循環(huán)水排污水占全火電廠濕冷循環(huán)機(jī)組外排水量的70%以上，是火電廠全廠廢水零排放處理中最重要的一環(huán)。針對(duì)電廠循環(huán)水排污水排污量大、含鹽量高、含有阻垢劑、成分復(fù)雜的特點(diǎn)，電廠一般采用預(yù)處理（軟化+混凝+澄清）結(jié)合深度除鹽（超濾UF+反滲透RO）的回用處理工藝。目前，已投運(yùn)的循環(huán)水排污水處理系統(tǒng)為增強(qiáng)澄清池混凝澄清效果，通常需要提高絮凝劑和助凝劑的加藥量，但會(huì)因此增加出水中有機(jī)大分子的含量，進(jìn)而增加后續(xù)膜系統(tǒng)被高分子有機(jī)物污堵的風(fēng)險(xiǎn)，而被高分子助凝劑污堵的膜幾乎無(wú)法通過(guò)清洗手段恢復(fù)。研究表明，電絮凝反應(yīng)形成的絮體與傳統(tǒng)化學(xué)混凝相比強(qiáng)度更大、結(jié)構(gòu)更緊實(shí)，更適合作為循環(huán)水排污水預(yù)處理工藝。基于此，北方某2×200MW燃煤機(jī)組熱電廠采用“電絮凝-高效澄清池+高效纖維過(guò)濾器+浸沒(méi)式超濾+反滲透”工藝，對(duì)循環(huán)水排污水進(jìn)行深度脫鹽處理后淡水回用作鍋爐補(bǔ)給水和冷卻塔補(bǔ)充水，少量的濃水則送往灰場(chǎng)噴淋和脫硫制漿。該工程利用電絮凝替代傳統(tǒng)化學(xué)藥劑混凝法，與高效澄清池聯(lián)合應(yīng)用于電廠循環(huán)排污水預(yù)處理環(huán)節(jié)，節(jié)省了藥劑成本，同時(shí)強(qiáng)化了混凝澄清效果，提升了出水水質(zhì)，有效減輕了后續(xù)膜系統(tǒng)污堵的風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的示范意義。
1、工程概況
1.1 處理規(guī)模及原水水質(zhì)
某電廠循環(huán)水排污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)出力300m3/h，其中，電絮凝設(shè)計(jì)出力為300m3/h，高效澄清池設(shè)計(jì)出力為2×150m3/h。循環(huán)水排污水水質(zhì)見(jiàn)表1。
1.2 工藝流程
廢水的電導(dǎo)率越高，電絮凝反應(yīng)去除單位質(zhì)量污染物的耗電量越低。該系統(tǒng)進(jìn)水電導(dǎo)率、總硬度、總堿度均較高（表1），采用電絮凝結(jié)合碳酸鈉軟化澄清是較為可行且經(jīng)濟(jì)的預(yù)處理方式；深度處理采用UF+RO“雙膜”系統(tǒng)，對(duì)水中有機(jī)大分子、高濃度氯離子及其他可溶解性鹽有較理想的去除效果，可保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較高的回收率和脫鹽率。經(jīng)比選，確定循環(huán)水排污水處理系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。
1.3 電絮凝-高效澄清池系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電絮凝-高效澄清池作為循環(huán)水排污水預(yù)處理系統(tǒng)，承載軟化、混凝澄清的功能，其出水水質(zhì)是影響后續(xù)“雙膜”系統(tǒng)正常運(yùn)行、清洗周期和使用壽命的關(guān)鍵因素。因此，合理設(shè)計(jì)電絮凝-高效澄清池系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)尤為重要。
1.3.1 電絮凝反應(yīng)池
電絮凝反應(yīng)池采用與高效澄清池合建的方式，作為循環(huán)水排污水處理系統(tǒng)進(jìn)水的第一反應(yīng)池。電絮凝裝置置于反應(yīng)池內(nèi)，陰、陽(yáng)極板外接直流穩(wěn)壓電源，從而使其極板間形成穩(wěn)定的電勢(shì)差。在電勢(shì)差的作用下，電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，陽(yáng)極鐵板氧化溶解，生成大量的Fe2+/Fe3+離子，這些Fe2+/Fe3+離子在弱堿性來(lái)水中經(jīng)水解和聚合反應(yīng)后，形成一系列多核羥基絡(luò)合物，最終形成-FeOOH。羥基絡(luò)合物作為凝聚劑，吸附能力較強(qiáng)，通過(guò)吸附架橋、網(wǎng)捕和壓縮雙電層等作用吸附、聚集污染物而形成絮體，達(dá)到去除懸浮污染物的效果。
