電絮凝-高效澄清池聯(lián)合技術(shù)在循環(huán)水排污水處理中的應用

康少鑫，張彬彬，孫軍峰，葉治安

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電絮凝-高效澄清池聯(lián)合技術(shù)在循環(huán)水排污水處理中的應用

康少鑫，張彬彬，孫軍峰，葉治安

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

為減輕高分子絮凝劑、助凝劑對膜處理系統(tǒng)的污堵，強化循環(huán)水排污水混凝澄清效果，北方某熱電廠采用了電絮凝-高效澄清池聯(lián)用技術(shù)對其循環(huán)水排污水進行預處理。通過系統(tǒng)調(diào)試，考察了不同電流密度、凝聚池pH值及碳酸鈉加藥量下，澄清池出水濁度、總硬度及總堿度的變化情況。結(jié)果表明，在電流密度為5.96 A/m2，凝聚池pH值約為11.0，碳酸鈉加藥量為170 mg/L時，電絮凝-高效澄清池對濁度、總硬度和總堿度去除率分別約為90%、60%和66%，平均出水濁度為0.9 NTU，總硬度為9.7 mmol/L，總堿度為1.2 mmol/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定，滿足后續(xù)膜處理工藝進水水質(zhì)要求，并降低了后續(xù)膜系統(tǒng)污堵的風險。

循環(huán)水排污水；電絮凝；高效澄清池；濁度；總硬度；總堿度；污堵

循環(huán)水排污水占全火電廠濕冷循環(huán)機組外排水量的70%以上，是火電廠全廠廢水零排放處理中最重要的一環(huán)[1-2]。針對電廠循環(huán)水排污水排污量大、含鹽量高、含有阻垢劑、成分復雜的特點[3]，電廠一般采用預處理（軟化+混凝+澄清）結(jié)合深度除鹽（超濾UF+反滲透RO）的回用處理工藝[4]。目前，已投運的循環(huán)水排污水處理系統(tǒng)為增強澄清池混凝澄清效果[5]，通常需要提高絮凝劑和助凝劑的加藥量，但會因此增加出水中有機大分子的含量，進而增加后續(xù)膜系統(tǒng)被高分子有機物污堵的風險[6-7]，而被高分子助凝劑污堵的膜幾乎無法通過清洗手段恢復。研究表明，電絮凝反應形成的絮體與傳統(tǒng)化學混凝[8]相比強度更大、結(jié)構(gòu)更緊實，更適合作為循環(huán)水排污水預處理工藝[9]?；诖耍狈侥?×200 MW燃煤機組熱電廠采用“電絮凝-高效澄清池+高效纖維過濾器+浸沒式超濾+反滲透”工藝，對循環(huán)水排污水進行深度脫鹽處理后淡水回用作鍋爐補給水和冷卻塔補充水，少量的濃水則送往灰場噴淋和脫硫制漿。該工程利用電絮凝替代傳統(tǒng)化學藥劑混凝法，與高效澄清池聯(lián)合應用于電廠循環(huán)排污水預處理環(huán)節(jié)，節(jié)省了藥劑成本，同時強化了混凝澄清效果，提升了出水水質(zhì)，有效減輕了后續(xù)膜系統(tǒng)污堵的風險，具有良好的示范意義。

1 工程概況

1.1 處理規(guī)模及原水水質(zhì)

某電廠循環(huán)水排污水處理系統(tǒng)設計出力300 m3/h，其中，電絮凝設計出力為300 m3/h，高效澄清池設計出力為2×150 m3/h。循環(huán)水排污水水質(zhì)見表1。

表1 循環(huán)水排污水水質(zhì)

