垃圾焚燒電廠廢水綜合利用和“零排放”工藝設(shè)計(jì)

李 敏，陳 冬，孟 鑫，侯靜剛

（江蘇省節(jié)能工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 211100）

近年來，垃圾焚燒發(fā)電處理技術(shù)逐步成為國內(nèi)生活垃圾處理的主要手段[1-2]。隨著環(huán)保要求的提高，環(huán)保部門對垃圾焚燒發(fā)電廠污/廢水排放指標(biāo)的控制更為嚴(yán)格。因此，合理利用垃圾發(fā)電廠內(nèi)的污/廢水，提高電廠內(nèi)的用水效率，實(shí)現(xiàn)垃圾發(fā)電廠污/廢水的零排放，不僅可以減少垃圾發(fā)電廠對環(huán)境的壓力，還可以降低電廠的運(yùn)行成本。

垃圾發(fā)電廠污/廢水的零排放，是指進(jìn)入電廠的水最終以蒸汽的形式蒸發(fā)到大氣中，或以適當(dāng)形式封閉、填埋處理[3]。隨著環(huán)保要求的提高，垃圾發(fā)電廠污/廢水零排放將是垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的發(fā)展方向[4]。

1 主要研究內(nèi)容

選取蘇州的某垃圾焚燒發(fā)電廠，然后對電廠水源地來水和全廠給排水水質(zhì)、水量情況進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)測試結(jié)果繪制出全廠水平衡圖并作出水系統(tǒng)評價(jià)。該發(fā)電廠對自身的污/廢水回用與處理進(jìn)行分析，提出切實(shí)可行的污/廢水處理回用方案，優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)有給排水系統(tǒng)，最終制定出該廠的廢水零排放方案。

2 蘇州某垃圾焚燒發(fā)電廠

該廠總設(shè)計(jì)規(guī)模為日處理垃圾3550 t，目前正在進(jìn)行拆舊建新工程，設(shè)計(jì)日處理規(guī)模將增至5250 t。

2.1 電廠污/廢水利用情況

圖1為該電廠全廠水量平衡圖，由此可以看出，該廠污/廢水沒有充分利用。首先，生活污水排入市政污水管網(wǎng)，沒有在廠區(qū)內(nèi)處理回用；其次，在蘇州電廠調(diào)研期間，工作人員介紹說，該電廠污/廢水零排放的瓶頸在于滲濾液濃水產(chǎn)生量為滲濾液原水量的35%～40%，這部分濃水用于鍋爐回噴和石灰漿制備并不能完全消納，還有大量剩余。該垃圾電廠垃圾滲濾液處理工藝如圖2所示。

圖1 蘇州某電廠水量平衡圖（2016年平均，單位：t/d）

圖2 蘇州某電廠垃圾滲濾液處理工藝流程

2.2 蘇州某電廠污/廢水“零排放”設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)該電廠污/廢水的零排放，首先，生活污水排至滲濾液處理站進(jìn)行合并處理，在廠區(qū)生活污水管網(wǎng)接市政管網(wǎng)處設(shè)置閘門式截流井，同時(shí)在末端污水井中加入潛污泵，輸送生活污水至滲濾液處理系統(tǒng)，經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后回用。

其次，納濾/反滲透濃液經(jīng)DTRO（碟管式反滲透膜工藝）減量化系統(tǒng)再濃縮處理后，能再濃縮60%～70%，產(chǎn)生的最終反滲透濃液量大幅度減少，少量的最終濃液經(jīng)機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)（MVR）處理，最終MVR產(chǎn)生的少量濃縮液回噴于鍋爐。

最終滲濾液站處理后的產(chǎn)水回用于冷卻塔補(bǔ)水、石灰漿用水、飛灰固化用水、煙氣處理反應(yīng)塔、爐排漏灰輸送機(jī)用水、出渣機(jī)灰渣冷卻用水等。改進(jìn)后全廠零排放水量平衡圖如圖3所示。

圖3 蘇州電廠零排放水量平衡圖（單位：t/d）

2.3 濃水處理工藝比較

目前，針對垃圾滲濾液處理的納濾/反滲透濃水，典型的處理方法是蒸發(fā)。溶液的蒸發(fā)通常是指通過加熱使溶液中一部分溶劑汽化，以提高溶液中非揮發(fā)性組分的濃度或使溶質(zhì)從溶液中析出結(jié)晶的過程。通常，溫度越高、液面暴露面積越大，蒸發(fā)速率越快；溶液表面的壓強(qiáng)越低，蒸發(fā)速率越快。膜濃縮液采用蒸發(fā)處理工藝可以減量90%以上[5]。目前，應(yīng)用較多的蒸發(fā)工藝有多效蒸發(fā)、浸沒燃燒蒸發(fā)（SCE）、機(jī)械壓縮蒸發(fā)等。

