環保電廠綜合利用市政中水資源的可行性分析

文_孫浩然 唐俠 李游 趙方亮 程海亮

1.天津光大興辰環保能源有限公司 2.光大環保（中國）有限公司 3.光大環保能源（蘭考）有限公司

垃圾發電可以變廢為寶，不但充分利用了垃圾的熱值，又對燃燒產生的有害成分通過煙氣處理系統進行統一處理，減少對環境的污染。但發電廠又是耗水大戶，特別是在我國北方，水資源相對短缺、城市缺水問題突出的地區，連續的干旱突顯了水資源短缺問題的極端重要性和緊迫性，所以，水資源的綜合利用率是可持續發展的重中之重。中水的綜合利用是緩解地表水和地下水短缺危機的有效途徑，是節約使用水資源的重要措施，對我國水資源緊缺地區的經濟可持續發展具有著十分重要的意義以及良好的示范效應。

市政中水具有水量大、水源穩定、經濟性強等優點，但水質波動大、水質復雜的問題也是客觀事實存在的。因此，應將中水原水進行深度處理和協調使用，保證水質和水量完全穩定地回用至電廠的冷卻水系統，以實現水資源利用最大化。

1 污水處理工藝及中水水質分析

1.1 污水處理工藝介紹

天津光大興辰環保能源有限公司工程總規模處理生活垃圾3000t/d，MCR額定工況總年發電量約5.81×108kWh，年上網總電量約4.83×108kWh，本項目使用雙青污水處理廠尾水作為冷卻塔補水水源。

北辰區雙青污水處理廠位于雙口鎮北辰西道與衛河交口東北角，設計規模為15萬m3/d，現有處理規模4萬m3/d。2012年北辰區環境保護局對該項目一期2萬m3/d已處理污水進行環保竣工驗收（津辰環保許可驗[2014]13號）。2016年天津市北辰區行政審批局對該項目二期2萬m3/d已處理污水進行環保竣工驗收（津辰審環驗[2016]第8號）。污水處理采用“分質預處理+改良AAO工藝+混凝沉淀過濾+消毒”工藝。根據北辰區雙青污水處理廠二期2萬m3/d竣工環境保護驗收監測報告（津昶監驗字[2016]第001號），污水排放均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A標準。雙青污水處理廠后期進行了提標改造，現狀尾水排放執行天津市地方標準《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（DB12/599-2015）A標準，最終排入永定新河，雙青污水處理廠處理工藝流程如圖1所示。

1.2 中水水質指標

雙青污水處理廠進水標準執行天津市地方標準《污水綜合排放標準》（DB12/356-2018）中三級排放標準，具體如表1所示。雙青污水處理廠尾水排放執行天津市地方標準《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（DB12/599-2015）A標準，具體如表2所示。中水排放標準與回用水標準對比如表3所示。污水處理廠尾水排放實測值如表4所示。

表 1 污水處理廠接管標準 /（mg/L）

表 2 污水處理廠尾水排放標準 /（mg/L）

表3 污水處理廠尾水排放標準與回用水標準比對情況

17 陰離子表面活性劑/（mg/L） ≤0.5 ≤0.3 14 總磷/（mg/L） ≤1 ≤0.3 15 溶解性總固體/（mg/L） ≤1000 -16 石油類/（mg/L） ≤1 ≤0.5 18 余氯/（mg/L） ≥0.05 -19 類大腸菌群/（個/L） ≤2000 ≤1000

表4 污水處理廠尾水排放實測值 / （mg/L）

2 中水污染物對循環冷卻系統的影響

市政中水存在水質波動大、微生物多、高氯離子、高氨氮等問題。特別是在北方城市，全年干旱少雨、冬季極度寒冷，對污水處理廠的生化處理造成嚴重影響，導致氨氮、氯離子等污染物含量飆升。這些高鹽份污染物進入循環冷卻水系統，會對凝汽器造成嚴重的腐蝕、黏泥附著、結垢等現象。

2.1 氯離子對循環冷卻水系統的影響

采用市政中水作為垃圾發電廠的冷卻水水源，主要用于汽輪機凝汽器和輔機的冷卻水使用，而水中的氯離子會導致金屬管道腐蝕，所以氯離子是循環冷卻水中的重要控制污染物指標。由表4實測數據分析，氯離子含量434.9mg/L，該公司凝汽器材質為316L不銹鋼，根據不銹鋼材質耐氯離子腐蝕標準1000mg/L，循環水的濃縮倍率會大幅度降低，從而加大水資源的浪費。循環冷卻水系統物料平衡關系如圖2所示。

