热电厂脱硫废水近零排放改造技术
摘要：西北地区某热电厂脱硫废水近零排放系统采用预处理+软化+超滤+反渗透+MVR结晶工艺。单位水处理成本约为55.21元/m3。系统处理效果稳定、技术先进，实现了超过80%的废水回用。该工艺实现浓水减量，降低了投资及运行成本。
0 引言
西北地区某热电厂建有4台供热机组，分别为一期2×200MW供热机组，二期2×350MW供热机组。本工程为宁夏电投西夏热电厂全厂废水近零排放改造工程，脱硫废水中含有大量悬浮物、亚硫酸盐、硫酸盐、氯化物及重金属等，具有高硬度、高盐分、高悬浮物、高腐蚀性和含重金属特征[1]，因此本工程近零排放主要针对脱硫废水的近零排放进行设计。一期接口为现有脱硫废水处理达标后的排口至后续深度处理部分，二期脱硫废水考虑新建，其中一期脱硫废水排放量约为8m3/h，二期脱硫废水设计排放量为25m3/h，全厂脱硫废水共为33 m3/h。
1 废水水质及设计参数
1.1 废水水质和水量
脱硫废水近零排放系统设计废水处理量为33m3/h，其中一期脱硫废水排放量约为8m3/h，一期脱硫废水经过现有处理系统后，排入后期深度处理系统。二期脱硫废水设计排放量为25m3/h，二期为新建系统。设计废水水质见表1。
1.2 出水水质
经过近零排放装置处理后，出水回用到冷却水系统。产水水质优于《工业循环冷却水处理设计规范》(GB 50050-2007)的再生水水质标准：pH7~8.5，浊度≤5mg/L，SS≤10mg/L，氨氮≤5 mg/L，Cl- ≤250 mg/L，系统脱盐率≥95%。系统产盐的质量不低于《工业盐标准》(GB/T 5462-2016)中的一级精制工业盐标准且满足：氯化钠≥98.51%，硫酸根离子<0.5%，钙、镁离子<0.4%。
2 工艺流程
工艺流程如图1所示。
3 工艺设计及主要设备
本工程主要包括预处理系统、软化系统、超滤系统、反渗透系统和蒸发结晶系统五大部分。
3.1 预处理系统
(1)缓冲池。主要作用是收集原水，调节水质水量，减轻后续处理单元冲击负荷。其中，缓冲池1座，钢筋混凝土结构，尺寸为10m×9m×3.5m。配置2台提升泵，超声波液位计，超声波流量计，pH计，COD在线监测仪，SS在线监测仪。
(2)三联箱。主要作用是通过加入石灰、有机硫、助凝剂、絮凝剂等药品和废水中的悬浮物、重金属进行反应后进入澄清池进行沉降，去除。其中，石灰反应箱、有机硫反应箱、硫酸亚铁、PAM反应箱各1座，碳钢防腐，尺寸为3m×2m×3m。每座配置1台搅拌机，1套加药装置。
(3)澄清池1。主要作用是有效降低水的浊度，去除较小分子量的胶体，进行泥水分离，上清液进入后续处理单元，沉淀污泥去污泥浓缩池。其中，澄清池1座，碳钢防腐，尺寸为⌀5.4 m×4.5m。配置1台刮泥机。
3.2 软化系统
(1)反应池1。主要作用是通过投加氧化剂进行反应，氧化去除原水中有机物，同时杀菌灭藻，保证反渗透系统尽量免遭有机物和生物污染。其中，1座反应池1，碳钢防腐，尺寸为3m×3m×3m。配置1台搅拌机，1套次氯酸钠加药装置。
(2)反应池2。主要作用是通过投加石灰有效去除水中非永久硬度，软化水质。其中，1座反应池2，碳钢防腐，尺寸为8m×7m×3.5m。配置1台搅拌机，1套石灰加药装置。
(3)澄清池2。主要作用是沉降去除前面反应单元产生的固体沉淀，进行泥水分离。上清液进入澄清池产水池，沉淀污泥去污泥浓缩池。其中，澄清池1座，碳钢防腐，尺寸为⌀5.4 m×4.5m。配置1台刮泥机，1台pH计。
(4)反应池3。主要作用是通过投加石灰有效去除水中非永久硬度，软化水质。其中，1座反应池3，碳钢防腐，尺寸为6m×7m×3.5m。配置1台搅拌机，1套纯碱加药装置。
(5)澄清池3。主要作用是沉降去除前面反应单元产生的固体沉淀，进行泥水分离。上清液进入澄清池产水池，沉淀污泥去污泥浓缩池。其中，澄清池1座，碳钢防腐，尺寸为⌀5.4m×4.5m。配置1台刮泥机，1台pH计。
