我国北方煤炭资源丰富并建设有大量火电厂, 但水资源极度缺乏, 随着火电厂废水排放标准要求的日益严格及用水、排水收费制度的建立和完善, 火电厂作为用水、排水大户, 无论从环境保护还是从经济运行角度来看, 节约用水和减少外排废水已势在必行^[1]。

　　 火电厂工业废水主要包含:循环排污水、化学车间的废水、主厂房地面冲洗水、无阀滤池反洗排水、锅炉排污水和疏放水^[2]。以上废水为使用后盐份浓缩, 悬浮物含量增加的废水, 具有高含盐量, 高硬度, 高悬浮物等特点。目前国内针对该类废水还没有稳定成熟的处理工艺, 通常直接排放, 因此造成了大量水资源的浪费, 同时大量高含盐废水对纳污水体又会造成极大的污染。通过对以上火电厂废水的特性研究, 本工程采用高密度沉淀-过滤-离子交换-超滤-反渗透的组合处理工艺, 该工艺回收率可稳定达到94%, 脱盐率98%、处理效果稳定、产水可全部回收到原电厂锅炉补给水淡水箱, 因为高回收率系统只产生极少量浓水, 排放至灰渣仓库拌湿即可消纳, 实现了火电厂废水的近零排放。

　　 本工程处理的总废水量64.1m³/h。具体水量分布如下:冷却循环排污水17m³/h, 化水车间废水45m³/h, 锅炉及高温取样架排污水2.1 m³/h。设计进出水水质详见表1。

　　 (见图1)

　　 废水预处理系统包括:调节池、高密度澄清池、石英砂过滤器等设施。其中调节池设计停留时间24h, 利用原废弃冷却循环塔积水池改造, 池底设计空气搅拌设施, 收集多股来水, 均质均量;高密度澄清池设计2组, 单套系统中预混合池规格1.1 m×1.1 m×5.8m、停留时间8 min, 絮凝反应池规格1.1 m×1.1m×7.3m、停留时间12.6min, 澄清分离池规格3m×3m×7.3m、上升流速:2.5~3.5mm/s, 该设施配套快混搅拌机、絮凝搅拌机、刮泥机、污泥循环回流泵等设备, 通过投加石灰乳、FeCl₃溶液及PAM助凝剂等药剂, 降低来水中硬度及悬浮物, 去除率可稳定在75%~80%;石英砂过滤器设计2台, 采用重力进水, 减少一级提升, 滤层厚1 200mm, 滤速10m/h, 该设施进一步降低来水中的悬浮物, 设计去除率80%, 保证出水浊度≤3NTU。

　　 离子交换系统包括:钠床、弱酸床及脱碳器等设施, 主要目的是去除来水硬度及游离CO₂。钠床设计2用1备, 树脂牌号001×7凝胶型、交换容量900mol/m³、床层厚1 700mm、流速30m/h, 该设备设计硬度去除率70%~80%, 再生周期24h;弱酸床设计2用1备, 树脂牌号D113大孔型、交换容量1 600mol/m³、床层厚1 500mm、流速35m/h, 该设备设计硬度去除率100%, 再生周期168h;脱碳器设计2套系统, 流速50m/h、塔内设计1 500mm厚、50多面空心球填料, 保证出水CO₂含量低于5mg/L。

　　 膜系统包括:超滤装置、反渗透装置及配套设施, 主要去除来水中的悬浮物、有机物及阴阳离子。超滤设计2套独立系统, 进水处设置100μm自清洗过滤器, 超滤膜设计通量45L/ (m²·h) , 死端过滤, 采用水反洗, 流量100m³/h, 设计出水SDI≤3;反渗透系统2套, 配套2台5μm保安过滤器, 反渗透膜设计通量17L/ (m²·h) ^[3], 最高回收率95%, 采用一级三段布置, 设两段增压泵, 产水脱盐率设计95%, 可稳定在98%。

　　 污泥脱水系统主要收集高密度澄清池排泥, 采用压力输送至污泥池, 污泥池内设置污泥浓缩机, 设计高密度澄清池排泥含水率98%, 浓缩池污泥含水率95%, 污泥系统配套变频污泥输送泵2台, 离心脱水机2台, 均1用1备, 单台处理能力3m³/h。

　　 我国北方地区极度缺水, 为节约用水, 火电厂通常将冷却塔循环水的浓缩倍率设置为5~8, 导致火电厂排放的工业废水非常浑浊且悬浮物含量达到50mg/L以上^[4]。如果不能有效降低来水悬浮物和浊度, 会对后续工艺造成很大的负担, 产生离子交换设备交换容量下降, 超滤膜频繁反洗, 反渗透膜堵塞, 膜通量下降等严重问题, 因此本工艺采用高密度澄清池-石英砂过滤的预处理设计, 通过投加FeCl₃ (投加量30mg/L) 强制混合絮凝搅拌澄清, 产水在经过石英砂过滤, 可确保石英砂过滤器产水浊度≤3NTU, 满足后续工艺运行要求。

