火電廠水處理工藝有機物脫除特性研究

安徽華電蕪湖發電有限公司 付 琳 宋同輝 華電電力科學研究院有限公司 尤良洲

隨著城市化與工業化進展進一步加快，各大水系、流域均出現不同程度的污染，其中Ⅱ、Ⅲ類水源占比較大，亦可稱之為微污染水源。造成水源微污染的主要是一些難降解、難處理的有機物。有機物的種類繁多，不能通過檢測手段快速精確分析，為了能夠實現對有機物的快速分析，通過檢測總有機碳含量（TOC）來表征水體中有機物的含量。

為深入火電廠水處理工藝設備對有機物脫除特性研究，通過查詢各類文獻結合實際工程案例的方式，分析有機物脫除的難點，研究水處理工藝單體設備對有機物的脫除效率、不同工藝設備組合協同脫除特性，發現有機物脫除主要依靠反滲透及陰床，有機物的脫除率最高，脫除效率均超過50%。澄清池、無閥濾池、活性炭過濾器和砂濾器等預處理設施除濁的同時能夠實現對有機物的初步脫除，脫除率在8%～22%之間，超濾和混床脫除有機物的能力較差。火電廠水處理系統在選擇工藝路線時，需要根據水質條件和處理要求選擇合適的工藝路線組合，以避免水體中有機物的干擾。

越來越多的研究發現，有機物的大量涌入，不僅將造成反滲透保安過濾器頻繁堵塞、更換，同時也引起熱力系統水汽氫電導偏高。熱力系統水汽氫電導偏高往往伴隨著熱力系統管道腐蝕，甚至發生汽輪機葉片斷裂的情況，影響機組安全運行。隨著高參數大容量發電機組不斷普及，對熱力系統汽水品質提出了更高的要求，《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》（GB/T 12145）、《燃氣-蒸汽聯合循環發電廠化學監督技術導則》（DL/T1717）都將TOC 含量作為水汽控制指標的一個重要參數。因此，研究水體中有機物的脫除難點和火電廠水處理工藝對有機物的脫除效率，選擇具有針對性的工藝組合對水體中的有機物含量進行脫除十分必要。

1 有機物的脫除難點

1.1 有機物的種類繁多

水體中的有機物可以分為兩類：一類為天然有機物，包括動植物、微生物，以及其分泌物、排泄物、腐爛降解物等；另一類為人工合成有機物，有機溶劑、農藥、洗滌劑等。水體中可檢測出的有機物主要以人工合成類有機物為主，其主要來源為工業廢水外排及農業排水，在水體環境中將持續的殘余并在生物體內富集。按不同的分類方法，將有機物可分為小分子碳水化合物、氨基酸、胡敏酸類（芳香烴、脂肪烴類）等。按水中形態來分，可分為親水酸基類、親水堿基類、中性類、疏水酸基類及疏水堿基類。

有研究發現，自然水體中TOC 的含量一般穩定，但TOC 含量、種類呈現非常明顯的區域性、季節性差異。以長江水（蕪湖段和江陰段）為例，不同區域的長江水有機物的種類有較大的差別，除了苯胺等有機物之外，酚類、多環芳烴類、醚類和脂類等均有較大差異；黃河流域則以烷基苯類、多環芳烴類、氯代烴類為主；三峽庫區是以領苯二甲酸類、多環芳烴類為主。

1.2 溶解形態有機物難脫除

溶解形態的有機物是指能夠通過0.45μm 孔徑的過濾膜，并溶解在水中的微小顆粒。傳統工藝對于溶解形態的有機物脫除效果有限，徐婷等人[1]采用微絮凝過濾方式對水中有機物進行脫除，其結果與經0.45μm 過濾膜過濾的水樣對比發現，兩者處理效果相當，微絮凝過濾方式對溶解形態的有機物幾乎無脫除效果。一般工藝對相對分子量小于10000的有機物只能部分去除，相對于分子量小于1000的有機物基本無法去除，甚至會有所增加。由此可見，常規工藝難以脫除分子量低的溶解形態有機物。

