电絮凝-高效澄清池联合技术在循环水排污水处理中的应用

康少鑫，张彬彬，孙军峰，叶治安



电絮凝-高效澄清池联合技术在循环水排污水处理中的应用

康少鑫，张彬彬，孙军峰，叶治安

（西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

为减轻高分子絮凝剂、助凝剂对膜处理系统的污堵，强化循环水排污水混凝澄清效果，北方某热电厂采用了电絮凝-高效澄清池联用技术对其循环水排污水进行预处理。通过系统调试，考察了不同电流密度、凝聚池pH值及碳酸钠加药量下，澄清池出水浊度、总硬度及总碱度的变化情况。结果表明，在电流密度为5.96 A/m2，凝聚池pH值约为11.0，碳酸钠加药量为170 mg/L时，电絮凝-高效澄清池对浊度、总硬度和总碱度去除率分别约为90%、60%和66%，平均出水浊度为0.9 NTU，总硬度为9.7 mmol/L，总碱度为1.2 mmol/L，出水水质稳定，满足后续膜处理工艺进水水质要求，并降低了后续膜系统污堵的风险。

循环水排污水；电絮凝；高效澄清池；浊度；总硬度；总碱度；污堵

循环水排污水占全火电厂湿冷循环机组外排水量的70%以上，是火电厂全厂废水零排放处理中最重要的一环[1-2]。针对电厂循环水排污水排污量大、含盐量高、含有阻垢剂、成分复杂的特点[3]，电厂一般采用预处理（软化+混凝+澄清）结合深度除盐（超滤UF+反渗透RO）的回用处理工艺[4]。目前，已投运的循环水排污水处理系统为增强澄清池混凝澄清效果[5]，通常需要提高絮凝剂和助凝剂的加药量，但会因此增加出水中有机大分子的含量，进而增加后续膜系统被高分子有机物污堵的风险[6-7]，而被高分子助凝剂污堵的膜几乎无法通过清洗手段恢复。研究表明，电絮凝反应形成的絮体与传统化学混凝[8]相比强度更大、结构更紧实，更适合作为循环水排污水预处理工艺[9]。基于此，北方某2×200 MW燃煤机组热电厂采用“电絮凝-高效澄清池+高效纤维过滤器+浸没式超滤+反渗透”工艺，对循环水排污水进行深度脱盐处理后淡水回用作锅炉补给水和冷却塔补充水，少量的浓水则送往灰场喷淋和脱硫制浆。该工程利用电絮凝替代传统化学药剂混凝法，与高效澄清池联合应用于电厂循环排污水预处理环节，节省了药剂成本，同时强化了混凝澄清效果，提升了出水水质，有效减轻了后续膜系统污堵的风险，具有良好的示范意义。

1 工程概况

1.1 处理规模及原水水质

某电厂循环水排污水处理系统设计出力300 m³/h，其中，电絮凝设计出力为300 m³/h，高效澄清池设计出力为2×150 m³/h。循环水排污水水质见表1。

表1 循环水排污水水质

Tab.1 The water quality of the sewage from circulating cooling system

1.2 工艺流程

废水的电导率越高，电絮凝反应去除单位质量污染物的耗电量越低[10]。该系统进水电导率、总硬度、总碱度均较高（表1），采用电絮凝结合碳酸钠软化澄清是较为可行且经济的预处理方式；深度处理采用UF+RO“双膜”系统，对水中有机大分子、高浓度氯离子及其他可溶解性盐有较理想的去除效果，可保证系统实现较高的回收率和脱盐率。经比选，确定循环水排污水处理系统工艺流程如图1所示。

图1 循环水排污水处理系统工艺流程

1.3 电絮凝-高效澄清池系统设计

电絮凝-高效澄清池作为循环水排污水预处理系统，承载软化、混凝澄清的功能，其出水水质是影响后续“双膜”系统正常运行、清洗周期和使用寿命的关键因素。因此，合理设计电絮凝-高效澄清池系统运行参数尤为重要。

1.3.1 电絮凝反应池

电絮凝反应池采用与高效澄清池合建的方式，作为循环水排污水处理系统进水的第一反应池。电絮凝装置置于反应池内，阴、阳极板外接直流稳压电源，从而使其极板间形成稳定的电势差。在电势差的作用下，电子发生转移，阳极铁板氧化溶解，生成大量的Fe2+/Fe3+离子，这些Fe2+/Fe3+离子在弱碱性来水中经水解和聚合反应后，形成一系列多核羟基络合物，最终形成g-FeOOH[11]。羟基络合物作为凝聚剂，吸附能力较强，通过吸附架桥、网捕和压缩双电层[12]等作用吸附、聚集污染物而形成絮体，达到去除悬浮污染物的效果。

