反滲透濃水與再生廢水用于循環(huán)水系統(tǒng)的可行性探究

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(1.華電漯河發(fā)電有限公司，河南 漯河 462300；2.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司， 鄭州 450046)

0 引言

水是寶貴的自然資源，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活必不可少的物質(zhì)。我國(guó)是一個(gè)缺水嚴(yán)重的國(guó)家，目前我國(guó)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活水污染排放負(fù)荷大，化學(xué)需氧量、氨氮排放總量遠(yuǎn)超環(huán)境容量。2015年，國(guó)務(wù)院頒布了《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(以下簡(jiǎn)稱水十條)，這是我國(guó)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的又一重大舉措。“水十條”確定的目標(biāo)是：到2020年，全國(guó)水環(huán)境質(zhì)量得到階段性改善，污染嚴(yán)重水體大幅度減少，飲用水安全保障水平持續(xù)提升，地下水超采得到嚴(yán)格控制，地下水污染加劇趨勢(shì)得到初步遏制等。當(dāng)前，火力發(fā)電廠作為工業(yè)用水第一大戶，水資源是關(guān)系電廠生存、發(fā)展的至關(guān)重要的因素，科學(xué)節(jié)水、深度節(jié)水已成為火電企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益、確保生存發(fā)展的必然選擇[1]。

華電漯河發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱華電漯河公司)的鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)采用了較為先進(jìn)的雙膜法(超濾、反滲透)加離子交換水處理系統(tǒng)，降低了大量的酸堿消耗，減少了對(duì)環(huán)境的影響。此外，低含鹽量、高懸浮物的多介質(zhì)過(guò)濾器和超濾的反洗水被回收到石灰處理系統(tǒng)機(jī)械加工澄清池(以下簡(jiǎn)稱機(jī)加池)入口，通過(guò)澄清、沉淀、過(guò)濾處理，實(shí)現(xiàn)了廢水回收，節(jié)約了大量水資源[2]。但是，鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)反滲透處理工藝的自用水率較高，根據(jù)全廠水平衡圖，鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)的反滲透濃水、再生廢水排入工業(yè)廢水處理系統(tǒng)后，僅有約32 t/h水量被回用到燃料沖洗等方面，剩余236 t/h的水量均溢流到雨水井。因此，本文主要對(duì)將反滲透濃水及離子交換再生廢水回收利用到循環(huán)水系統(tǒng)的合理性進(jìn)行了探究[3]。

1 補(bǔ)給水系統(tǒng)及循環(huán)水系統(tǒng)介紹

1.1 鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)

鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，采用城市二級(jí)污水或沙河水經(jīng)過(guò)混凝處理后進(jìn)入清水箱，經(jīng)過(guò)多介質(zhì)過(guò)濾器過(guò)濾、超濾預(yù)處理、反滲透預(yù)除鹽和陽(yáng)床、陰床、混床二級(jí)除鹽系統(tǒng)，成為合格除鹽水，進(jìn)入除鹽水箱，經(jīng)除鹽水泵供給機(jī)組熱力系統(tǒng)。

表1 各類水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Indicators of various water quality

表2 沙河水水質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Water quality index of Sha River

華電漯河公司目前配備有6套120 t/h的反滲透裝置，設(shè)計(jì)回收率為75%，濃水占進(jìn)水總量的比例高達(dá)25%，正常運(yùn)行為兩用四備狀態(tài)，每套反滲透裝置每小時(shí)濃水量約為40 t/h，正常運(yùn)行時(shí)濃水量與再生廢水量合計(jì)約為80 t/h。同時(shí)，配備有6套陰陽(yáng)離子交換器和3套混合離子交換器，分別采用兩用四備和一用兩備運(yùn)行模式。由于華電漯河公司工業(yè)供汽量大，鍋爐補(bǔ)給水設(shè)備全年日均運(yùn)行小時(shí)數(shù)為18 h，原設(shè)計(jì)再生廢水與反滲透濃水進(jìn)入工業(yè)廢水處理系統(tǒng)與精處理再生廢水混合處理后，供給渣倉(cāng)、灰?guī)烊剂舷到y(tǒng)等使用，但由于近年來(lái)除鹽水制水量逐年增大，產(chǎn)生的廢水也逐年增多，大部分水無(wú)法完全得到有效利用而溢流至雨水井中，因此對(duì)這部分濃水進(jìn)行充分回收利用是非常有必要的。反滲透濃水、再生廢水、循環(huán)水等水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)