1.3 有機物結構復雜

同一分子式的有機物有多種同分異構體，同分異構現象的存在是有機物種類繁多的重要原因。另外，碳碳之間可通過單鍵、雙鍵、三鍵形成鏈狀和環狀結構，所形成的環可是單環也可是多環、環可大可小，支鏈可長可短、可多可少等，也是有機化合物種類繁多的原因之一。

1.4 有機物含量差異大、波動大

火電廠原水中的有機物含量與水源類型、地理環境、季節變化、廢水排放、潮汐漲落、取水位置及水源流量等因素都有一定的關系。李靈芝等[2]分別對不同城市的河水、江水及湖水中的有機物進行測定，發現江水中有機物含量最高，湖水和河水次之。跟蹤取樣分析贛江南昌段水溶解有機物含量，發現溶解性有機物在3～8月含量最高，是冬季期間的兩倍，與流域降雨攜帶污染有關、與降雨量正相關，主要以溶解性的有機物為主。三亞河水體中的有機含量季節性突高與三亞旅游旺季期間廢水排放有一定關系，在11月份至3月份之間水體的BOD 逐漸增大，懸浮物含量及高錳酸鉀指數也在旅游高峰期之間達到的頂峰。

2 水處理工藝脫除有機物特性分析

2.1 混凝澄清工藝

火電廠水處理工藝中通常設有預處理設備，主要作用是脫除水中的懸浮顆粒，為后續設備減少壓力，常用的設備有機械加速澄清池、絮凝沉淀池等。通過混凝劑、絮凝劑將細小顆粒、膠體凝聚變大，團聚后通過自身重力沉淀后脫除。團聚過程中對水體中有機物具有協同脫除的作用，但協同脫除對不同形態的有機物（懸浮態、膠態及溶解態）的脫除效率有很大的差別，多數研究認為，混凝對懸浮態、膠態有機物的脫除效率很高，對溶解態有機物的脫除效率不高，造成混凝工藝對總有機物的脫除效率整體偏低。

為了提高混凝工藝對水體中溶解態的有機物出去效率，有研究人員研發復合混凝劑PAM-GSHPAFS，強化了混凝劑吸附架橋和網捕作用，試驗表明當PAM-GSH-PAFS 加藥量為5.76mg/L，溶解態有機物的脫除率高達82.4%。譚強等[3]按一定配方制備了聚硅酸鋁鐵（PSAF）混凝劑，能夠將低溫低濁高有機物的原水中的低分子量有機物（腐殖酸）高效去除。李勐卓等[4]研究了鐵鹽-鋁鹽混凝劑混合使用效果，發現聯合使用對溶解性有機物的脫除要超過單獨使用的水平，并且殘留鋁含量同時降低。

除了通過研究新型復合混凝劑提高混凝工藝脫除有機物之外，不少研究發現通過調整堿度的方式強化混凝，同樣可提高效果。將pH 調整至弱酸性（6.5±0.2）能夠有效提高混凝對有機物脫除。但調整pH 的方式不適用火電廠原水預處理系統，調整后pH 過低不利于后續設備處理，增加了水中酸根離子濃度。現階段提高混凝工藝脫除有機物仍是從選用新型或復合型混凝劑方面入手，調整混凝劑投加量不宜過多，投加量過多反而增加出水有機物含量，堵塞過濾系統。預處理系統應具有水質預警、自動調整加藥及處理流量調整功能，以應對季節性突然造成的水質濁度、有機物突升。

2.2 吸附過濾

為保證沉淀池出水水質穩定，過濾工藝通常采用多介質過濾器（石英砂、錳砂等）或活性炭過濾器，其中活性炭因其具有高度發達的孔隙結構，能大量吸附水體中的細微雜質，從而達到廣泛的應用。活性炭主要通過范德華力的作用吸附有機物，吸附量因有機物含碳量、分子量大小及溶解度不同而不同。當有機物的尺寸過大則不能被吸附，當有機物的尺寸與活性炭的孔徑相當時，將有可能“堵塞”活性炭活性孔徑。單一活性炭或多介質裝置對有機物去除有限，大約在19.0～25.0%。活性炭過濾器投運之初有機物的脫除效率較高，但隨著運行時間的增加吸附容量減少、吸附能力降低，首先將泄漏帶有親水基的有機物，隨后泄漏帶有憎水基的大分子有機物，過濾器失效將有可能釋放有機物。

