根據(jù)《中國水資源公報(bào)》相關(guān)內(nèi)容，我國2021年工業(yè)用水總量高達(dá)1049.6×108m3，其中火電行業(yè)用水量在工業(yè)用水總量的占比超40%。2021年，國家多部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見》中提出，廢水零排放改造工程是實(shí)現(xiàn)廢水、污水資源化的重要途徑。燃煤電廠生產(chǎn)發(fā)電過程中產(chǎn)生大量的廢水，根據(jù)環(huán)評(píng)批復(fù)及排污許可證要求，全廠廢水要求全部回用不外排，因此實(shí)施廢水零排放改造工程迫在眉睫。
實(shí)現(xiàn)廢水零排放的難點(diǎn)主要集中在循環(huán)冷卻系統(tǒng)排污水及脫硫廢水零排放。單一實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放已有較為系統(tǒng)的研究，已從工藝路線比選、工程設(shè)計(jì)案例、運(yùn)行性能等多角度分析了脫硫廢水零排放的可行性及經(jīng)濟(jì)性，其處理技術(shù)路線相對(duì)成熟可靠。然而對(duì)循環(huán)排污水同時(shí)實(shí)現(xiàn)零排放的研究還不多，實(shí)現(xiàn)廢水零排放工程案例也比較少。
華北地區(qū)某2×320MW供熱機(jī)組，生產(chǎn)用水主要水源為城市污水處理后的中水及自來水（比例9∶1），根據(jù)地方環(huán)保政策要求，在全廠進(jìn)行深度節(jié)水改造的基礎(chǔ)上，完成廢水零排放改造工程。深度節(jié)水改造主要針對(duì)水質(zhì)較好的廢水，通過簡(jiǎn)單處理即可實(shí)現(xiàn)回用或循環(huán)使用，如鍋爐定連排水、酸堿再生廢水等經(jīng)工業(yè)廢水處理系統(tǒng)處理完成后回用于脫硫系統(tǒng)，含煤廢水經(jīng)處理后自循環(huán)使用。本工程的中水作為循環(huán)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水，會(huì)造成循環(huán)冷卻系統(tǒng)濃縮倍率不高；排污水具有水量大、COD高、硬度高等特點(diǎn)，因此優(yōu)先將循環(huán)排污水進(jìn)行多次濃縮，濃縮后的水質(zhì)與脫硫廢水水質(zhì)相當(dāng)，最終一并實(shí)現(xiàn)資源化。
1、工程概況
1.1 廢水水量及水質(zhì)
本工程循環(huán)排污水處理水量180m3/h、脫硫廢水15m3/h，設(shè)計(jì)水質(zhì)見表1。設(shè)計(jì)技術(shù)路線為循環(huán)排污水預(yù)濃縮+深度濃縮+旁路煙道霧化蒸發(fā)。
1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及流程
以中水為補(bǔ)水水源，循環(huán)冷卻系統(tǒng)濃縮倍率約2.5~3，因排污水量較大需進(jìn)行預(yù)濃縮，經(jīng)過高密度沉淀池軟化處理后，利用多介質(zhì)過濾器、超濾除濁，一部分超濾產(chǎn)水回用于循環(huán)冷卻系統(tǒng)，剩余120m3/h進(jìn)入反滲透（BWRO）裝置進(jìn)行預(yù)濃縮，濃縮后濃水（30m3/h）進(jìn)入深度濃縮系統(tǒng)。工藝流程見圖1。
循環(huán)排污水經(jīng)預(yù)處理后，剩余30m3/h循環(huán)排污水濃水和脫硫廢水15m3/h進(jìn)入深度濃縮系統(tǒng)，通過管式膜軟化處理，除去水中的硬度、濁度，有利于保證后續(xù)設(shè)備深度濃縮時(shí)不發(fā)生結(jié)垢、堵塞的情況。脫硫廢水軟化后進(jìn)入脫硫廢水反滲透系統(tǒng)（SWRO），設(shè)計(jì)回收率50%，濃水7.5m3/h。循環(huán)排污水濃水軟化后進(jìn)入循環(huán)濃水反滲透系統(tǒng)（SWRO），設(shè)計(jì)回收率72%，濃水8.5m3/h。反滲透濃水合計(jì)16m3/h，通過碟管式反滲透（DTRO）進(jìn)一步深度處理，設(shè)計(jì)回收率50%，濃水8m3/h。最終剩余末端廢水8m3/h，通過旁路煙道蒸發(fā)霧化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)廢水零排放。廢水深度濃縮及零排放系統(tǒng)流程見圖2。