循環(huán)水補(bǔ)充水采用沙河水和城市二級(jí)污水經(jīng)過(guò)石灰混凝處理降低濁度和含鹽量，加酸調(diào)節(jié)pH值，提高循環(huán)水濃縮倍率，達(dá)到不結(jié)垢、降低管材腐蝕的目的。循環(huán)水補(bǔ)充水的工藝流程為：污水處理廠二級(jí)污水(或沙河水)(2×775 m3/h)→石灰混凝處理→殺菌過(guò)濾→軟水箱(1 600 m3/h)→軟水泵→至循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。沙河水和污水水質(zhì)分析見(jiàn)表2、表3。華電漯河公司閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用低磷配方的緩釋阻垢劑作為水質(zhì)穩(wěn)定劑，氧化型和非氧化型殺菌劑配合使用控制微生物滋生和生物黏泥的產(chǎn)生。循環(huán)水控制指標(biāo)見(jiàn)表4[4]。

2 反滲透濃水及再生廢水回用至循環(huán)水系統(tǒng)分析

由于華電漯河公司的主要水源為沙河水地表水和城市污水站來(lái)的中水兩種水源，所以根據(jù)不同水源不同水質(zhì)對(duì)反滲透濃水進(jìn)行分析。

2.1 循環(huán)水水質(zhì)計(jì)算方法

反滲透系統(tǒng)的脫鹽率一般在99%左右，進(jìn)水中高達(dá)99%的鹽分被濃縮在25%比例的濃水中，濃水的含鹽量與進(jìn)水相比，濃縮了將近4倍。根據(jù)表2、表3的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，城市污水和沙河水的溶解性固體總量(TDS)分別為207.2，201.3 mg/L。將反滲透濃水及離子交換再生廢水回用到循環(huán)水系統(tǒng)可通過(guò)鹽量平衡計(jì)算預(yù)估反滲透濃水回收后，不同濃縮倍率下的循環(huán)水水質(zhì)。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水、鹽平衡計(jì)算模型如圖1所示。

表3 城市污水水質(zhì)指標(biāo)Tab.3 Urban sewage water quality indicator

表4 循環(huán)水控制指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Standard circulating water control indicators

圖2 補(bǔ)充水全部為沙河水時(shí)循環(huán)水量及水質(zhì)變化Fig.2 Variation of circulating water volume and water quality while solely using Sha River as source of feed water

圖1 高鹽廢水回收后不同濃縮倍率下循環(huán)水倍率的估算模型Fig.1 Estimation model of circulating water ratio under different concentration ratios after high-salt wastewater recovery

2.2 3種不同補(bǔ)水方式時(shí)廢水回用的合理性探究

根據(jù)目前用水實(shí)際情況，共有3種不同用水方式，故根據(jù)不同用水方式計(jì)算分析反滲透濃水及再生廢水回用到循環(huán)水系統(tǒng)的合理性。

2.2.1 循環(huán)水補(bǔ)充水源為沙河水時(shí)的節(jié)水分析

當(dāng)補(bǔ)充水全部為沙河水，蒸發(fā)損失為429.0 t/h，風(fēng)吹損失為11.4 t/h，沙河水氯離子為48.8 mg/L，高鹽廢水回收量為250.0 t/h，濃縮倍率為2.0～4.5時(shí)，循環(huán)水系統(tǒng)的水量及水質(zhì)變化如圖2所示。

