零排放案例研究
案例研究：RD Nixon 发电厂零排放工业废水处理
作者：Gil K. Dhawan | 1983年
抽象的
由位于加利福尼亚州圣地亚哥的UOP公司流体系统部门和位于华盛顿州贝尔维尤的CH 2 M Hill公司共同设计的零排放废水系统，自1980年10月以来一直在RD Nixon发电厂成功运行。与传统方案相比，该系统的运行成本预计可节省50%。该设施的工艺设计是在考察了多种方案后最终确定的。该系统的单元操作包括澄清、过滤、反渗透和蒸汽再压缩蒸发。本文对各种方案对设施性能的影响进行了分析。
介绍
RD Nixon 发电厂位于科罗拉多州方廷。厂址选择基于多种因素，其中包括与用户的距离。该厂距离市政污水管道 15 英里，毗邻当地一条淡水溪流。任何排入该溪流的液体都必须符合严格的污水排放要求。然而，将电厂污水排入市政污水管道需要铺设长管道，成本高昂。因此，唯一可行的方案是对电厂污水进行处理和回收利用。废水处理系统由 CH 2 M Hill 设计，反渗透系统由 Fluid Systems 设计和提供。废水处理系统的总成本约为安装和运营市政污水处理厂管道预计成本的一半。
供水
发电厂的供水来自电厂附近的水井。电厂总用水量平均约为每分钟1700加仑（GPM）。其中近90%用于冷却塔的补充水。
表1给出了井水的设计分析。从分析中可以清楚地看出，冷却塔中的浓缩循环会导致磷酸钙、硫酸钙或二氧化硅的沉淀。
井水硬度可高达600毫克/升（碳酸钙）。因此，供水需经离子交换树脂（沸石）软化处理。总硬度降至15毫克/升以下（ 表1 ）。软化后的水用于冷却塔及工厂其他常规用途。
废水组成
发电厂废水有多种来源，具体如下：
- 冷却塔排污
- 软化器再生废水
- 灰渣闸排污水
- 除盐器再生废液
- 地漏
- 化学清洗废弃物
事实上，除污水外的所有工厂废水均经过废水处理系统处理。
总废水中近60%来自冷却塔排污水。浓缩循环受到软化水中残留磷酸钙溶解度的限制，如典型的冷却水排污水分析结果所示（ 表1 ）。
软水器再生废水是第二大废水来源，占废水总量的近18%。不出所料，软水器再生废水的钙浓度非常高。
第三大废水来源是灰渣泄水排污（15%）。燃煤电厂使用冷却塔排污的尾流作为补充水，清除灰斗中的底灰。灰渣和水的混合物在灰池中沉淀，最后一个灰池的上清液被连续泵送回泄水池。泄水池中的部分液体从泄水池上游连续排污。
除盐器再生废水约占废水总量的5%。除盐器用于为锅炉生产高质量的水。
地漏里的大部分水是用来冲洗各种泵密封圈的水。地漏产生的废水约占发电厂废水总量的2%。
表1列出了部分主要废水流和工厂合并废水的代表性分析结果。合并废水分析不包括软化器再生剂流。
确定发电厂产生的废水流是废水处理工艺设计的第一步。下一节将探讨针对不同用水和废水需求的工艺设计方案。
表 1
主要水、废水和处理后的废水流的设计组成
| 成分（毫克/升，以离子计） | 井水供应 | 软化井水 | 冷却塔排污 | 灰渣水排污 | 废水合并过滤 | RO 给水 | RO渗透水 | 反渗透浓缩液 | VRE 给水 | VRE产品 | VRE废盐水 |
| 钙 | 200 | 4 | 15 | 308 | 66 | 66 | 6 | 127 | 1,111 | -- | 1,281 |
| 镁 | 53 | 1 | 3 | 10 | 4 | 4 | 74 | 8 | 327 | -- | 3,397- |
| 钠 | 142 | 489 | 1,578 | 1,928 | 1,581 | 1,581 | 185 | 2,981 | 3,100 | -- | 32,215 |
| 钾 | 20 | 20 | 66 | 86 | 67 | 67 | 12 | 122 | 106 | -- | 1,101 |
| 铁 | 0.4 | 0.1 | 0.1 | 1 | 0.2 | 0.2 | 0.1 | 0.3 | 0.9 | -- | 9.4 |