2、主要設(shè)備及設(shè)計(jì)參數(shù)
2.1 高密度沉淀池
高密度沉淀池由前混合池、絮凝池和斜板沉淀池組成，因其具有占地面積較小、沉淀效率較高、抗沖擊能力較強(qiáng)等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。高密度沉淀池1座2組，鏡像布置，設(shè)計(jì)處理流量為200m3/h。設(shè)有前混合池4座，單座尺寸為1.1m×0.9m×4m，容積為3.96m3，停留時(shí)間為3min。設(shè)有絮凝池1座，尺寸為2.3m×2.3m×6.7m，絮凝池面積5.29m2，內(nèi)設(shè)刮泥機(jī)1臺(tái)（N=1.1kW），配套污泥循環(huán)泵2臺(tái)（Q=10m3/h，N=5.5kW），污泥排放泵2臺(tái)（Q=10m3/h，N=5.5kW）。設(shè)有沉斜板淀池1座，尺寸為5.3m×4.5m×6.9m，單池斜管面積為23.85m2，斜管為六角形，水力直徑為80mm，傾角為60°，上升流速為9.4m/h。
2.2 多介質(zhì)過濾器
多介質(zhì)過濾器屬于物理過濾方式，是一種清除液體中固體或膠狀顆粒的死端過濾方法。為保證高密度沉淀池對(duì)懸浮物、濁度的去除效果，設(shè)置3臺(tái)Ø3m多介質(zhì)機(jī)械過濾器。每臺(tái)濾器內(nèi)裝石英砂濾料800mm、無煙煤濾料400mm。單臺(tái)額定產(chǎn)水量為80m3/h，設(shè)計(jì)流速12.1m/h，配套設(shè)備：反洗水泵2臺(tái)（Q=285m3/h、H=0.3MPa），反洗風(fēng)機(jī)2臺(tái)（風(fēng)機(jī)流量6.0m3/min、壓力58.8kPa）。
2.3 超濾裝置
超濾膜能夠去除水中的懸浮物、膠體、微生物以及大分子有機(jī)物，出水水質(zhì)達(dá)到濁度≤0.2NTU、SDI≤3。超濾裝置共3套，單套處理流量為60m3/h，中空纖維膜，設(shè)計(jì)通量≤50L/（m2·h），最大進(jìn)水壓力0.5MPa。配套設(shè)備：超濾給水泵3臺(tái)（Q=60m3/h、H=300kPa），自清洗過濾器3臺(tái)（Q=65m3/h、孔徑100μm），超濾水箱1座（V=200m3、Ø6.5m），反洗泵2臺(tái)（Q=80m3/h、H=300kPa），清洗水泵1臺(tái)（Q=60m3/h、H=300kPa）。
2.4 反滲透（BWRO）
超濾產(chǎn)水一部分直接回用于循環(huán)水系統(tǒng)，剩余120m3/h進(jìn)入反滲透（BWRO）進(jìn)行預(yù)濃縮。BWRO設(shè)計(jì)出力為3×45m3/h（2用1備），采用聚酰胺卷式膜元件，排列方式為一級(jí)二段，設(shè)計(jì)通量為17.47L/（m2·h）。配套設(shè)備：反滲透給水泵3臺(tái)（Q=60m3/h、H=300kPa），保安過濾器3臺(tái)（5μm、Ø350mm），高壓泵3臺(tái)（Q=60m3/h、H=1.72MPa），段間增壓泵3臺(tái)（Q=29m3/h、H=300kPa），沖洗泵1臺(tái)（Q=60m3/h、H=300kPa），淡水箱1座（V=200m3、Ø6.5m），淡水泵3臺(tái)（Q=100m3/h、H=400kPa）。
2.5 管式膜軟化裝置
反滲透濃水利用剩余壓力流入反應(yīng)槽，在第一反應(yīng)槽內(nèi)投加相關(guān)藥劑進(jìn)行pH粗調(diào)，形成碳酸鈣和氫氧化鎂的沉淀物，同時(shí)氫氧化鎂攜帶二氧化硅形成共沉淀，除去水中硬度。進(jìn)入第二反應(yīng)槽后繼續(xù)投加液堿，對(duì)pH進(jìn)行精調(diào)，并不斷機(jī)械攪拌，使得反應(yīng)完全。大流量廢水在濃縮槽和管式膜之間循環(huán)，透過管式膜的清水進(jìn)行pH回調(diào)至中性。
