摘要：文章綜述了脫硫廢水的水質(zhì)特點及脫硫廢水零排放的處理工藝；介紹了預(yù)處理單元、濃縮減量單元和固化單元的成熟技術(shù)；并對5個燃煤電廠脫硫廢水零排放應(yīng)用成功的典型案例進行了分析。結(jié)果表明，各電廠要從自身實際出發(fā)，選取適合本企業(yè)的技術(shù)路線。
關(guān)鍵詞：脫硫廢水零排放；預(yù)處理單元；濃縮減量單元；固化單元
美國電力研究中心將火電廠全廠廢水零排放定義為“電廠不向地面水域排放任何形式的水，離開電廠的所有水都是以水蒸汽或在灰或渣中固化?！?017年1月10日生態(tài)環(huán)境部在《火電廠污染防治技術(shù)政策》中提出，脫硫廢水宜經(jīng)石灰處理、混凝、澄清和中和等工藝處理后回用，鼓勵采用蒸發(fā)干燥或蒸發(fā)結(jié)晶等處理工藝，實現(xiàn)脫硫廢水零排放。
火力發(fā)電廠耗水量大，廢水排量大。尤其北方地區(qū)，水資源短缺，燃煤電廠利用各種技術(shù)對各類廢水進行回用，最大程度的從源頭上減少廢水產(chǎn)生量。對各類廢水按照水質(zhì)高低分類，不用處理或簡單處理即可實現(xiàn)梯級回用，不但減少處理費用，而且節(jié)約水資源。燃煤電廠廢水分為以下4個階梯。第一階梯：城市中水、地表水和工業(yè)用水等；第二階梯：城市中水和部分再利用的中水（工業(yè)廢水和生活污水可用水處理）循環(huán)冷卻水；第三階梯：循環(huán)污水、再生水、反滲透濃水、沖煤廢水、渣水和脫硫工藝用水；第四階梯：脫硫廢水。其中，第四階段剩余的脫硫廢水是實現(xiàn)燃煤電廠廢水零排放的關(guān)鍵。
1 脫硫廢水零排放技術(shù)
1.1 脫硫廢水的水質(zhì)特點
第四階梯的脫硫廢水在煙道內(nèi)被濃縮，成分復(fù)雜，污染物濃度高，具有以下特點。
1）高含鹽：溶解固體含量10000～40000mg/L，以SO42?，F(xiàn)?、Cl?、Mg2+和Ca2+為主；
2）高濁度：懸浮物含量10000～30000mg/L，以飛灰、石膏晶粒、氟化鈣和酸不溶物為主；
3）高硬度：鈣、鎂離子濃度高，易結(jié)垢；
4）腐蝕性：氯含量20000mg/L左右，腐蝕性較強；
5）重金屬：包含鉛、鉻、鎘、銅、鋅、錳和汞等，污染性強；
6）不穩(wěn)定：發(fā)電廠負荷波動、季節(jié)、煤質(zhì)對脫硫廢水成分影響大。
脫硫廢水零排放工藝可以分為預(yù)處理單元、濃縮減量單元和固化單元。每個單元都有多種成熟技術(shù)可供比選。電廠可根據(jù)當?shù)貧夂驐l件，經(jīng)濟預(yù)算，技術(shù)論證選取適合電廠本身的技術(shù)路線。
1.2 預(yù)處理單元
預(yù)處理過程是實現(xiàn)脫硫廢水零排放的第一步，用于去除廢水中的部分懸浮物及硬度、重金屬離子。脫硫廢水常規(guī)預(yù)處理：中和/反應(yīng)/絮凝三聯(lián)箱+澄清池。深度預(yù)處理：碳酸鈉/氫氧化鈉澄清池或管式微濾、納濾、電驅(qū)動膜。常規(guī)預(yù)處理方法操作相對簡單，費用低，處理能力有限，預(yù)處理出水硬度及重金屬離子濃度大，對后續(xù)設(shè)備運行不利。深度預(yù)處理出水水質(zhì)效果良好，減少后續(xù)設(shè)備結(jié)垢，但是用于去除硬度使用的碳酸鈉用量大，費用高，有工藝用價格便宜的硫酸鈉代替碳酸鈉去除硬度，可以有效降低費用成本。
1.3 濃縮減量單元
濃縮減量單元中的各種水處理技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用廣泛，濃縮減量單元工藝的選取要依據(jù)固化單元可處理的水量。目前，脫硫廢水處理方法主要是膜濃縮工藝。常用的膜濃縮處理方法包括反滲透、正滲透、電滲析和蒸餾法，其中反滲透技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。
