采用城市中水深度处理补充电厂循环冷却用水.docx
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采用城市中水深度处理补充电厂循环冷却用水
采用城市中水深度处理补充电厂循环冷却用水
目录
摘要....................................................
(2)
1.研究背景..............................................(3)
1.1中水回用是节约水资源的必然选择.......................(3)
1.2中水回用的氨氮处理...................................(3)
1.3城市中水回用与火电厂的现状...........................(4)
2.研究目的与内容........................................(4)
2.1中水回用可减少生活污水排放...........................(4)
2.2中水深度处理的水质标准...............................(5)
2.3城市中水回用于电厂存在的问题.........................(6)
2.3.1水质波动性.........................................(6)
2.3.2生物处理方法的弊端.................................(6)
2.3.3粘泥问题...........................................(6)
2.3.4设备选型...........................................(6)
2.4中水回用的深度处理作用...............................(7)
2.5脱氮处理.............................................(8)
2.6脱氨反应动力学......................................(10)
2.7实验装置与方法的设想................................(12)
2.7.1实验装置..........................................(12)
2.7.2水质的测试分析与方法..............................(13)
2.7.2.1碱度............................................(13)
2.7.2.2硬度............................................(14)
2.7.2.3氨氮............................................(14)
2.7.2.4COD............................................(14)
2.7.3实验所用中水水质..................................(15)
3.研究分析与结果.......................................(15)
3.1中水深度处理的任务..................................(15)
3.2首要去除氨氮污染因子................................(16)
3.3所做实验结果分析....................................(16)
3.4所做实验总结........................................(17)
3.5研究结论............................................(17)
3.5.2建议与解决........................................(17)
3.5.3研究结论..........................................(18)
4.参考文献........................................
摘要