管式膜軟化裝置處理能力為30m3/h，尺寸為8.4m×2.6m×3.1m，有效容積為61.2m3，停留時(shí)間為30min。反應(yīng)槽、濃縮槽為碳鋼內(nèi)襯玻璃鋼水槽，常壓設(shè)計(jì)，配套浸沒式pH計(jì)、超聲波液位計(jì)及機(jī)械攪拌器，配置攪拌機(jī)為槳葉式，碳鋼襯膠，電機(jī)功率為5.5kW。管式膜單元機(jī)架式布置，設(shè)計(jì)通量350L/（m2·h），膜元件為61芯組件，膜孔徑0.05μm，共28支，配套管式膜化學(xué)清洗系統(tǒng)（2座清洗箱+1臺(tái)清洗泵）。
2.6 弱酸陽離子交換裝置
為了保證水中微量硬度的有效去除，選用弱酸性陽離子交換樹脂，設(shè)計(jì)處理量為3×15m3/h（2用1備），單臺(tái)設(shè)備使用1200L鈉型樹脂，床高1062mm，直徑1200mm，設(shè)計(jì)流速12.5BV/h。配套提升泵3臺(tái)（Q=30m3/h、H=300kPa），再生泵2臺(tái)（Q=3m3/h、H=300kPa）以及管道混合器。
2.7 循環(huán)排污水濃水反滲透（SWRO）
循環(huán)排污水經(jīng)預(yù)濃縮系統(tǒng)初步濃縮、管式微濾膜系統(tǒng)軟化以及弱酸陽離子交換器進(jìn)一步除硬后，含鹽量約為10000mg/L，需通過反滲透（SWRO）進(jìn)一步提高含鹽量，減少水量。循環(huán)水排水濃水反滲透（SWRO）設(shè)計(jì)處理量為2×30m3/h（1用1備），回收率為75%，設(shè)計(jì)膜通量為13L/（m2·h），單支膜組件面積為37m2。配套設(shè)備：前置過濾器4臺(tái)，高壓泵2臺(tái)（Q=30m3/h、H=6MPa），增壓泵4臺(tái)（Q=60m3/h、H=300kPa）。
2.8 脫硫廢水反滲透（SWRO）
脫硫廢水經(jīng)管式膜除濁、除硬后進(jìn)入脫硫廢水反滲透（SWRO）進(jìn)一步提高含鹽量，減少水量。脫硫廢水反滲透（SWRO）設(shè)計(jì)處理量為2×8m3/h（1用1備），回收率為50%，設(shè)計(jì)膜通量為16L/（m2·h），單支膜組件面積為42.5m2。配套設(shè)備：大流量過濾器2臺(tái)，高壓柱塞泵2臺(tái)（Q=8m3/h、H=6MPa），增壓泵4臺(tái)（Q=24m3/h、H=300kPa）。
2.9 碟管式反滲透（DTRO）
脫硫廢水反滲透濃水與循環(huán)排污水濃水反滲透濃水混合后，進(jìn)入深度濃縮系統(tǒng)。深度濃縮系統(tǒng)采用碟管式反滲透（DTRO）工藝，設(shè)計(jì)處理量為2×8m3/h（1用1備），回收率為50%，設(shè)計(jì)膜通量為13.1L/（m2·h），單支膜組件面積為9.405m2，設(shè)計(jì)最大壓力為11MPa。配套設(shè)備：前置過濾器2臺(tái)，高壓泵5臺(tái)（Q=4.25m3/h、H=11MPa），增壓泵2臺(tái)（Q=55m3/h、H=1.1MPa）。
2.10 旁路煙道蒸發(fā)器
零排放系統(tǒng)采用旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)，獨(dú)立設(shè)置蒸發(fā)干燥裝置。干燥裝置設(shè)置獨(dú)立基礎(chǔ)，熱源來自空預(yù)器前，即在空預(yù)器與SCR脫硝裝置出口煙道之間，蒸發(fā)后出口煙氣引至電除塵器入口煙道。控制高溫?zé)煔獬槿◇w積，實(shí)現(xiàn)除塵器入口煙氣溫度不升高。結(jié)晶鹽隨著煙氣中的飛灰進(jìn)入除塵器，被一同脫除。
單臺(tái)機(jī)組設(shè)2套旁路煙道蒸發(fā)器，鍋爐兩側(cè)對(duì)稱布置，單臺(tái)旁路蒸發(fā)器設(shè)計(jì)處理水量為2m3/h。旁路煙道蒸發(fā)器設(shè)離心提升泵2臺(tái)（Q=8m3/h，H=1MPa），采用2507雙相不銹鋼材質(zhì)。末端廢水通過提升泵進(jìn)入自清洗過濾器，過濾器采用不銹鋼濾網(wǎng)式結(jié)構(gòu)或高強(qiáng)度聚丙烯塑料碟片，與廢水接觸部分金屬材質(zhì)采用2207，過濾精度為100目。廢水霧化方式采用雙流體霧化，設(shè)計(jì)壓力空氣消耗量為150m3/h，霧化后D32粒徑為52μm。霧化噴槍噴嘴采用C276材質(zhì)，內(nèi)管與液體接觸部分采用C22材質(zhì)，槍體與廢水接觸部分采用2205雙相不銹鋼材質(zhì)的硬管，噴槍單個(gè)噴嘴處理量不小于1000L/h。配套設(shè)備：螺桿式空壓機(jī)及冷干機(jī)2臺(tái)（32m3/min，160kW）。