1.3.1 反滲透
反滲透是自然滲透的逆過程。近幾十年來，該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展地較為成熟，并廣泛應(yīng)用于純水和超純水制備，工業(yè)水、生活污水處理以及海水淡鹽水淡化領(lǐng)域。其缺點是廢水中雜質(zhì)的沉積易導(dǎo)致膜污染，膜氧化后設(shè)備的處理能力降低，維護成本高。近年來，出現(xiàn)了幾種處理高鹽廢水的反滲透膜技術(shù)，如碟式反滲透（DTRO）技術(shù)，國電漢川電廠和華電包頭電廠正在應(yīng)用此項技術(shù)。DTRO是一種特殊的反滲透形式，專門用于處理高鹽廢水，可以處理SDI值高達20的高污染水源，膜污染程度較輕。
1.3.2 正滲透
正滲透方法與反滲透原理相反，屬于膜分離過程。正滲透利用溶液不同的化學(xué)勢，使脫硫廢水中的水分子自發(fā)的通過膜進入汲取液。脫硫廢水在不需要外部壓力的情況下被濃縮。汲取液吸收水分后，再通過加熱將水分蒸發(fā)分離出來。正滲透法的回收率可達85%～90%。正滲透技術(shù)具有節(jié)能、產(chǎn)水量大和回收率高、不易污染、難結(jié)垢等優(yōu)點。技術(shù)難點在于選擇具有高水通量、耐酸堿性和良好機械性能的滲透膜，以及如何選擇能夠產(chǎn)生更高滲透壓的汲取液。
1.3.3 電滲析
通過半透膜的選擇滲透性分離不同溶質(zhì)顆粒（如離子）的方法稱為滲析。在電場作用下進行滲析時，溶液中帶電溶質(zhì)顆粒（如離子）通過膜遷移的現(xiàn)象稱為電滲析。通過電滲析純化和分離物質(zhì)的技術(shù)稱為電滲析法，這是20世紀50年代開發(fā)的新技術(shù)。它最初用于海水淡化，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于化工、輕工、冶金、造紙和制藥等行業(yè)，特別是純凈水的制備和環(huán)保三廢的處理。電滲析技術(shù)對進水要求高，脫鹽率低，電滲析交換過程中產(chǎn)生的鈣鎂離子會堵塞交換膜，限制了電滲析的發(fā)展。
1.3.4 蒸餾法
蒸餾法是利用廠內(nèi)熱源，在蒸餾裝置內(nèi)與脫硫廢水進行熱交換，使水蒸發(fā)冷凝后再利用，廢水濃縮。蒸餾裝置有多種類型，如多效蒸發(fā)器、臥式噴淋蒸發(fā)器和立式降膜蒸發(fā)器等多種型式。蒸餾法回收率較高，能回收80%～85%的廢水，該技術(shù)投資大，能耗高，必須特別注意高溫下的結(jié)垢和腐蝕。蒸餾法的設(shè)備材質(zhì)多采用鈦材，防止腐蝕。
1.4 固化單元
減量處理后的廢水進行固化處理，主要包括蒸發(fā)結(jié)晶法、蒸發(fā)塘及尾部煙氣蒸發(fā)法。
1.4.1 多效強制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)（強制循環(huán)MED）
多效蒸發(fā)技術(shù)（MED）可多次重復(fù)使用蒸汽的熱量進行熱交換，以減少熱能消耗并降低成本。脫硫廢水在蒸發(fā)器中串聯(lián)加熱蒸發(fā)，前效蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽作為后效蒸發(fā)器的熱源，重復(fù)利用熱能加熱，在結(jié)晶器內(nèi)蒸發(fā)結(jié)晶實現(xiàn)固液分離，此技術(shù)比較成熟，但是能耗比較高。
