Tóm tắt: Khử lưu huỳnh ướt bằng thạch cao{0}}đá vôi là công nghệ chủ đạo để kiểm soát lượng khí thải sulfur dioxide trong các nhà máy nhiệt điện. Nước thải khử lưu huỳnh thu được có đặc điểm là độ mặn cao, độ cứng cao, hàm lượng kim loại nặng cao và khả năng phân hủy sinh học thấp, đặt ra thách thức đáng kể cho việc xử lý nước thải của nhà máy điện. Bài viết này tập trung vào hệ thống quy trình cốt lõi của xử lý nước thải khử lưu huỳnh nhà máy điện, trình bày chi tiết nguyên lý và quy trình vận hành của các quy trình chủ đạo trong từng giai đoạn theo dòng “tiền xử lý → cô đặc sâu → xử lý hóa rắn/kết tinh”. Nó phân tích các đặc tính kỹ thuật, ưu điểm, hạn chế và kịch bản áp dụng của các quy trình khác nhau, tích hợp các nguyên tắc cốt lõi của việc lựa chọn quy trình để cung cấp tài liệu tham khảo chuyên nghiệp cho việc lựa chọn tối ưu và vận hành hiệu quả các quy trình xử lý nước thải khử lưu huỳnh của nhà máy điện, từ đó góp phần vào sản xuất sạch và chuyển đổi xanh của ngành nhiệt điện.
Từ khóa: Nhà máy nhiệt điện; nước thải khử lưu huỳnh; quá trình điều trị; đặc điểm quá trình; tiền xử lý; sự tập trung sâu sắc; xử lý kết tinh
I. Giới thiệu
Với các tiêu chuẩn phát thải môi trường ngày càng nghiêm ngặt và sự tiến bộ của các mục tiêu "cacbon kép", việc xử lý tuân thủ nước thải khử lưu huỳnh của nhà máy nhiệt điện đã trở thành một mắt xích quan trọng trong việc đạt được sự phát triển xanh. Hiện tại, hơn 90% nhà máy nhiệt điện ở nước tôi sử dụng quy trình khử lưu huỳnh ướt thạch cao-bằng đá vôi. Quá trình này đòi hỏi phải xả tháp khử lưu huỳnh, hệ thống khử khí và khử nước thạch cao bằng nước sạch, dẫn đến nước thải khử lưu huỳnh giàu kim loại nặng, nồng độ muối cao và chất rắn lơ lửng. Do chất lượng nước phức tạp và khó khăn trong việc xử lý, việc xử lý không đúng cách có thể gây ô nhiễm đất và nước, đồng thời đe dọa hoạt động an toàn của thiết bị nhà máy điện.
Việc xử lý nước thải khử lưu huỳnh của nhà máy điện phải tuân thủ các nguyên tắc "giảm thiểu, vô hại và thu hồi tài nguyên", tạo thành một hệ thống quy trình hoàn chỉnh gồm "tiền xử lý → nồng độ sâu → xử lý hóa rắn/kết tinh". Các quy trình khác nhau có sự khác biệt đáng kể về đặc tính kỹ thuật, hiệu quả xử lý và chi phí vận hành. Việc lựa chọn hợp lý các kết hợp quy trình là rất quan trọng để đạt được sự cân bằng giữa xử lý nước thải tuân thủ và hiệu quả kinh tế. Bài viết này tập trung vào việc tóm tắt các quy trình chính ở từng giai đoạn, phân tích sâu sắc các đặc điểm quy trình của chúng và cung cấp hỗ trợ cho việc lựa chọn quy trình trong ngành.
