微孔陶瓷过滤板在工业废水处理中的应用

1、前言 
在我国的燃煤锅炉灰渣系统水力冲渣废水处理，通常采用脱水仓+浓缩池或捞渣机+浓缩池的方式进行，处理效果不稳定且运行费用较高，难以达到水的循环利用或达标排放的要求。 
采用“沉淀+微孔陶瓷过滤板”处理燃煤锅炉废水与上述传统处理技术相比较，具有占地面积小、处理效果好、流程简单、运行维护费用低等优点。目前国内已有百多家燃煤锅炉采用“沉淀+微孔陶瓷过滤板”处理灰渣系统溢流废水，均能达到节能减排的效果。 
2、微孔陶瓷过滤板
2.1概述 
我公司生产的微孔陶瓷过滤板采用氧化铝、碳化硅、陶瓷颗粒、精制石英等为骨料，加用粘结剂和成孔剂压制成型，经1050~1350℃高温烧结而成。产品由许多大小分布均匀，且相互边贯的桥拱状开口微孔组成。当流体从微孔通过时，悬浮物质、胶体颗粒、大分子有机物被截留在微孔陶瓷过滤板的表面。该产品具有如下主要特性： 
2.1.1、化学性能稳定，除氢氟酸外，对其他的腐蚀性液体均有优良的耐腐蚀性； 
2.1.2、耐热性良好，不会产生热变形、软化、氧化作用，在800-1000℃时可使用； 
2.1.3、气孔分布均匀，可按要求制成5-500微米的微孔孔径，可达陶瓷膜分离技术应用水准。 
2.1.4、机械强度高，在液体压力作用下形状不变化，微孔不变形，莫氏硬度可达7级，使用寿命长； 
2.1.5、无有害物溶出，不产生二次污染，易清洗再生，过滤周期长，过滤效果好等特点。 
2.2、液-固、气-固系统的过滤与分离来讲，其过滤机理主要为：1、表面截留、惯性冲撞和扩散；2、敷膜层过滤。 
2.2.1、表面截留：水中SS杂质颗粒由于比微孔孔道大而被捕捉，属表面过滤。截留只与杂质颗粒的大小有关，而与流速、流体浓度没有关系。 
惯性冲撞：流经微孔陶瓷过滤微孔孔道的流体中的杂质颗粒，由于惯性而与微孔孔道壁接触而被捕捉。惯性冲撞与杂质颗粒直径的平方成正比，与流速及液体深度成反比。 
2.2.2、敷膜层过滤：当流体流经微孔陶瓷过滤器时，大于过滤器微孔孔径的颗粒被截留在表面形成滤饼层，而这层滤饼相似于预涂层，这时过滤器既是过滤层，同时也相当于表面敷膜过滤的支撑层，滤后的水质也越来越好。 
  
2.3、微孔陶瓷过滤板技术指标　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1 
项　目 指　标 项　目　 指　标
容重（kg/m3） 1.4~1.6 透水率（t/m2.h） 1.0~2.5
孔径（μm） 10-500 透气率（m3/m2h.h） 1.8~5.0
气孔率（%） 30-50 耐酸度（%） ≥98
抗折强度（Mpa） 3.5~5.0 耐碱度（%） ≥82
抗压强度（MPa） 12~15 耐热温度（℃） 800
莫氏硬度（Scal） 6~8 吸水率（%） 23.3
2.4、工艺流程图 
微孔陶瓷的制备工艺流程如图所示。
原料→雷蒙磨细碎→分级→成品料→称量配料
                                 ↓
成品料→称量配料→球磨 →喷雾干燥造粒→烧成→物理表面处理→水洗→化学处理
                                                             ↓    ↓
                                            成品库← 干燥分级 ← 水洗

