反渗透浓水与再生废水用于循环水系统的可行性探究

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(1.华电漯河发电有限公司，河南 漯河 462300；2.华电郑州机械设计研究院有限公司， 郑州 450046)

0 引言

水是宝贵的自然资源，是工农业生产和人民生活必不可少的物质。我国是一个缺水严重的国家，目前我国工业、农业和生活水污染排放负荷大，化学需氧量、氨氮排放总量远超环境容量。2015年，国务院颁布了《水污染防治行动计划》(以下简称水十条)，这是我国环境保护领域的又一重大举措。“水十条”确定的目标是：到2020年，全国水环境质量得到阶段性改善，污染严重水体大幅度减少，饮用水安全保障水平持续提升，地下水超采得到严格控制，地下水污染加剧趋势得到初步遏制等。当前，火力发电厂作为工业用水第一大户，水资源是关系电厂生存、发展的至关重要的因素，科学节水、深度节水已成为火电企业提高经济效益、确保生存发展的必然选择[1]。

华电漯河发电有限公司(以下简称华电漯河公司)的锅炉补给水处理系统采用了较为先进的双膜法(超滤、反渗透)加离子交换水处理系统，降低了大量的酸碱消耗，减少了对环境的影响。此外，低含盐量、高悬浮物的多介质过滤器和超滤的反洗水被回收到石灰处理系统机械加工澄清池(以下简称机加池)入口，通过澄清、沉淀、过滤处理，实现了废水回收，节约了大量水资源[2]。但是，锅炉补给水处理系统反渗透处理工艺的自用水率较高，根据全厂水平衡图，锅炉补给水处理系统的反渗透浓水、再生废水排入工业废水处理系统后，仅有约32 t/h水量被回用到燃料冲洗等方面，剩余236 t/h的水量均溢流到雨水井。因此，本文主要对将反渗透浓水及离子交换再生废水回收利用到循环水系统的合理性进行了探究[3]。

1 补给水系统及循环水系统介绍

1.1 锅炉补给水系统

锅炉补给水处理系统在正常运行时，采用城市二级污水或沙河水经过混凝处理后进入清水箱，经过多介质过滤器过滤、超滤预处理、反渗透预除盐和阳床、阴床、混床二级除盐系统，成为合格除盐水，进入除盐水箱，经除盐水泵供给机组热力系统。

表1 各类水质指标Tab.1 Indicators of various water quality

表2 沙河水水质指标Tab.2 Water quality index of Sha River

华电漯河公司目前配备有6套120 t/h的反渗透装置，设计回收率为75%，浓水占进水总量的比例高达25%，正常运行为两用四备状态，每套反渗透装置每小时浓水量约为40 t/h，正常运行时浓水量与再生废水量合计约为80 t/h。同时，配备有6套阴阳离子交换器和3套混合离子交换器，分别采用两用四备和一用两备运行模式。由于华电漯河公司工业供汽量大，锅炉补给水设备全年日均运行小时数为18 h，原设计再生废水与反渗透浓水进入工业废水处理系统与精处理再生废水混合处理后，供给渣仓、灰库燃料系统等使用，但由于近年来除盐水制水量逐年增大，产生的废水也逐年增多，大部分水无法完全得到有效利用而溢流至雨水井中，因此对这部分浓水进行充分回收利用是非常有必要的。反渗透浓水、再生废水、循环水等水质分析结果见表1。

1.2 循环水系统

循环水补充水采用沙河水和城市二级污水经过石灰混凝处理降低浊度和含盐量，加酸调节pH值，提高循环水浓缩倍率，达到不结垢、降低管材腐蚀的目的。循环水补充水的工艺流程为：污水处理厂二级污水(或沙河水)(2×775 m3/h)→石灰混凝处理→杀菌过滤→软水箱(1 600 m3/h)→软水泵→至循环冷却水系统。沙河水和污水水质分析见表2、表3。华电漯河公司闭式循环冷却水系统采用低磷配方的缓释阻垢剂作为水质稳定剂，氧化型和非氧化型杀菌剂配合使用控制微生物滋生和生物黏泥的产生。循环水控制指标见表4[4]。

