ניתוח תהליכים ומאפיינים לטיפול בשפכים של תחנת כוח

תקציר: הסרת גופרית רטובה של-גבס היא הטכנולוגיה המרכזית לבקרת פליטת דו תחמוצת הגופרית בתחנות כוח תרמיות. שפכי הסרת הגופרית שנוצרו, המאופיינים במליחות גבוהה, קשיות גבוהה, תכולת מתכות כבדות גבוהות והתכלות ביולוגית נמוכה, מהווים אתגר משמעותי לטיפול בשפכי תחנת הכוח. מאמר זה מתמקד במערכת הליבה של תהליך הליבה של טיפול בשפכי תחנות כוח, תוך פירוט העקרונות ונהלי הפעולה של התהליכים המרכזיים בכל שלב בהתאם לזרימת "טיפול מקדים → ריכוז עמוק → טיפול התמצקות/התגבשות". הוא מנתח את המאפיינים הטכניים, היתרונות, המגבלות והתרחישים הישימים של תהליכים שונים, תוך שילוב עקרונות הליבה של בחירת תהליכים כדי לספק התייחסות מקצועית לבחירה אופטימלית ותפעול יעיל של תהליכי טיפול בשפכים של תחנת כוח דה גופרית, ובכך תורם לייצור נקי ולשינוי ירוק של תעשיית החשמל התרמית.

מילות מפתח: תחנת כוח תרמית; מי שפכים דה גופרית; תהליך טיפול; מאפייני תהליך; טיפול מקדים; ריכוז עמוק; טיפול התגבשות

עם תקני פליטת סביבה מחמירים יותר ויותר וקידום יעדי "פחמן כפול", הטיפול התואם בשפכים של הסרת גופרית מתחנת כוח תרמית הפך להיות חוליה מכרעת בהשגת פיתוח ירוק. נכון לעכשיו, למעלה מ-90% מתחנות הכוח התרמיות בארצי משתמשות בתהליך הסרת הגופרית הרטובה של-גבס. תהליך זה מצריך שטיפה של מגדל הסרת הגופרית, מערכת הסרת המים ומערכת הפיזור הגבס במים נקיים, וכתוצאה מכך שפכים של הסרת גופרית עשירים במתכות כבדות, ריכוזים גבוהים של מלחים ומוצקים מרחפים. בשל איכות המים המורכבת וקושי הטיפול הגבוה, סילוק לא נכון עלול לגרום לזיהום קרקע ומים, תוך איום על תפעול בטוח של ציוד תחנות כוח.

הטיפול בשפכי הסרת גופרית של תחנות כוח חייב לעמוד בעקרונות של "צמצום, חוסר מזיק, והשבת משאבים", ויוצרים מערכת תהליכית שלמה של "טיפול מקדים → ריכוז עמוק → טיפול בהתמצקות/התגבשות". תהליכים שונים משתנים באופן משמעותי במאפיינים טכניים, ביעילות הטיפול ובעלויות התפעול. בחירה סבירה של שילובי תהליכים חיונית להשגת איזון בין טיפול בשפכים תואם לבין יעילות כלכלית. מאמר זה מתמקד בסיכום התהליכים המרכזיים בכל שלב, ניתוח מעמיק של מאפייני התהליך שלהם ומתן תמיכה לבחירת תהליכים בתעשייה.

איכות שפכי הסרת הגופרית מושפעת באופן משמעותי מאיכות הפחם, טוהר אבן הגיר ופרמטרים של תהליך הסרת גופרית, המציגים מאפיינים כלליים של "ארבעה שיאים ושני שפל", הקובעים ישירות את כיוון בחירת תהליך הטיפול. ספציפית:

מליחות גבוהה: סה"כ מוצקים מומסים (TDS) 20,000~100,000 מ"ג/ליטר, המגיעים למקסימום של 150,000 מ"ג/ליטר, מורכבים בעיקר מ- Cl⁻, SO₄²⁻, Na⁺ ו- K⁺, המפגינים קורוזיביות חזקה במיוחד;