电絮凝反应池共设4组并联连接的电絮凝极板（图2），极板为铁材质。各组极板与电源的连接方式均为单极式，极板间距为30 mm，默认定时倒极时间为20 min。正、负极板间放置感应极板，使得该装置兼具单、双极连接方式的特点[13]，即电压低、电极电流分布均匀、设备紧凑高效。电絮凝反应池水力停留时间为15~30 min，电流密度可跟踪进水流量实现按比例调节，弥补因流量变化导致反应时间过长或不足的缺点，从而保证反应充分、水中解离Fe2+/Fe3+浓度稳定。

1.3.2 高效澄清池

高效澄清池对原水水质、水量变化冲击适应能力强，具有体量小、效能高的特点[14-15]。电絮凝反应池出水加NaOH调整pH值后直接流入高效澄清池，再投加碳酸钠进行软化、絮凝、澄清，实现对原水总硬度、总碱度和浊度的高效去除。高效澄清池凝聚区水力停留时间为3.5 min，絮凝区水力停留时间为11 min，清水区表面负荷7 m3/(m2·h)，污泥回流率为4%。

图2 电絮凝反应池结构示意

2 系统调试与运行

2.1 电絮凝反应池运行状况

在1套高效澄清池投运的条件下，电絮凝反应池进水流量为150 m³/h，进水pH值约为9.02，化学需氧量（COD）约45 mg/L，初始电流密度5.96 A/m2，电解反应时间为20 min。电絮凝反应池电极反应为：

阳极反应 Fe – 2e – Fe2+(1)

Fe2++ 2OH–– Fe(OH)2(2)

4Fe(OH)2+ O2+2H2O – 4 Fe(OH)3(3)

阴极反应 2H2O + 2e – H2↑ +2OH–(4)

实测发现：电絮凝反应池出水pH值为8.94，较进水略有降低，这可能是由于阳极溶解出的铁离子经水解和络合作用消耗了部分OH－；出水COD约为19 mg/L，去除率57%左右，表明电絮凝对COD也有较好的去除效果。

系统调试过程中，在Na2CO3投加量为160 mg/L，pH值为11.0工况下，澄清池出水浊度、絮凝池污泥沉降比与电流密度的关系分别如图3和图4所示。

图3 出水浊度去除率与电流密度的关系

图4 电流密度与絮凝池污泥沉降比的关系

由图3可知：当电絮凝电流密度由3.80 A/m2上升至4.87 A/m2时，出水浊度由2.57 NTU迅速降至1.21 NTU，浊度去除率由69.1%增至85.6%；当电流密度大于5.96 A/m2时，出水浊度值趋于平缓且小于1.0 NTU，浊度去除率稳定在90%左右。

由图4可知：絮凝池污泥沉降比随电流密度的增加呈逐渐下降趋势，且当电流密度为8.12 A/m2时，絮凝池污泥沉降比为26%（符合小于30%的运行规程要求）。这是由于随着电流密度的增加，反应生成氢氧化铁浓度增加，污泥沉降性能提升，沉降比随之下降。该电厂二期中水预处理澄清池系统聚合铁投加量为8.0 mg/L，助凝剂投加量为 0.4 mg/L，絮凝区污泥沉降比为15%~20%，明显低于本电絮凝-高效澄清池系统絮凝区污泥沉降比（26%）。这是由于一方面本系统未投加助凝剂；另外系统运行初期，受限于回流污泥量不稳定、沉降性能不佳等因素，回流污泥尚未起到强化絮凝的效果。因此，可通过连续运行改善污泥性能后缓慢提高污泥回流比，来强化絮凝沉淀效果。

为考察不同电流密度下的电流效率[16]，通过计算实际与理论铁离子溶出速率之比，获得电流效率，计算结果见表2。根据法拉第公式，理论铁离子溶出速率公式为

式中：为理论铁离子溶出速率；为一定电流下溶出铁的质量，mg；为通电时间，min；为通电电流，A；为铁的摩尔质量，55 859 mg/mol；为单个铁原子转移电子数，该系统为2；为法拉第常数，96 485 C/mol。

