根據(jù)《中國水資源公報》相關內(nèi)容，我國2021年工業(yè)用水總量高達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《關于推進污水資源化利用的指導意見》中提出，廢水零排放改造工程是實現(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)評批復及排污許可證要求，全廠廢水要求全部回用不外排，因此實施廢水零排放改造工程迫在眉睫。
實現(xiàn)廢水零排放的難點主要集中在循環(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、工程設計案例、運行性能等多角度分析了脫硫廢水零排放的可行性及經(jīng)濟性，其處理技術路線相對成熟可靠。然而對循環(huán)排污水同時實現(xiàn)零排放的研究還不多，實現(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，在全廠進行深度節(jié)水改造的基礎上，完成廢水零排放改造工程。深度節(jié)水改造主要針對水質較好的廢水，通過簡單處理即可實現(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)補水，會造成循環(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，因此優(yōu)先將循環(huán)排污水進行多次濃縮，濃縮后的水質與脫硫廢水水質相當，最終一并實現(xiàn)資源化。
1、工程概況
1.1 廢水水量及水質
本工程循環(huán)排污水處理水量180m3/h、脫硫廢水15m3/h，設計水質見表1。設計技術路線為循環(huán)排污水預濃縮+深度濃縮+旁路煙道霧化蒸發(fā)。
1.2 系統(tǒng)設計及流程
以中水為補水水源，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行預濃縮，經(jīng)過高密度沉淀池軟化處理后，利用多介質過濾器、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進入反滲透（BWRO）裝置進行預濃縮，濃縮后濃水（30m3/h）進入深度濃縮系統(tǒng)。工藝流程見圖1。
循環(huán)排污水經(jīng)預處理后，剩余30m3/h循環(huán)排污水濃水和脫硫廢水15m3/h進入深度濃縮系統(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)設備深度濃縮時不發(fā)生結垢、堵塞的情況。脫硫廢水軟化后進入脫硫廢水反滲透系統(tǒng)（SWRO），設計回收率50%，濃水7.5m3/h。循環(huán)排污水濃水軟化后進入循環(huán)濃水反滲透系統(tǒng)（SWRO），設計回收率72%，濃水8.5m3/h。反滲透濃水合計16m3/h，通過碟管式反滲透（DTRO）進一步深度處理，設計回收率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、主要設備及設計參數(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、抗沖擊能力較強等特點，應用廣泛。高密度沉淀池1座2組，鏡像布置，設計處理流量為200m3/h。設有前混合池4座，單座尺寸為1.1m×0.9m×4m，容積為3.96m3，停留時間為3min。設有絮凝池1座，尺寸為2.3m×2.3m×6.7m，絮凝池面積5.29m2，內(nèi)設刮泥機1臺（N=1.1kW），配套污泥循環(huán)泵2臺（Q=10m3/h，N=5.5kW），污泥排放泵2臺（Q=10m3/h，N=5.5kW）。設有沉斜板淀池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 多介質過濾器
多介質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懸浮物、濁度的去除效果，設置3臺Ø3m多介質機械過濾器。每臺濾器內(nèi)裝石英砂濾料800mm、無煙煤濾料400mm。單臺額定產(chǎn)水量為80m3/h，設計流速12.1m/h，配套設備：反洗水泵2臺（Q=285m3/h、H=0.3MPa），反洗風機2臺（風機流量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物，出水水質達到濁度≤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，設計通量≤50L/（m2·h），最大進水壓力0.5MPa。