谈论HEROTM在处理空冷联合循环电厂中高含硅量污水的应用

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　Central el Bajio是一座600MW的联合循环电厂，位于墨西哥中部San Luis de La Paz 城的附近。InterGen 电力公司和AEPResources 联合拥有此企业，并于2002年初投入商业运行。大约495MW的电力供给墨西哥的国家公用事业。CFE在电力采购协议中，建立一个建造-拥有-运行的合同。余下的105MW的电力，供给第三方的工业用户。

　　此企业有三台双燃料的燃气轮机发电机组（CTGs），三台三压式余热锅炉（HRSGs）和一台再热蒸汽透平发电机组（STG）。从低压透平排出的蒸汽进入空气冷却的凝汽器凝结，然后回到HRSGs.在这工程项目中，最突出和有发展前途的项目可能就是水源的获得和需要如何处理使其能满足电厂不同工序的要求。

　　San Luis de La Paz城是一个约有50，000人口的城市，位于墨西哥的一个干燥区域。该地区缺水而且水是主要供民用和农业。该城市的水源是井水。但市政府的官员（CNA），负责墨西哥水的供应，他规定，不允许在该地区抽取地下水作为工业用途。因此，就需考虑其它的供应来源。在电力采购协议中允许使用50%的城市污水作为电厂的补给水。经研究确定认为，包括冬天燃油时，水需要量最大的情况，这些水量是足够了。于是决定建造一座污水二级处理厂来处理多达125m3/小时处理过的污水（Gray water）给Bajio 电厂。

　　通常，电厂所使用的处理污水，是依靠较大城市或乡镇处理过的城市废水，这有足够的质量数据可以得到。但Bajio工程必需在建电厂的同时，平行地建造污水处理厂（STP）。这样就有一个紧跟的日程，才能满足电厂建造，调试和起动时，对处理水的需要。

　　原废水的有限数据，被用来汇编和分析，以建立设计的特点。另外还进行一些取样，来论证和补充重要的参数。这些初始的数据被用来开发污水设计的分析并包含在规范中，并用来设计和建造污水处理厂（STP），制定采购一交钥匙的合同。另外，业主在STP设计和建造时对原污水进行了12个月的取样和分析。仅有的小时流量数据被分析以保证有足够的流量来供给电厂。原污水特性的设计进展，需要每个参数都是在施加流量负荷时的值。在12个月的取样过程中，流量数据被补充用来证实开始时的设计基础。

　　San Luis de La Paz城原有一个污水系统，但该城尚未得到联邦的资金来建造它自己的STP。污水是收集在污水系统，并在地区周围的四个点（利用土地的实际情况）排放。另外，一条污水管线在城市郊外建造出去，该处可建造今后的STP。

　　污水处理系统

　　工程评估了二种选择：一是将STP建造在城市里，另一种是将它建在电厂内。若将处理厂放在水源处（城市内），这样就要将处理污水通过大约12 .6Km长管道，用泵送到电厂，而不是将原污水通过这长管道送到电厂。若采用后者，则泄漏和溢流原污水的危险性就比用泵送处理污水要大得多。一项有效的STP设计，与是否能够在短期内满足由于烧油要求而增加补给水有关。生化处理的系统不可能在如此短时间内搞成的。因此，计划将STP保持在稳定的，接近设计容量125m³/小时运行，而多余的水给地区提供作不同的用途。将STP设置在城市边界内，有利于输送多余的处理污水给城市。因此，业主就决定将STP设置在城市内（即建在土地蓝图内，有利于今后城市的STP）。

　　在此工程设计和建设期间，发生了三个对STP的设计有影响的问题。第一个是发现了一个新的进入城市污水的废水流来自地方的屠宰场。从有关的拦截器（排放点）取样，发现污水样品的BOD值，通常在1000~2000mg/l。这就引起从4个取得的混合原污水的值达到700~900mg/l。这样，STP就得按平均BOD 400mg/l，短期最高值为800mg/l设计。显然，这是个问题。与地方污水管理当局联系，他们和屠宰场联系，减少流至Bajio电厂的STP的废水分配，其方法是改线，将它的废水排放点，从现有的拦截器排放点改至供应STP支管的下游。