קשיות גבוהה: ריכוז Ca²⁺ יכול להגיע ליותר מ-4000 מ"ג/ליטר. תכולת Mg²⁺ היא כ-1600 מ"ג/ליטר, ויוצרת בקלות אבנית בלתי מסיסה שסותמת ציוד; תכולת מתכות כבדות גבוהות: מכיל כספית, קדמיום, עופרת, ארסן וכו', בריכוזים של 0.1~10 מ"ג/ליטר, חלקם יוצרים קומפלקסים יציבים, המקשים על ההסרה; מוצקים מרחפים גבוהים (SS): ריכוז 1000~10000 מ"ג/ליטר, מורכב בעיקר מחלקיקי גבס ואבקת גיר, שוחק בקלות צינורות; ערך pH נמוך: 4.5 ~ 6.0, חומצי חלש, מחמיר את קורוזיית הציוד; מתכלות ביולוגית נמוכה: BOD/COD < 0.1, קשה לפירוק בשיטות ביולוגיות, דורש תהליכים פיזיקוכימיים.

יתר על כן, מי השפכים מכילים גם פלואורידים, סיליקטים וחומרים אורגניים סוררים, מה שמגביר עוד יותר את המורכבות של בחירת התהליך, ומצריך תהליכי טיפול בעלי ספציפיות חזקה ועמידות בפני תנודות.

טיפול בשפכים של תחנת כוח דה גופרית הוא פרויקט שיטתי. כל שלב בתהליך קשור זה בזה ופועל בצורה סינרגטית. בחירת התהליכים לשלבים שונים חייבת להתבסס על מאפייני איכות המים, יעדי הטיפול והתנאים בפועל של תחנת הכוח. להלן ניתוח מפורט של התהליכים המרכזיים ומאפייני הליבה של כל שלב.

3.1 תהליכים ומאפיינים של טיפול מוקדם טיפול מקדים הוא הבסיס לטיפול בשפכים של הסרת גופרית. מטרות הליבה שלה הן הסרת מוצקים מרחפים, רוב המתכות הכבדות, יוני סידן ומגנזיום, פלואורידים וסיליקטים, הפחתת עכירות וקשיות מי שפכים, מניעת אבנית וסתימה בתהליכים שלאחר מכן, ולספק חומרי השפעה מוסמכים לטיפול מתקדם. תהליכי הזרם המרכזי כוללים קרישה ושקיעה, ריכוך כימי ובירור סינון. בפרויקטים בפועל, נעשה שימוש לעתים קרובות בתהליכים משולבים.

3.1.1 תהליך קרישה ושקיעה

עיקרון התהליך: חומרי קרישה (פוליאלומיניום כלוריד, פוליפרי סולפט וכו') ועזרי קרישה (פוליאקרילאמיד) מוסיפים למי השפכים. באמצעות ספיחה וצנופות, מוצקים מרחפים וקולואידים עדינים יוצרים קבוצות גדולות, המופרדות לאחר מכן על ידי שקיעה. במקביל, ערך ה-pH מותאם ל-8.5-9.5 (על ידי הוספת סידן הידרוקסיד), מה שגורם ליוני מתכות כבדות לשקוע כהידרוקסידים, ומספר יוני פלואוריד מוסרים (ויוצרים משקעים של סידן פלואוריד).

מאפייני תהליך:

יתרונות: תהליך פשוט, תפעול נוח, השקעה ועלויות תפעול נמוכות; שיעור הסרת מוצקים מרחפים של מעל 80%, שיעור הסרת מתכות כבדות של 60%-80%, יכול להפחית במהירות עכירות בשפכים, מתאים לצרכי טיפול מקדים של תחנות כוח שונות.

מגבלות: אפקט הסרה מוגבל על מלחים מסיסים ומתחמי מתכות כבדות; דורש שימוש בשילוב עם תהליכי ריכוך וסינון כימיים; בתנאי COD גבוהים, נדרשת טכנולוגיית חמצון מתקדמת, אחרת יושפעו השפעות הטיפול הבאות.

