3]。 DTRO开放式的宽流道,膜片与支撑导流盘空 间高度达到2.5mm,有效避免堵塞,进水水质要求 相对不高,出水稳定可靠,DTRO对COD、无机盐的 截留率可达99%,有效保证出水水质,减少最终的 浓盐水,组件内部任何单个部件均允许单独更换,最 大程度降低膜片更换成本。 蒸发器利用蒸发器中产生的二次蒸汽,原有要 废弃的蒸汽得到充分的利用,回收潜热,提高热效 率,减少对外部加热及冷却资源的需求,降低能耗, 减少污染。强制循环结晶系统即结晶器的闪蒸罐通 过循环管连接两台对称的管壳式换热器,循环泵将 浓盐水闪蒸罐送至换热器进行热交换[4]。相对其他 结晶工艺,强制循环结晶系统具有操作过程简单、反 应物易得、费用低、盐纯度高、对后续的处理无毒害 作用且对环境友好等优点。

5 运行费用

本工程直接运行成本主要包括药剂费、电费、蒸 汽费[5],其中设备总功率为11139.26kW,电费单 价为0.36元/(kW·h)(根据《西北地区电网2021- 2022年输配及销售电价有关事项的通知》),折合成 单位水费用为5.89元/m3;蒸汽费折合成单位水费 用为5元/m3;石灰、有机硫、凝聚剂、助凝剂、氧化 剂、纯碱、HCl、碱性清洗剂、酸性清洗剂、阻垢剂、还 原剂、非 氧 化 性 杀 菌 剂 等 化 学 药 剂 费 用 合 计 约 20.29元/m3,则直接运行费用30.01元/m3。加上 设备折旧和人工等费用,综合费用约为56.38元/m3。 6 结论 本工程采用预处理+软化+超滤+反渗透+ MVR结晶工艺处理热电厂脱硫废水,达到近零排 放要求。系统回收率高,回收水量30m3/h,可用于 冷却循环水补水,大大降低了排污量和新鲜水取水 量,具有明显的环境效益。该工艺具有技术可靠、运 行稳定等特点,为供热电厂脱硫废水近零排放处理 起到了很好的示范作用。