3.3 超滤系统
(1)澄清池产水池。主要作用是收集澄清池2的来水，进行水量调节与贮存，并通过投加盐酸调节水中pH。其中，澄清池产水池1座，碳钢防腐，尺寸为5.5m×5m×3.5m。配置2台提升泵，1套盐酸加药装置，1台搅拌机，1台pH计。
(2)快滤池。主要作用是去除澄清池未能去除的微细颗粒和胶体物质，提高出水水质，使后续反渗透装置免于经常堵塞，并提高它们的处理效率。其中，快滤池2座，碳钢防腐，尺寸为3m×2m×5.5m。每座配置1台浊度仪，1台pH计。
(3)滤后水池。主要作用是贮存快滤池来水，为后续工艺提供稳定的水量，同时为快滤池提供反冲洗水。其中，滤后水池1座，碳钢防腐，尺寸为5.5m×5m×3.5m。配置2台滤池反冲洗泵。
(4)超滤装置。主要作用是作为反渗透工艺的预处理手段，截留相对分子质量在1 000~500 000道尔顿的物质，包括颗粒、悬浮物、细菌、病毒、原生动物、胶体物质、高分子有机物等。其中，超滤装置1套，每套设备的净产水量30m3/h。采用压力式中空纤维超滤膜，系统膜通量≤50L/(m2·h)，系统回收率≥90%，反洗频率为30min，化学加强反洗(CEB)酸洗频率为72h，CEB碱洗频率为12 h，出水SDI和浊度分别在3 NTU和1 NTU以下。配置超滤膜组件，超滤给水泵，循环泵，自清洗过滤器，超滤清洗泵，清洗罐，清洗剂投加桶泵，化学剂加药系统。
(5)超滤产水箱。主要作用是贮存超滤产水，为超滤反洗、维护性清洗及后级反渗透系统提供充足、稳定的水量，作为运行及冲洗时的调节水箱。并通过水箱的液位信号控制超滤产水泵、一级反渗透增压泵的启、停运行。其中，超滤产水箱1座，碳钢防腐，尺寸为4m×3.5m×2.5m。
3.4 反渗透系统
(1)一级反渗透系统。主要作用是利用反渗透膜的特性来除去水中绝大部分可溶性盐分，胶体，有机物及微生物。其中，2套DTRO 反渗透装置：一级反渗透系统1座，单套设备净产水量≥10m3/h，反渗透装置化学清洗周期为2~3个月。RO 系统运行参数：回收率 ≥60%;脱盐率 ≥95%。配置一级DTRO膜组件，化学剂加药系统，芯滤进水泵，芯式过滤器，高压柱塞泵，高压循环泵，高压泵蓄能器，清洗罐，清洗剂桶泵。
(2)一级反渗透浓水箱。主要作用是储存一级反渗透浓水，并为二级反渗透系统提供稳定的水量，通过水箱的液位控制一级反渗透系统、浓水纳滤、反渗透系统的启、停、运行。其中，一级反渗透浓水箱1座，碳钢防腐，尺寸为3m×2m×2.5m。
(2)二级反渗透系统。主要作用是进一步对来自一级反渗透系统的高浓度、高盐分浓水的浓缩、回收处理和达标排放。其中，1套DTRO反渗透装置：二级反渗透系统1座，单套设备的净产水量≥4.8m3/h，反渗透装置化学清洗周期为2~3个月。RO系统运行参数：回收率≥40%;脱盐率≥95%。配置二级DTRO膜组件，化学剂加药系统，芯滤进水泵，芯式过滤器，高压柱塞泵，高压循环泵，高压泵蓄能器，清洗罐，清洗剂桶泵，能量回收装置。
(2)盐水箱。主要作用是贮存二级提浓RO的浓水，经过盐水泵增压后送往蒸发装置进行蒸发。其中，盐水箱1座，碳钢防腐，尺寸为2m×1.8m×2.5m。配置2台盐水泵。
3.5 蒸发结晶系统
(1)MVR蒸发系统。主要作用利用蒸发器中产生的二次蒸汽，经压缩机压缩，压力、温度升高，热焓增加，然后送到蒸发器的加热室作为加热蒸汽使用，使料液维持沸腾状态，而加热蒸汽本身则冷凝成水。高含盐废水经预处理后送至蒸发器系统的进料罐，调节至酸性后，再由进料泵从进料罐送至蒸馏水换热器。进料废水经换热后温度升至接近沸点，被送入除氧器。在除氧器内，进料废水经喷嘴喷洒在第一级塔上，并逐级向下流动与逆流而上的蒸汽相接触，脱除难凝气体。经脱气后的进料废水以重力流，从除气器底部排出进入到蒸发器底槽与循环的浓盐水混合。在底槽内，蒸汽经过除雾器进入到蒸汽压缩机，除雾器的作用是除去蒸汽中的液滴与颗粒。为控制蒸发器内浓盐水的TDS，浓缩器底槽内的部分浓盐水被排放至结晶系统的结晶罐当中进行结晶处理。原有要废弃的蒸汽得到充分的利用，回收潜热，提高热效率，减少对外部加热及冷却资源的需求，降低能耗，减少污染。其中，1套主体设备，1套固液分离系统，1套单效蒸发系统，系统额定出力水量10m3/h。配置MVR蒸发主体设备，其他设备。
