2017-05-04
1.背景介紹
美國燃煤電廠從20世紀(jì)70年代開始安裝脫硫裝置。在美國《清潔空氣法案》的支持下，燃煤電廠脫硫裝置在20世紀(jì)90年代以后得到了大力發(fā)展。隨著濕式脫硫裝置的安裝，電廠煙氣排出的污染物明顯減少。然而，人們發(fā)現(xiàn)隨著空氣質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)，電廠排出的污水卻增加了，水質(zhì)也更差了。2009年紐約時(shí)報(bào)報(bào)道了電廠水污染的情況，引發(fā)了全社會的廣泛關(guān)注。
美國火電廠（主要是燃煤電廠）是《清潔水法案》下美國所有工業(yè)類別中排放最多有毒污染物的工業(yè)【1】?；痣姀S排出的污水含有很多重金屬，營養(yǎng)物，和其他污染。這些污染物會導(dǎo)致癌癥，降低兒童的智商，對魚類和其他水生生物的繁殖有不利影響。
比如，美國脫硫廢水中廣泛含有大量汞和硒。汞和硒會在魚類和其他水生生物體內(nèi)積聚，也會在湖泊或水庫的底泥中積聚，可以保留幾十年。一個(gè)例子是北卡羅來納州的布魯斯湖（Belews），因?yàn)楦浇姀S的硒排放，導(dǎo)致該湖魚類幾乎滅絕。另一個(gè)例子是德克薩斯州的馬丁湖（MartinLake），由于大量排放含硒，汞廢水損害了當(dāng)?shù)佤~類和鳥類的繁衍。
美國環(huán)保局在1974年頒布了“火電廠點(diǎn)源類污水排放限制指導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)”，1977和1982年分別做了修正。然而其后經(jīng)過了20多年的發(fā)展，新的排放標(biāo)準(zhǔn)遲遲沒有出臺，導(dǎo)致了環(huán)保組織的抗議和對美國環(huán)保局的訴訟。2009年美國環(huán)保局對美國燃煤電廠水污染情況做了一個(gè)廣泛調(diào)查，在這個(gè)調(diào)查的基礎(chǔ)上，于2013年頒布了新的“火電廠點(diǎn)源類污水排放限制指導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)”草案【2】，其中一個(gè)主要的部分就是對脫硫廢水的排放制定了新的標(biāo)準(zhǔn)。草案發(fā)布后經(jīng)過90天公眾評議，美國環(huán)保局共收到超過20萬條反饋意見。經(jīng)反復(fù)修改斟酌，形成最終版的“火電廠點(diǎn)源類污水排放限制指導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)”，這里簡稱排放標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)在2015年9月30日正式頒布，于2016年1月4日正式生效。
美國環(huán)保局對已建成電廠和新建電廠的脫硫廢水有不同的排放標(biāo)準(zhǔn)，見表1-3。可以看出，最終版的標(biāo)準(zhǔn)比草案中的標(biāo)準(zhǔn)要寬松一些，尤其是對硝酸鹽/亞硝酸鹽的排放。
表1 美國現(xiàn)有燃煤電廠脫硫廢水排放標(biāo)準(zhǔn)最終版（2015）
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污染物 |
長期平均（long term average) |
日最大排放限值（Daily Maximum Limitation ) |
月平均限值（Monthly Average Limitation） |
|
砷（ppb) |
5.98 |
11 |
8 |
|
汞(ppt) |
159 |
788 |
356 |
|
硒(ppb) |
7.5 |
23 |
12 |
|
硝酸鹽/亞硝酸鹽 - N（ppm） |
1.3 |
17 |
4.4 |
表2 新建電廠或自愿采用零排放的現(xiàn)有電廠脫硫廢水排放標(biāo)準(zhǔn)最終版（2015）
|
污染物 |
長期平均（long term average) |
