某新型含煤廢水處理系統在火電廠的應用分析

曹雪松，徐享南，楊寶森

(華能國際電力股份有限公司大連電廠，遼寧 大連 116113)

1 含煤廢水傳統處理工藝及問題

1.1 含煤廢水處理概述

我國發電量構成中，火電占70%以上，火力發電仍然是主力軍。火力發電廠在日常生產中，輸煤系統工作時會產生大量揚塵，同時在輸煤系統各處產生煤粉堆積。為了消除自燃等安全隱患，保持輸煤系統良好的工作環境，火電廠一般采用不同種類的除塵器定期對煤倉間、轉運站、碎煤機室等部位進行清掃吹灰，對輸煤棧橋等部位進行水沖洗，沖洗排水與煤場及翻車機區域雨水沖刷、煤場降塵水匯集形成含煤廢水，日常廢水量約為30 m3/h，雨季可達到50 m3/h。由于含煤廢水是水沖洗煤粉堆積地形成的，所以，其雜質主要包括不溶于水的小鐵器、小石塊、煤粉顆粒及一些浮游物等組成的固態雜質，以及有機高分子、菌、藻類以及 Mg(OH)2(特別是膠體形態)等組成的其他狀態雜質。

隨著我國水資源日趨緊缺和環境保護要求的提高，對電廠環境指標的要求也越來越嚴格。這就要求必須通過技術創新，尋求新方法、探索新技術，提高含煤廢水的重復利用率，最終實現電廠末端廢水經處理全部回收利用。因此，結合現代化技術手段，采取多種處理方法，實現水煤分離、水質凈化、水源重復利用、節能減排，提高企業經濟效益是火電廠燃料系統技術創新的重要工作。

1.2 傳統處理工藝

我國傳統的含煤廢水處理工藝[1-4]不僅技術落后，而且潛在風險極大，極大地加快了附屬設備的磨損速度，即使有機械化設備也僅僅局限于半自動化，處理手段和處理效率遠不能達到現階段的生產需求，這些都嚴重制約著火電廠燃料系統的發展。國內現階段也對該問題進行了不同程度的研究[5-7]，但都存在原料所需量過大，處理后水質所含化學成分太多，達不到回收利用標準的問題。

根據調查，在國內大多數火電廠的最初設計中，輸煤系統的粉塵處理都是采用負壓吸塵器進行除塵，但由于人員安排、除塵設備效率低等問題，現階段大多數火電廠均采用水沖洗的辦法來對棧橋進行除塵。對于含煤廢水處理的初設計是采用地溝、增壓泵等將棧橋各處的含煤廢水進行匯總，經初步沉淀后分兩步進行利用或處理，一部分經過第2步靜置后，用于煤場降塵用的煤場噴水，另一部分進入化學制水班進行再處理后回收或排放。其處理流程如圖1所示。

圖1 傳統含煤廢水處理流程

1.3 實際運行中發現的問題

(1)含煤廢水中的粉塵顆粒物較輕，密度又與水相近，不易依靠重力沉淀。該工藝只能除去密度較大的雜質，對廢水中的浮游顆粒及色素很難進行處理。該工藝處理后，含煤廢水色素未有明顯變化，絮狀物及其他懸浮物質量濃度仍在2 000～2 400 mg/L。無論二次利用還是再處理后排放都不能達到相應標準。

(2)經過初沉池后進入化學制水班的部分。由于近年來煤質較差，棧橋沖洗頻繁，含煤廢水的生產量越來越大，同時含煤廢水的懸浮物濃度越來越高，增加了化學班的運行成本和處理工藝，化學班已無力支撐如此多的廢水處理，現已關閉廢水通道，要求將含煤廢水直接排至煤場。

(3)進入煤場邊水井中的部分。由于含煤廢水的懸浮物濃度越來越高且不易進行物理沉淀，所以水質極差，現廢水中的高濃度懸浮物已使增壓泵、噴射水槍有不同程度地結垢堵塞，同時一些小沙粒、小石子的存在致使增壓泵磨損嚴重，嚴重影響了煤場噴水系統的正常運行，帶來了貯煤場自燃的隱患。