注：硬度單位mmol/L；濁度單位：NTU；pH單位無量綱。

具體計算方式如下：

根據物料平衡，氯離子在循環冷卻系統中的積累量=補充量-損失量-反應量，即

式中：t——時間；V——循環冷卻系統有效容積；CB——補充水氯離子濃度；QB——補充水量；Qp——排污水量；QF——風吹水損失量。

穩態時，dc/dt，所以：

其中：φ=濃縮倍數。

由式（1）得：

式(2)表明穩定情況下，循環水中的氯離子濃度與補充水的濃度、補充水流量及濃縮倍數有關。在系統及工況條件一定條件下，則循環水氯離子濃度與補充水氯離子濃度成正比。

2.2 微生物對循環冷卻水系統的影響

中水是利用生化處理水中有機物的，處理工藝末端會添加次氯酸鈉進行殺菌，由于次氯酸鈉中含有氯離子成分，這樣會大量增加中水中氯離子含量。為了減少氯離子進入循環冷卻水系統，盡量選擇使用消毒前的中水，但這樣就會導致大量微生物進入冷卻水系統。微生物會在冷卻塔填料層、凝汽器管道等處滋生，形成黏泥，會在冷卻塔塔壁和支柱處滋生青苔等，從而降低冷卻系統的冷卻效率，增大凝汽器溫度端差，嚴重時需要停機清洗，影響較為嚴重。

3 中水深度處理技術研究

經過污水處理廠處理后的中水滿足國家排放標準后能夠直接排入自然水體，但作為環保電廠的循環冷卻水補充水源，仍有大量污染物指標無法滿足要求，比如排放標準中的指標微生物、磷、高鹽分離子等都沒有達到要求。這樣就需要對其進行進一步深度處理，去除部分污染物后才能補充到循環冷卻水系統。

3.1 中水處理工藝選擇

由表3可知，大部分污染物指標可以滿足循環冷卻水補水要求，但氯濁度、鐵、氯離子、二氧化硅、總硬度、總堿度、硫酸鹽、溶解性總固體和余氯指標嚴重超出循環冷卻水補水標準，只有通過膜系統進行物理過濾進行去除。

以天津光大興辰環保能源有限公司為例，采用多介質過濾器+自清洗過濾器+超濾+反滲透（RO）工藝進行深度處理，中水處理工藝流程圖如圖3所示。

（1）多介質過濾器。多介質過濾器采用雙濾料過濾，由無煙煤與石英砂組成，有足夠的化學穩定性。所用的無煙煤堆積密度為0.45～0.55g/ml，粒徑為0.8～1.8mm；石英砂堆積密度為1.6～1.75t/m3，粒徑為0.6～1.2mm。主要去除水中的泥砂、懸浮物、膠體等雜質和藻類等生物，從而降低對后續膜系統的機械損傷及污染。

（2）超濾裝置。超濾過濾原理也是一種膜分離過程原理，超濾利用一種壓力活性膜，在外界推動力(壓力)作用下截留水中膠體、顆粒和分子量相對較高的物質，而水和小的溶質顆粒透過膜的分離過程。通過膜表面的微孔篩選可截留分子量為30000～10000um的物質。當被處理水借助于外界壓力的作用以一定的流速通過膜表面時，水分子和分子量小于300～500um的溶質透過膜，而大于膜孔的微粒、大分子等由于篩分作用被截留，從而使水得到凈化。也就是說，當水通過超濾膜后，可將水中含有的大部分膠體硅除去，同時可去除大量的有機物等。

天津光大興辰環保能源有限公司超濾膜系統設計處理量為1560m3/d×2套，超濾膜的濾芯表面運行濾速為120L/（m2·h），設計膜通量為60L/（m2·h）。超濾膜組件具體參數如表5所示。天津光大興辰環保能源有限公司超濾膜系統具體設計信息如表6所示。

表5 超濾膜具體參數信息表

表 6 超濾膜系統設計信息表

（3）反滲透（RO）裝置。反滲透又稱逆滲透，一種以壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。對膜一側的料液施加壓力，當壓力超過它的滲透壓時，溶劑會逆著自然滲透的方向作反向滲透。從而在膜的低壓側得到透過的溶劑，即滲透液；高壓側得到濃縮的溶液，即濃縮液。若用反滲透處理海水，在膜的低壓側得到淡水，在高壓側得到濃水。

RO反滲透膜孔徑小至納米級，在一定的壓力下，H2O分子可以通過RO膜，而原水中的無機鹽、重金屬離子、有機物、膠體、細菌、病毒等雜質無法通過RO膜，從而使可以透過的純水和無法透過的濃縮水嚴格區分開來。

