電廠循環冷卻水系統節水及零排放技術研究

王 云

（陜西渭河發電有限公司，陜西 咸陽 712085）

我國是一個水資源貧乏、分布極不均衡的國家，水資源的高效利用與水生態環境的保護與整個社會與經濟的可持續發展水平緊密相關[1]。為了進一步加強對水污染的控制，確保我國水資源安全，有關部門在大量研究后，提出進行水污染專項整治工作，明確要求在全社會推動生態文明建設的同時，將提高水環境質量作為重點，堅持“系統治理、多方發力”的原則，堅持“安全、健康”的工作方針，加強對水源從源頭的治理，推進水污染防治工作[2]。

循環冷卻水是電力領域、石油領域、化工生產領域以及冶金領域的用水大項，在深入市場的研究中發現，工業用水占市場總用水的六成以上，而循環冷卻水的排水與用水占工業用水的七成至九成。盡管現階段市場內的循環冷卻水處理技術呈逐年優化的趨勢，與之相關的化學水處理藥劑不斷升級、更新，對應的凝汽管材也在持續升級，但根據大量的市場調研可知，循環冷卻水的排污量仍相對較大。針對該方面問題，下文將對此進行研究。

1 去除水中污染物

電廠循環冷卻水系統節水的實質是減少系統排污水量，因此需要在明確無污染去除機理的基礎上，除去水中的Fe、Mn、Al、Mg 等污染物。在水樣中，鐵通常是以離子狀態存在的，這是因為氫氧化鐵不能溶于水，而三價鐵離子會與水中微量氫氧根發生反應，進而產生氫氧化鐵，并以沉淀的形式析出[3]。在常溫狀態下，水溶液中的二價鐵和水中的少量溶解氧反應生成三價鐵，該過程的反應式如公式（1）所示。

水溶液的酸堿度超過7 時，水溶液為堿性環境，二價鐵發生氧化和沉淀反應，其反應式如公式（2）所示。

結合溶度積推算得出氫氧化亞鐵的飽和溶液酸堿度為9.5，溫度為18℃，說明當酸堿度升高到9.5 時，氫氧化亞鐵開始逐漸達到飽和狀態，并出現沉淀析出。

根據上述邏輯，其他污染物也可以通過上述方式實現沉淀析出[4]。錳一般是二價的，要從水樣中除去二價的錳，可添加堿來增加水溶液的pH 值，從而使二價的氫氧化錳沉淀出來，該過程的反應式如公式（3）所示。

氫氧化的溶度積值是4×104，由該溶度積值可推斷出氫氧化錳的飽和溶液的酸堿度是9.63（18℃），也即在酸堿度達到9.63 后，氫氧化錳就會出現過飽和現象，從而形成沉淀物。此時二價離子的濃度為0.0215mmol/L（1.183mmol/L）[5]。當pH 值為10.0 時，二價離子濃度為0.004mmol/L（0.108mg/L），此時溶液pH 值為10.0。

氫氧化鋁是一種兩性的氫氧化物，既能與酸堿作用，又能使它的離子水解成2 個方向，一個是酸水解，另一個是堿水解[6]。在堿性環境中，氧化鋁的溶解度是4.0×10-13（20°C）。由溶度積推算，氧化酸性電離時，飽和溶液的酸堿度為9.47（20℃）。

通常鎂在水溶液中以二價離子的形態存在，是影響水硬度的主要因素之一。鑒于氫氧化鎂為不溶于水的電解質，該文項目擬利用該特性，采用添加堿來提高水溶液pH 值的方法，將二價Mg 以氫氧化鎂的形態沉淀出來。通過溶度積推算得出，當水樣的酸堿度值升高到10.46 時，氫氧化鎂達到過飽和狀態，生成沉淀析出[7]。

2 疏干水處理工藝路線設計

結合上述水樣中污染物的去除機理，該文提出疏干化水處理工藝。根據電廠的實際用水需要，在該工藝流程中引入了曝氣中堿、除重金屬單元、軟化單元和出水調節單元，得到如圖1所示的疏干水處理工藝路線。

圖1 疏干水處理工藝路線

在除重金屬環節中，投入氫氧化鈣和曝氣，使酸堿度達到9.4，然后經過混凝澄清，提取上清液，并繼續后續處理。將該環節產生的沉淀輸送到污泥脫水系統中進行進一步處理。將重金屬去除裝置的水送往軟化裝置，在該裝置中添加氫氧化鈉和碳酸鈉，使溶液的酸堿度進一步提高到10.2，達到降低硬度的目的，去除水中可能殘留的金屬離子。再經過絮凝澄清，提取上清液，并在下一個單元對其進行處理。