2 新投入的含煤廢水處理系統

2.1 含煤廢水處理系統的原理

新投入的含煤廢水處理系統由煤水沉淀池、煤水提升泵、電子絮凝器、離心澄清反應器、中間水池、中間水泵、多介質過濾器等組成。該系統由可編程邏輯控制器(PLC)控制，從廢水進入系統到可回收利用清水的整個過程連續自動運行(如圖2所示)。

圖2 含煤廢水處理系統流程

2.2 工藝流程說明

含煤廢水經過第1步沉淀后進入煤水初沉池，在煤水初沉池中靜置進行第2步沉淀，沉淀后可清除大部分大顆粒雜質，之后再經過2臺煤水提升泵(一用一備)加壓進入電子絮凝器。

電子絮凝反應原理：以特殊電極板通特低壓直流電后產生電場，細小帶電顆粒、膠體、大分子的蛋白質、病毒粒子、細胞等在電場的作用下定向運動，碰撞、壓縮雙電子層脫穩，導致雙電層壓縮脫穩、絮凝，形成的絮體可以吸附細小的膠體等物質形成大顆粒加速沉淀。

經過電子絮凝器后進入離心沉淀器進行固液分離，離心沉淀器采用水力學中的離心原理，水流沿切線方向進入反應器，做螺旋運動。在聚苯乙烯泡沫(EPS)顆粒攔截和離心力的共同作用下，經電子絮凝器及離心沉淀器處理后的無極性顆粒被附著在分離器壁上，分離出的顆粒在重力作用下最后聚積在下方的容器里，通過PLC控制電動閥定時將淤泥排出。經離心分離后的水從反應器的上端溢流到中間水池。定時啟動攪拌機，清除吸附在EPS顆粒上的淤泥，使之沉淀。經過電子絮凝器和離心沉淀器可清除細小帶電顆粒、膠體、大分子的蛋白質等物質。

中間池經過中間水泵加壓后進入過濾器組。為了進一步保障出水水質，在“電子絮凝器+離心沉淀器”后面設置過濾器，通過濾料截留懸浮物，以達到凈水的目的。當截留到飽和程度后，通過壓差或時間控制反洗來凈化濾料，保證其截留能力。經過過濾器組后，可清除98%以上的懸浮物。經過過濾器組的含煤廢水已經達到重復利用標準，直接進入蓄水池(清水池)，達到再利用標準的清水用清水泵送至煤場噴水或輸煤棧橋沖洗水系統往復利用。

整個系統開啟自動運行之后，排污閥先自動打開排污，延時2 min關閉，原水泵中間水泵高液位啟動，低液位停止；原水泵自動啟動10 s后電子絮凝器正向開啟運行，10 min后變反相運行，電子絮凝器正負極互換運行；電動閥依據系統運行時間自動排污；過濾器、電子絮凝器依據時間、壓差、濁度自動反沖洗。反洗順序：先反洗#1過濾器90 s，延時2 s再反洗#2過濾器。依次反洗完5個過濾器，再沖洗電子絮凝器，電子絮凝器沖洗時會自動停止原水泵運行，反洗完成后，原水泵再依據原水池高液位啟動運行(以上所有運行時間、參數均可調)。整個系統的監控流程圖如圖3所示。

2.3 本套處理系統的技術優勢

2.3.1 減少了助凝劑的消耗

經過調查，在舊版的含煤廢水處理裝置中，要利用助凝劑與絮凝劑進行絮凝，不同的煤質要求有不同的絮凝劑與水的比例，人為配置工作繁雜，同時絮凝劑與煤水處理效果關聯甚密，要提高處理效率，所需藥品數量較大，但電子絮凝方法(電子絮凝器如圖4所示)采用單一操作即可沉淀去除大量污染物，此技術具有顯著的環境和經濟優勢，初期投入及運行成本都大大低于化學絮凝法。絕大多數化學絮凝法固有的缺陷是：這是一個添加附加化學藥劑來改變廢水中溶解態和懸浮狀污染物的物理狀況，從而促進對這些物質的分離和去除的過程，添加化學劑不僅增加費用，同時也增加了處理后水中溶解狀物質的含量，而且將產生極大量的淤泥狀沉淀物(電子絮凝法所生成的沉淀物僅為化學法的0.5%)。因此，用戶需要對這些沉淀物進行進一步處理，也增加了此方法的成本。

圖3 含煤廢水處理系統流程(截屏)

