水污染控制与工程“零排放”工艺

以宁夏某一2×330MW的火力发电厂为例，在其工业生产过程中需要大量的水，其中循环冷却水量高达150m3/h。为了实现废水的“零排放”和回收利用，必须对火电厂产生的高含盐循环冷却废水进行处理，现提出了“预处理+脱盐浓缩+蒸发结晶”的组合工艺。

在此工艺的基础之上，设计了4种不同的方案，分析结果显示4种方案均可以达到“零排放”的要求，并且最终的淡水回收率达到96%以上。通过技术和经济的分析结果表明：方案三，“石灰碳酸钠软化+反渗透膜浓缩+EDR浓缩+蒸发结晶”适用于本工程的实际情况。

随着社会经济的发展，各行各业对用水的需求在不断加大，水资源的供需矛盾成了限制火电业的最主要因素之一，尤其像我国的西北部地区，水资源更是匮乏[1]。据相关部门统计，我国当前的火力发电厂取水量约占总工业取水量的30%～40%，仅次于农业用水[2-3]。

除此之外，火力发电厂也是排水大户：一电厂发电量为2×60MW、循环水浓缩倍率为3.5倍，其每天至少有10000m3的冷却水产生，再加上工业废水、生活污水，总废水量可达15000m3/d[4]。现如今，“节约用水，高效用水”是我国对工业发展过程中水资源利用的主要方针，这不仅要求电厂优化自身技术工艺，更要对废水处理有进一步的深化改革[5]。

目前有许多专家学者认为，火力发电厂实现废水零排放是节约水资源防止水体污染的根本出路[6]。现对宁夏某一火电厂的高盐废水提出4项“零排放”方案，并且从效果和经济方面进行探究和比较，以期对未来的同类废水处理提供科学依据和参考。

1工程概况

1.1废水特性

宁夏某一发电量为2×330MW的大型火力发电厂的废、污水主要包括：工业废水、含油污水、化学废水、输煤废水、生活污水、渣系统溢水等，其中工业废水又包括制氢站循环冷却水、机房辅机冷却水和设备冲洗水。全厂需要进行深度处理的主要是循环水排污水，水量按150m3/h考虑，设计进水水质为极限循环浓缩倍率5倍时的监测数据，见表1。

1.2废水处理要求

废水浓缩5倍后，产生了极高含盐量的废水，“零排放”是指将全部的废水(99%以上)回收再利用，无任何废液排出电厂。水中的盐类和污染物经过浓缩结晶以固体形式排出电厂送垃圾处理厂填埋或将其回收作为有用的化工原料。

废水处理设计过程中参照DL/T606.5火力发电厂水平衡导则、DL/T783火力发电厂节水导则、DL/T5068火力发电厂化学设计技术规程、GB/T50102工业循环水冷却设计规范等规范标准进行，最终回收再利用水要达到表2的要求。

2废水处理方法与讨论

2.1“零排放”废水处理方案

目前国内真正实现零排放的电厂很少，技术、投资、运行成本均是制约零排放实施的重要因素。若直接采用蒸发的方法处理，势必会消耗大量蒸汽和电力，通常的处理方法是先脱盐浓缩再蒸发。所以废水必须经过适当的预处理才可以送入蒸发结晶处理系统，从而实现“零排放”这一目标。

2.1.1方案一

系统组成：石灰碳酸钠软化+反渗透膜浓缩+TMF处理+高压反渗透+蒸发结晶。工艺流程见图1。

含盐量在2500mg/L左右的电厂废水，通过石灰-碳酸钠软化系统使其中的硬度和碱度均降低到0.5mmol/L以下，同时澄清作用也使得废水中硅含量大幅降低，再通过双介质过滤器和超滤装置进一步降低废水杂质颗粒含量，使污染指数SDI降低到3以下。

这样的水质可以直接进入普通反渗透装置，该装置为一级三段排列，其所产淡水含盐量60mg/L，水量约108m3/h，满足回收水要求。为提高第三段的产水率，需要在第二段后设置增压泵使段压有所提高。经验算，第一段进口压力为1.1MPa，第三段增压后压力为1.1MPa。

