脱硫废水零排放软化浓缩工艺应用实例

刘俊

（上海电气电站环保工程有限公司， 上海 201612）

燃煤电厂用水量较大， 提高水资源的使用效率、 延长厂区工业水的有效使用寿命， 有利于从源头上减少废水产生量［1－2］。 2017 年发布的《火电厂污染防治技术政策》提出， 脱硫废水宜经石灰处理、混凝、 澄清、 中和等［3］工艺处理后回用， 鼓励采用蒸发干燥或蒸发结晶等处理工艺， 实现脱硫废水不外排。 为了响应国家环保要求， 实现青山绿水的生态愿景， 科研院所、 高校、 环保企业和电厂开展了许多有益研究和实践探索［4－5］， 在传统三联箱工艺的基础上， 开发了以预处理、 浓缩减量、 末端固化为主的三段式零排放工艺［6］， 其中预处理段主要以物理化学法对脱硫废水中的悬浮物、 COD、 重金属、 钙、 镁等污染物进行去除， 浓缩减量段以膜法［7］或热法［8］实现对废水资源的回收， 并减少进一步固化的废水水量， 末端固化段以蒸发结晶［9］或烟道蒸发［10］的形式实现盐的固化和废水的零排放。本文以广东某电厂脱硫废水零排放软化浓缩工艺为例， 介绍了该工艺各装置的设计参数及实际运行情况， 为包括脱硫废水在内的高含盐工业废水的零排放处理提供工程借鉴和参考。

1 工程概况

某电厂总建设规模为7 480 MW， 已建成2 台600 MW 和2 台660 MW 机组， 本期规划建设4 台1 240 MW 高效超超临界燃煤机组， 同步建设脱硫、脱硝装置， 并要求全厂脱硫废水经过处理后完全回用， 实现零排放。

新建4×1 240 MW 机组脱硫废水产生量为48 t／h， 此部分水未经常规预处理， 直接从脱硫岛废水旋流器排放出来， 需经初沉池沉淀后进入调节池。 已建4 台机组产生的20 t／h 脱硫废水经过原有常规预处理后直接进入调节池， 调节池后系统总处理水量为68 t／h。

2 设计水量及进出水水质

电厂脱硫废水最大值为68 t／h， 实际运行水量较小， 远低于该数值， 本系统主要以处理新建机组产生的48 t／h 脱硫废水为主， 软化段设计水量为68 t／h， 浓缩段设计水量为48 t／h， 并预留24 t／h浓缩设备所需的空间， 系统设计进水水质参数详见表1。 脱硫废水经零排放系统处理后， 产生的浓水送至电厂除渣系统冲渣， 淡水满足表1 中出水水质要求， 可直接作为湿法脱硫的补水回用。

表1 设计进出水水质Tab. 1 Design influent and effluent water quality

由表1 可知， 本工程中脱硫废水的进水水质特点： 废水悬浮物含量相对较低， 主要成分为灰分、惰性物质、 絮凝沉淀物等； COD 浓度偏高； 硬度较高， 水中Ca2＋、 Mg2＋浓度很高， 需要在预处理阶段重点去除； SO42－质量浓度高， 处于即将饱和状态， 需要在进入浓缩系统时实时关注， 防止浓缩后在膜表面形成沉淀， 影响膜设备的正常运行； 盐分及Cl-浓度高， 对浓缩效率可能会产生一定的影响； pH 值较高， 呈弱碱性， 反渗透膜进水需要偏酸性， 进入设备前需调节pH 值； 含Fe2＋以及少量还原性物质， 组分变化大， 水质复杂。

3 废水处理工艺

3.1 废水处理工艺选择

目前， 国内外脱硫废水零排放处理技术发展迅猛， 不断有新技术工艺涌现， 但大多数新技术仍处于理论研究或试验阶段， 缺乏实际应用的业绩， 作为可实施的工程方案为时尚早。