2.5、过滤能力 
根据Ruth过滤方程计算并经实测所得出微孔陶瓷过滤板对废水平均过滤速率见下表2：        微孔陶瓷过滤板对灰渣处理效果　　　　　表2 
平均过滤速率（m3/m2.h） 100 500 250 100 50 20
废水含悬浮物浓度（mg/L） 1.1 2.2 3.8 4.5 6 13
废水SS浓度在500~800mg/L灰渣堆积厚度过滤效果 表3
废水SS浓度500~800mg/L 微孔陶瓷过滤板表面堆积粉煤灰厚度（cm）
平均过滤速率（t/m2.h） 12 10 8 6 4 0
 0.6 1.2 1.9 2.8 3.6 5
从表2可以看出，微孔陶瓷过滤板对废水的过滤滤速随废水中所含悬浮物浓度的增大而降低，但即使在废水中悬浮物浓度高达500~800mg/L情况下，其平均过滤滤速仍达1.1t/m2.h。此外，表3显示在微孔陶瓷过滤板被废水中的颗粒物完全堆埋情况下仍具有一定过滤能力。其原因在于废水中的颗粒物是一种无机多孔材料，其本身就是一种过滤介质，即使堆积到一定程序，废水仍能在其微小孔隙中过滤。 
2.5、过滤水质 
微孔陶瓷过滤板的微孔孔径仅设30-100μm，而废水中悬浮物粒径仅有60-75%大于其孔径，但微孔陶瓷过滤板却能有效截留废水中90-97%的悬浮物，这是由于锅炉废水中的悬浮物是硬性颗粒，实践证明，在过滤液体时，微孔陶瓷过滤板能够收集直径为最小孔径1/10以上的硬性颗粒，即使颗粒小于微孔陶瓷过滤板的最小孔径，但由于微孔陶瓷过滤板内部气孔是桥拱状且相互连通，这部分颗粒也完全能够截留或通过，不易在微孔陶瓷过滤板内部形成堵塞现象。而且在过滤初期，仅有微孔陶瓷过滤板是主要过滤介质，但随过滤时间的延长，堆埋的过滤板表面的灰渣层增厚，形成自滤层（相似于敷膜予涂层）或掉入集灰沟内，使出水水质越来越好，随着过滤不断进行，自滤层厚度逐渐增加，阻力增大，过滤池液面逐渐上升，达到衡定值。当滤池水位超过衡定值，水位逐渐上升超过保护高时，说明滤池积灰过多，阻力过大，应尽快清灰还原。因此，微孔陶瓷过滤板和灰渣层一起共同组成的过滤层能有效截留废水中大部分悬浮物。即使过滤池进水浓度过高，但是由于微孔陶瓷过滤板的特性和自滤层的共同作用，对微孔陶瓷过滤板的出水水质不会产生影响，但是，进水浓度过高必然导致过滤池负荷增大，清灰还原周期也要大大缩短，不利于微孔陶瓷过滤池的长期稳定运行。 
2.6、处理流程 
2.6.1、含煤废水处理 
含煤废水，主要是煤场加湿冲洗水、栈桥冲洗水和煤场雨水等，这部分废水悬浮物浓度较高，颗粒物细的多粗的少，雨季水量较多一些。 
处理流程如下　　　　　　　　　　　　　　　　　循环水↓排污来水 
含煤废水               自流　　　　　　　自流　　　　泵升压至 
————→平流式自然沉淀——→微孔陶瓷滤池——→清水池————→ 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 循环使用 
含煤废水中，主要含有煤泥。煤泥的比重一般为1.5～1.6g/cm3。煤泥中固体物质以无机组分为主，主要成分为SiO2、Fe2O3、Al2O3、MgO、CaO。SiO2约占50~60%，Fe2O3约占3～5%，Al2O3约占20~27%，CaO约占0.2~0.4%，MgO约占0.8~1.2%。有机污染物根据煤种不同而异，COD浓度一般为300~2000mg/L。通过测定，输煤冲洗水中，SS浓度一般为2000~5000Mg/L，SS粒径见表4，煤泥不同粒径在10℃时静态沉降速度如表5。 
表4 
SS粒径mm ≥0.96 0.45~0.9 0.3~0.45 0.21~0.3 0.13~0.17 0.08~0.1 0.04~0.08 0.04~0.06 0.04~0.06 ≥0.04
占百分率（%） 0.54 3.44 2.95 3.12 2.57 2.87 3.67 2.05 3.47 71.25
表5 
煤泥粒径(mm) 1.0 0.5 0.2 0.1 0.05 0.01 0.005
沉降速度（m/h） 152 76 26 7.6 1.5 0.08 0.015
  