圖4 電子絮凝器

相對于化學絮凝法和普通沉淀法，電子絮凝器可以實現更多的功能，其產物相對較少。污水在經過電子絮凝系統時會發生獨特的電子化學過程，包括：電荷凝聚作用——極板通電后會產生電荷，電荷吸引周圍的小顆粒，打破物質原先的穩定狀態，并通過改變顆粒的極性使小顆粒互相黏合形成新的大顆粒從而易于沉淀；破乳化作用——電流將H2O分解為氫氧離子，這些氫氧離子與溶解狀態乳化油、油泥、染料等分子中的氫氧離子結合形成水分子，同時將油、油泥、染料等置換出來形成非溶解狀態物質，并沉淀；形成鹵素絡合物——極板在通電后同時會產生金屬離子，這些金屬離子與污水中的氯化碳氫化合物中的氯離子結合形成易于沉淀的絡合物，去除的污染物包括殺蟲劑、除草劑、化多氯化聯二苯(PCB)等；漂白——極板周圍產生的氧離子還具有漂白作用，游離氧離子與有機色素發生反應，從而起到漂白作用；電子泛流——水中存在的大量電子流消除了水合物的極性，使膠體物質游離并沉淀，同時電荷量的提高會形成滲透壓而殺死細菌、胞囊病毒等。

2.3.2 過濾器組的利用極大提高了過濾效果

經過調查，以前的含煤廢水處理系統只采用1個過濾器進行過濾，過濾效率低、效果差，而且未考慮1個過濾器發生故障時的情況。該電廠采用5個過濾器為1組的過濾器組(如圖5所示)，不僅提高了過濾效率，改善了過濾效果，同時為過濾器的反洗提供了便利：當過濾器反洗時，用4個過濾器反洗另一個，依次進行。最主要的是，5個過濾器都可以單個運行，大大提高了安全系數，充分考慮了各種意外情況。

圖5 多介質過濾器組

3 運行中出現的問題及解決辦法

雖然這套新設備涵蓋了很多新科技，也與舊設備充分連接，但實際運行中依然出現了一些問題。

3.1 電子絮凝器過濾效果不佳，處理后水質濁度高，達不到要求

在運行初期，經過1天的調試，發現出水濁度太大，排入凈水池的水質達不到要求，主要是清水池中含有大量顆粒粒徑在0～200 nm的膠體物質沒有絮凝被過濾，造成水質渾濁，懸浮物(SS)質量濃度≥1 800 mg/L。經過認真排查，發現電子絮凝器絮凝不充分，導致處理后的水質有膠狀物、絮狀物存在，達不到重復利用的水質要求。查閱相關資料[8-9]發現：電子絮凝過程中極板溶出、絮凝和氣浮作用的動力來源于電流，通常電流密度大、電子絮凝效率就高。但有試驗[10]指出：采用電子絮凝法處理廢水中的總磷(TP)，原水TP為2.5～3.5 mg/L，電流密度分別為10，20 A/m2時，出水TP分別為0.98，1.76 mg/L；而當電流密度提高到40 A/m2時，出水TP則大幅降低到0.06 mg/L，電流密度提高到100 A/m2時，出水TP 不能檢出。然而，電流密度過大易引起電極過度極化，加速電極鈍化和增加槽壓，引起更多的副反應：陽極產生過多的金屬陽離子，影響絮凝劑的生成；陰極析氫過多，干擾和削弱絮凝作用。所以，該電廠采用以5 A為梯度調整電流檢測出水濁度的辦法，最終發現當電流調至65 A時，處理效果最佳(見表1)。于是將電子絮凝器的電流設定在65 A，該問題得到解決。

表1 電子絮凝器對含煤廢水處理結果的影響試驗

3.2 廢水管道存在流進清水池的情況

在新設備建好后，電廠的含煤廢水處理效率明顯提高，但由于新設備直接連接在舊管道上，舊廢水管道從污水池直接導向清水池中，而閥門老化導致密閉情況不是特別好，會存在污水通過縫隙直接導入清水池中的情況，致使清水池中水質惡化，達不到重復使用要求。該電廠經過技術分析、資金比對后，決定對現有排污管道進行改造，將原本從污水池流向清水池的管道進行截斷，既解決了污水進入清水池的問題，又為廠里節約了一段管道，可以進行廢物再利用。改造后，清水池水質情況良好，污水進入清水池的問題得到徹底解決，大大節省了人力和水資源。

