火電廠濕法煙氣脫硫廢水中含有大量的懸浮物、重金屬及Ca2+、Mg2+、SO42-等離子，水質(zhì)復(fù)雜，不易回用。隨著環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，該部分廢水已經(jīng)成為制約全廠廢水零排放的關(guān)鍵因素之一。目前，脫硫廢水的主要處置方式包括達(dá)標(biāo)處理和零排放。達(dá)標(biāo)處理法即利用中和-絮凝沉降-澄清處理工藝去除脫硫廢水中的大部分懸浮物和重金屬離子。該工藝成熟穩(wěn)定，在國內(nèi)外各電廠已有大量實際工程應(yīng)用案例，但對脫硫廢水中的Ca2+、Mg2+等結(jié)垢性離子無明顯去除作用，且處理后的脫硫廢水含鹽量仍然很高，對于排放標(biāo)準(zhǔn)中有含鹽量要求的地區(qū)不適用。零排放工藝是近幾年隨著國家環(huán)保要求逐漸提高而興起的一類末端廢水處理工藝，常見的零排放工藝包括蒸發(fā)結(jié)晶、煙道噴霧、旁路煙氣蒸發(fā)等，其特點是可回收部分脫硫廢水并生成固體鹽，系統(tǒng)最終無液體排放。
無論哪種零排放工藝對進(jìn)水水質(zhì)都有一定的要求。由于脫硫廢水中含有大量Ca2+、Mg2+、SO42-等結(jié)垢性離子，在其進(jìn)入零排放處理系統(tǒng)前必須進(jìn)行預(yù)處理，以降低致垢性離子含量。脫硫廢水預(yù)處理的主要方法是中和軟化，通過投加不同的化學(xué)軟化藥劑，降低水中致垢性離子含量。國內(nèi)工程實例或其他研究試驗表明，采用兩級軟化加混凝澄清作為脫硫廢水預(yù)處理工藝具有較好的效果，而采用微濾工藝可對軟化后的脫硫廢水進(jìn)一步進(jìn)行水質(zhì)凈化，以滿足后續(xù)處理工藝的要求。本文針對脫硫廢水水質(zhì)特點，提出“一體式軟化澄清-超濾”的預(yù)處理工藝設(shè)計方案，開發(fā)了一體式軟化澄清裝置，完成了現(xiàn)場中試研究，所得結(jié)果可為實際工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1、預(yù)處理工藝設(shè)計
1.1 設(shè)計概況
脫硫廢水預(yù)處理采用“一體式軟化澄清-超濾”工藝，設(shè)計最大處理量為7m3/h，中試試驗在山東省某火力發(fā)電廠進(jìn)行，進(jìn)水取自該電廠脫硫廢水處理系統(tǒng)出水，其水質(zhì)如表1所示。
由表1可知，該電廠脫硫廢水具有低鈣高鎂的特點，SO42-含量也相對較高，且可溶解固形物質(zhì)量濃度為40000~70000mg/L，高于常規(guī)脫硫廢水含鹽量水平。為保證后續(xù)膜處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，對其進(jìn)行預(yù)處理非常必要。
1.2 工藝流程
脫硫廢水預(yù)處理“一體式軟化澄清-超濾”工藝包括一體式軟化澄清裝置、石英砂過濾器和超濾裝置，流程如圖1所示。電廠脫硫廢水首先通過廢水提升水泵輸送至一體式軟化澄清裝置中，該裝置設(shè)一、二級反應(yīng)區(qū)和澄清區(qū)，試驗過程中在一、二級反應(yīng)區(qū)分別投加液堿和碳酸鈉溶液進(jìn)行中和軟化反應(yīng)，反應(yīng)后的廢水進(jìn)入澄清區(qū)進(jìn)行固液分離，分離后的上清液經(jīng)回調(diào)pH值后進(jìn)入緩沖水箱，然后通過石英砂過濾器進(jìn)一步除去脫硫廢水中的部分懸浮物后進(jìn)入超濾系統(tǒng)，超濾產(chǎn)水則進(jìn)入后續(xù)膜濃縮系統(tǒng)進(jìn)行濃縮減量處理。試驗期間澄清器底部污泥排至電廠污泥脫水系統(tǒng)進(jìn)行處理，石英砂過濾器和超濾的沖洗水排至脫硫廢水緩沖池。
1.3 設(shè)計參數(shù)
1.3.1 一體式軟化澄清裝置
一體式軟化澄清裝置為專利設(shè)備，主要用于脫硫廢水的軟化澄清處理，設(shè)計最大處理量為7m3/h，澄清區(qū)上升流速0.28mm/s，頂部為軟化反應(yīng)區(qū)，下部為澄清區(qū)，裝置直徑3.0m，高度11m。
利用該裝置可以同步實現(xiàn)脫硫廢水的兩級軟化和固液分離。該裝置與傳統(tǒng)三聯(lián)箱+澄清池工藝相比，具有占地面積小、操作簡單、出水濁度低等特點。
