以寧夏某一2×330MW的火力發電廠為例，在其工業生產過程中需要大量的水，其中循環冷卻水量高達150m3/h。為了實現廢水的“零排放”和回收利用，必須對火電廠產生的高含鹽循環冷卻廢水進行處理，現提出了“預處理+脫鹽濃縮+蒸發結晶”的組合工藝。
在此工藝的基礎之上，設計了4種不同的方案，分析結果顯示4種方案均可以達到“零排放”的要求，並且最終的淡水回收率達到96%以上。通過技術和經濟的分析結果表明：方案三，“石灰碳酸鈉軟化+反滲透膜濃縮+EDR濃縮+蒸發結晶”適用於本工程的實際情況。
隨著社會經濟的發展，各行各業對用水的需求在不斷加大，水資源的供需矛盾成了限制火電業的最主要因素之一，尤其像我國的西北部地區，水資源更是匱乏[1]。據相關部門統計，我國當前的火力發電廠取水量約佔總工業取水量的30%～40%，僅次於農業用水[2-3]。
除此之外，火力發電廠也是排水大戶：一電廠發電量為2×60MW、循環水濃縮倍率為3.5倍，其每天至少有10000m3的冷卻水產生，再加上工業廢水、生活汙水，總廢水量可達15000m3/d[4]。現如今，“節約用水，高效用水”是我國對工業發展過程中水資源利用的主要方針，這不僅要求電廠優化自身技術工藝，更要對廢水處理有進一步的深化改革[5]。
目前有許多專家學者認為，火力發電廠實現廢水零排放是節約水資源防止水體汙染的根本出路[6]。現對寧夏某一火電廠的高鹽廢水提出4項“零排放”方案，並且從效果和經濟方面進行探究和比較，以期對未來的同類廢水處理提供科學依據和參考。
1工程概況
1.1廢水特性
寧夏某一發電量為2×330MW的大型火力發電廠的廢、汙水主要包括：工業廢水、含油汙水、化學廢水、輸煤廢水、生活汙水、渣系統溢水等，其中工業廢水又包括制氫站循環冷卻水、機房輔機冷卻水和設備沖洗水。全廠需要進行深度處理的主要是循環水排汙水，水量按150m3/h考慮，設計進水水質為極限循環濃縮倍率5倍時的監測數據，見表1。
1.2廢水處理要求
廢水濃縮5倍後，產生了極高含鹽量的廢水，“零排放”是指將全部的廢水(99%以上)回收再利用，無任何廢液排出電廠。水中的鹽類和汙染物經過濃縮結晶以固體形式排出電廠送垃圾處理廠填埋或將其回收作為有用的化工原料。
廢水處理設計過程中參照DL/T606.5火力發電廠水平衡導則、DL/T783火力發電廠節水導則、DL/T5068火力發電廠化學設計技術規程、GB/T50102工業循環水冷卻設計規範等規範標準進行，最終回收再利用水要達到表2的要求。
2廢水處理方法與討論
2.1“零排放”廢水處理方案
目前國內真正實現零排放的電廠很少，技術、投資、運行成本均是制約零排放實施的重要因素。若直接採用蒸發的方法處理，勢必會消耗大量蒸汽和電力，通常的處理方法是先脫鹽濃縮再蒸發。所以廢水必須經過適當的預處理才可以送入蒸發結晶處理系統，從而實現“零排放”這一目標。
2.1.1方案一
系統組成：石灰碳酸鈉軟化+反滲透膜濃縮+TMF處理+高壓反滲透+蒸發結晶。工藝流程見圖1。
含鹽量在2500mg/L左右的電廠廢水，通過石灰-碳酸鈉軟化系統使其中的硬度和鹼度均降低到0.5mmol/L以下，同時澄清作用也使得廢水中硅含量大幅降低，再通過雙介質過濾器和超濾裝置進一步降低廢水雜質顆粒含量，使汙染指數SDI降低到3以下。
這樣的水質可以直接進入普通反滲透裝置，該裝置為一級三段排列，其所產淡水含鹽量60mg/L，水量約108m3/h，滿足回收水要求。為提高第三段的產水率，需要在第二段後設置增壓泵使段壓有所提高。經驗算，第一段進口壓力為1.1MPa，第三段增壓後壓力為1.1MPa。