1.4.2 蒸汽濃縮蒸發(fā)（MVR蒸發(fā)系統(tǒng)）
MVR蒸發(fā)器是一種新型節(jié)能蒸發(fā)設(shè)備，主要用于制藥行業(yè)，采用低溫與低壓汽蒸技術(shù)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽將脫硫廢水加熱后使水分離出來，是目前國際先進的蒸發(fā)技術(shù)。MVR蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)適用于高鹽廢水的濃縮和結(jié)晶。該技術(shù)充分利用熱焓值，占地面積小，運行成本低，但是投資大，設(shè)備造價高。
1.4.3 自然蒸發(fā)結(jié)晶
蒸發(fā)塘的原理類似于海鹽的曬制，夏天蒸發(fā)量尚可，北方地區(qū)冬天結(jié)冰，蒸發(fā)量為零，容易泄露，污染周圍環(huán)境。因此蒸發(fā)塘模式受場地、氣候條件等限制，可實施性不強。類似的做法有通過濕排渣解決，但是受水量影響、排渣現(xiàn)狀限制。
1.4.4 直接煙道蒸發(fā)法
直接煙道蒸發(fā)法是將高鹽脫硫廢水轉(zhuǎn)移到除塵器前煙道中，霧化的廢水在高溫煙道中迅速蒸發(fā)，廢水中的雜質(zhì)、固體顆粒和灰分進入除塵器被捕獲。水蒸汽被回收再進入脫硫系統(tǒng)利用。該系統(tǒng)充分利用發(fā)電廠的余熱來實現(xiàn)廢水的零排放，優(yōu)點：系統(tǒng)簡化，投資少，藥耗少，占用空間小，操作檢修簡單。缺點：處理廢水量有限；對鍋爐的熱效率可能有影響，可能影響熱負荷；霧化噴嘴容易被腐蝕堵塞。目前，煙道直接蒸發(fā)技術(shù)較多的應(yīng)用在改造舊機組。
1.4.5 外置旁路煙道蒸發(fā)法
外置旁路煙道蒸發(fā)法采用廢水高效節(jié)能蒸發(fā)結(jié)晶器，高鹽脫硫廢水噴入結(jié)晶器，用雙流體霧化噴嘴霧化。從空氣預(yù)熱器和脫硝出口之間的煙道引入少量高溫煙氣，以蒸發(fā)霧化廢水，產(chǎn)生的水蒸氣和晶體顆粒與煙氣一起進入低溫前煙道，固體顆粒隨飛灰被除塵器捕獲。水蒸汽進入脫硫系統(tǒng)并冷凝成水，間接補充脫硫系統(tǒng)用水。
1.4.6 旁路煙氣余熱蒸發(fā)濃縮法
在除塵器之后脫硫塔之前引出旁路煙氣，煙氣與脫硫廢水在濃縮塔內(nèi)直接換熱接觸，濃漿液通過壓濾機進行固液分離。底部的渣水通過大流量循環(huán)泵不斷循環(huán)濃縮，實現(xiàn)固液分離。該工藝的典型優(yōu)點是利用了煙氣余熱，脫硫廢水無需預(yù)處理直接進入濃縮塔。
1.4.7 振動膜法
振動膜主要由膜組和使膜組往復(fù)運動的振動機組成。在一定壓力下，脫硫廢水從入口處流到濃液口，脫硫廢水通過膜組捕獲鹽分，水分被收集。膜表面的往復(fù)振動在膜表面上產(chǎn)生強烈的剪切力，鹽難以留在膜表面，避免了膜表面結(jié)垢。優(yōu)點：不需要預(yù)處理過程去除硬度。缺點：振動膜短時間不結(jié)垢，長時間運行可能存在結(jié)垢風險；清洗頻率高（系統(tǒng)應(yīng)考慮備用設(shè)備）；膜元件在長時間運行下的使用壽命。
2 典型案例介紹
2.1“預(yù)處理+反滲透+正滲透+蒸發(fā)結(jié)晶”技術(shù)工藝
浙江某電廠對電廠脫硫廢水處理系統(tǒng)采取清污分流、分類處理，處理工藝主要包括混凝-澄清-過濾-軟化預(yù)處理單元、膜濃縮單元和蒸發(fā)結(jié)晶單元，其中膜濃縮單元采用正滲透技術(shù)。污水來源于脫硫處理后廢水和混床再生排水。項目建設(shè)投資約6000萬元，占地面積約3000m2，運營成本高，廢水處理量26.4m3/h。來水化學(xué)需氧量(COD)≤100mg/L，Ca2+、Mg2+濃度在1000～3000mg/L，TDS在20～25g/L左右。這是國內(nèi)首個運用正滲透技術(shù)的廢水零排放項目，正滲透因其具有技術(shù)能耗低、分離效果好和膜污染性低被采用。