| 钡 | 1.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 5.5 | -- | 57.5 |
| 铝 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 4 | 0.1 | 1.0 | 0.1 | 0.1 | 1.0 | -- | -- |
| 锰 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | -- | -- |
| 锶 | 1.4 | 0.1 | 0.1 | 2 | 0.7 | 0.7 | 0.1 | 0.2 | 7.4 | -- | 76.5 |
| 锌 | 0.1 | 0.1 | 16 | 17 | 15 | 15 | 74 | 二十九 | 24 | -- | 251 |
| 其他阳离子 | 1.0 | 0.1 | 1.0 | 2.0 | 1.0 | 1.0 | 74 | 74 | 6.0 | -- | 50 |
| 氯化物 | 53 | 53 | 204 | 268 | 217 | 217 | 二十九 | 406 | 3,874 | -- | 40,240 |
| 硫酸盐 | 586 | 586 | 2.992 | 4,372 | 3,070 | 3,117 | 339 | 5,970 | 5,122 | -- | 29,198 |
| 硝酸盐 | 二十八 | 二十八 | 89 | 102 | 88 | 88 | 7 | 170 | 147 | -- | 1,527 |
| 磷酸盐 | 3 | 3 | 9 | 3 | 7 | 7 | 11 | 十三 | 12 | -- | 110 |
| 碳酸氢盐 | 330 | 330 | 78 | 99 | 105 | 51 | 7 | 十三 | 83 | -- | 0 |
| 氟化物 | 2.4 | 3 | 8 | 12 | 8 | 8 | 0.4 | 16 | 14 | -- | 145 |
| 铬 | 0.1 | 0.1 | 8 | 8 | 7 | 7 | -- | 15 | 12 | -- | 125 |
| 二氧化硅 | 20 | 20 | 90 | 139 | 85 | 85 | 21 | 137 | 118 | -- | 189 |
| 其他阴离子 | 1.0 | -- | -- | -- | 1.0 | 1.0 | -- | -- | 5.0 | -- | 5.0 |
| 总溶解固体 | 1,560 | 1,645 | 5,135 | 7,355 | 5,320 | 5,315 | 605 | 10,005 | 14,065 | 5 | 109,880 |
| 运输安全署 | -- | -- | 100 | 50 | 100 | -- | -- | -- | 20 | 1 | 36,518 |
| pH | 7.5 | 7.5 | 7.2 | 9.0 | 7.5 | 6.0 | 5.4 | 5.5 | 6.5 | 6.5 | 7.2 |
| 浊度（JTU） | 1.0 | 1.0 | -- | -- | -- | 1.0 | 1.0 | -- | -- | 1.0 | - |
| 油和油脂 | -- | -- | -- | 10 | 10 | 0.1 | -- | -- | 1 | -- | 1 |
| 平均流量（加仑/分钟） | 1,546 | 1,646 | 515 | 100 | 569 | 539 | 270 | 269 | 324 | 294 | 三十 |
废水处理——工艺设计
CH 2 M Hill 负责尼克松发电厂的工艺设计。设计决策主要考虑以下四个方面：
- 冷却塔井水水处理
- 联合厂废水处理及回用
- 锅炉给水水处理
