1　工程概況

河北省某秸稈電廠裝設(shè)2臺(tái)國(guó)產(chǎn)12MW中溫中壓?jiǎn)纬槟焦釞C(jī)組，電廠鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)產(chǎn)水量為2×22m3/h，原水設(shè)計(jì)水源為城市污水處理廠二級(jí)出水經(jīng)深度處理后的再生水，由于污水處理廠方面存在問(wèn)題，故目前水源采用電廠附近地下深井水。由于場(chǎng)地有限，不宜采用傳統(tǒng)的離子交換除鹽系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)綜合論證決定采用UF—RO—EDI全膜法水處理工藝，以減少系統(tǒng)的占地面積，簡(jiǎn)化設(shè)備操作，消除酸堿廢液對(duì)環(huán)境的污染。地下深井水具體水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1　地下深井水水質(zhì)

電廠鍋爐補(bǔ)給水處理工藝流程為:地下深井水→生水箱→自動(dòng)反洗過(guò)濾器→超濾裝置→超濾水箱→保安過(guò)濾器→一級(jí)反滲透裝置→一級(jí)淡水水箱→二級(jí)反滲透裝置→二級(jí)淡水箱→EDI裝置→除鹽水箱。鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)采用PLC程序控制，整體控制水平應(yīng)達(dá)到無(wú)人值守的標(biāo)準(zhǔn)。

2　主要工藝特點(diǎn)及運(yùn)行情況

2.1　預(yù)處理系統(tǒng)

地下深井水引至生水箱，并在生水箱進(jìn)入母管處加入NaClO，以去除水中的有機(jī)物。生水再經(jīng)生水泵升壓后進(jìn)入2臺(tái)自動(dòng)清洗過(guò)濾器，過(guò)濾器型號(hào)為CTF2S302M3，單臺(tái)流量38m3/h，采用并聯(lián)母管制連接。自動(dòng)清洗過(guò)濾器過(guò)濾精度50μm，運(yùn)行周期由進(jìn)出口壓差和進(jìn)水流量控制，反洗采用水反洗。本系統(tǒng)設(shè)2套超濾裝置，單套產(chǎn)水量34m3/h。

采用變頻恒水量控制，其運(yùn)行為全流過(guò)濾、頻繁反洗的全自動(dòng)連續(xù)方式。膜元件型號(hào)為OMEXELLTMSFR22860，膜孔徑0.03μm，材質(zhì)為PVDF(聚偏氟乙烯)中空纖維膜，共16支膜元件。水中顆粒物粒徑一般都大于0.03μm，因此UF系統(tǒng)出水水質(zhì)較好，SDI<2，濁度<0.10NTU。每支膜元件有效過(guò)濾面積為52m2，為外壓式膜。超濾膜通量為2m3/(m2·d)，運(yùn)行周期為40min，跨膜壓差穩(wěn)定在0.05～0.06MPa。反洗時(shí)間30s，反洗透水速率為120L/(m2·h)，反洗壓力0.1MPa，每6個(gè)周期進(jìn)行1次加NaClO反洗，加藥量為15mg/L�；瘜W(xué)清洗每隔1～2個(gè)月一次，化學(xué)清洗時(shí)間60～90min。超濾系統(tǒng)運(yùn)行情況及產(chǎn)水水質(zhì)見(jiàn)表2。

表2　超濾系統(tǒng)運(yùn)行情況及產(chǎn)水水質(zhì)

由表2可見(jiàn)超濾的過(guò)濾作用非常明顯，出水濁度可以穩(wěn)定在0.05～0.10NTU，SDI<1，完全滿足反滲透裝置的進(jìn)水要求。

2.2　反滲透系統(tǒng)

2.2.1　一級(jí)反滲透系統(tǒng)

預(yù)脫鹽系統(tǒng)設(shè)置兩級(jí)反滲透裝置，一級(jí)反滲透裝置2套，單套流量為27m3/h，回收率為75%，排列方式為3∶2，采用美國(guó)海德能公司LFC3電中性低污染膜元件，共60支。反滲透進(jìn)水pH為7.5～8.1，不加酸堿，阻垢劑投加量為4mg/L，在反滲透前加2～3mg/L的還原劑Na2SO3，控制氧化還原電位ORP<200mV，防止氧化性物質(zhì)對(duì)反滲透膜的破壞。一級(jí)RO裝置工作穩(wěn)定，出水硬度約為0，詳細(xì)情況見(jiàn)表3。

