垃圾焚燒發電廠廢水“零排放”實例

孫紀康，王苑穎

（上海黎明資源再利用有限公司，上海 200000）

伴隨我國經濟的持續快速發展和城市化進程的不斷加快，生活垃圾產生量逐年激增。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的不斷提高，垃圾焚燒發電廠址越來越遠離市區，市政設施缺乏，取水排水困難；《中華人民共和國環境保護法》《水污染防治行動計劃》（水十條）等法律法規的出臺，對水資源利用及污染防治也提出了更高的要求。生活垃圾焚燒發電廠各系統用水對水質的要求區別很大，若能通過廠內分類處理，分級使用，消耗內部的廢排水，既能達到廢水零排放，又能節約用水量，可獲得“環境、社會、經濟”多重效益[3]。

所謂零排放，是指進入垃圾焚燒發電廠的水最終以蒸汽的形式蒸發到大氣中，或以適當的形式封閉、填埋處理[4-5]。目前，垃圾焚燒發電廠產生的工業廢水普遍是經處理后排入當地的市政污水管網，最終經城市污水處理廠處理達標后排放。長沙市生活垃圾清潔焚燒項目（以下簡稱長沙焚燒項目）地處長沙市北面，距離長沙市中心直線距離約20 km，廠內全部生產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，取水的維護和運營成本較高。如圖1所示，其中兩段帶圓點的線條即為長沙項目取水管線。另外，項目環評批復要求做到全部污水處理后回用、不外排。基于兩者的綜合約束，實現廢水零排放、深度無害化處理回用、一水多用、梯級開發利用對長沙焚燒項目來說是十分必要的。

圖1 長沙項目取水管線示意圖

1 項目基本情況

1.1 項目概況

長沙焚燒項目是長沙市第一座垃圾焚燒發電廠，也是目前全國在運營狀態規模最大的垃圾焚燒發電廠，由浦湘生物能源股份有限公司（以下簡稱浦湘）為項目業主采用BOT 模式，投資建設和運營。長沙焚燒項目于2017年底開始調試，2018年3月完成168 h 試運行，廠址位于長沙市望城區橋驛鎮沙田村，設計日處理生活垃圾5 100 t，年處理垃圾量約180 萬t。配制6臺850 t/d 的機械爐排焚燒爐,6 臺中溫中壓臥式余熱鍋爐和4 臺25 MW 汽輪發電機組。

1.2 項目給水設計

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

圖2 全廠給水系統簡圖

1.3 項目污、廢水設計情況介紹

全廠廢水系統包括垃圾滲濾液處理系統、生產廢水處理系統、生活廢水處理系統以及雨水排水系統。其中，三種污水經污水處理系統處理后達到《城市污水再生利用工業用水水質》（GB/T 19923-2005）標準回用至冷卻塔作為生產用水；雨水經雨水管網匯集后進入初級雨水收集池，經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工藝簡圖。

1.4 初期零廢水排放設計水平衡

廢水零排放需要最大程度地控制生產過程中的廢水排放，盡可能地進行優質清潔廢水的循環使用和廢水處理后的再利用，同時要保證足夠的水質監測手段，增加其運行的可靠性，實現一水多用、梯級使用、廢水回用。

圖3 污水處理工藝流程簡圖

依據環評批復和初期給排水系統設計，長沙焚燒項目進行了初期的廢水零排放規劃與實施。滲濾液、生產工業廢水和生活污水，三種污水總共計近 3 000 m3/d，分別經相應工藝處理后，清液達標回用至循環冷卻塔。滲濾液和生產廢水處理過程中產生的膜濃縮液，分別經DTRO 和DTNF 進一步減量化后，清液達標回用至循環冷卻塔，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消納，產生的污泥經廠內污泥干化處理后輸送至焚燒爐內，與生活垃圾一同摻燒，有效地消耗解決了污水處理終端產物，最大程度地保證發電廠的經濟效益。取用水中約80%的新水被用作循環冷卻塔的補水，污水處理后約2 000 m3/d 的達標清液回用，占循環冷卻塔總補水量的28%，有效降低了生產取水量，具有極大的經濟性和環保性。圖4為長沙焚燒項目初期廢水零排放運行水平衡圖，圖中數值的單位均為m3/d。

