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標處理和零排放。達標處理法即利用中和-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，對于排放標準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，在其進入零排放處理系統(tǒng)前必須進行預(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一步進行水質(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)電廠進行，進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行中和軟化反應(yīng)，反應(yīng)后的廢水進入澄清區(qū)進行固液分離，分離后的上清液經(jīng)回調(diào)pH值后進入緩沖水箱，然后通過石英砂過濾器進一步除去脫硫廢水中的部分懸浮物后進入超濾系統(tǒng)，超濾產(chǎn)水則進入后續(xù)膜濃縮系統(tǒng)進行濃縮減量處理。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水流量為3m3/h，并分別在一級反應(yīng)區(qū)投加質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為10%的Na2CO3溶液，經(jīng)過兩級軟化反應(yīng)后的脫硫廢水進入澄清區(qū)進行固液分離，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，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)進水流量和加藥量，使得裝置的出水濁度較高，最高時可達28.6NTU，當進水量和加藥量穩(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)量分數(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會自動進行反洗，每次反洗結(jié)束后系統(tǒng)重新開始運行，故進水側(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。
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)該指標來判斷超濾產(chǎn)水是否滿足后續(xù)膜濃縮系統(tǒng)進水要求。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)量分數(shù)通常可以達到5%~8%。為方便處置，應(yīng)進一步減少污泥體積，對污泥進行脫水處理。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)進行處理，實際工程中可選擇板框式壓濾機進行污泥脫水，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“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，華能濟寧運河發(fā)電有限公司，華能山東發(fā)電有限公司)