תרחישים ישימים: טיפול מקדים בשפכי הסרת גופרית מכל תחנות הכוח, מתאים במיוחד לתחנות כוח קטנות ובינוניות- בעלות תכולת מוצקים מרחפים גבוהים ומתכות כבדות ותקציבים מוגבלים.

3.1.2 תהליך ריכוך כימי
עיקרון התהליך: הליבה היא להסיר יוני סידן ומגנזיום כדי להפחית את קשיות השפכים. השיטה המרכזית היא משקעים כימיים, המתחלקים לריכוך סיד-סיד וריכוך סודה הידרוקסיד-על סמך הריאגנטים המשמשים. שיטת אפר הסיד-הסיד היא הנפוצה ביותר. תחת קשיות גבוהה ותנאי סיליקה גבוהים, נעשה שימוש בתהליך ריכוך בן שלושה- שלבי, הוספה ברצף של Ca(OH)₂, Na₂SO₄ ו-Na₂CO₃ כדי להסיר Mg²⁺, קצת Ca²⁺, ואת שאר Ca²⁺ בצעד, יצירת Mg(OHCO₃₃, ו-Cacipates)

מאפייני תהליך:

יתרונות: ממוקד מאוד, מפחית ביעילות את קשיות שפכים (Ca²⁺ פחות מ- או שווה ל- 500mg/L, Mg²⁺ פחות או שווה ל- 1000mg/L), מונע אבנית בתהליכי אידוי והפרדת ממברנות הבאים; לשיטת אפר סודה סיד- יש ריאגנטים זמינים בעלות נמוכה, והיא מתאימה לשפכים-גבוהים, ובעלי-הסרת גופרית סיליקה גבוהה.

מגבלות: מינון מגיב דורש בקרה מדויקת, אחרת סביר להניח שזיהום משני; ייצור הבוצה הוא גדול, הדורש מתקנים תומכים לסילוק בוצה; שיטת אפר סודה-נתרן הידרוקסיד היא יקרה ומתאימה רק לתרחישים עם דרישות קשיות שפכים גבוהות במיוחד.

תרחישים ישימים: טיפול מקדים בשפכים עם -קשיות גבוהה,-סיליקה גבוהה וגבוהה-פלואוריד, מתאים במיוחד לתהליכים עוקבים כגון הפרדת ממברנות ואידוי MVR עם דרישות מחמירות לגבי קשיות משפיעה.

3.1.3 תהליך סינון והבהרה

עיקרון התהליך: תהליך זה מסיר עוד יותר פקקים עדינים, מוצקים מרחפים וקולואידים מקרישה, שקיעה וריכוך כימי, ומבטיח שהעכירות של הקולחים המטופלים מראש עומדת בתקנים (בדרך כלל פחות או שווה ל-100mg/L, ריכוז הממברנה דורש פחות או שווה ל-5mg/L). טכנולוגיות מיינסטרים כוללות סינון חול, סינון אולטרה (UF) וסינון ממברנה צינורית.

מאפייני תהליך:

יתרונות: דיוק סינון גבוה; סינון אולטרה יכול להפחית את עכירות הקולחים מתחת ל-1 NTU; לממברנות צינוריות יש יכולות אנטי- חזקות וקל לניקוי ולתחזוקה; מגן ביעילות על מודולי ממברנה במורד הזרם וציוד אידוי, משפר את יציבות המערכת; סינון חול הוא זול; אולטרה-פילטרציה וממברנות צינוריות מתאימות לתרחישים עם תנודות גדולות באיכות המים.

מגבלות: לסינון חול יש יעילות מוגבלת בהסרת קולואידים עדינים; לסינון אולטרה ולממברנות צינוריות יש עלויות השקעה גבוהות יותר, ויש להחליף מודולי ממברנה באופן קבוע (תוחלת חיים 1-3 שנים); ממברנות צינוריות פועלות בלחצים גבוהים יותר וצריכת אנרגיה מעט גבוהה יותר.