2.3.1 多效蒸發(fā)

通常，無論在常壓、加壓或真空下進(jìn)行蒸發(fā)，在單效蒸發(fā)器中每蒸發(fā)1 kg的水需要消耗比1 kg多一些的加熱蒸汽。因此，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)過程中，蒸發(fā)大量的水分必須消耗大量的加熱蒸汽。為了減少加熱蒸汽消耗量，可采用多效蒸發(fā)，將加熱蒸汽通入一效蒸發(fā)器，則液體受熱而沸騰，所產(chǎn)生的二次蒸汽的氣壓力和溫度比原加熱蒸汽低（為了易于區(qū)別，在多效蒸發(fā)中常將第一效的加熱蒸汽稱為生蒸汽）。因此，可引入作為后效的加熱介質(zhì)，即后效的加熱室成為前效二次蒸汽的冷凝器，僅第一效需要消耗生蒸汽，這就是多效蒸發(fā)。

多效蒸發(fā)用于垃圾滲濾液濃水處理中多采用強(qiáng)制循環(huán)立式換熱器，污水走換熱管內(nèi)部，蒸汽在換熱管外部，通過強(qiáng)制循環(huán)泵保證換熱管內(nèi)液體流速，防止換熱管堵塞，三效蒸發(fā)工藝流程如圖4所示。

以常州中源、湖州惠鵬達(dá)為代表，目前采用多效蒸發(fā)處理滲濾液濃水的項(xiàng)目僅有深圳老虎坑。在實(shí)際運(yùn)行中，多效蒸發(fā)的蒸發(fā)列管容易受到污染，而且氣泡夾帶污染物進(jìn)入蒸餾水的情況會比較嚴(yán)重。

圖4 并流三效蒸發(fā)流程

2.3.2 浸沒燃燒蒸發(fā)（簡稱SCE）

SCE是利用沼氣作為氣源燃燒對膜濃縮液進(jìn)行加熱及蒸發(fā)處理。燃燒產(chǎn)生的高溫氣體與膜濃縮液直接接觸，使水分得以迅速蒸發(fā)，屬于常壓高溫蒸發(fā)工藝，工藝流程如圖5所示。浸沒燃燒蒸發(fā)是清華大學(xué)岳東北教授的專利技術(shù)，由北京水木湛清公司進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)化，目前已經(jīng)在北京阿蘇衛(wèi)垃圾填埋場、光大鎮(zhèn)江能源垃圾焚燒電廠、首鋼魯家山垃圾焚燒電廠應(yīng)用。

但是，垃圾滲濾液膜過濾濃縮液中通常都含有濃度很高的氯離子，而氯離子在70℃以上的溫度下會對金屬材料產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕作用，這使得設(shè)備腐蝕成為高溫蒸發(fā)處理垃圾滲濾液或濃縮液的主要限制因素[6]。同時(shí)，運(yùn)行受厭氧沼氣產(chǎn)量影響較大。

圖5 浸沒燃燒蒸發(fā)原理

2.3.3 機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)（MVR）

MVR工藝是通過機(jī)械方式對蒸汽進(jìn)行壓縮，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而提高蒸汽溫度的技術(shù)，該工藝將蒸汽、蒸餾水、濃液中的熱量通過熱交換幾乎全部傳遞給原水，因此，在能耗方面較傳統(tǒng)的多效蒸發(fā)節(jié)省很多，MVR工藝流程如圖6所示。

褚貴祥等人采用蒸發(fā)技術(shù)對滲濾液納濾濃縮液進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，其可實(shí)現(xiàn)10倍以上的濃縮，產(chǎn)生的蒸餾水COD（化學(xué)需氧量）小于20 mg/L，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放[7]。

目前，滲濾液處理行業(yè)中MVR技術(shù)較成熟的主要有湖州慧鵬達(dá)節(jié)能環(huán)保科技有限公司、大連廣泰源環(huán)保等公司。

圖6 MVR蒸發(fā)原理

以大連廣泰源環(huán)保、廣東云水謠、廣州中科鑫洲為代表的MVR處理垃圾滲濾液原液和濃縮液，已經(jīng)在長春蘑菇溝垃圾填埋場、三道垃圾填埋場、九臺垃圾填埋場有了應(yīng)用案例。

