火力发电厂中水回用技术探讨

文/曹永飞

随着经济的高速增长，水资源短缺越来越成为制约经济社会发展的重要因素，国家对水资源高效利用的要求也越来越严格。工业用水在我国用水总量中占比很高，是水资源高效利用的重点领域。据统计，2020年我国工业用水总量1030.4亿m3，占我国用水总量的17.7%。《国家节水行动方案》明确提出到2022年万元国内生产总值用水量、万元工业增加值用水量较2015年分别降低30%和28%，推动高耗水行业节水增效。

火力发电厂是传统用水大户，据统计我国热电厂用水占总用水量的8%左右。在国家要求提高水资源利用效率、控制污水排放的背景下，开展火电厂废水处理及回用具有重要意义。

一、电厂废水来源

电厂产生的废水种类繁多，主要有运行过程中产生的循环冷却水、酸碱废水、清洗发电设施的废水、冲洗煤产生的废水、反渗透产生的高浓度废水。循环冷却水约占热电厂用水的80%～90%，其主要环境问题是温度升高，污染物含量通常较低，处理难度不高。生产技术中产生的废水（如酸碱废水、清洗发电设施的废水、冲洗煤产生的废水等）水质污染明显，污染物浓度较高，主要污染物有石油类、挥发酚、无机盐等，处理难度较大。

二、热电厂中水回用处理技术

1.热电厂中水回用的主要问题及解决思路

>火力发电厂中水回用设备

热电厂中水回用主要用于循环冷却水和锅炉补给水，中水必须解决腐蚀和结垢问题。腐蚀按照形成原因可以分为氯离子腐蚀、氨氮腐蚀和微生物腐蚀三类。主要解决思路是去除污染物、杀菌消毒以及耐腐蚀性材料应用等。结垢问题主要由水中Ca2+、Mg2+、磷酸盐、二氧化硅、硅酸盐等引起，主要解决思路是降低水中成垢离子浓度、调节pH、投加阻垢剂等。

2.中水回用处理技术

（1）石灰混凝工艺

石灰混凝工艺是指利用石灰中的Ca2+、Ca(OH)2和CaO 与废水发生化学反应起到酸碱中和、混凝沉淀的作用。20 世纪50 年代，国内首次开展中水回用的华能热电厂中水处理工艺采用了该方法。石灰混凝工艺具有运行费用低、可有效去除污染物（有机物、悬浮物、硅类等）、无浓缩废水排放且固体废物便于处理的优点，在一些早期建设的热电厂中应用广泛。

石灰混凝工艺同时也存在一定的局限，如对有机物及盐类的去除能力有限，处理后的中水腐蚀、结垢和微生物滋生问题依然较为严重。随着热电厂锅炉补给水要求提高，已经难以满足要求。一些企业对这一工艺进行了改进，如内蒙古华宁热电公司采用厌氧/好氧（A/O）—石灰混凝组合工艺处理中水，有效去除有机物、悬浮物等污染物并降低碱度和硬度，保障热电厂用水的稳定性。该工艺也可以同曝气生物滤池（BAF）联用，有效去除中水的有机物和悬浮物，增加整体工艺的处理效率。随着膜技术的进步，石灰混凝工艺已经逐渐被膜处理工艺取代，但是这一技术仍可以广泛用于膜工艺的预处理工艺，尤其是在旧工程项目改造方面。

（2）液体分离膜工艺

膜分离技术是以膜为过滤介质在驱动力作用下进行物质分离的技术，具有分离效果好、分离速率快、操作管理简单等优势，广泛应用于水处理领域。从能量驱动方式上可以将膜处理技术分为压力驱动膜过程（如反渗透、纳滤、超滤和微滤），电驱动过程（如电渗析）和温度驱动过程（如膜蒸馏和膜结晶），其中以压力驱动膜过程最为常用。

