电厂脱硫废水处理系统工艺与装置的优化改造
1.项目背景
1.1电厂脱硫废水来源
锅炉烟气湿法脱硫过程产生的废水来源于吸收塔排放水。为了维持脱硫装置浆液循环系统的物质的平衡，需要定时从吸收塔排出废水。湿法脱硫废水的杂质主要来自烟气和脱硫剂，烟气的杂质来源于煤的燃烧，脱硫剂的杂质来源于石灰石的溶解。石灰石-石膏法烟气脱硫技术因能够高效脱除烟气中的SO2，且具有系统可靠性的特点，是目前火电厂烟气脱硫工程中使用最广泛的一种方法。锅炉烟气在进行湿法脱硫过程中，防止浆液中可溶解的氯离子和细小的灰尘颗粒浓度富集过高，需要从系统中排放一定量的废水，以维持脱硫装置中的物料平衡。脱硫废水含有的杂质主要为固体悬浮物、过饱和亚硫酸盐、硫酸盐、氯化物以及微量重金属，其中很多物质为国家环保标准中要求严格控制的第一类污染物。
1.2三联箱脱硫废水处理工艺
常见FGD脱硫废水处理系统为“三联箱处理+澄清”工艺，三联箱包括中和箱、反应箱和絮凝箱，具体工艺流程如下：脱硫装置产生的废水在缓冲池内进行曝气混合均匀后经由滤液水泵送至脱硫废水处理系统。
此脱硫废水中含有的杂质主要包括悬浮物、过饱和的亚硫盐酸、硫酸盐以及重金属。首先，脱硫废水流入中和箱，在中和箱加入石灰浆液，使得沉降箱的pH在9.0～9.5的范围内。废水流入沉降箱中，石灰浆液的加入不但升高了废水的pH值，而且使废水中Fe3+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Cr3+等重金属离子生成氢氧化物沉淀。当pH值达到9.0～9.5时，大多数重金属离子均形成了难溶氢氧化物。同时，石灰浆液中的Ca还能与废水中的部分F-反应，生成难溶的CaF2，此外，其与As3+络合生成Ca3(AsO3)2等难溶物质。此时Pb2+、Hg2+仍以离子形态留在废水中，所以在沉降箱中加入有机硫(TMT-15)，使其与Pb2+、Hg2+反应形成难溶的硫化物沉积下来。
废水进入絮凝箱中加入FeClSO4，微细絮凝体在缓慢和平滑的混合作用下在絮凝箱中形成稍大的絮凝体，完全沉淀重金属。在絮凝箱加入助凝剂，在下流过程中助凝剂与絮凝体形成更大的絮凝体；废水中的重金属和悬浮物经过絮凝、沉淀等化学和物理过程，从絮凝箱自流进入澄清器。在刮泥机的缓慢搅拌下，絮凝体和水分离，上层的净水自流进入出水箱；絮凝体在重力浓缩作用下形成污泥则沉积在澄清器底部，当污泥累积到一定厚度时，开启澄清器底部排泥阀排除污泥。运行时应严格控制浓缩池的污泥料位，以保持污泥有一定的浓度，泥位太高(大于2.0m)会影响上层净水水质。一部分污泥作为接触污泥通过污泥循环泵返回到中和箱，以提供沉淀所需的晶核，获得更好地沉降。澄清器出水流入出水箱内加酸调节pH值到6～9后排放。处理后的出水达标排放。
脱硫废水→中和箱(加入石灰浆液)→沉降箱(加入有机硫)→絮凝箱(加入FeCISO4和助凝剂)→澄清器→出水箱(加入盐酸)→达标排放。工艺流程如图1-1所示：
工艺流程图1-1脱硫废水预处理工艺流程
1.3三联箱设备工艺缺陷
脱硫废水具有高悬浮物含量、高盐含量、强腐蚀性的特点，含有的杂质主要有过饱和的亚硫酸盐、硫酸盐以及重金属，其中很多是GB－中要求控制的一类污染物。作为电厂的一种处理难度大的废水，脱硫废水处理系统在运行过程中容易出现多种问题，导致目前国内很多电厂的脱硫废水设备处于停运状态或出水不能达到GB－排放标准。本项目针对XX热电厂脱硫废水处理系统设计缺陷和运行问题进行分析，提出了相应的改进和应对措施，通过对系统工艺和装置的优化使电厂脱硫废水处理系统处理量有了大幅增加，同时出水能够满足达标要求。
2.项目现场情况
2.1三联箱基本情况
