随着《环保法》《水污染防治行动计划》 (水十条) 等相关法律法规的出台, 国家对水资源利用及污染防治提出了更高的标准。燃煤电厂属于用水大户, 首先燃煤电厂要在生产发电过程中节水减排, 减少原水取用量;其次从可持续发展和节能降耗的角度考虑, 需对燃煤电厂的取水、用水进行合理科学地规划, 对排水和废水进行分级、分类处理, 回水分级、分类全部重复使用, 通过此种内部循环使用的方式, 实现燃煤电厂废水零排放或近零排放, 所谓“零排放”水处理技术即通过自然闭式循环和强制闭式循环相结合的方法, 消除水污染和废水排放, 提高资源利用率^[1]。

以江苏长江南岸某燃煤电厂为例, 此厂为20世纪50年代建立的燃煤电厂, 经几次扩建改造和关停后, 现役机组总容量为2×330 MW+2×1 000 MW。目前全厂4台机组采用直流冷却方式, 通过循环水泵从长江南岸取水, 经凝器冷却后深排长江, 电厂自用水取自循环水泵出口母管, 经过化学预处理后, 分别供全厂工业水、消防水、生活水及锅炉补给水处理水源;工业水作为辅机冷却水及脱硫工艺补充水、含煤废水处理补充水及其他杂用水。具体取用水流程如图1所示。

主要由化学预处理澄清池排水、过滤设备反洗水、反渗透浓水、水处理树脂再生酸碱废水, 机组泄漏和停炉排水、工业冷却水、锅炉及厂房冲洗水, 脱硝氨站排水, 此类废水成分很杂, 悬浮物及含盐量高, 并含有一定量的氨氮。

主要是厂区各建筑物、生活区、食堂内排出的生活污水, 此类污水有机物、COD、氨氮含量较高。

电厂内的输煤系统除尘、输煤栈桥冲洗水、煤场初期雨水等区域的含煤废水, 此类废水水质浑浊, 主要含煤粉、煤渣^[2]。

主要来源石灰石—石膏法脱硫外排和石膏冲洗废水, 此类废水含盐量高水质浑浊, 主要含石膏浆液, 悬浮物, 并含有毒、有害的重金属。

原水预处理污泥沉淀池、工业废水处理站、脱硫废水处理站等处理的水中悬浮物沉淀后产生一定的污泥水, 此类废水渣泥含量高。

新建锅炉或大修锅炉化学清洗废水 (含有机酸) 此类水质很差, 泥渣、COD、氨氮含量较高。

空气预热器、省煤器和锅炉烟气侧等设备冲洗排水, 灰渣含量高。

主要是电除尘、灰管道、排渣系统、储灰系统冲洗的废水, 水质浑浊, 主要含灰渣。

油库区油罐冲洗、机房油箱、油站漏油的冲洗水。

在进行燃煤电厂废水综合治理之前, 需通过水平衡测试对全厂的用水情况进行摸底, 为后期节水用水、废水综合治理、废水分级、分类循环利用过程提供技术指导。测试内容如下:

(1) 全厂原水总消耗量及用水调查。包括总取水量、用水量、循环水量、回用水量、串用水量、消耗水量、排放水量等, 计算全厂发电耗水量、回用水率等。

(2) 各分系统耗水量的测定。包括低压工业水系统、杂用冲洗水系统、脱硫工艺用水、生活用水、消防用水等。

(3) 排放废水量、回用水量的测定。测试废水处理系统的水量及处理后清水的回用、排放水量。

根据水平衡测试的结果对全厂用水合理性进行分析, 做到水资源“分级、分类”利用, 实现“清污分流、雨污分流”, 各种废水分级、分类处理, 处理过程中避免各类废水混合, 造成二次污染, 增加处理难度和处理成本;同时各专业实现资源与设备共享, 相互补充, 避免重复建设;从全厂的角度提高水资源利用率, 使废水资源化、减量化, 做到全厂废水综合利用, 实现火力发电厂废水零排放或近零排放。

燃煤电厂全厂的清水全部由化学专业对原水净化处理后供给, 因此化学水处理的取水量决定全厂总耗水量, 所以节水要从源头开始, 首先化学预处理和预脱盐系统要实现闭式水循环运行, 排水分级回用, 不外排处理 (此技术已申请专利) , 实现分系统的近零排放, 具体设想如图2所示。