配套設備：超濾給水泵3臺（Q=60m3/h、H=300kPa），自清洗過濾器3臺（Q=65m3/h、孔徑100μm），超濾水箱1座（V=200m3、Ø6.5m），反洗泵2臺（Q=80m3/h、H=300kPa），清洗水泵1臺（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進入反滲透（BWRO）進行預濃縮。BWRO設計出力為3×45m3/h（2用1備），采用聚酰胺卷式膜元件，排列方式為一級二段，設計通量為17.47L/（m2·h）。配套設備：反滲透給水泵3臺（Q=60m3/h、H=300kPa），保安過濾器3臺（5μm、Ø350mm），高壓泵3臺（Q=60m3/h、H=1.72MPa），段間增壓泵3臺（Q=29m3/h、H=300kPa），沖洗泵1臺（Q=60m3/h、H=300kPa），淡水箱1座（V=200m3、Ø6.5m），淡水泵3臺（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槽，在第一反應槽內(nèi)投加相關藥劑進行pH粗調(diào)，形成碳酸鈣和氫氧化鎂的沉淀物，同時氫氧化鎂攜帶二氧化硅形成共沉淀，除去水中硬度。進入第二反應槽后繼續(xù)投加液堿，對pH進行精調(diào)，并不斷機械攪拌，使得反應完全。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，停留時間為30min。反應槽、濃縮槽為碳鋼內(nèi)襯玻璃鋼水槽，常壓設計，配套浸沒式pH計、超聲波液位計及機械攪拌器，配置攪拌機為槳葉式，碳鋼襯膠，電機功率為5.5kW。管式膜單元機架式布置，設計通量350L/（m2·h），膜元件為61芯組件，膜孔徑0.05μm，共28支，配套管式膜化學清洗系統(tǒng)（2座清洗箱+1臺清洗泵）。
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，設計處理量為3×15m3/h（2用1備），單臺設備使用1200L鈉型樹脂，床高1062mm，直徑1200mm，設計流速12.5BV/h。配套提升泵3臺（Q=30m3/h、H=300kPa），再生泵2臺（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一步除硬后，含鹽量約為10000mg/L，需通過反滲透（SWRO）進一步提高含鹽量，減少水量。循環(huán)水排水濃水反滲透（SWRO）設計處理量為2×30m3/h（1用1備），回收率為75%，設計膜通量為13L/（m2·h），單支膜組件面積為37m2。配套設備：前置過濾器4臺，高壓泵2臺（Q=30m3/h、H=6MPa），增壓泵4臺（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、除硬后進入脫硫廢水反滲透（SWRO）進一步提高含鹽量，減少水量。脫硫廢水反滲透（SWRO）設計處理量為2×8m3/h（1用1備），回收率為50%，設計膜通量為16L/（m2·h），單支膜組件面積為42.5m2。配套設備：大流量過濾器2臺，高壓柱塞泵2臺（Q=8m3/h、H=6MPa），增壓泵4臺（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，設計處理量為2×8m3/h（1用1備），回收率為50%，設計膜通量為13.1L/（m2·h），單支膜組件面積為9.405m2，設計最大壓力為11MPa。配套設備：前置過濾器2臺，高壓泵5臺（Q=4.25m3/h、H=11MPa），增壓泵2臺（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)，獨立設置蒸發(fā)干燥裝置。干燥裝置設置獨立基礎，熱源來自空預器前，即在空預器與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。控制高溫煙氣抽取體積，實現(xiàn)除塵器入口煙氣溫度不升高。結晶鹽隨著煙氣中的飛灰進入除塵器，被一同脫除。
單臺機組設2套旁路煙道蒸發(fā)器，鍋爐兩側對稱布置，單臺旁路蒸發(fā)器設計處理水量為2m3/h。旁路煙道蒸發(fā)器設離心提升泵2臺（Q=8m3/h，H=1MPa），采用2507雙相不銹鋼材質。末端廢水通過提升泵進入自清洗過濾器，過濾器采用不銹鋼濾網(wǎng)式結構或高強度聚丙烯塑料碟片，與廢水接觸部分金屬材質采用2207，過濾精度為100目。廢水霧化方式采用雙流體霧化，設計壓力空氣消耗量為150m3/h，霧化后D32粒徑為52μm。霧化噴槍噴嘴采用C276材質，內(nèi)管與液體接觸部分采用C22材質，槍體與廢水接觸部分采用2205雙相不銹鋼材質的硬管，噴槍單個噴嘴處理量不小于1000L/h。配套設備：螺桿式空壓機及冷干機2臺（32m3/min，160kW）。
3、運行效果
3.1 水質指標
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)器進行固化。分別對循環(huán)水BWRO、脫硫SWRO、循環(huán)排污水濃水SWRO及DTRO產(chǎn)水取樣分析，結果見表2。