如圖2所示，當(dāng)補(bǔ)充水全部為沙河水時(shí)，可將250.0 t/h的化學(xué)反滲透濃水回收到循環(huán)水系統(tǒng)，同時(shí)適當(dāng)提高濃縮倍率，降低循環(huán)水系統(tǒng)排污量(以滿足工業(yè)水供脫硫工藝用水為限)。圖2數(shù)據(jù)表明，這種運(yùn)行方式下，最佳濃縮倍率可控制在4.0，此時(shí)，循環(huán)水排污量為131.6 t/h，恰好可以滿足工業(yè)水供脫硫工藝水的需求，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)不排污。此時(shí)循環(huán)水氯離子質(zhì)量濃度為536.6 mg/L，在安全范圍之內(nèi)。同時(shí)，沙河水對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)水量從原先的803.0 m3/h降低為322.0 m3/h，實(shí)現(xiàn)節(jié)水481.0 m3/h，節(jié)水效益十分突出。

圖3 補(bǔ)充水全部為污水時(shí)循環(huán)水量及水質(zhì)變化Fig.3 Variation of circulating water volume and water quality while solely using sewage as feed water

圖4 循環(huán)水補(bǔ)城市污水、鍋爐補(bǔ)給水補(bǔ)沙河水時(shí)循環(huán)水量及水質(zhì)變化Fig.4 Variation of circulating water volume and water quality while using circulating water to replenish urban sewage and using feed water to replenish Sha River

2.2.2 循環(huán)水補(bǔ)充水源為城市污水時(shí)的節(jié)水分析

當(dāng)補(bǔ)充水全部為城市污水，蒸發(fā)損失為429.0 t/h，風(fēng)吹損失為11.4 t/h，污水氯離子質(zhì)量濃度為145.4 mg/L，高鹽廢水回收量為250.0 t/h，濃縮倍率為1.5～3.0時(shí)，循環(huán)水系統(tǒng)的水量及水質(zhì)變化如圖3所示。

如圖3所示，當(dāng)補(bǔ)充水全部為城市污水時(shí)，仍可將250.0 t/h的化學(xué)反滲透濃水回收到循環(huán)水系統(tǒng)，同時(shí)控制濃縮倍率，冷卻塔進(jìn)行適當(dāng)排污。圖中數(shù)據(jù)表明。

(1)如將循環(huán)水氯離子質(zhì)量濃度控制在700.0 mg/L以下，濃縮倍率建議控制在2.1，此時(shí)，循環(huán)水系統(tǒng)排污量為378.6 t/h，其中一部分供給工業(yè)水(129.0 m3/h)，涼水塔仍需排污249.6 m3/h。此時(shí)的循環(huán)水氯離子質(zhì)量濃度為678.2 mg/L，仍低于700.0 mg/L，在安全范圍之內(nèi)。同時(shí)，城市污水對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)水量從原先的803.0 m3/h降低為569.0 m3/h，實(shí)現(xiàn)節(jié)水234.0 m3/h，節(jié)水效益仍十分明顯。

(2)如將循環(huán)水氯離子質(zhì)量濃度控制在1 000.0 mg/L以下，濃縮倍率建議控制在2.7，此時(shí)，循環(huán)水系統(tǒng)排污量為241.0 t/h，其中一部分供給工業(yè)水(129.0 m3/h)，涼水塔仍需排污112.0 m3/h。此時(shí)的循環(huán)水氯離子質(zhì)量濃度為968.8 mg/L，低于1 000.0 mg/L，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。同時(shí)，城市污水對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)水量從原先的803.0 m3/h降低為431.0 m3/h，實(shí)現(xiàn)節(jié)水372.0 m3/h，節(jié)水效益十分明顯[5]。

2.2.3 循環(huán)水補(bǔ)充水源為城市污水、鍋爐補(bǔ)給水源為沙河水時(shí)的節(jié)水分析

按照華電漯河公司原設(shè)計(jì)，循環(huán)水補(bǔ)充水全部補(bǔ)充深度處理后的城市污水，鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)以沙河水為原水。為此，石灰處理系統(tǒng)一共設(shè)置了3個(gè)機(jī)加池，其中2個(gè)用于處理城市污水，1個(gè)用于處理沙河水。循環(huán)水系統(tǒng)使用污水、鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)使用沙河水，蒸發(fā)損失為429.0 t/h，風(fēng)吹損失為11.4 t/h，污水氯離子質(zhì)量濃度為145.4 mg/L，沙河水氯離子質(zhì)量濃度為48.8 mg/L，高鹽廢水回收量為250.0 t/h，濃縮倍率為1.5～4.5時(shí)，循環(huán)水系統(tǒng)的水量及水質(zhì)變化如圖4所示。