　　第二个问题关系到STP的流量控制。在与城市执行原先合同时，地方废水管理当局是将现有四个排放拦截器关闭的，这样所有从San Luis de La Paz来的污水流，全部从STP流出。STP平衡池的水力设计是能够接受125m³/小时的原污水。多余的原污水是排至一个新的排放点。城市当局负责建造一个新的多余污水的排放管道和排放建筑。但在STP的建造中，城市当局告诉业主，他由于缺乏资金，不能完成这新设备。但他答应，在原有四个排放管上，新安装调节滑动门，以保证有足够的水流进入平衡池，达到平衡流量125m³/小时。这样，STP的控制就从过去不用运行人员关注，变为需要运行人员密切关注，并要与当地污水管理当局联系的方式。

　　最后一个主要问题是在建造中，由于城市当局无力建造新的多余污水的管道和排放建筑引起的。如前所说，多余的电厂不需要的处理污水，是给城市作为它自己的用途。为此目的，STP工程建造了一个600 m³处理污水存储箱。其目的是让城市在它需要时，从箱中取处理污水。任何多余的处理污水，将从箱溢流至新管道和多余的原污水混合。由于建设此管道已被取消，市区便在临近STP处建一个大的处理污水池以收集多余的处理污水。城市当局和当地农民商量一个安排，从水池送水到地方的灌溉系统以防止水池的溢流。

　　此STP已运行超过了一年。此系统包含有二个污水处理系列（2 x 50%）。STP的总容量是基于燃气轮机在燃油时水的需要量。然而STP在一个系列运行的条件下，STP能足够地在电厂燃气轮机燃用天然气时，为电厂的正常运行，供应处理污水。

　　有一个平衡/收集池从城市污水系统收集原污水。原污水通过提升站从收集池送到STP.污水处理系统装有蓖子筛，细筛和除油脂，除砂系统，以及带有曝气箱，二级澄清器和沉渣再循环的曝气活化沉渣系统。生化处理系统包含有硝化和脱硝步骤以除去氨（总氮）。多余的沉渣经消化，脱水然后排出至地面。处理污水经氯化处理，然后通过处理污水泵站，排至电厂范围内的处理污水井。

　　水处理系统

　　起初，考虑采用一个带有自动反洗（使用空气-水的混合物）的微滤（MF）系统作为处理污水的前处理以代替原来的软化/澄清和过滤方法。MF不能除去硬度，硅和其它溶解物质，但能显著降低SDI值和细菌，不然烛状过滤器会被堵塞，RO膜会被污染。但后来通过进一步考虑还是决定将选用MF的方案取消了。这是由于处理污水的水质变化较大，而且由于时间太紧，没有时间去进行MF的试验台试验，因为当时尚没有处理污水。

　　最后，高效反渗透系统（HERO）被选用来代替带有澄清软化和除硅的常规反渗透RO系统。这是根据如下几点判定来确定的：

　　为了保证常规RO工艺的正常运行，在预处理系统中除去硅，钡和剩余的TOC是必需的。

　　用氢氧化镁沉淀吸附法除去硅，即使是常规的水源，也是难以控制的。要除去处理污水中的硅，由于它含有TOC，就更难，因为TOC会影响沉渣的沉降特性和沉淀过程。以前水处理厂的运行，缺少对于高含硅量的处理污水软化所需要高除硅率的数据。

　　常规的软化和除硅会产生大量的沉渣，在排走和运输这些沉渣时，需要较多人力。

　　常规的软化工艺不能完全自动化，需要较多运行人员的关注，特别是间断运行时，更需这样。

　　以前HERO系统没有用来处理过处理污水，但它的运行实例说明它在处理高TOC浓度的水，也就是对常规RO系统会产生严重污染的水，以及那种水质变化较大的水，具有很高的容忍度和成功的运行经验。HERO工艺特别适宜用于处理高含硅量的水。

　　RO的高pH运行，这也就是HERO的运行模式，能将硅和有机物保持为溶解状态，这样，膜的清洗频率就预计比较低。进入HERO的水中残余硬度，必需在上游，用弱酸离子交换器（WAC）中除去，以防止硬度在膜上沉淀。