(2)结晶系统。结晶器进水与系统内循环的浓盐浆混合，经加加热器加热后，再次进入到闪蒸罐，发生闪蒸，析出盐份结晶。从2台换热器出来的浓盐浆分别以相反的方向从闪蒸罐中部切线进入，在罐内产生涡流。蒸汽在闪蒸罐内积聚，经除雾分离器，进入结晶器蒸汽压缩机。结晶器产生的蒸汽经蒸汽压缩机后被压缩与升温，然后进入结晶器换热器壳程，蒸汽在壳程冷凝，为浓盐浆的蒸发提供动力。蒸汽冷凝液在冷凝液罐内收集，后由泵送至结晶器预热器对结晶进水进行预热，回收热能。氯化钠晶体在浓盐浆进入循环泵之前不断在闪蒸罐内形成。随着后续的加热和闪蒸，水份不断蒸发。当浓盐浆继续浓缩，浓度达到饱和的盐分不断析出。为保证盐纯度的，需要结晶器排放一定的浓盐水。在结晶过程中，溶解度高的盐分会不断在结晶器内累积，并导致TDS升高超过设计值，这样会影响到盐结晶纯度。排放浓盐水能部分清除高溶解度的盐分，使结晶器运行在最佳操作点上。
4 工艺创新点
针对脱硫废水水质特点，选择预处理-超滤-反渗透-蒸发结晶器组合工艺，使浓盐水减量，并能分盐结晶，既降低了蒸发结晶的规模节省了投资成本，又减少了运行费用。
废水的硬度会在膜浓缩过程中结垢，从而使膜失去浓缩能力[2]。采用三联箱-软化处理的工艺，确保对Ca2+、Mg2+、SO24-等离子的去除效果，保障后续超滤系统和反渗透系统的稳定运行。预处理工艺路线较长，但考虑周全，确保了出水水质，同时可根据来水水质具体情况进行灵活调整[3]。
DTRO开放式的宽流道，膜片与支撑导流盘空间高度达到2.5mm，有效避免堵塞，进水水质要求相对不高，出水稳定可靠，DTRO对COD、无机盐的截留率可达99%，有效保证出水水质，减少最终的浓盐水，组件内部任何单个部件均允许单独更换，最大程度降低膜片更换成本。
蒸发器利用蒸发器中产生的二次蒸汽，原有要废弃的蒸汽得到充分的利用，回收潜热，提高热效率，减少对外部加热及冷却资源的需求，降低能耗，减少污染。强制循环结晶系统即结晶器的闪蒸罐通过循环管连接两台对称的管壳式换热器，循环泵将浓盐水闪蒸罐送至换热器进行热交换[4]。相对其他结晶工艺，强制循环结晶系统具有操作过程简单、反应物易得、费用低、盐纯度高、对后续的处理无毒害作用且对环境友好等优点。
5 运行费用
本工程直接运行成本主要包括药剂费、电费、蒸汽费[5]，其中设备总功率为11139.26 kW，电费单价为0.36元/(kW·h)(根据《西北地区电网2021-2022年输配及销售电价有关事项的通知》)，折合成单位水费用为5.89元/m3;蒸汽费折合成单位水费用为5元/m3;石灰、有机硫、凝聚剂、助凝剂、氧化剂、纯碱、HCl、碱性清洗剂、酸性清洗剂、阻垢剂、还原剂、非氧化性杀菌剂等化学药剂费用合计约20.29元/m3，则直接运行费用30.01元/m3。加上设备折旧和人工等费用，综合费用约为56.38元/m3。
6 结论
本工程采用预处理+软化+超滤+反渗透+MVR结晶工艺处理热电厂脱硫废水，达到近零排放要求。系统回收率高，回收水量30m3/h，可用于冷却循环水补水，大大降低了排污量和新鲜水取水量，具有明显的环境效益。该工艺具有技术可靠、运行稳定等特点，为供热电厂脱硫废水近零排放处理起到了很好的示范作用。
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