תרחישים ישימים: סינון חול מתאים לסיום טיפול מקדים קונבנציונלי; ממברנות אולטרה-פילטרציה וממברנות צינוריות מתאימות לתחנות כוח בהן נעשה שימוש בתהליכי ריכוז ממברנות עוקבים, או בהן ריכוז המוצקים המרחפים משתנה באופן משמעותי.

3.2 תהליך ריכוז עמוק ומאפיינים גם לאחר טיפול מקדים, מי השפכים עדיין מכילים ריכוזים גבוהים של מלחים (TDS גדול או שווה ל-10000 מ"ג/ליטר), המצריך ריכוז עמוק כדי להפחית את נפחם (80%~90%). התמיסה המרוכזת משמשת לאחר מכן להתמצקות/התגבשות לאחר מכן, בעוד שניתן למחזר את המים המתוקים. תהליך הליבה מחולק לשתי קטגוריות עיקריות: ריכוז הפרדת הממברנה וריכוז האידוי.

3.2.1 תהליך ריכוז הפרדת ממברנה
עיקרון התהליך: בהתבסס על חדירות סלקטיבית של ממברנות, מלחים ומים מופרדים בלחץ. טכנולוגיות מיינסטרים כוללות אוסמוזה הפוכה (RO), ננופילטרציה (NF) ואוסמוזה הפוכה של צינורות דיסק (DTRO). סינון ננו יכול להשיג הפרדה ראשונית של זיהומים, הנחת הבסיס להתאוששות משאבים.

מאפייני תהליך:

יתרונות: יעילות ריכוז גבוהה; שיעור שחזור מים מתוקים RO 70% ~ 80%, שיעור התפלה מעל 99%, ניתן לעשות שימוש חוזר ישירות בחלחלים; ל-DTRO יכולות חזקות נגד-התכלות, מתאים למליחות-גבוהה, לשפכים מוצקים-מוצקים- גבוהים, יחס הריכוז יכול להגיע לפי 10~20; ננופילטרציה יכולה לשמור על יונים דו ערכיים, להפחית את העומס על תהליכים הבאים ולהקל על ניצול המשאבים של מלחים שונים.

מגבלות: דרישות מחמירות לאיכות מים משפיעה; יש לשלוט בקפדנות על קשיות ומוצקים מרחפים כדי למנוע התכלות של הממברנה; ממברנות RO רגילות אינן עמידות בפני כלור גבוה, המחייבות שימוש בממברנות מיוחדות עמידות לכלור-; עלויות החלפת ממברנות גבוהות (מהוות למעלה מ-40% מסך עלויות התפעול), וכתוצאה מכך סף השקעה גבוה.

תרחישים ישימים: RO מתאים לתחנות כוח עם ביקוש גבוה לריכוז ושימוש חוזר בשפכי הסרת מליחות ברמת מליחות נמוכה-עד-בינונית; DTRO מתאים לשפכים עם תנודות גדולות של איכות המים ומליחות גבוהה ומוצקים מרחפים גבוהים; ננופילטרציה מתאימה לפרויקטים המתמקדים בניצול משאבים של מלחים שונים.

3.2.2 תהליך ריכוז אידוי

עיקרון התהליך: תהליך זה מרכז מלחים על ידי אידוי מים ממי שפכים באמצעות חימום. הוא מתאים לשפכים עם מליחות- גבוהה (TDS גדול או שווה ל-30000 מ"ג/ליטר). טכנולוגיות מיינסטרים כוללות דחיסה מכנית של אדים (MVR), אידוי מיצוי גז נשא, ואיוד גזי פליטה.

מאפייני תהליך:

יתרונות: ל-MVR צריכת אנרגיה נמוכה (כ-30~50 קוט"ש/ט מים), יחס ריכוז של פי 10~20, והוא מתאים לטיפול בקנה מידה גדול-; אידוי מיצוי גז נשא יכול לנצל פסולת חום מתחנות כוח, יש לו דרישות טיפול מוקדם נמוכות ועלויות תפעול נמוכות; אידוי גזי הפליטה הוא בעל צריכת אנרגיה נמוכה במיוחד והשקעה נמוכה, יכול להשיג אפס הזרמת שפכים, והוא מתאים לתחנות כוח קטנות ובינוניות-.

