以城市再生水為水源的電廠零排水設計

吳怡衛

(江蘇省電力設計院，南京市 211102)

0 引言

我國是一個缺水的國家，隨著國民經濟的發展，水資源短缺問題越來越突出。城市污水具有流量穩定、水量大、不需要長距離引水等特點［1-2］，經過適當處理后成為城市再生水，對其進行利用不但具有明顯的節水效應，而且具有顯著的環保效益［3］。

國電吉林龍華長春熱電一廠(簡稱長春熱電一廠)一期工程建設2臺350MW超臨界燃煤供熱機組，采用石灰石－石膏濕法煙氣脫硫系統和干除灰系統。電廠設計水源采用經過深度處理的城市再生水，再生水水質滿足GB 50335—2002《污水再生利用工程設計規范》規定的循環冷卻系統補充水水質標準。再生水樣的全分析表明，再生水的含鹽量約為400 mg/L，溶解固形物約為430 mg/L，硬度較低，總硬度約為4.10 mmol/L，暫硬約為2.40 mmol/L。

1 我國火電廠排水現狀

根據我國環保政策的要求，所有電廠都必須設置脫硫系統。在眾多的脫硫工藝中，石灰石－石膏濕法脫硫在大型火力發電機組中處于絕對壟斷的地位，由于石灰石－石膏濕法脫硫會產生脫硫廢水，實現電廠零排水的關鍵是解決脫硫廢水的出路問題。

脫硫廢水的回收再利用是一個普遍的難題，經常規的化學處理后，脫硫廢水雖然達到了排放標準，但氯離子含量極高(約20 g/L)，回收再利用的途徑非常少。對于水力除灰的電廠而言，可以考慮將脫硫廢水用于水力沖灰，但隨著環保執法力度的加大以及節水政策的要求，采用水力除灰的機組越來越少，因而將脫硫廢水用于水力除灰并沒有普遍性。對于干除灰的電廠而言，脫硫廢水一般用于干灰調濕，由于干灰綜合利用情況較好，需要調濕的干灰量很少或者根本沒有，脫硫廢水難以回收再利用，這些電廠的脫硫廢水最終不得不向外排放，因此也就無法做到真正的零排放。

基于以上分析，由于尚未有效解決脫硫廢水的出路問題，我國大多數電廠并未真正地實現廢水零排放，也就無法實現電廠零排水。

2 長春熱電一廠廢水零排放技術路線

解決電廠零排水問題，需要利用清潔生產、循環利用、環境治理等技術，具體而言就是根據各用水設備的用水品質要求，采用梯級用水的方法，提高水的重復使用率，同時降低廢水的產生量。

按照含鹽量來衡量水的品質，長春熱電一廠用水的品質由高到低依次為:處理后的生活污水(有機物含量較高)、原水、循環水、酸堿再生廢水、脫硫廢水。脫硫工藝用水的要求是最低的，可以將酸堿廢水、循環水排水等品質較差的水送至脫硫系統重復使用［4］。

2.1 鍋爐補給水處理系統用水采用循環水排水

污水處理廠來再生水的濁度較低(不大于5 NTU)，暫硬較低(約2.40 mmol/L)，考慮到一般石灰處理系統出水的暫硬為1～2 mmol/L，如再生水采用循環水補充水石灰處理系統存在著濁度和暫硬去除率低、處理設施龐大、投資運行費用高的問題。與循環水補充水相比，循環水的懸浮物、硬度、暫硬含量更高，從凈化循環水的效果來看，對循環水進行旁流石灰處理比補充水石灰處理更有效，同時處理系統規模更小。因此，長春熱電一廠循環水采用旁流石灰處理系統，設置2臺240 m3/h石灰澄清池和3臺240 m3/h變空隙濾池。正常運行時，旁流石灰處理系統的出水優先送至鍋爐補給水處理系統，多余的出水回到循環水系統，該系統也是鍋爐補給水處理的預處理系統。

敞開式循環電廠的外排水主要是循環水排水，要實現全電廠零排水必須完全重復使用循環水排水。長春熱電一廠采用循環水排水作為鍋爐補給水水源，夏季可以回收利用214 t/h排水，冬季可以回收再利用281 t/h排水，顯著降低了循環水系統排水量和全廠取水量，其他循環水排水作為脫硫工藝補充水，所有的循環水排水均得到了重復利用，循環水系統沒有任何外排水。

鍋爐補給水水源采用循環水排水可以降低循環水的濃縮倍率，減輕循環水的腐蝕性和結垢傾向，利于循環水系統的運行。長春熱電一廠設計夏季循環水濃縮倍率3.7，冬季循環水濃縮倍率僅1.6，冬季循環水運行不需要加穩定劑，運行費用顯著降低。

此外，采用循環水排水為水源，充分利用了循環水的溫度，水處理系統不需要設置反滲透進水加熱器，冬季反滲透進水不需要加熱，可以降低工程投資約150萬元，年節約運行費用約135萬元，經濟效益顯著。