日最大排放限值（Daily Maximum Limitation ) |
月平均限值（Monthly Average Limitation） |
|
砷 (ppb) |
4 |
4 |
|
|
汞 (ppt) |
17.8 |
39 |
24 |
|
硒 (ppb) |
5 |
5 |
|
|
TDS (ppm) |
14.9 |
50 |
24 |
表3 美國現(xiàn)有燃煤電廠脫硫廢水排放標(biāo)準(zhǔn)草案（2013）
|
污染物 |
長期平均（long term average) |
日最大排放限值（Daily Maximum Limitation ) |
月平均限值（Monthly Average Limitation） |
|
砷（ppb) |
NA |
8 |
6 |
|
汞(ppt) |
NA |
242 |
119 |
|
硒(ppb) |
NA |
16 |
10 |
|
硝酸鹽/亞硝酸鹽-N (ppm) |
NA |
0.17 |
0.13 |
2.脫硫廢水特征
要討論脫硫廢水的處理問題，首先考慮的就是脫硫廢水的水量水質(zhì)特征。脫硫廢水的水量水質(zhì)特征是由煤的品質(zhì)，鍋爐設(shè)計(jì)，脫硫裝置前的煙氣處理手段，脫硫裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行決定的。
2.1 脫硫廢水水量特征
水量：脫硫廢水的水量取決于煤的氯含量；FGD前端是否噴灑堿性物質(zhì)，如Ca(OH)2等；FGD運(yùn)行時(shí)的含氯量等。對美國燃煤電廠的脫硫廢水而言，針對部分電廠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，美國環(huán)保局的數(shù)據(jù)顯示燃煤電廠脫硫廢水的平均流量是448加侖/分鐘（28.4升/秒），流量范圍是30-2300加侖/分鐘（1.9-146升/秒）【3】。
2.2 脫硫廢水水質(zhì)特征
美國環(huán)保局和美國電力研究院（EPRI）都分別對一些電廠的含硫廢水進(jìn)行了調(diào)查。通過對一些數(shù)據(jù)的解讀，美國脫硫廢水的一些水質(zhì)特征如下【3】【4】。
表4 美國脫硫廢水水質(zhì)特征
|
參數(shù) |
單位 |
典型區(qū)間 |
|
溶解性總固體 (TDS) |
mg/L |
6,000 – 80,000 |
|
懸浮性總固體 (TSS) |
mg/L |
33 – 140,000 |
|
氯 (Cl-) |
mg/L |
690 – 40,000 |
|
化學(xué)需氧量(COD) |
mg/L |
20 – 2,000 |
|
鈣 （Ca） |
mg/L |
849 - 8,000 |
|
鎂 （Mg） |
mg/L |
176 – 4,830 |
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硝酸根 (NO3-) |
mg/L |
10 - 700 |
|
硼 (B) |
mg/L |
16 - 450 |
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錳(Mn) |
mg/L |
1.9 - 225 |
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鉛(Pb) |
mg/L |
0.068 – 0.5 |
|
硒 (Se) |
mg/L |
0.086 - 15 |
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汞 (Hg) |
mg/L |
0.01 – 0.3 |
|
砷（As） |
mg/L |
0.07-1.6 |
3.美國脫硫廢水處理技術(shù)
