垃圾焚燒發(fā)電廠供排水及處理系統(tǒng)設(shè)計分析

陳子華

（上海康恒環(huán)境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

世界銀行數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，當(dāng)前全球每年產(chǎn)生的垃圾量高達20.1億t，預(yù)計到2050年，全球垃圾產(chǎn)生量將達到34億t/a[1]。據(jù)預(yù)測，2035年我國垃圾清運量將達5.5億t[2]。目前，垃圾處理的主要技術(shù)為衛(wèi)生填埋、堆肥、回收和焚燒。早在2015年，全球垃圾焚燒總量已超過70萬t/d，且集中在歐盟、美國、日本等發(fā)達國家[2]。在我國《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》中明確到 2020 年底，具備條件的直轄市、計劃單列市和省會城市（建成區(qū)）實現(xiàn)原生垃圾“零填埋”，建制鎮(zhèn)實現(xiàn)生活垃圾無害化處理能力全覆蓋；設(shè)市城市生活垃圾焚燒處理能力占無害化處理總能力的50%以上，其中東部地區(qū)達到60%以上[3]。事實上，2003—2018年，我國垃圾焚燒量增加了近30倍；2019年全國范圍內(nèi)擬將建設(shè)的涉及垃圾焚燒的項目多達426項，覆蓋了全國29個省、市、自治區(qū)；預(yù)計“十三五”末期，全國城市垃圾焚燒建成的項目將突破550座，焚燒處理規(guī)模有望達到或超過55萬t/d，焚燒處理占比將超過50%[4]。我國將很快進入“焚燒為主，填埋托底”的垃圾終端處理格局[5]。垃圾焚燒發(fā)電在緩解化石能源消耗、提升可再生能源占有率以及助力“無廢城市”建設(shè)、破解“垃圾圍城”的環(huán)保難題方面扮演著越來越重要的角色。

生產(chǎn)用水、生活用水的供應(yīng)作為垃圾焚燒發(fā)電廠的重要組成部分，對整個焚燒廠的運轉(zhuǎn)起著重要的作用，甚至影響著垃圾焚燒發(fā)電的效率。垃圾焚燒發(fā)電項目建設(shè)地的水源、水質(zhì)等水資源狀況、市政供水條件對焚燒廠生產(chǎn)、生活供水模式影響極大；焚燒廠建設(shè)地污、廢水排水條件及執(zhí)行的污水排放標(biāo)準(zhǔn)的差異性也顯著影響著焚燒廠污、廢水處理的模式及處理工藝的選擇。“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃收官之年，本文對我國垃圾焚燒發(fā)電廠供水及處理、污廢水及其處理系統(tǒng)的設(shè)計進行分析總結(jié)，以期能對“十四五”期間垃圾焚燒發(fā)電廠的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)及運營起到一定的指導(dǎo)作用。

1 給水及處理系統(tǒng)

1.1 生活給水

垃圾焚燒發(fā)電廠生活用水水源一般包括：市政自來水、凈化后的地表水（江水、河水、湖泊、水庫水等）、地下水（井水等）。生活用水量根據(jù)《GB 50015-2019建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》進行設(shè)計。圖1所示為垃圾焚燒發(fā)電廠典型的生活用水供水模式。當(dāng)采用地表水、地下水作為生活供水水源時，原水經(jīng)一體化凈水設(shè)備處理，出水經(jīng)生活凈水裝置處理達到《GB 5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》后進入生活水箱，經(jīng)生活供水設(shè)備及紫外消毒器消毒后作為廠區(qū)生活用水供至各生活用水點。其中，生活凈水裝置采用的工藝根據(jù)水源水質(zhì)不同有所差異，“預(yù)處理+超濾+反滲透”工藝應(yīng)用較為廣泛。

圖1 垃圾焚燒發(fā)電廠生活用水供水模式

1.2 生產(chǎn)給水

1.2.1 生產(chǎn)用水水源

垃圾焚燒發(fā)電廠生產(chǎn)用水主要包括循環(huán)冷卻水系統(tǒng)及空冷尖峰冷卻系統(tǒng)補水、除鹽水系統(tǒng)原水、澆灌綠化、道路澆灑、其它生產(chǎn)用水項目、未預(yù)見水等用水項目。生產(chǎn)用水主要采用市政自來水、地表水、中水等作為水源。目前，海水淡化后作為生產(chǎn)用水在國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電應(yīng)用較少。采用地表水、市政中水作為生產(chǎn)水源時，原水經(jīng)處理達到《GB/T 19923—2005城市污水再生利用—工業(yè)用水水質(zhì)》表1 敞開式循環(huán)冷卻水補充水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及電力行業(yè)同類型中水用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水的相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)后進入生產(chǎn)和消防合用水池供生產(chǎn)和消防使用。

