火电厂水处理工艺有机物脱除特性研究

安徽华电芜湖发电有限公司 付 琳 宋同辉 华电电力科学研究院有限公司 尤良洲

随着城市化与工业化进展进一步加快，各大水系、流域均出现不同程度的污染，其中Ⅱ、Ⅲ类水源占比较大，亦可称之为微污染水源。造成水源微污染的主要是一些难降解、难处理的有机物。有机物的种类繁多，不能通过检测手段快速精确分析，为了能够实现对有机物的快速分析，通过检测总有机碳含量（TOC）来表征水体中有机物的含量。

为深入火电厂水处理工艺设备对有机物脱除特性研究，通过查询各类文献结合实际工程案例的方式，分析有机物脱除的难点，研究水处理工艺单体设备对有机物的脱除效率、不同工艺设备组合协同脱除特性，发现有机物脱除主要依靠反渗透及阴床，有机物的脱除率最高，脱除效率均超过50%。澄清池、无阀滤池、活性炭过滤器和砂滤器等预处理设施除浊的同时能够实现对有机物的初步脱除，脱除率在8%～22%之间，超滤和混床脱除有机物的能力较差。火电厂水处理系统在选择工艺路线时，需要根据水质条件和处理要求选择合适的工艺路线组合，以避免水体中有机物的干扰。

越来越多的研究发现，有机物的大量涌入，不仅将造成反渗透保安过滤器频繁堵塞、更换，同时也引起热力系统水汽氢电导偏高。热力系统水汽氢电导偏高往往伴随着热力系统管道腐蚀，甚至发生汽轮机叶片断裂的情况，影响机组安全运行。随着高参数大容量发电机组不断普及，对热力系统汽水品质提出了更高的要求，《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》（GB/T 12145）、《燃气-蒸汽联合循环发电厂化学监督技术导则》（DL/T1717）都将TOC 含量作为水汽控制指标的一个重要参数。因此，研究水体中有机物的脱除难点和火电厂水处理工艺对有机物的脱除效率，选择具有针对性的工艺组合对水体中的有机物含量进行脱除十分必要。

1 有机物的脱除难点

1.1 有机物的种类繁多

水体中的有机物可以分为两类：一类为天然有机物，包括动植物、微生物，以及其分泌物、排泄物、腐烂降解物等；另一类为人工合成有机物，有机溶剂、农药、洗涤剂等。水体中可检测出的有机物主要以人工合成类有机物为主，其主要来源为工业废水外排及农业排水，在水体环境中将持续的残余并在生物体内富集。按不同的分类方法，将有机物可分为小分子碳水化合物、氨基酸、胡敏酸类（芳香烃、脂肪烃类）等。按水中形态来分，可分为亲水酸基类、亲水碱基类、中性类、疏水酸基类及疏水碱基类。

有研究发现，自然水体中TOC 的含量一般稳定，但TOC 含量、种类呈现非常明显的区域性、季节性差异。以长江水（芜湖段和江阴段）为例，不同区域的长江水有机物的种类有较大的差别，除了苯胺等有机物之外，酚类、多环芳烃类、醚类和脂类等均有较大差异；黄河流域则以烷基苯类、多环芳烃类、氯代烃类为主；三峡库区是以领苯二甲酸类、多环芳烃类为主。

1.2 溶解形态有机物难脱除

溶解形态的有机物是指能够通过0.45μm 孔径的过滤膜，并溶解在水中的微小颗粒。传统工艺对于溶解形态的有机物脱除效果有限，徐婷等人[1]采用微絮凝过滤方式对水中有机物进行脱除，其结果与经0.45μm 过滤膜过滤的水样对比发现，两者处理效果相当，微絮凝过滤方式对溶解形态的有机物几乎无脱除效果。一般工艺对相对分子量小于10000的有机物只能部分去除，相对于分子量小于1000的有机物基本无法去除，甚至会有所增加。由此可见，常规工艺难以脱除分子量低的溶解形态有机物。