一級三段反滲透的濃水剩餘42m3/h，水中含鹽量比原水濃縮了約4倍，達到約1%的含量。軟件預測此時的水體具有輕微結垢傾向(LSI約0.51>0)。
利用管式微濾膜TMF，結合加入石灰、碳酸鈉和絮凝劑，對此水進一步脫除硬度和鹼度，TMF產水可以直接送入反滲透裝置，該反滲透系統設計為一級三段，選用海水脫鹽膜，第三段前設中間增壓泵將進水壓力提升到5MPa左右，濃縮後的含鹽量達到4%以上，濃水流量約9m3/h。
TMF的含固濃縮廢水則送去預處理工段的汙泥濃縮脫水裝置處理。經海水反滲透膜再次濃縮的高濃度含鹽廢水送到蒸發濃縮單元，利用多效蒸發器進行蒸發濃縮，這裡選用蒸發量達10m3/h的三效強制循環式蒸發器。
料液經預熱後轉入三效蒸發器，同時啟動真空系統，二效蒸發器產生的二次蒸汽供給三效加熱器殼體，料液溫度50～55℃，分離室壓力-0.085～-0.09MPa;經三效蒸發後的溶液轉入二效蒸發器，一效蒸發器產生的二次蒸汽供給二效加熱器殼體，料液溫度100～105℃，分離室壓力0.09～0.1MPa，物料達到控制濃度後轉至三效蒸發器;將二效料液經二級預熱器預熱後送到一效蒸發器內，同時打開加熱器生蒸汽閥門，運行後一效蒸發器內溫度會提高至140℃，分離室壓力持續在0.15MPa左右。
蒸發產生的二次蒸汽最終冷凝下來送去淡水產水箱，三效蒸發器的母液(約2m3/h)則去真空結晶和乾燥單元。過飽和的含鹽母液在真空結晶器內快速閃蒸，料液進一步濃縮，而後進入冷卻結晶器使母液中結晶顆粒不斷長大。
離心分離機用於使結晶與母液分離，分離後的結晶如需進一步乾燥可送入蒸汽乾燥機，進一步脫去水分得到含水率極低的結晶鹽;母液則返回蒸發裝置繼續處理。
2.1.2方案二
系統組成：石灰碳酸鈉軟化+反滲透膜濃縮+高壓平板膜濃縮+蒸發結晶。工藝流程見圖2。
通過石灰-碳酸鈉軟化系統降低硬度和鹼度後，再經過雙介質過濾器和超濾進一步降低汙染指數，然後進入一級三段排列的反滲透濃縮單元，其所產濃水約42m3/h，含鹽量比原水提高了4倍，約為1%，這樣的濃水直接進入下一段反滲透會有輕微結垢傾向(LSI約為0.51>0)。
如果選用新型的高壓平板反滲透膜組件，由於其特殊的流道設計可以阻止結垢物在膜表面的沉積，方案二即以高壓平板反滲透膜取代海水膜，同時取消TMF處理單元。高壓平板膜的抗汙染性和耐高壓能力，使其能在非常高的壓力下獲得滿意的回收率。
壓力由5、9MPa升高到140MPa的三級升壓平板膜單元，使廢水的含鹽量由1%提升到4.5%。廢水得到極大的濃縮，剩餘廢水量約7m3/h。減輕蒸發結晶單元負荷。
2.1.3方案三
系統組成：石灰碳酸鈉軟化+反滲透膜濃縮+EDR濃縮+蒸發結晶。工藝流程見圖3。
通過石灰-碳酸鈉軟化系統使其中的硬度和鹼度均降低到0.5mmol/L以下，再通過一級三段反滲透濃縮，使得濃水至剩餘42m3/h左右，水中含鹽量比原水濃縮了四倍，達到近1%的含量。此時直接選用RO繼續濃縮，計算預測水體具有輕微結垢傾向(LSI約為0.51>0)。
選用EDR的抗汙染和對進水水質要求寬泛的特點，進行再脫鹽和濃縮，電滲析器設計規格為400mm×1600mm，每臺電滲析器安裝250對電滲析膜，系統共配42臺電滲析裝置。回收率可達85%，最後剩6m3/h濃水去蒸發結晶，大大減輕蒸發結晶單元的負荷。蒸發單元濃縮配置10m3/h三效蒸發系統，結晶單元的配置與前面的方案相同。
2.1.4方案四
系統組成：TMF軟化預處理+反滲透膜濃縮+EDR濃縮+蒸發結晶。工藝流程見圖4。
