陶瓷超濾和全膜法工藝在火電廠中的應用

程金倉，楊 蕾

（1.江蘇國信靖江發電有限公司，江蘇 靖江 214513；2.國家能源集團泰州發電有限公司，江蘇 泰州 215300）

隨著我國火力發電廠機組容量、參數的提高和環境保護意識的增強，對鍋爐補給水品質、系統穩定性和能耗經濟性的要求也越來越高。同時，對火電企業減少廢水排放量、減少取水量和提高水的利用率等提出了更高的要求。傳統的電廠水處理工藝即“混凝沉淀＋過濾＋離子交換”已難以滿足節能環保的要求。

目前，該工藝路線中廣泛使用的有機超濾膜容易斷絲且造成反滲透膜污堵，另外離子交換設備再生過程會排放大量高濃度酸堿廢水。為解決傳統水處理系統存在的這些問題，華東地區某電廠供熱改造中采用了“陶瓷超濾＋兩級反滲透+電除鹽”的全膜法工藝，并設置濃水反滲透裝置提高水的利用率。

1 陶瓷超濾技術

隨著新一代高效膜分離技術的研究和推廣使用[1]，超濾逐漸替代了傳統預處理工藝。由于操作壓力低（0.05~0.30 MPa）、能耗少、占地小、無化學相變，不存在二次污染，且出水效果好，超濾技術迅速得到了廣泛的應用，在各種水處理工藝中作為反滲透、除鹽設備的預處理工藝[2]。

目前，超濾膜多采用有機中空式纖維膜，其使用壽命通常大約5年左右，有機超濾膜元件在運行2年后斷絲現象逐漸明顯，斷絲導致超濾的出水水質嚴重下降，SDI值變大甚至超標。斷絲造成了反滲透保安過濾器和反滲透膜組件的污堵，嚴重影響了反滲透系統的安全和可靠運行。

陶瓷膜元件主要由氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯及二氧化硅等無機材料經高溫燒結而成，是具有多孔結構的精密陶瓷過濾材料。與有機超濾膜相比，陶瓷超濾膜具有化學穩定性好，pH值更寬廣、耐強氧化劑、機械強度大、可反向沖洗、抗微生物能力強、耐高溫、孔徑分布窄、分離效率高等特點[3-10]。

陶瓷超濾膜分離技術是近年國際上發展迅速的高新技術之一，已經在化工、鋰電、食品、醫藥、環保等行業的分離、濃縮、提純過程中顯示出突出的優勢和廣闊的前景。

陶瓷超濾的特點：

1）膜通量大，陶瓷超濾設備占地面積小；2）物理性能好，機械強度大，幾乎無斷絲率；3）化學穩定性好，耐酸、堿、強氧化劑；4）使用壽命長，膜的壽命不低于15年；5）水質適應性較強，對進水水質要求低，適用于高濁水和高濃度廢水；6）價格相對較貴，對生產制造工藝要求高。

2014年德國納諾斯通公司研發了塊式陶瓷超濾膜產品并進入中國市場，其外形尺寸和結構與有機超濾膜相同，大大降低了陶瓷超濾膜使用成本，且先進的制造工藝保證了成品率較高，親水性較好，孔徑均勻性好，使用壽命長，使陶瓷膜替代有機超濾膜在技術經濟上可行。該產品在發電廠補給水、廢水零排、中水回用等系統中逐步得到了應用。

2 陶瓷超濾在供熱改造中應用實例

2019年華東某電廠進行供熱改造，擴建出力150 m3/h除鹽水系統。因熱用戶對供熱穩定性的要求較高，電廠沒有足夠場地擴建原水預處理設施，故在供熱改造中采用了陶瓷新一代超濾工藝。

該電廠水源為長江水，水質參數：Cl-質量濃度108.18 mg/L；CODMn4.64 mg/L；全硅6.01 mmol/L；溶固量472.6 mmol/L；全固量4.00 mmol/L；反應沉淀池出水濁度≤3 NTU。

2.1 陶瓷膜與有機超濾膜比較

表1 為陶瓷膜與有機超濾膜綜合比較。由表1可見：陶瓷超濾膜水質適應性好，可用于高濁水處理，在沉淀池后可不設空擦濾池；設備緊湊，占地面積較小；雖陶瓷超濾膜價格為有機超濾膜2倍以上，但減去空擦、羅茨風機和土建費用，總體投資估算略小；日常運行費用低，陶瓷膜機械強度高壽命長，斷絲率極低，維護工作量和費用較小；陶瓷超濾膜更符合節能環保要求。綜合比較，陶瓷超濾在熱電聯產發電廠水處理中應用具有很好的經濟性和可靠性，值得推廣應用。

2.2 陶瓷膜使用效果

改造后陶瓷超濾膜運行通量約262 L/(m2·h)，單次運行周期30～60 min，單次反洗時間1.25 min，化學加強反洗間隔10 h，清洗周期＞40 d，出水回收率＞92%，陶瓷膜出水水質SDI＜2，濁度＜0.10 NTU，完全達到改造要求的水質標準。