- 对（3）中产生的最终废水进行浓缩和处理。
每个步骤都考虑了几种方案。以下简要概述了每种工艺选择的理由。
1.冷却塔水
分析表明，通过去除限制冷却塔浓缩循环的结垢离子，可以满足冷却塔水质要求。井水供水成分中的限制性离子是Ca + -和PO + - 4 。考虑的去除这些离子的工艺包括石灰-苏打软化和离子交换（沸石）软化。选择离子交换软化工艺是因为其资本和化学成本较低。
2. 联合厂废水处理及回用
这里考虑的流程如下：
- 侧流石灰苏打软化（SS L/S）
- 反渗透（RO）
- 蒸汽再压缩蒸发（VRE）
侧流石灰-苏打软化工艺可以去除冷却水中的钙、镁、硅和磷酸根离子。就冷却塔水质而言，侧流石灰-苏打软化工艺比反渗透工艺成本更高，因为侧流石灰-苏打软化工艺需要两级系统来确保硬度去除，化学药剂成本更高，而且盐度更高的环境也需要更高的冷却塔建造材料成本。侧流石灰-苏打软化工艺所需的冷却塔排污水质与反渗透浓缩液相似；因此，最终蒸发成本大致相同。
反渗透的资本和运营成本比VRE低一个数量级。另一方面，反渗透对水中盐浓度上限存在实际限制。因此，反渗透与VRE的组合是废水处理最经济的解决方案。预计反渗透产水水质适合用作冷却塔补给水，VRE冷凝水可用作锅炉给水。
3.锅炉给水
锅炉给水标准如下：
| pH | 8.5-9.3 |
| 正磷酸盐 | 2-4毫克/升 |
| 二氧化硅 | <0.7 ppm |
| 电导率 | < 30 微欧姆/厘米 |
研究表明，通过混床离子交换器对反渗透（VRE）冷凝水回流进行精处理，即可满足锅炉给水的全部需求。然而，需要一套完整的除盐装置，包括碳装置、阳离子装置、脱气装置、阴离子装置和混床装置作为备用。由于反渗透装置的渗透水质优于软化供水，因此，如果反渗透冷凝水供应中断，反渗透渗透水可以转入除盐装置。
此外，多余的冷凝水回流可以送至冷却塔。
4. 最终废物浓缩
为了进一步减少蒸汽再压缩蒸发器浓缩液的体积，我们考虑使用蒸发池。由于土地资源充足，蒸发池比喷雾干燥等加工替代方案可以显著节省成本。
5. 其他废物流
对于其他低量和/或低频率的废物流，做出了以下决定：
| 废水 | 处置方法 |
| 卫生废物 | 化粪池 |
| 煤堆径流 | 蒸发池 |
| 化学品泄漏 | 场外处置 |
工艺设计方案的经济比较
图1显示了CH2M Hill对不同工艺设计方案进行的经济性比较。基于这些成本以及上述其他考虑因素，我们选择了方案1A的工艺方案。蒸发池用于进一步浓缩蒸发器的浓缩液，蒸发池收集的固体将被填埋处理。
图 1
零排放工艺替代方案
| 数量级成本*（百万美元） | ||||
| 案件 | 软化 | 脱盐 | 首都 | 年度运维 |
| IA | 九 | 反渗透+万古霉素 | 11.7 | 0.8 |
| B | 九 | 万古霉素耐药性 | 15.0 | 1.1 |
| 碳 | 九 | 反渗透 | 12.7 | 0.5 |
| ⅡA | 长/短 | 反渗透+万古霉素 | 12.4 | 0.7 |
| B | 长/短 | 万古霉素耐药性 | 17.4 | 1.0 |
| 碳 | 长/短 | 反渗透 | 12.7 | 0.5 |
| 三A | 九 | SSL/S + VRE | 12.5 | 0.8 |
| B | 长/短 | SSL/S + VRE | 12.9 | 0.7 |
| 碳 | 左 | SSL/S + VRE | 15.7 | 0.9 |
| 第四版 | 反渗透 | 万古霉素耐药性 | 15.2 | 1.0 |
| B | 反渗透 | 没有任何 | 16.2 | 0.5 |
- IX = 离子交换软化
- L = 冷石灰软化
- L/S = 石灰苏打软化
- SSL/S = 侧流石灰苏打处理
- RO = 反渗透
- VRE = 蒸汽再压缩蒸发