　　电厂补给水处理系统的描述

　　从STP出来的处理污水用泵送至电厂中的处理污水池。池的液位由供水管道上的控制阀来保持。处理污水在反应式澄清器（1）中处理，澄清器中加入碱，凝聚剂（FeCL₃）和助凝剂。澄清的出水进一步通过重力式过滤器（3）和压力式过滤器（2）过滤。过滤水储存在一箱内。箱液位用调节处理污水去澄清器的水流量来维持。化学药品的剂量同步于进入澄清器的流量。次氯酸钠的剂量是同时加入到处理污水池以及压力过滤器的进水中。澄清器进出水的浊度和pH值有表计监控。假如需要的话，二氧化碳可用来调节澄清器出水的pH值。亚硫酸盐是加入到弱酸离子交换器（WAC）设备（2）给水中进行脱氯。在WAC出水送至脱碳器（1）之前，能加入HCL来调节其pH值。WAC进出水的硬度和pH值用仪表检控。RO设备（2）给水的pH值用加入碱来调节。RO给水和渗透液的导电率和硅含量用仪表监控，离子交换混床（2）的出水也用仪表监控。WAC和混床的再生废液进行中和并与RO的浓水合在一起。RO浓水在与除盐设备再生废液混合之前，要先中和，然后通过层状分离器除去沉淀的硅。

　　除盐水用来补给蒸汽系统，控制燃气轮机（CTs）的NOX，以及清洗燃气轮机（CTs）。过滤水储存在过滤水存储箱中，也用来根据服务用水系统，防火用水系统以及生活用水（非饮用）的需要，来提供水。

　　电厂废水排放方案的选择

　　电厂会产生如下所说的专门的废水流，而需要将其排出设备外。评估了如下的废水排放方案：

　　储存 / 蒸发池：在缺水地区，蒸发池是不可接受的。要得到这个地方也受到限制。

　　注入井：废水的质量要考虑对环境的影响。要得到环境部门的许可过程，可能是最长的（假如需要进行水利-地质研究的话）。

　　带有小蒸发池或结晶器的盐水浓缩器：会有高的运行和维护费用，并需要有经培训的运行人员。

　　排回至STP：此方案需要将高TDS的废水从电厂返回到污水处理厂，此厂位于城市单独分开的管道。为了防止建立起一个浓水的回路，电厂的废水是排至城市里污水处理厂的入水侧，并与多余的处理污水混合。可使用补给水供水管道所使用的同一管沟，以减少此方案的费用。预计的电厂废水和处理污水混合后的质量被评估以保证适合用于市区的用途。此返回到STP的方案被选用，这是因为它的费用低而且较易被批准。

　　STP的运行

　　STP的合同商同意处理水能保证符合表1的质量。总结STP的运行数据，列于表2和表3。在将钥匙交给业主之前，合同商进行了和通过了一个七天的性能试验，表明此处理厂达到了所保证的水质量。

表1 保证的处理污水质量  

 

参数 周平均值 周平均值 pH pH pH BOD₅ mg/l BOD₅ mg/l 30 TSS, mg/l 20 30 NH₃-N, mg/l 5 5 大肠杆菌 mpn/ 100 ml 400 1000 油和油脂 mg /l 10 20

 

　　调试后，STP连续生产非常好的出水水质，仅有偶然的超标。电厂水处理系统的保守设计，已能处置这偶然的超标。

　　有二个运行报道需要指出的。第一是，有时，原污水的BOD会大大超过设计平均值400 mg/l。基于历史上在2002年的开头6个月时，BOD/COD的比值为0.58以及COD的平均值为640 mg/l，原污水的平均BOD估计在370 mg/l.但是，基于每天进水的COD 测量，进水的BOD在一个较长时间，可能在400~700 mg/l 的范围。幸运的是，曝气箱的STP曝气系统，设计得比较保守，这样，STP在进水BOD和COD值较高时，仍然可以生产BOD值小于20~30 mg/l的处理污水。可是，原污水的高BOD值，会增加曝气的需要量和增加产生的沉渣量。这二者均会增加运行费用。

　　另一个与运行有关的复杂问题是前面讨论过的原污水流量控制问题。为了使STP和电厂有可靠的原污水流量，需要经常干预当地的污水管道管理人员，来调节四个现有的排放管道的滑动门。早先的经验说明，当地的污水管道管理人员不能经常及时回应STP要求增加原污水量的要求。结果有时没有足够的流量进入STP.后来，业主给污水管道管理人员提供了自行车和手机，较快的联系工具，改善了回应的时间。由于改善了回应时间，缺少水流进入STP的问题已不再存在。

　　运行经验

　　电厂的水处理系统是在概念设计阶段，按估计的处理污水水质进行设计的。这估计的水质是根据使用硝化和脱硝处理的二级处理污水的情况确定的。碱度的估计是根据原污水为了硝化和脱硝处理进行的碱度数据的调整确定的，而硝化由于在氨-氮生化反应形成硝酸盐时要消耗碱度，而在脱硝处理时有大约一半的碱度返了回来。