從2000年以后燃煤電廠脫硫廢水的污染在美國逐漸引起了重視，針對脫硫廢水的一些特性，很多國際性公司和美國本土公司加強(qiáng)了脫硫廢水處理的研發(fā)。以下介紹目前美國正在使用和正在研發(fā)的處理技術(shù)。針對不同的水量水質(zhì)特征，結(jié)合電廠的實(shí)際情況，可以選用不同的處理技術(shù)。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是：硒，尤其是硒酸根（SeO32-）是目前最難以處理的重金屬離子。所以很多處理技術(shù)（零排放除外）主要是針對硒的處理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的。
3.1 自然沉淀法
自然沉淀法一般采用人工水塘或水池，沉淀脫硫廢水中的懸浮性固體，其中主要是硫酸鈣，硫酸鎂。一般采用兩個(gè)水塘或水池輪流運(yùn)作的方式，即在一個(gè)水塘或水池接受脫硫廢水的時(shí)候，清理另外一個(gè)水塘或水池的固體沉積物。
水塘或水池的出口部分的出水一般很清澈，可以和其他水，比如冷卻水混合稀釋排放。在脫硫廢水標(biāo)準(zhǔn)出臺之前，這個(gè)方法在美國被很多電廠采用。此種方法成本低，而且這些電廠有大量土地資源可以使用。有的電廠在脫硫廢水流入水塘或水池之前添加氯化鐵等絮凝劑增加固體沉淀。
3.2 傳統(tǒng)物理化學(xué)沉淀法
物理化學(xué)沉淀法（簡稱物化法）通過添加化學(xué)藥劑，調(diào)整pH值，經(jīng)過脫飽和，絮凝，混凝，沉淀的方式達(dá)到去除固體和溶解性重金屬離子的目的。普遍使用的藥劑有氫氧化鈣，氫氧化鈉，氯化鐵，氯化亞鐵，無機(jī)硫化物（比如Na2S）,有機(jī)硫化物（如TMT）等。
圖1物理化學(xué)沉淀法流程
該法優(yōu)點(diǎn)：
1. 可以除掉大部分重金屬；
2. 該處理法經(jīng)過很多年的實(shí)踐，是目前運(yùn)行最成熟的脫硫廢水處理技術(shù)；
3. 成本相對較低；
4. 可以作為后續(xù)處理的預(yù)處理。
該法缺點(diǎn)：
1. 無法滿足最新的排放標(biāo)準(zhǔn)；
2. 對待脫硫廢水，仍然有一些運(yùn)行上的問題， 尤其是管道阻塞問題。
3.3 生物處理法
生物處理法是一種有效的處理重金屬和例如硝酸根、亞硝酸根等營養(yǎng)物質(zhì)的方法。這一部分介紹三種在美國應(yīng)用于實(shí)踐的生物處理方法。一般生物處理法并不單獨(dú)使用，而是和物理化學(xué)沉淀法或自然沉淀法一起使用。
3.3.1 GE ABmet技術(shù)
ABmet是美國GE水處理公司（GE Waters）的一項(xiàng)生物處理技術(shù)。該技術(shù)是一種厭氧生物膜處理技術(shù)。該技術(shù)采用兩個(gè)反應(yīng)器，反應(yīng)器里面填充多孔活性炭作為媒介，在活性炭上讓選擇好的微生物生長形成生物膜。GE聲稱這種微生物是為處理脫硫廢水特殊培養(yǎng)的【5】。
該方法除硒分兩個(gè)步驟：第一步降低氧化還原電位，主要去除硝酸根或亞硝酸根，同時(shí)去除一部分汞，砷和其他重金屬，第二部分去除硒酸根，并進(jìn)一步去除其他金屬離子。
第一個(gè)反應(yīng)器的主要反應(yīng)為：
NO3-+organic C → NO2-+organic C → N2↑+ CO2↑+H2O
第二個(gè)反應(yīng)器的主要反應(yīng)為：
SeO4-+organic C → SeO3-+organic C → Se↓+CO2↑+H2O
圖2 物化法裝置和ABmet生物處理裝置(美國北卡羅來納州某電廠)
該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
1. ABmet技術(shù)是脫硫廢水處理領(lǐng)域比較先進(jìn)的方法。該法經(jīng)過10多年的實(shí)踐和改進(jìn)，在去除硒，汞，砷，和氮氧化物有很好的處理效率。在管理和維護(hù)上也取得了很多經(jīng)驗(yàn)；
2. 處理后，廢水中硒含量可以穩(wěn)定的達(dá)到美國脫硫廢水排放標(biāo)準(zhǔn)；
3. 可以有效去除硝酸鹽或亞硝酸鹽，處理后廢水排放穩(wěn)定達(dá)到美國脫硫廢水排放標(biāo)準(zhǔn)；