*1976年水和废水处理及回收设施的成本，加上因这些设施而产生的冷却塔或锅炉的任何增量成本。数据由华盛顿州贝尔维尤的CH 2 M Hill提供。
废水处理系统
除冷却塔外，所有来源的废水均流入均衡池。然后，废水被泵送至混合槽。通过阀门控制，待处理的废水可来自均衡池、冷却塔或两者（见图2和图3 ）。将氯、明矾和聚合物添加到废水中，并在混合槽中混合。废水从混合槽被泵送至三个并联的澄清和过滤装置。每个装置包含一个絮凝室、一个采用管式沉淀器的澄清段和一个混合介质过滤器。过滤器和管道会自动反冲洗。
过滤系统采用自动化控制，并根据废水量按比例持续添加阳离子聚合物和氯化铁。如果过滤后的水浊度高于0.9 JTU，过滤器将自动反冲洗。
澄清过滤后的水流入清井。清井用作反渗透工艺的供水箱，也用于介质过滤器的反冲洗和表面冲洗。反冲洗废水流入集水池，该集水池也收集来自地漏的水。集水池中的废水被泵送至底灰池。底灰每班一次或两次用大量的水从湿底灰斗排入灰池。产生的泥浆在三个串联的3英亩（约1.7公顷）的池子中沉淀，最后一个池子的上清液被连续泵送回泄水池。
清井水经滤芯过滤器输送至反渗透系统高压泵的吸入口，在进入滤芯过滤器前，需添加阻垢剂和硫酸。
反渗透系统分为三个并联单元，均采用 Fluid Systems 的 8150 型膜元件。反渗透系统的运行条件列于表 2中。反渗透系统的渗透液收集在一个水箱中，可根据需要直接输送至冷却塔或锅炉。反渗透系统的浓缩液收集在另一个水箱中，输送至蒸发进料罐。蒸发进料罐还接收来自软化器的再生废水。两个反渗透单元可满足正常的工厂流量要求，第三个单元处于备用状态。有时，这三个单元也会运行以满足峰值需求。
经过pH值调节和添加阻垢剂后，蒸发进料罐中的液体被泵送至蒸发器进行最终减容。蒸发器的冷凝液被收集至储罐中，并被泵送至锅炉给水系统。
蒸发器产生的废液被送至倾析池，盐分在此沉淀。倾析池的溢流液流入蒸发池。倾析池中的盐分会定期由固体废物处理设备清除。
图 2
水流平衡废水处理系统
图3
Ray D. Nixon 发电站废水处理过滤和脱盐系统（点击放大）
废水处理系统运行
RD Nixon 发电厂拥有一套完善的污水处理系统运行维护程序。整个运行过程均可从中央控制室监控，IBM 计算机会打印出每周的维护计划。水样会在选定的地点采集，以便进行更详细的分析。污水系统的运行维护工作日只需一名操作员和三名维护人员，晚班和周末只需一名操作员。
废水处理系统的性能
该废水处理系统自1980年10月投入运行以来，几乎没有出现任何问题。事实证明，该系统设计精良，性能符合预期。主要问题包括反渗透系统进水中钙浓度过高。通过将软化器再生水从均衡池转移到蒸发器，这一问题得到了解决。另一个问题是由于预处理段的凝结不当造成的。将凝结剂从硫酸铝改为氯化铁后，这一问题得到了缓解。
反渗透系统运行良好，未出现重大问题。原有膜仍在使用，产水量和预期水质均达到设计要求。
表3列出了1980年10月反渗透系统启动时的进水、渗透液和浓缩液的分析结果， 图4列出了1982年9月的分析结果。这些分析表明，反渗透系统仍在去除进水中95%以上的总溶解固体。每两个月需要使用推荐的清洗液清洗一次膜。
进水中二氧化硅浓度过高并不成问题。在反渗透运行条件下（表2 ），进水中二氧化硅的最大允许浓度为70毫克/升。当二氧化硅浓度较高时，反渗透的回收率会向下调整。
反渗透系统未发生过非计划停机。系统的计划停机包括每年发电厂停机一个月以及均衡池水位低时停机。
表 2
反渗透系统运行条件
| 范围 | 经营价值 | |
| 最大限度 | 最低限度 | |
| 温度，RO进料 | 80°F | 60°F |
| 流量、RO 进料、GPM | ||
| 1 列 RO 列车 | 200 | 150 |
| 2 列 RO 列车 | 400 | 300 |
| 3 列 RO 列车 | 600 | 450 |
| 流量、产品/盐水、GPM | ||
