高效反渗透废水处理工艺在电厂废水零排放中的应用.doc

高效反渗透废水处理工艺在电厂废水零排放中的应用胡小武（神华亿利能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯，014300）摘要： 工业废水处理工艺系统越来越广泛应用于企业的废水处理中。神华亿利煤矸石电厂利用高效反渗透废水处理工艺系统，对电厂中的各种工业废水进行处理，从而达到废水再循环利用，实现 了废水零排放。关键词： 零排放 废水处理 火电厂 灰水循环冷却水 工业废水文章编号：1674-8492（2011）05-092-05中图分类号：X773文献标识码：A1概述我国是个水资源短缺的国家，人均水资源量约3工业废水处理工艺的选择神华亿利煤矸石电厂高效反渗透废水处理工艺为 2200m3，约为世界平均水平的四分之一。而且水资源供需矛盾突出，据统计全国 600 多个城市半数以 上缺水，其中 108 个城市严重缺水。随着经济的发展，用水量持续增长，用水结构也在不断调整，节约用水、高效用水是缓解水资源供需矛盾的根本途径。 在全国总取水量中，农业约占 70%，工业约占 20%，生活约占 10%。而我国火力发电厂取水量约占总工业取水量的 50%。因而发电企业实施节水及高效用 水战略，不仅是电力行业的一个经济问题，更是关系 到电力工业持续发展和保证经济和社会快速健康发 展的重大社会问题。本文分析了反渗透系统运行的特点，对制约反渗透系统回收率提高的因素进行了分析，并结合神 华亿利煤矸石电厂高效反渗透废水处理工艺系统的应用实例，充分阐述了高效反渗透废水处理工艺系统在工业废水处理中的有效应用。系统主要采用“石灰软化 + 过滤 + 离子交换 + 反渗透”的处理工艺，主要包括废水收集和输送系统、预 处理系统、离子交换系统、反渗透系统、RO 浓水回用系统、加药系统、压缩空气系统。3.1 神华亿利煤矸石电厂工业废水种类及特点电厂所排工业废水主要有四类，一类是含油的 废水，主要是油库区的含油废水，这部分水水量小，为非连续性工业废水；一类为使用后盐份浓缩的废 水，主要是循环水排污水和化学车间的废水；一类为 使用后悬浮物增加的水，包括主厂房地面冲洗水和 无阀滤池反洗排水；一类为温度较高的锅炉排污水和疏放水。这四类工业废水目前在电厂管系系统为合流制，也就是目前电厂所有的工业废水都通过总 排口排放。3.1.1 含油废水油库区的含油废水由于油的含量较高，处理水 量较小，平均仅有 1m3/h，工业废水处理系统 将这部 分水从工业废水管网中分流出来，单独改造含油废 水排放管道系统，将这部分废水就近排放到煤场随煤一起燃烧处理。3.1.2 循环水排污水厂区内的循环水是混凝澄清处理后的黄河水经 机械通风冷却塔自然浓缩至 1.52.5 倍后的水，且水中添加了一定量的缓蚀阻垢剂和杀菌剂，连续排 放，排污量 45m3/h，部分送至输煤系统和煤场进行冲 洗、喷洒、抑尘，剩余部分排至厂区内的工业废水管 网。冷却塔排污水水质见表 1。2项目简介神华亿利煤矸石电厂位于内蒙古鄂尔多斯市达拉特旗，该厂安装有 4200MW 空冷发电机组。采用 循环流化床脱硫工艺，由于没有下游用户，电厂各种 废水难以处置。为减少全厂外排废水量，降低单位发电量取水量，电厂实施了废水零排放工程，将各种废水经深度处理后进行回用。神华亿利煤矸石电厂 4200MW 电厂废水“零 排放”工程项目于 2009 年 9 月正式开 工，2010 年 6 月开始进入调试阶段，2010 年 9 月正式移交生产。93第 5 期胡小武：高效反渗透废水处理工艺在电厂废水零排放中的应用表 1 冷却塔排污水水质工业废水处理系统。因生活污水由园区统一处理，本工程只考虑工业废水处理。