發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)達(dá)標(biāo)排放改造方案對比

解 瑞，李 偉

（華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 巢湖 238015）

0 引言

隨著環(huán)評標(biāo)準(zhǔn)越來越高，很多電力生產(chǎn)企業(yè)的循環(huán)水排放都面臨不達(dá)標(biāo)，無法繼續(xù)生產(chǎn)的嚴(yán)酷現(xiàn)實，因此對循環(huán)水排放系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其達(dá)標(biāo)排放刻不容緩。

電廠循環(huán)水排放達(dá)標(biāo)指標(biāo)主要有兩項：COD 含量和總氮含量。COD 達(dá)標(biāo)處理工藝主要有臭氧—生物活性炭工藝、臭氧催化氧化工藝、強(qiáng)化絮凝工藝3種?？偟窟_(dá)標(biāo)處理工藝主要有物理脫氮工藝、化學(xué)脫氮工藝、生物脫氮工藝3 種。以上幾種工藝其處理效果、穩(wěn)定性、投資費用、運行費用各有優(yōu)劣?，F(xiàn)對比幾種改造方案得出建議方案，在滿足循環(huán)水達(dá)標(biāo)排放的前提下，降低建設(shè)和維護(hù)成本，提高生產(chǎn)效率。

1 COD 達(dá)標(biāo)改造技術(shù)方案比較

1.1 臭氧—生物活性炭工藝

1.1.1 工藝原理與特點

臭氧—生物活性炭工藝是將臭氧氧化及活性炭吸附作用結(jié)合于一體的水處理工藝。通常采用先對水進(jìn)行臭氧化之后使用活性炭吸附，同時通過活性炭的生物降解作用，最終有效去除水中有機(jī)污染物的方案。此工藝既利用了臭氧氧化、殺菌消毒的作用，又利用了活性炭吸附及微生物降解的作用，充分發(fā)揮物化和生化作用，相互促進(jìn)，更加有效地降解及除去水中的藻類、有機(jī)物、氨氮、氰化物、部分重金屬、放射性物質(zhì)、色度、異味等，從而實現(xiàn)水質(zhì)深度凈化［1］。

投加臭氧一方面可以將有機(jī)物中大分子降解為小分子，降低進(jìn)入活性炭池中的有機(jī)負(fù)荷，加強(qiáng)活性炭吸附降解有機(jī)物；另一方面為活性炭池充氧，保證水中有足夠的溶氧，促進(jìn)活性炭好氧微生物的生長。此外活性炭可以吸附臭氧副產(chǎn)物及化合物，其表面微生物的活動可以繼續(xù)降解有機(jī)物。

臭氧—生物活性炭工藝優(yōu)缺點：1）活性炭所用原材料廣泛，價格低廉；2）該工藝對有機(jī)污染物的去除率較高，在50%以上；3）該工藝可以同時實現(xiàn)對色度、嗅味、氨氮、磷以及鐵、錳的去除；4）該工藝還可以增加活性炭的運行壽命，減少運行維護(hù)費用。

但是，生產(chǎn)臭氧的電力耗能大，臭氧發(fā)生器系統(tǒng)的設(shè)備比較復(fù)雜，需要大量貴金屬，因而造價較高；臭氧無法儲存和運輸，只能在運行現(xiàn)場生產(chǎn)。另外，活性炭設(shè)備需要定期更換新炭，活性炭的使用成本及再生炭的處理效率對臭氧—生物活性炭技術(shù)的費用影響很大。

1.1.2 處理工藝流程

臭氧—生物活性炭（O3-BAC）工藝流程如圖1所示。循環(huán)水排污水經(jīng)排污水箱緩沖、靜置后由進(jìn)水泵打入臭氧接觸氧化柱底部；臭氧接觸氧化柱采用氣、水同向上向流模式，臭氧發(fā)生器制備的臭氧也從底部支撐板的鈦板微孔布?xì)獍鍖U水進(jìn)行曝氣，并從接觸柱頂部經(jīng)臭氧催化破壞器處理后無害排放；經(jīng)臭氧氧化處理后，出水自臭氧柱上部溢流至中間水箱，中間水箱底部設(shè)有圓盤曝氣頭，用來吹脫廢水中殘留的臭氧，同時也可以降低臭氧出水的溶氧；臭氧氧化出水再經(jīng)中間水泵從底部泵入第一級生物活性炭柱并從上部清水區(qū)溢流至第二級生物活性炭柱底部并從上部出水。