从表5中可知，输煤冲洗废水流入初沉池经数小时沉降后，进入二沉池的煤泥水SS粒径大部分在0.01mm以下，SS浓度经调查一般均小于1000mg/L。由于SS粒径小，同时污水中存在胶状物质，污水浊度一般在150~600NTU，因此单靠自然沉降无法净化，传统处理工艺中一般采用投加混凝剂和助凝剂完成混凝和絮凝架桥作用实现固液分离，使煤水净化回用。且在加速沉淀后还必须进入含煤废水处理站用过滤器方式进行处理，这种处理方式总体占地面积大，且运行费用较高；而采用微孔陶瓷过滤板处理含煤废水，过滤池的进水浊度只要求SS800mg/L左右，因此只要求4小时左右的沉淀时间，大大减少了沉淀池的占地面积，同时本体占地面积也很小，不管是在南方还是在北方的严寒天气下都有适用的空间，投资少，运行方式简单，运行费用低。 
2.6.2、除渣系统溢流水处理 
目前锅炉除渣系统中，采用脱水仓或捞渣机处理渣水，受各种因素影响处理效果很不稳定，大多数时间达不到预期的处理效果，即使再进入高效浓缩池进行处理，也难以达到循环利用的要求，而如果将这部分水排放，从经济还是社会效益方面考虑都不合适，因为这部分废水水量较大，一般电厂单台600MW机组即达到120-150t/h，如不能循环使用每年要负担大量的水资源费，特别是对于北方缺水地区企业负担更重：同时废水排放势必污染当地环境，企业同时又要承付排污费。因此对这部分废水进行有效的处理达到100%的循环利用是十分必要的。 
采用微孔陶瓷过滤板处理脱水仓或捞渣机溢流水的流程如下 
  
　　　　　　　　　　循环水↓ 
捞渣机或脱水仓           自流　　　泵升压至循环冲渣 
——————→微孔陶瓷滤池——→清水池————→ 
溢流水自流　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 
  
脱水仓或捞渣机溢流水即锅炉冲灰渣水属煤炭燃烧后产生的含粉煤渣无机污染物质的无机废水。渣灰由许多不同结构和形态的微粒组成，其中大多数是玻璃球体，其余部分是结晶物质和未燃炭、富钙玻璃体、富铁玻璃体、多孔玻璃体、多孔炭粒和不规则粒子。其悬浮物浓度较大，颗粒物较小，沉降速度慢。经过捞渣机处理后，平均悬浮物浓度SS为1000mg/L左右，此时过滤池，借助微孔陶瓷过滤板去除其中的微细颗粒，即可达到闭路循环使用的目的，处理后水质可达到SS≤50-70mg/L，完全满足循环冲渣水的要求，也达到了国家一级排放标准。 
锅炉渣水由于是带有机温出来的，如果要在处理后循环使用，需要一个降温的过程，因此即使在北方地区采用微孔陶瓷过滤板处理也不必加盖房屋进行保温。由于该处理方式流程简单、管理方便、运行费用低，因此要以说是目前*的处理锅炉冲灰渣水工艺，能给企业带来良好的经济和社会效益。 
2.6.3、清灰还原方式　 
当过滤池运行一段时间后，由于表面堆积的悬浮物越来越厚，阻力增大，过滤负荷逐渐降低，低于设计负荷后过滤池液面上升，此时需要对过滤池进行清灰还原。 
总结以往工程经验，进入微孔陶瓷过滤池渣较少，采用渣浆泵清理灰渣或煤泥即可。在设计上把过滤池分为两部分，靠近进水端留出2-4m的空间作为集灰坑，其余为过滤部分（见图纸），在处理含煤废水时，因为前面有沉淀池，如果沉淀池有采用抓斗清灰，此时可在集灰坑中留出抓斗清灰的空间，当过滤池需要清灰还原时，关闭滤池进出口阀门，用渣浆泵将集灰坑内煤泥泵至沉淀池，然后用2Kg压力水枪冲洗滤墙表面积灰冲洗干净，一并用渣浆泵泵入沉淀池内，使滤池恢复过滤效率如初；渣水过滤池清灰还原时利用渣浆泵将池内灰渣打回到捞渣机槽或脱水仓，然后清洗滤墙恢复过滤即可。滤池须反冲洗时，将清水池水位提到*位，清水即从滤池清水出口反灌到过滤器内，通过水的自然压力进行自然反冲洗，时间为20-30分钟即可。 
  