2.2“預(yù)處理+四效多級蒸發(fā)+結(jié)晶”工藝
廣東某電廠采用“預(yù)處理+四效多級蒸發(fā)+結(jié)晶”工藝，采用多效蒸發(fā)技術(shù)，熱源取自電廠的蒸汽。項目占地面積約3000m2，投資9750萬元，運營成本高，廢水處理量20m3/h。該技術(shù)相對成熟。
2.3 直接煙道蒸發(fā)工藝
內(nèi)蒙古某電廠采用直接煙道蒸發(fā)工藝，脫硫廢水處理量為17m3/h，煙道蒸發(fā)技術(shù)的噸水運行費用低、不影響鍋爐效率，項目占地面積小、建設(shè)周期短以及設(shè)備維護簡單等方面都有其獨特的優(yōu)勢。該工藝可能存在噴嘴堵塞，煙道結(jié)垢腐蝕等問題。
2.4 旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)
河南某熱電廠采用預(yù)處理+雙膜法+旁路煙氣蒸發(fā)技術(shù)。脫硫廢水處理量為20m3/h，旁路煙道蒸發(fā)技術(shù)逐步應(yīng)用于廢水零排放工程，充分利用電廠的熱源。項目占地面積小，可以充分利用旁路煙道之間的空間，投資小。優(yōu)點：自動化程度高，操作簡便，維護方便，低耗高效；旁通煙道設(shè)有入口和出口隔離門，隔離門可與發(fā)電廠主體隔離，不會影響發(fā)電廠的日常運行。
2.5“納濾+反滲透+碟式反滲透+蒸發(fā)結(jié)晶”工藝
包頭某電廠脫硫廢水零排放工程采用“納濾+反滲透+碟式反滲透+蒸發(fā)結(jié)晶”工藝，設(shè)計最大處理水量120m3/h，專門處理高鹽廢水，污水來源于脫硫廢水約30m3/h，反滲透濃水、再生水廢水約90m3/h。高鹽混合廢水鈣離子濃度約1735.78mg/L，鎂離子濃度約1193.88mg/L，硫酸根濃度約為6161.22mg/L，先通過納濾膜將廢水中氯化鈉和硫酸鈉分離，并采用機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)結(jié)晶工藝最終實現(xiàn)混鹽的資源化回收。
2.6 經(jīng)濟運行分析
不同企業(yè)經(jīng)濟運行情況分析，見表1。
浙江某電廠濃縮減量過程采用了正滲透技術(shù)，有效地節(jié)約了運行成本；廣東某電廠采用的技術(shù)路線投資金額、占地面積大，運行成本高，但該技術(shù)成熟可靠；內(nèi)蒙古某電廠采用的直接煙道蒸發(fā)工藝投資金額少，占地面積小，運行成本低，目前備受市場青睞，但是該工藝處理末端廢水量較??；河南某熱電廠投資小，運行成本低，增加了廢水濃縮減量過程，但末端廢水處理水量較??；包頭某電廠工藝路線投資金額大，但廢水處理量大，蒸發(fā)結(jié)晶的各類鹽純度較高。
3 結(jié)果與討論
1）近年來，脫硫廢水零排放技術(shù)發(fā)展迅速，種類多樣，但是還沒有占據(jù)市場主導(dǎo)地位的技術(shù)路線出現(xiàn)。
2）從應(yīng)用實例分析看，廣東某電廠采用的技術(shù)雖然相對成熟，但投資大，運行成本高，廢水處理量20m3/h；包頭某電廠采用的工藝廢水處理量可達120m3/h，專門處理高鹽廢水，廢水處理能力強，但投資大；內(nèi)蒙古某電廠采用直接煙道蒸發(fā)工藝投資小，占地面積小，運行成本低，廢水處理量17m3/h，各電廠要從自身實際出發(fā)，選取適合本廠的技術(shù)路線。?