1.1.3 工程應(yīng)用案例

臭氧—生物活性炭工藝在各水廠的應(yīng)用工程案例較多。廣州市南洲水廠設(shè)計供水規(guī)模100 萬m3／d，是我國最大的一家采用臭氧—生物活性炭工藝的水廠。該工藝運行后對COD 和氨氮的去除率平均分別為29%和7l%。杭州南星橋自來水廠采用此工藝對制水設(shè)備進(jìn)行技改，改造后水處理規(guī)模為10 萬m3／d。設(shè)計水處理方案分為3 個流程：污水先進(jìn)入預(yù)臭氧接觸池，流出混合段后再進(jìn)入臭氧接觸池，最后進(jìn)入生物活性炭濾池，此處理工藝對COD、氨氮及亞硝酸鹽氮的去除率分別為67.49%、75.31%及46.73%，工藝出水具有很好的化學(xué)、生物雙重穩(wěn)定性。

1.2 臭氧催化氧化工藝

1.2.1 工藝原理與特點

臭氧具有強(qiáng)氧化性，工程經(jīng)驗和試驗研究均發(fā)現(xiàn)反應(yīng)速率快的污染物會先與臭氧發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致單獨采用臭氧氧化的工藝處理后的水中會殘留大量的反應(yīng)速率較低的污染物。同時臭氧在水中會形成大自然中僅次于氟的強(qiáng)氧化劑—羥基自由基（·OH），其可以將各種有機(jī)物迅速降解為二氧化碳和水。因此采用此工藝時一定要搭配催化劑，催化劑可以促進(jìn)臭氧分解為羥基自由基，以大幅提高有機(jī)污染物的降解率。

常規(guī)臭氧氧化效率較低的問題，主要是由于水中臭氧濃度低、臭氧分解為羥基自由基較少、臭氧與污染物接觸時間較短造成的。為得到更多的更強(qiáng)氧化能力的羥基自由基，可以通過使用催化劑來改善臭氧轉(zhuǎn)化效率，增強(qiáng)臭氧氧化工藝的處理效果，使得與污水中有機(jī)物反應(yīng)速度更快，效果顯著，有機(jī)物降解更為充分徹底。

圖1 臭氧-生物活性炭工藝總體流程

試驗發(fā)現(xiàn)，在存在催化劑條件下臭氧對有機(jī)物的降解效率要比無催化劑條件下提高15%～20%，或者是在相同去除效果的情況下，臭氧催化氧化可以減少20%以上的臭氧使用量。而在無催化劑的情況下，即使增加臭氧使用量或是加長臭氧反應(yīng)時間，單獨臭氧氧化也無法達(dá)到臭氧催化氧化的處理效果［2］。

1.2.2 處理工藝流程

循環(huán)水排污水采用臭氧催化氧化工藝去除COD時，向脫氮處理后的水中加入聚鋁（PAC）進(jìn)行混凝澄清反應(yīng)，去除廢水的絕大部分膠體顆粒、大顆粒懸浮物和部分有機(jī)物后，經(jīng)過濾等進(jìn)一步截留微小的固體顆粒，防止其堵塞后續(xù)的臭氧催化劑床層；臭氧催化氧化系統(tǒng)過濾器出水在臭氧／催化劑的聯(lián)合作用下，將水中有機(jī)物去除，降低水體的COD；經(jīng)臭氧催化氧化處理的廢水進(jìn)入達(dá)標(biāo)排放水池予以外排或是處理回用。