表 3 锅炉排污水水质项 目单 位分析结果项 目单 位分析结果全固形物溶解固形物 悬浮物二氧化硅钙离子 钠离子氯 根mg/Lmg/Lmg/Lmg/Lmmol/Lmg/Lmg/L1811.21786.824.418.823.67710.8178碱度PM 总硬暂硬永硬pHmmol/Lmmol/Lmmol/Lmmol/Lmmol/L1.311.58.83项 目单 位分析结果项 目单 位分析结果硬度二氧化硅钙 离 子 钠 离 子氯 根 磷 酸 根mg/Lmmol/Lmg/Lmg/Lmg/L2.570.11.034.00.4PM 总硬暂硬 永硬mmol/Lmmol/Lmmol/Lmmol/Lmmol/L0.81.20.17碱度9.136.67硬度CODMnmg/L 磷酸根 mg/L 3.0 电导率 s/cm 2560 3.1.3 水处理车间废水化学车间锅炉补给水处理系统采用超滤、反渗 透、离子交换除盐工艺，排水包括反渗透设备清洗 水、反渗透浓排水、中和处理后的离子交换树脂再生 废水。清洗水排放量 2m3/h，水质好，回收至冷却塔。废水排放量 46m3/h，排至厂区工业废水管网。化学车间排水水质见表 2。 电导率 s/cm 78.4 pH 9.47 3.2.2 系统设计进水水质工业废水除盐处理系统 进水由循环水排污水、 化学车间排污水以及锅炉排污水和疏水组成，其水 质分别见前表 1、表 2。根据进入废水处理站的排水量加权平均计算的含盐废水混合后的水质见表 4，部分指标考虑最差水质。表 4 工业废水除盐系统进水水质表 2 化学车间排水水质项 目单 位分析结果项 目单 位分析结果项 目单 位分析结果项 目单 位分析结果全固形物溶解固形物悬浮物活性硅 SiO2钙离子钠离子 氯 根全 铁磷酸根 三价铁mg/Lmg/Lmg/Lmg/Lmmol/Lmg/Lmg/Lmg/Lmg/Lmg/L1483146221274.94241482331.6219PM总硬 暂硬永硬mmol/Lmmol/Lmmol/Lmmol/Lmmol/L0.6516.622.23碱度全固形物溶解固形物 悬浮物二氧化硅钙离子 钠离子氯 根磷酸根mg/Lmg/Lmg/Lmg/Lmmol/Lmg/Lmg/Lmg/L115411361834.766.03135.41180.2PM 总硬暂硬永硬mmol/Lmmol/Lmmol/Lmmol/Lmmol/L016.622.23碱度硬度硬度pH 值CODMn电导率8.63.92180pHCODMn电导率8.111.091798mgO2/Ls/cmmg/Ls/cm3.1.4 地面冲洗水和无阀滤池排污水电厂内的无阀滤池需要进行定期反冲洗，用工 业水进行反冲洗时将产生一部分废水，折合到小时 平均排放量为 6m3/h，悬浮物含量 50100mg/L，其它 水质指标同原水水质。废水排至厂区内的工业废水管网。主厂房冲洗产生间歇性排水，平均排放量约3m3/h，排至厂区内的工业废水管网。3.1.5 锅炉排污水和疏水电 厂 内 4 台 锅 炉 定 期 排 放 污 水 ， 平 均 排 放 量27.6m3/h，疏放水平均排放量 4m3/h，水温约 110，排 水水质见表 3。3.2废水处理工艺及设施选择3.2.1 废水处理系统的设计原则电厂所排废水为厂内未能重复利 用的废水，成 分复杂，水质差别较大。生活污水中有机物含量高，易生化，工业废水中无机盐含量高，有机物含 量低，因此将生活污水和工业废水进行分类收集、分类处 理、分质回用，废水处理站分为生活污水处理系统和3.2.3 系统设计出水水质出水送入化学车间锅炉补给水处理系统的淡水 箱或清水箱，出水水质要求达到离子交换系统的进 水水质要求。根据 工业用水软化除盐设计规范（GB/T50109-2006），具体水质指标见表 5、表 6。表 5废水零排放处理系统出水水质序号项目单位基本设计值1234浊度水温CODMn游离氯（以 Cl2 表示）NTU mg/L mg/L254020.1 5 铁（以 Fe 表示） mg/L 0.3 表 6 预处理设备出水水质序号项目单位基本设计值浊度硬度NTUmmol/L52.4重力滤池出水 弱酸阳床出水 硬度 mmol/L 0.1 94第 5 期3.2.4 工业废水除盐工艺及设施的选择进入工业废水处理站的工业废水，水中含盐量 和硬度较高，需要通过除盐处理后回用到锅炉补给 水处理系统。