1.3 有机物结构复杂

同一分子式的有机物有多种同分异构体，同分异构现象的存在是有机物种类繁多的重要原因。另外，碳碳之间可通过单键、双键、三键形成链状和环状结构，所形成的环可是单环也可是多环、环可大可小，支链可长可短、可多可少等，也是有机化合物种类繁多的原因之一。

1.4 有机物含量差异大、波动大

火电厂原水中的有机物含量与水源类型、地理环境、季节变化、废水排放、潮汐涨落、取水位置及水源流量等因素都有一定的关系。李灵芝等[2]分别对不同城市的河水、江水及湖水中的有机物进行测定，发现江水中有机物含量最高，湖水和河水次之。跟踪取样分析赣江南昌段水溶解有机物含量，发现溶解性有机物在3～8月含量最高，是冬季期间的两倍，与流域降雨携带污染有关、与降雨量正相关，主要以溶解性的有机物为主。三亚河水体中的有机含量季节性突高与三亚旅游旺季期间废水排放有一定关系，在11月份至3月份之间水体的BOD 逐渐增大，悬浮物含量及高锰酸钾指数也在旅游高峰期之间达到的顶峰。

2 水处理工艺脱除有机物特性分析

2.1 混凝澄清工艺

火电厂水处理工艺中通常设有预处理设备，主要作用是脱除水中的悬浮颗粒，为后续设备减少压力，常用的设备有机械加速澄清池、絮凝沉淀池等。通过混凝剂、絮凝剂将细小颗粒、胶体凝聚变大，团聚后通过自身重力沉淀后脱除。团聚过程中对水体中有机物具有协同脱除的作用，但协同脱除对不同形态的有机物（悬浮态、胶态及溶解态）的脱除效率有很大的差别，多数研究认为，混凝对悬浮态、胶态有机物的脱除效率很高，对溶解态有机物的脱除效率不高，造成混凝工艺对总有机物的脱除效率整体偏低。

为了提高混凝工艺对水体中溶解态的有机物出去效率，有研究人员研发复合混凝剂PAM-GSHPAFS，强化了混凝剂吸附架桥和网捕作用，试验表明当PAM-GSH-PAFS 加药量为5.76mg/L，溶解态有机物的脱除率高达82.4%。谭强等[3]按一定配方制备了聚硅酸铝铁（PSAF）混凝剂，能够将低温低浊高有机物的原水中的低分子量有机物（腐殖酸）高效去除。李勐卓等[4]研究了铁盐-铝盐混凝剂混合使用效果，发现联合使用对溶解性有机物的脱除要超过单独使用的水平，并且残留铝含量同时降低。

除了通过研究新型复合混凝剂提高混凝工艺脱除有机物之外，不少研究发现通过调整碱度的方式强化混凝，同样可提高效果。将pH 调整至弱酸性（6.5±0.2）能够有效提高混凝对有机物脱除。但调整pH 的方式不适用火电厂原水预处理系统，调整后pH 过低不利于后续设备处理，增加了水中酸根离子浓度。现阶段提高混凝工艺脱除有机物仍是从选用新型或复合型混凝剂方面入手，调整混凝剂投加量不宜过多，投加量过多反而增加出水有机物含量，堵塞过滤系统。预处理系统应具有水质预警、自动调整加药及处理流量调整功能，以应对季节性突然造成的水质浊度、有机物突升。

2.2 吸附过滤

为保证沉淀池出水水质稳定，过滤工艺通常采用多介质过滤器（石英砂、锰砂等）或活性炭过滤器，其中活性炭因其具有高度发达的孔隙结构，能大量吸附水体中的细微杂质，从而达到广泛的应用。活性炭主要通过范德华力的作用吸附有机物，吸附量因有机物含碳量、分子量大小及溶解度不同而不同。当有机物的尺寸过大则不能被吸附，当有机物的尺寸与活性炭的孔径相当时，将有可能“堵塞”活性炭活性孔径。单一活性炭或多介质装置对有机物去除有限，大约在19.0～25.0%。活性炭过滤器投运之初有机物的脱除效率较高，但随着运行时间的增加吸附容量减少、吸附能力降低，首先将泄漏带有亲水基的有机物，随后泄漏带有憎水基的大分子有机物，过滤器失效将有可能释放有机物。