1.2.3 工程應(yīng)用案例

目前，臭氧催化氧化工藝在食品醫(yī)藥、化工、市政污水等領(lǐng)域應(yīng)用較多，應(yīng)用于循環(huán)水排污水的工程案例較少。河南新鄉(xiāng)某化肥廠采用臭氧催化氧化工藝處理鹽水車間反滲透（RO）濃水，處理水量為350 m3／h，臭氧投加量為120～130 mg／L，其出水COD可由處理前的80～120 mg／L 降至30 mg／L 以下。開封某公司采用臭氧催化氧化工藝處理生產(chǎn)廢水，代替原有投加氧化藥劑的方式，投資1 400 萬元，直接運行費用1.3～2.1 元／m3，處理水量208 m3／h，出水COD 可由90 mg／L 降至25 mg／L，設(shè)備運行穩(wěn)定，處理效果明顯。

1.3 強(qiáng)化絮凝工藝

1.3.1 工藝原理與特點

強(qiáng)化絮凝工藝分為初級混凝及絮凝反應(yīng)兩過程：初級混凝過程是使水中的所有膠體顆粒在混凝劑的水解產(chǎn)物的作用下在同一瞬間脫穩(wěn)并凝聚的反應(yīng)過程；絮凝反應(yīng)過程則是使用高分子絮凝劑—聚丙烯酰胺（PAM）不斷吸附污水中的懸浮顆粒，使絮凝結(jié)構(gòu)逐漸增大直至最終形成沉淀［3］。

該工藝可顯著去除水中的固體懸浮顆粒、磷、有機(jī)物以及重金屬等。其投資和運行費用較少、效果顯著、調(diào)節(jié)靈活、操作維護(hù)簡便，而且對磷有很明顯的去除作用。但其出水水質(zhì)會因原水質(zhì)及水量的變化波動較大，應(yīng)根據(jù)變化調(diào)整絮凝劑的投加劑量以及根據(jù)不同廢水水質(zhì)確定藥劑種類，同時，處理后會產(chǎn)生大量污泥，需要對污泥進(jìn)一步脫水處理。

1.3.2 處理工藝流程

強(qiáng)化絮凝工藝的實際應(yīng)用如圖2 所示，首先將凝聚劑與助凝劑一同加入混合池中與排污水進(jìn)行混合，再將混合后的污水再通入反應(yīng)池充分反應(yīng)，之后再依次通過沉淀池及濾池將污泥過濾掉，生成可以回用的循環(huán)水。產(chǎn)生的含有污泥的廢水經(jīng)過污泥脫水機(jī)進(jìn)行脫水，得到的干污泥通過車輛運出。

圖2 強(qiáng)化絮凝工藝流程

1.4 工藝方案對比

3 種氧化工藝的對比如表1 所示。

從表1 可以看出，臭氧—生物活性炭工藝與臭氧催化氧化工藝均具有制水效果穩(wěn)定、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、對后續(xù)產(chǎn)水回收無影響等優(yōu)點，但是臭氧催化氧化工程造價較高，且后期需要定期更換催化劑，資金成本較高，因此推薦臭氧—生物活性炭處工藝。

1.5 臭氧氧源的選擇

臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，對有機(jī)物具有很強(qiáng)的去除作用，用其處理廢水具有高效、無二次污染、應(yīng)用方便等特點。在臭氧的應(yīng)用中，原料氣的選取對臭氧系統(tǒng)運行方式、處理效果以及其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能都有重要的影響。由于產(chǎn)生臭氧的原料是氧氣，因此一般臭氧發(fā)生器采用潔凈的空氣或者純氧氣為氣源，而氣體中氧的含量、氣體流量、氣體露點以及氣體中的雜質(zhì)等因素都會直接影響設(shè)備的臭氧產(chǎn)量和運行的經(jīng)濟(jì)性能。因此，對原料氣的性質(zhì)進(jìn)行分析，對合理、經(jīng)濟(jì)地使用臭氧發(fā)生器是十分必要的。

