熱電廠中水回用系統工藝設計及運行

隨著我國經濟的發展,工業區集中供熱規模不斷擴大,常規水處理系統在水質和水量上都無法滿足需求,加上淡水資源緊張,中水回用開始得到廣泛應用。杭州灣新區某熱電廠,一期工程裝有2臺75t/h循環流化床鍋爐,二、三期工程為3×130t/h循環流化床鍋爐,從2007年開始,該廠將水源從地表水更換為開發區污水處理廠中水,分三期擴建了4×100m3/h的鍋爐補給水處理裝置,采用超濾加兩級反滲透工藝替換原有陰、陽離子交換系統。筆者就該項目的系統設計、運行情況和性能指標作簡要介紹。

由于地表水資源緊張,該廠新建項目水源改為開發區污水處理廠處理后排水。根據現場取樣測試報告,原水水質存在一定范圍的波動,典型水質分析數據如表1所示。

表1原水水質分析

由表1可見,原水水質較差,有機物和含鹽量較高,電導率基本在4000μS/cm以上。

根據項目水質和現場實際情況,采用膜技術為核心工藝進行中水回用處理。系統工藝流程為：污水處理廠來中水→反應沉淀池→高效纖維過濾器→清水池→清水泵→加熱器→自清洗過濾器→超濾裝置→超濾水箱→超濾水泵→一級保安過濾器→一級高壓泵→一級RO裝置→一級淡水箱→一級淡水泵→二級高壓泵→二級RO裝置→二級淡水箱。進入超濾系統前加入殺菌劑,控制原水中微生物的生長;進入一級RO系統前投加還原劑和阻垢劑,防止結垢和氧化;進入二級RO系統前加堿,除去二氧化碳,提高脫鹽率。

整個中水回用系統分為預處理區域和膜處理車間。項目分三期建設,一期2套,二、三期各1套,單套出力100m3/h,土建及公用工程一次完成。

預處理系統包含網格絮凝沉淀池和高效纖維過濾器。污水處理廠中水通過管道輸送到網格絮凝沉淀池的絮凝段,進水前加絮凝劑混合。在絮凝池中原水通過混合反應,形成大顆粒的礬花,經過斜管沉淀池的加速沉淀,出水得到凈化。沉淀池出水通過提升泵送到高效纖維過濾器后進入清水池。

網格絮凝沉淀池結構緊湊,占地面積小,維護管理簡單,藥劑混合無需動力,運行費用較低。高效纖維過濾器由獨特的自適應纖維濾料和過濾器罐體構成,采用專用的深溝道窄縫柵網,過濾精度高,過濾速度快,反洗采用水和空氣聯合反沖,由過濾器底部通入,將因過濾壓實的濾床沖散。由于自適應濾料的特性,附著在濾料上的污垢很容易脫落,從而達到快速沖洗干凈的目的。預處理系統設置3用1備,單列出水220m3/h。

超濾系統包含網式自清洗過濾器、混合式加熱器和超濾裝置,采用單元制配置。

網式自清洗過濾器主要用于去除水中的細小顆粒、懸浮物等雜質,并通過馬達驅動濾網內的兩把清洗刷轉動來實現自動清洗。該項目配制的網式過濾器過濾精度為150μm,單臺設計出力330m3/h,共2臺。

混合式加熱器用于控制給水溫度,維持膜系統運行溫度在20~25℃,采用汽水混合加熱,有效減少蒸汽用量,降低系統運行費用。單臺設計出力330m3/h,共2臺。

超濾裝置主要用于去除水中大分子有機物和膠體等,使最終產水滿足反滲透進水要求。該項目超濾膜元件采用美國陶氏公司的SFR2860,膜有效過濾面積52m2,設計死端過濾方式,運行通量55.5L/(m2·h),單套裝置52支膜元件,出力150m3/h,共4套。