4. 和物化法聯(lián)合使用可以有效去除砷和汞，達(dá)到美國脫硫廢水排放標(biāo)準(zhǔn)；
5. 和物化法聯(lián)合使用可以有效去除其他重金屬，如鎳，鉛，鎘等。
該技術(shù)缺點(diǎn)：
1. 產(chǎn)生硫化氫；
2. 對汞的處理效率不十分穩(wěn)定，需要有一個(gè)處理效率高的預(yù)處理系統(tǒng)（物化法）協(xié)助汞的處理；
3. 操作上要嚴(yán)格控制反沖洗，既要防止生成大量氣體造成短路，也要防止微生物過度流失。
3.3.2 InfilcoDegremont公司的 IBIO技術(shù)
IBIO生物處理方法是由InfilcoDegromont公司2007年開發(fā)出來的一種生物處理脫硫廢水的方法。該法在原理上和GE的ABmet技術(shù)是一致的，都是采用兩級缺氧厭氧的方式達(dá)到硒酸根的還原。但GE采用的是生物膜的形式，IBIO采用的是微生物懸浮生長的模式【6】。
IBIO也采用兩級厭氧處理裝置，第一個(gè)反應(yīng)器主要用來去除硝酸根，第二個(gè)反應(yīng)器用來處理硒酸根。
圖3 IBIO技術(shù)中試 (美國佐治亞州某電廠)
該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
1. 反應(yīng)器不需要反沖洗。因?yàn)槭菓腋∩L型的生物反應(yīng)器，液料混合均勻，沒有液流短路等問題；
2. 不需要媒介，如粒狀活性炭；
3. 造價(jià)相對GE的ABmet技術(shù)低一些。
該技術(shù)缺點(diǎn)：
1. 處理效果不如GE 的ABmet技術(shù)；
2. 反應(yīng)微生物未經(jīng)過精細(xì)篩選（相對ABmet而言）；
3.3.3 人工濕地
人工濕地是由人工建造和控制運(yùn)行的與沼澤地類似的地面，將污水有控制的投配到經(jīng)人工建造的濕地上，主要利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，對污水進(jìn)行處理的一種技術(shù)。一般的人工濕地主要是好氧反應(yīng)，需要種植植物等作物加強(qiáng)水中的氧氣供應(yīng)。脫硫廢水的處理過程中因?yàn)樾枰毖鯀捬醴磻?yīng)一般不種植植物，而采用投放木屑、牛馬糞等固體物質(zhì)。
為達(dá)到缺氧厭氧，處理脫硫廢水的人工濕地水流采用縱向流動(dòng)。
優(yōu)點(diǎn)：
1. 造價(jià)低，運(yùn)行方便；
2. 容易管理；
3. 能夠處理重金屬含量低的脫硫廢水。
缺點(diǎn)：
1. 對重金屬含量高的脫硫廢水很難達(dá)到美國脫硫廢水排放標(biāo)準(zhǔn)；
2. 對土地的需求量大；
3. 天氣條件影響較大；
4. 一旦由于某種原因微生物大量死亡，處理效率的恢復(fù)需要較長時(shí)間。
圖4 縱向流人工濕地示意圖
3.4 鐵法
鐵法是采用零價(jià)鐵以及鐵化合物的還原特性，對溶解性重金屬離子進(jìn)行還原，吸附和沉淀的方法。之前提到過，在治理脫硫廢水的過程中，硒的去除是最困難的。這里仍然以除硒為例討論鐵法的工藝技術(shù)。
3.4.1 Kurida鐵化學(xué)技術(shù)
日本Kurida公司在2001年以零價(jià)鐵做還原劑，實(shí)現(xiàn)了對硒酸根的還原反應(yīng)工程性使用。主要的反應(yīng)為：
圖5 鐵原子還原硒酸根的過程
圖6 Kurita鐵技術(shù)處理流程
該技術(shù)在至少6家日本電廠用于處理脫硫廢水。日本對脫硫廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)是0.1ppm。采用該方法可以把含0.5-0.6ppm硒的脫硫廢水降解到0.1ppm以下。但是，對于美國標(biāo)準(zhǔn)的12ppb，該方法沒有辦法達(dá)到。另外，該技術(shù)需要加入大量的酸和堿進(jìn)行pH值的調(diào)整，以利于鐵的溶解和鐵的沉淀。為了達(dá)到比較快的反應(yīng)速度以減小反應(yīng)器的尺寸，該公司設(shè)計(jì)的進(jìn)水溫度為70°C，實(shí)踐中采用蒸汽加熱脫硫廢水。由于鐵顆粒的大量溶解，經(jīng)沉淀后產(chǎn)生了大量的污泥。這些都顯著增加了運(yùn)行成本。