3、運(yùn)行效果
3.1 水質(zhì)指標(biāo)
脫硫廢水、循環(huán)排污水經(jīng)多次濃縮后，最終系統(tǒng)濃水為DTRO濃水，通過旁路煙道蒸發(fā)器進(jìn)行固化。分別對(duì)循環(huán)水BWRO、脫硫SWRO、循環(huán)排污水濃水SWRO及DTRO產(chǎn)水取樣分析，結(jié)果見表2。
經(jīng)處理后各關(guān)鍵設(shè)備產(chǎn)水均能滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)淡水回用。循環(huán)水BWRO產(chǎn)水水質(zhì)較好，主要回用于鍋爐補(bǔ)給水處理車間。脫硫SWRO、循環(huán)排污水濃水SWRO及DTRO產(chǎn)水水質(zhì)相當(dāng)，匯入回用水池，主要回用于循環(huán)冷卻水塔池，有助于循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍率的提高。
3.2 關(guān)鍵膜設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)
廢水零排放系統(tǒng)關(guān)鍵膜設(shè)備回收率及脫鹽率見圖3。
脫硫SWRO、循環(huán)排污水濃水SWRO及DTRO膜系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，高出力運(yùn)行工況下，脫硫SWRO脫鹽率為98.00%~98.70%，滿足設(shè)計(jì)脫鹽率98%的要求，脫硫SWRO回收率為49.86%~51.23%，基本滿足回收率50%的要求。循環(huán)水濃水SWRO脫鹽率為97.65%~98.50%，基本滿足脫鹽率98%的要求，循環(huán)水濃水SWRO回收率為72.06%~73.04%，滿足回收率72%的要求。DTRO脫鹽率為97.73%~98.61%，滿足脫鹽率95%的要求，DTRO回收率為50.02%~52.53%，滿足回收率50%的要求。廢水零排放系統(tǒng)關(guān)鍵膜處理設(shè)備脫鹽率和回收率均能夠滿足設(shè)計(jì)值要求，保證末端廢水水量不超過設(shè)計(jì)值，以及產(chǎn)水水質(zhì)滿足回用要求。
3.3 蒸發(fā)器運(yùn)行狀態(tài)
機(jī)組負(fù)荷在153~301MW之間波動(dòng)，#1A蒸發(fā)器入口溫度為306~352℃，#1B蒸發(fā)器入口溫度為299~352℃，#2A蒸發(fā)器入口溫度為301~355℃，#2B蒸發(fā)器入口溫度為309~365℃，出口霧化溫度平均控制在169℃，蒸發(fā)器煙氣調(diào)節(jié)閥開度為15%~55%，在高負(fù)荷時(shí)最大處理水量為2m3/h，低負(fù)荷時(shí)最低處理水量為1.0m3/h，平均霧化水量為1.5m3/h。隨著機(jī)組負(fù)荷的變化，空預(yù)器入口煙氣溫度隨之變化，引起旁路煙道蒸發(fā)器蒸發(fā)水量變化，低負(fù)荷工況下可調(diào)整煙氣調(diào)節(jié)閥增大引入煙氣量，實(shí)現(xiàn)廢水消納量穩(wěn)定可調(diào)。
3.4 粉煤灰綜合利用
廢水徹底霧化后，實(shí)現(xiàn)鹽-水分離，結(jié)晶的鹽類進(jìn)入飛灰中，隨著降溫后的煙氣進(jìn)入除塵器，結(jié)晶鹽伴隨飛灰一同被除塵器脫除。從各個(gè)灰斗分別取樣化驗(yàn)，粉煤灰中氯含量平均值為0.42%。根據(jù)《通用硅酸鹽水泥》（GB175—2020）規(guī)定，普通硅酸鹽水泥中粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過20%，按最大比例摻配本粉煤灰后，氯含量增加量為0.084%，滿足通用硅酸鹽水泥化學(xué)成分中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.1%的要求，不影響全廠粉煤灰綜合利用。