氣源中氧氣含量越高，產(chǎn)生的臭氧濃度就會越高，相應(yīng)的臭氧產(chǎn)量就越高?？諝庵醒鯕怏w積分?jǐn)?shù)約占到21%，采用純氧氣為氣源所產(chǎn)生的臭氧產(chǎn)量理論上是空氣源產(chǎn)生臭氧產(chǎn)量的2.18 倍。而使用空氣為氣源的臭氧發(fā)生器系統(tǒng)，原料來源于大氣，沒有氣源成本費用，但需要準(zhǔn)備一套供應(yīng)干燥潔凈氣體的裝置，該套裝置主要包含空氣壓縮機(jī)、空氣冷凝器、變壓吸附干燥器、精密過濾器以及電子控制裝置等設(shè)備。因此，使用空氣為氣源需要較大的前期投入，一般情況下空氣處理系統(tǒng)的前期投入費用為臭氧發(fā)生器的60%～120%。在使用空氣氣源時，空氣處理系統(tǒng)的運行費用主要為電耗，每產(chǎn)生1 m3潔凈空氣電耗約為1～1.5 kWh，相同條件下其臭氧產(chǎn)量僅為以氧氣為氣源時臭氧產(chǎn)量的50%以下。另外純氧易燃特性決定在運輸儲存過程中安全風(fēng)險加大。綜合購氣費用、前期投入費用、電耗費用及安全性，臭氧發(fā)生器使用空氣為氣源經(jīng)濟(jì)性和安全性更高。

表1 氧化工藝方案對比

2 總氮達(dá)標(biāo)處理技術(shù)方案比較

脫氮處理的重點在于去除硝態(tài)氮。目前，針對污水中的硝酸鹽氮的治理技術(shù)主要有物理脫氮、化學(xué)脫氮和生物脫氮等。

2.1 物理脫氮工藝方案

離子交換法是物理脫氮工藝中最常見的去除硝酸鹽氮的工藝。其原理是用強(qiáng)堿性樹脂床使污水中的硝酸根、氯離子或重碳酸根與樹脂中的氯離子發(fā)生交換。使用過的樹脂也不必浪費還可以使用重碳酸鈉或氯化鈉濃溶液再生。

離子交換法由于其簡單、高效、可再生及低成本等特點，廣泛應(yīng)用于水處理行業(yè)。其缺陷在于樹脂再生時產(chǎn)生高濃度的硝酸鹽、硫酸鹽等廢水，后續(xù)處理困難。

2.2 化學(xué)脫氮工藝方案

金屬還原法先利用金屬物質(zhì)將污水中的硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，再使用酰胺類物質(zhì)與亞硝酸鹽反應(yīng)生成氨氣。目前研究較多的還原劑有金屬鐵、二價鐵及金屬鋁等。

以鐵為代表的活潑金屬還原法的特點是鐵的來源廣泛、價格低廉，反應(yīng)速度較快，但此工藝也有一個不可避免的缺點是產(chǎn)生大量的鐵泥及氨氮化合物，必須通過后續(xù)處理降低二次污染。

采用價格稍高的金屬鋅將污水中的硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，再使用氨基磺酸與其反應(yīng)生成氮氣，可直接排放入大氣，對環(huán)境無二次污染，其優(yōu)點是反應(yīng)速度快、操作簡便、運行維護(hù)成本低，氮的去除率達(dá)到96%以上，還原產(chǎn)物中僅有少量氨氮生成。

2.3 生物脫氮工藝方案

2.3.1 A-A-O 生物脫氮方案

A-A-O 生物脫氮工藝，是通過厭氧、缺氧、好氧3 種不同工藝段的處理，使其達(dá)到脫氮及除磷的目的。此工藝在首段設(shè)置用于釋放磷的厭氧池，將污水及回流的含磷污泥流入，利用微生物細(xì)胞對有機(jī)物的吸收作用降低污水中的生化需氧量（BOD5）濃度，但其脫氮效果受回流比影響。第2 段則設(shè)計為缺氧池，使反硝化菌將污水中的大量NO2-N 及NO3-N 還原為N2，去除氮氧化物。第3 段經(jīng)過好氧池，利用微生物降解有機(jī)物，大幅降低NH3-N 濃度而升高了NO3-N 濃度，另外在聚磷菌的作用下，磷含量也迅速下降。