電絮凝反應(yīng)池共設(shè)4組并聯(lián)連接的電絮凝極板（圖2），極板為鐵材質(zhì)。各組極板與電源的連接方式均為單極式，極板間距為30mm，默認(rèn)定時(shí)倒極時(shí)間為20min。正、負(fù)極板間放置感應(yīng)極板，使得該裝置兼具單、雙極連接方式的特點(diǎn)，即電壓低、電極電流分布均勻、設(shè)備緊湊高效。電絮凝反應(yīng)池水力停留時(shí)間為15~30min，電流密度可跟蹤進(jìn)水流量實(shí)現(xiàn)按比例調(diào)節(jié)，彌補(bǔ)因流量變化導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或不足的缺點(diǎn)，從而保證反應(yīng)充分、水中解離Fe2+/Fe3+濃度穩(wěn)定。
1.3.2 高效澄清池
高效澄清池對(duì)原水水質(zhì)、水量變化沖擊適應(yīng)能力強(qiáng)，具有體量小、效能高的特點(diǎn)。電絮凝反應(yīng)池出水加NaOH調(diào)整pH值后直接流入高效澄清池，再投加碳酸鈉進(jìn)行軟化、絮凝、澄清，實(shí)現(xiàn)對(duì)原水總硬度、總堿度和濁度的高效去除。高效澄清池凝聚區(qū)水力停留時(shí)間為3.5min，絮凝區(qū)水力停留時(shí)間為11min，清水區(qū)表面負(fù)荷7m3/(m2•h)，污泥回流率為4%。
2、系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行
2.1 電絮凝反應(yīng)池運(yùn)行狀況
在1套高效澄清池投運(yùn)的條件下，電絮凝反應(yīng)池進(jìn)水流量為150m3/h，進(jìn)水pH值約為9.02，化學(xué)需氧量（COD）約45mg/L，初始電流密度5.96A/m2，電解反應(yīng)時(shí)間為20min。電絮凝反應(yīng)池電極反應(yīng)為：
實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)：電絮凝反應(yīng)池出水pH值為8.94，較進(jìn)水略有降低，這可能是由于陽(yáng)極溶解出的鐵離子經(jīng)水解和絡(luò)合作用消耗了部分OH－；出水COD約為19mg/L，去除率57%左右，表明電絮凝對(duì)COD也有較好的去除效果。
系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，在Na2CO3投加量為160mg/L，pH值為11.0工況下，澄清池出水濁度、絮凝池污泥沉降比與電流密度的關(guān)系分別如圖3和圖4所示。
由圖3可知：當(dāng)電絮凝電流密度由3.80A/m2上升至4.87A/m2時(shí)，出水濁度由2.57NTU迅速降至1.21NTU，濁度去除率由69.1%增至85.6%；當(dāng)電流密度大于5.96A/m2時(shí)，出水濁度值趨于平緩且小于1.0NTU，濁度去除率穩(wěn)定在90%左右。
由圖4可知：絮凝池污泥沉降比隨電流密度的增加呈逐漸下降趨勢(shì)，且當(dāng)電流密度為8.12A/m2時(shí)，絮凝池污泥沉降比為26%（符合小于30%的運(yùn)行規(guī)程要求）。這是由于隨著電流密度的增加，反應(yīng)生成氫氧化鐵濃度增加，污泥沉降性能提升，沉降比隨之下降。該電廠二期中水預(yù)處理澄清池系統(tǒng)聚合鐵投加量為8.0mg/L，助凝劑投加量為0.4mg/L，絮凝區(qū)污泥沉降比為15%~20%，明顯低于本電絮凝-高效澄清池系統(tǒng)絮凝區(qū)污泥沉降比（26%）。這是由于一方面本系統(tǒng)未投加助凝劑；另外系統(tǒng)運(yùn)行初期，受限于回流污泥量不穩(wěn)定、沉降性能不佳等因素，回流污泥尚未起到強(qiáng)化絮凝的效果。因此，可通過(guò)連續(xù)運(yùn)行改善污泥性能后緩慢提高污泥回流比，來(lái)強(qiáng)化絮凝沉淀效果。