表3　一級(jí)反滲透系統(tǒng)運(yùn)行情況

2.2.2　二級(jí)反滲透系統(tǒng)

二級(jí)反滲透裝置2套，單套流量為24m3/h，回收率90%，排列方式為3∶1，采用美國(guó)海德能公司CPA4低壓高脫鹽膜元件，共48支。二級(jí)反滲透進(jìn)水pH為516～614，由于二級(jí)反滲透脫鹽率受pH影響較大，故加入NaOH調(diào)整pH為715～813，使水中CO2基本轉(zhuǎn)化為HCO-3而被去除，同時(shí)也可保證產(chǎn)水pH>6。二級(jí)反滲透的運(yùn)行情況見(jiàn)表4

由表4可知系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，雖然脫鹽率不高，但產(chǎn)水電導(dǎo)率能保持在2μS/cm以下。

表4　二級(jí)反滲透系統(tǒng)運(yùn)行情況

后續(xù)EDI裝置的進(jìn)水水質(zhì)具體要求見(jiàn)表5，其中需要特別重視的是進(jìn)水電導(dǎo)率、硬度、CO2、TOC及硅含量。預(yù)處理及預(yù)除鹽系統(tǒng)的正常運(yùn)行是保證EDI進(jìn)水水質(zhì)合格的關(guān)鍵，對(duì)比表3，表4和表5可知一級(jí)反滲透出水的電導(dǎo)率及硬度已經(jīng)能很好地滿足EDI進(jìn)水要求。但考慮到以后采用城市污水再生水為水源，水質(zhì)情況較為復(fù)雜，故增加二級(jí)反滲透設(shè)備很有必要，同時(shí)還應(yīng)關(guān)注反滲透污堵問(wèn)題的發(fā)生。

表5　EDI裝置進(jìn)水水質(zhì)要求

2.3　EDI裝置

2.3.1　EDI特點(diǎn)及運(yùn)行情況

EDI是一種將電滲析與離子交換有機(jī)結(jié)合的新型膜分離技術(shù)，構(gòu)造類似電滲析器，所不同的是在淡水室中充填有陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。在高純水中，離子交換樹(shù)脂的導(dǎo)電性能比與之相接觸的水要高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，所以幾乎全部從溶液到脂面的離子遷移都是通過(guò)樹(shù)脂來(lái)完成的。水中的離子首先因交換作用吸附于樹(shù)脂顆粒上，再在電場(chǎng)作用下，經(jīng)由樹(shù)脂顆粒構(gòu)成的“離子傳播通道”遷移到膜表面并透過(guò)離子選擇性膜進(jìn)入濃水室。同時(shí)在樹(shù)脂、膜與水相接觸的界面處，界面擴(kuò)散中的極化使水解離為H+和OH-。它們除部分參與負(fù)載電流外，大多數(shù)又起到對(duì)樹(shù)脂的再生作用，從而使離子交換、離子遷移、電再生3個(gè)過(guò)程相伴發(fā)生、相互促進(jìn)，達(dá)到連續(xù)去離子的目的。

該電廠的EDI裝置為河北電力設(shè)備廠自行開(kāi)發(fā)研制的板式EDI22型，單個(gè)模塊產(chǎn)水量2m3，分為2組，每組11個(gè)模塊，共22個(gè)模塊，產(chǎn)水量2×22m3/h，回收率95%。陰離子交換膜材質(zhì)為苯乙烯季胺，陽(yáng)離子交換膜材質(zhì)為苯乙烯磺酸，濃室隔板材質(zhì)采用硅橡膠，淡水隔材質(zhì)采用ABS。EDI系統(tǒng)采用濃水循環(huán)方式運(yùn)行，將進(jìn)水一分為二，大部分水由模塊下部進(jìn)入淡水室中進(jìn)行脫鹽，小部分水作為濃水循環(huán)回路的補(bǔ)充水。濃水從模塊的濃水室出來(lái)后，進(jìn)入濃水循環(huán)泵入口，經(jīng)升壓后送入模塊的下部，一般控制濃水壓力比淡水低0.04～0.07MPa，避免膜兩側(cè)壓力不平衡發(fā)生滲漏現(xiàn)象。

