本文針對火電廠循環(huán)水排污水水質(zhì)特點，進行了回用處理工藝實驗研究。結(jié)果表明，強化混凝可有效去除循環(huán)水排污水中的有機物，對COD、TOC去除率分別為61.2%、47.5%，減輕后續(xù)膜系統(tǒng)的有機污染;二級軟化對Ca2+、Mg2+、總磷、TOC、全硅的去除率分別為86.5%、92.5%、97.9%、27.4%、84.3%，減輕后續(xù)膜系統(tǒng)的無機污染;反滲透回收率可達到85%，反滲透產(chǎn)水可以作為鍋爐補給水水源，反滲透濃水可以作為脫硫工藝用水。提出了地表水水源循環(huán)水排污水強化混凝-二級軟化-超濾-反滲透回用處理工藝。
隨著《水污染防治行動計劃》和“排污許可證”環(huán)保政策的密集實施，對火電廠取、排水水量和排水水質(zhì)指標(biāo)限制越來越嚴(yán)格，而且部分地區(qū)通過實施階梯式水資源費收取辦法，水資源成本大幅上漲，迫使火電企業(yè)必須實施深度節(jié)水和廢水綜合治理工作。循環(huán)水系統(tǒng)用、排水水量占循環(huán)冷卻型火電廠總用水量和總外排量的80%~90%，循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水減排是該類火電廠節(jié)水和廢水綜合治理工作的重點。
目前，大部分循環(huán)冷卻型電廠已通過加強原水預(yù)處理、優(yōu)選水穩(wěn)劑、升級凝汽器管材來提升濃縮倍率;循環(huán)水排污水作為脫硫、輸煤和除渣用水回用，但仍有大量剩余的循環(huán)水排污水需要外排。此外，還有少數(shù)電廠已采用反滲透工藝對循環(huán)水排污水進行脫鹽回用，但是均存在預(yù)處理不完善、膜污堵嚴(yán)重、系統(tǒng)回收率低、化學(xué)清洗頻繁、膜壽命縮短等問題。
筆者根據(jù)地表水水源循環(huán)水排污水水質(zhì)特點，結(jié)合核心工藝實驗研究，提出了地表水水源循環(huán)水排污水回用處理工藝路線，為循環(huán)冷卻型火電廠節(jié)水和廢水綜合治理工作提供技術(shù)支撐。
1 實驗材料與方法
01 循環(huán)水排污水
實驗水樣為華北某循環(huán)冷卻電廠循環(huán)水排污水，該廠循環(huán)水補充水水源為地表水，凝汽器為銅管，循環(huán)水運行過程投加有磷阻垢劑、有磷碳鋼緩蝕劑和銅緩蝕劑，循環(huán)水濃縮倍率控制在4.0倍。循環(huán)水排污水主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。
由表1可知，循環(huán)水排污水Ca2+、Mg2+、全硅、總磷(TP)、COD、總有機碳(TOC)濃度較高。
02 實驗及水質(zhì)分析方法
(1)實驗方法
強化混凝除有機物實驗：量取1L循環(huán)水排污水于1L的燒杯中，用H2SO4將循環(huán)水pH調(diào)至實驗pH，加入實驗劑量的FeCl3，以200r/min攪拌30min后，靜置30min，上清液過濾后測定pH、TOC、COD等水質(zhì)指標(biāo)。
二級軟化實驗：Ca(OH)2或NaOH劑量優(yōu)化。量取1L經(jīng)強化混凝后的循環(huán)水排污水于1L的燒杯中，加入實驗劑量的Ca(OH)2或NaOH，以200r/min繼續(xù)攪拌30min，靜置60min，過濾上清液分析水質(zhì)，確定Ca(OH)2或NaOH最優(yōu)投加量。
Na2CO3劑量優(yōu)化。量取1L循環(huán)水排污水于1L的燒杯中，加入最優(yōu)投加量的Ca(OH)2或NaOH，以200r/min攪拌30min后，直接加入實驗劑量的Na2CO3，繼續(xù)攪拌30min，靜置60min，過濾上清液分析水質(zhì)，確定Na2CO3最優(yōu)投加量。
超濾(UF)實驗：UF實驗采用外壓式中空纖維膜元件，運行方式為死端過濾，運行模式為：過濾→反洗→沖洗，過濾周期為30min，進水流量為2.5L/h，分析產(chǎn)水濁度，并記錄膜兩側(cè)壓差。
反滲透(RO)實驗：RO膜組件采用美國陶氏公司的LCHR-4040膜，投加2mg/L阻垢劑。實驗采用濃水回流的運行模式，設(shè)計RO在回收率分別為75%、85%條件下運行。
