燃煤電廠工業(yè)廢水零排放技術(shù)研究

本文介紹了燃煤電廠生產(chǎn)運行系統(tǒng)中所排放不同性質(zhì)工業(yè)廢水的處理方法，以及處理后水資源回收利用的路徑；分析了燃煤電廠脫硫廢水零排放技術(shù)的研究進展和實際應(yīng)用情況，并對燃煤電廠廢水處理和水資源回收利用的發(fā)展趨勢做了展望。

我國的電力來源主要是火力發(fā)電，據(jù)統(tǒng)計，2018 年我國火力發(fā)電量為 49249 億 k Wh，占總發(fā)電總量的 70.4%?；痣娦袠I(yè)作為用水大戶，每年的耗水量和排水量巨大，2018 年全國火電廠耗水總量接近 60 億 t，廢水排放量約為 2.7 億 t。燃煤發(fā)電作為火力發(fā)電的主要形式，占總發(fā)電量的 64.1%，成為火電廢水的主要排放來源。隨著國家對火電行業(yè)清潔生產(chǎn)、超低排放和近零排放的要求，以及工業(yè)用水價格的不斷攀升，燃煤電廠對各類廢水進行處理并回收利用已經(jīng)迫在眉睫。而脫硫廢水作為燃煤電廠產(chǎn)生的一種成分復(fù)雜、最難處理的廢水，其零排放處理技術(shù)也得到越來越多的關(guān)注。本文中對燃煤電廠中不同工業(yè)廢水的處理方法和回用路徑進行了概述，并分析了脫硫廢水零排放技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 燃煤電廠廢水種類及處理回用方式

燃煤電廠用水分為工業(yè)用水和生活用水。由圖 1 可以看到，燃煤電廠工業(yè)用水系統(tǒng)包括化學(xué)水處理系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、除灰渣系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)等，產(chǎn)生的廢水包括循環(huán)水排污水、灰渣廢水、含煤廢水、含油廢水、脫硫廢水等。針對每種廢水的特點開發(fā)特有的廢水處理工藝，并實現(xiàn)廢水的梯級利用，可以達(dá)到電廠節(jié)水的目標(biāo)。

1.1 循環(huán)水排污水

電廠循環(huán)水是用于機組進行冷卻的冷卻水源，占電廠總用水量的 60%以上。電廠循環(huán)水系統(tǒng)多為敞開式循環(huán)系統(tǒng)，由于不斷地蒸發(fā)、漏損、濃縮形成富含 Ca2+、Mg2+等離子的鹽類，導(dǎo)致水的電導(dǎo)率増加，造成管道堵塞和腐蝕，降低了換熱效率。目前多采用濃縮脫鹽的方式對循環(huán)水排污水進行處理，采用“預(yù)處理（軟化+混凝+澄清）+深度除鹽（膜過濾/電滲析）”的回用處理工藝，將循環(huán)水排污水中的離子脫除；為了減少混凝過程中的藥劑投加量，康少鑫等開發(fā)了“電絮凝+高效澄清+深度除鹽”的工藝，降低后續(xù)膜分離系統(tǒng)污堵的風(fēng)險。經(jīng)過除鹽后的循環(huán)水排污水可以用于循環(huán)水系統(tǒng)和化學(xué)水系統(tǒng)補水，產(chǎn)生的濃水可以用于脫硫和除灰渣系統(tǒng)用水。

1.2 化學(xué)制水及精處理系統(tǒng)排水

化學(xué)制水及精處理系統(tǒng)排水主要包括鍋爐補給水系統(tǒng)和凝結(jié)水精處理系統(tǒng)的混床酸堿再生廢水、反滲透（RO）濃水和系統(tǒng)的沖洗排水。酸堿再生廢水采用中和的方法將 p H 調(diào)節(jié)到 6~9，并將處理后的水輸送到回用清水箱。對于重金屬離子和懸浮物（SS）含量不達(dá)標(biāo)的廢水采用絮凝沉淀的方法進行處理；RO 濃水含鹽量高，采用化學(xué)除鹽、電吸附等方法進行脫鹽處理；化學(xué)系統(tǒng)沖洗排水的含鹽量低，采用“酸堿調(diào)節(jié)+絮凝沉淀+過濾澄清”的工藝進行處理后回用。化學(xué)制水及精處理系統(tǒng)排水可與其他廢水混合后用于脫硫工藝水補水。