為考察不同電流密度下的電流效率，通過(guò)計(jì)算實(shí)際與理論鐵離子溶出速率之比，獲得電流效率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)法拉第公式，理論鐵離子溶出速率公式為
式中：v為理論鐵離子溶出速率；m為一定電流下溶出鐵的質(zhì)量，mg；t為通電時(shí)間，min；I為通電電流，A；M為鐵的摩爾質(zhì)量，55859mg/mol；Z為單個(gè)鐵原子轉(zhuǎn)移電子數(shù)，該系統(tǒng)為2；F為法拉第常數(shù)，96485C/mol。
由表2可知：電流效率隨電流密度升高而上升；當(dāng)電流密度大于5.96A/m2時(shí)，電流效率達(dá)到90%以上，并于7.04A/m2時(shí)電流效率達(dá)到最高，為91.06%；當(dāng)電流密度為8.12A/m2時(shí)，電流效率略有降低，這可能是由于水中高含量的氯離子在陽(yáng)極放電，消耗了部分電流。
對(duì)不同電流密度下，電絮凝反應(yīng)時(shí)的能耗進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，電流密度增加，能耗隨之增大，在電流密度為5.96A/m2和7.04A/m2時(shí)，能耗分別為1.21kW•h和1.55kW•h。綜合考慮出水濁度、絮體生長(zhǎng)情況、電流效率及能耗因素，選擇5.96A/m2為最佳電流密度。
2.2 高效澄清池運(yùn)行狀況
高效澄清池進(jìn)水總硬度約為21~23mmol/L，總堿度（以CaCO3計(jì)）約為4.5~5.5mmol/L。調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)考察不同pH值及碳酸鈉加藥量條件下，高效澄清池出水總硬度及總堿度的變化情況，以確定最佳運(yùn)行pH值和碳酸鈉加藥量。總硬度及總堿度去除率與pH值和碳酸鈉投加量的關(guān)系分別如圖6和圖7所示。
由圖6可知：在碳酸鈉加藥量為160mg/L的工況下，當(dāng)pH值小于11.0時(shí)，總堿度去除率隨pH值升高逐漸增大，這是由于OH–與水中HCO3–發(fā)生反應(yīng)生成了CO32–，進(jìn)而形成CaCO3沉淀，使出水堿度降低，而當(dāng)pH值大于11.0時(shí)，總堿度去除率下降，出水堿度升高，說(shuō)明HCO3–基本反應(yīng)完全，出水有OH–殘余，pH值不宜繼續(xù)提高；當(dāng)pH值為11.0~11.2時(shí)，總硬度去除率隨pH值升高逐漸增大，這是一方面由于pH值升高，有利于水中HCO3－向CO32－轉(zhuǎn)化，最終形成CaCO3沉淀，從而降低出水暫時(shí)硬度，另一方面，進(jìn)水鎂硬度較高，pH值越高鎂硬去除率越大，當(dāng)pH值大于11.2時(shí)，水中Mg2+以Mg(OH)2基本沉淀完全；當(dāng)pH值為11.0時(shí)，總堿度去除率達(dá)到最大值66.7%，此時(shí)平均出水總堿度為1.2mmol/L；當(dāng)pH值為11.2時(shí)，總硬度去除率基本穩(wěn)定在65%左右，此時(shí)平均出水總硬度為8.8mmol/L。因此，pH值控制在11.0~11.2時(shí)，總堿度及總硬度的去除效果均較好。
由圖7可知：在pH值控制為11.0的工況下，總堿度去除率隨碳酸鈉加藥量增大呈現(xiàn)先穩(wěn)定后迅速下降趨勢(shì)，這可能是由于當(dāng)碳酸鈉加藥量大于180mg/L時(shí)，投加的CO32－未能完全和水中Ca2+發(fā)生反應(yīng)，從而使出水堿度增加，總堿度去除率下降；總硬度去除率隨碳酸鈉加藥量增加而逐漸上升，這是由于投加的CO32－濃度越高，與水中Ca2+發(fā)生沉淀反應(yīng)越充分，從而降低了出水硬度；當(dāng)碳酸鈉加藥量為160mg/L時(shí)，總堿度去除率為66.7%左右，平均出水堿度為1.2mmol/L；當(dāng)碳酸鈉加藥量為180mg/L時(shí)，總硬度去除率為60.0%左右，平均出水硬度為9.7mmol/L。因此，綜合考慮藥劑成本及出水水質(zhì)要求，碳酸鈉最佳加藥量宜取170mg/L。