2.2 一級反滲透濃水作為脫硫工藝補充水

一級反滲透濃水的含鹽量、CaCO3含量比較高，水質清澈，含有阻垢劑，并具有較高的壓力(一般不小于0.6 MPa)，該部分水直接通過管道送至脫硫系統重復使用。

2.3 脫硫制漿系統回收再利用石灰澄清池底部排漿水

石灰澄清池的底部排漿水富含CaCO3，CaCO3具有較好的細度和活性，適宜用作脫硫吸收劑［5］，將排漿水不經脫水直接送至脫硫制漿系統，不但可以降低脫硫工藝補充水，而且可以減少脫硫石灰石外購量，同時可以取消脫水系統，降低投資費用和運行費用，具有良好的經濟效益和環保效益。

2.4 處理后的生活污水經旁流石灰澄清處理后回收再利用

電廠設置2臺7.5 m3/h的地埋式生活污水處理裝置，處理后的生活污水可用于廠區綠化水系統，多余水量送至石灰處理系統處理后重復利用。

2.5 工業廢水減量化設計及廢水回收再利用

常規電廠的工業廢水包括經常性工業廢水和非經常性工業廢水，具體有:(1)經常性工業廢水，包括補給水處理系統再生排水(采用反滲透+離子交換除鹽)、超濾反洗排水、反滲透排水、凝結水精處理混床再生排水等;(2)非經常性工業廢水，包括鍋爐化學清洗、空氣預熱器沖洗水、鍋爐煙氣側沖洗排水等。要降低廢水量，需針對上述廢水采取恰當的減量化設計技術，同時將廢水回收再利用至合適的場合。

2.5.1 應用全膜水處理技術實現補給水處理系統酸堿廢水接近零排放

長春熱電一廠鍋爐補給水采用超濾+一級反滲透+二級反滲透+電除鹽技術的全膜水處理技術，系統正常運行不需要酸堿再生，不會產生酸堿廢水，屬于綠色環保的水處理工藝。系統設計將二級反滲透濃水、電除鹽濃水回收到前一級設備進水側以提高水的利用率，僅一級反滲透濃水用于脫硫系統。

該工藝的廢水主要是超濾、一級反滲透、電除鹽化學清洗廢水，由于清洗頻率較低(一般超濾2～3月1次，一級反滲透、電除鹽約半年1次)，而且清洗方式采用循環清洗，廢水量約4 t/次，總的廢水產生量很低。

2.5.2 鍋爐補給水處理超濾反洗排水和反滲透濃水回收再利用

超濾反洗排水的懸浮物及化學耗氧量(chemical oxygen demand，COD)含量較高，但含鹽量低，送至旁流石灰澄清池處理后回收再利用。如前所述，一級反滲透濃水利用自身的壓力直接送至脫硫系統重復使用。

2.5.3 凝結水精處理混床樹脂再生排水分類排放及回收再利用

將凝結水精處理混床樹脂再生過程中的樹脂分離、輸送、快速沖洗、淋洗等水質較好的水回收至循環水系統，而酸堿再生廢水單獨處理，可以降低2/3的廢水產生量，每再生1次可以降低約100 t的廢水量。處理后的酸堿廢水送至脫硫系統重復使用。

2.5.4 工業廢水作為脫硫工藝補充水

脫硫工藝補水的品質要求最低，將處理合格后的精處理再生廢水、化學清洗廢水等送至脫硫系統重復使用，可以實現節水的效果。

2.5.5 回收鍋爐化學清洗過程中的合格排水

化學清洗的工藝步驟一般是:水沖洗(包括冷態和熱態)→堿洗→堿洗后水沖洗→酸洗→酸洗后水沖洗→漂洗和鈍化［6］。清洗過程中可對沖洗、漂洗等階段的合格排水予以回收，采用該方法可以有效降低廢水量，同時降低除鹽水的用量。

受鍋爐本體材質的影響，超臨界鍋爐化學清洗常用的方案主要有檸檬酸清洗方案、乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA)清洗和復合酸清洗等方案，其中EDTA方案可以循環清洗，而且清洗后一般不需鈍化，故耗水量小，廢水量少，與檸檬酸清洗方案相比可以節省約20%的用水，因此優化選擇化學清洗方案也可以實現節水的目的。

3 采用煙道氣蒸發技術處理脫硫廢水

采用梯級用水及廢水減量化設計技術后，全廠的工業廢水最終歸結為脫硫廢水，其量約6 t/h。該廠脫硫廢水采用煙道氣蒸發處理技術，即將脫硫廢水霧化后噴入鍋爐除塵器前煙道的合適位置，利用煙氣高溫將霧化后的廢水蒸發，水蒸汽進入煙氣，固體顆粒物被除塵器去除，脫硫廢水得到徹底處理［4，7］。

該技術的難點主要是根據鍋爐的各種工況確定合適的煙道噴入點和選擇合適的霧化裝置獲得理想的霧滴粒徑，國內已有單位對該技術進行研究［7］，其中江蘇省電力設計院等單位針對此技術做了深入研究，取得多項發明專利和實用新型專利［8-9］。