1.2.2 生產(chǎn)給水處理系統(tǒng)規(guī)模

生產(chǎn)給水處理系統(tǒng)的規(guī)?？砂凑帐剑?）計算確定：

式中：Qm—循環(huán)水系統(tǒng)補水量及空冷尖峰冷卻系統(tǒng)補水；Q1—其它生產(chǎn)用水及未預(yù)見水量；Q2、Q3—化水系統(tǒng)原水量、濃水量；Q4—鍋爐定、連排污水量；Q5—工業(yè)廢水處理站清水量；Q6—滲濾液處理站清水量；Q7—洗煙、減濕廢水處理站清水量。

為克服濕式冷卻水系統(tǒng)蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失及排污損失需要消耗大量的新鮮生產(chǎn)水且在冬季易形成大量水霧的問題，空冷系統(tǒng)在我國“三北”地區(qū)及富煤缺水或干旱地區(qū)火電廠廣泛應(yīng)用[6-8]。且相比于水冷系統(tǒng)，空冷機組存在高背壓的問題，夏季仍然需要通過采用干式冷卻、濕式尖峰冷卻、干濕混合式尖峰冷卻等技術(shù)提高系統(tǒng)真空[7,9]，尖峰冷卻系統(tǒng)仍需進行補水。目前，空冷系統(tǒng)在垃圾焚燒發(fā)電廠應(yīng)用較少，依舊以循環(huán)水冷卻系統(tǒng)為主。

循環(huán)水系統(tǒng)水量QX由凝汽器冷卻水Q8、冷油器、空冷器、風(fēng)機、泵類、空壓機、液壓站等輔機設(shè)備冷卻水Q9以及其他使用循環(huán)水冷卻的冷卻水Q10組成。

其中，凝汽器的冷卻水量占主要部分，該部分水量可根據(jù)式（3）確定：

式中：De—凝汽器進汽量，通常按照鍋爐蒸發(fā)量的75%～80%設(shè)計；m—冷卻倍率。

一般情況下，汽輪機背壓隨著凝汽器冷卻水量的增加而降低，從而汽輪機出力提高；與此同時，循環(huán)水泵的容量也隨之增加，耗電量增加。當(dāng)汽輪機提高的出力與循環(huán)水泵增加的電耗之差最大時的m為最佳冷卻倍率。根據(jù)工程經(jīng)驗，m按照北方地區(qū)60～70、中部地區(qū)65～75、南方地區(qū)70～80設(shè)計[10]。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補水量Qm可按照式（4）計算確定，

式中：Qe、Qw、Qb—蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失、排污損失；N—循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計濃縮倍率，根據(jù)水源水質(zhì)確定。

根據(jù)《GB/T 50102-2014工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范》及《GB/T 50050-2017工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》，Qe、Qw、Qb可分別按照式（5）、（6）、（7）計算確定[11,12]。

式中：Δt—循環(huán)冷卻水進、出冷卻塔溫差，通常設(shè)計為8～10℃；K—蒸發(fā)損失系數(shù)；P—冷卻塔收水器與進風(fēng)口的風(fēng)吹損失百分率，當(dāng)缺乏測試數(shù)據(jù)時按0.01%設(shè)計。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)置循環(huán)水加藥裝置及旁濾裝置。根據(jù)《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》，間開式冷卻系統(tǒng)旁濾裝置規(guī)模按照循環(huán)水量的1%～5%設(shè)計[12]。

根據(jù)式（1）～（7），不難發(fā)現(xiàn)鍋爐蒸發(fā)量、冷卻倍率及滲濾液站、工業(yè)廢水處理站、洗煙減濕廢水處理站設(shè)置及出水回用量為焚燒廠生產(chǎn)給水處理系統(tǒng)規(guī)模的決定性因素。