1.3 除灰渣廢水

除灰渣廢水主要包括濕式除渣廢水和水力除灰廢水，具有高 pH、高含鹽量，高 SS 的特點，采用“絮凝沉淀+澄清+過濾”的工藝調(diào)節(jié)廢水 p H，去除 SS。煤灰渣廢水在循環(huán)使用過程中最大的問題是系統(tǒng)的結(jié)垢，為防止結(jié)垢一般采用加酸法、加煙氣法（煙氣中 SO2等酸性氣體）、投加晶種防垢法、電磁防垢法、投加水質(zhì)穩(wěn)定劑法等。煤灰渣廢水采用閉式循環(huán)處理，處理后的煤灰渣廢水返回原系統(tǒng)，無外排水。

1.4 含煤廢水

煤場和輸煤系統(tǒng)產(chǎn)生的含煤廢水具有 SS、色度和濁度高，COD 值較高的特點。采用“預(yù)沉淀+混凝澄清+過濾”的處理工藝，處理后出水 SS 濃度小于 20 mg/L；采用電絮凝或高效微孔陶瓷過濾的方式，出水SS 的濃度則能夠低于 10 mg/L，實現(xiàn)含煤廢水循環(huán)利用[8-9]。如果廢水中含有油，則需要在沉淀之后采用氣浮工藝處理。含煤廢水經(jīng)處理后回用至輸煤系統(tǒng)，不外排。

1.5 含油廢水

對于輸油系統(tǒng)和設(shè)備清洗產(chǎn)生的含油廢水采用“物化隔油+氣浮分離+過濾/吸附”的工藝，首先使用隔油的方法分離廢水中粒徑較大的油滴，然后再進一步去除其他種類的油。對于乳化油含量較高的廢水，可在物化隔油后增加絮凝床，油污與絮凝床中填料反應(yīng)分解后與絮凝劑形成沉淀排出。近年來研發(fā)出以粉煤灰為基體的吸附劑處理含油廢水，實現(xiàn)了以廢治廢的目標(biāo)。處理后的含油廢水循環(huán)使用或用至煤場噴灑和輸煤系統(tǒng)等。

1.6 其他工業(yè)廢水

電廠中其他工業(yè)廢水包括經(jīng)常性工業(yè)廢水和非經(jīng)常性工業(yè)廢水，其中經(jīng)常性工業(yè)廢水包括原水預(yù)處理排水、鍋爐排污水等。原水預(yù)處理排水主要特點是泥沙含量大，應(yīng)首先進行泥水分離，然后通過絮凝沉淀的方法進行處理，回用至預(yù)處理系統(tǒng)入口；鍋爐排污水采用“中和+混凝+澄清+過濾”工藝進行處理，磷酸鹽含量較高時，使用 RO 或者離子交換工藝進行除鹽。電廠的非經(jīng)常性工業(yè)廢水包括停爐保護廢水、空預(yù)器和省煤器等設(shè)備沖洗排水、鍋爐酸洗廢水等。

