電絮凝與混凝沉淀兩種水處理工藝的應用比選

浙江省電力建設有限公司 田業(yè)偉 寧夏棗泉發(fā)電有限責任公司 張雁凱

1 含煤廢水的來源及特征

煤是古代植物的殘體在地下埋藏，經(jīng)過復雜的物理、化學、生物等變化后形成的寶貴黑褐色礦藏資源，煤是化石能源的重要組成部分，煤的主要成分是有機物，主要由碳、氫、氧、氮、硫和磷等元素組成，同時含有少量的無機物和部分重金屬；煤中最重要的組分是碳，其含量隨煤化程度的加深而增高，泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤中碳含量依次遞增。燃煤電廠粉煤灰的化學成分見表1。

表1 燃煤電廠粉煤灰的化學組成

煤通過碼頭或者鐵路運至電廠，經(jīng)過輸煤皮帶輸送至煤場儲存或輸送至碎煤機、給煤機、磨煤機，在磨成煤粉后進入鍋爐爐膛燃燒，形成含有粉煤灰的煙氣，經(jīng)過省煤器、電除塵器后大量的粉煤灰從煙氣中分離出來并匯集，通過氣力輸灰管路，輸送至燃煤電廠的干灰?guī)欤苫規(guī)炫渲萌涣⑹綀A筒形混凝土灰?guī)?，分別為原灰?guī)?、細灰?guī)臁⒋只規(guī)?，通過大型粉煤灰運輸車輛外運，在粉煤灰運輸車輛外運裝車時會有煤灰灑落、飄落。因此，在干灰?guī)斓孛鎱^(qū)域設置水力清掃裝置，對裝灰、運灰車輛以及灰?guī)斓孛孢M行沖洗，沖洗后污水集中到污水池，經(jīng)初步沉淀后由有壓管路送至煤泥沉淀池。

運煤棧橋、碎煤機室、煤倉間皮帶層、各轉運站、煤場斗輪機、取樣間運行過程灑落和散落的煤灰，通過水力清掃系統(tǒng)沖洗后的煤泥水將通過集水溝收集流入集水坑，再經(jīng)有壓管道送至煤泥沉淀池。

煤泥沉淀池中含有煤、灰廢水，含煤廢水中的懸浮物的比重與水的比重接近，該廢水中經(jīng)過別費爾德布朗效應，形成了一定的穩(wěn)定狀態(tài)，難以通過自身重力沉降使水達到清澈的效果。含煤、灰廢水的水質(zhì)具有濁度高，色度高，酸堿度偏中性，與其他廢水水質(zhì)有較大差異，不應與其他廢水混合后處理，宜單獨收集經(jīng)初步沉淀后，通過成熟、高效的廢水處理技術處理合格后，在燃煤電廠或者煤礦的水力清掃系統(tǒng)中進行循環(huán)利用，外部增加少量補水即可。分離出來的煤泥曬干后進入煤場然后利用。

2 含煤、含灰廢水處理主要技術介紹

水處理方法有化學法、生物法、物理法或者多種反應法相結合技術。常見的污、廢水處理技術中主要有生物化學法和物理化學法。物理化學法中有電絮凝、混凝沉淀過濾等處理技術。

電絮凝技術是一種通過在水中通入電流，通過電化學反應而打破水中懸浮物，乳化或溶解狀污染物的穩(wěn)定狀態(tài)的污水處理方法。

電絮凝（EC）水處理技術原理是給電極的極板通上直流電，在極板間形成電場，廢水通過極板間的空隙時，通電的合金極板會發(fā)生電化學反應（氧化還原反應、電氣浮等），陽電極（鐵、鋁陽極板）失去電子后發(fā)生氧化反應形成的金屬陽離子Fe2+、Al3+，與溶液中的OH-生成金屬氫氧化物膠體絮凝劑；陰電極得到電子后發(fā)生還原反應形成強氧化劑，可以分解部分水中污染物從而以降低廢水中的生化需氧量、氨氮、化學耗氧量。原水中的懸浮物膠體、可溶性污染物、細菌、病毒、重金屬等，通過膠體絮凝劑的吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃等作用結合生成較大絮狀體，經(jīng)沉淀、氣浮后被去除，最后通過沉淀池、膜過濾系統(tǒng)或生化系統(tǒng)達到水質(zhì)凈化的效果。