4、運(yùn)行費(fèi)用
本工程直接運(yùn)行費(fèi)用包括設(shè)備運(yùn)行藥耗及電耗，間接運(yùn)行費(fèi)用為旁路煙道蒸發(fā)器抽取空預(yù)器前高溫?zé)煔庥绊戝仩t效率而增加的發(fā)電煤耗。其中藥劑消耗主要包括碳酸鈉、液堿、鹽酸、還原劑、混凝劑和助凝劑等，經(jīng)統(tǒng)計(jì)循環(huán)水藥劑成本為11.76元/m3，脫硫廢水藥劑成本為15.43元/m3。詳細(xì)計(jì)算數(shù)據(jù)見表3。
按設(shè)計(jì)處理水量循環(huán)水180m3/h、脫硫廢水15m3/h、利用小時(shí)5000h計(jì)，則藥劑成本為1174.1萬元/a。運(yùn)行電耗計(jì)算全部系統(tǒng)及設(shè)備，設(shè)備總功率為1014.3kW，按照上網(wǎng)電價(jià)0.38元（/kW·h）計(jì)算，則運(yùn)行電費(fèi)為192.7萬元/a。通過反算法計(jì)算單臺(tái)旁路煙道蒸發(fā)器運(yùn)行對(duì)鍋爐爐效影響值為0.61g/（kW·h），標(biāo)煤價(jià)按1000元/t計(jì)算，則末端廢水消納8m3/h，增加煤耗2013t/a，增加間接運(yùn)行費(fèi)用201.3萬元。因此，本工程合計(jì)增加運(yùn)行費(fèi)用為1568.1萬元/a。
5、結(jié)論
采用“循環(huán)排污水預(yù)濃縮+深度濃縮+旁路煙道霧化蒸發(fā)”改造技術(shù)路線能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組全廠廢水零排放，全廠排水全部實(shí)現(xiàn)回用。通過多級(jí)濃縮，系統(tǒng)整體回收率高達(dá)96.28%，系統(tǒng)產(chǎn)水可用于鍋爐補(bǔ)給水處理車間補(bǔ)水、循環(huán)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水，大大降低了燃煤機(jī)組發(fā)電水耗。廢水零排放系統(tǒng)中膜濃縮處理系統(tǒng)回收率、脫鹽率運(yùn)行穩(wěn)定，保證末端廢水水量及產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，系統(tǒng)產(chǎn)水TDS低于600mg/L，與進(jìn)廠中水水質(zhì)相當(dāng)，能夠?qū)崿F(xiàn)直接回用。最終剩余末端廢水8m3/h，通過旁路煙道蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)零排放。廢水中鹽類進(jìn)入粉煤灰，與粉煤灰一并綜合利用，經(jīng)檢測(cè)粉煤灰中氯含量平均值為0.42%，不影響其在硅酸鹽水泥的摻配比例，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶鹽二次銷售的難題。
燃煤機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)排污水和脫硫廢水零排放技術(shù)可行，運(yùn)行可靠，無實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)，但膜處理系統(tǒng)工藝流程較長(zhǎng)，運(yùn)行成本較高（1568.1萬元/a），其中膜處理系統(tǒng)藥劑消耗成本占比近75%，因此優(yōu)化或降低膜處理工藝部分藥劑消耗成本是下一步工作的重點(diǎn)研究方向。（來源：中冶南方都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，華電電力科學(xué)研究院有限公司，中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司）
