零排放形势下热电厂脱硫废水处理进展及展望

3. 3 浓缩减量技术

零排放目标之一是实现溶解盐的结晶与回收。为了提高能源利用效率和盐结晶速率、减少盐结晶单元占地以及实现脱硫废水回用，浓缩减量是脱硫废水零排放的关键单元。目前浓缩减量主要分为膜法( 适于含盐量5% ～ 8%的废水) 和热法( 适于含盐量15% ～ 20%的废水)。

3. 3. 1 膜分离技术

膜分离技术在脱硫废水的浓缩中具有重要作用。纳滤(NF) 和反渗透(ＲO) 已经得到了大量研究和应用，新型膜技术包括正渗透 (FO) 和膜蒸馏(MD) 由于具有更高的浓缩能力，近年来也在实验室和中试规模得到了应用。NF可高效截留有机物及多价离子，但不能有效截留单价盐，因此，NF与ＲO组合工艺可以实现脱硫废水的分盐、浓缩和盐回收。康永等［55］采用NF深度处理脱硫废水，出水满足脱硫工艺水的回用标准。徐小生［56］采用“化学软化+NF”深度处理三联箱出水，可浓缩2 ～ 4倍，分盐效果良好，NaCl质量分数达97%。连坤宙等［31］ 采用“化学软化+MF+ＲO”处理脱硫废水，经化学软化后MF和ＲO都可以稳定运行，脱盐率大于98%。王可辉等［32］采用“TMF+DTＲO”组合工艺处理脱硫废水，盐的质量分数浓缩至11%以上，产水电导小于800μS /cm。张泉等［35］采用“UF+NF+ＲO”膜组合工艺进行脱硫废水处理中试研究，各单元都能连续稳定运行，ＲO实现1. 7 ～ 2. 3倍的盐浓缩，回收的NaCl质量分数为99%，达工业用盐标准，且 产 水TDS低于370 mg /L，满足电厂水回用标准(GB /T19923-2005)。

近年来新型膜技术逐渐应用于脱硫废水的深度处理。方棣等［57］发现FO可实现脱硫废水的10倍浓缩，满足蒸发结晶系统的要求，产水可以回用。电渗析(EDＲ) 利用电场和离子交换膜实现盐水的浓缩与分离，常用于ＲO浓水的浓缩。吴火强［58］采 用“化学软化+ＲO+EDＲ+FO”工艺对脱硫废水进行浓缩与处理，分别采用ＲO、EDＲ和FO进行盐浓缩( 高达133. 060 g /L) ，实现了高盐水减量及高水回用率(57. 2%)。孟友国等［59］应用均相电驱动膜处理软化 后 的 脱 硫 废 水，浓液和淡水侧总含盐量(TDS) 分别高于15%和低于0. 3%。MD工艺结合了膜法和热法的优势，对废水预处理要求较低，在脱硫废水处理中得到了一定关注。国华三和电厂结合砂滤和UF预处理系统，开展了MD处理脱硫废水的中试研究［60］，水回收率可达88%，产水量0. 5 m3 / h。Wang等［61］将NF和MD联合处理脱硫废水，盐截留率和水回收率分别为99. 99%和92. 00%。杨跃伞等［24］综合分析比较了ＲO、ED、FO和MD 4种膜浓缩技术，膜浓缩能力与耗能具有相同顺序FO= MD ＞ED ＞ＲO，产水水质MD ＞FO ＞ＲO ＞ED。ＲO需要高压运行，浓缩倍数较低;FO工艺较成熟，但工艺路线复杂;MD工艺简单、产水水质高，但耗能高且技术相对不成熟。Lee等［62］将MD应用 于FO汲取液的回收，显著促进了FO过程对脱硫废水的浓缩及运行稳定性。此外，基于脱硫废水的水质复杂性，陶瓷膜等新型膜材料也在脱硫废水深度处理中得到关注［61］。但膜技术应用特别是高压膜过程的最主要限制因素是膜污染，脱硫废水成分复杂、盐含量高，膜污染机制及其控制策略成为影响其应用的关键因素。可以预期，随着新型膜材料、组件、工艺的研发以及膜污染研究的深入，膜法将会在脱硫废水深度处理中得到更广泛的应用。