2 反渗透浓水及再生废水回用至循环水系统分析

由于华电漯河公司的主要水源为沙河水地表水和城市污水站来的中水两种水源，所以根据不同水源不同水质对反渗透浓水进行分析。

2.1 循环水水质计算方法

反渗透系统的脱盐率一般在99%左右，进水中高达99%的盐分被浓缩在25%比例的浓水中，浓水的含盐量与进水相比，浓缩了将近4倍。根据表2、表3的水质分析数据，城市污水和沙河水的溶解性固体总量(TDS)分别为207.2，201.3 mg/L。将反渗透浓水及离子交换再生废水回用到循环水系统可通过盐量平衡计算预估反渗透浓水回收后，不同浓缩倍率下的循环水水质。循环冷却水系统的水、盐平衡计算模型如图1所示。

表3 城市污水水质指标Tab.3 Urban sewage water quality indicator

表4 循环水控制指标标准Tab.4 Standard circulating water control indicators

图2 补充水全部为沙河水时循环水量及水质变化Fig.2 Variation of circulating water volume and water quality while solely using Sha River as source of feed water

图1 高盐废水回收后不同浓缩倍率下循环水倍率的估算模型Fig.1 Estimation model of circulating water ratio under different concentration ratios after high-salt wastewater recovery

2.2 3种不同补水方式时废水回用的合理性探究

根据目前用水实际情况，共有3种不同用水方式，故根据不同用水方式计算分析反渗透浓水及再生废水回用到循环水系统的合理性。

2.2.1 循环水补充水源为沙河水时的节水分析

当补充水全部为沙河水，蒸发损失为429.0 t/h，风吹损失为11.4 t/h，沙河水氯离子为48.8 mg/L，高盐废水回收量为250.0 t/h，浓缩倍率为2.0～4.5时，循环水系统的水量及水质变化如图2所示。

如图2所示，当补充水全部为沙河水时，可将250.0 t/h的化学反渗透浓水回收到循环水系统，同时适当提高浓缩倍率，降低循环水系统排污量(以满足工业水供脱硫工艺用水为限)。图2数据表明，这种运行方式下，最佳浓缩倍率可控制在4.0，此时，循环水排污量为131.6 t/h，恰好可以满足工业水供脱硫工艺水的需求，可实现循环冷却水系统不排污。此时循环水氯离子质量浓度为536.6 mg/L，在安全范围之内。同时，沙河水对循环水系统的补水量从原先的803.0 m3/h降低为322.0 m3/h，实现节水481.0 m3/h，节水效益十分突出。

图3 补充水全部为污水时循环水量及水质变化Fig.3 Variation of circulating water volume and water quality while solely using sewage as feed water

图4 循环水补城市污水、锅炉补给水补沙河水时循环水量及水质变化Fig.4 Variation of circulating water volume and water quality while using circulating water to replenish urban sewage and using feed water to replenish Sha River

2.2.2 循环水补充水源为城市污水时的节水分析

当补充水全部为城市污水，蒸发损失为429.0 t/h，风吹损失为11.4 t/h，污水氯离子质量浓度为145.4 mg/L，高盐废水回收量为250.0 t/h，浓缩倍率为1.5～3.0时，循环水系统的水量及水质变化如图3所示。

如图3所示，当补充水全部为城市污水时，仍可将250.0 t/h的化学反渗透浓水回收到循环水系统，同时控制浓缩倍率，冷却塔进行适当排污。图中数据表明。

(1)如将循环水氯离子质量浓度控制在700.0 mg/L以下，浓缩倍率建议控制在2.1，此时，循环水系统排污量为378.6 t/h，其中一部分供给工业水(129.0 m3/h)，凉水塔仍需排污249.6 m3/h。此时的循环水氯离子质量浓度为678.2 mg/L，仍低于700.0 mg/L，在安全范围之内。同时，城市污水对循环水系统的补水量从原先的803.0 m3/h降低为569.0 m3/h，实现节水234.0 m3/h，节水效益仍十分明显。