1.2.3 生產(chǎn)給水處理系統(tǒng)處理工藝

圖2所示為垃圾焚燒發(fā)電廠廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)給水處理工藝流程圖。圖2（a）所示的一體化凈水裝置用于去除地表水為生產(chǎn)水源時進水中的SS和濁度。目前，我國大部分市政污水處理廠出水指標(biāo)執(zhí)行《GB 18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級A標(biāo)準(zhǔn)，其中部分指標(biāo)執(zhí)行《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》V類或者IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)采用此類市政中水或硬度較大地表水作為水源時設(shè)計圖2（b）所示中水處理工藝，該工藝主要通過投加液堿、純堿、PAC和PAM 進行軟化，軟化調(diào)節(jié)pH值后采用膜工藝進行固液分離以降低原水硬度及含鹽量而達到補水標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 垃圾焚燒發(fā)電廠生產(chǎn)用水供水模式

生產(chǎn)給水凈化系統(tǒng)按照1用1備配置設(shè)計，出水水質(zhì)指標(biāo)通常按照濁度≤3NTU，其余指標(biāo)需滿足《GB/T 19923-2005城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》規(guī)定的濃度限值，同時不大于進水對應(yīng)值的要求進行設(shè)計。生產(chǎn)給水凈化系統(tǒng)出水進入生產(chǎn)和消防合用水池后經(jīng)工業(yè)新水泵提升至各用水點。

1.3 化水系統(tǒng)

表1為化水系統(tǒng)規(guī)模及工藝，從表中可看出化水系統(tǒng)的原水主要有市政自來水、一體化凈化器凈化后地表水、中水處理系統(tǒng)處理后市政中水；同時，垃圾焚燒發(fā)電廠化水系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的工藝為“預(yù)處理系統(tǒng)+超濾+兩級反滲透工藝+EDI”?；到y(tǒng)出水達到《GB/T 12145-2016火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后用于鍋爐補給水、煙氣凈化尿素或氨水稀釋、閉式冷卻系統(tǒng)補水、真空泵補水、化驗室用水等?；到y(tǒng)設(shè)計規(guī)模按照《GB 50049-2011小型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》等規(guī)范設(shè)計確定，其與垃圾焚燒項目規(guī)?？傮w呈正相關(guān)的關(guān)系。

表1 化水系統(tǒng)處理工藝及規(guī)模

1.4 消防給水系統(tǒng)

消防用水儲存于生產(chǎn)、消防合用水池內(nèi)并設(shè)置水位控制系統(tǒng)以確保消防用水不被動用。消防用水量根據(jù)《GB 50974-2014消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》《GB 50016-2014建筑設(shè)計防火規(guī)范》等規(guī)范設(shè)計。焚燒廠廠區(qū)設(shè)置環(huán)狀消防給水管網(wǎng)，采用消防泵增壓的臨時高壓消防給水系統(tǒng)并設(shè)置消防水箱及穩(wěn)壓裝置。

2 污、廢水排水及處理系統(tǒng)

垃圾焚燒發(fā)電項目污、廢水排水采用雨污分流、清濁分流制，分為生活排水系統(tǒng)、生產(chǎn)排水系統(tǒng)、雨水排水系統(tǒng)、初期雨水收集排水系統(tǒng)、滲濾液收集系統(tǒng)。生活污水、雨水、初期雨水、生產(chǎn)廢水、滲濾液等分別設(shè)置排水管網(wǎng)單獨收集。

2.1 生活污水

對于焚燒廠外有市政管網(wǎng)的焚燒廠，生活污水通過廠區(qū)生活污水管網(wǎng)收集后排至市政管網(wǎng)；對于要求“零排放”的焚燒廠，生活污水經(jīng)化糞池后：①經(jīng)生活污水提升泵排至生活污水處理系統(tǒng)（包括園區(qū)污水綜合處理站等）；②排至滲濾液處理站處理。

2.2 生產(chǎn)廢水

垃圾焚燒發(fā)電廠生產(chǎn)廢水主要分為兩類：一類為循環(huán)水系統(tǒng)排污水、鍋爐定連排污水、化水系統(tǒng)反沖洗水及濃水等清潔下水；另一類為煙氣濕法工藝中洗煙、減濕廢水。