4 以城市再生水為水源的全電廠零排水有關問題的討論

4.1 脫硫系統對多種補水水源的重復使用方式

常規脫硫工藝補水水質單一，將所有的補水送入工藝水箱，然后通過不同的水泵送至各個用水點。對于零排水的電廠而言，工藝補水來源比較復雜，水質差別較大，不能按照常規的工藝系統進行設計，而必須按照補水水質情況選擇合適的重復使用途徑。

長春熱電一廠脫硫系統將補水分為3類:(1)水質較好的循環水，水量最大，主要用于機械密封冷卻和除霧器沖洗;(2)一級反滲透濃水及處理合格后的工業廢水，用于除霧器沖洗;(3)固體含量較高的石灰澄清池排水，用于脫硫磨機制漿，最后進入吸收塔。

4.2 以循環水排水為水源的鍋爐補給水處理系統設計

循環水的補水為再生水，經過系統濃縮后，循環水的含鹽量、有機物、氨氮、總磷等污染物含量更高，循環水的水質更差;盡管經過石灰處理系統后硬度、總磷等明顯降低，但有機物的含量仍然很高。因此循環水作為鍋爐補給水水源，必須充分重視水處理系統的選擇與配置，尤其是針對進水高有機物含量的特點。

長春熱電一廠鍋爐補給水處理系統采用全膜水處理技術，針對進水高有機物含量的特點，超濾選擇抗有機物污染性能好的聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)超濾膜，反滲透選擇抗污染寬流道復合膜，同時為了延長反滲透膜的清洗周期，在反滲透裝置前設計了活性炭過濾器以去除部分有機物。超濾和活性炭過濾器聯用可以顯著增強系統有機物的去除能力，甚至可以高達45%左右［10］。

石灰處理系統運行中，尤其是在調試過程中會出現由于出水沉淀不完全或者濾池出水pH控制不好而在后續設備上產生二次沉淀的問題，設置活性炭過濾器的另一個重要作用是防止石灰處理系統出水在超濾反滲透上產生二次沉淀，影響系統正常運行。

由于系統進水有機物含量很高，即使采用超濾+活性炭去除，一級反滲透進水有機物的含量依然很高。與常規地表水源相比，一級反滲透膜有機物污染的可能性大大增加，反滲透膜清洗的頻率顯著增加。因此，反滲透系統的設計，尤其是一級反滲透膜元件的設計選型是系統能否長期經濟運行的關鍵，反滲透膜元件應采用寬流道(34×25.4 μm)抗污染復合膜，并具有很好的耐清洗性能。

4.3 采用再生水作為水源的循環水處理系統菌藻控制

再生水中的微生物、COD、BOD、NO3－、氨氮含量較高，而且循環水的溫度適宜，循環水系統極易滋生微生物，直接影響循環水系統以及反滲透旁流石灰處理等系統的正常運行，因此應充分重視循環水等系統的殺菌處理方案。

循環水的pH值較高，常規的加液Cl2方案和NaClO方案在高pH值的堿性循環冷卻水工況下殺菌處理效果差，不宜采用。ClO2是國際公認的高效消毒劑，具有殺菌效果好，適應pH范圍廣，副產物小的優點，同時也是一種有效的粘泥剝離劑，非常適合于以再生水為水源的高濃縮倍率下的循環水處理。長春熱電一廠選擇ClO2殺菌處理方案，同時為了防止生物產生抗藥性，設置1套非氧化性殺菌劑加藥裝置，可根據需要投加季胺鹽類、胍類殺菌劑、異噻唑啉酮等殺菌劑。同時為了防止水處理系統微生物繁殖，在超濾進水以及反洗水均設置ClO2加藥點。

4.4 零排水模式下電廠運行應注意的問題

電廠零排水能否實現，不僅僅取決于設計，還取決于運行管理，因此零排放模式對全廠的水務管理提出了更高的要求。電廠運行中應加強各排水點、水處理部門、脫硫部門的協調與管理。零排放模式下脫硫系統接收的水源比較多，水質情況差別較大，脫硫系統能否按照設計重復使用各路水源是全廠能否實現零排水的關鍵點之一。

5 結語

(1)采用城市再生水作為水源的電廠，將循環水排污水經旁流石灰處理系統處理后作為鍋爐補給水水源，同時采取廢水減量化設計技術，將處理后的工業廢水送入煙氣脫硫系統作為工藝水，一水多用，提高水的利用率，這是實現電廠零排水的有效途徑。

(2)采用煙道氣蒸發技術，可以實現脫硫廢水的徹底處理，也實現了電廠水的零排放。

(3)零排放模式對全廠水務管理提出了更高的要求，需要加強各用水部門、水處理部門、脫硫部門的協調管理。

［1］陳軍，李映川，朱志坤，等.城市中水回收再利用于工業冷卻水技術初探［J］.工業水處理，2005，25(7):13-17.

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［6］DL/T 794—2012火力發電廠鍋爐化學清洗導則［S］.北京:中國電力出版社，2012.

［7］高原，陳智勝.新型脫硫廢水零排放處理方案［J］.華電技術，2008，30(4):73-75.

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［10］馬孟，靖大為.超濾與活性炭組合工藝對有機物去除效果研究［J］.平頂山工學院學報，2008，17(11):28-30，34.