中水用于电厂循环冷却水补充水不仅可以扩大中水回用规模,而且也为电厂提供了一个水量充足的水源,为电厂生产用水提供保证,从火电厂循环冷却水系统的特点出发,结合电厂冷却水以及城市污水处理厂的二级出水情况,对中水用于火电厂循环冷却水补充水进行了理论分析、实验分析和工程实例分析,论述了其可行性,并为其应用提出了建议。
关键字:
中水,循环冷却用水,氨氮脱去
1.研究背景
1.1中水回用是节约水资源的必然选择
水是国民经济发展中的不可替代的重要资源,也是人类赖以生存和发展的重要资源。
电厂又是耗水大户,特别是在我国北方,以水限电、以水定电的情况相当严重,水资源的紧张已逐渐成为电力发展的瓶径,如何节约用水,提高水的利用率是电厂急需解决的问题。
开展中水回用是解决这问题的重要途径,也是大势所趋。
在电力生产过程中,冷却水的消耗占电厂总耗水量的60~80%,因此,城市污水处理厂二级处理出水(中水)深度处理后作为电厂冷却水补充水,如能成功实施,将起到良好的示范效应,适应可持续发展需要,并为电力发展拓展空间,具有巨大的经济、社会、环境效益。
城市污水具有水量大、来源可靠、水量稳定的特点,但水质复杂,其中有机物、微生物和化学溶剂较多。
因此,城市污水二级生化出水要作为电厂循环冷却水,必须先进行深度处理
1.2中水回用的氨氮处理
某些地区制药、制革和精细化工等行业比较集中,这些工业废水中氮磷含量偏高,其废水C/N比值低,传统的生化处理工艺对氮磷的去除率低、能耗大,许多企业的废水处理设施出水不能满足氮磷达标排放要求而直接排入城市市政管网,加重了市政污水厂氮磷处理负荷。
另一方面,当前我国绝大部分的污水处理厂没有进行脱氮除磷的三级处理,其出水氮磷,尤其是磷不能达到国家的排放标准。
例如:
2007年统计的浙江省太湖流域45个已建污水处理厂(站)中,18所具有脱氮除磷设施,27座污水厂没有脱氮除磷设施。
已建成的污水厂(站)中,目前仅有湖州市凤凰污水处理厂二期尾水排放执行一级A标准,其余污水厂均执行一级B和综合排放二级标准。
另外,浙江省根据对氨氮、总磷等在内的8项指标的抽样监测表明,达标率仅为30%左右。
综合上诉并同时考虑到氨氮污染对循环冷却系统的化学影响,因此城市中水综合利用工程主要研究如何深度降解废水中的氨氮污染物。
1.3城市中水回用与火电厂的现状
国外经验表明,将二级处理后的污水通过深度处理工艺完全可以满足电厂循环冷却水的要求。
中国相对来说,采用城市中水作为电厂水源的研究和应用起步较晚,在1993年华能北京热电厂新建工程中采用北京高碑店污水厂二级处理出水作为水源,利用石灰法对其进行深度处理后回用于其循环冷却水系统,出水水质稳定,可满足其冷却水补水水质要求。
到目前为止,国内已有不少电厂均采用城市中水作为其循环冷却水系统补水。
2.研究目的与内容
2.1中水回用可减少生活污水排放
中水水源包括:
冷却排水、淋浴排水、盥洗排水、厨房排水、厕所排水、城市污水厂二沉池出水等。
一般不采用工业污水作为中水水源,严禁传染病医院、结核病医院污水和放射性污水作为中水水源。
对于住宅建筑可考虑除厕所生活污水外其余排水作为中水水源;对于大型的公共建筑、旅馆、商住楼等,采用冷却排水、淋浴排水、盥洗排水作为中水水源;公共食堂、餐厅的排水水质污染程度较高,处理比较复杂,不宜采用;大型洗衣房的排水由于含有各种不同的洗涤剂,能否作为中水源须经试验确定。
由此可以看出,中水的水源都是一些平时生活中的污水,将其再次回用可以达到水体二次污染,达到节能减排的目的。
2.2中水深度处理的水质标准
为使城市中水回用于电厂循环冷却水,根椐中水水质特点和电厂循环水水质要求,目前我国执行的《污水综合排放标准》(GB8978-1996)第二类污染物最高排放标准见表1,再生用作电厂冷却水的标准见表2,表2为中水浓度处理用于循环补充水的参考标准。
序号
污染物
一级标准
二级标准
1
pH
6~9
6~9
2
色度(稀释倍数)
50
80
3
SS
20
30
4
BOD5
30
60
5
CODcr
60
120
6
氨氮
15
25
7
磷酸盐
0.5
1.0
表1污水综合排放第二类污染物排放标准
项目序号
污染物
直流冷却水
循环冷却水补充水
1
pH
6.0-9.0
6.5-8.5
2
SS(mg/L)
30
1
3
BOD5(mg/L)
30
10
4
CODcr(mg/L)
-
50
5
总硬度(以CaCO3计/mg/L)
450
450
6
总碱度(以CaCO3计mg/L)
500
350
7
氨氮(以N计mg/L)
-
10
8
总磷(以P计mg/L)
-
1
9
溶解性总固体(mg/L)
1000
1000
10
糞大肠菌群(个/L)