在反應箱1和反應箱2中分別加入石灰和碳酸鈉以及適量絮凝劑，送入濃縮箱中，濃縮箱的廢水通過大流量循環泵送入TMF管式微濾膜裝置。濃縮箱中廢水的含固量在管式微濾膜的作用下不斷提高，到達一定濃度後排往汙泥濃縮壓濾設備。
而錯流而出的水中硬度、鹼度、硅及其它固體雜質都大大減少，可以滿足直接進入反滲透的要求。通過一級三段反滲透濃縮，使得濃水至剩餘42m3/h左右，水中含鹽量比原水濃縮了四倍，達到近1%的含量。此時直接選用RO繼續濃縮，計算預測水體具有輕微結垢傾向(LSI約為0.51>0)。
繼續利用EDR的抗汙染、進水水質寬泛等特點，進行再次脫鹽和濃縮，電滲析器設計規格為400mm×1600mm，每臺電滲析器安裝250對電滲析膜，系統共配42臺電滲析裝置。回收率可達85%，最後剩6m3/h濃水去蒸發結晶，大大減輕蒸發結晶單元的負荷。蒸發單元濃縮配置10m3/h三效蒸發系統，結晶單元的配置與前面的方案相同。
經過一級三段反滲透濃縮的濃排水也可以再通過一級TMF除去硬度離子，然後用海水膜濃縮到可進入蒸發結晶的程度。
2.2方案對比分析
2.2.1技術性比較
方案一在技術上先由一級三段反滲透濃水通過TMF再次軟化處理，進入海水膜繼續濃縮，濃水含鹽量達到4%以上，再送去蒸發結晶。優點在於只要控制好水中結垢組分含量，利用現有的成熟反滲透技術可穩定運行，運行控制及維護均較簡單。
方案二在一級三段反滲透後，濃水無需再次軟化處理，利用新型結構的平板反滲透膜進行直接濃縮，濃水含鹽量達到5%以上送去蒸發結晶，減少蒸發系統容量。但是高壓平板反滲透膜是一種用於高含鹽廢水處理的新技術，其組件有加拿大和德國產品，目前在國內的生化、煤化工等廢水上有試驗性應用，並沒有大量的實際案例。
方案三在一級三段反滲透後，濃水無需再次軟化處理，利用對進水要求相對寬泛的電滲析裝置繼續濃縮，濃水含鹽量達到5%以上送去蒸發結晶，減少蒸發系統容量。電滲析本身為成熟技術，在高含鹽水處理上有一定優勢，應用頻繁倒極技術可防止濃差極化現象，電滲析的脫鹽率較反滲透低，其產水需返回前級的反滲透處理。
方案四以管式微濾單元代替軟化過濾的預處理單元，可省去澄清池、過濾器、超濾器，直接進入一級三段反滲透濃縮單元，使系統更加緊湊。後續再濃縮可以是直接用電滲析，也可經TMF再次軟化後用海水膜裝置進行。TMF是一種錯流式大通道微濾膜系統，可以承受高含固量的廢水，近年在高含鹽高有機廢水處理上均有應用，取得了一定運行經驗。
2.2.2經濟性比較
4種方案的投資及運行費用比較見表3。從經濟角度來看，方案二無論是從投資還是運行成本方面都較其他方案少。但是並不能說方案二優於其他方案，因為方案二不是較為成熟的方法，並沒有很多的應用。方案三中的電滲析技術在國內外已經較為成熟，但其較高的用電量是無法避免的一項支出。
方案四中新型的方法是導致了成本的增加的原因，但很大程度上能縮小土地使用面積，無形中節約成本，在將來很可能會實現普遍化，並且保持現有的較高的處理效率。
3結論
以“零排放”的理念來處理火力發電廠的循環冷卻高鹽廢水，是大勢所趨，並且目前已有許多方法可以實現這一目標。本文在此提出的四種方案均可滿足多效蒸發器結晶進水要求，並且達到最終的回收用水指標。
採用“預處理+脫鹽濃縮+蒸發結晶”工藝可以將此高含鹽廢水有效處理，回收的淡水高於電廠新鮮水指標，可返回循環水系統或鍋爐補給水處理系統作為水源。
四種方案的淡水回收率可達到96%以上，系統產生的淤泥可用於燒結制磚，最終的結晶鹽可外運至指定填埋場地。
