9F級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組循環(huán)冷卻水生化處理試驗研究

胡明明 趙穎星 王新軒 張曉東 劉政修 趙瀟然

（1. 北京京西燃?xì)鉄犭娪邢薰?，北?100041；2.北京京能能源技術(shù)研究有限責(zé)任公司，北京100022）

0 引言

水資源是基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，是社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、維系生態(tài)平衡與和諧環(huán)境的重要基礎(chǔ)。全國發(fā)電總裝機(jī)容量中，火力發(fā)電用水量占全部工業(yè)用水量的40%?；鹆Πl(fā)電廠用水量大，水的問題已成為北方地區(qū)建設(shè)、發(fā)展電力工業(yè)的制約因素，因此，做好火力發(fā)電廠水資源的高效管理十分必要。

2015年04月，國務(wù)院頒布了《水污染防治行動計劃》（水十條），提出了水污染防治的總體要求，并制定了2020-2030年工作目標(biāo)及主要指標(biāo)。2018年《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅決 打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》提出，著力打好碧水保衛(wèi)戰(zhàn)。因此，開展火力發(fā)電廠深度節(jié)水、實現(xiàn)全廠廢水零排放高度契合國家政策，是應(yīng)盡的社會責(zé)任，并關(guān)系到企業(yè)的生存和可持續(xù)發(fā)展。

北京京西燃?xì)鉄犭娪邢薰荆ㄒ韵潞喎Q京西熱電），位于石景山西部高井地區(qū)，安裝有一套“二拖一”及一套“一拖一”西門子“9F”級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組，總裝機(jī)容量為1307.8兆瓦，年發(fā)電量58.85億千瓦時，供熱能力883兆瓦，供熱面積1800萬平方米。

京西熱電全廠工業(yè)水源為城市污水處理廠（高碑店污水處理廠和吳家村污水處理廠）處理后的中水，來水主要用于機(jī)組循環(huán)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水及化學(xué)水處理系統(tǒng)原水。循環(huán)冷卻水采用常規(guī)的“硫酸+阻垢+殺菌滅藻”處理工藝，循環(huán)冷卻水濃水倍率控制在3.5左右，廠區(qū)主要生產(chǎn)排水為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排水。根據(jù)機(jī)組實際運行情況，在夏季工況時最大排水量約350m3/h，冬季工況最大排水量約60m3/h。

北京市環(huán)保局對京西熱電的環(huán)評批復(fù)：生產(chǎn)廢水需經(jīng)處理達(dá)到GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值》中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，其中TN≤10mg/L，后作為高井溝景觀補(bǔ)充水。為保證循環(huán)排污水水質(zhì)符合環(huán)評批復(fù)要求，循環(huán)排污水經(jīng)過“復(fù)合生物濾池（CBF）+流動床連續(xù)砂過濾” 處理，經(jīng)過深度脫氮、有機(jī)物降解和懸浮物過濾后達(dá)標(biāo)排放。

2015年04月，國務(wù)院頒布了《水污染防治行動計劃》（水十條），提出了水污染防治的總體要求，并制定了2020-2030年工作目標(biāo)及主要指標(biāo)。2018年《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅決 打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》提出，著力打好碧水保衛(wèi)戰(zhàn)。為節(jié)約水資源，降低發(fā)電綜合水耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，京西熱電積極開展全廠深度節(jié)水工作，期望實現(xiàn)燃?xì)怆姀S全廠廢水零排放。循環(huán)冷卻水采用生化處理技術(shù)，大幅度提高循環(huán)冷卻水濃水倍率，實現(xiàn)全廠廢水零排放，是比較理想的技術(shù)路線。

循環(huán)冷卻水生化處理技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)的火電廠循環(huán)冷卻水加酸、加阻垢緩蝕劑等聯(lián)合化學(xué)處理方法，利用經(jīng)過篩選、培養(yǎng)、馴化的有益微生物菌群和相適應(yīng)的營養(yǎng)調(diào)節(jié)劑對敞開式循環(huán)冷卻水進(jìn)行微生物化學(xué)處理，根據(jù)循環(huán)冷卻水補(bǔ)水水質(zhì)，循環(huán)冷卻水倍率在提高至8～20倍運行的同時，實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的阻垢、緩蝕、避免藻類滋生粘泥等處理目標(biāo)。為節(jié)約水資源，實現(xiàn)全廠廢水零排放，保證循環(huán)冷卻水系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運行，京西熱電進(jìn)行了循環(huán)冷卻水生化處理動態(tài)模擬試驗，驗證循環(huán)冷卻水生化處理技術(shù)效果，并確定實際運行控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 循環(huán)冷卻水生化處理動態(tài)模擬試驗

1.1 試驗水質(zhì)

