[关键词]燃煤电厂；水质特点；技术路线；脱硫废水；零排放
1 引言
随着社会的发展，人们对生存环境的要求越来越高，对城市空气质量的要求也日益严格。火电厂排放的二氧化硫空气污染物，严重威胁人类健康。为了减少烟气中二氧化硫的排放，许多烟气脱硫工艺应运而生，石灰石-石膏湿法脱硫工艺因其脱硫效率高、吸收剂价廉易得、设备运行安全可靠、适用煤种范围广等诸多优点，迅速占据市场并成为当前行业内工法成熟、应用普遍的主流二氧化硫脱除技术，约占我国火电发电厂已安装总脱硫机组容量的 90 %。然而，石灰石-石膏法工艺在运行过程中，飞灰中含有的颗粒物、重金属、氯离子等污染物会不断在脱硫浆液中富集，随着浆液浓度增大会导致浆液中毒、腐蚀设备、脱硫效率降低等一系列问题。为了保证脱硫系统的正常运行，需要对脱硫系统中高浓度脱硫废水定期外排及处理。
废水零排放概念是经济发达国家于 1970 年代提出，之后一直被研究和应用，目前仍在不断发展[3]。废水零排放是指工业废水被不断浓缩处理，水中高浓度的盐类和污染物经处理后以固体形式被回收利用，此过程无废水外排。随着我国法律法规及行业标准的日益严格，如“水十条”的正式施行，作为用水大户的火电厂实施废水零排放需求越来越迫切。其中，由于脱硫废水组分复杂且水质极差的特征，容易对环境和系统设备造成严重影响，使其成为电厂脱硫系统终端最难处理的废水．所以若要实现全厂废水的“零排放”这一工程目标，其核心关键就是解决脱硫废水“零排放”的问题[4]。因此，探索出一条经济成本低，技术成熟的脱硫废水零排放技术路线已经迫在眉睫。
2 脱硫废水的特征及产生情况
脱硫废水的水质指标状况主要受到脱硫工艺系统、燃煤成分及吸附剂品质，吸收塔上游污染物控制设备以及后期脱水设备等影响。经大量调研，脱硫废水水质 pH 呈弱酸性，含盐量和悬浮物浓度极高，同时存在水中富集多种重金属离子现象，是电厂废水处理中的难点之一，具体指标如表 1 所示[5-6]。
此外，考虑到脱硫废水的水量易受到燃煤机组大小、燃煤品质和废水排放周期等影响因素影响，各个电厂之间存在一定差异。对国内燃煤电厂的脱硫废水产生量与燃煤机组情况进行调研，其关系如表 2 所示[7]。因此，脱硫废水的技术路线选择应结合电厂项目废水的水量和水质特征，切实做到一厂一策[8]。
3 脱硫废水技术
市场上脱硫废水处理技术路线各式各样，通过对各种工艺分解分类，一般可以将其分为预处理、浓缩减量和终端处理三个单元。每个单元都有多种成熟技术可供比选，在工程设计中需要通过组合一种或者多种技术而形成的一套完整工艺流程。实际工程中，各电厂依据项目经济预算，脱硫系统运行状况，通过技术论证，比选出适合自身的技术路线[9]。
3.1 脱硫废水预处理部分
脱硫废水零排放的第一道工序为预处理，它是进行脱硫废水零排放的基础，主要去除目标污染物为大部分固体悬浮物，硬度离子等其他杂质。目前，脱硫废水常规预处理方法为传统三联箱工艺[10]，这种方法操作相对简单，费用低，但处理能力有限，具体表现为出水硬度及重金属离子浓度大，在水质水量多变的情况下达不到预期效果。