II. Đặc điểm của nước thải khử lưu huỳnh của nhà máy điện (Cơ sở cốt lõi để lựa chọn quy trình)
Chất lượng nước thải khử lưu huỳnh bị ảnh hưởng đáng kể bởi chất lượng than, độ tinh khiết của đá vôi và các thông số của quá trình khử lưu huỳnh, thể hiện đặc điểm chung là “bốn cao và hai thấp”, trực tiếp xác định hướng lựa chọn quy trình xử lý. Cụ thể:
Độ mặn cao: Tổng chất rắn hòa tan (TDS) 20.000~100.000 mg/L, đạt tối đa 150.000 mg/L, chủ yếu bao gồm Cl⁻, SO₄²⁻, Na⁺ và K⁺, có tính ăn mòn cực mạnh;
Độ cứng cao: Nồng độ Ca²⁺ có thể đạt trên 4000 mg/L. Hàm lượng Mg²⁺ xấp xỉ 1600 mg/L, dễ hình thành cặn không tan làm tắc nghẽn thiết bị; Hàm lượng kim loại nặng cao: Chứa thủy ngân, cadmium, chì, asen, v.v., ở nồng độ 0,1 ~ 10 mg/L, một số tạo thành phức chất ổn định, khó loại bỏ; Chất rắn lơ lửng cao (SS): Nồng độ 1000 ~ 10000 mg/L, chủ yếu bao gồm các hạt thạch cao và bột đá vôi, ống dễ mài mòn; Giá trị pH thấp: 4,5 ~ 6,0, có tính axit yếu, làm trầm trọng thêm sự ăn mòn thiết bị; Khả năng phân hủy sinh học thấp: BOD/COD < 0,1, khó phân hủy bằng phương pháp sinh học, đòi hỏi quá trình hóa lý.
Hơn nữa, nước thải còn chứa florua, silicat và chất hữu cơ khó phân hủy, làm tăng thêm độ phức tạp của việc lựa chọn quy trình, đòi hỏi các quy trình xử lý có tính đặc hiệu cao và khả năng phục hồi trước những biến động.
III. Quy trình xử lý cốt lõi và đặc điểm của nước thải khử lưu huỳnh nhà máy điện
Xử lý nước thải khử lưu huỳnh của nhà máy điện là một dự án có hệ thống. Mỗi giai đoạn của quá trình được kết nối với nhau và hoạt động đồng bộ. Việc lựa chọn quy trình cho các công đoạn khác nhau phải căn cứ vào đặc tính chất lượng nước, mục tiêu xử lý và điều kiện thực tế của nhà máy điện. Sau đây là phân tích chi tiết về các quy trình chủ đạo và đặc điểm cốt lõi của từng giai đoạn.
3.1 Quy trình và đặc điểm tiền xử lý Tiền xử lý là nền tảng của xử lý nước thải khử lưu huỳnh. Mục tiêu cốt lõi của nó là loại bỏ chất rắn lơ lửng, hầu hết các kim loại nặng, ion canxi và magie, florua và silicat, giảm độ đục và độ cứng của nước thải, ngăn ngừa cặn và tắc nghẽn trong các quy trình tiếp theo, đồng thời cung cấp nước đầu vào đủ tiêu chuẩn để xử lý nâng cao. Các quá trình chính bao gồm đông tụ và lắng đọng, làm mềm hóa học và lọc trong. Trong các dự án thực tế, các quy trình kết hợp thường được sử dụng.
3.1.1 Quá trình đông tụ và lắng
Nguyên tắc quy trình: Chất keo tụ (polyalumin clorua, polyferric sunfat, v.v.) và chất hỗ trợ keo tụ (polyacrylamide) được thêm vào nước thải. Thông qua sự hấp phụ và keo tụ, các chất rắn lơ lửng và chất keo mịn tạo thành các khối lớn, sau đó được tách ra bằng quá trình lắng. Đồng thời, giá trị pH được điều chỉnh về 8,5-9,5 (bằng cách thêm canxi hydroxit), khiến các ion kim loại nặng kết tủa dưới dạng hydroxit và một số ion florua bị loại bỏ (tạo thành kết tủa canxi florua).
Đặc điểm quy trình:
Ưu điểm: Quy trình đơn giản, vận hành thuận tiện, chi phí đầu tư và vận hành thấp; tỷ lệ loại bỏ chất rắn lơ lửng trên 80%, tỷ lệ loại bỏ kim loại nặng 60% -80%, có thể nhanh chóng giảm độ đục của nước thải, phù hợp với nhu cầu tiền xử lý của các nhà máy điện khác nhau.
Hạn chế: Hiệu quả loại bỏ hạn chế đối với muối hòa tan và phức kim loại nặng; yêu cầu sử dụng kết hợp với quá trình làm mềm và lọc hóa học; trong điều kiện COD cao cần phải có công nghệ oxy hóa tiên tiến nếu không sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý tiếp theo.
