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【中國環(huán)保在線 技術前沿】mEDR可以安裝于現(xiàn)有的脫硫廢水處理系列中，無需昂貴的蘇打灰軟化，同時其濃縮達到的濃水濃度幾乎相當于蒸發(fā)器可達濃水濃度。
關鍵要點
●隨著對煙氣脫硫廢水法規(guī)的收緊，電廠將需要添加額外的廢水處理設備。而這些處理通常需要大量化學品，成本很高。而降低處理成本的佳方法是減少廢水排放量，通常可以通過增加廢水的內部循環(huán)使用而達到目的。
●脫硫廢水的內部循環(huán)受制于其高氯根含量。高氯根會抑制二氧化硫的吸收，且在內部循環(huán)時會引起腐蝕問題 – 而這些問題可以通過以下方案解決：
●脫硫廢水中氯離子可以通過工業(yè)化的含有單價選擇性膜的倒極電滲析(mEDR)技術實現(xiàn)選擇性去除。 mEDR通過單價陰離子交換膜，在電場的作用下選擇性地分離氯根，同時阻隔硫酸根。這將降低廢水中的氯濃度，實現(xiàn)脫硫廢水的內部再循環(huán)，同時分離出不結垢的氯化鈉/氯化鈣濃水，實現(xiàn)大于90%的水回收率(也就是低至10%的濃水體積)。
●由于mEDR無法去除有機物，隨著有機物的循環(huán)積累，該低氯處理水將不可能實現(xiàn)100%循環(huán)使用，但即使是部分再循環(huán)，也會極大降低昂貴的脫硫廢水處理基礎設施的成本。
●該技術需要使用選擇性高于98%的高強度單價離子交換膜，例如Saltworks的IonFlux離子交換膜，它可以阻隔幾乎所有的硫酸根以防止結垢，并且可以使用強氧化劑(如“漂白劑”)進行清潔。
●mEDR可以安裝于現(xiàn)有的脫硫廢水處理系列中，無需昂貴的蘇打灰軟化，同時其濃縮達到的濃水濃度幾乎相當于蒸發(fā)器可達濃水濃度。
●雖然氯離子可以被降低至低于200 mg/L，但降低至1,200至1,500 mg/L更為經濟。更低的氯濃度需要以更高的成本和更高的能耗為代價實現(xiàn)。這是由于當氯濃度降低至1,200-1,500 mg/L以下時，系統(tǒng)膜鹽通量降低，因此需要更高的成本和能耗。
●經濟計算顯示相比于現(xiàn)有的處理方案，mEDR可節(jié)省高達50%的成本。進一步的測試，包括現(xiàn)場中試項目，將幫助驗證該方案的真正潛力。
介紹/ 脫硫廢水背景
燃煤電廠煙氣脫硫系統(tǒng)用于去除二氧化硫(SO2)空氣排放。它們產生的廢水通常含有硫酸鈣，同時含有金屬和氯離子。脫硫廢水在內部循環(huán)，直到其氯離子濃度超過設定水平，則從系統(tǒng)中排出。高氯根濃度會抑制煙氣中SO2的吸收，并產生腐蝕問題。氯離子排放濃度取決于不同的運行設備，一般范圍為10,000 mg/L至30,000 mg/L。
大多數(shù)脫硫系統(tǒng)已經包括一些廢水處理裝置，通常稱為“三聯(lián)箱”，其中重金屬和氟化物通過調整酸堿度pH(~pH 9)，并與聚合物和絮凝結合沉淀除去，然后壓濾機進行終處理。在過去，通過以上步驟，包含氯，硒和其他總溶解固體(TDS)組成成分的滲濾液將被排放。但電廠行業(yè)將面臨強制TDS去除的新法規(guī)。本文作者測試了多種處理方案，為未來脫硫廢水處理的發(fā)展提供了合適的途徑。本文總結了三種方案，并對其經濟性進行了比較。結果表明，單價電滲析(mEDR)有希望帶來突破性的變化，降低脫硫廢水處理成本。
三種比較方案均基于工業(yè)廣泛應用的技術，但本文對選項(1)和(3)進行了創(chuàng)新優(yōu)化。
●超高壓反滲透UHP RO：化學軟化 – > 反滲透(SWRO 80 bar) – > 超高壓反滲透(UHPRO 120 bar)