京西熱電全廠生產(chǎn)用水水源取自高碑店污水處理廠和吳家村污水處理廠處理后出水，動態(tài)模擬試驗水質(zhì)指標(biāo)，如表1所示。

表1 動態(tài)模擬試驗水質(zhì)

1.2 試驗過程

循環(huán)冷卻水生化處理技術(shù)動態(tài)模擬試驗分三個階段：

（1）試驗準(zhǔn)備：接取試驗用水、動模裝置（裝置配備儀器、儀表、熱力、動力系統(tǒng)、管路閥門等）調(diào)試、試驗需用藥品及試片、試管用品材料、常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)分析化驗準(zhǔn)備；

（2）試驗階段：主要是正式啟動循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗裝置后，循環(huán)冷卻水濃縮、穩(wěn)定倍率運行兩個階段，主要包括金屬試片加掛、日常水質(zhì)化驗分析、運行數(shù)據(jù)查看等；

（3）試驗數(shù)據(jù)分析：主要是模擬試驗結(jié)束，水質(zhì)進(jìn)行多項指標(biāo)分析、金屬試片和試管處理分析、對試驗各項數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總。

1.2.1 循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗濃縮階段

循環(huán)冷卻水濃縮階段：循環(huán)冷卻水系統(tǒng)只進(jìn)行補(bǔ)水，不排污，進(jìn)行循環(huán)冷卻水濃縮，基本上每天濃縮倍率增加1倍左右，至11天時循環(huán)冷卻水濃縮倍率達(dá)到12倍，在此期間調(diào)控循環(huán)冷卻水主要指標(biāo)pH在7.5～8.2之間，堿度＜2.0mmol/L，如圖1所示。

圖1 循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗在線pH曲線

從日常水質(zhì)分析數(shù)據(jù)看均在此范圍內(nèi)，兩組試管在線污垢熱阻也基本0.004～0.006×10-4（m2·K/W）之間，如圖2所示。

在線電導(dǎo)率基本成線性趨勢上升，最高至8450μS/cm，如圖3所示。

1.2.2 循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗運行階段

循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗日常運行控制階段，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)維持濃縮倍率在11～12倍區(qū)間運行。調(diào)整設(shè)定動態(tài)模擬裝置在線電導(dǎo)率，對應(yīng)電磁閥開啟停止上下限在8300～8500μS/cm，排污流量設(shè)定6L/h，保持循環(huán)冷卻水濃縮倍率在 11～12倍間波動，分析控制循環(huán)冷卻水pH與堿度等指標(biāo)，觀察控制電腦在線污垢熱阻變化情況，觀察各試片情況，觀察冷卻塔內(nèi)部填料有無綠藻滋生。

1.3 試驗數(shù)據(jù)分析

1.3.1 動態(tài)模擬試驗循環(huán)冷卻水?dāng)?shù)據(jù)

動態(tài)模擬試驗循環(huán)冷卻水日常分析是指試驗裝置啟動運行后，每天定點取兩組循環(huán)冷卻水樣化驗分析，確認(rèn)循環(huán)冷卻水生化處理調(diào)控在預(yù)計控制范圍之內(nèi)。由于兩組化驗分析相近，選取A組作為循環(huán)水化驗數(shù)據(jù)分析對象。動態(tài)模擬試驗結(jié)束時A組循環(huán)冷卻水水主要水質(zhì)指標(biāo)分析數(shù)據(jù)，如表2所示。

A組循環(huán)冷卻水日常監(jiān)測電導(dǎo)率曲線如圖4所示。

圖4 循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗A組在線電導(dǎo)率曲線

A組循環(huán)冷卻水日常監(jiān)測濃縮倍率（以Cl-計）曲線如圖5所示。

圖5 循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗A組循環(huán)冷卻水日常監(jiān)測濃縮倍率以cl計曲線

A組循環(huán)冷卻水化驗日常監(jiān)測Ca2+變化曲線如圖6所示。

圖6 動態(tài)模擬試驗A組循環(huán)冷卻水化驗日常監(jiān)測Ca2+變化曲線圖

A 組循環(huán)冷卻水Ca2+與Cl-濃縮倍率比較如圖7所示；

圖7 動態(tài)模擬試驗A組循環(huán)冷卻水Ca2+與Cl-濃縮倍率比較圖

1.3.2 動態(tài)模擬試驗循環(huán)冷卻水水質(zhì)分析

（1）動態(tài)模擬試驗循環(huán)冷卻水pH總體在7.6～8.2區(qū)間波動，和實驗室日常監(jiān)測數(shù)據(jù)基本一致，與循環(huán)冷卻水生化處理調(diào)控循環(huán)冷卻水pH目標(biāo)7.5～8.2基本吻合，說明以此補(bǔ)充水的循環(huán)冷卻水生化處理可控；

