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摘要：水资源短缺是21世纪人类面临的最为严峻的资源问题之一。采用“石灰软化澄清+超滤+离子交换+高效反渗透”组合工艺对电厂工业废水进行深度处理，回用于电厂循环冷却水补水、热网补水及锅炉补给水系统。以某电厂2×300MW机组废水零排放工程为例，对电厂废水回用深度处理工艺进行分析，工程实践表明，经该工艺处理后的出水水质不仅达到了设计要求，而且满足循环冷却系统及锅炉补给水系统补充水的水质要求。
关键词：废水处理；回用技术；零排放；高效反渗透；回收率；去除率
引言
水资源短缺与水环境污染是全球淡水资源领域面临的主要问题，也是中国经济快速发展过程中所遇到的严峻挑战，污水回用是缓解水资源短缺的重要方法，火力发电厂在我国占有很大的比重，并且建设时期较早，污水处理工艺单一，技术落后，使得耗水量和废水排放量大，回用量小。
1、污水深度处理回用技术的研究意义
全世界只有1/4人口饮用到合乎标准的清水，1/3人口得不到安全用水，缺水的形势日趋严重。面对日益严峻的水资源短缺问题，全世界都在积极地探索新途径以获取足够的淡水资源，废水深度处理回用是目前普遍受到重视的开源措施。水资源短缺与水环境污染是全球淡水资源领域面临的主要问题，也是中国经济快速发展过程中所遇到的严峻挑战，废水回用是缓解水资源短缺的重要方法。中国城市废水回用处于发展阶段，废水回用率相对较低。借鉴发达国家成功经验、完善政策法规体系、开发适合中国国情的回用技术，将促进具有巨大潜力的中国城市废水回用市场健康快速发展。十八世纪产业革命以后，特别是近半个世纪以来，人类社会采取的是大量生产、无度消费、大量废弃的生活方式，这种生活方式是建立在自然界的能源、资源是无限的认识之上的。由于现代科学技术突飞猛进，经济快速发展，人口剧增并向大都市集中，使得大自然不堪重负，环境遭到破坏，人类的生存发展受到威胁，因此人类已经充分认识到地球上的资源与环境是有限的，而建立循环型的城市是拯救资源、能源和环境的有效措施，是21世纪社会生产与消费的新秩序，是人类社会持续发展的基础，应将其列为城市建设的中心政策。我国是一个水资源贫乏的国家，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4。城市废水是城市稳定的淡水资源，研究开发废水深度处理回用技术，提高废水回用率，减少了城市对自然水的需求量，削减了对水环境的污染负荷，减弱了对水自然循环的干扰，是维持健康水循环不可缺少的措施。
2、工程概况
某电厂现有2台300MW直接空冷机组，锅炉采用循环流化床脱硫工艺。为了减少全厂外排废水量，降低单位发电量取水量，电厂实施了废水零排放工程，将含盐量高并具有强烈结垢倾向的废水经深度处理后进行回用。为了充分实现废水的资源化利用，电厂将厂内工业废水及辅机冷却水排污水进行深度除盐后，回用于辅机冷却水补水、热网补水及锅炉补给水系统。本废水治理工程采用“石灰软化高效澄清池+过滤+超滤+离子交换+高效反渗透”的处理工艺，工业废水深度处理系统主要包括预处理系统、离子交换系统、高效反渗透系统、回用系统、加药系统、压缩空气系统。考虑到干灰渣综合利用时循环水排污水不能回用、冬季煤场喷洒水量减少的因素，按最大排污量考虑设计处理能力，工业废水深度处理系统的设计处理能力为60m3/h。
3、主要构筑物及设备
3.1预处理系统
3.1.1调节池