微滤（MF）膜的孔径在0.1～10μm，通常由拉伸法和相转化法制备，用于去除水中的泥沙、铁锈等大颗粒杂质，但不能去除细菌等有害物质。超滤（UF）膜孔径在2～10nm，通常采用相转化法制备。超滤膜除上述物质外，还可以去除胶体、细菌、大分子有机物等。在中水回用处理中，上述两种膜常用于后续膜处理工艺的前处理。纳滤（NF）膜介于反渗透（RO）膜和超滤膜之间，对二价、多价离子和相对分子质量大于200的有机物有较高的脱除率，又被称为疏松反渗透。反渗透（RO）膜通常可以截留分子量超过150Da的所有分子，对25～150Da的分子也有很高的截留比例。

（3）双膜法处理工艺

随着热电厂用水要求的提高和膜产品价格的降低，膜法中水回用工艺已成为我国中水回用的主流技术。反渗透膜对水中几乎全部的污染物都有良好的去除效果，是中水回用处理的核心部件。反渗透膜对进水水质要求较高，易遭受污染，形成污堵，影响处理效率。在实际应用时，常将微滤或超滤膜作为前处理工艺，这种工艺组合又称双膜法处理工艺。反渗透处理时，会有少量的离子跨膜传质。当对水质有更高要求时，如产水用于除氧器用水或锅炉补给水等，需进一步进行深度脱盐处理，目前主要采用的工艺为离子交换和电渗析（ED）技术。

湛江电力有限公司采用赤坎污水处理厂二级出水，经双膜＋离子交换工艺深度处理后用作热电厂锅炉补给水，设计规模为8400m3/h，处理后水的电导率和二氧化硅浓度分别为0.069μS/cm和2μg/L，显著低于锅炉补给水的水质要求。辽宁调兵山煤旰石发电公司采用BAF－双膜－EDI组合工艺进行中水深度处理，制备除盐水用于锅炉补给，除盐水制水量为102m3/h，目前仍可保障稳定的产水。大连泰山热电厂采用双膜－EDI工艺深度处理中水以满足超高压锅炉补给水的水质要求，每年节约淡水625万m3，节省资金1800多万元。在反渗透出水后，再次用反渗透膜进行二次除盐，即二级反渗透的应用也逐渐广泛。有研究者研究了多介质过滤器－UF－一级RO－二级RO－混床组合工艺的深度处理中水效果，发现两级反渗透和混床结合不仅显著地脱盐，而且降低了整体深度处理系统的运行维护成本。

（4）膜蒸馏处理工艺

膜蒸馏（MD）是一种通过热（温度）梯度驱动的膜工艺，在非常低的操作压力（接近1bar）和较低的温度下，使水蒸气通过疏水微孔膜，实现盐水分离。与反渗透工艺相比，膜蒸馏不受浓度极化现象的限制，十分适于在高回收率、高进水浓度场景下使用。此外，膜蒸馏操作的高度灵活性也使它极易与其他处理手段耦合，提升处理效果。根据操作条件，产品水回收率可以达到90%，可以实现废水的近零排放，近年逐渐应用于高盐废水如工业废水、RO/NF浓水等处理。有研究者指出采用直接接触式膜蒸馏深度处理反渗透浓水，发现可以有效地实现所有离子高于99%截留。Naidu等考察了膜蒸馏对反渗透中水回用系统的浓水处理效率，发现可以实现85%的水回收率和99%的盐截留率，显著提升了水利用率。

（5）其他处理工艺

离子交换脱盐方法是通过离子交换树脂去除水中阴阳离子的过程。这一方法脱盐率高、操作简单，广泛应用于水处理领域。但是离子交换树脂容量有限，处理大量含盐废水时树脂极易饱和失效，需要频繁再生，单独用于中水处理经济性不好，常与其他工艺处理方式联用。电吸附技术是近年兴起的一种新型技术，其原理是利用水中离子和带电粒子容易被带电电极吸收的特性，使其富集浓缩在电极表面，以达到脱盐的目的。这一技术对化学药剂的消耗少、脱盐率高、设备简单。我国已经开展了一些研究工作，但是实际工程应用还相对较少。

三、展 望

我国对水资源高效利用和环境质量的要求越来越高。火电行业中水回用已经得到广泛认可。得益于膜产品质量提升和价格下降，膜法工艺逐渐成为火电行业中水回用的主流技术。随着我国“双碳”工作的深入推进，火力发电行业面临节能降耗的考验，如何降低中水回用能耗，提升处理效率将是未来研究的重点方向。