Tab.1 The water quality of the sewage from circulating cooling system

1.2 工藝流程

廢水的電導率越高，電絮凝反應去除單位質(zhì)量污染物的耗電量越低[10]。該系統(tǒng)進水電導率、總硬度、總堿度均較高（表1），采用電絮凝結(jié)合碳酸鈉軟化澄清是較為可行且經(jīng)濟的預處理方式；深度處理采用UF+RO“雙膜”系統(tǒng)，對水中有機大分子、高濃度氯離子及其他可溶解性鹽有較理想的去除效果，可保證系統(tǒng)實現(xiàn)較高的回收率和脫鹽率。經(jīng)比選，確定循環(huán)水排污水處理系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 循環(huán)水排污水處理系統(tǒng)工藝流程

1.3 電絮凝-高效澄清池系統(tǒng)設計

電絮凝-高效澄清池作為循環(huán)水排污水預處理系統(tǒng)，承載軟化、混凝澄清的功能，其出水水質(zhì)是影響后續(xù)“雙膜”系統(tǒng)正常運行、清洗周期和使用壽命的關(guān)鍵因素。因此，合理設計電絮凝-高效澄清池系統(tǒng)運行參數(shù)尤為重要。

1.3.1 電絮凝反應池

電絮凝反應池采用與高效澄清池合建的方式，作為循環(huán)水排污水處理系統(tǒng)進水的第一反應池。電絮凝裝置置于反應池內(nèi)，陰、陽極板外接直流穩(wěn)壓電源，從而使其極板間形成穩(wěn)定的電勢差。在電勢差的作用下，電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，陽極鐵板氧化溶解，生成大量的Fe2+/Fe3+離子，這些Fe2+/Fe3+離子在弱堿性來水中經(jīng)水解和聚合反應后，形成一系列多核羥基絡合物，最終形成g-FeOOH[11]。羥基絡合物作為凝聚劑，吸附能力較強，通過吸附架橋、網(wǎng)捕和壓縮雙電層[12]等作用吸附、聚集污染物而形成絮體，達到去除懸浮污染物的效果。

電絮凝反應池共設4組并聯(lián)連接的電絮凝極板（圖2），極板為鐵材質(zhì)。各組極板與電源的連接方式均為單極式，極板間距為30 mm，默認定時倒極時間為20 min。正、負極板間放置感應極板，使得該裝置兼具單、雙極連接方式的特點[13]，即電壓低、電極電流分布均勻、設備緊湊高效。電絮凝反應池水力停留時間為15~30 min，電流密度可跟蹤進水流量實現(xiàn)按比例調(diào)節(jié)，彌補因流量變化導致反應時間過長或不足的缺點，從而保證反應充分、水中解離Fe2+/Fe3+濃度穩(wěn)定。

1.3.2 高效澄清池

高效澄清池對原水水質(zhì)、水量變化沖擊適應能力強，具有體量小、效能高的特點[14-15]。電絮凝反應池出水加NaOH調(diào)整pH值后直接流入高效澄清池，再投加碳酸鈉進行軟化、絮凝、澄清，實現(xiàn)對原水總硬度、總堿度和濁度的高效去除。高效澄清池凝聚區(qū)水力停留時間為3.5 min，絮凝區(qū)水力停留時間為11 min，清水區(qū)表面負荷7 m3/(m2·h)，污泥回流率為4%。

圖2 電絮凝反應池結(jié)構(gòu)示意

2 系統(tǒng)調(diào)試與運行

2.1 電絮凝反應池運行狀況

在1套高效澄清池投運的條件下，電絮凝反應池進水流量為150 m3/h，進水pH值約為9.02，化學需氧量（COD）約45 mg/L，初始電流密度5.96 A/m2，電解反應時間為20 min。電絮凝反應池電極反應為：

陽極反應 Fe – 2e – Fe2+(1)

Fe2++ 2OH–– Fe(OH)2(2)

4Fe(OH)2+ O2+2H2O – 4 Fe(OH)3(3)

陰極反應 2H2O + 2e – H2↑ +2OH–(4)

