高回收率循環(huán)水排污水回用處理工藝研究*

李亞娟　陳景碩　余耀宏　降曉艷　黃倩

(1.西安熱工研究院有限公司　西安 710032；　2.華能國際電力股份有限公司　北京 100031)

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高回收率循環(huán)水排污水回用處理工藝研究*

李亞娟1陳景碩2余耀宏1降曉艷1黃倩1

(1.西安熱工研究院有限公司西安 710032；2.華能國際電力股份有限公司北京 100031)

采用城市中水作為火電廠循環(huán)水系統(tǒng)水源，在循環(huán)水高濃縮倍率運行條件下，循環(huán)水排污水具有含鹽量高、硬度高、有機物濃度高的特點，回用處理難度大。通過試驗模擬研究，提出了采用“NaOH-Na2CO3聯(lián)合軟化+超濾+反滲透”處理工藝，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，淡水回收率可達到85%，淡水可作為循環(huán)水系統(tǒng)補水或者鍋爐補給水系統(tǒng)水源。

城市中水循環(huán)排污水聯(lián)合軟化高回收率反滲透

0　引言

循環(huán)水排污水占循環(huán)冷卻型火電廠廢水總量70%以上[1-2]，對其進行處理回用是實現(xiàn)火電廠廢水零排放的關(guān)鍵。在循環(huán)水高濃縮倍率運行條件下，排污水含鹽量、COD、SiO2、硬度、堿度等各項指標均偏高，并且含有大量的水質(zhì)穩(wěn)定劑[3-5]，加大了循環(huán)水排污水處理的難度。目前，循環(huán)水回用處理大多采用反滲透脫鹽技術(shù)，在實際運行過程中出現(xiàn)膜污堵、阻垢劑析出、系統(tǒng)出力下降、化學清洗頻繁等問題[6-8]。本文通過試驗研究，提出以城市中水為水源的循環(huán)水排污水新型脫鹽處理工藝。

1　循環(huán)水排污水水質(zhì)分析

表1　循環(huán)水排污水水質(zhì)分析結(jié)果

某電廠采用城市中水作為循環(huán)水補充水，循環(huán)水排污水水質(zhì)分析結(jié)果見表1。根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，循環(huán)水排污水具有如下特點：

(2)有機物質(zhì)量濃度高，COD為56 mg/L，BOD5只有9 mg/L，B/C=0.16，可生化性低。主要是由于可生化降解的有機物已經(jīng)通過污水處理廠的生物處理工藝予以去除，殘留的有機物可生化性不高。此外，循環(huán)水排污水中的有機物還有一部分來自循環(huán)水系統(tǒng)運行過程中投加的水質(zhì)穩(wěn)定劑，為化學合成藥品，很難被生物降解。

(3)電廠為實現(xiàn)全廠廢水“零排放”，采用循環(huán)水高濃縮倍率運行控制方案，濃縮倍率控制在6倍左右，導致循環(huán)水排污水含鹽量偏高。

根據(jù)循環(huán)水排污水水質(zhì)特點，提出對排污水進行“軟化、除濁、脫鹽”處理方案。

2　聯(lián)合軟化試驗研究結(jié)果

通過石灰-碳酸鈉和氫氧化鈉-碳酸鈉兩種軟化處理的出水水質(zhì)和藥耗成本對比，進行軟化工藝的選擇。

2.1Ca(OH)2- Na2CO3試驗結(jié)果

固定碳酸鈉加藥量為1 200 mg/L，改變石灰加藥量進行試驗，結(jié)果見圖1。石灰投加量為200～700 mg/L時，隨著石灰加藥量的增大，上清液中Mg2+濃度均逐漸降低，但Ca2+濃度逐漸增大。主要由于投加的石灰將大部分碳酸鹽硬度去除后，剩余的石灰與MgSO4和MgCl2生成氫氧化鎂沉淀以及CaSO4和CaCl2。由于Mg2+結(jié)垢傾向低，綜合比較，選擇石灰最佳投加量為500 mg/L。

圖1　石灰軟化處理試驗結(jié)果

固定石灰投加量為500 mg/L時，改變Na2CO3劑量進行試驗，結(jié)果見圖2。Na2CO3加藥量≤1 600 mg/L時，上清液Ca2+濃度和Mg2+濃度逐漸降低，當Na2CO3投加量>1 600 mg/L時，出水Ca2+濃度和Mg2+濃度變化趨于平緩。因此，Ca(OH)2-Na2CO3軟化處理中Na2CO3投加量選擇為1 600 mg/L。