一级三段反渗透的浓水剩余42m3/h，水中含盐量比原水浓缩了约4倍，达到约1%的含量。软件预测此时的水体具有轻微结垢倾向(LSI约0.51>0)。

利用管式微滤膜TMF，结合加入石灰、碳酸钠和絮凝剂，对此水进一步脱除硬度和碱度，TMF产水可以直接送入反渗透装置，该反渗透系统设计为一级三段，选用海水脱盐膜，第三段前设中间增压泵将进水压力提升到5MPa左右，浓缩后的含盐量达到4%以上，浓水流量约9m3/h。

TMF的含固浓缩废水则送去预处理工段的污泥浓缩脱水装置处理。经海水反渗透膜再次浓缩的高浓度含盐废水送到蒸发浓缩单元，利用多效蒸发器进行蒸发浓缩，这里选用蒸发量达10m3/h的三效强制循环式蒸发器。

料液经预热后转入三效蒸发器，同时启动真空系统，二效蒸发器产生的二次蒸汽供给三效加热器壳体，料液温度50～55℃，分离室压力-0.085～-0.09MPa;经三效蒸发后的溶液转入二效蒸发器，一效蒸发器产生的二次蒸汽供给二效加热器壳体，料液温度100～105℃，分离室压力0.09～0.1MPa，物料达到控制浓度后转至三效蒸发器;将二效料液经二级预热器预热后送到一效蒸发器内，同时打开加热器生蒸汽阀门，运行后一效蒸发器内温度会提高至140℃，分离室压力持续在0.15MPa左右。

蒸发产生的二次蒸汽最终冷凝下来送去淡水产水箱，三效蒸发器的母液(约2m3/h)则去真空结晶和干燥单元。过饱和的含盐母液在真空结晶器内快速闪蒸，料液进一步浓缩，而后进入冷却结晶器使母液中结晶颗粒不断长大。

离心分离机用于使结晶与母液分离，分离后的结晶如需进一步干燥可送入蒸汽干燥机，进一步脱去水分得到含水率极低的结晶盐;母液则返回蒸发装置继续处理。

2.1.2方案二

系统组成：石灰碳酸钠软化+反渗透膜浓缩+高压平板膜浓缩+蒸发结晶。工艺流程见图2。

通过石灰-碳酸钠软化系统降低硬度和碱度后，再经过双介质过滤器和超滤进一步降低污染指数，然后进入一级三段排列的反渗透浓缩单元，其所产浓水约42m3/h，含盐量比原水提高了4倍，约为1%，这样的浓水直接进入下一段反渗透会有轻微结垢倾向(LSI约为0.51>0)。

如果选用新型的高压平板反渗透膜组件，由于其特殊的流道设计可以阻止结垢物在膜表面的沉积，方案二即以高压平板反渗透膜取代海水膜，同时取消TMF处理单元。高压平板膜的抗污染性和耐高压能力，使其能在非常高的压力下获得满意的回收率。

压力由5、9MPa升高到140MPa的三级升压平板膜单元，使废水的含盐量由1%提升到4.5%。废水得到极大的浓缩，剩余废水量约7m3/h。减轻蒸发结晶单元负荷。

2.1.3方案三

系统组成：石灰碳酸钠软化+反渗透膜浓缩+EDR浓缩+蒸发结晶。工艺流程见图3。

通过石灰-碳酸钠软化系统使其中的硬度和碱度均降低到0.5mmol/L以下，再通过一级三段反渗透浓缩，使得浓水至剩余42m3/h左右，水中含盐量比原水浓缩了四倍，达到近1%的含量。此时直接选用RO继续浓缩，计算预测水体具有轻微结垢倾向(LSI约为0.51>0)。

选用EDR的抗污染和对进水水质要求宽泛的特点，进行再脱盐和浓缩，电渗析器设计规格为400mm×1600mm，每台电渗析器安装250对电渗析膜，系统共配42台电渗析装置。回收率可达85%，最后剩6m3/h浓水去蒸发结晶，大大减轻蒸发结晶单元的负荷。蒸发单元浓缩配置10m3/h三效蒸发系统，结晶单元的配置与前面的方案相同。