3、性能比较 
微孔陶瓷过滤板不同于普通的平流沉淀+后续过滤方案或目前的如过滤板或膜处理方案，是一种性价比极高的处理方式。它的优势体现在以下几个方面： 
3.1、占地面积 
在锅炉的含煤废水处理中，目前无论后续采用何种处理方式，沉淀是必不可少的程序，而且由于后续处理方式对进水水质的要求较高，通常要求较长的沉淀时间，导致沉淀池面积较大，而采用对进水水质的要求为SS1000mg/L左右，根据含煤废水的特性，实际只需要4小时左右的沉淀即可达到要求，大大减少了沉淀池面积，同时高效微孔陶瓷过滤池可与沉淀池顺流合建，不需另设管首和水泵提升。 
3.2运行成本目前所用的处理锅炉含煤废水及冲灰渣水的工艺中，很多工艺包括了加药及频繁的反冲洗作业流程，每年的运行费用高达数十万元以上，更不用说膜处理方式需要经常性的更换膜所带来的运行费用了。而微孔陶瓷过滤板是一种纯物理自然过滤的方式，在运行中不需要加药和反冲洗，只需要在过滤池的运行周期达到后对滤池进行清灰（渣）还原，平均每年清灰（渣）还原仅需要3-4次，而且方式简便可行，运行费用比其它设备运行少60%以上。 
3.3运行效果 
从运行效果的角度看，也许锅炉废水经微孔陶瓷过滤板处理后的水质不如某些处理方式，如膜法处理方式，但是，不可否认的是无论是处理电力含煤废水还是冲灰渣水，采用微孔陶瓷过滤板均能达到或超过电厂闭路循环运行的技术要求，因此它是一种实用性极好的产品。 
3.4投资 
采用微孔陶瓷过滤板处理锅炉含煤废水和冲灰渣水仅是在土建基础上加上微孔陶瓷过滤板的采购，安装费用。整体投资比其他处理方式节省投资约40%。 
4、  微孔陶瓷过滤板的应用情况 
该产品自投放市场以来，已在全国十几个省市的百多家电厂及工厂的包括煤场废水和渣系统溢流水、锅炉脱硫除尘等废水处理工程中被选用，在正常运行环境下，都取得了良好的处理效果，并在2000年被国家电力总公司北京规划研究设计总院、湖南电力设计院评审选定为2×300MW大型机组优化设计方案，近几年更是在如广东台山电厂、湖北荆门电厂等600MW的机组中得到应用。不论从应用情况还是市场前景来说，该产品都是目前解决电厂煤场废水和渣系统溢流水、锅炉脱硫除尘等废水处理问题的 渣水微孔陶瓷过滤池*选择。