2 廢水零排放深度研究優化

2.1 初期廢水零排放全廠水系統評價

參考《火力發電廠能量平衡導則 第5 部分：水平衡試驗》（DL/T 606-2009），對全廠水系統的重復利用率、排放水率、廢水回用率等指標進行分析、評價；參考《工業循環冷卻水處理設計規范》（GB/T 50050-2017）對循環水濃縮倍數進行計算、分析。

（1）全廠總取水量、總用水量、復用水量、循環水量、回用水量等計算公式如下：

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

（2）全廠重復利用率、排放水率、廢水回用率的計算公式如下：

圖4 長沙焚燒項目初期廢水零排放運行水平衡圖

式中，R為重復利用率，%；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為生產過程中產生廢水總量，m3/d。

（3）間冷開式循環冷卻系統濃縮倍數計算公式如下：

式中，Qm為補水量，m3/d；Qe為蒸發損失，m3/d；Qw為風吹損失，m3/d；Qb為排污損失，m3/d。

由圖4 可知，循環水蒸發損失為6 126 m3/d，排污損失為750 m3/d,風吹損失為817 m3/d，循環水濃縮倍率經計算為4.91，屬于高效節水范圍。按式（1）～式（6）計算出全廠其他數據情況，如表1所示，可知全廠重復利用率為98.03%，廢水回收率為100%，排放水率為0%?？梢姵跗诘膹U水零排放運行實現了高效的廢水重復利用效果，全廠水系統基本上達到了一個很好的平衡點。

表1 長沙焚燒項目初期水平衡水量關系

2.2 出現的問題

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

①由決策對象i關于決策指標j的量化評價值xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)可得到決策矩陣X=(xij)n×m。

圖5 2018年長沙焚燒項目日均垃圾進廠及滲濾液產生情況

在正常進行阻垢劑、殺菌劑投加處理的情況下，初期濃縮倍數約4.91、高效節水的循環水系統，隨著運行時間的加長，各項水質指標逐漸有趨向“結垢性水質”的威脅。圖6、圖7 為2018年2月至2018年7月循環水各指標化驗結果月均值變化曲線，總體均呈上漲趨勢，“鈣硬度+全堿度”逼近1 000 mg/L。

圖6 循環水指標變化①

同時，由表2 中循環水及循環水補水中電導化驗結果可知，廠內循環水的兩路補水、湘江原水凈化后的補水水質一般變化不大，但污水處理清液回用部分的水質波動較大。由表中化驗數據制圖，如圖8所示，分別生成各自趨勢線得出三者間的線性關系。很明顯，廠內循環水水質變化不僅受運行及環境氣候變化的影響，與污水處理回用清液水質變化也呈現很大的相關性。綜上所述，循環水濃縮倍數的控制、補水量以及排污量的控制不僅需要根據運行和氣候的變化進行調整，還需對污水處理回用清液的水質進行有效的跟蹤把控，及時發現并處理因其水質變化可能對循環水產生沖擊的因素。

表2 2018年循環水及其補水電導率月均值（2-7月）

圖8 循環水、凈水器補水、清液回用線性關系

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，加大每臺爐的濃縮液回噴量。長沙焚燒項目實際經驗值顯示，每回噴1 t 濃縮液，將損失463.64～514.28 kW·h 的發電量，上網電價以0.50 元/（kW·h）計算，即每消耗1 t 濃縮液，至少損失200 元電費。顯然，經濟效益損失是巨大的。所以，該項措施只在全年滲濾液產量高峰期考慮采用，應急消納濃縮液。

（2）濃縮液回用飛灰固化。長沙焚燒項目飛灰主要來自煙氣處理半干式脫酸系統底部灰與布袋除塵捕捉下來的灰，飛灰的成分復雜，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危害性的二噁英和呋喃。所以，飛灰需在廠區內經螯合固化達標后轉運至危廢處置中心填埋處置。而飛灰螯合固化對水質無要求，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，減少了入爐燃燒導致發電量減少的高處理成本，實現了濃縮液的資源化利用。該方案長沙焚燒項目正在試驗探索中。

（3）濃縮液回用石灰漿制備。高濃度滲濾液處理系統中納濾處理超濾清液，產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物以及殘留的含氮類化合物。此部分濃縮液經DTNF 減量化處理后再次產生的濃縮液中，含有大量難降解的COD，但電導率較低，溶解性固體含量較低。同時，半干法對所用水水質沒有要求，最終有害物質可以隨飛灰一起進行穩定無害化處理。故考慮將部分納濾濃液減量化后的濃縮液用于焚燒廠內煙氣處理反應塔的石灰漿制備，既不會對煙氣指標控制產生影響，又能消耗終端濃縮液產量。濃縮液回用于石灰漿制備的技術已在多個垃圾焚燒發電廠應用實施。目前，長沙項目正在進行相關系統改造中。