3. 3. 2 热法技术

热法是主要的浓缩减量技术，但主要针对高浓度盐水。热法浓缩减量主要是通过水分蒸发实现浓水的浓缩，主要包括多效蒸发(MED)、机械蒸汽压缩(MVＲ)、蒸汽热力压缩器(TVC) 等。在实际应用中，热法处理后常需要结合离心分离和干燥来实现盐的回收或处理［64］。热法蒸发技术一般与结晶盐固化过程相同，其耗能较大。因此一般零排放过程对于低浓度的溶液都使用膜法进行浓缩减量，然后通过热法进一步浓缩和结晶，降低整体能耗、提高能量效率。整体而言，热法技术主要通过多级或者多效结晶的方式实现盐的结晶，在脱硫废水处理中主要作为结晶工艺，将在 3. 4 进行讨论。新型蒸发技术、装置的开发及废热利用是热法浓缩的关键方向。热法与膜法的组合已成为脱硫废水零排放最常用的工艺，具有运行费用低、水回收率高、纯盐回收等优点。

3. 4 盐结晶固化技术

脱硫废水经过浓缩减量后，水量显著下降，为了实现零排需进一步采用热法实现盐饱和析出及盐水分离。蒸发塘、排至除灰系统、煤场喷洒和灰渣闭式循环系统排放等方法主要利用高温条件( 废热) 实现脱硫废水处理和盐结晶，这是第 1 代零排放工艺。但这些方法无法实现水回用，结晶盐也会导致严重的腐蚀问题，且会产生大量含盐和重金属的危废。

烟道喷雾蒸发可认为是第 2 代零排放技术，工艺简单，可同时降低高温烟气温度，在发达国家很多火电厂得到应用。烟道喷雾蒸发分为烟道内蒸发和旁路烟道蒸发，烟道内喷雾蒸发可在空预器之前或者电除尘器和空预器之间进行，主要利用高温气体实现脱硫废水的雾化和盐结晶，结晶微颗粒通过静电除尘器捕集。张丽珍［65］研究了某电厂烟道内喷雾蒸发对脱硫废水的处理效果，经过“预处理-UF-两级 ＲO”处理和浓缩之后，烟道内可以快速高效蒸发脱硫废水，防止出现结垢和烟道积灰的现象。但该方法易出现结垢或蒸发不完全造成的腐蚀现象，为解决这个问题，近年来旁路烟道蒸发得到了广泛关注。通过新增 1 个蒸发塔，从空预器前引入 1 股高温烟气蒸发浓缩脱硫废水，可有效防止主烟道的结垢现象。焦作某电厂采用旁路烟道蒸发技术实现了脱硫废水的零排放，且冷凝废水可回用为脱硫工艺的补充水［66］。目前烟道蒸发过程的主要问题在于蒸发不完全所带来的结垢和腐蚀问题，同时蒸发过程和理论研究仍存在很大的缺陷［67］。近年来蒸发过程和烟道蒸发模拟研究已经取得了一定的效果［68-71］。基于烟道旁路蒸发工艺，日本三菱日立公司通过优化反应器的构型、尺寸设计，开发了一种旋转喷雾干燥器，可以有效控制蒸发过程，提高蒸发效率，该技术已在一些电厂得到应用［69］。

蒸发结晶工艺是目前实现零排放的主要形式之一［10，26］。蒸发结晶主要利用热法使水分蒸发而盐饱和析出，包括多效蒸发( MED) 、蒸汽机械再压缩(MVＲ)、热力蒸气压缩强制循环(TVC) 等。广东河源电厂［73］应用四级多效蒸发方式处理脱硫废水，产生的蒸馏水在电厂回用，结晶盐达到了工业盐要求。三水恒益电厂［73］零排放项目采用两级MVＲ工 艺，可以实现良好的水回用和结晶盐回收。长兴电厂零排放系统采用“预处理+ＲO+FO+TVC”工艺，实现高倍浓缩和盐回收，同时FO产水进一步采用ＲO处理，回用于锅炉补给水［74］。国电汉川发电公司［75］应用“预处理+NF+ＲO+MVＲ”工艺处理脱硫废水并生产工业二级盐，每年可节水27. 28万t。但蒸发结晶技术不存在选择性，为了实现盐回收，一般需要在前端进行化学软化、离子交换软化或NF分 盐［76］，实现钙镁等2价盐和NaCl的分离，以提高结晶盐质量，因此，全膜法与蒸发结晶结合的零排放技术是今后脱硫废水处理的重要研究方向。