天津光大興辰環保能源有限公司選用的是陶氏反滲透一款抗污染膜元件，該膜元件運用了陶氏企業獨有的抗污染膜技術即進行化學及物理改性，專門針對預處理要求極為嚴格，但原水內依然存在污染物雜質的應用領域。陶氏此款抗污染膜具有高效的抗污染能力和可清洗特性，并且系統運行較為經濟。反滲透膜組件具體參數如表7所示。反滲透膜系統具體設計信息如表8所示。

表7 反滲透膜具體參數信息表

表8 反滲透膜系統設計信息表

3.2 污染物去除效率研究

經過以上中水處理工藝的處理，中水排放標準中的濁度、鐵、氯離子、二氧化硅、總硬度、總堿度、硫酸鹽、溶解性總固體和余氯可以通過反滲透有效的處理，反滲透產水各項污染物指標濃度很低。 中水原水與反滲透產水對比如表9所示。

表9 中水原水與反滲透產水對比表

由表9可知，污染物濃度去除效果明顯，以循環冷卻水較為關注的氯離子濃度指標計算，每100m3中水可去除約43.5kg。

3.3 水量協調使用管理

以光大興辰環保能源有限公司中水運行方式為例，原水的中的微生物、磷、高鹽分離子等污染物依然很高，直接進入循環冷卻水系統潛在危害很大。如果完全使用上述工藝出水補充至循環水池，又會增加生產運行成本。為了既能夠滿足循環冷卻水補水要求，又可兼顧經濟運行，根據中水原水水質，該公司采用每天補充中水原水2280t，補充經過中水處理工藝處理后純水2160t的運行方式，原水和中水混合后氯離子濃度為233mg/L，最終兩路水源在循環水池匯合。按內控氯離子濃度800mg/L計算，濃縮倍率由原來的2倍左右可提升至4倍左右，增加了中水的使用效率，可滿足生產冷卻水系統補水要求。

由于污水處理廠的運行波動，隨著季節、氣候、水量的變化，出水水質也有一定的影響。冬季水量少，污染物指標相對夏季要高，所以，該運行方式不是一成不變的，原水補充水量的多少取決于原水水質。根據不同的原水污染物濃度，和不同的中水處理系統產水混合比例，科學調配水量使用管理十分重要。

根據質量守恒，在循環水池氯離子濃度總量不變的情況下，原水氯離子濃度越低，中水處理系統需處理水量越低，中水的運營和使用成本越低。原水氯離子濃度從600～100mg/L，以50mg/（L·次）進行遞減，中水原水可利用水量和原水氯離子濃度成反比，原水氯離子濃度越低中水原水可利用水量越大。具體水質和水量對比情況如圖4所示。

由圖4可知，補充水量隨著中水原水氯離子濃度變化而變化，所以，中水原水氯離子濃度越低，原水補充水量越大，生產運營成本越低。

綜上，采用多介質過濾器+自清洗過濾器+超濾+反滲透（RO）工藝處理市政中水，可以有效去除水中的懸浮物和離子成分，保證電廠冷卻水系統安全穩定運行。且此工藝系統設備技術成熟，自動化程度較高，可減少人員成本投入。由于此工藝是利用物理過濾技術，會產生30%～40%的濃水，對于沒有污水排口的單位將要進一步考慮濃水的處置問題。由于利用膜處理，膜元件的壽命一般在3～5年，每次膜元件更換的費用也需要考慮。

4 結語

文中分析市政中水應用到環保電廠循環冷卻水系統的可行性，針對不同的水質情況，只要選擇合理的處理工藝，完全可以實現中水資源的綜合利用。以光大北辰能源環保電廠為例，經過中水處理工藝后淡水綜合利用，濃水部分回用、部分排放至污水處理廠，每年約使用中水量在350萬m3，年可減少污染物直接向自然水體排放量：COD 105t；氨氮5.025t，環境保護效益顯著。使用市政中水也可減少企業的經濟損失，以上工藝設備投資約400萬元左右，中水原水費用約3.76元/m3（天津市中水價格），運行成本約2.2元/m3。按每天補充新鮮水源6000/m3參考，使用所述方式年利用中水量約350萬/m3，使用自來水作為水源預計年取水量約220萬m3，按天津市自來水7.9元/m3、中水3.76元/m3計算，預計每年可節約422萬元，經濟效益明顯。

隨著我國水資源的不斷匱乏，湖泊、河流等地表水和地下水資源不斷受到污染，以及水資源的嚴重分布不均勻，使我國中西部、北方地區工業發展嚴重受限。市政中水作為成本低廉、來源穩定的新型水資源，越來越受到國家及企業的重視。充分利用市政中水資源作為工業用水，可以減少現有淡水資源的浪費，減少企業運行經濟成本，增加企業運營效益，同時減少污染物的直接排放，減少自然水體污染，真正實現水資源和環境保護的可持續發展。