電廠循環(huán)冷卻排污水中水回用工藝路線研究

張 覓，張 萌

(上海電氣電站水務工程公司，上海 200090)

0 概述

火力發(fā)電廠是工業(yè)用水大戶，其中循環(huán)冷卻水的用水量和排水量約占整個工業(yè)用水量的80%左右[1]。近年來，盡管循環(huán)冷卻水藥劑技術不斷升級，運行管理水平不斷提高，循環(huán)水的運行濃縮倍率已有很大的提升，但循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用水和排水量仍然很大(600 MW機組排污量約100～150 m3/h)[2]，一方面造成水資源浪費，另一方面造成水污染。因此，開發(fā)具有高效穩(wěn)定運行和低成本優(yōu)勢的循環(huán)冷卻水回用技術十分重要，具有很大的工程應用價值。

本文針對火力發(fā)電廠幾種不同的循環(huán)排污水回用技術進行分析探討和方案比選，構建一條具有較高技術可行性及低成本優(yōu)勢的循環(huán)水回收利用工藝路線，同時根據(jù)目前存在的技術瓶頸對循環(huán)排污水回用技術的發(fā)展提出建議。

1 電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)概況

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是指通過熱交換器交換熱量或直接接觸換熱方式來交換介質熱量，并經(jīng)冷卻塔冷卻后循環(huán)使用，以節(jié)約水資源。循環(huán)水系統(tǒng)分為密閉式和敞開式兩種，常用敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行過程中，循環(huán)水在冷卻塔內與空氣充分接觸，水在冷卻塔中蒸發(fā)，造成循環(huán)水濃縮，同時吸收空氣中的大量灰塵、泥沙、微生物等，造成生物粘泥污染，因此循環(huán)冷卻排污水具有含鹽量高，硬度、堿度較高，懸浮物含量高，COD較高，阻垢劑、緩蝕劑殘留等特點，詳見表1。

表1 循環(huán)排污水的來源及特點

2 循環(huán)冷卻排污水回用技術

2.1 反滲透

反滲透(Reverse Osmosis, RO)是利用選擇膜的選擇透過性從循環(huán)排污水中分離出淡水，從而達到中水回用的目的。苦咸水反滲透膜適于總溶解固體TDS在10 000 mg/L以下的廢水進行脫鹽處理，最終濃鹽水TDS可達約30 000 mg/L，回收淡水可用于循環(huán)排污水的回用。該工藝技術成熟，且具有能耗低、產水水質好、系統(tǒng)簡單的特點，是目前應用最普遍的循環(huán)排污水回用技術。

2.2 電滲析

電滲析(Electrodialysis, ED)是一種在電場的作用下，利用電驅動力的脫鹽技術。帶負電荷的陰離子穿過陰離子交換膜，但不能穿過陽離子交換膜，因此被集中在濃縮液通道中；同理，陽離子穿過陽離子交換膜，但不能穿過陰離子交換膜，也被截留在濃縮液通道中。因此，在交替排列的陰膜、陽膜之間的通道中產生濃縮液和脫鹽液，電滲析原理見圖1。

頻繁倒極電滲析(Electrodialysis Reversal, EDR)是在電滲析基礎上發(fā)展而來的。通過電極轉換，使得系統(tǒng)內濃、淡室發(fā)生互換， 原先離子交換膜兩側的酸堿特性發(fā)生反轉，從而破壞膜表面的結垢條件。通過合理的倒極周期設置，膜兩側的酸堿環(huán)境不斷變換，體系內的結垢溶垢交替發(fā)生，結垢離子不斷改變遷移方向，最終實現(xiàn)垢物始終無法在膜面生成，起到體系內自清潔的作用和目的。EDR主要用于中水的脫鹽淡化，適用于含鹽量介于400～5 000 mg/L之來水。

2.3 電吸附

電吸附(Capacity Deionization, CDI)是利用帶電電極表面吸附水中離子及帶電粒子的現(xiàn)象，使水中溶解鹽類及其它帶電物質在電極的表面富集濃縮而實現(xiàn)水淡化的一種新型水處理技術。CDI除鹽的基本原理就是通過施加外加電壓形成靜電場，強制離子向帶有相反電荷的電極處移動，對雙電層的充放電進行控制，改變雙電層處的離子濃度，并使之不同于本體濃度[3]。

膜電容電吸附技術(Membrane Capacity Deionization, MCDI)是在CDI的基礎上，在正負電極表面各緊貼一層陰離子交換膜和陽離子交換膜。這一改進既能保證離子的正常遷移、吸附過程，又能有效阻止被吸附離子因水流擾動而被帶走，且可避免再生過程中脫附離子被二次吸附于對側電極，從而大大提高了離子去除效率和電極再生效率。MCDI可用于來水含鹽量小于5 000 mg/L的中水脫鹽。

CDI和MCDI原理見圖2。

2.4 技術特點對比

綜上所述，三種脫鹽工藝的技術特點對比見表2。

3 循環(huán)排污水回用工藝路線開發(fā)