此工藝生產(chǎn)廢水的有機(jī)物含量低，可生化性較差，反硝化細(xì)菌無法培養(yǎng)，活性污泥生物絮體無法形成，因此采用該工藝時需及時補(bǔ)加碳源。同時，該工藝對運行管理要求較高、操作較為復(fù)雜，需要非常專業(yè)的運行人員操作，而且基建和運行費用均較高［4］。

2.3.2 曝氣生物濾池方案

針對硝酸鹽氮這類組分的去除，一般需由生物的反硝化和硝化機(jī)制去除。曝氣生物濾池工藝處理過程是先將流過池體底部配水區(qū)的污水向下通過礫石承托層，再流入含有有機(jī)或無機(jī)濾料的池底曝氣生物濾池，起主要作用的是濾料，一方面濾料能夠過濾污水中的懸浮顆粒，另一方面濾料生長的生物膜可以有效吸附、降解污水中的有機(jī)物。

2.3.3 曝氣生物流化床方案

曝氣生物流化床（ABFT）工藝是采用高分子填料作為微生物附著床，投加廣譜性優(yōu)勢菌種，鼓風(fēng)曝氣提供載體流態(tài)化動力，大量微生物附著在生物載體上。而載體內(nèi)外均附著大量生物膜及活性污泥菌膠團(tuán)在水中呈懸浮狀態(tài)，保證曝氣生物流化床能夠高效穩(wěn)定地去除污染物，并且反應(yīng)過程中無數(shù)個微生物載體形成無數(shù)個微型的氨氧化、硝化、反硝化聯(lián)合過程，既保證了氨氮和有機(jī)物的高效去除，又確保了總氮的有效脫除［5］。

采用曝氣生物流化床工藝既可維持生物的多樣性，填充的生物載體又可實現(xiàn)微生物的固定，使其去除污染物的效果更好、降解廢水基質(zhì)的速度更快、生化池內(nèi)污水的停留時間更短，不僅有效降低污水中有機(jī)物等污染指標(biāo)，還強(qiáng)化了生化系統(tǒng)的脫氮功能。其運行機(jī)理雖復(fù)雜，但運行操作簡便，同時，污泥產(chǎn)量極少，對環(huán)境不會帶來二次污染。

2.4 脫氮工藝方案對比

對幾種脫氮工藝對比如表2 所示。從表2 可以看出，與單純物化工藝相比，生化工藝存在著處理費用低、總氮去除效果更佳的突出優(yōu)點，同時生化反應(yīng)還能夠協(xié)調(diào)去除部分COD，降低后續(xù)工藝的處理負(fù)荷。ABFT 處理工藝具有運行管理方便、適于可生化性較低、C／N 比較低的污水脫氮，且運行穩(wěn)定性好、幾乎沒有污泥產(chǎn)生等突出優(yōu)點。因此，推薦ABFT 處理工藝方案作為主要脫氮工藝。

3 結(jié)語

循環(huán)水排污水達(dá)標(biāo)排放處理工藝最優(yōu)為：循環(huán)水排污水進(jìn)入均質(zhì)調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)廢水水質(zhì)、水量，均質(zhì)混合后進(jìn)入ABFT 處理單元，脫除水體中總氮。該工藝在一定程度上能夠去除部分COD，初步降低廢水COD，減小后續(xù)臭氧—生物活性炭單元的處理負(fù)荷以及水質(zhì)波動對后續(xù)處理單元的沖擊，降低后續(xù)處理成本。在混凝澄清池中加入FeCl3以去除ABFT 出水中的絕大部分膠體顆粒、大顆粒懸浮物和部分有機(jī)物，并通過砂濾進(jìn)一步截留微小的固體顆粒，防止其堵塞后續(xù)的臭氧—生物活性炭床層，保證臭氧—生物活性炭工藝單元的良好運行。過濾器出水在臭氧—生物活性炭的聯(lián)合作用下，將水中有機(jī)物去除，降低水體的COD，使其達(dá)到排放要求。經(jīng)臭氧—生物活性炭處理的廢水達(dá)標(biāo)排放或處理回用，產(chǎn)生的污泥送至系統(tǒng)的污泥池統(tǒng)一處理。

表2 幾種脫氮工藝方案對比