2.3 電絮凝-高效澄清池出水對(duì)“雙膜”系統(tǒng)影響
電絮凝-高效澄清池系統(tǒng)投運(yùn)45天后測(cè)量，浸沒(méi)式超濾產(chǎn)水泵入口真空度為21.3kPa，反滲透保安過(guò)濾器進(jìn)出口壓差為0.02MPa，一段透膜壓差為0.04MPa，二段透膜壓差為0.05MPa，符合膜廠家技術(shù)要求，且低于同類電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)值。電絮凝高效澄清池系統(tǒng)投運(yùn)45天，進(jìn)出水關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)：出水濁度低，延長(zhǎng)了過(guò)濾器及超濾系統(tǒng)運(yùn)行周期，降低了清洗頻率；出水鐵離子質(zhì)量濃度低，且無(wú)助凝劑投加，因此基本消除了有機(jī)大分子或Fe(OH)3膠體污堵后續(xù)膜系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。
2.4 電絮凝法與化學(xué)混凝法經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析
結(jié)合該廠實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)電絮凝法和化學(xué)混凝法進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)：對(duì)比化學(xué)混凝法，采用電絮凝法減少了石灰、絮凝劑和助凝劑加藥系統(tǒng)的投資成本，共節(jié)省約33萬(wàn)元；由于氫氧化鈉藥劑成本較高，兩者的加藥成本基本持平；電絮凝裝置在電流密度為5.96A/m2時(shí)，能耗僅為1.21kW•h，核算用電成本約為0.0062元/t（水），較化學(xué)混凝法低約0.0042元/t（水）。僅考慮加藥和用電成本，電絮凝法的運(yùn)行費(fèi)用約為155.43萬(wàn)元/a，與化學(xué)混凝法153.61萬(wàn)元/a相差不大。
對(duì)比化學(xué)混凝法，電絮凝法是綠色環(huán)保型水處理技術(shù)，占地面積小，無(wú)二次污染，調(diào)節(jié)反應(yīng)靈敏，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，并且可明顯降低后續(xù)膜系統(tǒng)污堵風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)其清洗周期及運(yùn)行壽命。此外，采用電絮凝法系統(tǒng)產(chǎn)生泥量較少，可顯著降低后續(xù)污泥處理系統(tǒng)出力，減少污泥處理系統(tǒng)投資和維護(hù)費(fèi)用，從而能夠大幅降低系統(tǒng)運(yùn)行的隱性成本。綜上，電絮凝法較化學(xué)混凝法具有更好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。
3、結(jié)論
1）電絮凝-高效澄清池聯(lián)合技術(shù)適用于電廠循環(huán)水排污水預(yù)處理，省去了凝聚劑和助凝劑投加環(huán)節(jié)，降低了后續(xù)膜系統(tǒng)污堵的風(fēng)險(xiǎn)。
2）電絮凝-高效澄清池聯(lián)合技術(shù)對(duì)濁度、總硬度、總堿度去除效果理想，滿足后續(xù)膜系統(tǒng)水質(zhì)要求。
3）電絮凝-高效澄清池系統(tǒng)投運(yùn)后，循環(huán)水排污水水質(zhì)得到改善，后期運(yùn)行可根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)變化微調(diào)電流密度、凝聚池pH值及碳酸鈉加藥量，從而進(jìn)一步提升高效澄清池出水水質(zhì)，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
4）與化學(xué)混凝法相比，電絮凝法環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。（來(lái)源：西安熱工研究院有限公司）