圖2　碳酸鈉軟化處理試驗結(jié)果

Ca(OH)2-Na2CO3軟化出水總磷≤0.15 mg/L，總磷去除率≥95%，TOC去除率在15%～20%之間。

2.2NaOH-Na2CO3試驗結(jié)果

固定Na2CO3劑量為1 200 mg/L，改變NaOH劑量進行試驗，結(jié)果見圖3。NaOH加藥量由100 mg/L增加到600 mg/L，上清液中Ca2+，Mg2+濃度均逐漸降低。當NaOH投加量>500 mg/L時，出水Ca2+，Mg2+濃度基本趨于平穩(wěn)。

圖3　NaOH軟化處理試驗結(jié)果

圖4　Na2CO3軟化處理試驗結(jié)果

固定NaOH劑量為500 mg/L，改變Na2CO3劑量進行試驗，結(jié)果見圖4。上清液中Ca2+，Mg2+濃度均隨Na2CO3劑量的增大而降低，但當Na2CO3投加量>1 000 mg/L時，混凝后上清液Ca2+，Mg2+殘留量變化較小。綜合比較，Na2CO3最佳加藥量為1 000 mg/L。NaOH-Na2CO3聯(lián)合軟化對總磷和TOC的去除情況和Ca(OH)2-Na2CO3基本一致。

由于原水碳酸鹽硬度只有6.78%，石灰去除暫硬的同時額外帶入Ca2+，導致Na2CO3加藥量偏高，產(chǎn)生的污泥量增大。而且石灰加藥系統(tǒng)運行環(huán)境差，計量準確性低，系統(tǒng)易堵塞。在碳酸鹽硬度較低的情況下，通過投加NaOH去除鎂硬，Na2CO3去除鈣硬，Na2CO3加藥量較Ca(OH)2-Na2CO3處理工藝低40%，藥耗成本低約15%。此外，直接投加液堿，系統(tǒng)易于控制，作業(yè)環(huán)境好。因此，軟化藥劑推薦選用NaOH和Na2CO3。

3　超濾試驗研究結(jié)果

試驗水源采用氫氧化鈉-碳酸鈉軟化出水。采用外壓式中空纖維超濾膜組件，運行方式為死端過濾，運行模式為過濾→反洗→沖洗，過濾周期為30 min，運行壓力和出水濁度如圖5和圖6所示。

由試驗結(jié)果可以看出：在超濾設備連續(xù)運行的400 min內(nèi)，超濾運行壓力穩(wěn)定在42～45 kPa范圍內(nèi)，變化幅度很小，設備運行穩(wěn)定。出水濁度<0.20 NTU，超濾膜對濁度的去除率>90%。對超濾產(chǎn)水進行SDI測定，SDI在2.47～2.85之間?？梢钥闯?，超濾出水水質(zhì)滿足反滲透膜對進水水質(zhì)(濁度<1 NTU，SDI<5)的要求。

圖5　超濾運行壓力變化曲線

圖6　超濾出水濁度變化曲線

4　反滲透試驗研究結(jié)果

4.1試驗條件

模擬試驗采用陶氏公司生產(chǎn)的LCHR-4040型號反滲透膜元件，模擬水樣采用循環(huán)水排污水經(jīng)過NaOH-Na2CO3聯(lián)合軟化和超濾處理后的出水，主要水質(zhì)指標見表2。

表2　反滲透進水水質(zhì)分析結(jié)果

通過運行壓力、脫鹽率以及進、出水水質(zhì)分析，評價反滲透系統(tǒng)的運行性能。

4.2試驗工況的選擇

(1)經(jīng)過預處理后循環(huán)水排污水中仍含有少量硬度離子，且硫酸根含量偏高，通過計算LSI=0.98>0，BaSO4飽和度>100%，需要投加阻垢劑。

(2)反滲透進水TOC質(zhì)量濃度為14.15 mg/L，COD質(zhì)量濃度為51 mg/L，有機物含量偏高，易造成膜污堵。在堿性條件下運行，有機物被乳化或皂化，避免其粘附在膜表面。此外，硅溶解度隨pH值的升高而增加，所以硅結(jié)垢極限得到了明顯提高。如果采用高效反滲透運行(調(diào)節(jié)進水pH=11～12)的話，需要增加弱酸陽床，徹底去除來水中的硬度離子。弱酸陽床在運行過程中產(chǎn)生周期性再生廢水，為強酸堿性高含鹽量廢水，而且含有大量的硬度離子和硫酸鹽，增大了電廠末端高鹽廢水的處理量和處理難度。此外，循環(huán)水排污水有機物含量高，易造成樹脂污堵。經(jīng)過綜合考慮，為避免有機污堵，同時減少電廠酸堿再生廢水的產(chǎn)生量，可調(diào)節(jié)RO進水pH=9.5， 在總硬<1 mmol/L的情況下，通過投加阻垢劑可以避免反滲透膜無機結(jié)垢和有機污堵。

