垃圾焚燒發(fā)電廠廢水“零排放”實(shí)例

孫紀(jì)康，王苑穎

（上海黎明資源再利用有限公司，上海 200000）

伴隨我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，生活垃圾產(chǎn)生量逐年激增。由于生活垃圾焚燒處理的無害化、減量化、資源化效果顯著，近年來，它在我國得到快速發(fā)展，逐步成為城市生活垃圾處理的新趨勢[1-2]。但隨著公眾污染防范意識(shí)的不斷提高，垃圾焚燒發(fā)電廠址越來越遠(yuǎn)離市區(qū)，市政設(shè)施缺乏，取水排水困難；《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（水十條）等法律法規(guī)的出臺(tái)，對水資源利用及污染防治也提出了更高的要求。生活垃圾焚燒發(fā)電廠各系統(tǒng)用水對水質(zhì)的要求區(qū)別很大，若能通過廠內(nèi)分類處理，分級(jí)使用，消耗內(nèi)部的廢排水，既能達(dá)到廢水零排放，又能節(jié)約用水量，可獲得“環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)”多重效益[3]。

所謂零排放，是指進(jìn)入垃圾焚燒發(fā)電廠的水最終以蒸汽的形式蒸發(fā)到大氣中，或以適當(dāng)?shù)男问椒忾]、填埋處理[4-5]。目前，垃圾焚燒發(fā)電廠產(chǎn)生的工業(yè)廢水普遍是經(jīng)處理后排入當(dāng)?shù)氐氖姓鬯芫W(wǎng)，最終經(jīng)城市污水處理廠處理達(dá)標(biāo)后排放。長沙市生活垃圾清潔焚燒項(xiàng)目（以下簡稱長沙焚燒項(xiàng)目）地處長沙市北面，距離長沙市中心直線距離約20 km，廠內(nèi)全部生產(chǎn)生活用水均由一條全長15.3 km、高差近120 m 的湘江取水管線承擔(dān)，取水的維護(hù)和運(yùn)營成本較高。如圖1所示，其中兩段帶圓點(diǎn)的線條即為長沙項(xiàng)目取水管線。另外，項(xiàng)目環(huán)評(píng)批復(fù)要求做到全部污水處理后回用、不外排?；趦烧叩木C合約束，實(shí)現(xiàn)廢水零排放、深度無害化處理回用、一水多用、梯級(jí)開發(fā)利用對長沙焚燒項(xiàng)目來說是十分必要的。

圖1 長沙項(xiàng)目取水管線示意圖

1 項(xiàng)目基本情況

1.1 項(xiàng)目概況

長沙焚燒項(xiàng)目是長沙市第一座垃圾焚燒發(fā)電廠，也是目前全國在運(yùn)營狀態(tài)規(guī)模最大的垃圾焚燒發(fā)電廠，由浦湘生物能源股份有限公司（以下簡稱浦湘）為項(xiàng)目業(yè)主采用BOT 模式，投資建設(shè)和運(yùn)營。長沙焚燒項(xiàng)目于2017年底開始調(diào)試，2018年3月完成168 h 試運(yùn)行，廠址位于長沙市望城區(qū)橋驛鎮(zhèn)沙田村，設(shè)計(jì)日處理生活垃圾5 100 t，年處理垃圾量約180 萬t。配制6臺(tái)850 t/d 的機(jī)械爐排焚燒爐,6 臺(tái)中溫中壓臥式余熱鍋爐和4 臺(tái)25 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組。

1.2 項(xiàng)目給水設(shè)計(jì)

全廠給水系統(tǒng)主要分為循環(huán)用水系統(tǒng)、生產(chǎn)用水以及生活用水系統(tǒng)，如圖2所示。其中，循環(huán)用水系統(tǒng)以敞開式循環(huán)冷卻塔為起點(diǎn)、終點(diǎn)，設(shè)有汽機(jī)循環(huán)用水（主要用戶為汽機(jī)凝汽器、空冷器、冷油器）、能源站冷卻用水、污水站冷卻用水、工業(yè)用水（主要用戶為汽水取樣冷卻用水、水環(huán)真空泵冷卻用水、各煙氣設(shè)備冷卻用水、灰渣處理等）；生產(chǎn)用水主要為化學(xué)除鹽水制備、消防用水和污水處理生產(chǎn)用水。生活用水系統(tǒng)主要供給廠區(qū)員工辦公生活用水。