3.4.2活性鐵技術(shù)
零價(jià)鐵（鐵粉）用于處理廢水過程中，鐵粉表面容易形成鐵銹鈍化層，致使鐵粉媒介迅速失活失效，成為零價(jià)鐵技術(shù)應(yīng)用的主要障礙。美國Texas A&M大學(xué)黃永恒教授通過界面化學(xué)控制鐵的銹蝕反應(yīng)，生成具有高度還原活性的鐵氧化物相，并與零價(jià)鐵互動(dòng)形成協(xié)同效應(yīng)，生成活性鐵反應(yīng)媒介（Activated Iron Media），不但解決了鐵粉鈍化失活問題，而且極大地提高了其對各類重金屬污染物的去除反應(yīng)效率【7】。
美國Evoqua水技術(shù)公司（原Siemens waters）獲得該技術(shù)授權(quán)開發(fā)活性鐵技術(shù)，目前已經(jīng)開始規(guī)?；瘧?yīng)用于脫硫廢水的處理。
優(yōu)點(diǎn)：
1. 對各類重金屬污染物，包括硒，汞，砷等都能高效去除，可以穩(wěn)定達(dá)到美國排放標(biāo)準(zhǔn)；
2. 對汞的去除效果尤其出色，出水通常都低于10 ppt的痕量；
3. 成本比較低，不需要高效的物化法處理；
4. 相對生物處理技術(shù)，不產(chǎn)生硫化氫等有害氣體。
缺點(diǎn)：
1. 對含硝酸根濃度高的脫硫廢水除硒酸根的反應(yīng)速度比較慢；
2. 硝酸根轉(zhuǎn)化成銨根離子而不是氮?dú)狻?/span>
圖7 活性鐵技術(shù)16升/秒的處理系統(tǒng)（佐治亞州某電廠）
3.4.3 ZVI BLUE技術(shù)
ZVIBlue技術(shù)是由美國LibertyHydro公司研發(fā)的一項(xiàng)零價(jià)鐵還原處理技術(shù)。該技術(shù)仍然是依靠零價(jià)鐵的強(qiáng)大還原能力去除脫硫廢水中的溶解性重金屬離子。它的特點(diǎn)是把細(xì)小的零價(jià)鐵顆粒用膠粘附在彈性有機(jī)纖維海綿體上，該海綿體放入一個(gè)桶中形成一個(gè)反應(yīng)單元。在該反應(yīng)單元內(nèi)零價(jià)鐵和鐵氧化物對重金屬離子產(chǎn)生還原，吸附等作用。一個(gè)完整的反應(yīng)器可以包含多個(gè)反應(yīng)單元。
該技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了幾個(gè)中試，在某些水質(zhì)情況下取得了比較好的效果。但對于大范圍的脫硫廢水是否適用仍然有待試驗(yàn)和觀察。
圖8 ZVIBLUE技術(shù)中試（佐治亞州某電廠）
3.5 零排放技術(shù)
美國環(huán)保局脫硫廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定新建電廠必須采用零排放。另外，美國環(huán)保局鼓勵(lì)現(xiàn)有電廠優(yōu)先采用零排放技術(shù)。下面著重描述目前在美國使用和測試的零排放技術(shù)。
3.5.1 脫硫廢水循環(huán)使用
美國很多電廠的脫硫系統(tǒng)不支持脫硫廢水的循環(huán)使用，原因一般有兩種：1.建設(shè)脫硫系統(tǒng)時(shí)沒有設(shè)計(jì)循環(huán)使用的管道； 2.脫硫裝置的內(nèi)襯耐鹽度比較低，沒有辦法承受循環(huán)使用脫硫廢水產(chǎn)生的高氯離子濃度。這些電廠很難實(shí)現(xiàn)依靠水循環(huán)達(dá)到零排放的目的。
然而另外一些電廠在脫硫系統(tǒng)中循環(huán)使用脫硫廢水。一般方式是：脫硫廢水排入人工水池或物化法處理設(shè)施，固體沉淀后的上清液被水泵送回脫硫裝置補(bǔ)給水的水罐里，然后再補(bǔ)充到脫硫裝置中。