מגבלות: ל-MVR עלויות השקעה גבוהות, דורש יציבות גבוהה של איכות מי הזנה, ונוטה להצטברות ולסתימה; לטכנולוגיית אידוי מיצוי גז נשאות יש סף גבוה וכיום נעשה בה שימוש פחות נרחב; אידוי גזי הפליטה מצריך שליטה על אפקט האטומיזציה כדי למנוע קורוזיה וסתימה של הפלטה, ודורש ניטור של פליטת מתכות כבדות.

תרחישים ישימים: MVR מתאים ל-תחנות כוח תרמיות גדולות ולפרויקטים עם דרישות אפס- גבוהות של פליטה; אידוי מיצוי גז נשא מתאים לתחנות כוח גדולות עם חום פסולת זמין ושטח מוגבל; אידוי גזי הפליטה מתאים לתחנות כוח קטנות ובינוניות- ולפרויקטים אפס-פליטה עם תקציב מוגבל.

3.3 תהליכי התמצקות/התגבשות ומאפיינים מי מלח מרוכז עמוק (TDS גדול מ-50000 מ"ג/ליטר או שווה ל-50,000 מ"ג/ליטר) צריך להפוך ללא מזיק באמצעות התמצקות או התגבשות. תהליכים מסוימים יכולים להשיג שחזור משאבי מלח, שהוא שלב מרכזי בהשגת אפס הזרמה של שפכים של הסרת גופרית. תהליכים מיינסטרים כוללים התגבשות אידוי, התמצקות אידוי גזי פליטה והתמצקות מלט.

3.3.1 תהליך התגבשות באידוי
עיקרון התהליך: מי מלח מרוכז מוכנס למגבש לצורך אידוי נוסף של המים, מה שגורם למלחים להגיע לרוויה ולהתגבשות החוצה. בשילוב עם ננופילטרציה וטכנולוגיות ניטריפיקציה קריוגנית, ניתן להגיע לטיהור מדורג של זיהומים, הפרדת נתרן כלורי, נתרן סולפט ומלחים נוספים.

מאפייני תהליך:

יתרונות: מאפשר שחזור משאבי מלח; מלח מוחזר, לאחר שעומד בתקני טוהר, ניתן לשימוש חוזר כחומרי גלם תעשייתיים; טיפול יסודי; מי מלח מרוכז לאחר התגבשות אינו מזיק, ללא זיהום משני; מתאים לטיפול בריכוז גבוה של מלח-; ניתן לשלב עם MVR לפעולה באנרגיה נמוכה-.

מגבלות: עלויות השקעה ותפעול גבוהות; טיהור קשה של מלחים מעורבים; מלחים מעורבים המיוצרים בתהליכים רגילים חייבים להיפטר כפסולת מסוכנת; דרישות גבוהות ליציבות איכות מי הזנה; אפקט ההתגבשות מושפע מאוד מתנודות איכות המים.

תרחישים ישימים: תחנות כוח גדולות; פרויקטים עם ביקוש גבוה לשחזור משאבי מלח מעורבים; מתאים במיוחד לתרחישים עם נפחי שפכים גדולים של הסרת גופרית וערך שחזור מלח גבוה, כגון תחנות כוח כימיות פחמיות.

3.3.2 תהליך אידוי והתמצקות גזי פליטה

עיקרון התהליך: מי מלח מרוכז מפורק ומרוסס לתוך צינור הזנב של הדוד. חום הפסולת של גז הפליטה (120~180 מעלות) גורם לאידוי מהיר של לחות. המלח מתגבש ונלכד באפר זבוב ויוצר תערובת אפר זבוב. אם הוא עומד בתקנים, ניתן להשתמש בו כחומרי בניין; אחרת, היא מוטמנת כפסולת מסוכנת.

מאפייני תהליך:

יתרונות: צריכת אנרגיה נמוכה במיוחד, אין צורך בחימום נוסף, עלות השקעה נמוכה (נמוכה ב-40% מ-MVR); פעולה פשוטה, טביעת רגל קטנה והשגה מהירה של אפס פליטות; מתאים לטיפול במי מלח מרוכזים שונים.