當(dāng)循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水為城市污水，鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)補(bǔ)充水為沙河水時(shí)，同時(shí)運(yùn)行3個(gè)石灰處理機(jī)加池，2個(gè)處理循環(huán)水補(bǔ)充水(城市污水)，1個(gè)處理鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)原水(沙河水)，同時(shí)將250.0t/h的化學(xué)反滲透濃水回收到循環(huán)水系統(tǒng)，同時(shí)控制濃縮倍率，冷卻塔進(jìn)行適當(dāng)排污。圖4表明：

(1)如將循環(huán)水氯離子控制在700.0 mg/L以下，濃縮倍率建議控制在3.1，此時(shí)，循環(huán)水系統(tǒng)排污量為192.9 t/h，其中一部分供給工業(yè)水(129.0 m3/h)，涼水塔仍需排污63.9 m3/h。此時(shí)的循環(huán)水氯離子質(zhì)量濃度為689.7 mg/L。同時(shí)，城市污水對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)水量從原先的803.0 m3/h降低為383.3 m3/h，實(shí)現(xiàn)節(jié)水419.7 m3/h，節(jié)水效益仍十分明顯。

(2)如將循環(huán)水氯離子控制在1 000.0 mg/L以下，濃縮倍率建議控制在4.1，此時(shí)，循環(huán)水系統(tǒng)排污量為127.0 t/h，基本可以滿足工業(yè)水的用水量(用于脫硫系統(tǒng)，129.0 m3/h)，涼水塔無(wú)需排污。此時(shí)的循環(huán)水氯離子質(zhì)量濃度為968.8 mg/L。同時(shí)，城市污水對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)水量從原先的803 m3/h降低為317.4 m3/h，實(shí)現(xiàn)節(jié)水485.6 m3/h，節(jié)水效益十分突出。

2.3 反滲透濃水量對(duì)循環(huán)水水質(zhì)的影響

假設(shè)循環(huán)水系統(tǒng)濃水倍率不變，循環(huán)冷卻水的水量為y(mg/L)，回用至循環(huán)水系統(tǒng)的反滲透濃水水量為x(t/h)。循環(huán)水補(bǔ)充水鹽的質(zhì)量濃度為c(mg/L)，則反滲透濃水鹽的質(zhì)量濃度為4c(mg/L)。根據(jù)圖1的水量平衡和鹽量平衡關(guān)系，不難得出：

(803.6-x)c+4cx=(363.2+11.4)y，

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同水量反滲透濃水回收至循環(huán)水系統(tǒng)時(shí)循環(huán)水水質(zhì)Tab.5 Circulating water quality when different reverse osmosis concentrated water volume is recycled into the circulating water system

表5的計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，即使全廠以水質(zhì)較差的城市二級(jí)污水作為水源，在目前的濃縮倍率之下，仍可以把幾乎全部的反滲透濃水回收至循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，循環(huán)水的氯離子、硫酸根等指標(biāo)仍可控制在安全范圍內(nèi)[6]。

3 結(jié)論

綜合以上情況的分析，根據(jù)3種不同進(jìn)水情況對(duì)循環(huán)水補(bǔ)水量及水質(zhì)進(jìn)行分析可知，將反滲透濃水及再生廢水回用至循環(huán)水系統(tǒng)是完全可行的，循環(huán)水的氯離子、硫酸根等指標(biāo)仍可控制在安全范圍內(nèi)。若采用此方法回用反滲透濃水及再生廢水可至少節(jié)約新鮮用水量236.0 t/h，節(jié)水效益明顯提高。