在美國很多電廠脫硫裝置產(chǎn)生的石膏沒有進(jìn)入市場，而是就地填埋。這些填埋的石膏可以帶走脫硫廢水，以及其中的氯離子。
在脫硫廢水循環(huán)使用和填埋石膏的前提下，如果管理得當(dāng)，石膏可以把脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水完全吸附，通過填埋的方式達(dá)到脫硫廢水的零排放。
通過這種方式實(shí)現(xiàn)零排放的限制條件有：1.煤的氯含量不能過高；2.脫硫系統(tǒng)內(nèi)襯對氯離子的耐受程度要高。3.運(yùn)行脫硫裝置時(shí)氯離子濃度一般比較高。4.石膏需要填埋
如：“MountStorm”電廠的濕式脫硫裝置中氯濃度常年運(yùn)行在40，000ppm。石膏的含水率在20-25%之間。石膏填埋對石膏中的氯含量沒有要求。多年實(shí)踐表明脫硫廢水可以穩(wěn)定地被石膏帶入填埋場，達(dá)到了零排放的要求【3】。
3.5.2 蒸發(fā)塘
在美國西南干旱少雨的地區(qū)，有三家電廠利用蒸發(fā)塘自然蒸發(fā)脫硫廢水。由于當(dāng)?shù)販嘏珊档臍夂?，電廠建起一個(gè)或多個(gè)水塘進(jìn)行自然蒸發(fā)。由于水塘的凈蒸發(fā)量（蒸發(fā)量-降雨量）大于或等于脫硫廢水的水量，這三個(gè)電廠都達(dá)到了零排放的目標(biāo)。
如果自然蒸發(fā)的能力達(dá)不到零排放的目標(biāo)，也可考慮設(shè)立噴灑式蒸發(fā)器增加蒸發(fā)速率。
3.5.3 灰攪拌法
美國燃煤電廠產(chǎn)生的飛灰大約50%進(jìn)入市場重新利用，另外還有50%的灰需要填埋。在飛灰運(yùn)輸和填埋的過程中，需要加水來控制揚(yáng)塵，并且使飛灰容易運(yùn)輸和處理。美國至少有一家電廠通過把脫硫廢水和灰攪拌，然后填埋的方式達(dá)到脫硫廢水零排放的目的。
如果脫硫廢水水量比較多，也可以通過蒸發(fā)器濃縮脫硫廢水，降低脫硫廢水水量，然后再用灰攪拌法達(dá)到零排放。
3.5.4 蒸發(fā)結(jié)晶法
蒸發(fā)結(jié)晶法是實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放的一個(gè)主要方法。該方法可以達(dá)到水的清潔回用，結(jié)晶的固體在一些地方可以用作工業(yè)原料。如果晶體無法循環(huán)利用，則要進(jìn)行填埋。
蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)整個(gè)過程主要包括預(yù)處理，軟化過程，蒸發(fā)器，結(jié)晶器等組成部分，此外還有晶體脫水裝置，冷卻系統(tǒng)等部分。
預(yù)處理過程(Pre-treatment)：預(yù)處理過程在這里一般是指脫硫廢水通過物理化學(xué)沉淀系統(tǒng)，使脫硫廢水中的懸浮性固體得到沉淀，過飽和的硫酸鈣得到脫飽和而析出沉淀，溶解性重金屬離子大部分被去除，易導(dǎo)致蒸發(fā)結(jié)晶器結(jié)垢的硫酸根，氟離子也被去除。
軟化過程(Softening Process)：脫硫廢水的硫酸根大部分被去除后，廢水中大部分的溶解性固體是氯化鈣和氯化鎂。傳統(tǒng)的蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)中，需要利用軟化過程去除鈣鎂離子。主要原因有：1.水中存在鈣鎂離子對后續(xù)的蒸發(fā)結(jié)晶過程很容易引發(fā)結(jié)垢問題，引起電廠設(shè)備維護(hù)的復(fù)雜化。2.氯化鈣和氯化鎂的結(jié)晶溫度比較高，而氯化鈉的結(jié)晶溫度比較低。因此軟化過程會降低蒸發(fā)結(jié)晶的能量消耗。3.氯化鈉的結(jié)晶體比氯化鈣和氯化鎂的結(jié)晶體在脫水方面容易處理的多。因此，目前的蒸發(fā)結(jié)晶法處理脫硫廢水一般采用投加碳酸鈉/碳酸氫鈉把廢水中的鈣鎂離子沉淀。這個(gè)過程就是脫硫廢水的軟化過程。