　　 北方地区火电厂排放工业废水硬度因锅炉补给水多采用地表水, 硬度大多在2~3mmol/L, 经过化水系统浓缩4倍后, 一般都在10 mmol/L以上, 为极硬废水。为了实现火电厂废水的近零排放, 本工艺需要将反渗透回收率提高到95%以上, 在这种高回收率的工况下反渗透膜在运行过程中极易结垢, 废水的朗格利尔指数 (LSIC) 必须≤0。本工艺在设计中通过高密度澄清池-钠床-弱酸床三级除硬工艺确保废水中硬度在进反渗透系统以前降低到0.1mmol/L以下;同时在反渗透进口处增加pH调节装置, 运行过程中将反渗透进水pH调节到9~10运行^[5]。弱碱性条件下运行反渗透膜的电位变为负电位, 大部分自然产生的颗粒带负电荷, 两个负电荷互相排斥, 所以颗粒很难吸附在膜壁上;在碱性工况下脂肪酸发生皂化, 有机物保持溶解状态, 不会吸附在膜壁上;通常膜的有机物结垢用高pH的水来进行强洗的, 碱性工况下运行反渗透膜, 相当于反渗透一直处于柔弱在线清洗状态很少有机体能在高pH工况下存活, 也不可能繁殖, 因此水中生物结垢不可能发生。通过以上几种措施, 本工艺解决了高回收率工况下各种超滤反渗透膜的结垢和污堵问题, 使系统能够稳定运行。

　　 在高密度澄清池软化废水时, 采用投加石灰乳除硬, 该方式仅适合于暂硬废水, 本工程废水硬度为10.33mmol/L, 碱度13.3mmol/L, 废水中存在2.97mmol/L的负硬度, 满足采用石灰乳除硬的条件, 同时设计省略了碳酸钠加药系统, 降低运行成本。

　　 为确保反渗透膜冬季运行, 设置了蒸汽加热措施, 使进入反渗透膜的废水水温稳定在20~25℃, 避免了反渗透膜通量因为温度变化而大幅波动, 保证了系统的稳定运行。

　　 本工程地处鄂尔多斯地区, 冬季正常气温约-15~-30℃, 工程设计时充分考虑了这一因素, 采取了系列措施确保工程的正常运行, 如:构筑物尽量采用地埋或半埋方式, 所有构筑物加盖;冻土层以上及地上部分采用防火保温板保温处理;所有设备尽量安装在室内并设计采暖, 所有外漏及冻土层以上管道、阀门均采用保温及电伴热措施。

　　 本工程总投资1 386万元, 系统设计产水能力60m³/h, 日投资费用0.96万元/m³, 相比于震动膜等其他针对工业废水的膜浓缩工艺投资费用降低30%以上。

　　 该系统总运行费用3.653元/m³, 详见表2。系统装机容量287.25kW, 使用功率203.5kW, 电费1.24元/m³, 占运行费用的33.9%;消耗药剂主要包括:氢氧化钙、盐酸、氢氧化钠、絮凝剂、氯化钠等, 药剂成本1.22元/m³;耗材费主要为超滤反渗透膜折旧, 保安过滤器滤芯更换, 折合成本0.653元/m³。与火电厂传统双膜法制水工艺相比运行费用仅增加40%左右, 主要集中在药剂部分。

　　 该工程于2015年11月完工并进入调试阶段, 调试过程历经30余天, 调试工作的重点在于最佳药剂投加量的确定以及工艺系统的稳定性联调。最佳药剂投加量主要针对絮凝剂 (FeCl₃) 、石灰乳、钠床再生用NaCl溶液、弱酸床再生用盐酸溶液等药剂, 在运行过程中根据理论数据结合试验结果, 最终确认。最佳运行工况下, 对系统的稳定性进行联调, 系统经过168h性能验收后废水出水水质达到设计要求, 电导率≤50μS/cm、脱盐率≥98%、SDI≤3、系统回收率≥94%, 出水水质稳定且优于合同要求, 其详细水质见表3。

　　 (1) 采用以高密度沉淀-过滤-离子交换-超滤-反渗透为主的处理工艺处理电厂工业废水, 出水水质稳定, 电导率≤50μS/cm、脱盐率≥98%、系统回收率≥94%, 该工艺在电厂废水处理近零排放中具有良好的应用前景。

　　 (2) 本工艺中反渗透设施是整个工艺的关键设备, 为保证该工艺在高回收率下稳定运行, 进反渗透以前废水硬度需保证≤0.1mmol, 必要时可投加3~5mg/L阻垢剂, 避免反渗透膜结垢;反渗运行中进水pH应调整为9~10, 过低的pH会增加系统污堵和结垢倾向, 但过高的pH会导致产水电导率大幅上升。

　　 (3) 本废水处理系统, 主要针对火电厂工业废水, 含盐量高、硬度极高、污染程度高, 为保证系统连续稳定运行, 建议超滤设计通量≤50L/ (m²·h) , 反渗透设计膜通量为16~18L/ (m²·h) 。

　　 (4) 钠床作为本工艺一道重要的除硬工序, 虽然来水经过高密度澄清池软化后才进入钠床, 但进水硬度仍然较高, 导致钠床再生周期短, 再生工作量大, 因此钠床再生系统必须设计为全自动工艺, 且应该保证再生用NaCl溶液浓度≥25%。

　　 (5) 采用10%的石灰乳溶液软化废水, 只适合暂硬废水, 这样可省略碳酸钠加药系统, 大幅节约运行成本, 但同时也会产生大量污泥, 且在石灰加药系统设计时建议料仓增加电加热系统, 防止受潮板结, 加药管路采用软管并增加反冲洗设计。