由表2可知：电流效率随电流密度升高而上升；当电流密度大于5.96 A/m2时，电流效率达到90%以上，并于7.04 A/m2时电流效率达到最高，为91.06%；当电流密度为8.12 A/m2时，电流效率略有降低，这可能是由于水中高含量的氯离子在阳极放电，消耗了部分电流[16]。

表2 不同电流密度下的电流效率

Tab.2 The current efficiency at different current densities

对不同电流密度下，电絮凝反应时的能耗进行计算，结果如图5所示。由图5可见，电流密度增加，能耗随之增大，在电流密度为5.96 A/m2和7.04 A/m2时，能耗分别为1.21 kW·h和1.55 kW·h。综合考虑出水浊度、絮体生长情况、电流效率及能耗因素，选择5.96 A/m2为最佳电流密度。

图5 不同电流密度下电絮凝反应池功耗

2.2 高效澄清池运行状况

高效澄清池进水总硬度约为21~23 mmol/L，总碱度（以CaCO3计）约为4.5~5.5 mmol/L。调试过程中，通过考察不同pH值及碳酸钠加药量条件下，高效澄清池出水总硬度及总碱度的变化情况，以确定最佳运行pH值和碳酸钠加药量。总硬度及总碱度去除率与pH值和碳酸钠投加量的关系分别如图6和图7所示。

由图6可知：在碳酸钠加药量为160 mg/L的工况下，当pH值小于11.0时，总碱度去除率随pH值升高逐渐增大，这是由于OH–与水中HCO3–发生反应生成了CO32–，进而形成CaCO3沉淀，使出水碱度降低，而当pH值大于11.0时，总碱度去除率下降，出水碱度升高，说明HCO3–基本反应完全，出水有OH–残余，pH值不宜继续提高；当pH值为11.0~11.2时，总硬度去除率随pH值升高逐渐增大，这是一方面由于pH值升高，有利于水中HCO3－向CO32－转化，最终形成CaCO3沉淀，从而降低出水暂时硬度，另一方面，进水镁硬度较高，pH值越高镁硬去除率越大，当pH值大于11.2时，水中Mg2+以Mg(OH)2基本沉淀完全；当pH值为11.0时，总碱度去除率达到最大值66.7%，此时平均出水总碱度为1.2 mmol/L；当pH值为11.2时，总硬度去除率基本稳定在65%左右，此时平均出水总硬度为8.8 mmol/L。因此，pH值控制在11.0~11.2时，总碱度及总硬度的去除效果均较好。

图6 pH值与总碱度及总硬度去除率的关系

图7 碳酸钠加药量与总碱度及总硬度去除率的关系

由图7可知：在pH值控制为11.0的工况下，总碱度去除率随碳酸钠加药量增大呈现先稳定后迅速下降趋势，这可能是由于当碳酸钠加药量大于180 mg/L时，投加的CO32－未能完全和水中Ca2+发生反应，从而使出水碱度增加，总碱度去除率下降；总硬度去除率随碳酸钠加药量增加而逐渐上升，这是由于投加的CO32－浓度越高，与水中Ca2+发生沉淀反应越充分，从而降低了出水硬度；当碳酸钠加药量为160 mg/L时，总碱度去除率为66.7%左右，平均出水碱度为1.2 mmol/L；当碳酸钠加药量为180 mg/L时，总硬度去除率为60.0%左右，平均出水硬度为9.7 mmol/L。因此，综合考虑药剂成本及出水水质要求，碳酸钠最佳加药量宜取170 mg/L。

2.3 电絮凝-高效澄清池出水对“双膜”系统影响

电絮凝-高效澄清池系统投运45天后测量，浸没式超滤产水泵入口真空度为21.3 kPa，反渗透保安过滤器进出口压差为0.02 MPa，一段透膜压差为0.04 MPa，二段透膜压差为0.05 MPa，符合膜厂家技术要求，且低于同类电厂运行经验值。电絮凝-高效澄清池系统投运45天，进出水关键水质指标见表3。由表3可见：出水浊度低，延长了过滤器及超滤系统运行周期，降低了清洗频率；出水铁离子质量浓度低，且无助凝剂投加，因此基本消除了有机大分子或Fe(OH)3胶体污堵后续膜系统的风险。