(3)反滲透進水含鹽量為3 516 mg/L，通過預處理以及運行過程中投加阻垢劑可避免反滲透膜無機結(jié)垢，堿性運行條件減緩了反滲透有機物污堵和硅結(jié)垢的風險。同時，結(jié)合LCHR-4040膜元件的特性，反滲透系統(tǒng)回收率擬定為85%。

4.3試驗結(jié)果分析

在系統(tǒng)回收率為85%、原水pH值控制在9.5條件下，反滲透試驗設備累計運行80 h，運行壓力、脫鹽率、產(chǎn)水電導率變化曲線見圖7～圖9。

圖7　反滲透運行壓力變化曲線

圖8　反滲透脫鹽率變化曲線

圖9　反滲透產(chǎn)水電導率變化曲線

反滲透回收率穩(wěn)定在85%后，運行壓力穩(wěn)定在1.9～2.1 MPa之間，進水和濃水之間的壓差波動幅度很小，壓差在36.1～38.1 kPa之間，遠低于膜運行過程中對壓差的限值(單支膜元件的壓差<100 kPa)。產(chǎn)水電導率在420～491 μS/cm之間，膜脫鹽率在98.2%～98.5%之間，產(chǎn)水電導率和脫鹽率波動幅度較小。

5　工藝方案

根據(jù)試驗結(jié)果，循環(huán)水排污水處理工藝流程如圖10所示。處理工序包括以下幾部分：

圖10　循環(huán)水回收處理工藝流程

(1)采用NaOH-Na2CO3進行兩級軟化處理，產(chǎn)生CaCO3和Mg(OH)2沉淀，Mg(OH)2的絮體輕，沉降性能差，為了提高Mg(OH)2的沉降效果，建議采用高密度澄清池。澄清池排泥進行壓濾后泥餅外運，濾液返回原水池重新處理。

(2)澄清池出水經(jīng)纖維過濾器去除殘留絮體，并調(diào)節(jié)過濾器出水pH值至9.3～9.5之間。由于氫氧化鎂絮體輕，沉降性能差，澄清器出水有絮體殘留，如果對澄清器出水進行pH值調(diào)節(jié)，未沉降的絮體會溶解，導致硬度析出。為了降低反滲透進水硬度含量，建議將加酸點后移。

(3)纖維過濾器出水進超濾裝置，超濾去除大分子有機物、膠體類物質(zhì)以及微小雜質(zhì)等，超濾出水達到反滲透進水水質(zhì)要求。超濾反洗水回到原水池繼續(xù)處理，以減少系統(tǒng)外排水量。

(4)采用反滲透進行脫鹽處理，調(diào)節(jié)反滲透進水pH=9.3～9.5，回收率為85%，脫鹽率>98%。反滲透產(chǎn)水作為冷卻塔補水、工業(yè)用水、鍋爐補給水處理系統(tǒng)水源等水質(zhì)要求較高的場合。

(5)反滲透濃水含鹽量偏高，與脫硫廢水混合，經(jīng)末端廢水處理系統(tǒng)濃縮減量后，再通過蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)進行固化處理，以實現(xiàn)全廠廢水零排放。

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High Recovery Rate of Recycling Treatment Technology Research of Circulating Waste Water

LI Yajuan1CHEN Jingshuo2YU Yaohong1JIANG Xiaoyan1HUANG Qian1

(1.Xi’anThermalPowerResearchInstituteXi’an710032)

The municipal reclaimed water is used as circulating water in the fossil power plant, circulating waste water is high dissolved solid, high hardness and high organic matter when water-recirculating system operates with the higher concentration ratio and the circulating waste water treatment is difficult. Through experimental simulation, the process of “NaOH-Na2CO3mixed softening-UF-RO” is proposed to treat circulating waste water. The fresh water recovery rate can reach 85% and it can be used as the make-up water for circulating water or for chemical desalting water system.

municipal reclaimed watercirculating waste watermixed softeninghigh recoveryreverse osmosis

華能國際電力股份有限公司科技項目(TL-15-HNK01)。

李亞娟，女，1983年生，碩士研究生，工程師，從事火電廠水處理技術(shù)的研究。

2015-08-14)