垃圾焚燒發(fā)電廠廢水“零排放”技術(shù)及工程案例分析

陳子華

(上海康恒環(huán)境股份有限公司，上海 201703)

2020年末，我國(guó)垃圾焚燒處理占比已超過(guò)50%，形成了以“焚燒為主、填埋托底”的垃圾終端處理新格局[1-2]。垃圾焚燒發(fā)電已成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)固體廢棄物減量化、資源化、無(wú)害化處理的主要措施，也是我國(guó)大多數(shù)大城市破解“垃圾圍城”難題、助力“無(wú)廢城市”建設(shè)的首選方案。與此同時(shí)，我國(guó)CO2排放量占全球總量的28%，“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”的目標(biāo)預(yù)示著節(jié)能減排的艱巨性。垃圾低碳化是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的重要方向，而垃圾焚燒又是垃圾低碳化的重要方式之一，符合“碳中和”的理念，有助于“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1]。據(jù)報(bào)道，按照垃圾發(fā)電量為400 kW·h/t計(jì)，處理1 600 t/d的垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目發(fā)電量達(dá)2.2億kW·h/a，相當(dāng)于減少了約7萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒發(fā)電的CO2排放量[3]；同時(shí)，1 600 t/d的垃圾量通過(guò)焚燒代替填埋可減少大量甲烷氣體排放；該項(xiàng)目平均減排溫室氣體的CO2當(dāng)量約20萬(wàn)t/a。

水是維持垃圾焚燒發(fā)電廠運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵要素。廢水“零排放”提高了垃圾焚燒發(fā)電廠水資源利用率，降低對(duì)環(huán)境的壓力，化“鄰避”為“鄰利”的同時(shí)也降低了運(yùn)行成本。同時(shí)，隨著環(huán)境保護(hù)加大力度、生態(tài)文明建設(shè)深入發(fā)展以及《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(“水十條”)的頒布，水資源高效回收利用及污染防治被提到了新的高度。因此，垃圾焚燒發(fā)電廠廢水“零排放”可獲得“環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)”多重效益[4]。高標(biāo)準(zhǔn)、更清潔、“零排放”的“藍(lán)色燃燒”也將是垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向[5]。據(jù)此，本文對(duì)垃圾焚燒發(fā)電廠廢水“零排放”瓶頸及工程案例進(jìn)行分析與探討，以期對(duì)垃圾焚燒發(fā)電廠廢水“零排放”的實(shí)現(xiàn)提供一定的指導(dǎo)與借鑒意義。

1 垃圾焚燒發(fā)電廠污廢水分類及處理系統(tǒng)

垃圾焚燒發(fā)電廠污廢水由生活污水、生產(chǎn)廢水、初期雨水以及滲濾液組成。根據(jù)焚燒發(fā)電廠的污廢水水質(zhì)情況，可將處理系統(tǒng)分為生產(chǎn)廢水處理系統(tǒng)和滲濾液處理系統(tǒng)，如表1所示。其中，垃圾焚燒發(fā)電廠的生活污水、食堂污水分別經(jīng)化糞池、隔油池后排至滲濾液處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。初期雨水為非常態(tài)水，分批次排入滲濾液處理系統(tǒng)處理。

表1 垃圾焚燒發(fā)電廠污廢水及其處理系統(tǒng)分類Tab.1 Classification of Wastewater and the Treatment Systems in Solid Waste Incineration Power Plant

2 垃圾焚燒發(fā)電廠廢水“零排放”技術(shù)難點(diǎn)與新方法

2.1 生產(chǎn)廢水“零排放”

2.1.1 潔凈廢水的“零排放”途徑——水質(zhì)監(jiān)控與循環(huán)水排污量控制

循環(huán)水冷卻系統(tǒng)對(duì)焚燒廠主、輔機(jī)的冷卻效果直接影響焚燒發(fā)電廠效益，常采用敞開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)。隨著循環(huán)冷卻水的不斷蒸發(fā)，大多通過(guò)投加磷酸鹽類有機(jī)物或聚合物作為阻垢劑、除藻劑及緩蝕劑，以保證循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)，但此方法一定程度上會(huì)增加循環(huán)水排污水中化學(xué)試劑的濃度，不利于循環(huán)水排污水的處理、回用[6]。目前，電化學(xué)除垢與電除藻殺菌方法逐漸取代化學(xué)試劑投加，以控制循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)。同時(shí)，生物技術(shù)逐步替代化學(xué)試劑應(yīng)用于去除循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)物，在減少污染物外排量的同時(shí)大幅度減少補(bǔ)水量。通過(guò)設(shè)置旁路系統(tǒng)除垢、降低硬度，從而提高循環(huán)水水質(zhì)的方法也較為常見(jiàn)[7]。