XX热电厂脱硫废水处理系统现场采用两套三联箱，采用一用一备方式，单套设计出水量为15立方米每小时，目前两套设备同时运行处理水量为18立方米每小时。三联箱顶部与厂房顶部距离小于3米。靠厂房窗户的另外一套三联箱距墙体距离不足0.5米，如图2(A)所示，两套三联箱共用一套平台扶梯，如图2(B)所示，三联箱爬梯侧有吊装孔,出水侧有助凝加药设备，设备无扩容空间。
设备箱体采用碳钢材质加工，内部防腐为衬胶形式外部防腐为防腐漆。搅拌器为常规定速电机，(未发现变速器)如图2-2(A)所示。三联箱体内中和箱、沉降箱、絮凝箱底部均设有排空阀，其中中和箱设有最高溢流管路、絮凝箱顶部设有出水溢流管路，如图2-2(B)所示。中和箱引用少量澄清池沉淀泥提高中和箱悬浮泥浓度，以提高脱硫废水经调pH反应所形成的絮凝泥的沉淀。厂房内安有小吨位电动葫芦。
两套三联箱采用独立加药方式，通过对目前的使用情况检查数据分析，各个箱体内投加药量满足目前处理水量的使用能力，每个独立箱体顶部均有观察孔，原有虹吸管道已被切除并增加了溢流隔板。目前中和箱、沉淀箱、絮凝箱三个水池容积均为15立方，目前来水18立方每小时，每个水池加药搅拌时间0.83小时，来水中含有部分悬浮物及胶体，三联箱产水中存在部分污泥。两套三联箱同时工作，系统容积共计为90立方，整体来水停留时间为5小时，澄清池容积为64立方，停留时间为3.55小时。
2.2工艺设备存在的问题
(1)各个箱体内污泥浓度过高并出现死泥现象无法外排，直接影响后续进水的处理效果并加大搅拌电机运行负荷。
(2)内部结构设计有缺陷。反应过程中水样观察、检测不方便。
(3)两台设备布置太紧凑，给后期维修、改造带来很大影响。两套设备间距不到mm，第二套三联箱与相近墙体间距不足mm。
(4)三联箱顶部管路错综复杂，人员现场操作不方便，如图2-2所示。
2.3问题原因分析
针对问题(1)，分析原因如下：
①废水旋流器问题。脱硫系统废水旋流器设计容量和旋流子喷嘴尺寸选型不当，废水旋流效果差，脱硫废水来水固含量较高，造成系统设备之间连接管道沉积堵塞的问题，如中和箱、沉降箱、絮凝箱之间的连接管道经常由于悬浮物沉积而造成管道堵塞，且清理困难。
②脱硫废水处理系统未设计废水缓冲池。有些脱硫废水处理系统未设计废水缓冲池，废水直接进入三联箱进行处理。脱硫废水的排放具有间断性且流量变化大的特点，废水没有经过均质均量的缓冲调节，容易造成脱硫废水处理系统尤其是澄清器短时负荷过大，影响了出水水质。
③三联箱和澄清器缺陷。三联箱和澄清器设计反应停留时间太短，絮凝反应效果差，形成的絮凝颗粒不够大，泥水分离效果差，出水浊度和悬浮物含量高，水质变差。
④系统管路缺陷。脱硫废水系统易发生污堵，有时需要对系统管路分段拆卸冲洗。因此脱硫废水处理系统管路设计时宜采取拆卸方便的法兰连接方式，法兰间距一般宜小于6m，尽量少使用弯头。
⑤沉淀速度大于水流上升速度。来水水量小，中和箱第一次外部引入污泥有助于在来水调节pH时形成絮状泥的沉淀，当中和箱内泥浓度逐渐达到中和箱搅拌机最大搅拌效果时，悬浮污泥因离心力聚集于箱体内壁，中和箱出水为溢流方式致使中和箱内壁因离心力聚集悬浮污泥下沉速度大于水流上升速度。中和箱内泥没有大量被带出，致使中和箱内泥含量逐渐增加，当泥量大于一定程度将会出现中和箱内脱硫来水与氢氧化钙反应不完全，箱体内水通达发生短路现象，搅拌电机超负荷运行等情况发生。
⑥搅拌电机无调速能力、搅拌叶轮无推动能力。中和箱、沉降箱、絮凝箱中反应生成污泥量均不同，搅拌电机变速有利于根据污泥生产情况进行调整。原有搅拌叶轮为常规形式，只能起到液体搅拌促使来水上下翻动，因箱体底部无任何倾斜板结构，底部死泥无法被充分带动。
针对问题(2)，分析原因如下：