圖2 全廠給水系統(tǒng)簡圖

1.3 項(xiàng)目污、廢水設(shè)計(jì)情況介紹

全廠廢水系統(tǒng)包括垃圾滲濾液處理系統(tǒng)、生產(chǎn)廢水處理系統(tǒng)、生活廢水處理系統(tǒng)以及雨水排水系統(tǒng)。其中，三種污水經(jīng)污水處理系統(tǒng)處理后達(dá)到《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》（GB/T 19923-2005）標(biāo)準(zhǔn)回用至冷卻塔作為生產(chǎn)用水；雨水經(jīng)雨水管網(wǎng)匯集后進(jìn)入初級(jí)雨水收集池，經(jīng)生活污水處理或用于道路灑水與綠植澆灌等。圖3 為三種污水處理系統(tǒng)工藝簡圖。

1.4 初期零廢水排放設(shè)計(jì)水平衡

廢水零排放需要最大程度地控制生產(chǎn)過程中的廢水排放，盡可能地進(jìn)行優(yōu)質(zhì)清潔廢水的循環(huán)使用和廢水處理后的再利用，同時(shí)要保證足夠的水質(zhì)監(jiān)測手段，增加其運(yùn)行的可靠性，實(shí)現(xiàn)一水多用、梯級(jí)使用、廢水回用。

圖3 污水處理工藝流程簡圖

依據(jù)環(huán)評(píng)批復(fù)和初期給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，長沙焚燒項(xiàng)目進(jìn)行了初期的廢水零排放規(guī)劃與實(shí)施。滲濾液、生產(chǎn)工業(yè)廢水和生活污水，三種污水總共計(jì)近 3 000 m3/d，分別經(jīng)相應(yīng)工藝處理后，清液達(dá)標(biāo)回用至循環(huán)冷卻塔。滲濾液和生產(chǎn)廢水處理過程中產(chǎn)生的膜濃縮液，分別經(jīng)DTRO 和DTNF 進(jìn)一步減量化后，清液達(dá)標(biāo)回用至循環(huán)冷卻塔，減量的濃縮液回噴至焚燒爐爐膛或用于爐渣冷卻消耗。此部分將約3 000 m3/d 的污水處理后壓縮至約370 m3/d 的濃縮液回噴至焚燒爐內(nèi)消納，產(chǎn)生的污泥經(jīng)廠內(nèi)污泥干化處理后輸送至焚燒爐內(nèi)，與生活垃圾一同摻燒，有效地消耗解決了污水處理終端產(chǎn)物，最大程度地保證發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益。取用水中約80%的新水被用作循環(huán)冷卻塔的補(bǔ)水，污水處理后約2 000 m3/d 的達(dá)標(biāo)清液回用，占循環(huán)冷卻塔總補(bǔ)水量的28%，有效降低了生產(chǎn)取水量，具有極大的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。圖4為長沙焚燒項(xiàng)目初期廢水零排放運(yùn)行水平衡圖，圖中數(shù)值的單位均為m3/d。

2 廢水零排放深度研究優(yōu)化

2.1 初期廢水零排放全廠水系統(tǒng)評(píng)價(jià)

參考《火力發(fā)電廠能量平衡導(dǎo)則 第5 部分：水平衡試驗(yàn)》（DL/T 606-2009），對全廠水系統(tǒng)的重復(fù)利用率、排放水率、廢水回用率等指標(biāo)進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)；參考《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50050-2017）對循環(huán)水濃縮倍數(shù)進(jìn)行計(jì)算、分析。

（1）全廠總?cè)∷?、總用水量、?fù)用水量、循環(huán)水量、回用水量等計(jì)算公式如下：

式中，Qz為總用水量，m3/d；Qq為取水量，m3/d；Qf為復(fù)用水量，m3/d；Qxh為循環(huán)水量，m3/d；Qcy為串用水量，m3/d；Qhy為回用水量，m3/d。

（2）全廠重復(fù)利用率、排放水率、廢水回用率的計(jì)算公式如下：

圖4 長沙焚燒項(xiàng)目初期廢水零排放運(yùn)行水平衡圖

式中，R為重復(fù)利用率，%；kp為排放水率，%；Qp為總排放水量，m3/d；kf為廢水回用率，%；Qfsh為全廠回收利用的廢水總量，m3/d；Qfs為生產(chǎn)過程中產(chǎn)生廢水總量，m3/d。

（3）間冷開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)濃縮倍數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，Qm為補(bǔ)水量，m3/d；Qe為蒸發(fā)損失，m3/d；Qw為風(fēng)吹損失，m3/d；Qb為排污損失，m3/d。

