火電廠脫硫廢水資源化回用處理工藝研究
摘要
為解決現(xiàn)階段脫硫廢水回用及零排放工藝投資成本、運行費用高的問題，根據(jù)脫硫廢水水質特點，提出超濾-納濾-反滲透-電解制氯的脫硫廢水資源化回用工藝，并通過中試對工藝中的核心系統(tǒng)超濾、納濾系統(tǒng)進行可行性研究。結果表明，超濾-納濾系統(tǒng)可有效將脫硫廢水中1價離子、2價離子進行分離，1價離子進入納濾產(chǎn)水，2價離子截留在納濾濃水中，超濾出水濁度、SDI分別<0.5NTU、<3，納濾1價離子透過率在20%~30%，2價離子SO42-,Mg2+、Ca2+透過率分別<0.2%，<2.5%，<9%。納濾產(chǎn)水濃縮后電解制氯，納濾濃水直接回至脫硫塔，實現(xiàn)脫硫廢水的資源化利用以及零排放。
關鍵詞：脫硫廢水;超濾;納濾;反滲透;電解制氯;資源化回用
在深度節(jié)水工作開展的基礎上，火力發(fā)電廠最終產(chǎn)生的末端廢水主要為脫硫廢水。由于脫硫廢水成分復雜、含鹽量高、致垢性強，較難實現(xiàn)零排放及回用。
現(xiàn)階段真正實現(xiàn)脫硫廢水回用并達到零排放的電廠很少，主要采用的是蒸發(fā)結晶工藝。通過對脫硫廢水進行蒸發(fā)、濃縮、固化，回收蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的冷凝水，同時將廢水變?yōu)楣虘B(tài)鹽外運，實現(xiàn)廢水零排放同時對廢水進行了回用。但該工藝投資成本、運行費用均較高，并且系統(tǒng)較為復雜，難以推廣。
本研究根據(jù)脫硫廢水自身水質特點，提出了脫硫廢水資源化回用的新工藝，并通過實驗對工藝的核心系統(tǒng)性能進行了研究，以期在實現(xiàn)脫硫廢水回用同時實現(xiàn)零排放。
1實驗部分
1.1脫硫廢水特性
對不同火力發(fā)電廠脫硫廢水主要指標進行分析，結果見表1。
表1不同電廠脫硫廢水主要水質指標
由表1可知脫硫廢水其中鹽主要以1價鹽NaCl和2價鹽Na2S04、CaS04、MgSO4為主。2價鹽中CaSO4、MgS04與脫硫塔內的脫硫漿液主要成分相同，可直接回收至脫硫塔內。
1.2資源化回用工藝路線
針對上述水質特點，考慮將脫硫廢水中的1價鹽和2價鹽進行分離，分離出的2價鹽直接回收至脫硫塔內，1價鹽則可以進一步濃縮，對其NaCl進行資源化利用，提出新的脫硫廢水資源化利用工藝。主要工藝流程見圖。
將脫硫廢水經(jīng)預沉后，采用超濾進行過濾，去除脫硫廢水中的懸浮物;
超濾出水采用納濾進行1價鹽與2價鹽的分離，納濾膜屬于離子分離膜，它可將廢水中的1價、2價離子進行分離;
經(jīng)納濾膜處理后，2價離子會被截留在納濾濃水側，1價離子透過納濾膜進入納濾產(chǎn)水測，因此經(jīng)納濾處理后，脫硫廢水中的2價鹽CaS04,MgSO4截留在納濾濃水側，直接回收至脫硫塔，1價鹽NaCl進入納濾產(chǎn)水;
納濾產(chǎn)水進入反滲透進行濃縮，反滲透產(chǎn)水進入回用水箱回用，反滲透濃水進入電解制氯系統(tǒng);
反滲透濃水為濃NaCI溶液，通過電解制次氯酸鈉系統(tǒng)電解生成次氯酸鈉溶液，可直接作為殺菌劑使用。
該工藝在脫硫廢水資源化利用的同時，實現(xiàn)了脫硫廢水的零排放。其核心系統(tǒng)為超濾、納濾，但由于脫硫廢水懸浮物含量很高，并且結垢傾向很高，因此超濾系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定運行需要通過實驗進行驗證;同時納濾雖為離子分離膜，但對不同水質的分離效果也不盡相同，也需要通過實驗進行驗證。因此選擇某沿海電廠進行現(xiàn)場中試，進行可行性研究。