加藥混凝沉淀的原理是在廢水中投入混凝劑等化學藥劑后，水工膠體因電位降低或消除，破壞了廢水中懸浮顆粒的穩(wěn)定狀態(tài)，而聚集形成粒徑為數(shù)百微米以至數(shù)毫米的礬花，最后采用過濾使固液分離的污水處理技術。不同的混凝劑、助凝劑能使膠體以不同的方式脫穩(wěn)、凝聚或絮凝，按其作用的機理有四種，分別是吸附電中、壓縮雙電層、沉淀物網(wǎng)鋪和吸附架橋。

3 處理工藝流程及應用

含煤廢水處理工藝應按后續(xù)回用系統(tǒng)對水質(zhì)的要求，結合煤質(zhì)條件、各種處理設備性能特點、類似電廠的運行經(jīng)驗、通過技術經(jīng)濟比較確定。含煤廢水處理工藝可采用如下流程：

（1）含煤廢水→煤水沉淀池→混凝、沉淀、過濾一體化凈水器→清水池→回用。

（2）含煤廢水→煤水沉淀池→混凝沉淀設備→氣浮處理設備→清水池→回用。

（3）含煤廢水→煤水沉淀池→電子絮凝器→離心式沉淀器→中間水池→機械過濾器→清水池→回用[1]。

選用上述方案（1）中含煤廢水處理系統(tǒng)主要工藝流程如下：

含煤、灰廢水：煤場排水溝、運煤建構筑物場地排水管→煤泥沉淀池沉淀區(qū)域→煤泥池處理水區(qū)域→含煤廢水提升泵→管道混合器（混凝劑、助凝劑加藥點）→一體化含煤廢水處理裝置（混凝沉淀、過濾設施）→清水池→煤場噴淋、輸煤系統(tǒng)、干灰?guī)焖η鍜邲_洗泵→用戶。

混凝劑：混凝劑溶液槽車卸料→卸料箱→卸料泵→混凝劑溶液儲罐→混凝劑投加計量泵→加藥管→混凝劑管道混合器→含煤廢水處理設備進水管。

助凝劑：聚丙烯酰胺粉料→固體螺旋計量給料機→助凝劑溶液制備箱（預制、熟化、貯存三聯(lián)箱）→助凝劑投加計量泵→加藥管→助凝劑管道混合器→含煤廢水處理設備進水管。

選用上述方案（3）中的含煤廢水處理系統(tǒng)主要工藝流程如下：

煤、灰水沉淀池→電絮凝進水泵→電子絮凝器→離心式澄清反應器→澄清池→機械過濾器進水泵→顆粒介質(zhì)過濾器→清水池→水工回用水泵→輸煤系統(tǒng)、干灰?guī)焖η鍜呦到y(tǒng)及煤場噴淋。

兩種工藝在部分燃煤電廠的應用業(yè)績見表2。

表2 混凝沉淀過濾工藝和電絮凝工藝部分應用業(yè)績

兩種含煤、灰廢水處理工藝中的主要設備有以下幾種。電子絮凝器設備：采用臥式結構，可通過使用卷式交叉電極（雙螺旋結構），較大地增加電極表面積，運行過程中通過定時自動切換電源輸出極相，可避免由于長時間運行陽極消耗過快，陰極鈍化。輸入交流AC380V，輸出直流電壓DC0-30V可調(diào)，電流0～1500A可調(diào)。極板間距為5～20mm；極板厚度為1～10mm。最后，依靠水的余壓將發(fā)生電絮凝反應后的廢水送入離心澄清器。

離心澄清器設備：立式鋼制，內(nèi)部裝置有配水系統(tǒng)、旋流系統(tǒng)（水力旋流）、斜管、沉淀池、沉泥與排泥系統(tǒng)，在反應器內(nèi)延長了接觸時間，得到很好的沉淀分離效果。

機械過濾器設備：采用顆粒介質(zhì)過濾器，顆粒介質(zhì)過濾器集水方式為支母管型，采用S30408不銹鋼T型繞絲管，其濾層應采用多介質(zhì)（火山礫、無煙煤、石英砂）濾料，總高度不小于1000mm，其中火山礫粒徑0.5～0.8mm，200mm；石英砂粒徑0.5～0.8mm，600mm，無煙煤粒徑0.8～1.2mm，200mm。