因此，嚴(yán)格把控和監(jiān)測(cè)作為冷卻塔補(bǔ)水水源的除鹽水系統(tǒng)濃水及鍋爐定連排污水等中水水質(zhì)，及時(shí)根據(jù)運(yùn)行情況及氣候變化等因素調(diào)整濃縮倍數(shù)、補(bǔ)水量與排污量[4]，是減少循環(huán)水排污量的有效方法之一。

嚴(yán)格控制循環(huán)水水質(zhì)，提高濃縮倍率減少排污量,并通過(guò)優(yōu)先回用作為各類沖洗水、煙氣凈化設(shè)備冷卻水后，循環(huán)水排污量仍然較大。循環(huán)水排污水等生產(chǎn)廢水的處理常采用“化學(xué)軟化+管式軟化膜(TUF)+反滲透(RO)+蝶管式反滲透(DTRO)減量化”工藝，出水達(dá)到《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923—2005)中的敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水標(biāo)準(zhǔn)后回用，此工藝濃液量可控制在15%以下，通過(guò)用于爐渣熄渣和冷卻可實(shí)現(xiàn)“零排放”。

2.1.2 洗煙、減濕廢水的“零排放”途徑與技術(shù)難點(diǎn)

隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)及民眾對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的提高，垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣處理在干法/半干法的基礎(chǔ)上增加濕法脫酸工藝以達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。該工藝中，堿性冷卻液在洗滌塔冷卻部與逆流煙氣中的酸性氣體反應(yīng)生成NaCl、NaF、Na2SO3、Na2SO4等鹽類，達(dá)到脫酸的效果。同時(shí)，經(jīng)冷卻部的煙氣在洗滌塔減濕部與堿性減濕液接觸，煙氣含水量隨之降低，酸性氣體也進(jìn)一步降低。為維持循環(huán)冷卻液及減濕液鹽濃度，需定時(shí)排出一定的冷卻液和減濕液，即為“洗煙、減濕廢水”。因濕法脫酸工藝自身特性與濕法補(bǔ)充水及堿液稀釋水采用含鹽濃度較大的循環(huán)水排污水的雙重原因，“洗煙、減濕廢水”鹽分含量極高，處理難度大。目前，“洗煙、減濕廢水”處理的常見(jiàn)工藝為混凝沉淀過(guò)濾、“混凝沉淀過(guò)濾+DTRO+RO”或“混凝沉淀過(guò)濾+兩級(jí)RO”。混凝沉淀過(guò)濾技術(shù)難以去除高鹽分，“混凝沉淀過(guò)濾+DTRO+RO”或“混凝沉淀過(guò)濾+兩級(jí)RO”工藝產(chǎn)水率在60%～70%，產(chǎn)生的高鹽分膜濃液仍無(wú)法解決。

針對(duì)“洗煙、減濕廢水”高鹽分難以去除的技術(shù)難題，研究發(fā)現(xiàn)，采用“兩級(jí)絮凝沉淀+石英砂過(guò)濾+活性炭過(guò)濾+離子交換+氧化+蒸發(fā)濃縮結(jié)晶分鹽”組合工藝可徹底解決脫酸廢水回用難度大的問(wèn)題，并獲得副產(chǎn)品NaCl和Na2SO4，真正地實(shí)現(xiàn)了脫酸廢水“零排放”[8]。然而，復(fù)雜的工藝、較高的投資及運(yùn)行費(fèi)用阻礙了該工藝的推廣與應(yīng)用。

2.2 滲濾液“零排放”

2.2.1 滲濾液處理系統(tǒng)“零排放”的技術(shù)難點(diǎn)

垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液主要為焚燒廠垃圾池堆放、貯存過(guò)程中瀝出的水分。近些年，“預(yù)處理+生化處理+深度處理”工藝因?yàn)榫哂谐鏊|(zhì)高、占地面積小等優(yōu)勢(shì)逐漸成為滲濾液處理主流工藝并廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒發(fā)電廠[9]。如“預(yù)處理+上流式厭氧污泥床(UASB)+膜生物反應(yīng)器(MBR)(兩級(jí)AO)超濾(UF)+納濾(NF)+RO”工藝，系統(tǒng)出水達(dá)到《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923—2005)中的敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水標(biāo)準(zhǔn)后回用，但其出水率僅有65%～70%，30%～35%膜濃液的最終處置是目前難解決的問(wèn)題，也是滲濾液“零排放”的瓶頸[10]。