现阶段行业内深度预处理主要可以分为使用一体化澄清池和膜工艺两种途径。经过深度预处理的出水水质得到极大的提升，这样可以减轻对后续设备的运行负荷[11]。现阶段，主流的预处理技术是化学软化与过滤的组合。其中化学软化包括石灰石-碳酸钠、氢氧化钠-碳酸钠、石灰-烟道气软化等，作用原理为使用化学药剂或石灰-烟道气与溶液中的钙镁离子发生沉淀[12]。过滤则通过使用管式膜、纳滤膜、或其他过滤装置等进一步浓缩脱硫废水，以此提高预处理的脱硫废水出水水质。广东河源电厂脱硫废水“零排放”工程采用的为“两级化学软化+多效蒸发结晶”预处理工艺[13]，华能长兴电厂对于脱硫废水则采取“化学软化-砂滤”工艺进行预处理[14]。
3.2 浓缩减量单元
浓缩减量单元主要根据上端来水量与成分，选取适宜的浓缩设备，提升废水浓缩浓度、减少废水出水量。当前，膜法浓缩和热法浓缩技术是市场上比较成熟的浓缩减量工艺，其中现阶段的主流技术且应用最广泛的为膜法浓缩。可供膜法浓缩工艺选择的膜种类繁多，其中反渗透、电渗析、碟管反渗透等是现阶段应用广泛且成熟的膜浓缩工艺。膜法浓缩在常温下便可运行，对水质适应性强，不易对环境造成污染，占地小、运行维护简单，但也存在易堵膜、易污染、维护成本较高等缺点[15-16]。 碟管式反渗透(DTRO)是被用来专门处理工业中高浓度COD、高 TDS、高盐废水等污染水源的膜组件，膜片呈碟片式。
通常情况下，DTRO 系统中 TDS 最佳的进水浓度在 40~60 g/L，经过滤处理后的浓水侧 TDS 可以浓缩至 100~120 g/L。DTRO相比于其他膜工艺易于清洗，可以避免物理堵塞现象、最低程度的结垢和污染现象，从而延长了膜片寿命，一般可达三年以上，这得益于它的特殊结构及水力学设计使膜组。国电汉川电厂和华电包头电厂正在应用此项技术[17]。 电渗析(ED)指利用阴阳离子交换膜，在直流电场作用下，溶液中的离子选择性透过离子交换膜，迁移到另一部分水中，从而将水分为淡化和浓缩两部分的过程。常规情况下，TDS 进水浓度控制在30~-50 g/L，经 ED 浓缩后 TDS 浓度高达 200 g/L。
在江苏南通发电厂烟气脱硫系统工程中，蒋路漫等就将电渗析处理单元加入脱硫废水零排放工艺中进行中试实验，其结果为淡水出水可作为中水回用，产盐纯度符合《工业盐》(GB/T5426-2015)中二级工业湿盐要求，但在运行过程中水电损耗大，运行成本高达 71.5 元/t[18]。ED 技术在实际工程应用中，存在能源损耗大、系统稳定性差、设备易结垢等缺点。
反渗透(RO)指的是在半透膜一侧的溶液施加高于溶液本身渗透压的外界压力，当通过半透膜时，只有一小部分水通过，大部分物质被截留在膜另一侧的过程。目前，反渗透技术被广泛应用于各个领域，如我们日常生活中纯水和超纯水制备，该种工艺只允许水溶剂通过，几乎阻挡所有溶解性盐，对水中绝大部分的悬浮物、胶体、有机物及盐分都可以起到脱除作用。实际工程应用中，浙江长兴电厂脱硫废水处理系统投资 7000多万元，选用反渗透作为浓缩减量单元与后续的蒸发结晶工艺组合，处理效果良好，大大减少了后续精制处理的成本[19-20]。
3.3 废水终端处理技术
正常情况下，通过化学混凝沉淀法处理后的脱硫废水，可直接进入尾水固化单元采用蒸发结晶工艺处理；或采用膜法对废水进行浓淡分离，达标废水在厂内进行阶梯利用，浓水部分采用蒸发等方法进行深度处理，从而实现脱硫废水的零排放。目前废水终端处理涉及到的蒸发结晶处理主要包含 MVR 技术、MED 技术、以及烟道蒸发技术。