為使處理工藝的穩定運行，現電廠運行的各用水及排水系統應統一調配，做到進入廢水處理系統的僅為循環水排汙，儘可能不排入脫硫廢水和生活廢水，以免重金屬離子和COD影響整個工藝運行。
通過對4個工藝方案的比較：方案一主要依靠投加藥劑使水體軟化濃縮，適合於較小的火力電廠，在此不適用。方案二技術不成熟，很可能會出現一些未知的問題，所以在此也不適用，方案四對佔地面積的要求較低，但目前來看各項費用太高，無法採納。方案三利用的是國內外都較為成熟的EDR電滲析，雖然有較高的用電量，但火力電廠有著很好的背景能源條件，完全可以滿足設備運行的需求，在本火電廠較為適用。
參考文獻略
《水處理技術》作者：包偉，黃勇，張寧博
作者簡介：包偉(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為水汙染控制與工程
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電廠廢水種類
燃煤電廠廢水包括經常性廢水和非經常性廢水。經常性廢水是指電廠日常生產過程中產生的廢水，一般包括淨化站產生的含泥廢水（以海水或城市中水為水源的，則為濃縮廢水）、鍋爐補給水系統產生的濃縮廢水或再生酸鹼廢水、精處理裝置產生的再生酸鹼廢水和反洗廢水、循環冷卻水系統產生的濃縮排汙水、脫硫系統排放的脫硫廢水、輸煤系統與煤場產生的含煤廢水、主廠房產生的含油廢水與員工生活廢水等；非經常性廢水主要是機組大小修期間產生的廢水，如鍋爐酸洗廢水、空氣預熱器與脫硫GGH化學清洗廢水、機組啟動沖洗廢水等。
河源電廠2×600MW機組設有循環冷卻水系統，廢水種類齊全，其廢水種類、廢水量和主要汙染因子見表1。
表1 河源電廠2×600MW機組廢水種類、廢水量及其汙染因子
由表中可知，在循環冷卻水系統濃縮倍率為10倍的情況下，河源電廠兩臺600MW機組經常性廢水量為165～244m3/h，每次大小修期間產生的非經常性廢水～34000餘噸。廢水種類較多，廢水量較大。
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廢水零排放關鍵技術
（1）廢水零排放系統開發
河源電廠廢水種類齊全，同時設置有循環冷卻水系統，冷卻塔濃縮排汙水需要複用，較為典型。結合各類廢水特點和現有成熟的廢水處理工藝出水水質的保障情況，為實現廢水複用，建立了以“一水多用、梯級使用、循環利用”為架構的廢水零排放系統。 設備冷卻水與處理後的生活廢水、工業廢水等作為冷卻塔的補充水；冷卻塔的濃縮排汙水作為脫硫系統的工藝補充水，經脫硫系統濃縮為脫硫廢水；脫硫廢水為全廠末端廢水，先經預處理將其中汙泥分離，再蒸發結晶處理將鹽分分離，形成凝結水又回到冷卻塔，如此構成“一水多用、梯級使用、循環利用”的廢水零排放系統。
（2）廢水零排放關鍵技術
① 循環冷卻水極限濃縮倍率技術開發
根據水量平衡要求，循環冷卻系統濃縮排汙水量須控制範圍為80～90m3/h，據此計算濃縮倍率則在10左右。為解決該問題，需進行高濃縮倍率模擬試驗，尋找合適的藥劑，控制循環水水質指標，避免結垢與腐蝕產生。據相關研究，在合理選用藥品、控制循環水濁度的情況下，加藥濃度達到一定值後，河源電廠循環冷卻水系統在10.5以內的濃縮倍率（以氯離子或鹼度計）工況下，其腐蝕與結垢趨勢可控。