通过对国内外的脱硫废水零排放处理工艺的详细调研， 脱硫废水零排放处理的总体路线基本上可以归纳为“预处理→浓缩→固液分离”3 个部分的组合。 主要围绕预处理软化并去除重金属、 废水浓缩减量（高压反渗透、 电渗析、 正渗透等）、 蒸发结晶（MVR 全蒸发、 浓缩液MVR 蒸发、 烟道喷雾蒸发、烟道旁路蒸发结晶、 多效蒸发、 低温烟气浓缩等）这几个部分展开， 可采用单一的或上述技术的组合， 来实现高盐废水的零排放处理。

“预处理-双碱法-双膜法-MVR 蒸发结晶”的工艺路线是较早提出的零排放技术， 该技术不仅可以实现水资源的回收利用， 更能够实现真正意义上的废水零排放。 基于该路线， 结合电厂实际需求和当前环保要求， 本项目最终实施的废水处理系统主要以软化浓缩为主， 采用石灰纯碱两级软化-管式微滤（TMF）-大流量管网式反渗透（STRO）-宽流道碟管式高压反渗透膜（DTRO）处理工艺， 经处理后产生的淡水回用、 浓水冲渣， 满足当前废水处理需求， 并规划预留进一步完全蒸发结晶的空间和场地， 可随时根据需要进行废水处理系统的升级改造。

3.2 脱硫废水工艺流程

脱硫废水处理系统由预处理（两级）＋浓缩系统、 污泥脱水系统、 化学加药系统组成， 工艺流程如图1 所示。

图1 脱硫废水软化浓缩工艺流程Fig. 1 Flow of softening and concentration process of desulfurization wastewater

脱硫废水在初沉池对大颗粒悬浮物进行固液分离， 上清液自流至调节曝气池， 并与其他来水由布置在池底的曝气装置对脱硫废水进行曝气混合， 降低废水的COD 浓度； 中和箱添加Ca（OH）2， 降低硫酸根浓度及沉淀部分重金属离子， 沉降箱添加NaOH， 使得水中的Mg2＋和重金属离子析出， 絮凝箱添加混凝剂， 生成絮凝物， 使絮凝物变大， 更易沉淀， 在一级澄清池中分离析出物。 在二级反应池中加Na2CO3溶液， 使Ca2＋沉淀， 并在二级澄清池中泥水分离， 完成软化要求。 澄清池污泥自流进入污泥浓缩池， 然后通过压滤机进行压滤脱水。 压滤后的干泥饼外运处置， 滤液排至调节曝气池。

膜浓缩的预处理工艺采用TMF 管式膜过滤工艺。 废水送入TMF 管式膜内， 进行大流量错流过滤， 固液分离， TMF 膜元件采用PVDF 材质， 高温烧结， TMF 膜过滤孔径小， 过滤精度高， 进一步对软化出水的悬浮物和软化生成物进行截留， 使进入浓缩段的废水满足膜处理要求。 膜浓缩段采用STRO-DTRO 两级膜处理， STRO 膜元件为卷式，DTRO 膜元件为碟管式， 通过两级在不同压力下工作的反渗透膜完成对废水溶解性盐分的脱出， 经处理后的淡水产水回用作脱硫系统补充水， 浓水回用至一期湿除渣系统。

3.3 工程设计特点

（1） 本系统采用两列并行的组合设计， 在实际水量较小、 满足单列运行条件时可采用序批式运行方式， 减少加药系统调整和水质检测的频率， 避免软化效果波动影响后续浓缩系统的稳定运行。

（2） 本工艺系统运行稳定， 检修启停简便安全， 水质及设备在线监测信息全面、 自动控制程度高， 加药调整方便灵敏， 膜系统操作简单。

（3） 将STRO 进水流道设计成开放式流道， 从而有效避免了被截留的污染物附着于进水通道和膜的表面导致膜的污堵和浓差极化而结垢。 将STRO膜元件抗应力盘采用水力学设计， 此设计可使不同部位膜面上承受的进水量趋近一致， 使膜元件处于最佳使用性能状态。 本装备设计为可移动式撬装系统， 设备可以实现集中、 定时处理， 能减少人工成本。 STRO 膜耐污堵能力强， 耐冲击负荷能力强，结构紧凑， 维护简单， 浓缩倍数高， 移动方便。