(2)水質(zhì)方法
水質(zhì)分析方法采用標(biāo)準(zhǔn)法測定;TOC采用multiN/C 3100 TOC分析儀(德國耶拿)測定;電導(dǎo)、pH采用SevenGo DuoTM便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀(瑞士梅特勒-托利多)，濁度采用2100Q濁度儀(美國哈希)測定。
2 結(jié)果與討論
01 強化混凝實驗研究結(jié)果分析
循環(huán)水排污水中的有機物會對膜回用工藝造成影響，去除工藝有混凝澄清和生物法。排污水中有機物均為難降解有機物，可生化性很差，直接采用生物法進行處理，有機物去除效果極差，需要先通過高級氧化來提高循環(huán)水的可生化性，但工藝復(fù)雜，工程實施難度大。
筆者考察火電廠常用的強化混凝工藝對循環(huán)水排污水有機物去除效果。循環(huán)水排污水的COD、TOC分別為63.0、23.13mg/L，有機物濃度較高，考察強化混凝pH和FeCl3投加量對有機物去除效果的影響，結(jié)果見圖1。
由圖1可知，在pH=4.0和pH=8.2條件下，隨著FeCl3投加量的增大，出水COD和TOC濃度降低，去除率增加。在pH=4.0條件下，F(xiàn)eCl3投加量為20mg/L，對COD、TOC去除率分別為61.2%、47.5%;而在pH=8.2條件下，要達到相同的有機物去除效果，F(xiàn)eCl3投加量需增加至80mg/L。混凝主要去除顆粒態(tài)和膠體態(tài)有機物，混凝試驗前將水樣pH調(diào)至酸性可以使部分溶解態(tài)有機物(DOM)轉(zhuǎn)化為非溶解態(tài)有機物，降低混凝劑投加量，還有助于循環(huán)水中殘余的阻垢劑、緩蝕劑的去除，因此，優(yōu)選后的強化混凝條件為pH=4.0，F(xiàn)eCl3投加量為20mg/L。02軟化實驗研究結(jié)果分析(1)Ca(OH)2-Na2CO3二級軟化Ca(OH)2-Na2CO3二級軟化工藝對循環(huán)水排污水Ca2+和Mg2+的去除效果見圖2。
由圖2(a)可知，隨著Ca(OH)2投加量的增大，Mg2+濃度迅速減低，但Ca2+濃度逐漸增加，主要是因為OH-與Mg2+生成Mg(OH)2沉淀去除Mg2+。Ca(OH)2最優(yōu)投加量為350mg/L，出水1/2Ca2+、1/2Mg2+濃度分別為9.02、0.72mmol/L，繼續(xù)增大Ca(OH)2投加量，出水Mg2+濃度略降低，而Ca2+濃度繼續(xù)大幅升高，增加藥劑處理成本。
由圖2(b)可知，隨著Na2CO3投加量的增大，Ca2+濃度迅速減低，Mg2+濃度略有降低，投加Na2CO3生成CaCO3過程有Mg2+共沉淀現(xiàn)象，與其他研究結(jié)論一致。Na2CO3最優(yōu)投加量為450mg/L，軟化出水1/2Ca2+、1/2Mg2+濃度分別為0.89、0.69mmol/L。
此外，Ca(OH)2、Na2CO3投加量分別為350、450mg/L條件下，對TP、TOC、全硅的去除率分別為96.9%、24.9%、82.8%。
(2)NaOH-Na2CO3二級軟化
NaOH-Na2CO3二級軟化工藝對循環(huán)水排污水Ca2+和Mg2+的去除效果見圖3。
由圖3(a)可知，Mg2+和Ca2+濃度均隨著NaOH投加量的增大而減小，NaOH最優(yōu)投加量為450mg/L，出水1/2Ca2+、1/2Mg2+濃度分別為1.08、0.02mmol/L，Ca2+濃度遠(yuǎn)低于Ca(OH)2軟化出水。
由圖3(b)可知，Ca2+和Mg2+濃度均隨著Na2CO3投加量的增大而減小，Na2CO3最優(yōu)投加量為150mg/L，出水1/2Ca2+、1/2Mg2+濃度分別為0.64、0.47mmol/L。
此外，NaOH、Na2CO3投加量分別為450、150mg/L條件下，對TP、TOC和全硅的去除率分別為97.9%、27.4%和84.3%。
(3)優(yōu)化工藝對比