（2）動態(tài)模擬試驗循環(huán)冷卻水濃縮倍率確認(rèn)為實際濃縮，通過循環(huán)冷卻水的Cl-和Ca2+對應(yīng)指標(biāo)的濃縮倍率確認(rèn)是真實循環(huán)冷卻水濃縮，Ca2+沒有結(jié)垢析出；并通過計算Cl-濃縮倍率與Ca2+濃縮倍率的差值，最大值為0.12，小于0.2控制標(biāo)準(zhǔn)，循環(huán)冷卻水生化處理實現(xiàn)穩(wěn)定高濃縮倍率運行；

（3）動態(tài)模擬試驗循環(huán)冷卻水電導(dǎo)率基本與含鹽量成線性比例關(guān)系，由于生化處理的特點，要消耗堿度等帶電離子，所以電導(dǎo)率的濃縮倍率比氯離子和鈣離子濃縮倍率同比低1～2倍，所以在濃縮倍率12倍時，電導(dǎo)倍率約10倍左右，為此，循環(huán)冷卻水生化處理的電導(dǎo)率作為總體判斷循環(huán)冷卻水濃縮的一個實時監(jiān)測依據(jù)；

（4）動態(tài)模擬試驗循環(huán)冷卻水堿度總體在1.0～2.0mmol/L區(qū)間波動，符合循環(huán)冷卻水生化處理調(diào)控循環(huán)冷卻水堿度不高于2.0mmol/L要求，沒有酚酞堿度出現(xiàn)，有效保障不形成碳酸鈣水垢；

（5）動態(tài)模擬試驗循環(huán)冷卻水其他水質(zhì)指標(biāo)情況：循環(huán)冷卻水濁度無明顯變化，小于5NTU，可防止循環(huán)冷卻水系統(tǒng)沉積物下腐蝕；循環(huán)冷卻水總鐵含量小于2mg/L，符合GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》[1]要求；循環(huán)冷卻水色度有較大幅度增加，約70號左右，符合生化處理特點；循環(huán)冷卻水全硅與鎂之積小于50000，避免出現(xiàn)硅酸鎂泥垢，符合GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》規(guī)定；循環(huán)冷卻水CODcr較高，主要是原補(bǔ)充水含量高出一般水平所致；循環(huán)冷卻水BOD5較低，主要是原補(bǔ)充水含量較低，基本為很難生物降解的CODcr部分，為此也造成循環(huán)冷卻水總體CODcr含量一定程度增高；循環(huán)冷卻水氨氮較低，符合GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》不大于5mg/L要求；循環(huán)冷卻水總磷、銅、鋁、鋅等離子含量都較低（小于1mg/L），基本與原水對應(yīng)倍率濃度相近；循環(huán)冷卻水NO3-正常濃縮對應(yīng)濃度，該濃度利于系統(tǒng)不銹鋼管材與設(shè)備的緩蝕性能。

1.3.3 動態(tài)模擬試驗在線污垢熱阻分析

污垢熱阻是循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗重要的分析指標(biāo)，直接確定動態(tài)模擬試驗成功與否，是確定循環(huán)冷卻水處理三大目標(biāo)之一（阻垢）的重要表征。本次模擬試驗，A、B兩組試驗污垢熱阻均處于非常低的數(shù)值區(qū)間，確認(rèn)循環(huán)冷卻水生化處理高濃縮倍率下阻垢效果異常優(yōu)異，整個模擬試驗期間最高污垢熱阻為0.06×10-4（m2.K/W），遠(yuǎn)小于GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》中要求不大于3.44×10-4（m2.K/W）的數(shù)值，這也是循環(huán)冷卻水生化處理最突出的特點。

1.3.4 動態(tài)模擬實驗不銹鋼金屬試片腐蝕情況分析

金屬試片的腐蝕情況也是循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬試驗重要的分析指標(biāo)，是循環(huán)冷卻水處理緩蝕的重要表征。本次動態(tài)模擬試驗，主要根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備及系統(tǒng)實際材質(zhì)，選用304、316L不銹鋼材質(zhì)金屬試片共4片，作為模擬試驗金屬腐蝕監(jiān)測依據(jù)。根據(jù)試驗期間對4片掛在兩組進(jìn)出口動模掛片器的金屬試片觀察，發(fā)現(xiàn)掛入前后試片無明顯變化，沒有局部腐蝕、點蝕， 如圖8表示，在氯離子接近1700mg/L的水中，緩蝕效果顯著。通過計算，不銹鋼金屬試片平均腐蝕率均小于0.005mm/a，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定要求。