經(jīng)處理后各關鍵設備產(chǎn)水均能滿足設計要求，能夠實現(xiàn)淡水回用。循環(huán)水BWRO產(chǎn)水水質較好，主要回用于鍋爐補給水處理車間。脫硫SWRO、循環(huán)排污水濃水SWRO及DTRO產(chǎn)水水質相當，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 關鍵膜設備運行狀態(tài)
廢水零排放系統(tǒng)關鍵膜設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)運行穩(wěn)定，高出力運行工況下，脫硫SWRO脫鹽率為98.00%~98.70%，滿足設計脫鹽率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)關鍵膜處理設備脫鹽率和回收率均能夠滿足設計值要求，保證末端廢水水量不超過設計值，以及產(chǎn)水水質滿足回用要求。
3.3 蒸發(fā)器運行狀態(tài)
機組負荷在153~301MW之間波動，#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%，在高負荷時最大處理水量為2m3/h，低負荷時最低處理水量為1.0m3/h，平均霧化水量為1.5m3/h。隨著機組負荷的變化，空預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，低負荷工況下可調(diào)整煙氣調(diào)節(jié)閥增大引入煙氣量，實現(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，實現(xiàn)鹽-水分離，結晶的鹽類進入飛灰中，隨著降溫后的煙氣進入除塵器，結晶鹽伴隨飛灰一同被除塵器脫除。從各個灰斗分別取樣化驗，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量分數(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成分中氯離子質量分數(shù)不超過0.1%的要求，不影響全廠粉煤灰綜合利用。
4、運行費用
本工程直接運行費用包括設備運行藥耗及電耗，間接運行費用為旁路煙道蒸發(fā)器抽取空預器前高溫煙氣影響鍋爐效率而增加的發(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。詳細計算數(shù)據(jù)見表3。
按設計處理水量循環(huán)水180m3/h、脫硫廢水15m3/h、利用小時5000h計，則藥劑成本為1174.1萬元/a。運行電耗計算全部系統(tǒng)及設備，設備總功率為1014.3kW，按照上網(wǎng)電價0.38元（/kW·h）計算，則運行電費為192.7萬元/a。通過反算法計算單臺旁路煙道蒸發(fā)器運行對鍋爐爐效影響值為0.61g/（kW·h），標煤價按1000元/t計算，則末端廢水消納8m3/h，增加煤耗2013t/a，增加間接運行費用201.3萬元。因此，本工程合計增加運行費用為1568.1萬元/a。
5、結論
采用“循環(huán)排污水預濃縮+深度濃縮+旁路煙道霧化蒸發(fā)”改造技術路線能夠穩(wěn)定實現(xiàn)燃煤機組全廠廢水零排放，全廠排水全部實現(xiàn)回用。通過多級濃縮，系統(tǒng)整體回收率高達96.28%，系統(tǒng)產(chǎn)水可用于鍋爐補給水處理車間補水、循環(huán)冷卻系統(tǒng)補水，大大降低了燃煤機組發(fā)電水耗。廢水零排放系統(tǒng)中膜濃縮處理系統(tǒng)回收率、脫鹽率運行穩(wěn)定，保證末端廢水水量及產(chǎn)水水質穩(wěn)定，系統(tǒng)產(chǎn)水TDS低于600mg/L，與進廠中水水質相當，能夠實現(xiàn)直接回用。最終剩余末端廢水8m3/h，通過旁路煙道蒸發(fā)器實現(xiàn)零排放。廢水中鹽類進入粉煤灰，與粉煤灰一并綜合利用，經(jīng)檢測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，不會產(chǎn)生結晶鹽二次銷售的難題。
燃煤機組循環(huán)水系統(tǒng)排污水和脫硫廢水零排放技術可行，運行可靠，無實施風險，但膜處理系統(tǒng)工藝流程較長，運行成本較高（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研究方向。（來源：中冶南方都市環(huán)保工程技術股份有限公司，華電電力科學研究院有限公司，中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司）