膜濃液的處置方法主要包括回噴、回灌、蒸發(fā)等[11]，而回灌填埋場(chǎng)不符合“零排放”的要求。濃液回噴技術(shù)是一種簡(jiǎn)單、完全無(wú)二次污染的真正“零排放”技術(shù)，且噸水造價(jià)及處理費(fèi)不到傳統(tǒng)滲濾液處理技術(shù)的1/2和1/10，廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒發(fā)電廠[12]。管錫珺等[13]研究結(jié)果顯示，濃液回噴具有降低焚燒爐爐膛溫度、緩解結(jié)焦、減少煙氣中氮氧化物含量三重功效。濃液回噴的核心是保證滲濾液濃液在焚燒爐中充分霧化，回噴量過(guò)大難以保證霧化效果，且濃液中各種鹽類會(huì)造成鍋爐受熱面管壁被高溫腐蝕[13]。對(duì)于低熱值垃圾焚燒廠，為滿足規(guī)范對(duì)入爐垃圾低位熱值、煙氣在爐膛中溫度在850 ℃以上且停留2 s的要求，需嚴(yán)格控制濃液回噴量[12-13]。同時(shí)，在不同鍋爐參數(shù)條件下，每噸滲濾液濃液回噴將損失185.50～514.28 kW·h的發(fā)電量，按照全國(guó)統(tǒng)一垃圾發(fā)電標(biāo)桿電價(jià)0.65元/(kW·h)計(jì)算，每回噴1 t滲濾液濃液損失120～330元電費(fèi)[4,10]。因此，需綜合考慮回噴的經(jīng)濟(jì)效益以確定滲濾液濃液回噴量。

2.2.2 應(yīng)對(duì)策略——梯級(jí)減量化及綜合利用

(1)滲濾液濃液的梯級(jí)減量化

目前，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠普遍采用圖1(a)所示的“預(yù)處理+生化處理+深度處理”或類似的滲濾液處理工藝。針對(duì)該工藝產(chǎn)生膜濃液量大的技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)許多垃圾焚燒發(fā)電廠采用圖1(b)所示的“TUF+DTRO/高壓反滲透(HPRO)”膜濃液再濃縮工藝對(duì)雙膜濃液進(jìn)行減量化，可將雙膜濃液減量60%～70%。

圖1 滲濾液膜濃液梯級(jí)減量化處理工藝圖Fig.1 Diagram of Leachate Treatment System with Concentrate's Cascade Reduction Process

近年來(lái)，隨著滲濾液處理指標(biāo)的提高，蒸氣機(jī)械再壓縮(MVR)、熱力蒸氣壓縮蒸發(fā)(TVR)、機(jī)械蒸氣凈化壓縮(MVPC)、浸沒(méi)燃燒蒸發(fā)(SCE)等膜濃縮液熱蒸發(fā)技術(shù)開(kāi)始在國(guó)內(nèi)垃圾焚燒廠滲濾液膜濃液處理中應(yīng)用[14]，該技術(shù)可將膜濃液減量90%以上[11,15]，如圖1(c)所示。其中，MVR因其具有能耗效率高及逆循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于眾多垃圾焚燒發(fā)電廠[3]。青島某垃圾滲濾液擴(kuò)建工程采用“厭氧反應(yīng)器+均化池+MBR+DTRO+MVR+干化”工藝，處理系統(tǒng)清水回收率高達(dá)91.4%，MVR濃縮液過(guò)縮液蒸發(fā)結(jié)晶、干燥固化后與飛灰一起進(jìn)行安全填埋，實(shí)現(xiàn)了廢水真正的“零排放”[16]，如圖1(d)所示。雖然MVR實(shí)現(xiàn)了廢水真正的“零排放”，但也存在投資及運(yùn)行成本高、設(shè)備結(jié)垢嚴(yán)重、運(yùn)行周期短、處理時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題[17]。