3.1 方案設計及對比

以新疆某電廠為例，進行循環(huán)排污水中水回用工藝系統(tǒng)模擬設計。

該電廠循環(huán)冷卻水循環(huán)量約20 000 m3/h，冷卻水排污量600 m3/h。由于廠區(qū)原環(huán)評批復的循環(huán)冷卻水排污量較小，造成目前廠區(qū)無法大量外排循環(huán)冷卻水，因此需增加一套中水回用系統(tǒng)，將排污水回用處理。經(jīng)處理后，回用水水質需滿足GB 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》中再生水直接作為間冷開式循環(huán)水系統(tǒng)補充水的相關規(guī)定。

電廠循環(huán)排污水水質指標如表3所示。

表3 新疆某電廠循環(huán)排污水水質指標

針對排污水水質情況和回用水水質要求，分別設計了以RO、EDR、MCDI為核心的中水回用技術路線：

1)預處理+RO

RO脫鹽率高，且產水呈酸性，不適于直接用于循環(huán)水補水，因此本項目采用“產水混合原水”的礦化處理模式，即RO處理量按450 m3/h設計，RO產水與預處理后的150 m3/h循環(huán)排污水混合后作為循環(huán)水補充水使用，整體系統(tǒng)回收率可達88.5%。經(jīng)核算，混合水水質指標符合循環(huán)水補充水標準。

RO對進水水質要求嚴格，循環(huán)排污水硬度高、懸浮物高、COD高，預處理工藝可選用“部分軟化+砂濾+超濾”。

2)預處理+EDR

EDR脫鹽率與回收率可調節(jié)，為滿足循環(huán)水補水水質要求，EDR按照產水TDS小于1 000 mg/L設計，回收率約85%。EDR對來水水質要求相比于RO較寬泛，但仍需要防止?jié)馑畟攘蛩徕}結垢析出，因此預處理工藝可選用“部分軟化+砂濾”。

3)預處理+MCDI

與EDR類似，MCDI脫鹽率與回收率也可調節(jié)，但目前脫鹽率較低，主要是受電極材料吸附容量的影響。吸附能力較弱的電極材料，運行過程中電極迅速達到飽和，再生頻繁，導致產水率和脫鹽率較低，因此制約MCDI技術應用于中、高鹽水脫鹽領域的核心在于開發(fā)高吸附能力電極材料。本方案若按照80%回收率，脫鹽率約為60%，產水水質略微次于循環(huán)水補水水質標準。MCDI配套預處理工藝可選用“部分軟化+砂濾”。

三種工藝路線的經(jīng)濟指標對比如表4所示(僅濃縮單元)。

3.2 小結和建議

1)從技術層面分析，RO系統(tǒng)回收率最高、產水水質最好，但預處理要求嚴格，運行穩(wěn)定性較差，在廢水領域的使用常常面臨污堵、結垢、清洗頻繁、膜性能衰減較快的問題；EDR技術回收率和脫鹽率均能滿足循環(huán)排污水回用的水質和水量要求，且預處理要求較低，無高壓設備的使用，運行維護較簡單，在脫鹽水水質要求較寬泛的場合中使用具有一定優(yōu)勢；MCDI技術脫鹽率較低，在給水處理上的應用較多，在中、高鹽廢水領域的應用還有待進一步驗證。

2)從運行成本層面分析，EDR膜片電阻的大小直接影響EDR設備的電耗，制約運行成本，目前，EDR膜片技術國內外差距很大，國際領先的均相膜厚度僅為國產膜的19%，電耗僅為國產膜的85%。RO運行成本位于國產EDR和進口EDR之間，實際項目中可結合投資成本綜合對比選擇。

MCDI運行電耗高于RO和進口EDR，低于國產EDR，MCDI的電耗主要受脫附時放電過程的影響，若能開發(fā)配套能量回收裝置，將脫附過程釋放的電能回收，則可以進一步降低運行成本。

3)從投資成本對比上看，MCDI>EDR>RO，這與目前這三種技術的發(fā)展現(xiàn)狀有關。RO技術已經(jīng)十分成熟，在國內外市場上被廣泛應用，生產廠家較多，成本透明度高；EDR生產廠家較少，且國外技術遠遠領先國內，進口設備價格較高，國產化EDR的研制和優(yōu)化尚需要加快步伐，技術前景較好；MCDI生產廠家稀少，且規(guī)模較小，應用領域受限，價格較高。

表4 三種工藝路線的經(jīng)濟指標對比表

4 結論

針對循環(huán)排污水中水回用技術路線，從技術成熟度和成本來講，RO具有較大優(yōu)勢，是目前采用的主流方案；EDR技術具有很好的技術前景，未來可能會成為循環(huán)排污水回用的主流技術；MCDI技術在中、高鹽水脫鹽領域的應用尚不成熟，大規(guī)模商業(yè)化應用仍需驗證。