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HERO技術在電廠廢水零排放中的應用
來源:胡小武    發布時間:2015-11-25

1、概述

       我國是個水資源短缺的國家,人均水資源量約為2200m3,約為世界平均水平的四分之一。而且水資源供需矛盾突出,據統計全國600多個城市半數以上缺水,其中108個城市嚴重缺水。隨著經濟的發展,用水量持續增長,用水結構也在不斷調整,節約用水、高效用水是緩解水資源供需矛盾的根本途徑。在全國總取水量中,農業約占70%,工業約占20%,生活約占10%。而我國火力發電廠取水量約占總工業取水量的50%。因而發電企業實施節水及高效用水戰略,不僅是電力行業的一個經濟問題,更是關系到電力工業持續發展和保證經濟和社會快速健康發展的重大社會問題。

       本文分析了反滲透系統運行的特點,對制約反滲透系統回收率提高的因素進行了分析,并結合神華億利煤矸石電廠高效反滲透廢水處理工藝系統的應用實例,充分闡述了高效反滲透廢水處理工藝系統在工業廢水處理中的有效應用。

2、項目簡介

       神華億利煤矸石電廠位于內蒙古鄂爾多斯市達拉特旗,該廠安裝有4×200MW空冷發電機組。采用循環流化床脫硫工藝,由于沒有下游用戶,電廠各種廢水難以處置。為減少全廠外排廢水量,降低單位發電量取水量,電廠實施了廢水零排放工程,將各種廢水經深度處理后進行回用。神華億利煤矸石電廠4×200MW電廠廢水“零排放”工程項目于2009年9月正式開工,2010年6月開始進入調試階段,2010年9月正式移交生產。

3、工業廢水處理工藝的選擇

       神華億利煤矸石電廠高效反滲透廢水處理工藝系統主要采用“石灰軟化+過濾+離子交換+反滲透”的處理工藝,主要包括廢水收集和輸送系統、預處理系統、離子交換系統、反滲透系統、RO濃水回用系統、加藥系統、壓縮空氣系統。

3.1 神華億利煤矸石電廠工業廢水種類及特點

       電廠所排工業廢水主要有四類,一類是含油的廢水,主要是油庫區的含油廢水,這部分水水量小,為非連續性工業廢水;一類為使用后鹽份濃縮的廢水,主要是循環水排污水和化學車間的廢水;一類為使用后懸浮物增加的水,包括主廠房地面沖洗水和無閥濾池反洗排水;一類為溫度較高的鍋爐排污水和疏放水。這四類工業廢水目前在電廠管系系統為合流制,也就是目前電廠所有的工業廢水都通過總排口排放。

3.1.1 含油廢水

       油庫區的含油廢水由于油的含量較高,處理水量較小,平均僅有1m3/h,工業廢水處理系統將這部分水從工業廢水管網中分流出來,單獨改造含油廢水排放管道系統,將這部分廢水就近排放到煤場隨煤一起燃燒處理。

3.1.2循環水排污水

       廠區內的循環水是混凝澄清處理后的黃河水經機械通風冷卻塔自然濃縮至1.5~2.5倍后的水,且水中添加了一定量的緩蝕阻垢劑和殺菌劑,連續排放,排污量45m3/h,部分送至輸煤系統和煤場進行沖洗、噴灑、抑塵,剩余部分排至廠區內的工業廢水管網。冷卻塔排污水水質見表1。

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3.1.3 水處理車間廢水

       化學車間鍋爐補給水處理系統采用超濾、反滲透、離子交換除鹽工藝,排水包括反滲透設備清洗水、反滲透濃排水、中和處理后的離子交換樹脂再生廢水。清洗水排放量2m3/h,水質好,回收至冷卻塔。廢水排放量46m3/h,排至廠區工業廢水管網?;瘜W車間排水水質見表2。

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3.1.4 地面沖洗水和無閥濾池排污水

       電廠內的無閥濾池需要進行定期反沖洗,用工業水進行反沖洗時將產生一部分廢水,折合到小時平均排放量為6m3/h,懸浮物含量50~100mg/L,其它水質指標同原水水質。廢水排至廠區內的工業廢水管網。主廠房沖洗產生間歇性排水,平均排放量約3m3/h,排至廠區內的工業廢水管網。