由圖4 可知，循環(huán)水蒸發(fā)損失為6 126 m3/d，排污損失為750 m3/d,風(fēng)吹損失為817 m3/d，循環(huán)水濃縮倍率經(jīng)計(jì)算為4.91，屬于高效節(jié)水范圍。按式（1）～式（6）計(jì)算出全廠其他數(shù)據(jù)情況，如表1所示，可知全廠重復(fù)利用率為98.03%，廢水回收率為100%，排放水率為0%?？梢姵跗诘膹U水零排放運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了高效的廢水重復(fù)利用效果，全廠水系統(tǒng)基本上達(dá)到了一個(gè)很好的平衡點(diǎn)。

表1 長沙焚燒項(xiàng)目初期水平衡水量關(guān)系

2.2 出現(xiàn)的問題

長沙焚燒項(xiàng)目于2018年1月開始調(diào)試運(yùn)行，于2018年3月底完成全廠168 h 滿負(fù)荷試驗(yàn)。2018年全年滲濾液產(chǎn)生情況如圖5所示，滲濾液產(chǎn)生量基本上處于一個(gè)較平穩(wěn)的狀態(tài)，7、8月份為全年滲濾液產(chǎn)生量高峰期。伴隨著的問題即為該期間垃圾滲濾液處理產(chǎn)生的濃縮液量也達(dá)到最高值，當(dāng)月濃縮液回噴量無法完全與濃縮液產(chǎn)生量持平，多余的需暫存在廠內(nèi)容積有限的濃縮液池，待至滲濾液產(chǎn)生量低下去的9月份多回噴消納。

①由決策對象i關(guān)于決策指標(biāo)j的量化評(píng)價(jià)值xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)可得到?jīng)Q策矩陣X=(xij)n×m。

圖5 2018年長沙焚燒項(xiàng)目日均垃圾進(jìn)廠及滲濾液產(chǎn)生情況

在正常進(jìn)行阻垢劑、殺菌劑投加處理的情況下，初期濃縮倍數(shù)約4.91、高效節(jié)水的循環(huán)水系統(tǒng)，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)逐漸有趨向“結(jié)垢性水質(zhì)”的威脅。圖6、圖7 為2018年2月至2018年7月循環(huán)水各指標(biāo)化驗(yàn)結(jié)果月均值變化曲線，總體均呈上漲趨勢，“鈣硬度+全堿度”逼近1 000 mg/L。

圖6 循環(huán)水指標(biāo)變化①

同時(shí)，由表2 中循環(huán)水及循環(huán)水補(bǔ)水中電導(dǎo)化驗(yàn)結(jié)果可知，廠內(nèi)循環(huán)水的兩路補(bǔ)水、湘江原水凈化后的補(bǔ)水水質(zhì)一般變化不大，但污水處理清液回用部分的水質(zhì)波動(dòng)較大。由表中化驗(yàn)數(shù)據(jù)制圖，如圖8所示，分別生成各自趨勢線得出三者間的線性關(guān)系。很明顯，廠內(nèi)循環(huán)水水質(zhì)變化不僅受運(yùn)行及環(huán)境氣候變化的影響，與污水處理回用清液水質(zhì)變化也呈現(xiàn)很大的相關(guān)性。綜上所述，循環(huán)水濃縮倍數(shù)的控制、補(bǔ)水量以及排污量的控制不僅需要根據(jù)運(yùn)行和氣候的變化進(jìn)行調(diào)整，還需對污水處理回用清液的水質(zhì)進(jìn)行有效的跟蹤把控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理因其水質(zhì)變化可能對循環(huán)水產(chǎn)生沖擊的因素。

表2 2018年循環(huán)水及其補(bǔ)水電導(dǎo)率月均值（2-7月）

圖8 循環(huán)水、凈水器補(bǔ)水、清液回用線性關(guān)系

2.3 解決對策

2.3.1 提升濃縮液消耗量

（1）加大濃縮液爐內(nèi)回噴。在垃圾熱值較高、不影響焚燒爐燃燒工況的情況下，加大每臺(tái)爐的濃縮液回噴量。長沙焚燒項(xiàng)目實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值顯示，每回噴1 t 濃縮液，將損失463.64～514.28 kW·h 的發(fā)電量，上網(wǎng)電價(jià)以0.50 元/（kW·h）計(jì)算，即每消耗1 t 濃縮液，至少損失200 元電費(fèi)。顯然，經(jīng)濟(jì)效益損失是巨大的。所以，該項(xiàng)措施只在全年滲濾液產(chǎn)量高峰期考慮采用，應(yīng)急消納濃縮液。