3 電廠循環冷卻水系統石灰處理

為了滿足電廠循環冷卻水處理用綠色化環保型高效阻垢劑、不銹鋼緩蝕劑的要求，對循環水進行石灰處理。含有阻垢緩蝕劑的水樣經過加熱處理后會產生如公式（4）所示的反應。

由于持續不斷的蒸發，水中各類離子的濃度不斷增加，水中熱分解產生的二氧化碳和補水帶入的二氧化碳會隨填料表面的散熱逐漸逸出，此時循環水的酸堿度開始升高，鈣離子濃度不斷增加。當水中游離的鈣離子與碳酸根離子濃度達到碳酸鈣的析出濃度時，將以碳酸鈣的形式從水中析出。當水中總析出的碳酸鈣超過其在水中溶度積的干倍，并越過介質穩定區域時，會形成不能溶于水中的碳酸鈣結晶體。此時碳酸根離子、鈣離子的濃度會快速下降，達到工藝流程終點時的堿度即為極限堿度。

為了確保電廠循環冷卻水系統的安全運行，循環水系統的運行控制指標參考如公式（5）所示的控制要求。

式中：Y運代表電廠循環冷卻水系統運行中的指標控制范圍；Y極代表實際運行中獲得的指標數值；0.8～0.9 代表大量現場經驗總結得到的經驗系數，取值為0.8～0.9。

在進行電廠循環冷卻水系統石灰處理過程中，應根據規定控制指標范圍要求完成上述操作，實現電廠循環冷卻水系統的節水與零排放。

4 零排放技術路線與應用效果

在全球范圍內，水資源短缺已成為限制國家經濟發展的主要因素之一。電廠作為工業用水的主要來源，其耗水量、排水量均非常大。隨著我國環境保護問題的日益突出，對電廠的環境審查標準不斷提高，一些重點區域已經提出對電廠循環冷卻水系統的“零排放”要求，新建的電廠則不再設置專門排污口。隨著水污染專項整治文件的正式出臺，各地將更嚴格地限制電力行業的取水與排水量，污水的綜合利用將更突出，因此節約能源、減少能源消耗、實現能源“零排放”是當務之急。

4.1 循環水系統零排放工藝路線、工況與設計要求

為確保相關工作在實施中達到預期效果，該文建立如圖2所示的循環水系統零排放工藝路線。

圖2 循環水系統零排放工藝路線

在該基礎上，以A 電廠為例，對其工況與系統零排放設計要求進行分析。根據相關工作的實施進展可知，該電廠循環冷卻水系統的設計處理能力為400m3/h，對應的系統循環水污染具有硬度高、含鹽量大和堿度高等特點，水質基本情況見表1。

從表1 可以看出，水系統中的原水水質較差，雜質、有機物質含量較多。

表1 水質基本情況

4.2 工藝分析與應用效果分析

電廠循環水具有強堿、強硬等特性，因此有必要對其進行預處理。為了達到這個目的，該文設計了如圖3所示的零排放工藝流程。

圖3 零排放工藝流程

從圖3 可以看出，在零排放工藝流程中，反滲透貫穿整個處理過程，是實現廢水零排放的關鍵，反滲透原理如圖4所示。

圖4 反滲透原理

在處理過程中使用兩級軟化，分別是石灰軟化和堿液軟化。通過加入石灰乳來調整水體pH 值，除去水中的臨時硬度和鎂離子，通過加入碳酸鈉除去水中的鈣離子。在軟化過程中，通過混凝澄清、過濾，除去懸浮物質。并在該基礎上，添加次氯酸鈉、二氧化氯，去除水中的有機物質。預處理單元出水統計見表2。

表2 預處理單元出水數據統計

經過預處理后，水體含鹽量未發生顯著變化，此時出水進入下一處理單元，出水統計見表3。經過上述處理后，廢水量約達到100m3/h，此時無論是淡水還是濃水，水中溶解的雜質/有機物質均相對較高，說明水體中仍存在較多的雜質與有機物質有待處理。在該條件下，出水進入二級濃縮單元，此時的出水統計見表4。

表3 “一級反滲透+超濾”處理后的出水數據統計

表4 二級反滲透處理后的出水數據統計

經過處理后，淡水被匯入回收水池，濃水繼續進入濃縮循環單元進行處理。按照上述方式即可實現對水系統的“零排放”。

5 結語

通過上述研究，該文得出如下結論：1）通過上述設計的水處理工藝流程，可以去除疏干水中大部分污染物，包括重金屬、硬度等，使水質指標達到電廠用水水平。2）根據表2 預處理單元出水數據統計結果可知，經過預處理單元后，循環水在中的大部分有機物質被去除。3）根據表3“一級反滲透+超濾”處理后的出水數據統計結果可知，超濾后，水體的懸浮物質被有效處理，淤泥密度指數＜3，說明水質得到了極大程度的優化。4）根據表4 二級反滲透處理后的出水數據統計結果可知，經過一級、二級濃縮處理后，系統進水中溶解的雜質/有機物質被完全溶解，極大程度上提高了淡水回收率。循環上述步驟，即可實現對水體中有機物質與雜質的完全處理，從而滿足電廠循環冷卻水系統的“零排放”設計需求。