電廠鍋爐多采用氨-聯(lián)氨、十八胺等藥劑進行停爐保護，產(chǎn)生的廢水通常使用 NaClO 氧化處理，采用的工藝是“酸堿調(diào)節(jié)+氧化+混凝澄清+中和”；設(shè)備沖洗排水的處理與回用則分為 2 種：有水力沖灰系統(tǒng)的電廠，將這部分廢水直接打入沖灰系統(tǒng)；干除灰電廠則需要加入石灰，將廢水中的 Fe2+轉(zhuǎn)化為 Fe(OH)3沉淀，然后經(jīng)“混凝+澄清+過濾”系統(tǒng)，去除 SS 并進行 p H 調(diào)節(jié)后達(dá)標(biāo)排放。鍋爐酸洗廢水根據(jù)所使用酸的類型，采用不同的廢水處理工藝：無機酸清洗廢水采用“氧化+酸堿調(diào)節(jié)+絮凝+澄清過濾”工藝；有機酸清洗廢水則可采用鍋爐焚燒、絡(luò)合沉降、生物法、膜過濾、高級氧化等方法進行處理；對于 EDTA 清洗廢水，先將 EDTA 進行回收，再按無機酸清洗廢水處置。廢水經(jīng)處理后可回用于脫硫工藝和除灰渣系統(tǒng)，對于深度處理的工業(yè)廢水則可回用于循環(huán)水系統(tǒng)補水。

2 脫硫廢水零排放技術(shù)

廢水零排放是指電廠廢水經(jīng)過處理后，將廢水中的鹽類和污染物從廢水中分離出來，以固體形式排出電廠處理或?qū)⑵浠厥绽茫a(chǎn)出的淡水進行重復(fù)使用，達(dá)到無任何廢水排出的技術(shù)。2017 年國家頒布《火力發(fā)電廠污染防治可行技術(shù)指南》（HJ 2301—2017），指出火電廠實現(xiàn)廢水近零排放的關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)脫硫廢水零排放。因此，開發(fā)高效、低成本的脫硫廢水零排放技術(shù)具有重要意義。脫硫廢水水質(zhì)呈弱酸性，SS 含量高，COD 超標(biāo)，含鹽量高，硬度高，Cl-、重金屬離子和氟化物含量高，不同電廠的脫硫廢水水量、水質(zhì)波動大，是燃煤電廠產(chǎn)生的一類水質(zhì)復(fù)雜、難處理的廢水。針對脫硫廢水的特點，應(yīng)單獨設(shè)置脫硫廢水處理設(shè)施，常規(guī)達(dá)標(biāo)排放采用的工藝為“中和+沉淀+絮凝澄清”的“三聯(lián)箱”處理工藝。為了進一步實現(xiàn)水的回收利用，脫硫廢水零排放采用“預(yù)處理+濃縮減量+結(jié)晶固化”的工藝路線，最終實現(xiàn)水鹽分離、淡水回用的目的。

2.1 預(yù)處理技術(shù)

由于脫硫廢水中含有大量 SS 顆粒、重金屬，以及 Ca2+、Mg2+、SO42-等結(jié)垢性離子，為了滿足后續(xù)水處理單元的進水水質(zhì)要求，脫硫廢水必須進行預(yù)處理。目前應(yīng)用較廣的為石灰(或燒堿)-純堿軟化工藝，通過投加石灰（或燒堿）和 Na2CO3，去除水中的 Mg2+和 Ca2+，降低水的硬度。該工藝具有穩(wěn)定性和可靠性好的優(yōu)點，但運行過程中投加大量的化學(xué)藥劑，形成大量污泥沉淀，增加處理成本。相比于石灰軟化工藝，采用燒堿軟化脫硫廢水具有有效利用率高、對鎂硬度去除率高等優(yōu)點。汪嵐等研發(fā)了石灰-芒硝-煙道氣軟化工藝，利用煙道氣中的 CO2替代純堿進行預(yù)處理。首先添加石灰乳和芒硝，生成 Mg(OH)2和 CaSO4沉淀，部分石灰乳與 Na2SO4 反應(yīng)生成 NaOH。芒硝的添加可以提高Ca2+的去除率，并且有利于提高 NaOH 產(chǎn)量。然后利用鍋爐排出的煙道氣中含有的 CO2與廢水中的 Ca2+反應(yīng)生成 CaCO3沉淀，達(dá)到除去 Ca2+的目的，SO42-以芒硝形式分離。此方法比石灰(或燒堿)-純堿法工藝過程復(fù)雜，工藝控制難度較大，工程造價較高，還未投入到實際的工程應(yīng)用中。除此之外，還有離子交換和膜過濾軟化預(yù)處理技術(shù)，去除水中的 Ca2+和 Mg2+，降低水的硬度。但對于硬度過高的廢水，存在建設(shè)成本和運行費用高的問題，并且對進水水質(zhì)有較高要求，可作為藥劑軟化后的深度軟化。