實測發(fā)現(xiàn)：電絮凝反應池出水pH值為8.94，較進水略有降低，這可能是由于陽極溶解出的鐵離子經(jīng)水解和絡合作用消耗了部分OH－；出水COD約為19 mg/L，去除率57%左右，表明電絮凝對COD也有較好的去除效果。

系統(tǒng)調(diào)試過程中，在Na2CO3投加量為160 mg/L，pH值為11.0工況下，澄清池出水濁度、絮凝池污泥沉降比與電流密度的關(guān)系分別如圖3和圖4所示。

圖3 出水濁度去除率與電流密度的關(guān)系

圖4 電流密度與絮凝池污泥沉降比的關(guān)系

由圖3可知：當電絮凝電流密度由3.80 A/m2上升至4.87 A/m2時，出水濁度由2.57 NTU迅速降至1.21 NTU，濁度去除率由69.1%增至85.6%；當電流密度大于5.96 A/m2時，出水濁度值趨于平緩且小于1.0 NTU，濁度去除率穩(wěn)定在90%左右。

由圖4可知：絮凝池污泥沉降比隨電流密度的增加呈逐漸下降趨勢，且當電流密度為8.12 A/m2時，絮凝池污泥沉降比為26%（符合小于30%的運行規(guī)程要求）。這是由于隨著電流密度的增加，反應生成氫氧化鐵濃度增加，污泥沉降性能提升，沉降比隨之下降。該電廠二期中水預處理澄清池系統(tǒng)聚合鐵投加量為8.0 mg/L，助凝劑投加量為 0.4 mg/L，絮凝區(qū)污泥沉降比為15%~20%，明顯低于本電絮凝-高效澄清池系統(tǒng)絮凝區(qū)污泥沉降比（26%）。這是由于一方面本系統(tǒng)未投加助凝劑；另外系統(tǒng)運行初期，受限于回流污泥量不穩(wěn)定、沉降性能不佳等因素，回流污泥尚未起到強化絮凝的效果。因此，可通過連續(xù)運行改善污泥性能后緩慢提高污泥回流比，來強化絮凝沉淀效果。

為考察不同電流密度下的電流效率[16]，通過計算實際與理論鐵離子溶出速率之比，獲得電流效率，計算結(jié)果見表2。根據(jù)法拉第公式，理論鐵離子溶出速率公式為

式中：為理論鐵離子溶出速率；為一定電流下溶出鐵的質(zhì)量，mg；為通電時間，min；為通電電流，A；為鐵的摩爾質(zhì)量，55 859 mg/mol；為單個鐵原子轉(zhuǎn)移電子數(shù)，該系統(tǒng)為2；為法拉第常數(shù)，96 485 C/mol。

由表2可知：電流效率隨電流密度升高而上升；當電流密度大于5.96 A/m2時，電流效率達到90%以上，并于7.04 A/m2時電流效率達到最高，為91.06%；當電流密度為8.12 A/m2時，電流效率略有降低，這可能是由于水中高含量的氯離子在陽極放電，消耗了部分電流[16]。

表2 不同電流密度下的電流效率

Tab.2 The current efficiency at different current densities

對不同電流密度下，電絮凝反應時的能耗進行計算，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，電流密度增加，能耗隨之增大，在電流密度為5.96 A/m2和7.04 A/m2時，能耗分別為1.21 kW·h和1.55 kW·h。綜合考慮出水濁度、絮體生長情況、電流效率及能耗因素，選擇5.96 A/m2為最佳電流密度。

圖5 不同電流密度下電絮凝反應池功耗

2.2 高效澄清池運行狀況

高效澄清池進水總硬度約為21~23 mmol/L，總堿度（以CaCO3計）約為4.5~5.5 mmol/L。調(diào)試過程中，通過考察不同pH值及碳酸鈉加藥量條件下，高效澄清池出水總硬度及總堿度的變化情況，以確定最佳運行pH值和碳酸鈉加藥量。總硬度及總堿度去除率與pH值和碳酸鈉投加量的關(guān)系分別如圖6和圖7所示。