为提升有机物的脱除率，部分水处理工艺采用臭氧/生物活性炭工艺，可将有机物的脱除率提升至32.6～43.9%。通过粉末活性炭调制成5%-10%的碳浆液，能够实现原水中90%的因季节性藻类引起的臭味。通过以粉末活性炭（PAC）－平板陶瓷膜联用工艺为研究对象，发现PAC 投加量对膜污染的影响程度较大，但是PAC 投加量越高膜污染控制效果并非越好，投加30mg/LPAC 时水中DOCUV254含量脱除效率最高。

2.3 膜处理

超滤及反渗透组合的双膜法处理工艺已在大机组、高参数的火电机组应用较多，纳滤普遍应用在海水海淡处理工艺中。经研究，超滤能够对水中小颗粒、胶体、悬浮物、细菌、大分子有机物等有截留作用，截留分子量一般是5k～500k，对水中无机离子无脱除作用，对水中有机物的脱除率为5～10%。然而经混凝、过滤工艺处理后的水体有机物分子量低于50k，因此超滤对有机物的截留并去除的效果并不明显。胥倩倩等[5]通过超滤膜处理太湖水时，发现超滤对有机物的去除效率非常有限，经超滤处理的水体TOC、UV254相对分子质量几乎无降低。

纳滤、反渗透膜过滤孔径为纳米级，能有效分离直径大于1mm 的溶解性物质，研究发现纳滤、反渗透膜对有机物脱除能力达到90～95%，能够实现对绝大多数的有机物种类进行脱除，同时纳滤对一价离子具有30～80%的脱除效率，对二价离子具有90～95%的脱除效率，反渗透膜对一价离子具有98%的脱除效率，对二价离子具有99%的脱除效率。纳滤膜在水处理厂的应用中，实现了对有机氯农药和多环芳烃的高效脱除，脱除效率高于强化混凝-臭氧工艺。

2.4 离子交换

阳床、阴床、混床中，阴床对有机物的脱除效率最高，阳床和混床的脱除效果较差，混床的脱除效果差是因为在工艺流程中它布置于阴床后端，阴床已将有机物基本脱除。阴床中阴离子树脂优先通过离子交换作用脱除有机物，其次是吸附，凝胶型阴离子树脂脱除有机物的同时将牺牲本身的交换能力，大孔型阴离子树脂通过吸附作用能够降低80%的COD，但容易解吸。当阴离子树脂受有机物污染过多时，将不再脱除有机物，反而释放有机物，污染后续混床。通过对总有机碳的测定分析，发现树脂氧化后，将释放有机物，造成混床出水水质中有机物含量严重超标。

2.5 有机物脱除检测试验

采用苏伊士便携式总有机碳分析仪M9，现场检测分析8家火电厂水处理工艺流程中有机物的脱除效果，以TOC 分析指标表征水中有机物的含量。试验结果如图1所示，澄清池、砂滤池、无阀滤池、多介质滤池的有机物脱除效率不高，在8%～22%之间，脱除率最高的为反渗透91.95%，次之是阴床58.27%，超滤脱除率较低仅0.38%，混床则存在运行泄漏有机物的可能，脱除率为-1.34%。

图1 8家火电厂水处理工艺流程中有机物的脱除效果

3 结语

测试结果与文献资料一致，火电厂水处理工艺中有机物脱除主要依靠反渗透及阴床，有机物的脱除率最高，有机物的脱除效率均超过50%，澄清池、无阀滤池、活性炭过滤器和砂滤器等预处理设施除浊的同时能够实现对有机物的初步脱除，脱除率在8%～22%之间。超滤和混床脱除有机物的能力较差，混床甚至出现负值，负值设备表明正在释放有机物，运行期间应加强监控。

火电厂水处理设备相比其他行业工艺相对比较单一，主要实现除浊、脱盐的目的，对于有机物的抵抗能力相对较差，然而水中有机物的随季节性变化明显，有机物的组分、形态、分子量均有较大的差异，处理不当容易对系统运行产生较大的影响。因此，火电厂水处理工艺在选择工艺路线时，需要根据水质条件和处理要求适当的工艺组合。