מגבלות: דרישות גבוהות לציוד אטומיזציה; נוטה לשקיעת גזי פליטה ולקורוזיה; תכולת מתכות כבדות באפר זבוב עשויה לחרוג מהסטנדרטים, הדורשת ניטור קפדני; לא יכול להשיג ניצול משאבי מלח, והטיפול במלחים שונים תלוי בניצול אפר זבוב.

תרחישים ישימים: תחנות כוח תרמיות קטנות ובינוניות-, פרויקטים עם שטח מוגבל, צרכי אפס- דחופים ותקציבים מוגבלים.

3.3.3 תהליך התמצקות המלט

עקרון התהליך: מי מלח מרוכז, מלחים שונים, מלט וחומר מגבש מעורבבים. באמצעות תגובת הידרציה של מלט, מתכות כבדות מקובעות במטריצת המלט, מה שמפחית את הסיכון לשטיפה. לאחר שהגוף המוצק עומד בתקנים, הוא מסולק דרך מטמנה.

מאפייני תהליך:
יתרונות: תהליך פשוט, תפעול נוח, עלות נמוכה; אפקט טיפול טוב עבור מי מלח מרוכז עם תכולת מתכות כבדות גבוה, המפחית ביעילות את הסיכון לשטיפה של מתכות כבדות; מתאים לתרחישי סילוק חירום.

מגבלות: שחזור משאבים אינו אפשרי; החומר המוצק גדול ותופס משאבי קרקע; עלויות הסילוק גבוהות, וקיים סיכון לשטיפה-לטווח ארוך, מה שמוביל לירידה הדרגתית ביישום שלה.

תרחישים ישימים: טיפול בתמלחת מרוכזת עם תכולת מתכות כבדות גבוהות במיוחד שקשה למיחזור, או צרכי סילוק חירום.

הבחירה בתהליך לטיפול בשפכים של תחנת כוח צריכה להתחשב במאפייני איכות המים, יעדי הטיפול (הזרמה תואמת/אפס פריקה), קנה המידה של תחנת הכוח, התקציב ותנאי האתר. עקרונות הליבה צריכים להיות "ממוקדים ביותר, יעילים מבחינה כלכלית ותפעוליים ביציבות": עבור תחנות כוח קטנות ובינוניות- עם תקציב מוגבל וללא צורך בהשבת משאבים, ניתן להשתמש בתהליך "שיקוע קרישה + סינון חול + אידוי גזי פליטה"; עבור תחנות כוח גדולות עם דרישות פריקה אפס- גבוהות, ניתן להשתמש בתהליך של "שלושה- שלבי ריכוך + סינון אולטרה + אידוי MVR + התגבשות אידוי"; עבור צמחים המתמקדים בהשבת משאבים של מלחים שונים, יש לשלב ננופילטרציה ותהליכי ניטריפיקציה קריוגניים.

לסיכום, טיפול בשפכים של הסרת גופרית מתחנת כוח יצרה מערכת טכנולוגית בוגרת, כאשר לכל תהליך מיינסטרים יש יתרונות וחסרונות משלו: תהליכי טיפול מקדים מתמקדים ב"הסרת טומאה והפחתת קשיות" כדי להבטיח טיפול יציב בהמשך; תהליכי ריכוז עמוקים מתמקדים ב"הפחתת נפח" לאיזון צריכת אנרגיה ועלות; ותהליכי התמצקות/התגבשות מתמקדים ב"חוסר מזיק + ניצול משאבים" לפתרון בעיית סילוק המלח השונות. בעתיד, הפיתוח הטכנולוגי ישתדרג לקראת צריכת אנרגיה נמוכה, ניצול משאבים ומודיעין, אופטימיזציה נוספת של שילובי תהליכים, הפחתת עלויות תפעול, שיפור קצב ניצול המשאבים של מלחים שונים, ויעזור לתעשיית החשמל התרמית להשיג פיתוח ירוק ואיכותי-.