2000
2000
表2再生水用作电厂冷却用水的水质标准
2.3城市中水回用于电厂存在的问题
2.3.1水质波动性
城市中水经深度处理后,水质可满足电厂循环冷却水水质要求,但由于城市污水水质有一定的波动性,动机和夏季水质差别大,特别是在北方城市冬季寒冷,氨氮降解效果较差,对铜材质凝汽器管材影响较大,故应针对性地采取一些必要措施。
2.3.2生物处理方法的弊端
城市污水处理厂一般都采用生物处理方法,生物处理方法尤其脆弱的一面。
比如活性污泥法。
当管理不当或污水中排入了大量有毒有害物质时,就会发生污泥膨胀、上浮等异常情况,其处理效果变差,直接影响中水水质。
2.3.3粘泥问题
粘泥问题会引起凝汽器钢管传热能力降低,通过补充水加氯、循环水加氯以及循环水加非氧化剂来控制粘泥的生成,如果能使胶球清扫装置正常运行并增设旁滤装置,粘泥问题应是可以控制的。
2.3.4设备选型
对于使用中水的电厂循环冷却系统,凝汽器管材的选择直接关系到系统的安全运行,由于中水中含有的一些离子使其具有一定的腐蚀性,故在设备选型时应考虑到中水水质的影响。
2.4中水回用的深度处理作用
城市污水作为新开发的第二种水源,具有水量大、稳定、以及来源可靠、不需要长距离引水的特点,并能提高水的重复利用率,是今后可持续发展的一种再生水资源。
城市污水水质复杂,其中有机物、微生物、化学溶剂较多。
因此城市污水要作为电厂循环冷却水,必须先进行二级生物,然后再作进一步的深度处理。
火电厂是工业用水大户,一座装机容量为2×300MW的电厂,采用二次循环冷却方式时,其用水量可达3.6×104m3/天,相当于一座中型城市生活排水量。
一般情况下市政污水经过收集后集中处理,处理后的污水满足国家规定的排放标准,再排入自然水体。
经过处理的生活污水虽然达到排放标准,但其污染物的含量仍高于自然水体,会对自然水体产生二次污染。
如果将这些已经集中处理、集中排放的污水经过进一步处理,满足电厂工业用水的要求,实现污水回用,同时利用电厂循环水系统的特殊工况条件,使污水中的污染因子进一步削减,再排入自然水体中,减轻了自然水体的负担。
深度处理的水质与后期的要求有关,对用于循环冷却水的回用水,火电厂主要关注的指标有:
微生物、磷、氨氮等。
以下我们引用几组数据进行讨论说明。
以浙江长兴电厂利用城市中水(城市污水处理厂排水执行一级B国家排放标准)进行深度处理后循环利用为例:
序号
标准
监测指标
单位
污水厂排水
循环水标准
备注
1
CODcr
mg/L
≤60
≤60
满足标准
2
BOD5
mg/L
≤20
≤10
超出指标
3
NH3-N
mg/L
≤15
<1
超出指标
4
pH
无量纲
6-9
6.5-8.5
超出指标
5
SS
mg/L
≤20
≤20
满足标准
6
浊度
NTU
7
磷酸盐
mg/L
≤1.5
≤1
超出标准
8
导电度
µs/cm
≤1000
符合要求
9
溶解固形物
mg/L
≤750
≤1000
满足标准
10
全碱度
mmol/L
≤3.0
符合要求
11
总硬度
mmol/L
≤3.0
符合要求
12
氯离子
mg/L
≤100
≤300
符合要求
13
硫酸根离子
mg/L
≤100
符合要求
表3污水处理厂出水设计标准和循环冷却水标准对比
图4氨氮硝化速率随温度的变化图
2.5脱氮处理
循环水脱氮的主要机理有两种:
(1)冷却塔对游离氨的吹脱
(2)生物硝化
循环水中的氨氮多以氨离子(NH4+)和游离氨(NH3)的状态存在,两者保持以下化学平衡:
NH3+H2O≒NH3.H20≒NH4++OH-
上述平衡受PH值影响。
当PH值升高时,平衡向左移动,游离氨所占的比例增大。
理论计算表明,在温度为35℃的情况下,当PH值等于7时,氨氮主要以NH4+的形态存在:
当PH值等于8时,NH3约占总氨氮的12﹪:
而当PH上升至9时NH3约占总氨氮的50﹪。
冷却塔内游离氨从液相散发至大气,涉及到氨由液相本体到气相本体的一系列传质过程。
由于氨易溶于水,因此理论上主要的传质阻力来自于气液交界面的液相边界层。
其传质速率主要受边界层厚度与游离氨浓度控制。
在一定条件下,游离氨浓度越高,脱氮速率越大。
由于游离氨在总氨氮中比例与PH值有关,因此冷却塔的吹脱脱氮效率与PH值密切相关。
生物硝化脱氨,则是在亚硝化菌与硝化菌的作用下进行。
中水总存在数量较多的亚硝化菌与硝化菌,这些硝化菌可以在冷却系统中,特别是冷却塔内填料的表面生长繁殖。
亚硝化菌与硝化菌属于自养型微生物,可以利用水中的CO2和碳酸盐作碳源,并将氨氮氧化成亚硝酸盐与硝酸盐:
2NH4++3O2→2NO2-+4H++2H20(亚硝化作用)
2NO2-+O2→2NO3-(硝化作用)
4CO2+HCO3-+NH4++H2O→C5H7O2N+O2(生物合成)
总反应为:
NH4++1.86O2+0.098CO2→0.0196C5H7O2N+0.98NO3-+0.0941H20+1.98H2+
硝化过程中的最佳PH值为8-9,PH值过低或过高,均会抑制硝化反应的进行。
2.6脱氨反应动力学
如上所述,主要的脱氨机理包括吹脱与生物硝化。
因此,总脱氨速率为吹脱脱氨速率和硝化脱氨速率之和,即:
r=r1+r2
式中:
r——脱氨总速率;r1——吹脱脱氨速率;r2——硝化脱氨速率。
吹脱脱氨速率可由Fick第一扩散定律计算:
r1=
D
(7)
式中:
——氨在水膜边界层的扩散系数;
——游离氨在水膜边界层内的浓度梯度;
——水、气交界面总面积;
——循环水中游离氨浓度;
——水、气交界面水侧游离氨浓度;
——循环水中氨氮浓度;
——水膜边界层厚度;
——游离氨占总氨氮的比例;
=
生物硝化脱氨速率可用以下公式计算:
r2=
(8)
式中:
——硝化脱氨速率常数;
——硝化菌浓度;
——半反应速率常数;
——生物膜总表面积。
通常,循环水中氨氮浓度较低。
此情况下
>>
,因此式(8)可简化为;
r2
=
上式表明,在系统及PH值,温度等工况条件一定的情况下,循环冷却系统的脱氨速近似的与循环水中的氨氮浓度成线性关系。
如图五所示,循环冷却水系统是一个开放式系统,有补充水进入,也有风吹水损失,蒸发水损失及排污水损失。
图五循环冷却水系统物料平衡关系
根据物料平衡,氨氮在循环冷却系统中的积累量=补充量-损失量-反应量,即
(dC/dt)V=CBQB-C(Qp+QF)-KC
上式中:
t=时间;V=循环冷却系统有效容积;CB=补充水氨氮浓度;QB=补充水量;QP=排污水量;QF=风吹水损失量。
;稳态时,dC/dt=0
所以
CBQB-C(Qp+QF)-KC=0或
CBQB-C(QB/Φ)-KC=0
其中:
Φ=浓缩倍数
由上式得
C=CB/(1/Φ+K/CB)
上式表明稳定情况下,循环水中的氨氮浓度与补充水的浓度、补充水流量及浓缩倍数有关。
在系统及工况条件一定条件下,则循环水氨氮浓度与补充水氨氮浓度成正比。
2.7实验装置与方法的设想
为了了解中水深度处理氨氮的去处效果,我们做了一下研究实验。
(1)考察PH值对脱氨效果的影响,确定合适的PH值
(2)考察循环水随着中水氨氮浓度变化而变化的情况,确定处理的的上限
(3)考察有机污染物在冷却循环系统中的降解情况,估算COD的削减率
2.7.1实验装置
该装置主要由冷却塔,水箱,PH值与电导率在线检测仪,以及温度测试与控制系统组成,循环水流量可通过流量计调节;铜管的外壁温度可以通过温控系统对调频电机的转速控制而自动调节。
浓缩倍数则根据电导率数据估算。
2.7.2水质的测试分析与方法
2.7.2.1碱度
参照《工业循环冷却水中碱度的测定》(GB/T15451-2006),以酚酞和溴甲酚绿-甲基红为指示液,用盐酸标准滴定溶液滴定水样,测得总碱度。
具体方法如下:
移取100ml水样于250ml锥形瓶中,加4滴酚酞指示液,若水样出现红色,用盐酸标准滴定溶液滴定至红色刚好褪去。
然后加10滴溴甲酚绿-甲基红指示液,用盐酸标准滴定溶液滴定至溶液由绿色变为暗红色。
煮沸2min,冷却后继续滴定至暗红色,即为终点。
2.7.2.2硬度
参照《工业循环水中钙、镁离子测定法》(GB/T15452-2009),在pH为10时,以铬黑T为指示剂用EDTA标准滴定溶液测定钙、镁离子含量。
具体方法如下:
用移液管吸取50ml水样于250ml锥形瓶中,加1ml硫酸溶液和5ml过硫酸钾溶液,加热煮沸至近干,取下冷却至室温,加50ml水和3ml三乙醇胺溶液,用氢氧化钾溶液调节pH近中性,再加50ml氨—氯化铁缓冲溶液和三滴铬黑T指示剂,用EDTA标准滴定溶液滴定,近终点时速度要缓慢,当溶液颜色由紫红色变为纯蓝色时即为终点。
2.7.2.3氨氮
参照国标GB7479-1987,采用钠氏分光法测试,水中氨与钠氏试剂(K2HgI4)在碱性条件下生成黄至棕色的化合物(NH2Hg2O)I,其色度与氨氮含量成正比。
2.7.2.4COD
参照美国的《水与废水标准检测法》,采用闭管回流法消解,然后用分光光度计测定。
其原理是在强酸性溶液中,过量的重铬酸钾在硫酸银催化剂的条件下,氧化水中的还原性物质,使Cr6+还原为Cr3+,利用分光光度计测定Cr6+或Cr3+来实现COD测定。
