1.背景介绍

 

　　美国燃煤电厂从20世纪70年代开始安装脱硫装置。在美国《清洁空气法案》的支持下，燃煤电厂脱硫装置在20世纪90年代以后得到了大力发展。随着湿式脱硫装置的安装，电厂烟气排出的污染物明显减少。然而，人们发现随着空气质量逐渐好转，电厂排出的污水却增加了，水质也更差了。2009年纽约时报报道了电厂水污染的情况，引发了全社会的广泛关注。

 

　　美国火电厂（主要是燃煤电厂）是《清洁水法案》下美国所有工业类别中排放最多有毒污染物的工业【1】。火电厂排出的污水含有很多重金属，营养物，和其他污染。这些污染物会导致癌症，降低儿童的智商，对鱼类和其他水生生物的繁殖有不利影响。

 

　　比如，美国脱硫废水中广泛含有大量汞和硒。汞和硒会在鱼类和其他水生生物体内积聚，也会在湖泊或水库的底泥中积聚，可以保留几十年。一个例子是北卡罗来纳州的布鲁斯湖（Belews），因为附近电厂的硒排放，导致该湖鱼类几乎灭绝。另一个例子是德克萨斯州的马丁湖（MartinLake），由于大量排放含硒，汞废水损害了当地鱼类和鸟类的繁衍。

 

　　美国环保局在1974年颁布了“火电厂点源类污水排放限制指导和标准”，1977和1982年分别做了修正。然而其后经过了20多年的发展，新的排放标准迟迟没有出台，导致了环保组织的抗议和对美国环保局的诉讼。2009年美国环保局对美国燃煤电厂水污染情况做了一个广泛调查，在这个调查的基础上，于2013年颁布了新的“火电厂点源类污水排放限制指导和标准”草案【2】，其中一个主要的部分就是对脱硫废水的排放制定了新的标准。草案发布后经过90天公众评议，美国环保局共收到超过20万条反馈意见。经反复修改斟酌，形成最终版的“火电厂点源类污水排放限制指导和标准”，这里简称排放标准。该标准在2015年9月30日正式颁布，于2016年1月4日正式生效。

 

　　美国环保局对已建成电厂和新建电厂的脱硫废水有不同的排放标准，见表1-3。可以看出，最终版的标准比草案中的标准要宽松一些，尤其是对硝酸盐/亚硝酸盐的排放。

　　2.脱硫废水特征

 

　　要讨论脱硫废水的处理问题，首先考虑的就是脱硫废水的水量水质特征。脱硫废水的水量水质特征是由煤的品质，锅炉设计，脱硫装置前的烟气处理手段，脱硫装置的设计和运行决定的。

 

　　2.1 脱硫废水水量特征

 

　　水量：脱硫废水的水量取决于煤的氯含量；FGD前端是否喷洒碱性物质，如Ca（OH）2等；FGD运行时的含氯量等。对美国燃煤电厂的脱硫废水而言，针对部分电厂的统计数据，美国环保局的数据显示燃煤电厂脱硫废水的平均流量是448加仑/分钟（28.4升/秒），流量范围是30-2300加仑/分钟（1.9-146升/秒）【3】。

 

　　2.2 脱硫废水水质特征

 

　　美国环保局和美国电力研究院（EPRI）都分别对一些电厂的含硫废水进行了调查。通过对一些数据的解读，美国脱硫废水的一些水质特征如下【3】【4】。

　　3.美国脱硫废水处理技术

 

　　从2000年以后燃煤电厂脱硫废水的污染在美国逐渐引起了重视，针对脱硫废水的一些特性，很多国际性公司和美国本土公司加强了脱硫废水处理的研发。以下介绍目前美国正在使用和正在研发的处理技术。针对不同的水量水质特征，结合电厂的实际情况，可以选用不同的处理技术。

 

　　应该强调的一点是：硒，尤其是硒酸根（SeO32-）是目前最难以处理的重金属离子。所以很多处理技术（零排放除外）主要是针对硒的处理进行优化设计的。

 

　　3.1 自然沉淀法

 

　　自然沉淀法一般采用人工水塘或水池，沉淀脱硫废水中的悬浮性固体，其中主要是硫酸钙，硫酸镁。一般采用两个水塘或水池轮流运作的方式，即在一个水塘或水池接受脱硫废水的时候，清理另外一个水塘或水池的固体沉积物。

 

　　水塘或水池的出口部分的出水一般很清澈，可以和其他水，比如冷却水混合稀释排放。在脱硫废水标准出台之前，这个方法在美国被很多电厂采用。此种方法成本低，而且这些电厂有大量土地资源可以使用。有的电厂在脱硫废水流入水塘或水池之前添加氯化铁等絮凝剂增加固体沉淀。

 

　　3.2 传统物理化学沉淀法

 