(2)滲濾液膜濃液綜合利用

膜濃液減量化不能從根本上實(shí)現(xiàn)廢水的“零排放”，而垃圾焚燒飛灰穩(wěn)定化、石灰漿制備、爐渣熄渣及冷卻等工藝用水對(duì)水質(zhì)基本沒(méi)有要求，可對(duì)膜濃液進(jìn)行終端消納。且滲濾液膜濃液中腐殖質(zhì)類物質(zhì)對(duì)煙氣、飛灰中重金屬離子的固化穩(wěn)定化有促進(jìn)作用。研究表明，滲濾液膜濃液中Cl-質(zhì)量濃度高達(dá)數(shù)萬(wàn)mg/L，采用其制備的石灰漿在進(jìn)入反應(yīng)塔后析出的氯鹽具有很強(qiáng)的吸潮性，增加了石灰漿與酸性氣體的反應(yīng)活性，可提高脫酸效率[18]。然而，滲濾液膜濃液直接用于爐渣熄渣及冷卻會(huì)導(dǎo)致?tīng)t渣含有害成分而無(wú)法被綜合利用，達(dá)不到無(wú)害化處理的效果[11]。因此，膜濃液的終端消納優(yōu)先考慮飛灰穩(wěn)定化和石灰漿制備，實(shí)現(xiàn)滲濾液膜濃液一水多用、綜合利用。

垃圾焚燒余熱鍋爐出口煙氣進(jìn)入旋轉(zhuǎn)噴霧反應(yīng)塔中，高速旋轉(zhuǎn)霧化器將石灰漿霧化后噴入塔中，與煙氣中的酸性氣體發(fā)生反應(yīng)。在反應(yīng)過(guò)程中，石灰漿液中的水分得到蒸發(fā)，同時(shí)煙氣得到冷卻并獲得干燥的固態(tài)反應(yīng)生成物，如CaCl2、CaF2、CaSO3及CaSO4等，該方法稱為“半干法”。該方法垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣脫硫、脫酸的關(guān)鍵技術(shù)，常采用熟石灰制備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%左右的石灰漿液。根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，入廠垃圾產(chǎn)生的煙氣量約為4 500 Nm3/t；1 Nm3煙氣所需質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的石灰漿為15 g，則入廠垃圾所需的石灰制漿制備水量為0.054 0 m3/t。焚燒廠飛灰產(chǎn)量約為入廠垃圾量的3.5%，飛灰穩(wěn)定化工藝中加濕水需求量約為飛灰量的30%，因此，入廠垃圾飛灰穩(wěn)定化加濕水為0.010 5 m3/t。

表2為飛灰穩(wěn)定化加濕水、石灰漿制備對(duì)膜濃液的綜合利用量。

研究表明，垃圾滲濾液產(chǎn)水量呈現(xiàn)季節(jié)性變化與區(qū)域性差異，并與廚余垃圾比例有較大關(guān)系[11-12,19-20]，因此，滲濾液濃液量也有較大差異。分析認(rèn)為，滲濾液膜濃液按照?qǐng)D1(a)優(yōu)先考慮用于飛灰穩(wěn)定化和石灰漿制備等；無(wú)法被完全回用時(shí)，選

表2 滲濾液膜濃液綜合利用量Tab.2 Comprehensive Utilization of Leachate Concentrate

擇性采用圖1(b)～圖1(d)的濃縮、部分蒸發(fā)和部分回噴等工藝進(jìn)行梯級(jí)減量；同時(shí)，根據(jù)垃圾熱值及滲濾液含量情況，熱值高的區(qū)域增大回噴比例，熱值低的區(qū)域選擇可靠、實(shí)際的蒸發(fā)工藝；此外，還需綜合考慮回噴造成鍋爐腐蝕、發(fā)電量損失及蒸發(fā)技術(shù)投資及運(yùn)行成本。

3 垃圾焚燒發(fā)電廠廢水“零排放”工程案例

3.1 項(xiàng)目概況

某垃圾焚燒發(fā)電廠，日處理垃圾總設(shè)計(jì)規(guī)模為1 200 t。其中，一期配置1臺(tái)600 t/d的垃圾焚燒機(jī)械爐排爐和1套15 MW的凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。生產(chǎn)、生活用水分別采用凈化后河水和市政自來(lái)水。滲濾液處理工藝采用“預(yù)處理+UASB+MBR(兩級(jí)AO+UF)+NF+RO+化學(xué)軟化+TUF+DTRO”，設(shè)計(jì)規(guī)模為300 t/d，總體回收率不低于82.5%。工業(yè)廢水處理系統(tǒng)采用“調(diào)節(jié)池+過(guò)濾器+化學(xué)軟化+沉淀池+中間水池+砂濾+UF(中空纖維膜)+RO”工藝，設(shè)計(jì)規(guī)模為200 t/d，總產(chǎn)水率不低于80%。

3.2 廢水“零排放”評(píng)價(jià)