為提升有機物的脫除率，部分水處理工藝采用臭氧/生物活性炭工藝，可將有機物的脫除率提升至32.6～43.9%。通過粉末活性炭調制成5%-10%的碳漿液，能夠實現原水中90%的因季節性藻類引起的臭味。通過以粉末活性炭（PAC）－平板陶瓷膜聯用工藝為研究對象，發現PAC 投加量對膜污染的影響程度較大，但是PAC 投加量越高膜污染控制效果并非越好，投加30mg/LPAC 時水中DOCUV254含量脫除效率最高。

2.3 膜處理

超濾及反滲透組合的雙膜法處理工藝已在大機組、高參數的火電機組應用較多，納濾普遍應用在海水海淡處理工藝中。經研究，超濾能夠對水中小顆粒、膠體、懸浮物、細菌、大分子有機物等有截留作用，截留分子量一般是5k～500k，對水中無機離子無脫除作用，對水中有機物的脫除率為5～10%。然而經混凝、過濾工藝處理后的水體有機物分子量低于50k，因此超濾對有機物的截留并去除的效果并不明顯。胥倩倩等[5]通過超濾膜處理太湖水時，發現超濾對有機物的去除效率非常有限，經超濾處理的水體TOC、UV254相對分子質量幾乎無降低。

納濾、反滲透膜過濾孔徑為納米級，能有效分離直徑大于1mm 的溶解性物質，研究發現納濾、反滲透膜對有機物脫除能力達到90～95%，能夠實現對絕大多數的有機物種類進行脫除，同時納濾對一價離子具有30～80%的脫除效率，對二價離子具有90～95%的脫除效率，反滲透膜對一價離子具有98%的脫除效率，對二價離子具有99%的脫除效率。納濾膜在水處理廠的應用中，實現了對有機氯農藥和多環芳烴的高效脫除，脫除效率高于強化混凝-臭氧工藝。

2.4 離子交換

陽床、陰床、混床中，陰床對有機物的脫除效率最高，陽床和混床的脫除效果較差，混床的脫除效果差是因為在工藝流程中它布置于陰床后端，陰床已將有機物基本脫除。陰床中陰離子樹脂優先通過離子交換作用脫除有機物，其次是吸附，凝膠型陰離子樹脂脫除有機物的同時將犧牲本身的交換能力，大孔型陰離子樹脂通過吸附作用能夠降低80%的COD，但容易解吸。當陰離子樹脂受有機物污染過多時，將不再脫除有機物，反而釋放有機物，污染后續混床。通過對總有機碳的測定分析，發現樹脂氧化后，將釋放有機物，造成混床出水水質中有機物含量嚴重超標。

2.5 有機物脫除檢測試驗

采用蘇伊士便攜式總有機碳分析儀M9，現場檢測分析8家火電廠水處理工藝流程中有機物的脫除效果，以TOC 分析指標表征水中有機物的含量。試驗結果如圖1所示，澄清池、砂濾池、無閥濾池、多介質濾池的有機物脫除效率不高，在8%～22%之間，脫除率最高的為反滲透91.95%，次之是陰床58.27%，超濾脫除率較低僅0.38%，混床則存在運行泄漏有機物的可能，脫除率為-1.34%。

圖1 8家火電廠水處理工藝流程中有機物的脫除效果

3 結語

測試結果與文獻資料一致，火電廠水處理工藝中有機物脫除主要依靠反滲透及陰床，有機物的脫除率最高，有機物的脫除效率均超過50%，澄清池、無閥濾池、活性炭過濾器和砂濾器等預處理設施除濁的同時能夠實現對有機物的初步脫除，脫除率在8%～22%之間。超濾和混床脫除有機物的能力較差，混床甚至出現負值，負值設備表明正在釋放有機物，運行期間應加強監控。

火電廠水處理設備相比其他行業工藝相對比較單一，主要實現除濁、脫鹽的目的，對于有機物的抵抗能力相對較差，然而水中有機物的隨季節性變化明顯，有機物的組分、形態、分子量均有較大的差異，處理不當容易對系統運行產生較大的影響。因此，火電廠水處理工藝在選擇工藝路線時，需要根據水質條件和處理要求適當的工藝組合。