●蒸發(fā)器EVAP：化學軟化 – > 反滲透(SWRO 80 bar) – > 蒸發(fā)器
●mEDR：單價電滲析(mEDR)，無化學軟化
1.淡化氯離子至1,500 mg/L
2.淡化氯離子至500 mg/L
所有方案均假設已經安裝預處理 “三聯(lián)箱”步驟。所有方案均產生終濃水，該濃水可與粉煤灰結合進行固化并通過垃圾填埋廠填埋處理，或者進入零排放ZLD系統(tǒng)終處理。每種方案的回收率和濃水產量都包括在以下經濟分析中，但是濃水的終處置成本被排除在外，并假設大致相當，或至少不會影響下一步的終結論。
脫硫廢水處理方案背景
方案1 (超高壓反滲透UHP RO)和方案2 (蒸發(fā)器EVAP)：
脫硫廢水處理方案1和2的簡化工藝流程圖如下圖1和2所示。 它們的終濃縮步驟不同：(1)利用超高壓反滲透，產生130,000 mg / L TDS的濃水;(2)利用蒸發(fā)器，產生更高濃度的180,000 mg / L TDS的濃水，但其成本高于超高壓反滲透。
圖1. 方案1簡化工藝流程圖：化學軟化 – 反滲透 SWRO– 超高壓反滲透UHP RO
圖2. 方案2簡化工藝流程圖：化學軟化 – 反滲透 SWRO– 蒸發(fā)器 EVAP
兩種方案都產生適合于排放至環(huán)境的處理水，且都利用上游低成本且廣泛可用的反滲透(SWRO)步驟?；谧髡邷y試的脫硫廢水處理結果，蘇打化學軟化必須與反滲透和蒸發(fā)器共同使用。 其成本占處理總成本的近50%(資本加運行成本;見下表2)。
方案3 單價電滲析(mEDR)：
單價電滲析(mEDR)選擇性地分離出氯離子以提高內部循環(huán)率并減少廢水量。 相關簡化工藝流程圖，請參見圖3。
mEDR建立在世界上第二大廣泛應用的膜脫鹽技術-傳統(tǒng)電滲析技術的基礎上，并結合單價離子交換膜的新進展。 這些離子交換膜由高韌性和高導電離子交換聚合物制成。 在電場作用下，這些膜選擇性地允許單價陰離子，例如氯離子，通過膜并在濃水流中濃縮，同時阻隔多價離子，例如硫酸根(參見圖4)。 與腎臟清理人體排出的廢物類似，mEDR可去除廢水中的氯離子，并將低氯水再循環(huán)回脫硫系統(tǒng)進行再利用。
圖4. 單價電滲析膜堆
由于mEDR僅將氯離子和鈣離子轉移至濃水中，因此產生主要由氯化鈉和氯化鈣組成的非結垢濃水。 因為硫酸根無法進入濃水中，結垢物不會形成，因而可以在不需要昂貴的蘇打灰軟化的情況下實現(xiàn)高膜系統(tǒng)濃水濃度。
基于真正的煙氣脫硫廢水的mEDR測試
mEDR工藝已經通過小型中試設備(參見圖5)和Saltworks的小型膜堆對實際電廠脫硫廢水進行了測試，以證明其可行性并提供初始性能數(shù)據。 Saltworks的大規(guī)模膜堆有兩種尺寸如圖5所示，且根據過去的項目結果，小試結果可以線性擴展至大規(guī)模設備。
小型中試設備 – 完全自動化且完整的流程
小型膜堆
E100 膜堆: 100 立方米/天
E200 膜堆: 200立方米/天
圖5. EDR小型中試設備和大規(guī)模膜堆
測試表明，mEDR可以實現(xiàn)90%以上的回收率并去除90%以上的氯離子。產生的濃水主要由氯化鈣，氯化鎂和氯化鈉組成，并且大于150,000 mg/L TDS。脫硫廢水進水，處理水和濃水的分析結果如下表1所示。 圖6展示了各種離子的相對去除結果，包括與硫酸根相比極高的氯根去除率。
表1.煙氣脫硫廢水，處理水和濃水的水質數(shù)據
圖6. 脫硫廢水和mEDR處理水中主要成分濃度的比較