1.3.2 超濾系統(tǒng)
超濾系統(tǒng)設(shè)計最大出力為6m3/h，系統(tǒng)配置4支某品牌外壓式膜元件，膜元件面積為50m2/支，每支膜元件可單獨運行，系統(tǒng)回收率≥90%，產(chǎn)水濁度≤0.1NTU。超濾系統(tǒng)采用PLC控制，系統(tǒng)全自動運行，主要步序分為開機(jī)正沖、過濾、反洗/氣洗、反沖。
2、預(yù)處理中試
2.1 一體式軟化澄清裝置試驗結(jié)果
2.1.1 Ca2+、Mg2+去除效果
脫硫廢水中的Ca2+、Mg2+是影響后續(xù)膜處理系統(tǒng)的主要結(jié)垢性離子，為保證后續(xù)膜濃縮系統(tǒng)的正常運行，在預(yù)處理過程中必須去除大部分致垢離子。試驗期間，控制一體式軟化澄清裝置的進(jìn)水流量為3m3/h，并分別在一級反應(yīng)區(qū)投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%的液堿(NaOH)，控制一級反應(yīng)區(qū)pH值=10.5~11.0;在二級反應(yīng)區(qū)投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Na2CO3溶液，經(jīng)過兩級軟化反應(yīng)后的脫硫廢水進(jìn)入澄清區(qū)進(jìn)行固液分離，分離后的上清液中Ca2+、Mg2+含量變化如圖2所示。由圖2可知，裝置啟動初期，由于加藥量、水量等存在波動，出水的Ca2+、Mg2+含量較高，且波動性較大。運行過程中通過不斷調(diào)整堿液和Na2CO3溶液加入量，裝置出水的Ca2+、Mg2+含量開始逐漸降低并趨于穩(wěn)定，最終出水的Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度分別降至25mg/L、10mg/L左右，此時對應(yīng)的NaOH和Na2CO3質(zhì)量濃度分別為30g/L、3.5g/L。
2.1.2 濁度去除效果
濁度是檢驗澄清裝置出水水質(zhì)的一個重要指標(biāo)，試驗期間定時測定該裝置的出水濁度，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，運行初期，由于需要不斷調(diào)節(jié)進(jìn)水流量和加藥量，使得裝置的出水濁度較高，最高時可達(dá)28.6NTU，當(dāng)進(jìn)水量和加藥量穩(wěn)定后，出水濁度逐漸降低并趨于穩(wěn)定，最終保持在2.0NTU以內(nèi)。
2.1.3 排泥周期
由表1數(shù)據(jù)可知，脫硫廢水原水中Ca2+、Mg2+含量很高，尤其是Mg2+含量，最高時質(zhì)量濃度可達(dá)15689mg/L，因此在軟化過程中會生成大量Mg(OH)2沉淀，澄清器在連續(xù)運行過程中需要不斷排泥，以保證澄清器出水水質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，最終確定澄清器的排泥方式及周期為每小時排泥1次，每次排泥時間30s。試驗過程中測定澄清器底部污泥固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3.7%，其主要成分為Mg(OH)2和CaCO3。
2.2 超濾試驗結(jié)果
中試期間，超濾裝置進(jìn)水水質(zhì)如表2所示。
2.2.1 運行壓力
超濾系統(tǒng)運行期間通過監(jiān)測系統(tǒng)運行壓力變化情況可以判斷系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及判斷膜是否產(chǎn)生污堵現(xiàn)象，試驗期間超濾系統(tǒng)的運行壓力變化如圖4所示。由圖4可知，超濾系統(tǒng)運行期間，進(jìn)水壓力在0.02~0.05MPa之間波動，產(chǎn)水壓力基本保持在0.008MPa左右。因超濾系統(tǒng)每運行30min會自動進(jìn)行反洗，每次反洗結(jié)束后系統(tǒng)重新開始運行，故進(jìn)水側(cè)壓力波動相對較明顯。另外，溫度的變化也會引起運行壓力的波動。超濾系統(tǒng)運行過程中，一般跨膜壓差大于100kPa時即說明膜元件存在污堵現(xiàn)象，需要進(jìn)行恢復(fù)性化學(xué)清洗。試驗期間超濾膜跨膜壓差在18~40kPa之間波動，說明未發(fā)生明顯的污堵或結(jié)垢現(xiàn)象。