　　在STP的开始运行阶段，处理污水水质与估计的水质有较大变化，这是因为，水中含有高的磷酸盐，高的表面活性剂和TOC，在电厂水处理厂形成泡末而引起的。带过生物颗粒和不恰当的氯化处理也是个问题，这使水处理厂的澄清-软化器，由于沉淀的沉降性能差而难于运行，使颗粒升起而带过。

表2 STP的运行数据 

 

  STP进水 STP 进水 STP 出水 STP 出水 参数/2001 平均 最大 平均 最大 pH 7.7 8.1 7.7 8.1 碱度（CaCO₃ppm） 540 551 341 346 COD 1081 1557 66 146 BOD 649 970 13 45 NH₃-N 57 78 4 13 总N 84 112 8 18 总P 6.8 15 5 14 总-SiO₂ 105 108 72 78 反应SiO₂ 73 79 56 56 油和油脂 56 240 4.4 8

 

浓度均以 mg/l 表示2001 1~2月份的数据

表3 从2002起的运行数据 

 

参数/2002 1月 2月 3月 4月 5月 进水平均COD 499 478 684 721 855 进水最大COD 1035 1026 1200 1059 1358 出水平均COD 40 39 44 46 51 出水最大COD 71 91 108 122 79 出水浊度NTU 5 7 8 6 7 出水最大浊度NTU 10 11 15 12 12 出水平均流量M2/hr 65 62 71 110 75 出水最大流量M2/hr 90 100 110 110  100

 

　　总结STP的运行数据列于表2和表3。当前处理污水的数据（已稳定地运行超过数月）表明，STP实现了非常良好的水处理，其处理污水的平均出水BOD在13mg/l， COD在45mg/l，浊度小于10 NTU.值得注意的是，在STP中还能除掉一些硅。能除去全硅大约31%，除去反应硅大约23%。在处理污水中观察到的最大含硅量为84 mg/l。STP能够很好地除去油和油脂。处理污水的平均油和油脂含量小于5 mg/l 。同样的，总-N 从84 mg/l 降到8 mg/l，说明有很好的硝化和脱硝的效果。

　　一个令人惊奇的事是，处理污水的碱度比原先根据水处理厂设计的估计要高的多。处理污水的硬度变化是小的，而碱度的变化是显著的。装在下游的高效反渗透设备（HERO）的供应商要求进入弱酸离子交换器（WAC）的水的碱度和硬度比为1.0 或略微高些。由于预计的处理污水的碱度有些不足，所以原计划要在澄清-软化器中用加碱方法将处理污水的总硬度降到大约100 mg/l。而运行的结果却指出，处理污水的碱度能稳定地高于处理污水的总硬度。

　　这样，此澄清-软化器是在澄清模式状态下运行的，用来除去多余的TSS，磷酸盐和有机物。在WAC上较高的硬度负荷会降低二次再生间的出水量，但它并没有给运行带来什么显著的问题或额外的费用。CO2 可加在软化器出口用来防止产生碳酸钙的二次沉淀，而当澄清器在非软化状态下运行时，是不需要的。为了维持WAC进口水的TA/TH比在大约1：1比值而需增加入的碱，也不需要加入了。WAC出水pH值的降低是在脱碳器前加酸来达到的。根据HERO工艺的要求，为了保持在RO浓水中的硅，有高的溶解度，RO的给水 pH值应调节到10.3~10.5。

　　弱酸离子交换树脂除去和碱度结合的硬度，并用氢离子置换此硬度。这将转换大量的碳酸盐和重碳酸盐为二氧化碳，而在脱碳器中将脱碳水的二氧化碳降到5~10 mg/l.WAC给水中与硬度相比高出的碱度，会造成WAC出水的较高碱度。

　　HERO供应商的运行导则要求限制RO给水的硬度在0.1~0.2左右，这样在浓水流中的硬度大约在1~2mg/l.水处理厂的数据（没有列入）显示，99%的时间，WAC进水的硬度是可忽略不计的。有时，从WAC会有些硬度漏过。在发现RO膜的压差增加，可进行RO膜的在线酸洗。至今为止，RO膜未曾需要使用供应的现场清洗组件（CIP），用任何的化学药剂进行离线清洗过。尽管在RO系统前有设备用来加入阻垢剂和非氧化性杀菌剂，但至今没有用过。