其中大部分水送入濃水室內(nèi)，繼續(xù)參與濃水循環(huán)，小部分水送入極水室作為電解液，電解后攜帶電極反應(yīng)的產(chǎn)物和熱量而排放，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)單獨(dú)的濃水排放途徑。

EDI裝置剛開(kāi)始調(diào)試時(shí)，模塊處于再生狀態(tài)，此時(shí)分別給定一組模塊40A的電流，采用穩(wěn)流運(yùn)行模式，初始電壓160V左右。通電后濃水電導(dǎo)率迅速升高，電壓隨之緩慢降低。當(dāng)濃水電導(dǎo)升到1100μS/cm時(shí)，增大極水排放量，同時(shí)在濃水循環(huán)泵出口排出部分濃水，此時(shí)濃水電導(dǎo)率基本不再升高。模塊持續(xù)再生90h后，濃水電導(dǎo)率降至200μS/cm，模塊再生結(jié)束，投入正常運(yùn)行。正常運(yùn)行后，調(diào)整濃水循環(huán)量為3m3/h，極水排放量1m3/h，進(jìn)水流量23m3/h，此時(shí)產(chǎn)水流量22m3/h。進(jìn)水壓力，產(chǎn)水壓力，濃水進(jìn)口壓力，濃水出口壓力等均調(diào)整至給定壓差。整流柜采用穩(wěn)流運(yùn)行方式，設(shè)定電流25A，電壓在97～105V波動(dòng)。在濃水循環(huán)泵出口處對(duì)濃水系統(tǒng)加NaCl，提高其電導(dǎo)率，濃水電導(dǎo)率維持在110～140μS/cm，以保證產(chǎn)水水質(zhì)，同時(shí)降低EDI裝置的耗電量。EDI裝置具體運(yùn)行情況見(jiàn)表6。

表6　EDI裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)近一年的運(yùn)行，該電廠EDI裝置的產(chǎn)水電導(dǎo)率一直穩(wěn)定在0.06～0.08μS/cm，活性硅<10μg/L，產(chǎn)水水質(zhì)優(yōu)于常規(guī)水處理系統(tǒng)產(chǎn)水(電導(dǎo)率0.1～0.2μS/cm，活性硅15～20μg/L)，完全符合鍋爐補(bǔ)給水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.2　進(jìn)水水質(zhì)對(duì)EDI的影響

在一定的操作電流下，隨著進(jìn)水電導(dǎo)率的增加，EDI產(chǎn)水電導(dǎo)率也在增加。但在一定范圍內(nèi)，產(chǎn)水水質(zhì)變化不明顯。當(dāng)進(jìn)水電導(dǎo)率超過(guò)一定范圍后，進(jìn)水中離子增多，水的導(dǎo)電能力加強(qiáng)，產(chǎn)生極化的趨勢(shì)減弱，水解離程度減弱，生成的H+和OH-減少，導(dǎo)致樹(shù)脂再生效果變差，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)淡水室的樹(shù)脂大部分處于飽和失效狀態(tài)，產(chǎn)水水質(zhì)惡化的情況。

水的回收率主要取決于進(jìn)水的硬度。淡水室陰膜極化產(chǎn)生的OH-在濃水室中向陽(yáng)極方向的定向移動(dòng)使?jié)馑业年幠け砻婢S持一個(gè)高的pH層面，致使淡水室透過(guò)陽(yáng)膜的Ca2+和Mg2+在此處極易生成沉淀。陰極表面由于水電解產(chǎn)生的OH-，也使陰極區(qū)存在pH較高的現(xiàn)象。在進(jìn)水硬度高的條件下，必須降低水的回收率，從而有效控制濃水室的結(jié)垢趨勢(shì)。