2.7.3实验所用中水水质
实验所用中水取自浙江长兴兴长污水处理有限公司排水口,去水时间为2008年4月17日下午。
实验前,水样经过静置沉淀处理,以上清夜作为循环冷却补充水,其水质见表1。
Ca2+
78.5mg/L
Mg2+
6.5mg/L
总碱度(一价离子计)
1.66mmol/L
NH4_N
0.51mg/L
COD
21mg/L
pH
7.22
电导率
853μs/cm
表4实验所用中水水质
由表4可知,NH4_N与COD浓度均较低,分别只有0.51mg/L与21mg/L。
由于所取中水的NH4_N浓度较低,因此实验过程中人工加入了NH4Cl,使补充水的NH4_N浓度增至3.0-6.5mg/L。
3.研究分析与结果
3.1中水深度处理的任务
根据2.2中第二类污染物的排放标准和电厂冷却用水的水质标准对比,我们可得出中水深度处理的任务有:
1.进一步去除残余的悬浮物及胶体;
2.进一步去除二级生化处理后残留的溶解性有机物;
3.去除无机盐类(例如氮、磷、重金属等)及微生物难以降解的有机物;
4.去除色素;
5.杀灭细菌及病毒等。
3.2首要去除氨氮污染因子
分析表3我们可以得出污水处理厂出水指标中NH3-N、BOD5、磷酸盐超出中水回用出水标准,除NH3-N超出标准较多外,其它水质指标基本满足用水要求,同时考虑到氨氮污染对循环冷却系统的化学影响,因此城市中水综合利用工程主要研究如何深度降解废水中的NH3-N污染物,并进一步降低BOD5、磷酸盐等其它水质指标,选择稳定、可靠的工艺进行城市中水综合利用处理。
根据表中数据分析,本示范工程30000m3/d城市中水综合利用工程的顺利实施、正常运行后,每年可削减排入太湖流域的污染物量约为:
NH3-N153.3吨,BOD109.5吨,磷酸盐5.5吨。
符合国家节能减排政策和对太湖流域水体富营养化的严格控制要求。
分析图4我们可以看到传统硝化菌受PH值、温度影响较大
传统硝化菌对温度很敏感,温度不但影响硝化菌的比增长速率,而且影响硝化菌的活性。
当温度低于15℃时,硝化速率迅速降低,当温度低于5℃时,硝化细菌的生命活动几乎停止。
25℃时的硝化速率是10℃时硝化速率的4倍左右,但温度超过30℃时,硝化速率增加缓慢。
3.3所做实验结果分析
1.当PH值大于8.37时,脱氮效率最高,循环水PH应控制在8.4以上;
2.循环水的氨氮浓度与补充水的氨氮浓度呈近似线性相关;
3.当中水氨氮含量大于3mg/L时要进行处理才能作为补充水使用。
4.COD的去除率:
除去浓缩因素,COD的平均消除率为28%左右。
3.4所做实验总结
1.ph值对脱氨效率有较大影响,为了提高循环水系统的脱氨效率,循环水的ph值应大于8.4。
2.理论分析与实验结果表明,循环水的氨氮浓度与补充水的氨氮浓度近似线性相关在中水氨氮浓度小于3.0mg/L的情况下,借助冷却塔的脱氨作用,循环水的氨氮浓度可以稳定在1.0mg/L以下,达到国家标准。
但当中水氨氮浓度大于3.0mg/L时,循环水的氨氮浓度很难稳定达标,中水需要经脱氨处理后才能做循环冷却水的补充水。
3.冷却塔具有一定的降解有机污染物的能力,COD平均削减率为28%。
3.5研究结论
3.5.1技术优势
对城市污水进行深度处理用于电厂的循环补充水,通过科学合理工艺可以满足补充水水质要求。
适宜的方法主要环节在于氨氮的脱去。
随着技术的进步和生产工艺提高,脱氨法处理中水用于冷却水补水将成为可能,并且结合投资、运行成本的降低,其处理效率和技术优势将更明显。
3.5.2建议与解决
(1)污水经过处理成为中水可以作为电厂冷却的补充水。
应掌握污水水质的全分析资料,根据污水处理厂出水水质和电厂循环冷却补充水水质的分析,通过模拟实验和经济分析确定该厂中水处理流程和运行控制方法。
(2)由于城市污水含有大量有机物、无机物、氨氮和磷,应根据水质情况和循环冷却水系统的要求选择有效的消泡沫、除氨、除悬浮物、除油、防磷酸钙垢及加氯等措施。
(3)我国中水制水成本较高,因此应研究新的水处理技术,进一步降低工程造价和中水制水成本,促进中水用于电厂循环冷却水的应用和推广。
3.5.3研究结论
随着中国水资源的匮乏及自来水价格不断上涨。
作为来源稳定、成本低廉的城市中水将越来越受到电厂的青睐。
特别是在水资源严重短缺的地区,中水系统以其运行的稳定性和制水成本的经济性将得以广泛应用,而城市中水会用技术相应也会日益受到重视
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