因来水水质、水量等水质指标随排水时间的波动较大，为使后续处理设备及构筑物不受废水高峰流量或浓度变化的冲击，需设置调节池对来水进行缓冲。本工程工业废水深度处理系统设置1座钢砼结构的调节池，有效容积为240m3，通过2台工业废水提升泵（1用1备）将辅机冷却水排污水、高含盐废水、酸碱再生废水等输送至高密澄清池。
3.1.2高密澄清池
调节池出水经废水提升泵进入高密澄清池，池内加有絮凝剂和消石灰，去除铁硅化合物、钙镁碳酸盐硬度、悬浮物、胶体物质，降低浊度，同时去除磷酸盐以及有结垢倾向的离子和少量重金属，减少含盐量，为后续离子交换减轻负荷。高密澄清池采用方形钢混结构，包括快混池、絮凝池和沉淀池。沉淀池设置刮泥机，沉淀池上层活性污泥通过污泥回流泵回流至絮凝池，增强絮凝效果，剩余污泥通过污泥排放泵排至污泥浓缩池浓缩处理，再经离心脱水机脱水后送入灰渣场。系统设置2座高密澄清池，单台设备出力为最大处理水量的50%，设置1套石灰贮存加药装置、1套聚铁加药装置和絮凝剂自动加药装置。
3.1.3高密产水池
高密澄清池出水自流入高密产水池，经泵送入砂滤、自清洗过滤器和超滤系统。高密产水池容积为50m3。
3.1.4砂滤
高密产水池出水进入砂滤以去除水中的悬浮物和胶体，降低浊度。系统设置3台砂滤，2用1备。单台设备正常出力为25m3（/h•台），最大出力为37.5m3（/h•台）。石英砂装填高度为1200mm，砂粒粒径为0.5～1.2mm。砂滤需定期进行反洗（气洗和水洗），设置2台反洗鼓风机（1用1备）和2台反洗水泵（1用1备），反洗水取自超滤产水池。
3.2超滤系统
系统设置2台自清洗过滤器，单台设备出力为40m3/h，用于截留来水中粒径大于100μm的颗粒，以防止其进入超滤系统造成膜损伤。设置2套超滤装置，超滤膜采用美国科氏TARGAⅡ10072型特种改性聚醚砜膜，截留孔径为0.02μm，设计水通量为50L/m2h，运行方式采用外压死端过滤。单套设备设计平均总进水量为36.5m3/h，平均净水产量为33m3/h。
3.3离子交换系统
为了提高后续高效反渗透设备的回收率，降低膜结垢的可能性，保证其在高pH值环境下的稳定运行，需将水的硬度降至最低，因此设置两级钠离子交换器，用于交换水中大部分的多价阳离子，降低硬度。当硬度达200μmol/L时，钠离子交换器到达失效终点，运行失效后，需采用浓度为5%～8%的食盐水进行逆流再生。两级纳离子分别为3台一级钠离子交换器和3台二级钠离子交换器，单台设备规格为1200mm×2400mm（直径×高度），净出力为33m3/h，2用1备。一、二级钠床均采用001x7Na型强酸阳离子树脂，石英砂垫层高度为200mm，树脂层高度为1200mm。离子交换出水送入脱气塔脱除CO2。系统设置2台脱气塔，塔直径1000mm，1用1备；1座钢砼结构的脱气水池，容积25m3，脱气塔搭建在脱气水池上。
3.4高效反渗透系统
高效反渗透系统主要由保安过滤器、升压泵和反渗透装置构成。基于运行中便于调节水量的需要，系统将反渗透系统设置成2套一级两段式反渗透装置，并联运行。第一段采用30支BW30FR-400型抗污染中性复合膜，第二段采用18支SW30HRLE-400型高脱盐率海水淡化膜。单台设备出力30m3/h，水回收率不低于95%。反渗透膜组件技术性能参数如下：1年内系统脱盐率不小于90%，3年内系统脱盐率不小于88%，水回收率不小于95%，反渗透膜使用寿命不少于4年。
3.5加药系统
加药系统包括石灰贮存加药系统、絮凝剂加药系统、盐加药系统、氢氧化钠加药系统、还原剂加药系统、反渗透清洗系统。
4、系统运行情况分析