Kịch bản áp dụng: Xử lý sơ bộ nước thải khử lưu huỳnh từ tất cả các nhà máy điện, đặc biệt phù hợp với các nhà máy điện vừa và nhỏ{0}}có hàm lượng chất rắn lơ lửng và kim loại nặng cao cũng như ngân sách hạn chế.
3.1.2 Quá trình làm mềm hóa học
Nguyên lý quy trình: Cốt lõi là loại bỏ các ion canxi và magie để giảm độ cứng của nước thải. Phương pháp chủ đạo là kết tủa hóa học, được chia thành vôi-làm mềm tro soda và natri hydroxit-làm mềm tro soda, dựa trên thuốc thử được sử dụng. Phương pháp tro soda-vôi được sử dụng rộng rãi nhất. Trong điều kiện có độ cứng cao và silic cao, quy trình làm mềm ba{6}}giai đoạn được sử dụng, thêm tuần tự Ca(OH)₂, Na₂SO₄ và Na₂CO₃ để loại bỏ Mg2⁺, một số Ca2⁺ và Ca2⁺ còn lại theo từng bước, tạo ra kết tủa Mg(OH)₂, CaSO₄ và CaCO₃.
Đặc điểm quy trình:
Ưu điểm: Có mục tiêu cao, giảm độ cứng của nước thải một cách hiệu quả (Ca2⁺ Nhỏ hơn hoặc bằng 500mg/L, Mg2⁺ Nhỏ hơn hoặc bằng 1000mg/L), ngăn chặn sự đóng cặn trong quá trình bay hơi và tách màng tiếp theo; Phương pháp tro soda{2}}vôi có chi phí thấp, thuốc thử sẵn có và phù hợp với nước thải có độ cứng-cao, khử lưu huỳnh silic-cao.
Hạn chế: Liều lượng thuốc thử cần được kiểm soát chính xác, nếu không có thể xảy ra ô nhiễm thứ cấp; lượng bùn thải ra lớn, cần có các cơ sở xử lý bùn hỗ trợ; phương pháp tro soda natri hydroxit- tốn kém và chỉ phù hợp với các tình huống có yêu cầu về độ cứng nước thải cực cao.
Các tình huống có thể áp dụng: Xử lý trước nước thải khử lưu huỳnh có độ cứng-cao, silic-cao và khử lưu huỳnh có hàm lượng florua-cao, đặc biệt thích hợp cho các quy trình tiếp theo như tách màng và bay hơi MVR với các yêu cầu nghiêm ngặt về độ cứng ảnh hưởng.
3.1.3 Quá trình lọc và làm rõ
Nguyên tắc quy trình: Quá trình này tiếp tục loại bỏ các khối mịn, chất rắn lơ lửng và chất keo khỏi quá trình đông tụ, lắng đọng và làm mềm hóa học, đảm bảo độ đục của nước thải được xử lý trước đáp ứng tiêu chuẩn (thường nhỏ hơn hoặc bằng 100mg/L, nồng độ màng yêu cầu Nhỏ hơn hoặc bằng 5mg/L). Các công nghệ chủ đạo bao gồm lọc cát, siêu lọc (UF) và lọc màng ống.
Đặc điểm quy trình:
Ưu điểm: Độ chính xác lọc cao; siêu lọc có thể làm giảm độ đục của nước thải xuống dưới 1 NTU; màng hình ống có khả năng chống bám bẩn-mạnh mẽ và dễ dàng làm sạch và bảo trì; bảo vệ hiệu quả các mô-đun màng hạ lưu và thiết bị bay hơi, cải thiện độ ổn định của hệ thống; lọc cát không tốn kém; màng siêu lọc và màng hình ống phù hợp với các tình huống có sự biến động lớn về chất lượng nước.
Hạn chế: Lọc cát có hiệu quả hạn chế trong việc loại bỏ chất keo mịn; màng siêu lọc và màng hình ống có chi phí đầu tư cao hơn, mô-đun màng cần được thay thế thường xuyên (tuổi thọ 1-3 năm); màng ống hoạt động ở áp suất cao hơn và tiêu thụ năng lượng cao hơn một chút.