表4 水处理厂的总碱度、总硬度和电导率数据 

 

参数/2001 5月 6月 7月 8月 GWS pH 7.5 7.7 7.8 7.7 GWS pH 218 221 212 216 GWS TA,mg/l 337 310 298 271 PF TH, mg/l 203 216 203 151 PF TA, mg/l 329 228 203 376 WAC TA, mg/l 307 247 193 376 WAC 出水pH 5.2 4.2 3.6 376 GWS 电导率 us/cm 1243 1175 1172 1247 PF 电导率 1352 1351 1509 1829 RO给水 电导率 1945 1863 1858 2289 RO出水电导率 106 130 104 72

 

GWS=处理污水池Cond.=电导率 PF=压滤机

TH=总硬度 以CaCO₃计TA=总碱度以CaCO₃计

表5 水处理厂的硅数据 

 

参数/2001 5月 6月 7月 8月 GWS平均 SiO₂ mg/l 65 67 61 59 GWS最大 SiO₂mg/l 69 75 84 49 PF 平均 SiO₂mg/l 57 58 53 38 PF最大 SiO₂mg/l 57 63 62 49

 

GWS=处理污水池Cond.=电导率 PF=压滤机

TH=总硬度 以CaCO₃计

　　电导率的数据指出，水的电导率从处理污水池到压滤再到RO给水是增加的，这估计是由于加入NaOH，NaOCL，和HCL的缘故。RO的给水电导率随着渗透液平均电导率72~130us/cm 间显著地变化。预处理系统中（通过压力过滤器）总硅的除去情况（表5）

表6 要求从水处理厂出来的除盐水质量 

 

电导率 us/cm 25⁰ C < 0.2 硅 SiO₂ ppb < 20

 

表7 从水处理厂出来的除盐水质量（月平均值） 

 

 

 参数/2002

2月 3月 4月 5月 6月 混床出水电导率us/cm 0. 05 0. 12 0. 09 0. 13 0. 13 混床出水含硅量SiO₂ ppb 0.2 1.1 2.2 2.8 1.6 　　HERO系统是按卖主推荐的回收率（90~95%）略低的值进行设计的。现在，系统是在回收率大约在85%的情况下（60m³/小时，浓水为9 m³/小时）运行的。从混床出来的除盐水质量符合电厂水汽系统对补给水的要求，电导率从0.05到0，13间变化，硅含量在0.2~2.8 ppb间变化。

 

　　总结和结论

　　Central el Bajio工程利用高含硅量的原污水作为电厂补给水的唯一的水源。一个污水处理厂和补给水处理系统将污水转化为高质量的除盐水，供电厂使用。总结起来，为具有相似水源的电厂，提出如下的建议和结论：

　　在边缘地区，原污水的数据通常是缺乏的。无机物，硅和金属的数据更少。很需要有一补充的取样程序。这应列入工程计划中。

　　由于缺少地方的资金，很难要求许多城镇在农业地区在开始就承诺提供增加地下建筑来支持水的供应。

　　碱度是显著地到受硝化和脱硝处理过程的影响。在当前的事例中，氨-N是通过硝化和脱硝处理的生化过程除去的。

　　碱度相关于硬度的浓度，会影响常规软化器和WAC的过程。加入苛性碱的软化（除去钙），相对于石灰软化来说，只能除去有限量的碱度。

　　水处理厂的澄清-软化器，只有很少时间按软化方式运行的。在开始阶段，处理污水的质量受到表面活性剂和有机物的影响，使澄清器的运行发生问题。澄清和软化方式均受到不良沉降性能的沉渣的影响。

　　由于处理污水的碱度比预计的要高，因此处理厂就有使澄清-软化器，仅按澄清方式运行的灵活性。

　　HERO工艺被证明是很可靠和适应性强，能在处理污水水质变化条件下，无论在澄清和软化过程，均能得到很好的结果。HERO工艺的成功运行，不需在前面的系统进行除硅。

　　处理污水的碱度变化会影响水处理厂的运行，但只要合适地监控硬度，pH和药品的加入，这种变化的影响会被减小。

　　HERO系统能在处理污水水质变化的条件下，生产出质量符合要求，产量足够的除盐水。曾进行过偶然的在线的酸洗。经过一年的运行后，仅仅为了预防的目的，设备在当前，计划使用安装好的清洗设备，用非氧化性杀生物剂，对膜进行第一次清洗。