經過一系列設備改造，含煤廢水處理系統現已基本穩定運行，對輸煤系統粉塵治理和煤水系統節能減排起到了關鍵作用。經過一段時間的觀察和采樣分析，該套系統處理效果良好，處理后水質參數見表2。

表2 含煤廢水處理系統處理結果檢測

對檢測結果進行分析發現：

(1)電子絮凝器未調節之前，廢水處理效果不佳，雜質主要為膠狀物、絮狀物，SS含量較高。經過1周的緊急排查，發現為電子絮凝器的電流設置問題，經過試驗將電流調至合適檔位后，SS含量明顯下降。

(2)由于檢測時間不同，含煤廢水處理系統反洗時間不同，SS含量和濁度仍會出現小偏差，但整體上仍保持SS含量在30 mg以下,證明該套設備處理能力良好，水質恢復充分，完全滿足輸煤棧橋現場沖地水和煤場降塵用水標準要求，每年可節約原水20萬t，達到了節能減排和提高經濟效益的目的。

(3)雖然該套設備處理效果良好，但SS含量仍在20～30 mg之間，未達到國家一級標準，該套設備仍有很多需要改進的方面，在后續的實際運行過程中，仍需不斷思考，積極改進。

4 含煤廢水處理系統優化建議

4.1 控制系統中增加報警程序

在實際運行工作中發現，整套系統雖然可以實現自動化運行，但缺少報警程序，在剛開始的調試工作中，因為中間水泵的故障險些造成清水泵損傷。作者建議在控制系統中增加報警程序(可設置聲音報警和彈窗提示)，同時增加發生故障時自動停止運行功能。因為在輸煤程控室不能一直關注含煤廢水處理系統，增加該功能后可大大降低值班員的工作強度，同時大幅提高安全系數。

4.2 改造舊的煤水提升泵，并集成在含煤廢水處理控制系統中

因為該套含煤廢水裝置是在利用并改造舊設備的基礎上實現的，所以有一些舊設備未集成在控制系統中，例如目前含煤廢水是先匯集在廢水池中，由運行人員判斷廢水池的水位，并手動打開煤水提升泵，經初步沉淀的廢水送至初沉池。作者建議將此處的煤水提升泵自動程序恢復，并集成在控制系統中，既方便運行人員操作，節省了人力物力，同時提高了工作效率。

4.3 調整中間水泵與原水泵的出力

對該套含煤廢水處理系統在不同工況下的處理情況調查后發現，系統內的原水泵與中間水泵出力能力不同，中間池儲水能力較弱，中間泵出力卻較大，原水池儲水較多，原水泵出力卻較小。雖然現在不影響設備運行，但為了提高廢水處理效率，作者建議調整2臺泵的出力，使原水泵出力大于中間水泵出力，同時將原水泵啟動條件調整至中間池水位1.6 m，中間泵啟動條件調至清水池水位3.5 m及中間池水位4.0 m，中間泵停止條件調至清水池水位3.5 m及中間池水位1.8 m。調整后當清水池水位低于3.5 m時，中間泵啟動，當中間泵從4.0 m降至1.8 m時，原水泵啟動。因為原水泵出力大于中間水泵，所以在2臺泵同時工作時，中間池水位處于上升狀態，當升至4.0 m時，原水泵停止。這樣可以一直保證清水池處于補水狀態，不至于發生噴水時停噴補水的情況。

5 結論

(1)該套含煤廢水處理系統用于火力發電站含煤廢水處理效果良好，處理能力可達50 m3/h，水源回收利用效率高，設備運行安全、穩定，操作簡便，無藥品等消耗性原料，濾料使用壽命長，運行成本低，利于電廠提質增效、節能減排，減少了煤場噴水泵的維修費用，同時減少了助凝劑的消耗，具有顯著的經濟效益，與傳統或舊的處理工藝相比有明顯的技術優勢。

(2)該套系統雖然提高了經濟效益，但實際運行工作中仍略有不足，在初步的調試過程中，該電廠已自行研究解決了一些簡單問題，提高了工作效率，改善了處理效果。

(3)該套設備在投入初期已實現了基本目標，但出于提高處理效果和加強安全性方面考慮，本文提出的優化方案可提高實際運行中的安全系數，增強持續工作的能力，進一步改善處理效果，實現全自動化無人值守的目標。