2.3.2 控制循環水水質

（1）嚴密監控污水系統運行及回用清液水質。由前文分析可知，中水回用部分補水對循環水的水質有很大程度的影響。故對污水處理系統提出了更嚴格的運行要求，按需設定了廠內較《城市污水再生利用 工業用水水質》（GB/T 19923-2005）更加嚴格的清液回用標準。表3 中化驗數據顯示，之后回用清液的水質得到了明顯的改善，循環水的電導率也處于可接受的浮動范圍之內。

表3 2018年循環水及污水處理回用清液電導率月均值（8-12月）

（2）增大循環水排污量。不同于循環水電導的控制，硬度只有通過循環水合理的補排水，即控制濃縮倍數才能進行有效調節。基于出現的問題，采取措施的考慮方向為增大循環水的排污量，同時又不增加全廠的耗水成本。故對廠內部分系統排放水水質做了一次綜合分析。

表4 為部分化驗數據，可見生活制水設備反洗排水及除鹽水設備反洗水較循環水水質要好，而廠內低濃度無機廢水處理系統接收的廢水為除鹽水水設備反洗水及循環水排污水，此處存在明顯的資源排放現象?？紤]將除鹽水設備反洗水及生活制水設備反洗水作為優質清潔廢水，直接補入循環水系統中。這樣既能實現資源重復利用，增加循環水的補水，又能讓低濃度無機廢水處理系統全部接收循環水排污水，加大循環水的排污量。

表4 各系統排放水水質分析

2.4 優化后廢水零排放全廠水平衡

經過初期零排放水平衡運行，出現問題并實施相應解決對策后，形成目前長沙焚燒項目廢水零排放水平衡圖，如圖9所示。圖中，相關數值的單位均為m3/d。

圖9 優化后長沙焚燒項目零排放運行水平衡圖

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

表5 長沙焚燒項目現行水平衡水量關系

3 廢水零排放運行效果

3.1 環境經濟效益可觀

長沙焚燒項目廢水零排放運行的實施預計可減少廢水排放944 467.2 m3/a，實現COD 減排約250 t/a，環保效益非常顯著。若長沙焚燒項目湘江取水以2 元/m3計算，全廠回用水量、復用水量為2 000 m3/d、1 118 m3/d，每天可減少的湘江取水量為3 118 m3/d，可節約水費6 236 元/d。另外，項目無需外排污水，可減少一定的排污費用及送至其他污水處理廠處理的費用。實現污水零排放的經濟效益也相當可觀。

3.2 循環水水質良好可控

2018年8-12月循環水水質詳細情況如表6所示。表中數據表明，“總堿度+鈣硬度”全年均值在800 mg/L 左右，完全符合《工業循環冷卻水處理設計規范》（GB 50050-2017）中規定要求；水質整體沒有腐蝕結垢傾向，滿足高濃縮倍數下的運行 要求。

表6 2018年8-12月循環水化驗數據月均值

3.3 凝汽器換熱效果良好

廢水零排放運行期間，凝汽器真空數值如圖10所示，全年數值均在-90.00 kPa以上，有效保證了汽輪機的熱循環效率。

圖10 2018年零排放運行期間凝汽器真空均值

3.4 凝汽器水側管束光滑潔凈

圖11 為2018年6月至2019年1月各機組檢修時的凝汽器現場水側管束照片，可見設備水側管束潔凈顯金屬本色，無腐蝕現象發生。這也反映出廢水零排放期間循環水水質控制取得了良好的 效果。

圖11 各機組檢修時凝汽器現場水側管束照片

4 結語

垃圾焚燒發電廠廢水零排放是一個復雜的系統問題，既需要從整體運作考慮，結合焚燒廠各用水環節，采取合理的措施實現一水多用、水資源梯級利用；又需要統籌規劃，實現水系統水量平衡。長沙焚燒項目積極進行廢水零排放工藝設計，不斷攻堅創新：大量無機清潔廢水直接補入循環冷卻水，減少污水處理成本和終端濃縮液產生量；滲濾液、生產廢水以及生活污水處理后的清液回用至循環冷卻水補水，剩余的少量濃縮液經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、節水，找到了系統的平衡點，最終實現了全廠廢水零排放。