2.2 濃縮減量技術(shù)

濃縮減量主要是將經(jīng)過預(yù)處理的脫硫廢水進行濃縮，減少廢水量，提高后續(xù)處理效率。濃縮減量主要包括膜濃縮和熱濃縮技術(shù)。常用的膜濃縮工藝包括 RO、正滲透、納濾等技術(shù)。

（1）RO 是以選擇性透過膜的兩側(cè)壓力差為動力，溶劑通過選擇性透過膜從濃溶液一側(cè)進入到濃度低的一側(cè)，進行溶劑分離的技術(shù)。在膜的低壓側(cè)產(chǎn)出淡水，高壓側(cè)得到濃鹽水。連坤宙等采用 MF-RO 工藝對電廠脫硫廢水進行深度處理，系統(tǒng)脫鹽率大于 98%。胡大龍等采用 UF-RO 工藝處理脫硫廢水，整套系統(tǒng)的水回收率可達(dá) 45%，RO 出水可用于鍋爐補給水系統(tǒng)水源。

（2）正滲透（FO）是以選擇性透過膜兩側(cè)的滲透壓差為驅(qū)動力，水從低壓側(cè)進入到高壓側(cè)，實現(xiàn)水分傳輸?shù)倪^程。吳火強研究了正滲透處理電廠脫硫廢水的工藝路線和性能，并對膜污染情況進行了分析，證明了 FO 在廢水零排放處理中的可行性。

（3）納濾（NF）是介于 UF 和 RO 之間的膜分離技術(shù)，以納濾膜兩側(cè)壓力差為驅(qū)動力，去除水中納米級物質(zhì)。由于納濾膜是荷電膜，因此在低壓下也具有較高的脫鹽能力?？涤碌妊芯苛讼到y(tǒng)參數(shù)對 NF工藝的影響，經(jīng) NF 處理后水質(zhì)滿足脫硫系統(tǒng)工藝水回用指標(biāo)。劉海洋等采用兩級 NF 工藝濃縮預(yù)處理產(chǎn)水，發(fā)現(xiàn) NF 工藝可以有效地截留廢水中的 SO42-，一級出水中 NaCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá) 80%，二級出水中 NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá) 95%以上，達(dá)到工業(yè)級品質(zhì)要求。目前常用的熱法濃縮技術(shù)包括多級閃蒸技術(shù)（MSF）、多效強制循環(huán)蒸發(fā)（MED）和機械式蒸汽再壓縮技術(shù)（MVR）。

（1）MSF 技術(shù)是最早應(yīng)用的蒸餾工藝，如圖 2 所示，將加熱后的廢水引入至閃蒸室，由于閃蒸室中的壓力低于廢水在該溫度下的飽和蒸汽壓，導(dǎo)致部分廢水急速氣化，冷凝后即為所需淡水，達(dá)到將淡水從廢水中分離的目的，實現(xiàn)廢水濃縮[23-24]。盡管熱力學(xué)效率較低但是因其工藝成熟、運行可靠在全世界范圍.