①内部结构设计缺陷。通过搅拌沉淀污泥无法通过溢流形式外排，箱底底部没有设计倾斜底坡，当底部排泥阀开启时，排泥阀管道连接处污泥可实现外排其余内部空间污泥排不出去。池底部污泥无任何外力搅动，底部污泥变成死泥，直接导致排污管道堵塞。
②三联箱顶部爬梯不便于上去巡查，各个箱体内泥层高度通过顶部观察孔无法辨别，同时无法取样分析。
3.装置与工艺的优化结果与分析
3.1项目整体优化目标
(1)提出三联箱处理效果的提升措施，在现有设备的基础上，根据分析的原因对现有三联箱工艺进行改造，使得出水满足后续脱硫废水处理系统的进水要求；
(2)在出水满足要求的情况下根据进水水质调试并确定三联箱运行时的最优加药量；
3.2整体优化结果与分析
图3-1优化后整体效果图
如图3-1所示，优化后三联箱整体尺寸及其内部中和箱、沉淀箱、絮凝箱尺寸均保持不变。
在此基础上，本项目新增加并优化了如下设备：
图3-2三联箱爬梯平台改造效果图
(1)增加爬梯平台，三联箱顶部增加参观通道、护栏、搅拌电机观察孔，水样观察孔、维修孔，如图3-2所示；
(2)为提高箱体内污泥浓度，确保有足够污泥量充分与反应过程中絮凝物接触形成沉淀，当污泥浓度过高时(或定时自动运行)开启污泥外排泵将污泥打至澄清池内进行后续处理，新增加污泥循环泵3台、污泥外排泵3台，同时原设备底部排空管及阀门已根据现场实际加工情况调整；
(3)增加鼓风机装置用于发生死泥现象时进行污泥活化。中和箱、沉淀箱、絮凝箱内均安装有气管可通过自动阀门控制开关，气量已完成调整；
(4)搅拌电机增加变速装置，可根据泥量人为进行调整。
(5)调整进水管路方位，脱硫废水来水、自来水、石灰乳加药管路、澄清池回流水管路均调整至同一根母管上连接，如图3-3所示。
图3-3优化管路连接图
(6)为防止污泥循环泵、污泥外排泵管路出现结垢、堵塞情况。均采用自我循环及冲洗方式(冲洗用水可以用自来水、澄清池上清液)；
(7)每个箱体增加取样阀便于定期巡检及水样提取；
(8)原有排泥溢流管作为上清液溢流管，新增加外排污泥管；
3.3分部优化结果与分析
中和箱内改为双层导流结构，内部导流与变速搅拌电机共同完成充分搅拌、水位提升。将原有常规搅拌叶轮改造为推进式叶轮用于改变水流的运动方向，如图3-4所示。外层导流筒与内部导流筒之间间隙构成水力沉淀区，一方面将内部导流筒上升污泥拦截住改为向下流动方向。促使污泥在内部导流筒内外壁循环。另外一方面有助于污泥的自然沉降。多余污泥通过底部外排区流向外层导流筒外部，清水通过溢流方式向上流进溢流堰进行汇总，上浮污泥通过自然重力自然沉降。
图3-4污泥搅拌方式(左：常规推进式；右：导流筒推进式)
中和箱上清液流入沉淀箱内层导流筒继续进行内外层污泥循环，运行方式与中和箱一样，区别在于沉淀箱污泥量会比中和箱少很多，当需要污泥作为沉淀附着时可采用中和箱内污泥。
图3-5三联箱内部结构示意图
絮凝箱分为两部分：混合区、斜板沉淀区，其中混合区主要有导流筒及自净区组成，运行方式与中和箱相同，区别在于中和箱为圆形结构，混合区为方形结构；斜板沉淀区为新增加区域，顶部增加斜板，底部设有吸泥管路及曝气管路，主要用于降低出水浊度，图3-5为其内部结构示意图。
此外，其余分部设施具体优化内容如下：
(1)原有加药装置中有机硫添加装置、硫化硫酸铁添加装置增加搅拌电机。
(2)增加有机硫、硫化硫酸铁药液填药罐及供料泵，便于为机硫添加装置、硫化硫酸铁添加装置补充药剂，药箱增加低液位报警功能。
(3)中和箱pH探头改为外引结构，便于探头更换及清洗。
(4)各个箱体底部均增加污泥倾斜板，倾斜角度均大于污泥自然堆积角度。
(5)三联箱内设备均已材质为主，原有箱体、隔板及顶盖为碳钢防腐材质。
(6)三联箱自身设备采用PLC集成控制，DCS程序不涉及。增加现场所需控制箱及动力柜，增加辅助阀门。