Các tình huống áp dụng: Lọc cát phù hợp cho giai đoạn cuối của quá trình xử lý trước thông thường; màng siêu lọc và màng hình ống thích hợp cho các nhà máy điện nơi sử dụng các quy trình cô đặc màng tiếp theo hoặc nơi nồng độ chất rắn lơ lửng dao động đáng kể.
3.2 Quy trình và đặc điểm cô đặc sâu Ngay cả sau khi xử lý trước, nước thải vẫn chứa nồng độ muối cao (TDS Lớn hơn hoặc bằng 10000 mg/L), cần cô đặc sâu để giảm thể tích (80%~90%). Nước muối đậm đặc sau đó được sử dụng cho quá trình hóa rắn/kết tinh tiếp theo, trong khi nước ngọt có thể được tái chế. Quá trình cốt lõi được chia thành hai loại chính: nồng độ tách màng và nồng độ bay hơi.
3.2.1 Quá trình cô đặc tách màng
Nguyên lý quy trình: Dựa trên tính thấm chọn lọc của màng, muối và nước được tách ra dưới áp suất. Các công nghệ chủ đạo bao gồm thẩm thấu ngược (RO), lọc nano (NF) và thẩm thấu ngược ống đĩa (DTRO). Lọc nano có thể đạt được sự phân tách sơ bộ các tạp chất, đặt nền tảng cho việc thu hồi tài nguyên.
Đặc điểm quy trình:
Ưu điểm: Hiệu quả tập trung cao; Tỷ lệ thu hồi nước ngọt RO 70% ~ 80%, tỷ lệ khử muối trên 99%, nước thấm có thể được tái sử dụng trực tiếp; DTRO có khả năng chống bám bẩn mạnh mẽ, thích hợp với nước thải có độ mặn cao, chất rắn lơ lửng{6}}cao, tỷ lệ nồng độ có thể đạt 10~20 lần; Lọc nano có thể giữ lại các ion hóa trị hai, giảm tải cho các quá trình tiếp theo và tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng tài nguyên của các loại muối linh tinh.
Hạn chế: Yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng nước đầu vào; độ cứng và chất rắn lơ lửng phải được kiểm soát chặt chẽ để tránh làm tắc nghẽn màng; màng RO thông thường không chịu được clo cao, đòi hỏi phải sử dụng màng kháng clo-chuyên dụng; chi phí thay thế màng cao (chiếm trên 40% tổng chi phí vận hành) dẫn đến ngưỡng đầu tư cao.
Các kịch bản áp dụng: RO phù hợp với các nhà máy điện có nhu cầu cao về cô đặc và tái sử dụng nước thải khử lưu huỳnh có độ mặn thấp-đến-trung bình; DTRO phù hợp với nước thải có chất lượng nước biến động lớn, độ mặn cao và chất rắn lơ lửng cao; Lọc nano phù hợp cho các dự án tập trung vào việc sử dụng tài nguyên các loại muối linh tinh.
3.2.2 Quá trình cô đặc bay hơi
Nguyên tắc quy trình: Quá trình này cô đặc muối bằng cách làm bay hơi nước khỏi nước thải thông qua quá trình gia nhiệt. Nó phù hợp với nước thải có độ mặn cao-(TDS Lớn hơn hoặc bằng 30000 mg/L). Các công nghệ chủ đạo bao gồm Nén lại hơi cơ học (MVR), bay hơi chiết khí mang và bay hơi khí thải.
Đặc điểm quy trình:
Ưu điểm: MVR có mức tiêu thụ năng lượng thấp (khoảng 30~50 kWh/t nước), tỷ lệ nồng độ 10~20 lần và phù hợp để xử lý-quy mô lớn; Quá trình bay hơi chiết khí mang có thể tận dụng nhiệt thải từ các nhà máy điện, có yêu cầu xử lý sơ bộ thấp và chi phí vận hành thấp; Sự bay hơi khí thải có mức tiêu thụ năng lượng cực thấp và mức đầu tư thấp, có thể đạt được lượng nước thải bằng 0 và phù hợp với các nhà máy điện-vừa và nhỏ.