（2）MED 技術(shù)是將多效蒸發(fā)器串聯(lián)（如圖 3 所示），高鹽廢水在第一效蒸發(fā)器中被加熱，產(chǎn)生的二次蒸汽進入第二效蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，對進入第二效蒸發(fā)器的廢水進行加熱蒸發(fā)并凝結(jié)為水，如此進行多次，通過多效蒸發(fā)后各效凝結(jié)水作為淡水回收利用，廢水達(dá)到過飽和產(chǎn)出結(jié)晶鹽進行收集。MED 通過重復(fù)利用蒸汽提高熱能利用率，降低運行成本。進一步將蒸汽熱力壓縮(TVC)技術(shù)與 MED 結(jié)合，可以實現(xiàn)將低壓蒸汽壓縮后提高溫度和壓力，用作一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽。

（3）MVR 技術(shù)利用蒸發(fā)器中產(chǎn)生的二次蒸汽，經(jīng)壓縮機壓縮，提高溫度，輸送到蒸發(fā)器的加熱室當(dāng)作加熱蒸汽，對廢水進行加熱，被加熱的廢水經(jīng)濃縮后作為終產(chǎn)物排出系統(tǒng)（如圖 4 所示）。MVR 技術(shù)提高了蒸汽利用率，在運行過程中無需再加入新蒸汽，降低了運行成本。

由膜法和熱法進一步發(fā)展的膜蒸餾和電滲析技術(shù)，也可以實現(xiàn)脫硫廢水的濃縮減量。膜蒸餾（MD）是一種以疏水微孔膜兩側(cè)蒸汽壓差為驅(qū)動力，將水從溶液中分離的過程。在一定溫度下，膜一側(cè)溶液中易揮發(fā)的物質(zhì)以氣態(tài)通過疏水微孔膜在另一側(cè)冷凝，非揮發(fā)性溶質(zhì)不能通過疏水膜，從而實現(xiàn)分離濃縮的目的。車凌云等采用氣隙膜蒸餾技術(shù)對脫硫廢水進行濃縮處理，膜系統(tǒng)出水脫鹽率和截留率基本維持在 99.8%～100%。

電滲析（ED）是一種電化學(xué)分離過程，在陰陽電極板間交替放置陰離子、陽離子交換膜，通過外加直流電場，實現(xiàn)陰陽離子的定向移動，實現(xiàn)溶液的淡化濃縮。ED 技術(shù)對廢水的濃縮倍數(shù)隨進水 TDS 濃度的改變而變化，目前可達(dá)到 7 倍以上。在 ED 基礎(chǔ)上開發(fā)的離子重組(RESALT)技術(shù)，在實現(xiàn)廢水濃縮減量的同時，能夠?qū)U水中的 Ca2+和 SO42-分開而避免結(jié)垢，可以實現(xiàn)免軟化預(yù)處理[28]。膜法濃縮技術(shù)對廢水中鹽的截留率高，出水水質(zhì)好，能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型鹽分的分離，但對進水的水質(zhì)要求高，必須進行完備的預(yù)處理過程，運行費用較高；熱法濃縮對進水水質(zhì)變化的適應(yīng)性高，工藝流程短，但投資費用較高。在工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)水質(zhì)、成本等情況選擇合適的濃縮工藝。

2.3 結(jié)晶固化技術(shù)

脫硫廢水經(jīng)過預(yù)處理及濃縮減量過程，大部分 SS 和重金屬離子會被去除，但無法去除氯離子等可溶性鹽分，需要通過結(jié)晶固化將廢水中的鹽類和污染物分離出來，實現(xiàn)脫硫廢水的零排放。

目前常用的結(jié)晶固化技術(shù)主要有蒸發(fā)結(jié)晶和煙道蒸發(fā)。蒸發(fā)結(jié)晶是通過加熱蒸發(fā)溶液，從溶液本體中將溶劑蒸發(fā)形成為飽和溶液，進一步蒸發(fā)，過量的溶質(zhì)以晶體狀析出，實現(xiàn)鹽水分離。蒸發(fā)結(jié)晶主要包括MSF、MED、MVR 技術(shù)，相關(guān)內(nèi)容已在熱法濃縮減量章節(jié)介紹，通過增加系統(tǒng)的效數(shù)或級數(shù)，可以實現(xiàn)廢水中鹽的結(jié)晶分離。