除盐工艺通常采用物理或化学的方法降低或去 除水中的绝大多数盐类，以获得纯度较高的除盐水。除盐方法通常分为蒸馏、离子交换、电渗析、EDI（电 去离子）、反渗透。对于本工程废水零排放系统，要求除盐工艺具 有 系 统 可 靠 、出 水 稳 定 、自 动 化 程 度 高 、检 修 方 便 和 制水 成 本 合 理 的特 点 。 蒸 馏 法由 于 投 资 和 运 行 费 用 均 较 高 ，热 交 换 部 分 宜 结 垢 ，运 行 维 护 麻 烦 ， 一般不采用。目前，我国常用的除盐工艺主要有离子交换法、电渗析法、EDI 技术、反渗透法。根据这几 种工 艺 方 法 的特 点 ， 本 工 程 采 用 反 渗 透 脱盐 处 理工艺。项目高效反渗透（HERO）常规反渗透（RO）反渗透的回收率取决于水中的难溶物，有些盐与 pH 值无关，比如：Ba、Sr、Ca 及 Mg的硫酸盐和氟化物。这些物质在常规的反渗透系统中是靠投加昂贵的阻垢剂来控制的，费用高，清洗频繁，每次30min，同时需酸、碱反洗，投资及运行费用高。反渗透的回收率取决于水中 的难溶物，有些盐与 pH 值有 关，比如：CaCO3 和 SiO2。这些 物质会污染膜。CaCO3 的污染在预处理中已去除 Ba、Sr 及硬度等多价离子，不会产生药剂消耗CaF 等难溶物，无需添加昂2贵的阻垢剂，减少了清洗次数，缩短了停机时间，降低了运行费用。在预处理中已去除硬度和碱度，不会有 CaCO3 的污染。在pH 高的条件下，SiO2 的溶解度非常高，对反渗透的回收率运行效果不会有影响，因此运行稳定， 可通过调低 pH 实现，但这对除 硅 效 果 好 ， 可 以 解 决 高SiO2 没有作用，无法解决高SiO2 含量与高回收率的问题。 SiO2 含量与高回收率的问题。预处理不需使用投资高的超 预处理需使用投资高的超滤系 滤系统，同时浓水产生量少， 统，同时浓水产生量大，有投资只有 5%，可避免使用投资昂贵的蒸发器，大大节省了投资。由于不用投加昂贵的阻垢剂25%，对于本项目来讲，需要增加蒸发器，增加投资150 万美元。运行费用需 投 加 昂 贵 的 阻 垢 剂 及 复及复杂的在清洗，比常规反杂的在线清洗，运行费用高。 渗透运行费用低 1520。国外已经有较广泛的应用，国内 还 不 是 很 普 及 ， 罗 斯 韦 尔125/165MW 联合循环电 厂 ，TURLOCK 区 250MW 联合循 国 内 外 均 已 经 有 较 广 泛 的环电厂等 15 个电厂零排放工程 应用。使用了 HERO 工艺，国内的石家庄裕华热电 1200 m3/h 污水回用项目也采用了 HERO。4高效反渗透技术高效反渗透（HERO）是特殊的反渗透工艺，是常规反渗透工艺的改进，可以很容易处理常规反渗透不能处理的原水，特别是用于各种工业循环废水。其 原理是通过软化工艺去除来水中的硬度，然后再通过脱气去除水中的二氧化碳，加碱将反渗透进水的pH 调到 8.5 以上。在这种高 pH 环境下运行，与常规 的反渗透相比，HERO 增大了 SiO2 的溶解度，使得回收率能够达到 95。4.1高效反渗透与常规反渗透比较（见表 7）应用4.2 新型抗污染反渗透膜元件PROC10 特点PROC10 是由日本电 工集团 / 美国 海德 能公 司 研发的一款新型抗污染反渗透膜元件，该膜元件有 三项日本电工集团 / 美国海德能公司专利技术。（1）高分子聚合技术，平膜致密度增强。（2）新型给水隔网，大幅度降低系统运行时的压 力阻力。（3）新型端板（ATD），加设端板排气结构，降低反渗透膜元件机械破损概率。 首先，致密度的增加，提高了反渗透膜的脱盐率和化学稳定性，延长了膜的使用寿命。再次，特殊形 状的 0.86mm 给水隔网大幅度降低了膜元件的压力 损失，减少了隔网对污染物的阻碍，从而保证反渗透系统阻力小，少污堵，易清洗，明显改善膜系统前后段的水平衡。此外，膜元件两侧端板上各增加了 6 个 排气槽，加快了膜元件与压力容器间隙中空气的排除速度，可有效缓解系统启动时瞬时升压对膜系统 的产能冲击，降低膜元件发生机械破损的概率。