圖2和表3分別為該垃圾焚燒發(fā)電廠水量平衡圖及各項(xiàng)水量參數(shù)。

由圖2、表3、《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 606.5—2009)可知，可通過(guò)式(1)～式(3)計(jì)算得全廠重復(fù)利用率(R)、排放水率(kp)、廢水回用率(kf)分別為98.44%、0、99.53%，由此可知該項(xiàng)目基本實(shí)現(xiàn)了全廠廢水“零排放”。實(shí)現(xiàn)廢水“零排放”的主要途徑包括：除鹽水系統(tǒng)濃水對(duì)鍋爐排污水進(jìn)行降溫后一起回用至冷卻塔；冷卻塔排污水優(yōu)先回用作為對(duì)水質(zhì)要求低的生產(chǎn)用水，剩余部分經(jīng)工業(yè)廢水處理站處理后回用至冷卻塔；沖洗水、洗煙廢水、滲濾液以及生活污水統(tǒng)一經(jīng)過(guò)滲濾液系統(tǒng)處理后，進(jìn)行清水回用作為循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水，濃液經(jīng)減量化后用作石灰制漿和飛灰固化，剩余部分入爐回噴。

圖2 某垃圾焚燒發(fā)電廠水量平衡圖 (單位：m3/d)Fig.2 Schematic Diagram of Water Balance of a Solid Waste Incineration Power Plant (Unit: m3/d)

表3 某垃圾焚燒發(fā)電廠水量參數(shù)Tab.3 Water Quantity Parameters of a Solid Waste Incineration Power Plant

(1)

(2)

(3)

該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了全廠廢水“零排放”，但也存在不足之處：第一，未預(yù)見(jiàn)水量全部采用的工業(yè)新水，若部分未預(yù)見(jiàn)水量采用循環(huán)水排污水，可進(jìn)一步降低生產(chǎn)廢水處理規(guī)模及濃液量；第二，垃圾熱值較高，雙膜濃液可考慮不進(jìn)DTRO處理，優(yōu)先回用石灰制漿和飛灰穩(wěn)定化，剩余部分通過(guò)增加回噴量以降低滲濾液處理系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。

3.3 環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益分析

實(shí)現(xiàn)“零排放”后，該廠污廢水減排量達(dá)21萬(wàn)t/a。滲濾液處理系統(tǒng)進(jìn)水CODCr、TN、氨氮平均質(zhì)量濃度分別為47 500、2 800、2 300 mg/L，出水CODCr、TN、氨氮平均質(zhì)量濃度分別為20、5、1.5 mg/L。僅滲濾液處理系統(tǒng)，CODCr、TN和氨氮減排量分別達(dá)到4.5 t/a、263 kg/a和215.8 kg/a。廠區(qū)取水量減少21.3萬(wàn)t/a，按照該項(xiàng)目河水取水費(fèi)用為2.5元/m3計(jì)，年節(jié)約水費(fèi)達(dá)53萬(wàn)元。污廢水減排超過(guò)21萬(wàn)t/a，按照排污費(fèi)為3元/t計(jì)，年排污費(fèi)減少63萬(wàn)元。滲濾液處理系統(tǒng)造價(jià)為1 900萬(wàn)元，運(yùn)行費(fèi)用為30元/t，工業(yè)廢水處理系統(tǒng)造價(jià)為200萬(wàn)元，運(yùn)行費(fèi)用為2元/t。由此可見(jiàn)，垃圾焚燒發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)污廢水“零排放”后，環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益均十分顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)鹽分高、難降解有機(jī)物含量高的膜濃液徹底無(wú)害化處理和處置是垃圾焚燒發(fā)電廠生產(chǎn)廢水、滲濾液真正實(shí)現(xiàn)“零排放”的關(guān)鍵。投資及運(yùn)行成本高、工藝復(fù)雜是膜濃液處理處置技術(shù)瓶頸。

(2)為實(shí)現(xiàn)滲濾液膜濃液“零排放”，優(yōu)先用于飛灰穩(wěn)定化和石灰漿制備，無(wú)法完全回用時(shí)，選擇性采用濃縮、部分蒸發(fā)和部分回噴等工藝進(jìn)行梯級(jí)減量化；同時(shí)，根據(jù)垃圾熱值及滲濾液含量情況，熱值高的區(qū)域增大回噴比例，熱值低的區(qū)域選擇可靠、實(shí)際的蒸發(fā)工藝。此外，還需綜合考慮回噴造成鍋爐腐蝕問(wèn)題、發(fā)電量損失及蒸發(fā)技術(shù)投資及運(yùn)行成本等情況。

(3)案例分析顯示，垃圾焚燒電廠實(shí)現(xiàn)廢水“零排放”后，減少CODCr、TN、氨氮等污染物向環(huán)境排放的同時(shí)減少了取水及排污費(fèi)用，環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益均十分顯著。