Hạn chế: MVR có chi phí đầu tư cao, đòi hỏi chất lượng nước cấp ổn định cao, dễ bị đóng cặn và tắc nghẽn; công nghệ bay hơi chiết khí mang có ngưỡng cao và hiện nay ít được sử dụng rộng rãi; Sự bay hơi của khí thải đòi hỏi phải kiểm soát hiệu ứng nguyên tử hóa để tránh ăn mòn và tắc nghẽn ống khói, đồng thời yêu cầu giám sát lượng phát thải kim loại nặng.
Các tình huống có thể áp dụng: MVR phù hợp với-các nhà máy nhiệt điện quy mô lớn và các dự án có yêu cầu về lượng khí thải-bằng 0 cao; Quá trình bay hơi chiết khí mang phù hợp với các nhà máy điện lớn có sẵn nhiệt thải và không gian hạn chế; sự bay hơi khí thải phù hợp với các nhà máy điện-vừa và nhỏ cũng như các dự án không phát thải-với ngân sách hạn chế.
3.3 Các quy trình và đặc điểm hóa rắn/kết tinh Nước muối đậm đặc (TDS Lớn hơn hoặc bằng 50000mg/L) cần phải trở nên vô hại thông qua quá trình hóa rắn hoặc kết tinh. Một số quy trình có thể thu hồi tài nguyên muối, đây là bước quan trọng để đạt được mục tiêu không xả nước thải khử lưu huỳnh. Các quá trình chủ yếu bao gồm kết tinh bay hơi, hóa rắn bay hơi khí thải và hóa rắn xi măng.
3.3.1 Quá trình kết tinh bay hơi
Nguyên tắc quy trình: Nước muối đậm đặc được đưa vào thiết bị kết tinh để làm bay hơi nước thêm, làm cho muối đạt đến độ bão hòa và kết tinh ra ngoài. Kết hợp với công nghệ lọc nano và công nghệ nitrat hóa đông lạnh, có thể đạt được mức độ tinh chế tạp chất được phân loại, tách natri clorua, natri sunfat và các muối khác.
Đặc điểm quy trình:
Ưu điểm: Cho phép phục hồi tài nguyên muối; muối thu hồi khi đạt tiêu chuẩn độ tinh khiết có thể tái sử dụng làm nguyên liệu công nghiệp; điều trị triệt để; nước muối đậm đặc sau khi kết tinh là vô hại, không gây ô nhiễm thứ cấp; thích hợp cho việc xử lý nước muối đậm đặc-có hàm lượng muối cao; có thể được tích hợp với MVR để vận hành-năng lượng thấp.
Hạn chế: Chi phí đầu tư và vận hành cao; khó làm sạch muối hỗn hợp; muối hỗn hợp được sản xuất theo quy trình thông thường phải được xử lý như chất thải nguy hại; yêu cầu cao về độ ổn định chất lượng nước cấp; Hiệu ứng kết tinh bị ảnh hưởng lớn bởi sự biến động chất lượng nước.
Kịch bản áp dụng: Nhà máy điện lớn; các dự án có nhu cầu thu hồi tài nguyên muối hỗn hợp cao; đặc biệt thích hợp cho các kịch bản có lượng nước thải khử lưu huỳnh lớn và giá trị thu hồi muối cao, chẳng hạn như các nhà máy điện hóa chất than.
3.3.2 Quá trình bay hơi và hóa rắn khí thải
Nguyên lý quy trình: Nước muối đậm đặc được nguyên tử hóa và phun vào ống khói lò hơi. Nhiệt thải của khí thải (120 ~ 180 độ) gây ra sự bốc hơi ẩm nhanh chóng. Muối kết tinh và bị thu giữ bởi tro bay, tạo thành hỗn hợp tro bay. Nếu đạt tiêu chuẩn thì có thể dùng làm vật liệu xây dựng; nếu không, nó sẽ được chôn lấp dưới dạng chất thải nguy hại.
Đặc điểm quy trình:
Ưu điểm: Tiêu thụ năng lượng cực thấp, không cần sưởi thêm, chi phí đầu tư thấp (thấp hơn 40% so với MVR); vận hành đơn giản, diện tích nhỏ và nhanh chóng đạt được mức phát thải bằng không; thích hợp để xử lý nước muối đậm đặc khác nhau.