表 7 高效反渗透与常规反渗透比较 项目 高效反渗透（HERO） 常规反渗透（RO） 高达 95%，在废水零排放系统中更具有优势，使得进入蒸发系统的废水 量更少，投资及运行费用降低。产水回收率75%，浓水排放量较大。进 水 SDI 5 要 求 严 格 ，预处 理 需 配 套 投 资 高 的 超 滤或微滤系统，增加投资，当超滤出问题时，也可以导致反渗透堵塞。虽 然 预 处 理 中 超 滤 系 统 可 去除大分子长链有机物，但 小 分 子 的 有 机 物 同 样 可 以 透过超滤，所以反渗透依然 存在有机物污染，还存在硬 垢、硅垢、油脂、颗粒物等污 染，需进行在线反洗和定期 化学清洗，控制复杂。预处理系统进水需去除硬度，但对进水中的 SDI 没有限制。反渗透膜是在高 pH 环境下运行的，这种环境对于大部分的污染物是属于一种清洗的环境，包括有机污染物，在这种操作条件下，可非常有效 地 防 止 这 些 污 染 物 的 污染，因此无需复杂的清洗工艺，减少了污堵。膜的清洗95第 5 期胡小武：高效反渗透废水处理工艺在电厂废水零排放中的应用4.3反渗透膜元件PROC10 性能参数（见表 8）表 8 反渗透膜元件PROC10 性能参数5该工艺系统实际运行情况5.1系统实际运行情况该项目自 2010 年 6 月投入运行以来，一直运行 稳定，各项运行指标均达到设计要求。表 9 为项目从2010 年 6 月份投产以来的运行情况。公称产水量 脱盐率（%冤有效膜面积给水隔网厚度型号Ft2/m2GPD/ m2/d公称最低mil PROC10 400/37.2 10/500/39.7 99.75 99.6 34 4.4 制约反渗透回收率的因素对常规苦咸水而言，采用反渗透预脱盐技术目 前应用广泛，但回收率一般只能做到 75%左右，制约其回收率提高的因素主要有以下几个方面：（1）无机离子的结垢，主要为钙、镁、钡、锶、铁等 二价或三价离子产生的结构。（2）悬浮物污堵。（3）有机物及微生物污堵。 上述因素中，通常离子的结垢是制约反渗透回收率进一步提高的主要原因，如果有合适的预处理 手段将结垢性风险降到最低，就可以提高反渗透的回收率。高回收率反渗透就是采用这一思路，通过增 加石灰软化工艺降低水中的暂硬和水中悬浮物、胶 体、二氧化硅等的含量，通过离子交换软化工艺去除 来水剩余的硬度，通过脱气去除水中的二氧化碳，通 过投加少量阻垢剂抑制浓水中的二氧化硅，从而使反渗透的回收率提高到 90%95。4.5 高效反渗透特点高 回 收 率 反 渗 透 特 别 适 用 于 各 种 工 业 循 环 废 水。高回收率反渗透工艺主要特点有：产水回收率 高，极大减少反渗透浓水的排水量。由于进水中结垢 性风险已经降低，因此膜的清洗周期将更长，运行更 稳定。由于反渗透膜的应用已经普及，膜的价格也 比较便宜，这相对于采用蒸馏工艺浓缩高含盐量的废水而言，设备投资将显著降低。通常经工业过程浓缩后的苦咸水含有较高的暂硬，若配合以石灰软化 工艺，将可以大大降低后续离子软化的负担，降低运行成本，并可以进一步提高进水水质。4.6神华亿利煤矸石电厂高效反渗透废水处理系统 流程（见下图）至化学水池、辅机水池表 92010 年 6 月份投产运行情况序号日期2010-6-142010-7-212010-8-5备注工艺段水质pH电导 s/cm酚酞碱 mmol/L9.3229292.49.5631222.29.8733002进水调节池运行班化验数据1甲基橙碱度 mmol/L7.57.86.5硬度 mmol/LpH硬度 mmol/L 全硅 mg/L511.02211.24.710.51.65.64.96122.49.8石灰澄清池出水钠床 出水 弱酸床 出水运行班化验数据2运行班化验数据运行班化 验数据3硬度 mol/L82125784硬度 mol/L32110进水温度 进水电导 s/cm1# 产水电导s/cm26212236.250.012.620.0527230835.249.82.630.0522242330.550.132.650.05现场在线表数据#3反渗透装置1 出水流量 m /h1# 浓水流量 m3/h1# 一段段间压差MPa5现场就地压力表换算数据1 二段段间压差MPa#0.020.020.02注：2# 反渗透运行数据与 1# 类似，表中未列出。