另外進(jìn)水中的CO2也會(huì)影響EDI的產(chǎn)水水質(zhì)，CO2進(jìn)入EDI組件后，與水電解產(chǎn)生的OH-結(jié)合產(chǎn)生CO2-3和H2O。CO2-3作為交換順序在HSiO-3之后的弱電解質(zhì)，它在水中的濃度將干擾EDI對(duì)弱電解質(zhì)的去除。過(guò)高的CO2可以通過(guò)調(diào)整RO進(jìn)水pH或?qū)O產(chǎn)水脫氣而去除。預(yù)處理及預(yù)除鹽系統(tǒng)的正常運(yùn)行是保證EDI進(jìn)水水質(zhì)合格的關(guān)鍵，其中需要特別重視的是EDI進(jìn)水電導(dǎo)率、硬度、CO2、TOC及活性硅含量。在兩級(jí)RO出水基本無(wú)硬度的情況下，該EDI的回收率設(shè)定為95%，運(yùn)行實(shí)踐表明裝置能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3.3　濃水流量和電導(dǎo)率對(duì)EDI的影響

在運(yùn)行過(guò)程中，淡水中所有的被去除的離子最終都匯集到濃水中來(lái)，濃水的電導(dǎo)率得以升高，濃水又是循環(huán)使用的，因此濃水的電導(dǎo)率不斷地被提高，整個(gè)EDI組件的電阻得以降低。濃水電導(dǎo)率是影響EDI模塊電子流遷移的重要因素，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，減小濃水流量，可以提高系統(tǒng)的電流(穩(wěn)流運(yùn)行時(shí)可降低系統(tǒng)電壓)，并能在一定程度上提高產(chǎn)水水質(zhì)。

實(shí)際上濃水流量是通過(guò)濃水電導(dǎo)率來(lái)影響系統(tǒng)運(yùn)行的，濃水流量越小，濃水含鹽量越高，濃水室電阻越小，恒壓情況下其電壓相應(yīng)降低，而淡水室電壓增加后濃水更易于分解生成H+和OH-，產(chǎn)水水質(zhì)得到提高。但是濃水流量過(guò)小會(huì)造成膜兩側(cè)濃度差過(guò)大，形成濃差擴(kuò)散，影響產(chǎn)水水質(zhì)。另一方面，運(yùn)行過(guò)程中濃水室陰離子交換膜表面處的pH較高，濃水中的成垢物質(zhì)在低流速下可能會(huì)富集而引起結(jié)垢，同時(shí)也存在著EDI組件因極水室過(guò)熱而引發(fā)組件變形損壞的問(wèn)題。一般經(jīng)驗(yàn)是濃水流量為進(jìn)水流量的5%～10%。

濃水的電導(dǎo)率直接影響產(chǎn)水電導(dǎo)率，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)當(dāng)濃水電導(dǎo)率在100～200μS/cm時(shí)，產(chǎn)水電導(dǎo)率相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)濃水電導(dǎo)率低于100μS/cm時(shí)，產(chǎn)水電導(dǎo)率持續(xù)上升，且濃水電導(dǎo)率越低，產(chǎn)水水質(zhì)越差。因此濃水電導(dǎo)率必須維持在一定范圍內(nèi)，以保證EDI組件有足夠的電流通過(guò)。當(dāng)進(jìn)水電導(dǎo)率較低，即使采用濃水循環(huán)方式也很難達(dá)到要求時(shí)，就需要向濃水循環(huán)系統(tǒng)中加鹽來(lái)提高濃水電導(dǎo)率。當(dāng)濃水電導(dǎo)率>140μS/cm時(shí)，產(chǎn)水電導(dǎo)率變化不明顯，穩(wěn)流情況下電壓有所下降，但同時(shí)需考慮耗鹽量及濃差擴(kuò)散問(wèn)題。

極水的作用主要是給電極降溫和帶走電極表面產(chǎn)生的氣體，一般控制極水流量為進(jìn)水流量的1%。EDI再生時(shí)由于電流增大，極水流量可調(diào)大至進(jìn)水流量的2%～3%。秸稈電廠EDI系統(tǒng)的極水流量設(shè)定為進(jìn)水流量的5%，主要是考慮到系統(tǒng)無(wú)單獨(dú)的濃水排放途徑，小部分濃水以極水的形式送入極水室而排放，以維持一定的濃水電導(dǎo)率，極水流量的增大還有利于電極的正常運(yùn)行，延長(zhǎng)其工作壽命。