2.2.1 工業(yè)廢水

清潔下水中鍋爐定連排污水、化水系統(tǒng)濃水因水質(zhì)較好，可直接回用做冷卻塔的補水；循環(huán)水排污水及化水系統(tǒng)反沖洗水優(yōu)先回用于卸料大廳和車間地面沖洗及垃圾車等設(shè)備沖洗用水，剩余部分經(jīng)工業(yè)廢水處理站處理達到《GB/T 19923-2005城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》中的敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水標(biāo)準(zhǔn)后回用作冷卻塔補水，濃水用于出渣機冷卻。

工業(yè)廢水處理站的規(guī)模QI可通過式（8）計算確定：

式中，Qb、Q10—循環(huán)水系統(tǒng)排污水量、化水系統(tǒng)反沖洗水量；Q11—回用于卸料大廳和車間地面沖洗及垃圾車等設(shè)備沖洗用水量。

工業(yè)廢水處理站廢水來源主要為循環(huán)水排污水，具有硬度大、離子濃度高、懸浮物含量高的特點。因此，“調(diào)節(jié)池+化學(xué)軟化+砂濾（機械化加速澄清濾池）+TUF（UF）+RO，濃液DTRO減量化”為工業(yè)廢水處理站的主流工藝。其中，UF產(chǎn)水率95%以上，RO產(chǎn)水率75%左右，DTRO產(chǎn)水率40%左右，工業(yè)廢水處理站整體產(chǎn)水率在80%～85%。

2.2.2 洗煙、減濕廢水

對于采用濕法脫酸處理的項目，需設(shè)置減濕廢水處理站、洗煙廢水處理站分別對濕法脫酸塔減濕廢水及洗煙廢水進行處理。減濕廢水量呈現(xiàn)季節(jié)性變化，冬季廢水量最大，減濕廢水量通過排煙溫度進行計算確定；其特點為硫酸鹽等濃度高，采用較多的工藝為“調(diào)節(jié)池+預(yù)處理+兩級RO”，其濃水排至滲濾液處理站生化系統(tǒng)進行協(xié)同處理。

洗煙廢水含鹽量較高，以硫酸鹽及氯化物為主，“調(diào)節(jié)池+砂濾+UF+DTRO+RO”工藝提高系統(tǒng)產(chǎn)水率的同時保證氯離子濃度滿足回用標(biāo)準(zhǔn)。洗煙廢水量可通過設(shè)定反應(yīng)塔塔底冷卻吸收液鹽濃度值計算確定。

2.3 滲濾液收集及處理系統(tǒng)

2.3.1 滲濾液的來源

垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液主要有以下四種來源：①垃圾池滲濾液；②棧橋、卸料平臺、垃圾車等沖洗水；③鍋爐間、汽機間、污水溝道等沖洗水；④垃圾車運輸易造成污染的道路、地磅區(qū)域及運輸引橋區(qū)域的初期雨水。

2.3.2 滲濾液處理站規(guī)模確定

研究顯示，受焚燒廠所在區(qū)域垃圾收集方式、氣候、地理位置、居民生活習(xí)慣、經(jīng)濟發(fā)展水平等因素的影響，滲濾液量有所差異[13,14]。焚燒廠滲濾液站的規(guī)模常根據(jù)工程經(jīng)驗按照20%～30%處理量設(shè)計。滲濾液處理站規(guī)模QL可按式（9）計算確定：

式中：Q12—垃圾池滲濾液量；Q13—生活污水；Q14—棧橋、地磅等易受污染區(qū)域的初期雨水（分批次進入滲濾液處理站，不計入滲濾液處理站總規(guī)模）。