2.4 濃水處理工藝確定

根據(jù)以上濃水蒸發(fā)工藝的比較，對于三效蒸發(fā)，從深能源三效蒸發(fā)處理DTRO濃水的中試結(jié)果來看，三效蒸發(fā)蒸汽冷凝水COD、氨氮、氯離子均不符合回用標(biāo)準(zhǔn)。所以，不考慮采用三效蒸發(fā)。

比較MVR和SCE，目前兩者都有運(yùn)行案例，但從經(jīng)濟(jì)角度考慮，MVR只消耗電能，運(yùn)行費(fèi)較低，浸沒燃燒蒸發(fā)（SCE）由于受到厭氧沼氣量的影響，需要額外增加天然氣作為能源，運(yùn)行費(fèi)用高。因此，濃水蒸發(fā)工藝選擇機(jī)械式蒸汽再壓縮（MVR）。

目前，蘇州項(xiàng)目滲濾液處理站已增加DTRO工藝，最終DTRO濃水?dāng)?shù)量為反納濾/滲透濃水出水的30%。MVR用來處理DTRO濃水，可以蒸發(fā)90%的水量，剩余10%的濃縮液，這部分濃縮液回噴于焚燒爐處理。

根據(jù)湖州慧鵬達(dá)節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰緢?bào)價(jià)，MVR設(shè)備費(fèi)用為720萬元，每處理1 t濃水需要耗電約30 kW·h，蘇州電廠DTRO濃水約為154 t/d，計(jì)算出來電費(fèi)約為66萬元/年。每處理1 t濃水，藥劑費(fèi)約為3元，藥劑包括消泡劑、阻垢劑及酸，計(jì)算出來藥劑費(fèi)用為19萬元/年。蘇州電廠MVR工藝處理費(fèi)用如表1所示。

表1 蘇州電廠滲濾液濃水MVR處理費(fèi)用

2.5 蘇州電廠“零排放”方案投資與效益估算

根據(jù)蘇州電廠污/廢水的“零排放”設(shè)計(jì)，相應(yīng)的投資費(fèi)用需要增加，對給排水管網(wǎng)進(jìn)行改造，初步估計(jì)給排水管網(wǎng)改造費(fèi)用為30萬元。機(jī)械式蒸汽再壓縮（MVR）設(shè)備費(fèi)用為720萬元，每年運(yùn)行費(fèi)用為85萬元。

蘇州電廠“零排放”設(shè)計(jì)方案效益主要來自于新鮮用水量減少而節(jié)約的水費(fèi)，蘇州電廠目前工業(yè)用水價(jià)格為4元/t；每年可以減少取水量約為169360 t，所以每年可以節(jié)約水費(fèi)約68萬元。其次，可以減少排污費(fèi)用，每年外排污水為13萬t，排污費(fèi)按3元/t計(jì)算，每年可以減少排污費(fèi)約為39.0萬元。工程凈效益為107萬元/年。

綜上所述，蘇州電廠“零排放”設(shè)計(jì)方案總投資為750萬元，每年運(yùn)行費(fèi)用約為：85萬元，每年凈效益為107萬元。投資回收年限約為34年。

3 建立水務(wù)信息管理平臺

建立蘇州電廠的水務(wù)信息管理平臺，建立工業(yè)生產(chǎn)水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、生活水系統(tǒng)的給水、排水及滲濾液、雨水系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息庫，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測、保存、輸出以及設(shè)備控制，為實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用奠定基礎(chǔ)。

信息管理平臺可對全廠給水、排水系統(tǒng)進(jìn)行水務(wù)綜合管理，通過全廠水量平衡，監(jiān)測各用水點(diǎn)及排水點(diǎn)的水量、水質(zhì)情況，確定達(dá)標(biāo)的垃圾滲濾液、生活污水及雨水的回用點(diǎn)，根據(jù)水質(zhì)水量等信息對污/廢水循環(huán)利用系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)調(diào)控。

4 結(jié)語

為了綜合利用廢/污水，蘇州某垃圾焚燒發(fā)電廠積極進(jìn)行“零排放”工藝設(shè)計(jì)，具體措施包括：生活污水排到滲濾液站合并處理；納濾/反滲透濃水經(jīng)DTRO減量化系統(tǒng)再濃縮處理后，產(chǎn)生的濃水再經(jīng)MVR處理，最終少量濃縮液回噴于鍋爐。滲濾液處理后的水回用于爐排漏灰輸送機(jī)用水、出渣機(jī)灰渣冷卻用水、飛灰固化用水和煙氣處理反應(yīng)塔，實(shí)現(xiàn)了污/廢水零排放的目的。

參考文獻(xiàn)

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3 宋瑞祥.零排放——后工業(yè)社會的夢想與現(xiàn)實(shí)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2003.

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