Hạn chế: Yêu cầu cao đối với thiết bị phun sương; dễ bị lắng đọng khí thải và ăn mòn; hàm lượng kim loại nặng trong tro bay có thể vượt tiêu chuẩn, cần phải giám sát chặt chẽ; không thể đạt được việc sử dụng tài nguyên muối và việc xử lý các loại muối khác phụ thuộc vào việc sử dụng tro bay.
Các tình huống có thể áp dụng: Các nhà máy nhiệt điện-vừa và nhỏ, các dự án có không gian hạn chế, nhu cầu phát thải khẩn cấp bằng-và ngân sách hạn chế.
3.3.3 Quá trình đông đặc xi măng
Nguyên tắc quy trình: Nước muối đậm đặc, các loại muối khác, xi măng và chất đông đặc được trộn lẫn. Thông qua phản ứng hydrat hóa xi măng, kim loại nặng được cố định trong nền xi măng, giảm nguy cơ rửa trôi. Sau khi xác rắn đạt tiêu chuẩn sẽ được xử lý thông qua bãi chôn lấp.
Đặc điểm quy trình:
Ưu điểm: Quy trình đơn giản, vận hành thuận tiện, chi phí thấp; hiệu quả xử lý tốt đối với nước muối đậm đặc có hàm lượng kim loại nặng cao, giảm nguy cơ rửa trôi kim loại nặng một cách hiệu quả; thích hợp cho các tình huống xử lý khẩn cấp.
Hạn chế: Không thể phục hồi tài nguyên; vật liệu hóa rắn lớn và chiếm tài nguyên đất; chi phí xử lý cao và có nguy cơ-bị rò rỉ lâu dài, dẫn đến việc ứng dụng của nó giảm dần.
Tình huống áp dụng: Xử lý nước muối đậm đặc có hàm lượng kim loại nặng cực cao, khó tái chế hoặc cần xử lý khẩn cấp.
IV. Nguyên tắc cốt lõi và tóm tắt lựa chọn quy trình
Việc lựa chọn quy trình xử lý nước thải khử lưu huỳnh của nhà máy điện nên xem xét các đặc điểm chất lượng nước, mục tiêu xử lý (xả tuân thủ/không xả), quy mô nhà máy điện, ngân sách và điều kiện địa điểm. Các nguyên tắc cốt lõi phải "có mục tiêu cao, hiệu quả kinh tế và hoạt động ổn định": Đối với các nhà máy điện cỡ vừa và nhỏ-có nguồn vốn hạn chế và không có nhu cầu thu hồi tài nguyên, có thể sử dụng quy trình "lắng đông tụ + lọc cát + bay hơi khí thải"; đối với các nhà máy điện lớn có yêu cầu xả thải bằng 0-cao, có thể sử dụng quy trình "làm mềm ba giai đoạn + siêu lọc + bay hơi MVR + kết tinh bay hơi"; đối với các nhà máy tập trung vào việc thu hồi tài nguyên của các loại muối linh tinh, nên kết hợp quá trình lọc nano và quá trình nitrat hóa đông lạnh.
Tóm lại, xử lý nước thải khử lưu huỳnh trong nhà máy điện đã hình thành một hệ thống công nghệ hoàn thiện, trong đó mỗi quy trình chủ đạo đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng: quy trình tiền xử lý tập trung vào "loại bỏ tạp chất và giảm độ cứng" để đảm bảo quá trình xử lý tiếp theo ổn định; các quy trình tập trung sâu tập trung vào việc “giảm khối lượng” để cân bằng mức tiêu thụ năng lượng và chi phí; và các quá trình hóa rắn/kết tinh tập trung vào "sự vô hại + sử dụng tài nguyên" để giải quyết vấn đề xử lý muối linh tinh. Trong tương lai, sự phát triển công nghệ sẽ nâng cấp theo hướng tiêu thụ năng lượng thấp, sử dụng tài nguyên và thông minh, tối ưu hóa hơn nữa sự kết hợp quy trình, giảm chi phí vận hành, cải thiện tỷ lệ sử dụng tài nguyên của các loại muối khác và giúp ngành nhiệt điện đạt được sự phát triển xanh và{2}}chất lượng cao.