如图2所示化学预处理正常运行时, 澄清池排污水、过滤设备反洗水水质较好, 主要为原水中的悬浮物, 无其他污染, 可全部排至污泥沉淀池, 经自然沉降后清水全部回收, 重新作原水使用, 减少原水取用量;反渗透浓水水质很清、含盐量偏高, 可以全部回收至工业水池和回用水池稀释, 作为工业冷却水、脱硫工艺水、煤场冲洗水等其他杂用水;污泥全部排至煤泥水处理系统, 经处理后清水回煤场自用或排至回用水池, 泥渣与煤泥混合送至煤场。该厂取水为长江水, 年自用水取水量约1 000万m³, 近几年平均悬浮物含量50 mg/L;每年产生污泥约500 t, 按照50%含水率, 每年产生的泥水为1 000 t, 煤泥水处理系统完全可以接受。所以, 燃煤电厂通过此种方式运行可实现预处理制水系统的闭式循环运行, 既可以减少原水取用量, 又可以减少废水处理设施的投资及运行费用。

燃煤电厂产生的工业废水主要有锅炉补给水一级除盐、混床、凝水精处理混床再生酸碱废水、酸碱储罐区和次氯酸钠储罐区冲洗废水、机组排水、锅炉及厂房冲洗水, 以及2.2部分描述的部分非经常性废水, 此类废水成分很杂, 含盐量高。统一排至废水储存池后, 经过曝气混合氧化, 再经过酸碱中和、絮凝、沉淀处理后出水达到《污水综合排放标准》 (GB 8978-1996) 一级排放标准, 清水循环回用至工业水池和回用水池, 如果处理的后清水有余量不能及时使用, 可以回到工业废水池应急储存。浓缩污泥排至煤泥水处理系统与煤泥水一起处理。工业废水回收利用工程流程如图3所示。

全厂生活污水处理系统可以分区设点处理, 避免管道长距离输送, 造成管道堵塞。生活污水处理系统可以设置2～3个点, 各区生活污水送至就近处理系统。生活污水处理系统采用生物接触氧化法^[2], 生活污水处理后的清水氨氮含量较高可以作为绿化用水、厂区冲洗和马路除尘用水, 在各区生活污水处理站清水回用水泵出口预留接口给厂区冲洗和绿化洒水车, 多余的送至工业废水处理站进一步处理。生活污水处理回用工艺流程如图4所示。

煤场周围、输煤栈桥内设计了含煤废水收集池, 含煤废水进入含煤废水收集池后, 进行初步沉淀, 上清液通过管道自流或泵输送进入含煤废水前池, 并溢流到含煤废水沉淀池, 沉淀后的废水经过絮凝、沉淀处理后进入清水池, 循环使用;除此以外, 煤泥水处理系统还要收集化学预处理的泥水和工业废水处理的站的污泥, 含煤泥废水前池和含煤废水沉淀池内沉淀的煤泥通过抓斗捞起堆积在池边煤泥晾晒, 沥清水分后煤泥返回煤场重新利用。含煤泥废水处理系统可以实现闭式循环运行, 并且可以收纳化学制水系统不能处理的污泥, 减少全厂排放总量, 系统内消耗的水量由化学回用水补充。具体处理及回用流程见图5。

在考虑工业冷却水回用之前, 首先要把主厂房和脱硫区的辅机冷却水尽量改为闭式循环冷却水, 减少自用水量。然后考虑工业冷却水的回收, 工业冷却水水质较好, 无需处理即可收集、分级回用, 提高水资源利用率;但工业水冷却水用户分散, 相距较远, 因此需分区域统筹规划, 就近回收。主厂房区的工业冷却水排至机组回收水池, 再排至化学预处理回用水池统一回用;当回收水池不能容纳时应急排入机组排水槽, 再排至工业废水处理站统一处理回收。脱硫区域工业冷却水可直接回收至脱硫工艺水箱。在回收过程中尽量避免与酸碱性废水或其他废水混合, 避免二次污染, 导致处理难度和处理成本增加。工业冷却水回用如图6所示。

石灰石-石膏湿法脱硫技术是国内外燃煤电厂最常用的脱硫技术, 不但能脱除锅炉烟气中的二氧化硫, 还能有效的控制浆液中灰尘颗粒的浓度^[3]。脱硫工艺水主要用于石灰石制浆, 对水质要求不高, 为全厂回用水的主要用户, 不够时用工业水补充;损耗主要随烟气蒸发带走, 因此属于耗水大户。脱硫过程中为了维持设备中物质的平衡, 就必须排放一定的废水, 主要来自于旋流器的溢流水。脱硫废水具有高含盐量、高含氯量、高硬度、易结垢、强腐蚀性的特点, 并且含有大量的悬浮物及重金属, 是燃煤电厂废水处理的难点与重点^[4], 要真正的实现燃煤电厂的废水综合治理和零排放, 需要对脱硫废水进行深度处理。