2015年9月，该电厂工业废水深度处理系统进行整套调试运行，2016年4月—5月，对系统进行了工艺性能测试。测试期间，系统满负荷运行，每隔8h取样化验分析1次，通过对系统进、出水总硬度、铁含量、硅含量、电导率、pH值、CODcr等主要指标进行分析，测算系统对主要污染物的去除效果，以考查该系统是否符合设计及运行要求。
4.1系统回收率
通过一段时间的实际运行及工艺性能测试表明，工业废水深度处理系统平均回收率为95.86%，满足设计承诺值（整体回收率≥90%）的要求。
4.2系统处理效果
系统性能测试期间水质监测结果见表1。
（1）由表1可知，总硬度去除率为100%，总铁去除率为91.08%～99.91%，SiO2去除率为98.17%～99.83%，CODcr去除率为23.08%～94.44%，各项出水水质指标均符合设计承诺值。
表1工业废水深度处理系统水质监测结果
（2）高密池采用投加石灰乳工艺去除来水中的总硬度，通过投加絮凝剂（聚铁）去除来水中的悬浮物、总铁、SiO2和CODcr，因此高密池的运行情况主要通过总硬度、悬浮物、总铁、SiO2和CODcr的去除率得以体现。在系统性能测试期间，高密池出水总硬度为1.44～5.44mmol/L，总硬度平均去除率为14.18%；总铁为0.08～0.72mg/L，总铁平均去除率为56.23%；浊度为0.25～1.83，悬浮物平均去除率为88.42%；SiO2质量浓度为0.76～17.55mg/L，平均去除率为32.35%；出水CODcr为9.00～30.72mg/L，平均去除率为30.62%。
（3）高效反渗透原理是通过软化工艺去除来水中的硬度，再通过脱气去除水中的二氧化碳，加入氢氯化钠将反渗透进水的pH值调至8.5以上。在这种高pH值环境下运行，与常规的反渗透相比，高效反渗透增大了SiO2的溶解度，使得回收率能够达到95%。本工程系统运行过程中，高效反渗透段间压差、产水水量、水质等均能维持基本稳定。反渗透进水电导率平均值1325μS/cm，1、2号反渗透产水电导率平均值分别为53μS/cm、61μS/cm，反渗透单元产水电导率平均值为57μS/cm，单元脱盐率平均值为95.70%，单元回收率为95.05%～95.58%，平均值为95.26%。反渗透单元的脱盐率和回收率满足设计承诺值（高效反渗透装置回收率≥95%，脱盐率≥90%）的要求。
（4）在系统额定出力连续运行工况下，对处理工艺的能耗、药耗及系统反洗、再生、配药等自用水耗进行测算。结果如下：平均产水能耗为3.16kWh/t；各种化学药剂的平均使用量以单位产水量计（即每吨产水需要的药品加入量），其中聚铁（纯度25%）为21.67g，石灰（纯度93%）为364.54g，PAM（纯度99.9%）为0.67g，亚硫酸氢钠（纯度99.9%）为8.79g，反渗透阻垢剂（纯度99.9%）为6.10g，盐酸（纯度30%）106g；钠床每次再生需要消耗氯化钠（纯度99%）为124.3kg/台。系统自用水量统计结果见表2所示。
表2系统自用水量统计结果
结束语
采用石灰软化—高效反渗透技术的电厂废水回用处理工艺，具有较强的抗缓冲性和稳定的处理能力，其中石灰软化澄清系统是保障反渗透系统稳定运行的关键，反渗透膜在高pH值的碱性条件下运行，系统的产水量、回收率、清洗频率远优于传统的超滤—反渗透工艺。本工程运行实践表明，该工艺运行效果达到设计要求，能够实现电厂废水的合理回用，回用水水质满足生产要求，因此在电厂废水回用工程应用上有良好的示范作用。
参考文献：
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