（4） DTRO 主要部件为宽流道碟管式、 盘式膜组件和带凸点花纹的导流盘， 水流在膜柱内形成180° 折返流动流态， 具有耐高压、 强湍流和抗污染能力强等优点。

（5） 针对脱硫废水高盐、 高硬度的特点，STRO 和DTRO 采用部分串联和部分并联相结合的布置方式， 不仅降低了STRO 的流量负荷， 也降低了DTRO 进水的浓度， 在满足产水率和脱盐率的要求下， 降低了反渗透膜结垢的风险。

4 主要构筑物设计参数及设备配置

（1） 初沉池。 2 座， 单座出力为30 t／h， 单座停留时间不小于2 h， 有效容积为80 m3， 尺寸为φ5.5 m×6.0 m， 超高0.5 m， 钢筋混凝土内防腐。设刮泥机2 台， 刮臂直径为5 000 mm， 单台功率为1.7 kW； 污泥泵2 台， 1 用1 备， 单台流量为30 m3／h， 扬程为30 m， 功率为7.5 kW。

（2） 调节曝气池。 1 座， 设2 格， 停留时间不小于24 h， 有效容积为1 800 m3， 尺寸为20.0 m×20.0 m × 5.0 m， 超高0.5 m， 钢筋混凝土内防腐。设曝气风机3 台， 2 用1 备， 单台风量为13 Nm3／min， 压力为0.07 MPa， 功率为30 kW； 废水提升泵4 台， 2 用2 备， 单台流量为54 m3／h， 扬程为30 m， 功率为18.5 kW。

（3） 三联箱。 2 列， 每列包含中和箱1 台， 沉降箱1 台， 絮凝箱1 台， 单台处理量为45 m3／h，停留时间为30 min， 有效容积为22.5 m3， 尺寸为φ3.0 m×4.0 m， 钢衬胶结构。 设搅拌机4 台， 叶轮直径为1 100 mm， 转速为76 r／min， 单台功率为3 kW； 搅拌机2 台， 叶轮直径为1 100 mm， 转速为38 r／min， 单台功率为2.2 kW。

（4） 一级澄清池。 2 座， 单座出力为45 t／h，单座停留时间不小于6 h， 有效容积为280 m3， 尺寸为φ8.0 m×8.6 m， 超高0.5 m， 钢筋混凝土内防腐。 设刮泥机2 台， 刮臂直径为7 000 mm， 单台功率为2.2 kW。

（5） 一级清水池。 1 座， 设2 格， 总停留时间不小于2 h， 有效容积为200 m3， 尺寸为7.0 m ×6.7 m×6.0 m， 超高0.5 m， 钢筋混凝土内防腐。 设搅拌机2 台， 单台功率为1.1 kW； 一级清水泵3台， 2 用1 备， 单台流量为47 m3／h， 扬程为30 m，功率为11 kW。

（6） 二级反应池。 2 座， 单座出力为45 t／h，单座停留时间不小于30 min， 有效容积为22.5 m3，尺寸为φ3.0 m×4.0 m， 超高0.5 m， 钢筋混凝土内防腐。 设搅拌机1 台， 叶轮直径为1 100 mm，转速为56 r／min， 单台功率为3 kW。

（7） 二级澄清池。 2 座， 单座出力为45 t／h，单座停留时间不小于2 h， 尺寸为φ6.5 m×6.0 m，超高0.5 m， 钢筋混凝土内防腐。 设刮泥机2 台，刮臂直径为5 500 mm， 单台功率为0.55 kW。

（8） TMF。 微滤装置2 套， 单套处理水量不低于24 m3／h， 过滤精度为0.1 μm， 24 支膜／套， 膜设计通量为240 L／（m2·h）， SDI ＜4， 回收率不小于99%。 设循环水箱1 座， 总停留时间不小于2 h， 尺寸为φ4.5 m×4.0 m， 钢衬胶结构； TMF 循环水泵3 台， 2 用1 备， 单台流量为330 m3／h， 扬程为40 m， 功率为75 kW。