表3 电絮凝-高效澄清池进出水水质

Tab.3 The influent and effluent water quality of the electrocoagulation-efficient clarifying basin

2.4 电絮凝法与化学混凝法经济性对比分析

结合该厂实际运行工况，对电絮凝法和化学混凝法进行了经济性分析，结果见表4。由表4可见：对比化学混凝法，采用电絮凝法减少了石灰、絮凝剂和助凝剂加药系统的投资成本，共节省约33万元；由于氢氧化钠药剂成本较高，两者的加药成本基本持平；电絮凝装置在电流密度为5.96 A/m2时，能耗仅为1.21 kW·h，核算用电成本约为0.006 2元/t（水），较化学混凝法低约0.004 2元/t（水）。仅考虑加药和用电成本，电絮凝法的运行费用约为155.43万元/a，与化学混凝法153.61万元/a相差不大。

表4 电絮凝法与化学混凝法经济性对比分析

Tab.4 Economic analysis for the electrocoagulation method and the chemical coagulation method

电絮凝投资成本含电絮凝装置、碳酸钠和氢氧化钠加药系统；化学混 凝投资含石灰、碳酸钠、助凝剂、絮凝剂加药系统；用电成本按电价0.38元/(kW·h)进行核算。

对比化学混凝法，电絮凝法是绿色环保型水处理技术，占地面积小，无二次污染，调节反应灵敏，运行维护简单，并且可明显降低后续膜系统污堵风险，延长其清洗周期及运行寿命。此外，采用电絮凝法系统产生泥量较少，可显著降低后续污泥处理系统出力，减少污泥处理系统投资和维护费用，从而能够大幅降低系统运行的隐性成本。综上，电絮凝法较化学混凝法具有更好的环境效益和经济效益。

3 结 论

1）电絮凝-高效澄清池联合技术适用于电厂循环水排污水预处理，省去了凝聚剂和助凝剂投加环节，降低了后续膜系统污堵的风险。

2）电絮凝-高效澄清池联合技术对浊度、总硬度、总碱度去除效果理想，满足后续膜系统水质 要求。

3）电絮凝-高效澄清池系统投运后，循环水排污水水质得到改善，后期运行可根据进水水质变化微调电流密度、凝聚池pH值及碳酸钠加药量，从而进一步提升高效澄清池出水水质，保障系统稳定运行。

4）与化学混凝法相比，电絮凝法环境效益和经济效益显著。

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Application research of electrocoagulation-efficient clarifying basin combined technology in treatment of circulating water drainage

KANG Shaoxin, ZHANG Binbin, SUN Junfeng, YE Zhian

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

To alleviate the fouling of the flocculant and polymer coagulant on the membrane treatment system and strengthen the clarification and coagulation effect in treatment of the circulating water drainage, a thermal power plant in northern China adopted the electrocoagulation-efficient clarifying basin combined technology to pretreat the circulating waste water. Through the system commissioning, the changes of the effluent turbidity, total hardness and total alkalinity of the clarifier were investigated under conditions with different current densities, pH values of the pool and sodium carbonate dosages. The results show that, under condition with current density of 5.96 A/m2, pH value of 11.0, and the sodium carbonate dosage of 170 mg/L in the electroflocculation-efficient clarifying basin system, the turbidity, total hardness and total alkalinity removal rates were approximately 90%, 60% and 66%, the average effluent turbidity, total hardness and total alkalinity were 0.9 NTU, 9.7 mmol/L and 1.2 mmol/L, respectively. The effluent water quality was stable, which satisfied the requirements for subsequent membrane treatment process, and reduced the risk of fouling of the membrane system.

circulating water drainage, electrocoagulation, efficient clarifying basin, turbidity, total hardness, total alkalinity, fouling

X773

B

10.19666/j.rlfd.201809201

康少鑫, 张彬彬, 孙军峰, 等. 电絮凝-高效澄清池联合技术在循环水排污水处理中的应用[J]. 热力发电, 2019, 48(4): 104-109. KANG Shaoxin, ZHANG Binbin, SUN Junfeng, et al. Application research of electrocoagulation-efficient clarifying basin combined technology in treatment of circulating water drainage[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(4): 104-109.

2018-09-29

康少鑫(1993—)，男，硕士，主要研究方向为电厂水处理工艺设计，kangshaoxin@tpri.com.cn。

（责任编辑 杨嘉蕾）