3.4化学加药系统优化结果与分析
化学加药系统包括石灰加药系统，有机硫加药系统，FeClSO4(硫酸氯铁)加药系统，助凝剂加药系统，盐酸加药系统。脱硫废水处理所需的化学药品在此贮存，配成所需浓度的溶液并由计量泵加入到相应的加药点。
(1)石灰加药系统
石灰粉→石灰料仓→螺旋输送机→石灰浆制备箱(制成5%～10%石灰浆)→石灰浆再循环泵→石灰浆计量箱→石灰浆加药计量泵→中和箱加药点
石灰粉由自卸密封罐车装入石灰料仓，在石灰料仓下设有螺旋输送机，通过螺旋给料机输送至石灰浆液制备箱制成5%～10%的Ca(OH)2浆液，石灰乳制备箱中的石灰浆液通过石灰浆液循环泵补充入石灰浆液计量箱，加入补充水，在搅拌器作用下稀释到约5%的浓度。通过沉淀箱上的pH计自动调节加药量。废水的pH值通过加入石灰浆液调升至9.0～9.5范围以便废水中的石膏沉淀至饱和浓度。
(2)有机硫加药系统
有机硫(15%)→制备计量箱→计量泵→沉降箱加药点
有机硫制备计量箱和加药计量泵以及管道、阀门组合在一小单元成套装置内。为防止污染，溶液箱地面敷设耐腐蚀地砖，周围设有围堰。有机硫在制备计量箱配成溶液后由隔膜计量泵(1用1备)加入沉降箱。加入有机硫进一步沉淀不能以氢氧化物形式沉淀出来的重金属。
(3)FeClSO4加药系统
FeClSO4→制备计量箱→计量泵→絮凝箱加药点
FeClSO4制备计量箱和加药计量泵以及管道、阀门组合在一小单元成套装置内。为防止污染，溶液箱地面敷设耐腐蚀地砖，周围设有围堰。FeCISO4在制备计量箱配成溶液后由隔膜计量泵(1用1备)加入絮凝箱。
(4)助凝剂加药系统
粉末助凝剂→给料机→喷射器→制备箱→计量箱→计量泵→絮凝箱加药点
助凝剂给料机、制备箱、计量箱和加药计量泵以及管道、阀门组合在一小单元成套装置内。为防止污染，溶液箱地面敷设耐腐蚀地砖，周围设有围堰。助凝剂溶液由隔膜计量泵(1用1备)加入絮凝箱。在絮凝系统中，加入絮凝剂(FeClSO4)和聚合电解质(助凝剂)以便使沉淀颗粒长大更易沉降。
3.5改造结果分析
改造后的三联箱系统最显著的特点是有效的解决了污泥残留堵塞问题，使处理水量大幅提升，由原来的4m3提升至15m3每小时，同时出水浊度相较之前有了明显改善，图3-6为改造前后出水水样对比，可以看出，改造前出水水质浑浊，有明显白色悬浮物，而改造后出水水质清澈透明。
图3-6三联箱改造前后出水水质图
进一步的，对改造前后三联箱出水水质浊度进行连续一周监测，如图3-6所示，改造前由于箱体内残留污泥较多，造成出水水质浑浊，出水浊度在50～70NTU之间，平均为59.1NTU，且水质波动较大。改造后三联箱出水浊度均在1NTU以下，平均为0.76NTU，改造效果明显。
图3-7三联箱改造前后出水浊度分析
4.验收结论
本项目针对XX热电厂脱硫废水处理设施存在的诸多问题提出有效的解决方案并付诸实施，在工艺与装置优化的基础上连续运行3个月，出水水质稳定并达到直接排放标准，该项目取得如下成果：
(1)解决了箱体内死泥无法外排的问题从而提高了后续进水的处理效果，污水处理量由原来的4m3大幅提升至13～15m3每小时，同时降低了搅拌电机负荷，有效的减少了处理工艺的总体成本。
(2)在处理量提高的同时，处理效果有了明显改善，出水由浑浊变澄清，经连续监测，浊度由59.1NTU降低至0.76NTU。
(3)通过对三联箱结构的整改与调整，使得系统在运行过程中的观测及取样更加方便，利于系统持续有效的稳定运行以及发现问题时的及时整改。
(4)通过对现场管路及相关设施的重新规划布置，便于人员的操作及后期的维修。
(5)通过对加药系统的改进，增加了自动化程度，在合理利用药剂的同时减少了工艺运行过程中工作人员的工作量。