3.1.5 鍋爐排污水和疏水

       電廠內4臺鍋爐定期排放污水,平均排放量27.6m3/h,疏放水平均排放量4m3/h,水溫約110℃,排水水質見表3。

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3.2 廢水處理工藝及設施選擇

3.2.1 廢水處理系統的設計原則

       電廠所排廢水為廠內未能重復利用的廢水,成分復雜,水質差別較大。生活污水中有機物含量高,易生化,工業廢水中無機鹽含量高,有機物含量低,因此將生活污水和工業廢水進行分類收集、分類處理、分質回用,廢水處理站分為生活污水處理系統和工業廢水處理系統。因生活污水由園區統一處理,本工程只考慮工業廢水處理。

3.2.2 系統設計進水水質

       工業廢水除鹽處理系統進水由循環水排污水、化學車間排污水以及鍋爐排污水和疏水組成,其水質分別見前表1、表2。根據進入廢水處理站的排水量加權平均計算的含鹽廢水混合后的水質見表4,部分指標考慮最差水質。

3.2.3 系統設計出水水質

       出水送入化學車間鍋爐補給水處理系統的淡水箱或清水箱,出水水質要求達到離子交換系統的進水水質要求。根據《工業用水軟化除鹽設計規范》(GB/T50109-2006),具體水質指標見表5、表6。

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3.2.4 工業廢水除鹽工藝及設施的選擇

       進入工業廢水處理站的工業廢水,水中含鹽量和硬度較高,需要通過除鹽處理后回用到鍋爐補給水處理系統。

       除鹽工藝通常采用物理或化學的方法降低或去除水中的絕大多數鹽類,以獲得純度較高的除鹽水。除鹽方法通常分為蒸餾、離子交換、電滲析、EDI(電去離子)、反滲透。

       對于本工程廢水零排放系統,要求除鹽工藝具有系統可靠、出水穩定、自動化程度高、檢修方便和制水成本合理的特點。蒸餾法由于投資和運行費用均較高,熱交換部分宜結垢,運行維護麻煩,一般不采用。目前,我國常用的除鹽工藝主要有離子交換法、電滲析法、EDI技術、反滲透法。根據這幾種工藝方法的特點,本工程采用反滲透脫鹽處理工藝。

4、高效反滲透技術

       高效反滲透(HERO)是特殊的反滲透工藝,是常規反滲透工藝的改進,可以很容易處理常規反滲透不能處理的原水,特別是用于各種工業循環廢水。其原理是通過軟化工藝去除來水中的硬度,然后再通過脫氣去除水中的二氧化碳,加堿將反滲透進水的pH調到8.5以上。在這種高pH環境下運行,與常規的反滲透相比,HERO增大了SiO2的溶解度,使得回收率能夠達到95%。

4.1 高效反滲透與常規反滲透比較(見表7)

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4.2新型抗污染反滲透膜元件—PROC10特點

       PROC10是由日本電工集團/美國海德能公司研發的一款新型抗污染反滲透膜元件,該膜元件有三項日本電工集團/美國海德能公司專利技術。

     (1)高分子聚合技術,平膜致密度增強。

     (2)新型給水隔網,大幅度降低系統運行時的壓力阻力。

     (3)新型端板(ATD),加設端板排氣結構,降低反滲透膜元件機械破損概率。

       首先,致密度的增加,提高了反滲透膜的脫鹽率和化學穩定性,延長了膜的使用壽命。再次,特殊形狀的0.86mm給水隔網大幅度降低了膜元件的壓力損失,減少了隔網對污染物的阻礙,從而保證反滲透系統阻力小,少污堵,易清洗,明顯改善膜系統前后段的水平衡。此外,膜元件兩側端板上各增加了6個排氣槽,加快了膜元件與壓力容器間隙中空氣的排除速度,可有效緩解系統啟動時瞬時升壓對膜系統的產能沖擊,降低膜元件發生機械破損的概率。

4.3 反滲透膜元件—PROC10性能參數(見表8)

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4.4 制約反滲透回收率的因素

       對常規苦咸水而言,采用反滲透預脫鹽技術目前應用廣泛,但回收率一般只能做到75%左右,制約其回收率提高的因素主要有以下幾個方面:

    (1)無機離子的結垢,主要為鈣、鎂、鋇、鍶、鐵等二價或三價離子產生的結構。

    (2)懸浮物污堵。

    (3)有機物及微生物污堵。

       上述因素中,通常離子的結垢是制約反滲透回收率進一步提高的主要原因,如果有合適的預處理手段將結垢性風險降到最低,就可以提高反滲透的回收率。高回收率反滲透就是采用這一思路,通過增加石灰軟化工藝降低水中的暫硬和水中懸浮物、膠體、二氧化硅等的含量,通過離子交換軟化工藝去除來水剩余的硬度,通過脫氣去除水中的二氧化碳,通過投加少量阻垢劑抑制濃水中的二氧化硅,從而使反滲透的回收率提高到90%~95%。

4.5高效反滲透特點

       高回收率反滲透特別適用于各種工業循環廢水。高回收率反滲透工藝主要特點有:①產水回收率高,極大減少反滲透濃水的排水量。②由于進水中結垢性風險已經降低,因此膜的清洗周期將更長,運行更穩定。③由于反滲透膜的應用已經普及,膜的價格也比較便宜,這相對于采用蒸餾工藝濃縮高含鹽量的廢水而言,設備投資將顯著降低。④通常經工業過程濃縮后的苦咸水含有較高的暫硬,若配合以石灰軟化工藝,將可以大大降低后續離子軟化的負擔,降低運行成本,并可以進一步提高進水水質。

4.6神華億利煤矸石電廠高效反滲透廢水處理系統流程(見下圖)

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5、該工藝系統實際運行情況

5.1 系統實際運行情況

       該項目自2010年6月投入運行以來,一直運行穩定,各項運行指標均達到設計要求。表9為項目從2010年6月份投產以來的運行情況。

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注:2#反滲透運行數據與1#類似,表中未列出

5.2 系統性能檢查情況

       2010年9月至12月,西安熱工研究院技術人員對該系統做了現場性能測試。相關主要測試指標見表10。

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5.3系統運行情況總結

       經過一段時間的運行以及性能測試來看,整個系統運行比較平穩,通過對調試和運行數據的分析,總結如下:

      (1)反滲透的回收率和脫鹽率。從以上表看出,回收率實現了95%,脫鹽率為95%左右,實現了設計目標。

      (2)反滲透的穩定運行。該項目采用了美國海德能公司的寬流道抗污染型PROC-10S反滲透膜元件,反滲透進水pH值維持在8~9之間,反滲透裝置的段間壓差、產水水量、水質等均維持基本穩定。

      (3)水中鈣、鎂、鐵等二價、三價金屬離子的結垢在預處理得到了控制。

    在石灰軟化和離子交換的前處理工藝中,硬度得到了去除,且除碳器去除了水中殘留的游離CO2,原水中結垢性成分已經得到了去除。實際運行過程中,控制鈉離子交換器的失效終點為200μmol/L硬度,弱酸離子交換器失效終點為100μmol/L硬度。

      (4)二氧化硅的去除。澄清池去除了一部分原水中的二氧化硅,反滲透入口投加了少量控制硅污染的阻垢劑(FILCORETREAT-2010型,投加量1ppm),該阻垢劑同時還具有控制鈣鎂垢的作用。

      (5)懸浮物污染、有機物和微生物的控制。由于電廠工業廢水中有機物含量較低,且石灰澄清池軟化工藝還具有消毒、沉淀有機物的功能,運行過程中沒有出現有機物和微生物。

       反滲透裝置的段間壓差也基本維持穩定,沒有出現懸浮物污堵。

6、效果與效益

       神華億利能源有限責任公司工業廢水零排放工程于2010年6月開始運行,到現在已經運行一年多,總計處理工業廢水近40萬t,系統水耗為5.5%,而生凈水約為38萬t,折合除鹽水為27萬t。使用外來水按3元/t計算,向園區外排水按50萬元/月計算,藥品消耗與電耗費用初步計算為10萬元/月,則總共節約資金46.3萬元/月,全年可以節約資金近550萬元。

7、結束語

       行實際情況來看,該系統能夠很好的解決電廠廢水外排與用水問題,具有可觀的經濟及社會價值。當前,高回收率反滲透技術在電廠工業廢水回用處理及零排放方面的應用還較少,但可以預見,其在工業廢水的回用上,將具有廣闊的應用前景。

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