2.3.3 滲濾液處理站處理工藝

由于滲濾液水質(zhì)特性較為復(fù)雜，其處理相比其它污水有所不同，主要有綜合處理、混合處理、入爐回噴、單獨處理等幾種方案[15]。目前，“預(yù)處理+生化處理+深度處理”組合處理工藝廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外垃圾滲濾液處理[16]，出水最終達到《GB/T 19923-2005城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》中的敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水標(biāo)準(zhǔn)后回用；“化學(xué)軟化+微濾+反滲透（RO）減少濃液產(chǎn)生量、（高壓）碟管反滲透（HPRO、DTRO）處理RO濃縮液、膜濃縮液蒸發(fā)結(jié)晶（MVPC、MVR等）”的應(yīng)用實現(xiàn)了垃圾焚燒廠滲濾液的全處理和回用，實現(xiàn)濃液全量處理[17]，逐步形成了圖3所示的滲濾液“預(yù)處理+生化處理+深度處理+濃液減量化處理”的四級處理新工藝路線；少數(shù)項目采用“預(yù)處理+氨吹脫+厭氧（或厭氧+氨吹脫）+深度處理+濃液減量化處理”五級處理工藝，如“預(yù)處理+UASB+氨吹脫+A/O+NF+RO+DTRO”工藝及“預(yù)處理+氨吹脫+UBF+SBR+NF+RO+DTRO”工藝。對于滲濾液處理系統(tǒng)濃液，主要用于石灰制漿、飛灰穩(wěn)定化等綜合利用，剩余部分入爐回噴，污泥經(jīng)脫水、干化后排至垃圾池入爐焚燒；濃液通過縮液蒸發(fā)結(jié)晶、干燥固化后與飛灰一起進行安全填埋。

圖3 滲濾液四級處理工藝路線圖

表2為目前廣泛應(yīng)用的“預(yù)處理+生化處理+深度處理+濃液減量化處理”的四級處理工藝。

表2 滲濾液四級處理工藝

2.4 初期雨水

雨水水量按照《GB 50014-2006室外排水設(shè)計規(guī)范》及《GB 50015-2019建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計計算。目前，通常對垃圾焚燒發(fā)電廠內(nèi)垃圾運輸通道、高架橋、地磅區(qū)域等有垃圾滲濾液滴漏造成污染區(qū)域的初期雨水進行收集處理，中后期的雨水通過切換井流至廠區(qū)雨水排水系統(tǒng)。經(jīng)雨水管線收集至初期雨水收集池內(nèi)的雨水由初期雨水提升泵送至垃圾滲濾液處理站處理。

3 垃圾焚燒發(fā)電廠全廠水量平衡原理圖

圖4為典型的垃圾焚燒發(fā)電廠全廠水量平衡原理圖。從圖中可看出，生產(chǎn)、消防給水及處理系統(tǒng)、生活給水及處理系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、化水系統(tǒng)、清潔下水及洗煙、減濕廢水處理系統(tǒng)、滲濾液處理系統(tǒng)為垃圾焚燒發(fā)電廠給排水系統(tǒng)核心部分。

4 結(jié)論與展望

垃圾焚燒發(fā)電廠生活用水常由市政自來水或由地表水經(jīng)一體化凈水器和生活水凈化裝置處理后地表水供給。生產(chǎn)用水主要用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補水、化水系統(tǒng)補水及綠化澆灌、道路沖洗等，由自來水、一體化凈化器凈化后地表水或中水處理系統(tǒng)處理后市政中水供給。隨著環(huán)保力度加大，垃圾焚燒發(fā)電廠污、廢水逐步向“零排放”的趨勢發(fā)展，循環(huán)水系統(tǒng)排污水等清潔下水、洗煙、減濕廢水分別經(jīng)工業(yè)廢水處理站、洗煙減濕廢水處理站經(jīng)處理達標(biāo)后回用；垃圾池滲濾液、卸料大廳及車間沖洗水、易受污染區(qū)域初期雨水經(jīng)滲濾液處理系統(tǒng)后清水回用，濃液經(jīng)減量化后回用或者入爐回噴?！邦A(yù)處理+生化處理+深度處理+濃液減量化處理”的四級處理新工藝已成為垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液處理的主流工藝，MVPC、MVR等技術(shù)的應(yīng)用也讓焚燒廠滲濾液實現(xiàn)全量化處理成為了可能。

生活垃圾、污廢水、污泥、餐廚垃圾等協(xié)同處理、處置已成為一種趨勢。打造污水、生活垃圾、污泥、餐廚垃圾等協(xié)同處理中心、靜脈產(chǎn)業(yè)園并融入“去工業(yè)化”的設(shè)計理念，實現(xiàn)廢棄物等減量化、無害化、資源化的同時，提升污水、廢氣等污染物排放水平，由“鄰避效應(yīng)”轉(zhuǎn)化為“鄰利效應(yīng)”的設(shè)計模式將在“十四五”期間深入發(fā)展。