測試設備可靠運行，無需化學軟化。 所用膜表現(xiàn)出優(yōu)異的單價陰離子選擇性 – 氯離子減少了90%以上，而94%的硫酸根離子保留在脫硫廢水中。 以摩爾計，這意味著從脫硫廢水中除去的每200個氯離子，只有1個硫酸根離子通過單價陰離子交換膜。 這種高單價選擇性對于實現(xiàn)從脫硫廢水中除去氯離子，并將氯化鈣/氯化鎂/氯化鈉濃水濃縮而不結垢是至關重要的。 測試并未發(fā)生不可逆的有機或無機污染，且每30天進行預防性氧化劑清潔和氯化鈉清潔，可以保持設備穩(wěn)定性能。
脫硫廢水處理成本
下表2比較了3種方案的資本和運行成本，結果基于實際脫硫水的測試數(shù)據和供應商價格，所有方案均假設流量300立方米/天(12.5立方米/小時)。成本核算基于測試數(shù)據和水質如表1所示?？偝杀景ㄙY本成本和運行成本，資本成本的計算是假設20年的使用壽命，8%利息；運行成本包括，如能耗，化學品和膜更換，不包括安裝，操作人工和稅費。 mEDR設備淡化氯離子至1500 mg/L 需要六個Saltworks的E200膜堆，而淡化氯離子至500 mg/L 則需要十二個E200膜堆。 對于大于300立方米/天的處理流量，可通過簡單地添加更多膜堆實現(xiàn)。
表2. 脫硫廢水處理成本的比較
*成本假設過濾設備和配套設備按照Saltworks要求的規(guī)格在中國制造； Saltworks供應膜，膜堆，工藝工程(P&ID)，以及嵌入程序的PLC過程控制
*成本不包括：安裝，人工，增值稅 – 假設對所有方案影響相同
*成本假設隨著生產規(guī)模和數(shù)量的增大，可實現(xiàn)規(guī)模經濟
結果顯示：
與方案1和2相比，mEDR可節(jié)省高達50%的脫硫廢水處理的資本成本(無需化學軟化和熱蒸發(fā)系統(tǒng))和運行成本。
mEDR可以將氯離子去除到非常低的水平，但這可能不是經濟的選擇。一旦氯離子減少到1,200 mg/L至1,500 mg/L Cl以下，膜鹽通量就會降低，電阻也會增加。因此需要額外增加膜面積和增大功率以達到較低的氯離子濃度。結果表明，雖然mEDR可以很容易地將處理水氯離子降至500 mg/L或更低，但是投資成本和能耗卻增加了50%。由于處理后的水會與脫硫系統(tǒng)內的高氯水混合，并且mEDR預處理成本較低，因此將氯離子降低至遠低于1,200 mg/L至1,500 mg/L可能沒有經濟意義。
mEDR大型設備生產：
由于mEDR 的基礎技術 – 電滲析并不是新興技術，因此大規(guī)模生產可以實現(xiàn)。
標準mEDR膜堆由6個Flex EDR E200膜堆組成，每個E200膜堆的水通量為200立方米/天。 每個膜堆每次將除去大約4,000 mg/L的TDS，需要多次重復才能達到更高的TDS去除量。 單價離子交換膜對該方案至關重要，推薦使用Saltworks IonFlux離子交換膜，因為其具有高單價離子選擇性，穩(wěn)定性和氧化劑耐受性，且成本較低。
Saltworks擁有一系列移動中試設備，可現(xiàn)場證實以上三種方案中的任何一種 – 反滲透RO，蒸發(fā)器EVAP或mEDR單價電滲析。 這些中試設備是集裝箱式的(圖8)，并模仿大型設備包括自動化和設備控制系統(tǒng)。
圖8.電滲析中試設備
結論：
mEDR技術基于工業(yè)化的電滲析技術，為脫硫廢水處理提供了前景和可觀的經濟效益，成本節(jié)省高達50%。 適用于特定應用的中試設備可用來測試：
●mEDR方案的佳氯離子濃度。
●濃水的水質特征，以防止有機物或其他離子等有害物質的積累。
●mEDR濃水排放固化要求和所需添加物。
因為電滲析具有很長的工業(yè)化建造歷史，在現(xiàn)場中試之后，可以通過現(xiàn)有工廠快速交付大規(guī)模設備。 本文旨在作為一般指導。具體的項目需求，水化學和場地要求將改變項目經濟性。
(本文系加拿大Saltworks技術公司企業(yè)投稿，未經授權，禁止轉載。圖片授權發(fā)布，版權歸原作者所有。)