（2）濃縮液回用飛灰固化。長沙焚燒項(xiàng)目飛灰主要來自煙氣處理半干式脫酸系統(tǒng)底部灰與布袋除塵捕捉下來的灰，飛灰的成分復(fù)雜，其中含有較高濃度的容易被水浸出的鉛、鎘、銅、鉻和鋅等重金屬以及具有很強(qiáng)危害性的二噁英和呋喃。所以，飛灰需在廠區(qū)內(nèi)經(jīng)螯合固化達(dá)標(biāo)后轉(zhuǎn)運(yùn)至危廢處置中心填埋處置。而飛灰螯合固化對水質(zhì)無要求，故加入滲濾液處理后的濃縮液對飛灰固化效果無影響，還能消耗一定的濃縮液量，減少了入爐燃燒導(dǎo)致發(fā)電量減少的高處理成本，實(shí)現(xiàn)了濃縮液的資源化利用。該方案長沙焚燒項(xiàng)目正在試驗(yàn)探索中。

（3）濃縮液回用石灰漿制備。高濃度滲濾液處理系統(tǒng)中納濾處理超濾清液，產(chǎn)生的納濾濃縮液中富集了大部分的鹽分、少量難生化降解或不可生化降解的有機(jī)物以及殘留的含氮類化合物。此部分濃縮液經(jīng)DTNF 減量化處理后再次產(chǎn)生的濃縮液中，含有大量難降解的COD，但電導(dǎo)率較低，溶解性固體含量較低。同時(shí)，半干法對所用水水質(zhì)沒有要求，最終有害物質(zhì)可以隨飛灰一起進(jìn)行穩(wěn)定無害化處理。故考慮將部分納濾濃液減量化后的濃縮液用于焚燒廠內(nèi)煙氣處理反應(yīng)塔的石灰漿制備，既不會(huì)對煙氣指標(biāo)控制產(chǎn)生影響，又能消耗終端濃縮液產(chǎn)量。濃縮液回用于石灰漿制備的技術(shù)已在多個(gè)垃圾焚燒發(fā)電廠應(yīng)用實(shí)施。目前，長沙項(xiàng)目正在進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)改造中。

2.3.2 控制循環(huán)水水質(zhì)

（1）嚴(yán)密監(jiān)控污水系統(tǒng)運(yùn)行及回用清液水質(zhì)。由前文分析可知，中水回用部分補(bǔ)水對循環(huán)水的水質(zhì)有很大程度的影響。故對污水處理系統(tǒng)提出了更嚴(yán)格的運(yùn)行要求，按需設(shè)定了廠內(nèi)較《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》（GB/T 19923-2005）更加嚴(yán)格的清液回用標(biāo)準(zhǔn)。表3 中化驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，之后回用清液的水質(zhì)得到了明顯的改善，循環(huán)水的電導(dǎo)率也處于可接受的浮動(dòng)范圍之內(nèi)。

表3 2018年循環(huán)水及污水處理回用清液電導(dǎo)率月均值（8-12月）

（2）增大循環(huán)水排污量。不同于循環(huán)水電導(dǎo)的控制，硬度只有通過循環(huán)水合理的補(bǔ)排水，即控制濃縮倍數(shù)才能進(jìn)行有效調(diào)節(jié)?；诔霈F(xiàn)的問題，采取措施的考慮方向?yàn)樵龃笱h(huán)水的排污量，同時(shí)又不增加全廠的耗水成本。故對廠內(nèi)部分系統(tǒng)排放水水質(zhì)做了一次綜合分析。

表4 為部分化驗(yàn)數(shù)據(jù)，可見生活制水設(shè)備反洗排水及除鹽水設(shè)備反洗水較循環(huán)水水質(zhì)要好，而廠內(nèi)低濃度無機(jī)廢水處理系統(tǒng)接收的廢水為除鹽水水設(shè)備反洗水及循環(huán)水排污水，此處存在明顯的資源排放現(xiàn)象。考慮將除鹽水設(shè)備反洗水及生活制水設(shè)備反洗水作為優(yōu)質(zhì)清潔廢水，直接補(bǔ)入循環(huán)水系統(tǒng)中。這樣既能實(shí)現(xiàn)資源重復(fù)利用，增加循環(huán)水的補(bǔ)水，又能讓低濃度無機(jī)廢水處理系統(tǒng)全部接收循環(huán)水排污水，加大循環(huán)水的排污量。