超濾系統過濾周期為30min,采用產水進行反沖洗,反洗通量為100~150L/(m2·h),反洗時投加次氯酸鈉殺菌。運行2h后進行一次氣水聯合反沖洗,采用0.1MPa的無油壓縮空氣擦洗,每支超濾膜氣洗強度為7~12Nm3/h。超濾系統設有化學清洗裝置,當污染物黏附在膜表面,僅通過機械力無法將其去除時,就需要通過化學清洗來去除。

反滲透系統主要去除水中溶解鹽類。該工程反滲透膜元件均采用陶氏公司產品,一級型號為BW30-365FR,二級型號為BW30-400。反滲透系統設計參數如表2所示。

表2反滲透系統設計參數

該工程反滲透系統設置4列,每列產水100m3/h,均采用一級二段排列,每根壓力容器安裝6根反滲透膜。一級反滲透脫鹽率設計為98%,二級反滲透脫鹽率設計為97%,反滲透系統整體脫鹽率設定為95%。

該項目三期工程分別于2007年、2009年和2010年底調試出水,到目前為止,系統運行穩定,出水水質滿足后續離子交換系統要求。

預處理系統主要控制指標為懸浮物和濁度,通過在線濁度儀連續監測產水濁度。預處理投加聚合氯化鋁作為絮凝劑,正常加藥量30mg/L。由于原水水質較差,沉淀污泥較多,系統設計自動排泥閥進行定期排泥,并根據進水濁度變化手動調節絮凝劑投入量,正常情況下高效過濾器出水濁度可維持在5NTU以下。

超濾系統采用PVDF膜材質,適用清洗pH范圍較廣,能較好地適用于污染水質。系統投運初期,超濾運行穩定,壓差控制在0.08MPa以下,產水SDI不超過2,濁度小于0.1NTU。運行3個月后,壓差上升速度變快,氣水反洗恢復效果不明顯,采用鹽酸和氫氧化鈉進行化學清洗,壓差重新恢復至0.03~0.05MPa之間。目前維持3個月左右一次化學清洗。超濾系統產水壓差變化如圖1所示。

圖1超濾跨膜壓差隨時間變化

反滲透自投運后運行穩定,壓差及水質變化較小,尤其是二級反滲透產水,跨膜壓差不超過0.2MPa,產水電導長期維持在2μS/cm以下。2013年反滲透運行中的部分數據如表3所示。

表3反滲透系統運行數據

由表3可見,一級反滲透跨膜壓差保持在0.3~0.4MPa之間,脫鹽率在98.6%以上,二級反滲透脫鹽率在97.4%以上,系統整體脫鹽率可達99.97%左右。通過在一級反滲透產水母管上投加NaOH調節pH至8左右,較大程度的消耗掉產水中的CO2,可有效減輕反滲透產水對管路的腐蝕,提高二級反滲透的脫鹽率。

一級反滲透系統維持3~4個月進行一次化學清洗,二級反滲透清洗頻率極低,通常在1a以上。目前一、二期三套一級反滲透系統膜元件已經進行了更換,系統處于正常運行狀態。

項目三期工程總投資共3980萬元,其中土建工程1256萬元,包含超濾反滲透車間及預處理土建構筑物等。按照年運行時間7500h,廠用電價0.36元/(kW·h)測算,系統直接運行成本為2.54元/噸水,其中電費所占比例最大,達到40%以上。運行成本分析如表4所示。

表4系統運行成本分析

淡水資源的緊張,使得中水回用的呼聲日益高漲。作為用水大戶的火力發電廠,積極探索市政及工業中水作為鍋爐補給水的水源是充分利用水資源的有效途徑。

通過幾年的運行實踐表明,該套系統運行穩定,產水水量及水質達到設計要求,出水經混床后滿足除鹽水水質要求。項目的工藝系統對工業中水進行深度處理后回用至鍋爐補給水是可行的,具有較好的環境效益和經濟效益。