圖8 動態(tài)模擬試驗A組出口側(cè)不銹鋼304、316L試片對比圖

試片平均腐蝕速率計算評價情況如表3表示。

表3 動態(tài)模擬實驗兩組循環(huán)冷卻水金屬試片腐蝕速率及評價

粘附速率計算評價情況如表4表示。

表4 動態(tài)模擬實驗兩組循環(huán)冷卻水金屬試管粘附速率及評價

1.3.5 動態(tài)模擬試驗不銹鋼金屬試管粘附速率情況分析

不銹鋼試管的粘附速率主要是表征循環(huán)冷卻水污垢（含水垢）沉積吸附在金屬管內(nèi)表面的情況，也是反映循環(huán)冷卻水處理阻垢分散、抑垢、除垢的功效。根據(jù)本次動態(tài)模擬試驗結(jié)束后對兩支（A組、B組各1根）換熱管的肉眼觀察（管內(nèi)表面較為光滑）和處理后定量分析，平均粘附速率為0.13mg/cm2.月，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》規(guī)定不應(yīng)大于15 mg/cm2.月要求，由此說明循環(huán)冷卻水生化處理對于改循環(huán)冷卻水的污垢抑制及去除能力強(qiáng)勁。

1.3.6 動態(tài)模擬試驗抑制有害菌藻情況分析

由于動態(tài)模擬試驗總體運行時間較短，以試驗結(jié)束時運行20天的水樣進(jìn)行循環(huán)冷卻水異養(yǎng)菌總數(shù)分析，按國標(biāo)GB/T 14643.1-2009《工業(yè)循環(huán)冷卻水中粘液形成菌的測定平皿計數(shù)法》[2]進(jìn)行測定分析，經(jīng)過培養(yǎng)最終測定A組循環(huán)冷卻水中異養(yǎng)菌總數(shù)為28000CFU/mL，B組循環(huán)冷卻水中異養(yǎng)菌總數(shù)為29000CFU/mL，均符合GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》規(guī)定不應(yīng)大于100000CFU/mL要求；再有，從外部肉眼看，未見動態(tài)模擬試驗裝置的塑料冷卻塔與水箱內(nèi)表面有綠藻滋生，說明循環(huán)冷卻水生化處理采用生態(tài)平衡抑制有害微生物和藻類滋生效果顯著，達(dá)到了循環(huán)冷卻水處理抑制有害微生物繁殖和藻類滋生生物粘泥目的。

2 結(jié)語

（1）循環(huán)冷卻水生化處理技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)的火電廠循環(huán)冷卻水化學(xué)藥劑處理方法，利用經(jīng)過篩選、培養(yǎng)、馴化的有益微生物菌群和相適應(yīng)的營養(yǎng)調(diào)節(jié)劑對敞開式循環(huán)冷卻水進(jìn)行微生物化學(xué)處理，大幅度提高循環(huán)冷卻水倍率，實現(xiàn)循環(huán)冷卻系統(tǒng)的阻垢、緩蝕、殺菌滅藻等目標(biāo)，保證循環(huán)冷卻水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)及環(huán)保運行；

（2）循環(huán)冷卻水生化處理動態(tài)模擬試驗結(jié)果表明，碳鋼及不銹鋼腐蝕速率、污垢熱阻、粘附速度及有害微生物指標(biāo)均能滿足GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》要求；

（3）通過循環(huán)冷卻水生化處理技術(shù)動態(tài)模擬實驗，確定了實際生產(chǎn)控制指標(biāo)：pH7.5～8.2、氯離子不大于1300mg/L、鈣離子不大于800mg/L，循環(huán)冷卻水濃縮倍率控制在8～10倍之間；

（4）循環(huán)冷卻水生化處理技術(shù)與傳統(tǒng)循環(huán)冷卻水處理技術(shù)相比，具有節(jié)水減排、對環(huán)境無二次污染、運行參數(shù)控制穩(wěn)定、補(bǔ)充水質(zhì)變化容忍度超強(qiáng)、阻垢和溶垢同步、沒有新增設(shè)備投資和原有設(shè)備改造投資、綜合運營成本較低等系列優(yōu)點，創(chuàng)新了火力發(fā)電廠節(jié)水方法及循環(huán)冷卻水管理手段，可應(yīng)用于火力發(fā)電廠循環(huán)冷卻水處理；

（5）根據(jù)GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》，考慮循環(huán)冷卻水系統(tǒng)風(fēng)吹泄漏損失，當(dāng)循環(huán)冷卻水濃縮倍率達(dá)到10及以上時，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水量可以降低至0t/h，實現(xiàn)全廠廢水零排放；

（6）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用生化處理技術(shù)后，循環(huán)冷卻水濃縮倍率可以達(dá)到10倍左右，經(jīng)核算每年循環(huán)冷卻水補(bǔ)水節(jié)約近100萬噸，直接經(jīng)濟(jì)效益179萬元；每年降低循環(huán)冷卻水排污水量80萬噸，減少運行費用100萬元。