由圖6可知：在碳酸鈉加藥量為160 mg/L的工況下，當pH值小于11.0時，總堿度去除率隨pH值升高逐漸增大，這是由于OH–與水中HCO3–發(fā)生反應生成了CO32–，進而形成CaCO3沉淀，使出水堿度降低，而當pH值大于11.0時，總堿度去除率下降，出水堿度升高，說明HCO3–基本反應完全，出水有OH–殘余，pH值不宜繼續(xù)提高；當pH值為11.0~11.2時，總硬度去除率隨pH值升高逐漸增大，這是一方面由于pH值升高，有利于水中HCO3－向CO32－轉(zhuǎn)化，最終形成CaCO3沉淀，從而降低出水暫時硬度，另一方面，進水鎂硬度較高，pH值越高鎂硬去除率越大，當pH值大于11.2時，水中Mg2+以Mg(OH)2基本沉淀完全；當pH值為11.0時，總堿度去除率達到最大值66.7%，此時平均出水總堿度為1.2 mmol/L；當pH值為11.2時，總硬度去除率基本穩(wěn)定在65%左右，此時平均出水總硬度為8.8 mmol/L。因此，pH值控制在11.0~11.2時，總堿度及總硬度的去除效果均較好。

圖6 pH值與總堿度及總硬度去除率的關(guān)系

圖7 碳酸鈉加藥量與總堿度及總硬度去除率的關(guān)系

由圖7可知：在pH值控制為11.0的工況下，總堿度去除率隨碳酸鈉加藥量增大呈現(xiàn)先穩(wěn)定后迅速下降趨勢，這可能是由于當碳酸鈉加藥量大于180 mg/L時，投加的CO32－未能完全和水中Ca2+發(fā)生反應，從而使出水堿度增加，總堿度去除率下降；總硬度去除率隨碳酸鈉加藥量增加而逐漸上升，這是由于投加的CO32－濃度越高，與水中Ca2+發(fā)生沉淀反應越充分，從而降低了出水硬度；當碳酸鈉加藥量為160 mg/L時，總堿度去除率為66.7%左右，平均出水堿度為1.2 mmol/L；當碳酸鈉加藥量為180 mg/L時，總硬度去除率為60.0%左右，平均出水硬度為9.7 mmol/L。因此，綜合考慮藥劑成本及出水水質(zhì)要求，碳酸鈉最佳加藥量宜取170 mg/L。

2.3 電絮凝-高效澄清池出水對“雙膜”系統(tǒng)影響

電絮凝-高效澄清池系統(tǒng)投運45天后測量，浸沒式超濾產(chǎn)水泵入口真空度為21.3 kPa，反滲透保安過濾器進出口壓差為0.02 MPa，一段透膜壓差為0.04 MPa，二段透膜壓差為0.05 MPa，符合膜廠家技術(shù)要求，且低于同類電廠運行經(jīng)驗值。電絮凝-高效澄清池系統(tǒng)投運45天，進出水關(guān)鍵水質(zhì)指標見表3。由表3可見：出水濁度低，延長了過濾器及超濾系統(tǒng)運行周期，降低了清洗頻率；出水鐵離子質(zhì)量濃度低，且無助凝劑投加，因此基本消除了有機大分子或Fe(OH)3膠體污堵后續(xù)膜系統(tǒng)的風險。

表3 電絮凝-高效澄清池進出水水質(zhì)

Tab.3 The influent and effluent water quality of the electrocoagulation-efficient clarifying basin

2.4 電絮凝法與化學混凝法經(jīng)濟性對比分析

結(jié)合該廠實際運行工況，對電絮凝法和化學混凝法進行了經(jīng)濟性分析，結(jié)果見表4。由表4可見：對比化學混凝法，采用電絮凝法減少了石灰、絮凝劑和助凝劑加藥系統(tǒng)的投資成本，共節(jié)省約33萬元；由于氫氧化鈉藥劑成本較高，兩者的加藥成本基本持平；電絮凝裝置在電流密度為5.96 A/m2時，能耗僅為1.21 kW·h，核算用電成本約為0.006 2元/t（水），較化學混凝法低約0.004 2元/t（水）。僅考慮加藥和用電成本，電絮凝法的運行費用約為155.43萬元/a，與化學混凝法153.61萬元/a相差不大。