鑒于以上分析，建議在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中采用保持較大的濃水流量，通過(guò)降低EDI進(jìn)水硬度，適當(dāng)增加濃水電導(dǎo)率的方法來(lái)維持EDI較高的電流效率和產(chǎn)水水質(zhì)。

2.3.4　操作電流對(duì)EDI裝置的影響

EDI裝置與電滲析不同，除鹽過(guò)程中需要發(fā)生極化現(xiàn)象，即在水與離子交換膜或樹(shù)脂界面上發(fā)生水的解離反應(yīng)，生成大量H+和OH-，使樹(shù)脂不斷得到再生，因此EDI裝置就有一個(gè)最低工作電流要求，而且該工作電流必須大于發(fā)生極化現(xiàn)象時(shí)的極限電流，它與進(jìn)水水質(zhì)、膜及樹(shù)脂性能和組件結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)電流越大，產(chǎn)水水質(zhì)越好。因?yàn)樵谳^大的電流下，參與電子流遷移的離子多，使得更多的鹽分離子從淡水室遷移至濃水室，同時(shí)淡水室中水的解離度大，產(chǎn)生的H+和OH-數(shù)量多，樹(shù)脂的再生效果好，從而產(chǎn)水的電導(dǎo)率小。但是當(dāng)電流增大到一定值時(shí)，淡水室離子交換和樹(shù)脂再生達(dá)到極限，剩余的H+和OH-主要用于負(fù)載電流，已無(wú)助于進(jìn)一步降低產(chǎn)水電導(dǎo)率，會(huì)引發(fā)過(guò)量的水電離和離子反擴(kuò)散而降低產(chǎn)水水質(zhì)。同時(shí)極室中會(huì)產(chǎn)生大量的氫氣和氧氣，不利于EDI的正常運(yùn)行。所以不宜采用過(guò)高的電流值。電流的調(diào)節(jié)應(yīng)以產(chǎn)水水質(zhì)最佳為目的，在產(chǎn)水水質(zhì)達(dá)到要求的前提下電流越小越好。

為了降低設(shè)備運(yùn)行電耗，考察操作電流對(duì)出水水質(zhì)的影響程度，在其他運(yùn)行條件不變的情況下進(jìn)行了幾次改變操作電流的試驗(yàn)，結(jié)果表明EDI操作電流在15～25A時(shí)，產(chǎn)水電導(dǎo)率都能保證在0.08μS/cm以下。建議EDI正常運(yùn)行時(shí)供電電流為1.5～2A/模塊，當(dāng)模塊出水不合格，需要再生時(shí)，再生電流可設(shè)定為3～5A/模塊。

3　技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

以產(chǎn)水量為50m3/h全膜法處理系統(tǒng)與產(chǎn)水量為80m3/h的離子交換系統(tǒng)制水成本的比較，詳見(jiàn)表7。由表7可以看出，在相同原水的情況下離子交換系統(tǒng)制水成本比全膜法處理系統(tǒng)高出約0.776元/m3，若按電廠年需要用水量200萬(wàn)m3計(jì)算，則年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)約150萬(wàn)元。如產(chǎn)水量都為50m3/h采用全膜法水處理系統(tǒng)比離子交換系統(tǒng)基建總投資高出約125.7萬(wàn)元，但在年產(chǎn)水量200萬(wàn)m3的情況下，新建項(xiàng)目采用全膜法系統(tǒng)，投資差額一年就可收回，而且無(wú)酸堿排放，社會(huì)效益顯著。

表7　全膜法水處理系統(tǒng)與離子交換系統(tǒng)制水成本比較

4　結(jié)論

(1)秸稈電廠的運(yùn)行結(jié)果表明，在進(jìn)水水質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，采用UF—RO—EDI工藝處理地下深井水，產(chǎn)水水質(zhì)連續(xù)穩(wěn)定，完全能夠達(dá)到鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)要求。全膜水處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)離子交換工藝相比，運(yùn)行成本低，操作簡(jiǎn)單，且無(wú)酸堿排放，經(jīng)濟(jì)可行。

(2)EDI裝置的進(jìn)水水質(zhì)、濃水流量和電導(dǎo)率、操作電流等是影響EDI系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要因素。應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況確定各操作參數(shù)，并協(xié)調(diào)好它們之間的關(guān)系。

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