2.1.4方案四

系统组成：TMF软化预处理+反渗透膜浓缩+EDR浓缩+蒸发结晶。工艺流程见图4。

在反应箱1和反应箱2中分别加入石灰和碳酸钠以及适量絮凝剂，送入浓缩箱中，浓缩箱的废水通过大流量循环泵送入TMF管式微滤膜装置。浓缩箱中废水的含固量在管式微滤膜的作用下不断提高，到达一定浓度后排往污泥浓缩压滤设备。

而错流而出的水中硬度、碱度、硅及其它固体杂质都大大减少，可以满足直接进入反渗透的要求。通过一级三段反渗透浓缩，使得浓水至剩余42m3/h左右，水中含盐量比原水浓缩了四倍，达到近1%的含量。此时直接选用RO继续浓缩，计算预测水体具有轻微结垢倾向(LSI约为0.51>0)。

继续利用EDR的抗污染、进水水质宽泛等特点，进行再次脱盐和浓缩，电渗析器设计规格为400mm×1600mm，每台电渗析器安装250对电渗析膜，系统共配42台电渗析装置。回收率可达85%，最后剩6m3/h浓水去蒸发结晶，大大减轻蒸发结晶单元的负荷。蒸发单元浓缩配置10m3/h三效蒸发系统，结晶单元的配置与前面的方案相同。

经过一级三段反渗透浓缩的浓排水也可以再通过一级TMF除去硬度离子，然后用海水膜浓缩到可进入蒸发结晶的程度。

2.2方案对比分析

2.2.1技术性比较

方案一在技术上先由一级三段反渗透浓水通过TMF再次软化处理，进入海水膜继续浓缩，浓水含盐量达到4%以上，再送去蒸发结晶。优点在于只要控制好水中结垢组分含量，利用现有的成熟反渗透技术可稳定运行，运行控制及维护均较简单。

方案二在一级三段反渗透后，浓水无需再次软化处理，利用新型结构的平板反渗透膜进行直接浓缩，浓水含盐量达到5%以上送去蒸发结晶，减少蒸发系统容量。但是高压平板反渗透膜是一种用于高含盐废水处理的新技术，其组件有加拿大和德国产品，目前在国内的生化、煤化工等废水上有试验性应用，并没有大量的实际案例。

方案三在一级三段反渗透后，浓水无需再次软化处理，利用对进水要求相对宽泛的电渗析装置继续浓缩，浓水含盐量达到5%以上送去蒸发结晶，减少蒸发系统容量。电渗析本身为成熟技术，在高含盐水处理上有一定优势，应用频繁倒极技术可防止浓差极化现象，电渗析的脱盐率较反渗透低，其产水需返回前级的反渗透处理。

方案四以管式微滤单元代替软化过滤的预处理单元，可省去澄清池、过滤器、超滤器，直接进入一级三段反渗透浓缩单元，使系统更加紧凑。后续再浓缩可以是直接用电渗析，也可经TMF再次软化后用海水膜装置进行。TMF是一种错流式大通道微滤膜系统，可以承受高含固量的废水，近年在高含盐高有机废水处理上均有应用，取得了一定运行经验。

2.2.2经济性比较

4种方案的投资及运行费用比较见表3。从经济角度来看，方案二无论是从投资还是运行成本方面都较其他方案少。但是并不能说方案二优于其他方案，因为方案二不是较为成熟的方法，并没有很多的应用。方案三中的电渗析技术在国内外已经较为成熟，但其较高的用电量是无法避免的一项支出。

方案四中新型的方法是导致了成本的增加的原因，但很大程度上能缩小土地使用面积，无形中节约成本，在将来很可能会实现普遍化，并且保持现有的较高的处理效率。

3结论

采用“预处理+脱盐浓缩+蒸发结晶”工艺可以将此高含盐废水有效处理，回收的淡水高于电厂新鲜水指标，可返回循环水系统或锅炉补给水处理系统作为水源。

四种方案的淡水回收率可达到96%以上，系统产生的淤泥可用于烧结制砖，最终的结晶盐可外运至指定填埋场地。

为使处理工艺的稳定运行，现电厂运行的各用水及排水系统应统一调配，做到进入废水处理系统的仅为循环水排污，尽可能不排入脱硫废水和生活废水，以免重金属离子和COD影响整个工艺运行。