（9） 反渗透。 反渗透装置2 套， 每套反渗透装置为一级两段式设置， 第一段包含STRO 循环泵1台和STRO 膜堆1 组， 第二段包含DTRO 循环泵1台和DTRO 膜堆1 组。 单套处理量不低于24 m3／h，整体回收率在设计工况下为70%， 其中反渗透一段（STRO）单支膜面积为30 m2， 设计通量为12 L／（m2·h）， 膜的排列方式为6 并5 串， 共30 支膜组件， 一段回收率设计为45%； 反渗透二段（DTRO）单支膜面积为9.405 m2， 设计通量为9.38 L／（m2·h）， 膜的排列方式为68 支全并联， 二段回收率设计为45.5%。

（10） 其他辅助单元。 板框压滤机2 台， 单台过滤面积为320 m2， 储泥斗容积为30 m3； 加药设备1 套， 包含Ca（OH）2加药系统、 Na2CO3加药系统、 无机硫加药系统、 NaOH 加药系统、 混凝剂加药系统、 盐酸加药系统等， 设计加药量满足设计水量处理要求。

5 工程运行效果

为保证膜系统不会出现严重结垢， 在设计本系统之前， 经过中试试验确定了进入反渗透的水质参数， 重新设定了膜系统进水各种离子的限值，其中， ρ（Ca2＋）≤200 mg／L， ρ（Mg2＋）≤400 mg／L，ρ（SO42－）≤3 000 mg／L。

本系统成功运行后， 实测进出水水质如表2 所示。 进入调节曝气池的脱硫废水水质参数整体比设计值偏低， 但Ca2＋浓度较高， 软化加药量与设计值变化较大， 废水中COD 和重金属离子在软化段都得到了很好的去除， 微滤产水中COD 较原水降低87.6%， 反渗透产水水质良好， Ca2＋、 Mg2＋的浓度极低， 硬度基本完全被消除， TDS 质量浓度低于200 mg／L， 除盐率高达99%， 产水率可达70%，系统抗污堵能力强， 能够连续稳定运行。

表2 实际运行进出水水质Tab. 2 Actual influent and effluent water quality

6 投资及运行成本

本工程概算总投资为5 520.70 万元。 运行成本主要由电费和药剂费用构成， 整个系统用电量为13.6 kW·h／m3［废水］， 电价以0.4 元／（kW·h）计，折合5.44 元／m3［废水］； 系统使用的药剂主要有Ca（OH）2、 NaOH、 聚合硫酸铁、 Na2CO3、 盐酸、 阻垢剂、 还原剂、 化学清洗剂等， 药剂费用为27.28元／m3［废水］； 整个软化浓缩系统运行费用为32.72元／m3［废水］。

7 结语

（1） 本脱硫废水软化浓缩系统设计处理能力为68 t／h， 采用石灰纯碱两级软化-TMF-STRODTRO 处理工艺， 反渗透系统产水中Ca2＋、 Mg2＋的浓度极低， 硬度基本完全被消除， TDS 质量浓度低于200 mg／L， 系统除盐率高达99%， 产水率可达70%， 废水经处理后产生的淡水水质较好， 满足作为脱硫系统补充水使用的要求。

（2） 本项目中整个系统运行成本相对较低，浓缩段吨水运行成本可控制在5 元以内， TMFSTRO-DTRO 膜工艺的浓缩运行成本相对于蒸发浓缩而言具有较大的优势。

（3） TMF-STRO-DTRO 组合浓缩工艺可以广泛应用于火电脱硫废水、 垃圾渗滤液、 煤化工、制药、 矿井、 表面处理等领域的高盐废水资源化和零排放项目。 在前端的多级软化的基础上， 采用STRO 和DTRO 组合浓缩技术， 可实现对高盐废水的高效浓缩。