在河源電廠循環冷卻水處理系統中，設置循環冷卻系統旁流過濾裝置，保證循環水水質濁度滿足要求；旁路過濾器容量的大小取決於冷卻塔補水水質和冷卻塔周圍空氣質量；旁流過濾器反洗廢水主要汙染物為懸浮物，其鹽含量同循環水水質，進入電廠工業廢水處理系統處理。循環水系統添加阻垢劑、緩蝕劑與殺菌劑，在日常生產中對藥品濃度與水質指標跟蹤監測，藥品濃度不能低於模擬試驗值，水質指標嚴格控制在設定範圍內。若循環水鹽度或硬度或硅含量或氯離子含量接近設定值，則排出部分循環水至複用水池，並及時補充新鮮水，確保循環水系統不結垢、不腐蝕。
② 末端脫硫廢水蒸發結晶處理系統開發
為保證安全運行，石灰石-石膏溼法脫硫系統在運行中需定期排放一定量的廢水，即脫硫廢水。脫硫廢水為全廠的末端廢水，其pH為5～6，鹽含量高達25000～55000mg/L，含有Cl-、懸浮物、過飽和的亞硫酸鹽、硫酸鹽與重金屬等，該廢水易結垢，腐蝕性強性。採用常規工藝處理後，可實現達標排放，但因處理後的廢水硬度高、Cl-未減少，腐蝕性強，不能實現複用，處理後一般外排或用於粉煤灰調溼。國內外還沒有脫硫廢水回用於前端設備的先例。 要實現脫硫廢水的複用，關鍵是要將廢水中的氯離子和硬度去除，避免複用設備發生腐蝕與結垢。河源電廠率先開發的“二級預處理+多效蒸發結晶”脫硫廢水處理工藝，成功將廢水中的汙泥與鹽分進行了分離，處理後的水質接近蒸餾水，回用於冷卻塔，全過程中沒有任何廢水排放。 處理工藝機理如下：設置廢水緩衝池，並曝氣處理，使得水質均勻，為後續設備穩定處理創造條件。在一級反應器中投加石灰乳，使廢水pH值提升至10.0以上，Fe3+、Mg2+、Zn+、Cu2+、Ni+、Cr3+等重金屬離子形成難溶氫氧化物而沉澱；石灰乳中的Ca2+同廢水中的F-離子反應生成難容的CaF2；在一級反應器還添加絮凝劑，使廢水中細小而分散的顆粒和膠體物質在一級澄清器內凝聚成大顆粒物；同時添加助凝劑使得細小的絮凝物變大，形成更容易沉積的絮狀物。廢水中的重金屬、懸浮物等在一級澄清器內濃縮，經脫水處理後變成汙泥外排。
廢水從反應器出來後，進入中間水箱，Hg2+、Pb2+、Ca2+離子仍在廢水水中。增設二級反應器，添加有機硫和軟化劑，並適當調整PH值，Hg2+、Pb2+同有機硫（TMT-15）反應生成難溶的硫化物沉澱，Ca2+同軟化劑發生反應而被去除，經絮凝澄清後進入蒸發結晶系統前清水箱。軟化後的廢水進入蒸發結晶系統基本不發生結垢。
採取四效蒸發結晶系統。動力蒸汽取自輔助蒸汽，對一效蒸發器進行加熱，動力蒸汽冷凝後回用；廢水經一效蒸發器蒸發濃縮，其形成的二次蒸汽(紅色線條，下同)作為二效蒸發器的熱源；濃縮後的廢水（黃色箭頭，下同）進入二效蒸發器進一步濃縮，其形成的二次蒸汽又作為三效蒸發器的熱源；如此類推，濃縮廢水進入四效蒸發器後最後一次濃縮並結晶，經脫水將結晶鹽提出。四效蒸發器出來的蒸汽最後進入凝汽器冷凝成水（綠色箭頭），該水即為脫鹽後的蒸餾水，水質很好，回用於冷卻塔。 為節約能耗，從各效蒸發器抽取部分二次蒸汽用於廢水的預熱。投運後數據表明，每噸廢水的蒸汽能耗為0.28噸。
③ 廢水汙泥與結晶鹽綜合利用
若分離後的廢水汙泥與結晶鹽不經妥善處理，遇水後仍會返回環境產生二次汙染。為避免二次汙染，實現廢水汙泥與結晶鹽資源化綜合利用是最佳方案。 汙泥制磚試驗，試驗結果表明水泥、石灰等固化料與汙泥按一定比例的情況下，汙泥磚強度滿足使用要求，達到國家行業標準；並經浸出試驗，無重金屬析出，滿足環保要求。因汙泥鹽分含量高，汙泥磚僅用於圍牆、公園路面等建設用磚，不能用作房屋建築材料。 為提取高純度的結晶鹽，充分利用各種鹽分特性，提高結晶鹽中NaCl含量，提出的結晶鹽滿足二級工業鹽標準（GB/T5462-2003），作為原料用於印染等行業。
（來源：電力行業節能環保公眾服務平臺）