1.3實驗設備與方法
浸沒式超濾中試裝置、納濾中試裝置。超濾膜型號ZW5OOD，納濾膜型號DK4040-F30。
1)超濾實驗。取預沉后脫硫廢水進行實驗，控制超濾系統(tǒng)通量為15L/(m2/h)，在該條件下對超濾系統(tǒng)壓力，出水濁度、污染指數(shù)(SDI)以及出水致垢離子進行測定，通過測定結果對超濾系統(tǒng)運行性能進行分析。
2)納濾實驗。去超濾系統(tǒng)出水進行實驗，在不同回收率條件下，測定納濾系統(tǒng)壓差、運行壓力、納濾濃水和淡水中離子含量，根據(jù)測定結果對納濾性能進行分析。
實驗采用某沿海電廠脫硫廢水，其pH為6.37，電導率30.7mS/cm，Ca2+、Mg2+的濃度分別為54.53、64.87mmol/L，Na+、SO42-、Cl-、鹽的質量濃度分別為4.840、3.173、10.14、27.47g/L。
2結果與討論
2.1超濾
2.1.1運行壓力
對實驗期間超濾系統(tǒng)運行壓差△p進行分析，結果見圖2。
實驗采用浸沒式超濾裝置，因此超濾壓差為負值，正壓對應運行區(qū)間為系統(tǒng)反洗時壓差。從圖2可知，超濾系統(tǒng)壓差在-2.72~-4.17kPa波動，壓差無明顯上升趨勢。
脫硫廢水水質差，懸浮物、結垢離子含量均較高，直接采用超濾過濾存在一定風險。但從實驗過程超濾運行壓差分析，采用浸沒式超濾對脫硫廢水直接進行過濾，在控制較低通量時，超濾系統(tǒng)運行穩(wěn)定，通過定期水汽反洗即可有效控制超濾膜污堵速度。
2.1.2產(chǎn)水濁度
超濾產(chǎn)水濁度監(jiān)測結果見圖3。
從圖3可知，超濾產(chǎn)水濁度基本穩(wěn)定，除個別測點濁度大于0.5NTU外，其余測定濁度在0.1~0.4NTU波動，多數(shù)在0.2NTU左右。較高濁度是反洗剛結束時測定，瞬時產(chǎn)水濁度會有所增高。
2.1.3SDI
實驗期間定期對超濾產(chǎn)水SDI進行測定，結果見表2
從表2可知，脫硫廢水直接通過浸沒式超濾過濾，過濾產(chǎn)水SDI均<3。
2.2納濾
納濾實驗進水為超濾后脫硫廢水。經(jīng)超濾系統(tǒng)過濾后，能夠有效去除脫硫廢水中的懸浮物，但對離子含量無去除效果。從表2可知，脫硫廢水致垢離子含量高，而致垢離子不會透過納濾膜，從而在納濾濃水側被濃縮，因此納濾系統(tǒng)應控制合理的回收率，以防止系統(tǒng)結垢。計算不同回收率下濃水側致垢離子過飽和度，結合阻垢劑防垢性能，選擇30%回收率進行實驗;同時考察低回收率和高回收率條件下的納濾性能，分別在20%、50%的回收率條件下進行實驗。
2.2.1運行壓力
對不同回收率條件下納濾運行壓力進行監(jiān)測，結果見圖4。
從圖4可知，不同回收率條件下，納濾進水壓力相差不大，回收率50%時，進水壓力略有升高，納濾進水壓力受回收率影響不大；厥章20%時系統(tǒng)壓差低于回收率30%、50%時壓差，在67~69kPa波動;回收率提高后壓差有所提高，在69~72kPa波動。整個實驗過程壓差無明顯上升趨勢，基本保持穩(wěn)定，納濾系統(tǒng)未出現(xiàn)明顯的污染現(xiàn)象。因此表明，納濾系統(tǒng)控制合理的回收率，并配合阻垢劑，可有效控制致垢性離子形成鹽垢。
2.2.2陰離子分離
在納濾回收率20%、30%、50%的條件下，對納濾進水、產(chǎn)水的主要陰離子(Cl-,SO42-)含量進行檢測并進水流量和產(chǎn)水流量計算透過率，結果分別見圖5和圖6。