通过对4个工艺方案的比较：方案一主要依靠投加药剂使水体软化浓缩，适合于较小的火力电厂，在此不适用。方案二技术不成熟，很可能会出现一些未知的问题，所以在此也不适用，方案四对占地面积的要求较低，但目前来看各项费用太高，无法采纳。方案三利用的是国内外都较为成熟的EDR电渗析，虽然有较高的用电量，但火力电厂有着很好的背景能源条件，完全可以满足设备运行的需求，在本火电厂较为适用。

参考文献略

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电厂废水种类

燃煤电厂废水包括经常性废水和非经常性废水。经常性废水是指电厂日常生产过程中产生的废水，一般包括净化站产生的含泥废水（以海水或城市中水为水源的，则为浓缩废水）、锅炉补给水系统产生的浓缩废水或再生酸碱废水、精处理装置产生的再生酸碱废水和反洗废水、循环冷却水系统产生的浓缩排污水、脱硫系统排放的脱硫废水、输煤系统与煤场产生的含煤废水、主厂房产生的含油废水与员工生活废水等；非经常性废水主要是机组大小修期间产生的废水，如锅炉酸洗废水、空气预热器与脱硫GGH化学清洗废水、机组启动冲洗废水等。

河源电厂2×600MW机组设有循环冷却水系统，废水种类齐全，其废水种类、废水量和主要污染因子见表1。

表1 河源电厂2×600MW机组废水种类、废水量及其污染因子

由表中可知，在循环冷却水系统浓缩倍率为10倍的情况下，河源电厂两台600MW机组经常性废水量为165～244m3/h，每次大小修期间产生的非经常性废水～34000余吨。废水种类较多，废水量较大。

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废水零排放关键技术

（1）废水零排放系统开发

河源电厂废水种类齐全，同时设置有循环冷却水系统，冷却塔浓缩排污水需要复用，较为典型。结合各类废水特点和现有成熟的废水处理工艺出水水质的保障情况，为实现废水复用，建立了以“一水多用、梯级使用、循环利用”为架构的废水零排放系统。 设备冷却水与处理后的生活废水、工业废水等作为冷却塔的补充水；冷却塔的浓缩排污水作为脱硫系统的工艺补充水，经脱硫系统浓缩为脱硫废水；脱硫废水为全厂末端废水，先经预处理将其中污泥分离，再蒸发结晶处理将盐分分离，形成凝结水又回到冷却塔，如此构成“一水多用、梯级使用、循环利用”的废水零排放系统。

（2）废水零排放关键技术

① 循环冷却水极限浓缩倍率技术开发

根据水量平衡要求，循环冷却系统浓缩排污水量须控制范围为80～90m3/h，据此计算浓缩倍率则在10左右。为解决该问题，需进行高浓缩倍率模拟试验，寻找合适的药剂，控制循环水水质指标，避免结垢与腐蚀产生。据相关研究，在合理选用药品、控制循环水浊度的情况下，加药浓度达到一定值后，河源电厂循环冷却水系统在10.5以内的浓缩倍率（以氯离子或碱度计）工况下，其腐蚀与结垢趋势可控。

在河源电厂循环冷却水处理系统中，设置循环冷却系统旁流过滤装置，保证循环水水质浊度满足要求；旁路过滤器容量的大小取决于冷却塔补水水质和冷却塔周围空气质量；旁流过滤器反洗废水主要污染物为悬浮物，其盐含量同循环水水质，进入电厂工业废水处理系统处理。循环水系统添加阻垢剂、缓蚀剂与杀菌剂，在日常生产中对药品浓度与水质指标跟踪监测，药品浓度不能低于模拟试验值，水质指标严格控制在设定范围内。若循环水盐度或硬度或硅含量或氯离子含量接近设定值，则排出部分循环水至复用水池，并及时补充新鲜水，确保循环水系统不结垢、不腐蚀。