2.2.2 產(chǎn)水流量
試驗期間，超濾系統(tǒng)每支膜元件單獨運行，通過超濾系統(tǒng)產(chǎn)水管路的在線流量計監(jiān)測超濾系統(tǒng)產(chǎn)水流量變化情況，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，超濾系統(tǒng)運行期間，產(chǎn)水流量基本保持在1.2~1.4m3/h，僅有小幅波動，除去超濾系統(tǒng)運行過程中的反洗及沖洗用水，經(jīng)計算可知，超濾膜系統(tǒng)回收率平均值為92%，滿足超濾膜出廠的回收率性能指標(biāo)。
2.2.3 產(chǎn)水水質(zhì)
超濾系統(tǒng)運行期間通過產(chǎn)水管路在線濁度儀監(jiān)測產(chǎn)水濁度變化情況，其結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，超濾系統(tǒng)運行期間，產(chǎn)水濁度十分穩(wěn)定，基本保持在0.1NTU左右，滿足后續(xù)膜元件性能要求。
SDI(污染指數(shù))值不但可以反映超濾系統(tǒng)的運行性能，同時也可以根據(jù)該指標(biāo)來判斷超濾產(chǎn)水是否滿足后續(xù)膜濃縮系統(tǒng)進(jìn)水要求。試驗期間分次測定超濾產(chǎn)水SDI值，結(jié)果如表3所示。由表3可知，超濾系統(tǒng)產(chǎn)水SDI值較穩(wěn)定，基本保持在2.6~3.0之間。
3、藥劑費用
中試期間，預(yù)處理過程中使用的化學(xué)藥劑主要有NaOH、Na2CO3和HCl，其藥品使用數(shù)量及費用清單如表4所示。由表4可知，水處理的藥劑費用合計75.02元/t，其中液堿費用占到總費用的91%。其原因在于脫硫廢水中Mg2+含量較高，為了去除脫硫廢水中的Ca2+，必須先降低Mg2+含量，即會消耗大量液堿。
4、問題討論
4.1 水質(zhì)軟化問題
通常脫硫廢水中的Ca2+、Mg2+含量較高，且部分電廠會出現(xiàn)Mg2+濃度高Ca2+濃度低的現(xiàn)象，若要降低脫硫廢水中的Ca2+含量，必須首先去除其中的大部分Mg2+。另外，本試驗中通過投加NaOH和Na2CO3軟化藥劑來去除脫硫廢水中的Ca2+、Mg2+離子，由于軟化比較徹底，藥品的消耗量較大，實際工程應(yīng)用時，若可保證后續(xù)膜濃縮系統(tǒng)不出現(xiàn)明顯的污堵和結(jié)垢現(xiàn)象，可考慮適當(dāng)降低Ca2+、Mg2+軟化程度，以節(jié)約藥劑費用。
4.2 澄清裝置排泥周期
中試過程中，由于一體式軟化澄清裝置未安裝泥位計，其排泥周期和排泥量根據(jù)進(jìn)水量及理論的污泥生成量確定，實際工程應(yīng)用時可在澄清裝置內(nèi)安裝泥位計，通過泥位計的監(jiān)測和理論計算值來確定最佳的排泥周期和排泥量。
4.3 污泥的處置
脫硫廢水在預(yù)處理過程中投加NaOH和Na2CO3所產(chǎn)生的沉淀主要為Mg(OH)2、Ca2CO3和多種重金屬沉淀物等，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)通�？梢赃_(dá)到5%~8%。為方便處置，應(yīng)進(jìn)一步減少污泥體積，對污泥進(jìn)行脫水處理。中試過程中產(chǎn)生的污泥量較少，直接排至電廠原有污泥脫水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，實際工程中可選擇板框式壓濾機(jī)進(jìn)行污泥脫水，該方法濾餅含固率高，分離效果好。
5、結(jié)語
通過預(yù)處理工藝的設(shè)計和中試研究，確認(rèn)“一體式軟化澄清-超濾”處理工藝能夠有效去除脫硫廢水中大量的懸浮物及致垢離子，且設(shè)備運行穩(wěn)定，可以保證后續(xù)膜處理系統(tǒng)的正常運行，最大限度地降低后續(xù)膜處理系統(tǒng)和蒸發(fā)系統(tǒng)的投資和運行費用。本文研究成果對實際工程應(yīng)用具有重要的參考價值。(來源：西安熱工研究院有限公司，華能濟(jì)寧運河發(fā)電有限公司，華能山東發(fā)電有限公司)