由于一些脫硫廢水中鈣鎂離子含量很高，軟化過程中所需的藥劑需求量巨大，成本極高。有的美國公司開始研發(fā)在進(jìn)行部分軟化（只去除鎂離子保留鈣離子）和不進(jìn)行軟化的情況下如何做到蒸發(fā)結(jié)晶的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。
蒸發(fā)器(Evaporator)：也叫溶液濃縮器(BrineConcentrator)。蒸發(fā)器就是利用蒸汽或機(jī)械蒸汽再壓縮（MechanicalVaporRecompression-MVR）的方式，將經(jīng)過預(yù)處理過的脫硫廢水加熱至沸騰，使部分水汽化并通過冷卻系統(tǒng)移除，從而達(dá)到脫硫廢水的濃縮。目前歐美應(yīng)用于脫硫廢水的蒸發(fā)器主要是立管降膜式蒸發(fā)器（Falling-film evaporator），立管采用很薄的抗腐蝕能力很強(qiáng)的鈦合金制作。蒸發(fā)器有單效和多效強(qiáng)制循環(huán)蒸汽蒸發(fā)器，強(qiáng)制循環(huán)機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）蒸發(fā)器等。蒸發(fā)器蒸發(fā)單位廢水所消耗的能量要遠(yuǎn)小于單效結(jié)晶器。
對一些含鹽量比較少的脫硫廢水，也可以在軟化過程后面和蒸發(fā)器前端加裝反滲透膜或正滲透膜來提高待處理廢水的濃度。這樣的選擇是基于膜濃縮廢水的成本低于蒸發(fā)器濃縮廢水的成本。如果脫硫廢水本身的TDS濃度就很高（>50，000ppm）的話，膜處理的成本就會大幅提高，運(yùn)行的穩(wěn)定性也不會有保障。
結(jié)晶器(Crystallizer)：經(jīng)過蒸發(fā)器濃縮后的溶液進(jìn)入結(jié)晶器。結(jié)晶器利用蒸汽或機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）的方式，繼續(xù)加熱濃縮液并產(chǎn)生結(jié)晶。含有晶體的濃縮液經(jīng)過脫水裝置將晶體分離出來，濃縮液回到結(jié)晶器繼續(xù)參與結(jié)晶過程。
由于歐美很多已建成電廠的蒸汽循環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)處于平衡或接近平衡狀態(tài)，加裝脫硫廢水蒸發(fā)結(jié)晶裝置可能得不到足夠的蒸汽供應(yīng)，因此大部分歐美電廠采用強(qiáng)制循環(huán)機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器和結(jié)晶器。
圖9 脫硫廢水的蒸發(fā)器，結(jié)晶器，脫水裝置（意大利ENEL Brindisi電廠）
根據(jù)預(yù)處理過程，蒸發(fā)器和結(jié)晶器的組成又可以細(xì)分為以下幾種方式【8】：
1. 物化法預(yù)處理加蒸發(fā)器；
2. 物化法預(yù)處理+軟化+蒸發(fā)器+結(jié)晶器；
3. 物化法預(yù)處理+部分軟化+蒸發(fā)器+結(jié)晶器；
4. 物化法預(yù)處理+蒸發(fā)器+結(jié)晶器；
5. 物化法預(yù)處理+軟化+多效結(jié)晶器。
目前應(yīng)用在燃煤電廠脫硫廢水處理的蒸發(fā)結(jié)晶裝置主要分布在意大利，美國，中國，南非和日本。在德國，荷蘭有一些垃圾焚燒電廠采用多效（一般為三效）蒸發(fā)結(jié)晶裝置處理脫硫廢水。在美國為脫硫廢水提供蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)的主要廠家有Aquatech、HPD、GE和GEA。
3.5.5 噴霧干燥法
3.5.5.1 WES脫硫廢水蒸發(fā)系統(tǒng)
