陶瓷超滤和全膜法工艺在火电厂中的应用

程金仓，杨 蕾

（1.江苏国信靖江发电有限公司，江苏 靖江 214513；2.国家能源集团泰州发电有限公司，江苏 泰州 215300）

随着我国火力发电厂机组容量、参数的提高和环境保护意识的增强，对锅炉补给水品质、系统稳定性和能耗经济性的要求也越来越高。同时，对火电企业减少废水排放量、减少取水量和提高水的利用率等提出了更高的要求。传统的电厂水处理工艺即“混凝沉淀＋过滤＋离子交换”已难以满足节能环保的要求。

目前，该工艺路线中广泛使用的有机超滤膜容易断丝且造成反渗透膜污堵，另外离子交换设备再生过程会排放大量高浓度酸碱废水。为解决传统水处理系统存在的这些问题，华东地区某电厂供热改造中采用了“陶瓷超滤＋两级反渗透+电除盐”的全膜法工艺，并设置浓水反渗透装置提高水的利用率。

1 陶瓷超滤技术

随着新一代高效膜分离技术的研究和推广使用[1]，超滤逐渐替代了传统预处理工艺。由于操作压力低（0.05~0.30 MPa）、能耗少、占地小、无化学相变，不存在二次污染，且出水效果好，超滤技术迅速得到了广泛的应用，在各种水处理工艺中作为反渗透、除盐设备的预处理工艺[2]。

目前，超滤膜多采用有机中空式纤维膜，其使用寿命通常大约5年左右，有机超滤膜元件在运行2年后断丝现象逐渐明显，断丝导致超滤的出水水质严重下降，SDI值变大甚至超标。断丝造成了反渗透保安过滤器和反渗透膜组件的污堵，严重影响了反渗透系统的安全和可靠运行。

陶瓷膜元件主要由氧化铝、氧化钛、氧化锆及二氧化硅等无机材料经高温烧结而成，是具有多孔结构的精密陶瓷过滤材料。与有机超滤膜相比，陶瓷超滤膜具有化学稳定性好，pH值更宽广、耐强氧化剂、机械强度大、可反向冲洗、抗微生物能力强、耐高温、孔径分布窄、分离效率高等特点[3-10]。

陶瓷超滤膜分离技术是近年国际上发展迅速的高新技术之一，已经在化工、锂电、食品、医药、环保等行业的分离、浓缩、提纯过程中显示出突出的优势和广阔的前景。

陶瓷超滤的特点：

1）膜通量大，陶瓷超滤设备占地面积小；2）物理性能好，机械强度大，几乎无断丝率；3）化学稳定性好，耐酸、碱、强氧化剂；4）使用寿命长，膜的寿命不低于15年；5）水质适应性较强，对进水水质要求低，适用于高浊水和高浓度废水；6）价格相对较贵，对生产制造工艺要求高。

2014年德国纳诺斯通公司研发了块式陶瓷超滤膜产品并进入中国市场，其外形尺寸和结构与有机超滤膜相同，大大降低了陶瓷超滤膜使用成本，且先进的制造工艺保证了成品率较高，亲水性较好，孔径均匀性好，使用寿命长，使陶瓷膜替代有机超滤膜在技术经济上可行。该产品在发电厂补给水、废水零排、中水回用等系统中逐步得到了应用。

2 陶瓷超滤在供热改造中应用实例

2019年华东某电厂进行供热改造，扩建出力150 m3/h除盐水系统。因热用户对供热稳定性的要求较高，电厂没有足够场地扩建原水预处理设施，故在供热改造中采用了陶瓷新一代超滤工艺。

该电厂水源为长江水，水质参数：Cl-质量浓度108.18 mg/L；CODMn4.64 mg/L；全硅6.01 mmol/L；溶固量472.6 mmol/L；全固量4.00 mmol/L；反应沉淀池出水浊度≤3 NTU。

2.1 陶瓷膜与有机超滤膜比较

表1 为陶瓷膜与有机超滤膜综合比较。由表1可见：陶瓷超滤膜水质适应性好，可用于高浊水处理，在沉淀池后可不设空擦滤池；设备紧凑，占地面积较小；虽陶瓷超滤膜价格为有机超滤膜2倍以上，但减去空擦、罗茨风机和土建费用，总体投资估算略小；日常运行费用低，陶瓷膜机械强度高寿命长，断丝率极低，维护工作量和费用较小；陶瓷超滤膜更符合节能环保要求。综合比较，陶瓷超滤在热电联产发电厂水处理中应用具有很好的经济性和可靠性，值得推广应用。

2.2 陶瓷膜使用效果

改造后陶瓷超滤膜运行通量约262 L/(m2·h)，单次运行周期30～60 min，单次反洗时间1.25 min，化学加强反洗间隔10 h，清洗周期＞40 d，出水回收率＞92%，陶瓷膜出水水质SDI＜2，浊度＜0.10 NTU，完全达到改造要求的水质标准。