5.2系统性能检查情况2010 年 9 月至 12 月，西安热工研究院技术人员对 该系统做了现场性能测试。相关主要测试指标见表 10。表 10 系统性能测试指标 测试项目测试内容平均测试结果单位RO 出水浊度RO 出水水温 RO 出水 CODMnRO 出水游离氯 Cl2RO 出水铁（以 Fe 表示） RO 浓水硬度RO 浓 水含 盐量 /RO 进 水 含盐量RO 浓水 pH1# 反渗透脱盐率2# 反渗透脱盐率 浊度硬度0.14628.40.48013.660.14NTUmg/Lmg/L g/L mmol/L反渗透系统21.8-7.1595.19%95.57%0.663.88- NTUmmol/L渗透重力滤池出水 弱酸阳床出水 硬度 0.055 mmol/L 图 高效反渗透废水处理系统流程气浮池调节池机加澄清池重力滤池清水池钠床弱酸床上清液回流缓冲池污泥浓缩池灰渣调湿等废水池浓水电厂废水淡水产水反中间水箱除碳器96第 5 期5.3系统运行情况总结经过一段时间的运行以及性能测试来看，整个 系统运行比较平稳，通过对调试和运行数据的分析， 总结如下：（1）反渗透的回收率和脱盐率。从以上表看出， 回收率实现了 95，脱盐率为 95 左右，实现了设计目标。（2）反渗透的稳定运行。该项目采用了美国海德 能 公 司 的 宽 流 道 抗 污 染 型 PROC-10S 反 渗 透 膜 元 件，反渗透进水 pH 值维持在 89 之间，反渗透装置 的段间压差、产水水量、水质等均维持基本稳定。（3）水中钙、镁、铁等二价、三价金属离子的结垢 在预处理得到了控制。在石灰软化和离子交换的前处理工艺中，硬度得到了去除，且除碳器去除了水中残留的游离 CO2， 原水中结垢性成分已经得到了去除。实际运行过程中，控制钠离子交换器的失效终点为 200mol/L 硬 度，弱酸离子交换器失效终点为 100mol/L 硬度。（4）二氧化硅的去除。澄清池去除了一部分原水 中的二氧化硅，反渗透入口投加了少量控制硅污染 的阻垢剂（FILCORE TREAT-2010 型，投加量1ppm），该阻垢剂同时还具有控制钙镁垢的作用。（5）悬浮物污染、有机物和微生物的控制。由于 电厂工业废水中有机物含量较低，且石灰澄清池软化工艺还具有消毒、沉淀有机物的功能，运行过程中 没有出现有机物和微生物。反渗透装置的段间压差也基本维持稳定，没有 出现悬浮物污堵。程于 2010 年 6 月开始运行，到现在已 经运行一年多，总计处理工业废水近 40 万 t，系统水耗为 5.5%， 而生净水约为 38 万 t，折合除盐水为 27 万t。使用外来 水按 3 元 /t 计算，向园区外排水按 50 万元 / 月计算， 药品消耗与电耗费用初步计算为 10 万元 / 月，则总共节约资金 46.3 万元 / 月，全年可以节约资金近 550万元。7结束语高回收率反渗透工艺系统在处理电厂工业废水时，具有回收率高，膜结垢污染风险低，出水水 质稳定等优点，同时在投资、运行管理等方面与常规反渗 透技术相当。通过目前运行实际情况来看，该系统能够很好的解决电厂废水外排与用水问题，具有可观的经济及社会价值。当前，高回收率反渗透技术在电 厂工业废水回用处理及零排放方面的应用还较少，但可以预见，其在工业废水的回用上，将具有广阔的 应用前景。参考文献1 反渗透和纳滤膜产品技术手册M.美国海德能公司，2007.2 靖大为，王春艳，梁全民. 反渗透系统给水电导率与 pH 的系统影 响J. 工业水处理，2006.3 陈颖敏，莫莉萍，苏金坡，孙路长，罗小燕.膜技术应用于循环冷却排污水的再生回用J.华东电力，2005.4 徐峰，操家顺，蔡娟.反渗透工艺处理电厂循环冷却排污水J.给 水排水，2004.5 许臻，袁国全，苏艳，杨兴.神华亿利煤矸石电厂废水零排放处理 系统