3.3.1 机械蒸汽再压缩技术(MVR)
机械蒸汽再压缩技术指的是利用自身蒸发系统产生的二次蒸汽及其能量，通过蒸汽压缩机设备做功，以此提升二次蒸汽的热焓，升温后的蒸汽可重新作为热源蒸汽，不断循环，保持连续向蒸发系统提供热能，可以减少对外界能源的需求，是一种新型环保节能技术。该技术在运行过程中，仅仅在初期设备启动时需要一部分的蒸汽，后期能源损耗少，整个系统的耗能为压缩机的电能。由此可见，MVR 技术运行费用和能耗较低。目前，MVR 系统在被广泛应用于制药、化工、高含盐量废水等领域并创造了一定的经济效益。张金鸿等[21]针对某污水厂的废水采用 MVR 技术进行中试研究，经过浓缩 6 倍后出水 COD 浓度低于 50 mg/L，NH3-N 浓度低于 10 mg/L，水质指标满足城市回用水水质标准。
3.3.2 多效蒸发结晶技术(MED)
多效蒸发技术(MED)可分为低温和高温两种多效蒸发，以单效蒸发为基础发展而来的多级蒸发技术，蒸汽的热量可多次被重复使用进行热交换，以此达到减少能源损耗并降低运行成本的效果。在多效蒸发结晶技术处理脱硫废水的过程中，首先脱硫废水进入通常为70 ℃以下的低温多效浓缩结晶设备，经过三至六效的装置的浓缩结晶，废水被分离为浓缩废液和淡化水；其中能够结晶分离的无机盐和部分有机物经焚烧处理为无机盐废渣；剩下未能结晶的有机物浓缩废液可通过设备焚烧处理成固态废渣；最后淡化水可被回收利用[22]。此外，在海水淡化领域，多级闪蒸技术已经被得到普遍应用。山东某电厂便采用三效蒸发结晶法对规模为20 m3/h的废水进行处理，运行一年后，产水稳定且符合出水标准，实现了本厂的脱硫废水“零排放”[7]。
3.3.3 烟道蒸发处理法
烟道蒸发法是将废水喷入至烟道内，利用烟气余热对废水进行蒸发处理的一种方法。具体可分为直接烟道与旁路烟道两种方法。直接烟道法主要采用喷射装置将脱硫废水雾化后喷入电除尘器前的烟道内，脱硫废水被烟气的余热蒸干，生成的颗粒物跟随烟气进入后面的电除尘装置被捕捉去除，从而实现废水的零排放[23]。旁路烟道蒸发法则是在烟道尾部增设旁路烟道，抽取空气预热器前一小部分高温烟气作为热源，在旁路烟道中安装高效雾化喷嘴，将废水喷洒至烟道内蒸发干燥。烟道蒸发技术具有操作简单、一次性投资成本低、工艺链短等优点，但是在实际应用中，存在烟道易堵灰影响机组稳定、设备遭到一定腐蚀，除尘器易堵塞等问题。
4 总结
燃煤电厂中采用的湿法脱硫工艺外排的脱硫废水，因含有重金属、高含盐量、有腐蚀性等特点，成为电厂废水最难处理的一部分。现阶段行业内，考虑到各电厂间差异，应针对脱硫废水的水质和水量情况，一厂一策选择最佳的工艺路线。通常选用几种工艺的组合起来，组建成一套完善的零排放处理系统。当前，我国电厂行业脱硫废水零排放技术的研究仍然处于初步探索阶段，如何降低投资与运行成本，提高废水资源化程度，是未来脱硫废水零排放工艺组合研究的重点。
原标题：燃煤发电厂脱硫废水零排放处理技术的研究进展
原作者：王继承，郑飞，孙慧频
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