(2)如将循环水氯离子质量浓度控制在1 000.0 mg/L以下，浓缩倍率建议控制在2.7，此时，循环水系统排污量为241.0 t/h，其中一部分供给工业水(129.0 m3/h)，凉水塔仍需排污112.0 m3/h。此时的循环水氯离子质量浓度为968.8 mg/L，低于1 000.0 mg/L，符合标准规定。同时，城市污水对循环水系统的补水量从原先的803.0 m3/h降低为431.0 m3/h，实现节水372.0 m3/h，节水效益十分明显[5]。

2.2.3 循环水补充水源为城市污水、锅炉补给水源为沙河水时的节水分析

按照华电漯河公司原设计，循环水补充水全部补充深度处理后的城市污水，锅炉补给水处理系统以沙河水为原水。为此，石灰处理系统一共设置了3个机加池，其中2个用于处理城市污水，1个用于处理沙河水。循环水系统使用污水、锅炉补给水系统使用沙河水，蒸发损失为429.0 t/h，风吹损失为11.4 t/h，污水氯离子质量浓度为145.4 mg/L，沙河水氯离子质量浓度为48.8 mg/L，高盐废水回收量为250.0 t/h，浓缩倍率为1.5～4.5时，循环水系统的水量及水质变化如图4所示。

当循环冷却水补充水为城市污水，锅炉补给水处理系统补充水为沙河水时，同时运行3个石灰处理机加池，2个处理循环水补充水(城市污水)，1个处理锅炉补给水系统原水(沙河水)，同时将250.0t/h的化学反渗透浓水回收到循环水系统，同时控制浓缩倍率，冷却塔进行适当排污。图4表明：

(1)如将循环水氯离子控制在700.0 mg/L以下，浓缩倍率建议控制在3.1，此时，循环水系统排污量为192.9 t/h，其中一部分供给工业水(129.0 m3/h)，凉水塔仍需排污63.9 m3/h。此时的循环水氯离子质量浓度为689.7 mg/L。同时，城市污水对循环水系统的补水量从原先的803.0 m3/h降低为383.3 m3/h，实现节水419.7 m3/h，节水效益仍十分明显。

(2)如将循环水氯离子控制在1 000.0 mg/L以下，浓缩倍率建议控制在4.1，此时，循环水系统排污量为127.0 t/h，基本可以满足工业水的用水量(用于脱硫系统，129.0 m3/h)，凉水塔无需排污。此时的循环水氯离子质量浓度为968.8 mg/L。同时，城市污水对循环水系统的补水量从原先的803 m3/h降低为317.4 m3/h，实现节水485.6 m3/h，节水效益十分突出。

2.3 反渗透浓水量对循环水水质的影响

假设循环水系统浓水倍率不变，循环冷却水的水量为y(mg/L)，回用至循环水系统的反渗透浓水水量为x(t/h)。循环水补充水盐的质量浓度为c(mg/L)，则反渗透浓水盐的质量浓度为4c(mg/L)。根据图1的水量平衡和盐量平衡关系，不难得出：

(803.6-x)c+4cx=(363.2+11.4)y，

计算结果见表5。

表5 不同水量反渗透浓水回收至循环水系统时循环水水质Tab.5 Circulating water quality when different reverse osmosis concentrated water volume is recycled into the circulating water system

表5的计算结果说明，即使全厂以水质较差的城市二级污水作为水源，在目前的浓缩倍率之下，仍可以把几乎全部的反渗透浓水回收至循环冷却水系统，循环水的氯离子、硫酸根等指标仍可控制在安全范围内[6]。

3 结论

综合以上情况的分析，根据3种不同进水情况对循环水补水量及水质进行分析可知，将反渗透浓水及再生废水回用至循环水系统是完全可行的，循环水的氯离子、硫酸根等指标仍可控制在安全范围内。若采用此方法回用反渗透浓水及再生废水可至少节约新鲜用水量236.0 t/h，节水效益明显提高。