混凝劑是分子量低而陽電荷密度高的水溶性聚合物，大多為液體。通常水解后產生帶正電荷顆粒的殘余混凝劑可以穿越有機超濾膜，與電離生成帶負電性分子鏈的反滲透阻垢劑和帶有負電荷的反滲透膜會發生反應。其反應物很容易沉積在保安過濾器和反滲透膜表面，造成保安過濾器和反滲透膜壓差上升，長期污堵后無法通過化學清洗恢復，需頻繁更換保安過濾器濾芯，從而降低反滲透膜出力，縮短使用壽命。

采用一般有機超濾膜只能有效去除分子量大于7 000的有機物，目前普遍使用的混凝劑通常分子量大于3 500。采用陶瓷超濾膜能有效去除低分子量的混凝劑殘余物，防止保安過濾器和反滲透膜污染，節約運行維護成本。

3 全膜法在電廠供熱改造中的應用

3.1 電除鹽技術

由于混床工作時需要進行周期性再生，再生過程中需要大量的化學酸堿和除鹽水，且產生的高濃度廢水帶來了環境污染問題。電除鹽（EDI）技術的發展和投運改變了制備高純水只能采用混床的局面。EDI系統比混床操作要簡單、連續，自動化程度高，需要更少的人力。EDI的工藝過程產生的廢水排放很少，正常運行中大多數排放水可以回收到前一級系統綜合利用，減少了對環境的污染。目前EDI技術的廣泛應用已經積累了成功運維的經驗，其主體工藝流程為“超濾＋一級反滲透＋二級反滲透＋電除鹽”。

相比于傳統的“有機超濾（UF）＋反滲透（RO）＋離子交換”技術，全膜法是目前鍋爐補給水系統首選的環保方案。

3.2 全膜法與傳統離子交換除鹽比較

全膜法與“UF＋RO＋離子交換”比較見表2。由表2可見，雖全膜法水處理系統須在前端配置兩級反滲透裝置，設備初投資較大，EDI設備運行電耗相對較多，但全膜法工藝卓越的環保零排放特點，可保證無酸堿廢水排放，其系統設備緊湊，運行操作簡單，維護量較小，可節約化學車間占地面積，且無需采購大量酸堿進行再生，節省了藥劑費用。

表2 全膜法與“UF＋RO＋離子交換”比較Tab.2 Comprehensive comparison between integrated membrane method and “UF + RO + ion exchange”technology

本次供熱改造在全膜法工藝中設置濃水反滲透系統，根據全廠和脫硫系統水量平衡測試結果以及單機運行時脫硫工藝水需求量，為滿足環評無外排的要求，設計濃水反滲透系統濃水回收率為60%。該水處理系統投運后可減少濃水排放10.8萬t/年，提高了水的利用率。

4 鍋爐補給水系統設計方案

4.1 陶瓷膜的優勢

一般來講，當火電廠用水需求變大（增加30%左右）時，首先考慮的是化學系統的擴容改造，在較少的投資下實現擴容目標。

有機膜超濾可直接將膜元件更換為同規格大通量陶瓷膜元件，大通量陶瓷膜通量是有機超濾膜的2~3倍，即可實現超濾產水量增加1倍，其原有加藥系統基本不需改造。一般反滲透裝置上部都有較大空間，可以通過增加膜面積和提高增壓泵壓頭來擴容。離子交換器可通過提高流速來適當擴容。因此，陶瓷膜在化學擴容改造項目中具有較大的成本和性能優勢。

4.2 廢水零排放措施

隨著國務院頒發〔2015〕17號《水污染防治行動計劃》即“水十條”，對廢水排放的要求日益嚴格。目前，部分大型集團和地方火電廠已經率先完成廢水深度處理，實現了廢水零排放。實現廢水零排放的具體措施如下。

1）化學補給水系統設計需完善水量平衡測試，細化各系統用水量和水質，并做好分級利用措施，為系統設計提供可靠依據。

2）反滲透濃水可采用濃水反滲透或納濾等工藝，進一步提高水的重復利用率，減少濃水排放量。

3）系統設計需考慮后續廢水零排放的工藝要求，選擇工藝路線盡可能減少排放量，并且排放水質需具備深度處理的條件，優先選擇全膜法工藝。

5 結 語

本文結合電廠供熱改造化學水處理擴容改造的實際經驗，通過采用大通量、低斷絲、長壽命和抗污染的陶瓷超濾工藝，通過濃水反滲透進一步減少濃水排放，同時采用無再生廢水排放的電除鹽工藝，解決了傳統水處理“有機超濾＋反滲透＋離子交換”工藝存在有機超濾斷絲和離子交換樹脂再生產生大量高鹽廢水的問題。該工藝具有系統可靠穩定、環境效益好的優勢，在熱電聯產水處理工藝中有很好的應用前景。