混凝剂是分子量低而阳电荷密度高的水溶性聚合物，大多为液体。通常水解后产生带正电荷颗粒的残余混凝剂可以穿越有机超滤膜，与电离生成带负电性分子链的反渗透阻垢剂和带有负电荷的反渗透膜会发生反应。其反应物很容易沉积在保安过滤器和反渗透膜表面，造成保安过滤器和反渗透膜压差上升，长期污堵后无法通过化学清洗恢复，需频繁更换保安过滤器滤芯，从而降低反渗透膜出力，缩短使用寿命。

采用一般有机超滤膜只能有效去除分子量大于7 000的有机物，目前普遍使用的混凝剂通常分子量大于3 500。采用陶瓷超滤膜能有效去除低分子量的混凝剂残余物，防止保安过滤器和反渗透膜污染，节约运行维护成本。

3 全膜法在电厂供热改造中的应用

3.1 电除盐技术

由于混床工作时需要进行周期性再生，再生过程中需要大量的化学酸碱和除盐水，且产生的高浓度废水带来了环境污染问题。电除盐（EDI）技术的发展和投运改变了制备高纯水只能采用混床的局面。EDI系统比混床操作要简单、连续，自动化程度高，需要更少的人力。EDI的工艺过程产生的废水排放很少，正常运行中大多数排放水可以回收到前一级系统综合利用，减少了对环境的污染。目前EDI技术的广泛应用已经积累了成功运维的经验，其主体工艺流程为“超滤＋一级反渗透＋二级反渗透＋电除盐”。

相比于传统的“有机超滤（UF）＋反渗透（RO）＋离子交换”技术，全膜法是目前锅炉补给水系统首选的环保方案。

3.2 全膜法与传统离子交换除盐比较

全膜法与“UF＋RO＋离子交换”比较见表2。由表2可见，虽全膜法水处理系统须在前端配置两级反渗透装置，设备初投资较大，EDI设备运行电耗相对较多，但全膜法工艺卓越的环保零排放特点，可保证无酸碱废水排放，其系统设备紧凑，运行操作简单，维护量较小，可节约化学车间占地面积，且无需采购大量酸碱进行再生，节省了药剂费用。

表2 全膜法与“UF＋RO＋离子交换”比较Tab.2 Comprehensive comparison between integrated membrane method and “UF + RO + ion exchange”technology

本次供热改造在全膜法工艺中设置浓水反渗透系统，根据全厂和脱硫系统水量平衡测试结果以及单机运行时脱硫工艺水需求量，为满足环评无外排的要求，设计浓水反渗透系统浓水回收率为60%。该水处理系统投运后可减少浓水排放10.8万t/年，提高了水的利用率。

4 锅炉补给水系统设计方案

4.1 陶瓷膜的优势

一般来讲，当火电厂用水需求变大（增加30%左右）时，首先考虑的是化学系统的扩容改造，在较少的投资下实现扩容目标。

有机膜超滤可直接将膜元件更换为同规格大通量陶瓷膜元件，大通量陶瓷膜通量是有机超滤膜的2~3倍，即可实现超滤产水量增加1倍，其原有加药系统基本不需改造。一般反渗透装置上部都有较大空间，可以通过增加膜面积和提高增压泵压头来扩容。离子交换器可通过提高流速来适当扩容。因此，陶瓷膜在化学扩容改造项目中具有较大的成本和性能优势。

4.2 废水零排放措施

随着国务院颁发〔2015〕17号《水污染防治行动计划》即“水十条”，对废水排放的要求日益严格。目前，部分大型集团和地方火电厂已经率先完成废水深度处理，实现了废水零排放。实现废水零排放的具体措施如下。

1）化学补给水系统设计需完善水量平衡测试，细化各系统用水量和水质，并做好分级利用措施，为系统设计提供可靠依据。

2）反渗透浓水可采用浓水反渗透或纳滤等工艺，进一步提高水的重复利用率，减少浓水排放量。

3）系统设计需考虑后续废水零排放的工艺要求，选择工艺路线尽可能减少排放量，并且排放水质需具备深度处理的条件，优先选择全膜法工艺。

5 结 语

本文结合电厂供热改造化学水处理扩容改造的实际经验，通过采用大通量、低断丝、长寿命和抗污染的陶瓷超滤工艺，通过浓水反渗透进一步减少浓水排放，同时采用无再生废水排放的电除盐工艺，解决了传统水处理“有机超滤＋反渗透＋离子交换”工艺存在有机超滤断丝和离子交换树脂再生产生大量高盐废水的问题。该工艺具有系统可靠稳定、环境效益好的优势，在热电联产水处理工艺中有很好的应用前景。