表4 各系統(tǒng)排放水水質(zhì)分析

2.4 優(yōu)化后廢水零排放全廠水平衡

經(jīng)過初期零排放水平衡運(yùn)行，出現(xiàn)問題并實(shí)施相應(yīng)解決對策后，形成目前長沙焚燒項(xiàng)目廢水零排放水平衡圖，如圖9所示。圖中，相關(guān)數(shù)值的單位均為m3/d。

圖9 優(yōu)化后長沙焚燒項(xiàng)目零排放運(yùn)行水平衡圖

此時(shí)，全廠水平衡數(shù)量關(guān)系如表5所示，與初期零排放水平衡相比，總用水量、復(fù)用水量和串用水量都相對上升，但是取水量和低濃度無機(jī)污水接收量沒有上漲；全廠重復(fù)利用率為98.04%，廢水回收率為100%，排放水率為0%，循環(huán)水濃縮倍率為4.01。這樣不僅可以有效地保證節(jié)水，加大循環(huán)水的排污，還可以適當(dāng)控制和降低循環(huán)水濃縮倍數(shù)，改善循環(huán)水水質(zhì)。

表5 長沙焚燒項(xiàng)目現(xiàn)行水平衡水量關(guān)系

3 廢水零排放運(yùn)行效果

3.1 環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益可觀

長沙焚燒項(xiàng)目廢水零排放運(yùn)行的實(shí)施預(yù)計(jì)可減少廢水排放944 467.2 m3/a，實(shí)現(xiàn)COD 減排約250 t/a，環(huán)保效益非常顯著。若長沙焚燒項(xiàng)目湘江取水以2 元/m3計(jì)算，全廠回用水量、復(fù)用水量為2 000 m3/d、1 118 m3/d，每天可減少的湘江取水量為3 118 m3/d，可節(jié)約水費(fèi)6 236 元/d。另外，項(xiàng)目無需外排污水，可減少一定的排污費(fèi)用及送至其他污水處理廠處理的費(fèi)用。實(shí)現(xiàn)污水零排放的經(jīng)濟(jì)效益也相當(dāng)可觀。

3.2 循環(huán)水水質(zhì)良好可控

2018年8-12月循環(huán)水水質(zhì)詳細(xì)情況如表6所示。表中數(shù)據(jù)表明，“總堿度+鈣硬度”全年均值在800 mg/L 左右，完全符合《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50050-2017）中規(guī)定要求；水質(zhì)整體沒有腐蝕結(jié)垢傾向，滿足高濃縮倍數(shù)下的運(yùn)行 要求。

表6 2018年8-12月循環(huán)水化驗(yàn)數(shù)據(jù)月均值

3.3 凝汽器換熱效果良好

廢水零排放運(yùn)行期間，凝汽器真空數(shù)值如圖10所示，全年數(shù)值均在-90.00 kPa以上，有效保證了汽輪機(jī)的熱循環(huán)效率。

圖10 2018年零排放運(yùn)行期間凝汽器真空均值

3.4 凝汽器水側(cè)管束光滑潔凈

圖11 為2018年6月至2019年1月各機(jī)組檢修時(shí)的凝汽器現(xiàn)場水側(cè)管束照片，可見設(shè)備水側(cè)管束潔凈顯金屬本色，無腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。這也反映出廢水零排放期間循環(huán)水水質(zhì)控制取得了良好的 效果。

圖11 各機(jī)組檢修時(shí)凝汽器現(xiàn)場水側(cè)管束照片

4 結(jié)語

垃圾焚燒發(fā)電廠廢水零排放是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題，既需要從整體運(yùn)作考慮，結(jié)合焚燒廠各用水環(huán)節(jié)，采取合理的措施實(shí)現(xiàn)一水多用、水資源梯級(jí)利用；又需要統(tǒng)籌規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)水量平衡。長沙焚燒項(xiàng)目積極進(jìn)行廢水零排放工藝設(shè)計(jì)，不斷攻堅(jiān)創(chuàng)新：大量無機(jī)清潔廢水直接補(bǔ)入循環(huán)冷卻水，減少污水處理成本和終端濃縮液產(chǎn)生量；滲濾液、生產(chǎn)廢水以及生活污水處理后的清液回用至循環(huán)冷卻水補(bǔ)水，剩余的少量濃縮液經(jīng)DTRO 減量化處理后回噴至爐膛或回用于飛灰固化和石灰漿制備；兼顧治水、管水、節(jié)水，找到了系統(tǒng)的平衡點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)了全廠廢水零排放。