Ca(OH)2-Na2CO3和NaOH-Na2CO3二級軟化對循環(huán)水排污水軟化效果基本一致，對Ca2+、Mg2+、TP和全硅去除率高。最優(yōu)Ca(OH)2-Na2CO3和NaOH-Na2CO3條件下二級軟化藥劑費用對比見表2。
由表2可知，兩種二級軟化工藝的藥劑費用基本一致。但是，Ca(OH)2-Na2CO3二級軟化由于Ca(OH)2的加入引入額外的Ca2+，造成Na2CO3投加量增加，污泥量增大，增加污泥處理費用;且NaOH加藥系統(tǒng)簡單，現(xiàn)場工作環(huán)境好，因此，二級軟化工藝選用NaOH-Na2CO3，軟化藥劑費用為1.23元/t。
03 UF實驗研究結(jié)果分析
UF實驗水源采用NaOH-Na2CO3軟化澄清出水，調(diào)節(jié)pH為7.5左右，UF運行壓力、出水濁度見圖4。
由圖4可知，在UF膜元件連續(xù)運行的700min內(nèi)，運行壓力穩(wěn)定在40~44kPa范圍內(nèi)，總體較為穩(wěn)定，表明UF膜未發(fā)生污堵;UF出水濁度為0.51~0.56NTU，UF膜對濁度的去除率>90%。
UF出水水質(zhì)見表3。
由表3可知，UF出水SDI為2.83，小于3.0，達到RO膜進水水質(zhì)要求。
04RO實驗研究結(jié)果分析將軟化-UF產(chǎn)水作為RO進水，在系統(tǒng)回收率分別為75%、85%條件下，RO實驗設(shè)備累計運行72h，運行壓力、運行壓差見圖5。
由圖5可知，RO系統(tǒng)回收率為75%條件下，系統(tǒng)運行壓力穩(wěn)定在2.3~2.4MPa，系統(tǒng)運行壓差隨時間增長無明顯升高現(xiàn)象，在18.9~20.5kPa之間波動;RO系統(tǒng)回收率提高至85%，系統(tǒng)進水壓力為2.7~2.9MPa，壓差在20.1~21.6kPa之間波動，遠(yuǎn)低于膜運行過程中對壓差的限值(單支膜元件的壓差<100kPa)，說明運行期間RO系統(tǒng)運行狀況較為穩(wěn)定。
考察回收率對電導(dǎo)率、脫鹽率的影響，結(jié)果表明，回收率為75%時，RO進水電導(dǎo)率為7.0~7.7mS/cm，產(chǎn)水電導(dǎo)率為46.1~68.2μS/cm;脫鹽率在99.2%~99.4%;回收率為85%時，RO進水電導(dǎo)率為12.5~13.5mS/cm，產(chǎn)水電導(dǎo)率在95.2~109.5μS/cm，脫鹽率為99.0%~99.3%。RO系統(tǒng)連續(xù)運行72h內(nèi)，不同時間段的產(chǎn)水和濃水水質(zhì)見表4。
由表4可知，在回收率分別為75%、85%條件下，RO產(chǎn)水TDS分別為40~48mg/L、75~85mg/L;RO濃水TDS分別為6088~6150mg/L、10750~10990mg/L。
由此可見，RO產(chǎn)水TDS低、TOC低，可以滿足鍋爐補給水系統(tǒng)對水源水質(zhì)的要求。RO濃水Cl-為640~1066mg/L，可作為脫硫工藝用水。
根據(jù)實驗研究，提出循環(huán)水排污水高回收率回用處理工藝路線，見圖6。
由圖6可知，該工藝主要包括除有機物單元、軟化單元和膜處理單元。
3 結(jié)論
(1)采用強化混凝工藝有效去除循環(huán)中有機物。酸性(pH=4.0)有助于減少混凝劑FeCl3投加量，提高有機物去除效果，同時可去除循環(huán)水中殘余的阻垢劑、緩蝕劑。FeCl3最佳投加量為20mg/L，對COD、TOC去除率分別為61.2%、47.5%，減輕后續(xù)膜系統(tǒng)的有機污染。
(2)采用二級軟化工藝有效去除循環(huán)水中結(jié)垢性物質(zhì)。NaOH-Na2CO3對Ca2+、Mg2+、TP、TOC、全硅的去除率分別為86.5%、92.5%、97.9%、27.4%、84.3%，減輕后續(xù)膜系統(tǒng)的無機污染，軟化藥劑費用1.23元/t。
(3)采用UF-RO工藝對循環(huán)水排污水脫鹽。系統(tǒng)在回收率分別為75%、85%條件下可穩(wěn)定運行，RO產(chǎn)水可以作為鍋爐補給水水源，RO濃水作為脫硫工藝用水。
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