含煤廢水處理設備：采用地上式一體化鋼制結構，低位進水、頂部溢流出水，內(nèi)設聚丙烯斜管和聚苯乙烯泡沫塑料濾料，采用加藥澄清、過濾處理工藝，結合排泥、反洗等措施，有效地降低含煤廢水中的濁度。

4 性能和造價的比選與應用實例

兩種含煤、灰廢水處理工藝（系統(tǒng)出力均按1×20m3/h）基建、生產(chǎn)期的技術經(jīng)濟性比較詳見表3。

表3 加藥混凝沉淀工藝與電絮凝工藝的投資造價及運行維護成本比對表

4.1 比選結果

雖然電絮凝工藝無需配置貯存藥劑、配藥、加藥等相關設備投資費用，設備提高防雨、防塵的防護等級后均可進行戶外布置，電絮凝工藝的成套設備的購置費要高于混凝沉淀工藝，建筑安裝工程費用要低于混凝沉淀工藝。成套處理設備系統(tǒng)的工程造價上，電絮凝工藝高于混凝沉淀工藝。

與傳統(tǒng)的化學絮凝法相比，電絮凝運行維護費用低，當煤、灰廢水中懸浮固體含量波動過大時，混凝沉淀工藝中可能出現(xiàn)翻池情況，配藥、溶藥過程無法實現(xiàn)全過程自動化，對運行人員技術能力和人數(shù)要求較高；根據(jù)表3中的比較，電絮凝處理工藝運行維護成本明顯優(yōu)于混凝沉淀處理工藝。

耗材的使用上，加藥的成本高于電極耗損的成本。電絮凝工藝的能耗略高于混凝沉淀工藝。

4.2 應用實例

鎮(zhèn)海電廠遷建項目配置了氣模封閉煤場，減少了雨季含煤廢水產(chǎn)生的量，在一定程度上降低了含煤廢水的處理壓力，同時氣模封閉煤場減少了煤場中水汽的蒸發(fā)量，降低了處理回用系統(tǒng)的外部補水量；同時配置了1座卸煤碼頭，3個2000噸級卸煤泊位及棧橋1座，設計年通過能力320萬噸。

該項目含煤廢水處理站主要包括澄清池、清水池等構筑物，水池的池頂布置電子絮凝器、顆粒介質(zhì)過濾器、各類水泵等設備，離心澄清反應器布置在澄清池北側地面設備基礎上，上述設備均采用露天布置，各設備采用相應的戶外防水、防塵等級。該項目的設備（全部采用戶外布置）及構筑物清單見表4。

表4 鎮(zhèn)海電廠遷建項目含煤、灰處理系統(tǒng)配置的設備及構筑物清單

該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，出水水質(zhì)濁度通過在線濁度儀上顯示平均為3NTU＜5NTU，pH值在7～9，符合排放和回用標準。

5 建議

兩種含煤、灰廢水處理工藝處理后的水均可滿足使用要求，經(jīng)實地調(diào)研，電絮凝工藝出水水質(zhì)（懸浮固體含量SS≤10mg/L）優(yōu)于傳統(tǒng)工藝出水水質(zhì)（懸浮固體含量SS≤30mg/L）[2]。在全壽命周期中，電絮凝工藝（系統(tǒng)出力1×20m3/h）的經(jīng)濟性優(yōu)勢將在機組投產(chǎn)后第18個月后開始體現(xiàn)，并逐步擴大，且電絮凝工藝下水中存在的大量電子流消除了水合物的極性，使膠體狀物質(zhì)游離并沉淀，同時電荷量的提高會形成滲透壓因而殺死細菌、胞囊病毒等[3]。電絮凝技術處理分離出的煤泥更加密實，含水率低，更加利于曬干后利用。

若燃煤發(fā)電項目配置了加藥混凝沉淀過濾工藝的原水預處理系統(tǒng)，可以將預處理的混凝加藥模塊和含煤廢水的混凝加藥模塊集中布置，可減少項目造價和運維成本。在此種情形下，兩種處理工藝的經(jīng)濟性上基本相當。

電絮凝工藝無需添加化學藥劑，減少對水質(zhì)的二次污染，更加環(huán)保。雖然初始投資較高，但自動化程度高，投產(chǎn)后生產(chǎn)期總成本較低，在燃煤電廠和煤礦等行業(yè)降本提質(zhì)增效的背景下，有很好的應用前景和推廣意義。