表4 電絮凝法與化學混凝法經(jīng)濟性對比分析

Tab.4 Economic analysis for the electrocoagulation method and the chemical coagulation method

電絮凝投資成本含電絮凝裝置、碳酸鈉和氫氧化鈉加藥系統(tǒng)；化學混 凝投資含石灰、碳酸鈉、助凝劑、絮凝劑加藥系統(tǒng)；用電成本按電價0.38元/(kW·h)進行核算。

對比化學混凝法，電絮凝法是綠色環(huán)保型水處理技術(shù)，占地面積小，無二次污染，調(diào)節(jié)反應靈敏，運行維護簡單，并且可明顯降低后續(xù)膜系統(tǒng)污堵風險，延長其清洗周期及運行壽命。此外，采用電絮凝法系統(tǒng)產(chǎn)生泥量較少，可顯著降低后續(xù)污泥處理系統(tǒng)出力，減少污泥處理系統(tǒng)投資和維護費用，從而能夠大幅降低系統(tǒng)運行的隱性成本。綜上，電絮凝法較化學混凝法具有更好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

3 結(jié) 論

1）電絮凝-高效澄清池聯(lián)合技術(shù)適用于電廠循環(huán)水排污水預處理，省去了凝聚劑和助凝劑投加環(huán)節(jié)，降低了后續(xù)膜系統(tǒng)污堵的風險。

2）電絮凝-高效澄清池聯(lián)合技術(shù)對濁度、總硬度、總堿度去除效果理想，滿足后續(xù)膜系統(tǒng)水質(zhì) 要求。

3）電絮凝-高效澄清池系統(tǒng)投運后，循環(huán)水排污水水質(zhì)得到改善，后期運行可根據(jù)進水水質(zhì)變化微調(diào)電流密度、凝聚池pH值及碳酸鈉加藥量，從而進一步提升高效澄清池出水水質(zhì)，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

4）與化學混凝法相比，電絮凝法環(huán)境效益和經(jīng)濟效益顯著。

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Application research of electrocoagulation-efficient clarifying basin combined technology in treatment of circulating water drainage

KANG Shaoxin, ZHANG Binbin, SUN Junfeng, YE Zhian

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

To alleviate the fouling of the flocculant and polymer coagulant on the membrane treatment system and strengthen the clarification and coagulation effect in treatment of the circulating water drainage, a thermal power plant in northern China adopted the electrocoagulation-efficient clarifying basin combined technology to pretreat the circulating waste water. Through the system commissioning, the changes of the effluent turbidity, total hardness and total alkalinity of the clarifier were investigated under conditions with different current densities, pH values of the pool and sodium carbonate dosages. The results show that, under condition with current density of 5.96 A/m2, pH value of 11.0, and the sodium carbonate dosage of 170 mg/L in the electroflocculation-efficient clarifying basin system, the turbidity, total hardness and total alkalinity removal rates were approximately 90%, 60% and 66%, the average effluent turbidity, total hardness and total alkalinity were 0.9 NTU, 9.7 mmol/L and 1.2 mmol/L, respectively. The effluent water quality was stable, which satisfied the requirements for subsequent membrane treatment process, and reduced the risk of fouling of the membrane system.

circulating water drainage, electrocoagulation, efficient clarifying basin, turbidity, total hardness, total alkalinity, fouling

X773

B

10.19666/j.rlfd.201809201

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2018-09-29

康少鑫(1993—)，男，碩士，主要研究方向為電廠水處理工藝設計，kangshaoxin@tpri.com.cn。

（責任編輯 楊嘉蕾）