② 末端脱硫废水蒸发结晶处理系统开发

为保证安全运行，石灰石-石膏湿法脱硫系统在运行中需定期排放一定量的废水，即脱硫废水。脱硫废水为全厂的末端废水，其pH为5～6，盐含量高达25000～55000mg/L，含有Cl-、悬浮物、过饱和的亚硫酸盐、硫酸盐与重金属等，该废水易结垢，腐蚀性强性。采用常规工艺处理后，可实现达标排放，但因处理后的废水硬度高、Cl-未减少，腐蚀性强，不能实现复用，处理后一般外排或用于粉煤灰调湿。国内外还没有脱硫废水回用于前端设备的先例。 要实现脱硫废水的复用，关键是要将废水中的氯离子和硬度去除，避免复用设备发生腐蚀与结垢。河源电厂率先开发的“二级预处理+多效蒸发结晶”脱硫废水处理工艺，成功将废水中的污泥与盐分进行了分离，处理后的水质接近蒸馏水，回用于冷却塔，全过程中没有任何废水排放。 处理工艺机理如下：设置废水缓冲池，并曝气处理，使得水质均匀，为后续设备稳定处理创造条件。在一级反应器中投加石灰乳，使废水pH值提升至10.0以上，Fe3+、Mg2+、Zn+、Cu2+、Ni+、Cr3+等重金属离子形成难溶氢氧化物而沉淀；石灰乳中的Ca2+同废水中的F-离子反应生成难容的CaF2；在一级反应器还添加絮凝剂，使废水中细小而分散的颗粒和胶体物质在一级澄清器内凝聚成大颗粒物；同时添加助凝剂使得细小的絮凝物变大，形成更容易沉积的絮状物。废水中的重金属、悬浮物等在一级澄清器内浓缩，经脱水处理后变成污泥外排。

废水从反应器出来后，进入中间水箱，Hg2+、Pb2+、Ca2+离子仍在废水水中。增设二级反应器，添加有机硫和软化剂，并适当调整PH值，Hg2+、Pb2+同有机硫（TMT-15）反应生成难溶的硫化物沉淀，Ca2+同软化剂发生反应而被去除，经絮凝澄清后进入蒸发结晶系统前清水箱。软化后的废水进入蒸发结晶系统基本不发生结垢。

采取四效蒸发结晶系统。动力蒸汽取自辅助蒸汽，对一效蒸发器进行加热，动力蒸汽冷凝后回用；废水经一效蒸发器蒸发浓缩，其形成的二次蒸汽(红色线条，下同)作为二效蒸发器的热源；浓缩后的废水（黄色箭头，下同）进入二效蒸发器进一步浓缩，其形成的二次蒸汽又作为三效蒸发器的热源；如此类推，浓缩废水进入四效蒸发器后最后一次浓缩并结晶，经脱水将结晶盐提出。四效蒸发器出来的蒸汽最后进入凝汽器冷凝成水（绿色箭头），该水即为脱盐后的蒸馏水，水质很好，回用于冷却塔。 为节约能耗，从各效蒸发器抽取部分二次蒸汽用于废水的预热。投运后数据表明，每吨废水的蒸汽能耗为0.28吨。

③ 废水污泥与结晶盐综合利用

若分离后的废水污泥与结晶盐不经妥善处理，遇水后仍会返回环境产生二次污染。为避免二次污染，实现废水污泥与结晶盐资源化综合利用是最佳方案。 污泥制砖试验，试验结果表明水泥、石灰等固化料与污泥按一定比例的情况下，污泥砖强度满足使用要求，达到国家行业标准；并经浸出试验，无重金属析出，满足环保要求。因污泥盐分含量高，污泥砖仅用于围墙、公园路面等建设用砖，不能用作房屋建筑材料。 为提取高纯度的结晶盐，充分利用各种盐分特性，提高结晶盐中NaCl含量，提出的结晶盐满足二级工业盐标准（GB/T5462-2003），作为原料用于印染等行业。