　　物理化学沉淀法（简称物化法）通过添加化学药剂，调整pH值，经过脱饱和，絮凝，混凝，沉淀的方式达到去除固体和溶解性重金属离子的目的。普遍使用的药剂有氢氧化钙，氢氧化钠，氯化铁，氯化亚铁，无机硫化物（比如Na2S），有机硫化物（如TMT）等。

 

　　该法优点：

 

　　1. 可以除掉大部分重金属；

 

　　2. 该处理法经过很多年的实践，是目前运行最成熟的脱硫废水处理技术；

 

　　3. 成本相对较低；

 

　　4. 可以作为后续处理的预处理。

 

　　该法缺点：

 

　　1.  无法满足最新的排放标准；

 

　　2.  对待脱硫废水，仍然有一些运行上的问题， 尤其是管道阻塞问题。

 

　　3.3 生物处理法

 

　　生物处理法是一种有效的处理重金属和例如硝酸根、亚硝酸根等营养物质的方法。这一部分介绍三种在美国应用于实践的生物处理方法。一般生物处理法并不单独使用，而是和物理化学沉淀法或自然沉淀法一起使用。

 

　　3.3.1 GE ABmet技术

 

　　ABmet是美国GE水处理公司（GE Waters）的一项生物处理技术。该技术是一种厌氧生物膜处理技术。该技术采用两个反应器，反应器里面填充多孔活性炭作为媒介，在活性炭上让选择好的微生物生长形成生物膜。GE声称这种微生物是为处理脱硫废水特殊培养的【5】。

 

　　该方法除硒分两个步骤：第一步降低氧化还原电位，主要去除硝酸根或亚硝酸根，同时去除一部分汞，砷和其他重金属，第二部分去除硒酸根，并进一步去除其他金属离子。

 

　　第一个反应器的主要反应为：

 

　　NO3-+organic C → NO2-+organic C →  N2↑+ CO2↑+H2O

 

　　第二个反应器的主要反应为：

 

　　SeO4-+organic C → SeO3-+organic C → Se↓+CO2↑+H2O

　　图2 物化法装置和ABmet生物处理装置（美国北卡罗来纳州某电厂）

 

　　该技术优点：

 

　　1.  ABmet技术是脱硫废水处理领域比较先进的方法。该法经过10多年的实践和改进，在去除硒，汞，砷，和氮氧化物有很好的处理效率。在管理和维护上也取得了很多经验；

 

　　2.  处理后，废水中硒含量可以稳定的达到美国脱硫废水排放标准；

 

　　3.  可以有效去除硝酸盐或亚硝酸盐，处理后废水排放稳定达到美国脱硫废水排放标准；

 

　　4.  和物化法联合使用可以有效去除砷和汞，达到美国脱硫废水排放标准；

 

　　5.  和物化法联合使用可以有效去除其他重金属，如镍，铅，镉等。

 

　　该技术缺点：

 

　　1.  产生硫化氢；

 

　　2.  对汞的处理效率不十分稳定，需要有一个处理效率高的预处理系统（物化法）协助汞的处理；

 

　　3.  操作上要严格控制反冲洗，既要防止生成大量气体造成短路，也要防止微生物过度流失。

 

　　3.3.2 InfilcoDegremont公司的 IBIO技术

 

　　IBIO生物处理方法是由InfilcoDegromont公司2007年开发出来的一种生物处理脱硫废水的方法。该法在原理上和GE的ABmet技术是一致的，都是采用两级缺氧厌氧的方式达到硒酸根的还原。但GE采用的是生物膜的形式，IBIO采用的是微生物悬浮生长的模式【6】。

 

　　IBIO也采用两级厌氧处理装置，第一个反应器主要用来去除硝酸根，第二个反应器用来处理硒酸根。

　　图3 IBIO技术中试 （美国佐治亚州某电厂）

 

　　该技术优点：

 

　　1. 反应器不需要反冲洗。因为是悬浮生长型的生物反应器，液料混合均匀，没有液流短路等问题；

 

　　2. 不需要媒介，如粒状活性炭；

 

　　3. 造价相对GE的ABmet技术低一些。

 

　　该技术缺点：

 

　　1. 处理效果不如GE 的ABmet技术；

 

　　2. 反应微生物未经过精细筛选（相对ABmet而言）；

 

　　3.3.3 人工湿地

 

　　人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水有控制的投配到经人工建造的湿地上，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水进行处理的一种技术。一般的人工湿地主要是好氧反应，需要种植植物等作物加强水中的氧气供应。脱硫废水的处理过程中因为需要缺氧厌氧反应一般不种植植物，而采用投放木屑、牛马粪等固体物质。

 

　　为达到缺氧厌氧，处理脱硫废水的人工湿地水流采用纵向流动。

 

　　优点：

 

　　1. 造价低，运行方便；

 

　　2. 容易管理；

 

　　3. 能够处理重金属含量低的脱硫废水。