三菱公司開發(fā)的WES脫硫廢水蒸發(fā)系統(tǒng)主要是是利用煙氣的潛熱，把脫硫廢水直接用噴頭霧化噴灑在煙道內(nèi)蒸發(fā)達(dá)到零排放的目的【9】。脫硫廢水從脫硫裝置排出后，經(jīng)過簡單的固液分離，廢水即可通過水泵輸送到布置在除塵裝置之前，預(yù)熱器之后的雙流式噴嘴。雙流噴嘴由氣流帶動(dòng)水流使脫硫廢水均勻霧化噴灑到煙道中。霧化后的水滴在煙道中很快蒸發(fā)，剩余固體和飛灰一起被除塵裝置（靜電除塵，袋式除塵器等）收集。
該技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備是高效穩(wěn)定的雙流式噴嘴。由于從噴嘴到除塵裝置的停留時(shí)間很短，該噴嘴要控制霧化水滴的大小和蒸發(fā)速率，要保證短時(shí)間內(nèi)水滴全部蒸發(fā)，否則水滴夾帶飛灰會沉積到煙道壁上。同時(shí)要防止脫硫廢水的鈣鎂等造成噴頭部分固體沉積，影響水滴的霧化效果。
圖10WES脫硫廢水蒸發(fā)系統(tǒng)
3.5.5.2 噴霧干燥塔
噴霧干燥塔是另外一種利用煙氣熱量蒸發(fā)脫硫廢水從而達(dá)到零排放的方法。預(yù)熱器前的部分熱煙氣被引到一個(gè)單獨(dú)的噴霧干燥塔中。脫硫廢水經(jīng)固液分離后，廢水通過水泵輸送到塔上端的雙流式噴嘴，然后被霧化噴灑在塔內(nèi)部。熱煙氣把霧化的水滴蒸發(fā)，剩余固體和飛灰隨著這部分煙氣回到主煙道，然后和主煙道的飛灰一起被除塵裝置收集。
相對于WES蒸發(fā)技術(shù)，噴霧干燥塔可以有效增加水滴和煙氣的接觸時(shí)間，避免了主煙道有可能產(chǎn)生的煙道壁固體沉積，同時(shí)噴嘴的運(yùn)行也更加穩(wěn)定，維護(hù)更加方便。缺點(diǎn)是不能完全利用全部煙氣的廢熱，而是需要預(yù)熱器前的一部分有價(jià)值的熱量。
圖11 噴霧干燥塔
3.5.6 干法脫硫+袋式除塵+濕法脫硫
美國最新投入運(yùn)行的一個(gè)機(jī)組（北卡羅來納州Cliffside 電廠）采用了干法脫硫+袋式除塵+濕法脫硫的方式達(dá)到零排放的要求。干法脫硫是在脫硫塔中通過注射和霧化石灰液的方式進(jìn)行第一步的脫硫。石灰液中的水被煙氣帶來的熱量蒸發(fā)，留下固體被帶式除塵器去除。濕法脫硫進(jìn)行進(jìn)一步脫硫，產(chǎn)生的脫硫廢水和其他水混合，和石灰攪拌形成干法脫硫需要的石灰液，從而消除脫硫廢水的排放?！?/span>
3.5.7深井注射法
深井注射法并非是完全意義上的廢水零排放，而是達(dá)到地表廢水零排放的要求。對脫硫廢水，需要首先進(jìn)行物化法處理，然后通過深井注射到1000米以下地層中。
該法的優(yōu)點(diǎn)是沒有廢水的地表排放，建設(shè)成本和維護(hù)成本也比蒸發(fā)結(jié)晶法等零排放技術(shù)低。
使用該方法對電廠當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)地理?xiàng)l件有一定的要求，并且需要詳細(xì)的地質(zhì)勘報(bào)告。深井注射法如果建設(shè)運(yùn)行不當(dāng)，有可能污染當(dāng)?shù)氐叵滤?。另外，美國有一半的州在州法律中禁止工業(yè)廢水的深井注射，盡管一些電力公司開始試圖和州政府協(xié)商開放禁令，但挑戰(zhàn)州法律是一個(gè)漫長而艱難的過程。
4.總結(jié)
隨著美國對火電廠脫硫廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布和實(shí)施，美國各大電廠已經(jīng)或者正在建設(shè)脫硫廢水的相關(guān)處理設(shè)施。由于對發(fā)電行業(yè)應(yīng)對氣候變化的要求，美國已經(jīng)幾乎不可能再有新建的燃煤電廠出現(xiàn)。對于現(xiàn)有電廠的脫硫廢水處理設(shè)施，各個(gè)電廠會根據(jù)具體情況采取不同策略，比如在一些環(huán)保要求嚴(yán)格的州或地方會采用零排放技術(shù)，其他電廠會采用物化法加生物處理技術(shù)或鐵法技術(shù)。其他一些技術(shù)仍然在研究之中。
（來源：電力行業(yè)節(jié)能環(huán)保公眾服務(wù)平臺）