由圖5可知，納濾進水Cl-的質量濃度穩(wěn)定在9~11g/L，不同回收率條件下，納濾產(chǎn)水Cl-的質量濃度基本穩(wěn)定在6g/L左右。第65次監(jiān)測點后納濾進水Cl-含量略有降低，同時產(chǎn)水Cl-含量也略有降低。綜合分析，納濾產(chǎn)水Cl-含量變化受系統(tǒng)回收率影響較小，在不同回收率下基本保持不變。
由圖5還可知，系統(tǒng)回收率增高，Cl-透過率增高，說明進入納濾產(chǎn)水的Cl-質量越高。在回收率50%時，Cl-透過率達35%左右;而回收率20%時，Cl-透過率為僅為13%左右。
由圖6可知，在不同回收率條件下，納濾產(chǎn)水中SO42-的質量濃度均<25.11mg/L;不同回收率條件下，SO42-透過率均<0.16%，說明納濾膜對SO42-具有良好的截留作用。
綜合比較上述結果，納濾膜對Cl-、SO42-具有不同的截留作用，通過納濾處理，可有效的將Cl-,SO42-進行分離。
2.2.3陽離子
在納濾回收率20%，30%，50%實驗條件下，對納濾進水、產(chǎn)水的主要陽離子(Ca2+,Mg2+、Na+)含量進行檢測分析，并計算納濾膜對他們透過率，結果分別見圖7~圖9。
由圖7和圖8可知，納濾產(chǎn)水Ca2+、Mg2+濃度基本保持穩(wěn)定，Ca2+濃度平均在6.9mmo1/L，Mg2+濃度平均為1.99mmol/L。隨著納濾系統(tǒng)回收率的升高，Ca2+,Mg2+的透過率均有所升高，在回收率20%和30%時，透過率相差不大;當回收率升至50%時，Ca2+和Mg2+透過率顯著升高，分別由1.8%升至8.9%和由0.48%升至2.28%。在相同回收率條件下，Ca2+透過率顯著高于Mg2+透過率。由此認為，脫硫廢水在通過納濾膜處理時，90%左右的Ca2+和97%左右的Mg2+被截留在納濾濃水側。
由圖9可知，納濾膜對Na+透過率明顯高于Ca2+,Mg2+透過率。隨著回收率增大，Na+透過率略有降低，Na+透過率整體大于20%。
2.3討論
綜合分析上述實驗結果，納濾膜對脫硫廢水中1價離子具有良好的透過性，而對2價離子透過率極低。由此可知，納濾膜可有效的將脫硫廢水中的1價離子與2價離子進行分離，使納濾產(chǎn)水中含的離子主要為Cl-,Na+和少量的Ca2+、Mg2+;納濾濃水中主要含SO42-,Ca2+,Mg2+以及未透過納濾膜的Na+、Cl-納濾濃水測主要離子成分與脫硫漿液成分相近，因此可直接回用回脫硫系統(tǒng)，而納濾淡水側主要為NaCl，通過在濃縮后可采用電解制氯方法直接制成次氯酸鈉溶液作為消毒劑使用。
3結論
采用超濾對未處理脫硫廢水進行處理，超濾系統(tǒng)運行穩(wěn)定，出水濁度、SDI分別<0.5NTU。
納濾系統(tǒng)可有效的將脫硫廢水中的1價離子、2價離子進行分離。1價離子透過膜進入納濾產(chǎn)水，2價離子被納濾膜截留，留在納濾濃水中。隨著納濾回收率增高，Cl-、Ca2+、Mg2+透過性均有所升高，Na+透過性略有降低，SO42-透過率無明顯變化。1價離子透過率在20%~30%，2價離子SO42-、Mg2+、Ca2+透過率分別<0.2%、<2.5%、<9%。
采用超濾系統(tǒng)、納濾系統(tǒng)對脫硫廢水進行處理，膜系統(tǒng)運行穩(wěn)定，無明顯污堵現(xiàn)象。
通過實驗研究認為，超濾-納濾-反滲透-電解制氯工藝能夠有效對脫硫廢水中的離子進行資源化回用，同時實現(xiàn)脫硫廢水的零排放。
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