煙道蒸發(fā)是在煙道中利用煙氣的余熱將霧化后的廢水完全蒸發(fā)，將廢水中的污染物轉(zhuǎn)化為固體結(jié)晶物或鹽類，最終被除塵器捕集，從煙道中去除，實現(xiàn)脫硫廢水的零排放。煙道蒸發(fā)分為主煙道蒸發(fā)和旁路煙道蒸發(fā) 2 種。主煙道蒸發(fā)（如圖 5 所示）是將霧化后的脫硫廢水噴入空氣預(yù)熱器與除塵器之間的煙道中進行蒸發(fā)；旁路煙道蒸發(fā)（如圖 6 所示）是增加 1 個旁路煙道蒸發(fā)器，將空氣預(yù)熱器前的少量高溫?zé)煔庖胫僚月窡煹勒舭l(fā)器中對霧化的脫硫廢水進行蒸發(fā)，再將結(jié)晶鹽排入除塵器前的煙道中。廢水經(jīng)煙道蒸發(fā)后形成的結(jié)晶鹽被電除塵器捕集后隨粉煤灰一并排出。

蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)較為成熟，電廠應(yīng)用較多，與膜濃縮技術(shù)連用可以實現(xiàn)二級工業(yè)鹽的回收，但投資和運行成本高，占地面積大，對進水水質(zhì)要求高。煙道蒸發(fā)技術(shù)具有系統(tǒng)簡單，投資、運行成本低，占地小的優(yōu)勢，對進水水質(zhì)要求低；相比于主煙道蒸發(fā)，旁路煙道蒸發(fā)具有煙溫高、煙氣使用量小、蒸發(fā)速度快，對鍋爐主煙道影響較小的優(yōu)點，但是由于使用的是品位較高的高溫?zé)煔?，需考慮對鍋爐效率的影響。

目前，國內(nèi)已有多家火電廠的脫硫廢水零排放系統(tǒng)投入運營，其中蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)應(yīng)用較多：廣東河源電廠采用“軟化預(yù)處理+多效蒸發(fā)結(jié)晶”的工藝處理脫硫廢水，產(chǎn)生的結(jié)晶鹽滿足二級工業(yè)鹽標(biāo)準(zhǔn)；華能長興電廠采用“軟化預(yù)處理+多級膜濃縮+蒸發(fā)結(jié)晶”工藝生產(chǎn)出結(jié)晶鹽，淡水分離后進行回用，產(chǎn)出工業(yè)二級鹽進行外售。煙道蒸發(fā)技術(shù)近幾年逐漸發(fā)展起來：大唐陽城電廠采用“軟化預(yù)處理+膜濃縮+高溫旁路煙道蒸發(fā)”工藝，經(jīng)膜濃縮后系統(tǒng)脫鹽率高達(dá) 97%，淡水回收率達(dá) 60%，剩余 40%的濃水進入旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)處理。

3 展望與總結(jié)

燃煤電廠作為用水和廢水排放大戶，為了滿足不斷嚴(yán)格的國家環(huán)保要求，降低電廠運營成本，提高電廠水資源利用率，應(yīng)對全廠各用水系統(tǒng)進行分項治理，針對不同類型的廢水開發(fā)行之有效的處理方法；按照“一水多用，梯級利用”的原則，對處理后的各類廢水進行回用，實現(xiàn)廢水不外排。針對處理難度大的脫硫廢水，應(yīng)在預(yù)處理及減量化后，采用高鹽廢水蒸發(fā)結(jié)晶、煙道蒸發(fā)干燥等零排放技術(shù)進行廢水的高效處理與回收利用。目前我國的電廠脫硫廢水零排放技術(shù)仍處于探索期，應(yīng)當(dāng)“因廠制宜”，根據(jù)電廠的實際情況開發(fā)低成本的零排放工藝，實現(xiàn)廢水的資源化。

編輯：李丹