冷冻结晶是利用低温下盐溶解度的下降进行盐的结晶，在脱硫废水处理中也得到一定的研究。庞冬等［16］研究了“三联箱-TMF-NF-冷冻结晶-ＲO”工艺对脱硫废水的处理，考察冷冻结晶对纳滤浓缩液的浓缩结晶效能，可以析出纯的十二水芒硝，达到分盐的目的。郭天娇［77］和温成远［78］采用MVＲ和冷冻结晶组合工艺进行钠碱法脱硫废水的处理，通过数学建模和结晶动力学分析了冷冻结晶的效能，发现相比传统的结晶工艺，能耗仅为1 /6 ～ 1 /7。

综上所述，烟道蒸发和蒸发结晶是目前2种非常有效的盐结晶技术。烟道蒸发目前主要以旁路烟道蒸发为主，主要的研究方向包括蒸发过程模拟与优化、反应器设计等。蒸发结晶随着膜工艺的发展和广泛应用而逐渐得到发展，是新一代的零排放技术。为了实现更高的蒸发结晶效率，浓缩和分盐工艺是关键; 同时，新型蒸发器的研发是未来蒸发结晶工艺的重要发展方向。

4 脱硫废水零排放案例

脱硫废水零排放处理技术经过了以下3个阶段:第1阶段是直接蒸发，直接利用蒸发塘或者灰场、煤场等余热进行蒸发，但存在突出的危废处理处置难题。第2阶段是烟道喷雾蒸发，利用烟道气高温进行废水蒸发与废盐排除，可部分回收冷凝水。在烟道内喷雾蒸发的基础上又开发了旁路烟道蒸发，以解决蒸发效率低和结垢问题。第3阶段是蒸发结晶，通过“预处理+重金属去除+浓缩减量+盐结晶”组合工艺实现污染物的去除和盐结晶，进而实现水回用和盐回收，已成为目前研究最多的零排放工艺，其中膜分离技术与蒸发结晶技术的结合日益广泛。零排放技术目前已经实现了工业应用的突破（表2）。美国有37%的电厂实现零排放，但主要采用烟道雾化蒸发或旁路烟道蒸发技术［19，67］。河源电厂是我国第一家真正意义上实现脱硫废水零排放的电厂，其采用“软化+两级混凝澄清+四效蒸发”工艺，实现了水回用和结晶盐回收［79-81］。整体而言，目前传统的零排放工艺仍然在电厂中有大量的应用。但随着环保要求的提高，烟道蒸发和蒸发结晶逐渐得到推广，基于“预处理+膜浓缩+蒸发结晶”的组合工艺成为零排放的最主要选择。

5 结语与展望

火电厂脱硫废水的零排放经历了直接蒸发、烟道雾化蒸发和浓缩减量-蒸发结晶3个阶段的发展，一般需要结合预处理、重金属去除、浓缩减量和盐结晶固化4个过程。目前烟道雾化蒸发和蒸发结晶是零排放的2种主要实现形式，膜浓缩是零排放稳定高效实现的重要保障，重金属去除是实现盐回收和危废减量的重要过程; 而预处理是保障后续过程稳定运行的根本。虽然针对各阶段都开展了大量的研究和中试实验，也实现了脱硫废水零排放的工业应用，但整体而言，大多数工艺还处于实验室小试或者中试阶段，实际工程的零排放案例仍较少。高效低耗的脱硫废水零排放工艺的开发将成为电厂水处理的重点内容:1) 传统工艺如三联箱将逐步作成预处理工艺，基于流体力学和材料学的传统工艺的改进研究将逐渐得到应用;2) 开发新型絮凝剂及絮凝过程与系统、新型软化工艺及化学分盐工艺的研究是提高预处理性能与稳定性、降低预处理过程能耗，保障后续稳定运行的重点内容;3) 新型吸附剂、催化剂、电极材料的开发、重金属去除机理的探讨、高盐高有机物条件下重金属去除工艺的开发与应用等是脱硫废水重金属去除的重要关注点;4) 新型膜材料、膜组件、膜工艺的开发和应用，实现膜预处理过程及浓缩减量过程的自动化控制和稳定运行，解决膜污染控制问题将成为膜浓缩减量过程的重点研究方向;5) 开发新型分盐工艺，实现纯盐的制备将会是未来工业盐回收的重点研究方向;6) 提高蒸发过程的能效、废热的使用、蒸发过程的模拟仿真研究以及新型烟气蒸发雾化装置和蒸发结晶工艺及装置将是实现零排放的重要内容。总之，随着环保要求的严格以及零排放技术的成熟，脱硫废水零排放将成为今后火电厂的主流方向之一，并取得实现快速的应用拓展。标准化、一体化、模块化和智能化的脱硫废水处理装置将是脱硫废水处理市场的重大突破口。