目前还没有高效、经济、可靠的脱硫废水处理方法, 很多工艺处于摸索、试验阶段, 成功的案例几乎没有, 但笔者认为目前主要研究的主要方向为:

(1) 去除重金属。要想去除重金属必须要使用碱性试剂, 这些碱性试剂会把废水中的许多重金属生成沉淀, 从而去除重金属。在去除重金属的同时, 还能提升废水中的pH。

(2) 中和废水。首先要将脱硫废水排到混合池中, 之后在将石灰和碱性化学药剂放入。通过混合池水的酸碱调和, 就能去除里面的氟离子。

(3) 絮凝澄清。做完以上两个步骤之后, 还要向混合池里放入一定量的絮凝剂。这些絮凝剂可以让一些重金属沉淀形成较大的沉淀, 自然沉降在混合池底部, 容易分离。上部清水回用至脱硫工艺水箱, 循环使用, 不得排放。

(4) 污泥处理。最后的污泥是脱硫废水处理的难点, 也是燃煤电厂实现废水零排放的关键。这些污泥含有毒重金属, 目前主要的研究方向是采用绩效浓缩和蒸发处理, 但费用很高, 最后产生少量的固体废弃物。脱硫区取用水及废水处理回用工艺流程如图7所示。

锅炉化学清洗废水为新建锅炉或锅炉大修化学清洗的初放水, 一般含有柠檬酸、EDTA (乙二胺四乙酸) 等其他复合有机酸, 处理方法为先排放到工业废水储存池, 然后由清洗单位通过槽罐车送到有资质的单位处理, 不得外排。

锅炉冲洗水主要是机组大修时空气预热器、省煤器和锅炉烟气侧等设备冲洗排水, 水量较少, 灰渣含量高, 此类废水统一排至工业废水处理站。

含灰渣废水属于非经常性废水, 现代电厂包括老厂改造后均可实现干除灰和干排渣, 并对灰渣回收利用, 因此废水主要是电除尘、灰管道、排渣系统、储灰系统冲洗的废水, 量很少, 可以在干渣库和干灰库周围设置沉渣池和回收清水池。灰渣区域的冲洗水自然流至沉渣池经自然沉降后清水回收至清水池或工业废水处理站, 沉渣定期回收。

含油废水属于非经常性废水, 量很少, 除非发生油箱泄漏。燃煤电厂均设置废油池, 油水分离后, 废油回收, 废水排至煤场, 喷洒在煤堆上, 送入锅炉燃烧。

燃煤电厂虽然属于耗水大户, 但充分利用各专业的用水特点和有效资源, 对各类废水分级、分类处理, 处理后的水分级、分类各专业之间综合回收、循环使用, 是可以到达近零排放的目标。如经上述的设想处理, 所有专业的废水都可以回收循环使用, 最后的只有脱硫区少量的固体废弃物, 即所谓近零排放。燃煤电厂一般性全厂取用水及废水处理回用流程如图8所示。

对燃煤电厂节水提出以下建议:

(1) 雨排水的回收利用, 在厂各区建设雨水收集池, 用于厂区冲洗和绿化用水。

(2) 对消防水管网查漏消缺, 或进行改造, 消除漏点, 降低消防水耗量, 正常运行是消防水是没有损耗的, 系统维持稳压。

(3) 降低锅炉补水率。在保证设备正常运行前提下降低除盐水用量。如降低机组排气损失、调小各种仪表取样流量和人工取样流量, 提高机组水汽品质, 减少锅炉化学清洗次数。300 MW亚临界等级及以下机组凝结水精处理氨化运行, 300 MW等级以上超 (超) 临界机组给水加氧处理, 减低加氨量, 减少凝结水精处理再生次数, 减低水耗。

(4) 降低工业冷却水用量, 厂区各辅机冷却水尽量用闭式循环冷却水, 不得已用工业水冷却时, 冬季时适当降低冷却水流量, 并对工业冷却水回收。

(5) 节水生活用水, 动员全厂职工树立节水意识, 避免长流水, 可以采用节水型水龙头及脚踏板开关, 减少生活水用水量。