| 1 列 RO 列车 | 100 | 75 |
| 2 列 RO 列车 | 200 | 150 |
| 3 列 RO 列车 | 300 | 225 |
| 二氧化硅，RO进料，mg/l SiO2 | 70 | |
| 总固体，饲料毫克/升 | 5,500 | |
| 电导率，进料微欧姆/厘米 | 125,000 | |
| 钙，Ca ++ ，毫克/升 | 65 | |
表 3
反渗透性能数据 | 1980 年 10 月 6 日的测试结果（分析单位：mg/l）
| 反渗透 | 银行 1 | 银行 2 | 银行 3 | ||||
| 喂养 | 渗透 | 集中 | 渗透 | 集中 | 产品 | 集中 | |
| 钙 | 55 | 0.09 | 86 | 0.09 | 85 | 0.09 | 85 |
| 镁 | 10.1 | 0.01 | 19.4 | 0.01 | 19 | 0.01 | 18.7 |
| 钠 | 1300 | 69 | 2600 | 79 | 2200 | 75 | 2200 |
| 钾 | 9.8 | 0.13 | 19 | 0.18 | 18 | 0.17 | 18 |
| 铁 | 0.2 | 0.06 | 0.19 | 0.05 | 0.2 | 0.10 | 0.14 |
| 锌 | 2.3 | 0.01 | 4.4 | 0.02 | 4.4 | 0.02 | 4.3 |
| 四氧化硫 | 2810 | 5 | 5290 | 5 | 5120 | 5 | 5100 |
| 氯 | 675 | 21 | 1180 | 21 | 1180 | 20 | 1120 |
| NO 3 （以N计） | 13.4 | 1.75 | 22.5 | 1.75 | 23.8 | 1.5 | 21.5 |
| 碳酸氢根 | 12 | 6 | 12 | 6 | 12 | 12 | 6 |
| F | 10.4 | 2.2 | 18.4 | 1.9 | 13.6 | 2.1 | 15.6 |
| 二氧化硅 | 65 | 3 | 117 | 2 | 110 | 2 | 108 |
| 总溶解固体 | 4950 | 69 | 9820 | 68 | 9400 | 65 | 9300 |
图4
废水处理 - 处理步骤中的典型水质分析
| 成分 （毫克/升，以离子计） |
一个 | B | 碳 | D | 埃 | F |
| pH | 10.38 | 6.15 | 5.82 | 5.5 | - | 6.59 |
| 钙 | 40 | 三十七 | 0.40 | 500 | - | 0.20 |
| 镁 | 5.5 | 7.0 | 0.10 | 120 | - | 0 |
| 钠 | 1,520 | 1,480 | 69 | 2,560 | 0 | |
| 铁 | 0.38 | 0.13 | 0.005 | 0.18 | 0 | |
| 四氧化硫 | 3,550 | 3,050 | 10.5 | 4,550 | - | 0.5 |
| 氯 | 435 | 490 | 75.5 | 2,225 | - | 3.5 |
| 碳酸氢根 | - | 17 | 7 | 18 | - | 4 |
| F | 12.7 | 12.6 | 2.9 | 15 | 0.04 | |
| 二氧化硅 | 51.5 | 46.0 | 8.7 | 63 | - | 0.0 |
| 总溶解固体 | 4,872 | 4,794 | 212 | 9,870 | 17万 | 1 |
| 电导率微欧姆/厘米 | 8,310 | 8,315 | 397 | 16,850 | - | 1.3 |
结论
发电厂废水可以采用预处理、反渗透、蒸汽再压缩蒸发等工艺进行处理和回收利用。
对于水资源短缺、水费高昂的情况，或者工厂排放物必须符合严格标准的情况，这里描述的零排放系统提供了最经济、可行的解决方案。