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摘要：西北地區(qū)某熱電廠脫硫廢水近零排放系統(tǒng)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(tǒng)處理效果穩(wěn)定、技術先進，實現(xiàn)了超過80%的廢水回用。該工藝實現(xiàn)濃水減量，降低了投資及運行成本。
0 引言
西北地區(qū)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(xiàn)有脫硫廢水處理達標后的排口至后續(xù)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(shù)
1.1 廢水水質和水量
脫硫廢水近零排放系統(tǒng)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(jīng)過現(xiàn)有處理系統(tǒng)后，排入后期深度處理系統(tǒng)。二期脫硫廢水設計排放量為25m3/h，二期為新建系統(tǒng)。設計廢水水質見表1。
1.2 出水水質
經(jīng)過近零排放裝置處理后，出水回用到冷卻水系統(tǒng)。產(chǎn)水水質優(yōu)于《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)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(tǒng)脫鹽率≥95%。系統(tǒng)產(chǎn)鹽的質量不低于《工業(yè)鹽標準》(GB/T 5462-2016)中的一級精制工業(yè)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(tǒng)、軟化系統(tǒng)、超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)和蒸發(fā)結晶系統(tǒng)五大部分。
3.1 預處理系統(tǒng)
(1)緩沖池。主要作用是收集原水，調節(jié)水質水量，減輕后續(xù)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(jiān)測儀，SS在線監(jiān)測儀。
(2)三聯(lián)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(xù)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(tǒng)
(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(tǒng)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(chǎn)生的固體沉淀，進行泥水分離。上清液進入澄清池產(chǎn)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(chǎn)生的固體沉淀，進行泥水分離。上清液進入澄清池產(chǎn)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(tǒng)
(1)澄清池產(chǎn)水池。主要作用是收集澄清池2的來水，進行水量調節(jié)與貯存，并通過投加鹽酸調節(jié)水中pH。其中，澄清池產(chǎn)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(xù)反滲透裝置免于經(jīng)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(xù)工藝提供穩(wěn)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(chǎn)水量30m3/h。采用壓力式中空纖維超濾膜，系統(tǒng)膜通量≤50L/(m2·h)，系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)。
(5)超濾產(chǎn)水箱。主要作用是貯存超濾產(chǎn)水，為超濾反洗、維護性清洗及后級反滲透系統(tǒng)提供充足、穩(wěn)定的水量，作為運行及沖洗時的調節(jié)水箱。并通過水箱的液位信號控制超濾產(chǎn)水泵、一級反滲透增壓泵的啟、停運行。其中，超濾產(chǎn)水箱1座，碳鋼防腐，尺寸為4m×3.5m×2.5m。
3.4 反滲透系統(tǒng)
(1)一級反滲透系統(tǒng)。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(tǒng)1座，單套設備凈產(chǎn)水量≥10m3/h，反滲透裝置化學清洗周期為2~3個月。RO 系統(tǒng)運行參數(shù)：回收率 ≥60%;脫鹽率 ≥95%。配置一級DTRO膜組件，化學劑加藥系統(tǒng)，芯濾進水泵，芯式過濾器，高壓柱塞泵，高壓循環(huán)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(tǒng)提供穩(wěn)定的水量，通過水箱的液位控制一級反滲透系統(tǒng)、濃水納濾、反滲透系統(tǒng)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(tǒng)。主要作用是進一步對來自一級反滲透系統(tǒng)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(tǒng)1座，單套設備的凈產(chǎn)水量≥4.8m3/h，反滲透裝置化學清洗周期為2~3個月。RO系統(tǒng)運行參數(shù)：回收率≥40%;脫鹽率≥95%。配置二級DTRO膜組件，化學劑加藥系統(tǒng)，芯濾進水泵，芯式過濾器，高壓柱塞泵，高壓循環(huán)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(jīng)過鹽水泵增壓后送往蒸發(fā)裝置進行蒸發(fā)。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(fā)結晶系統(tǒng)
(1)MVR蒸發(fā)系統(tǒng)。主要作用利用蒸發(fā)器中產(chǎn)生的二次蒸汽，經(jīng)壓縮機壓縮，壓力、溫度升高，熱焓增加，然后送到蒸發(fā)器的加熱室作為加熱蒸汽使用，使料液維持沸騰狀態(tài)，而加熱蒸汽本身則冷凝成水。高含鹽廢水經(jīng)預處理后送至蒸發(fā)器系統(tǒng)的進料罐，調節(jié)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(jīng)換熱后溫度升至接近沸點，被送入除氧器。在除氧器內(nèi)，進料廢水經(jīng)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(jīng)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(fā)器底槽與循環(huán)的濃鹽水混合。在底槽內(nèi)，蒸汽經(jīng)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(fā)器內(nèi)濃鹽水的TDS，濃縮器底槽內(nèi)的部分濃鹽水被排放至結晶系統(tǒng)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(tǒng)，1套單效蒸發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)額定出力水量10m3/h。配置MVR蒸發(fā)主體設備，其他設備。
(2)結晶系統(tǒng)。結晶器進水與系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的濃鹽漿混合，經(jīng)加加熱器加熱后，再次進入到閃蒸罐，發(fā)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(nèi)產(chǎn)生渦流。蒸汽在閃蒸罐內(nèi)積聚，經(jīng)除霧分離器，進入結晶器蒸汽壓縮機。結晶器產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)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(fā)提供動力。蒸汽冷凝液在冷凝液罐內(nèi)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(huán)泵之前不斷在閃蒸罐內(nèi)形成。隨著后續(xù)的加熱和閃蒸，水份不斷蒸發(fā)。當濃鹽漿繼續(xù)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(nèi)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(chuàng)新點
針對脫硫廢水水質特點，選擇預處理-超濾-反滲透-蒸發(fā)結晶器組合工藝，使?jié)恹}水減量，并能分鹽結晶，既降低了蒸發(fā)結晶的規(guī)模節(jié)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(lián)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(xù)超濾系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)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(jù)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(wěn)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(nèi)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(fā)器利用蒸發(fā)器中產(chǎn)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(huán)結晶系統(tǒng)即結晶器的閃蒸罐通過循環(huán)管連接兩臺對稱的管殼式換熱器，循環(huán)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(huán)結晶系統(tǒng)具有操作過程簡單、反應物易得、費用低、鹽純度高、對后續(xù)的處理無毒害作用且對環(huán)境友好等優(yōu)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(jù)《西北地區(qū)電網(wǎng)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(tǒng)回收率高，回收水量30m3/h，可用于冷卻循環(huán)水補水，大大降低了排污量和新鮮水取水量，具有明顯的環(huán)境效益。該工藝具有技術可靠、運行穩(wěn)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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