垃圾焚燒發電廠供排水及處理系統設計分析

陳子華

（上海康恒環境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

世界銀行數據統計顯示，當前全球每年產生的垃圾量高達20.1億t，預計到2050年，全球垃圾產生量將達到34億t/a[1]。據預測，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為衛生填埋、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、日本等發達國家[2]。在我國《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》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）實現原生垃圾“零填埋”，建制鎮實現生活垃圾無害化處理能力全覆蓋；設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年全國范圍內擬將建設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；預計“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、破解“垃圾圍城”的環保難題方面扮演著越來越重要的角色。

生產用水、生活用水的供應作為垃圾焚燒發電廠的重要組成部分，對整個焚燒廠的運轉起著重要的作用，甚至影響著垃圾焚燒發電的效率。垃圾焚燒發電項目建設地的水源、水質等水資源狀況、市政供水條件對焚燒廠生產、生活供水模式影響極大；焚燒廠建設地污、廢水排水條件及執行的污水排放標準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”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃收官之年，本文對我國垃圾焚燒發電廠供水及處理、污廢水及其處理系統的設計進行分析總結，以期能對“十四五”期間垃圾焚燒發電廠的規劃、設計、建設及運營起到一定的指導作用。

1 給水及處理系統

1.1 生活給水

垃圾焚燒發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《GB 50015-2019建筑給水排水設計規范》進行設計。圖1所示為垃圾焚燒發電廠典型的生活用水供水模式。當采用地表水、地下水作為生活供水水源時，原水經一體化凈水設備處理，出水經生活凈水裝置處理達到《GB 5749-2006生活飲用水衛生標準》后進入生活水箱，經生活供水設備及紫外消毒器消毒后作為廠區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水源水質不同有所差異，“預處理+超濾+反滲透”工藝應用較為廣泛。

圖1 垃圾焚燒發電廠生活用水供水模式

1.2 生產給水

1.2.1 生產用水水源

垃圾焚燒發電廠生產用水主要包括循環冷卻水系統及空冷尖峰冷卻系統補水、除鹽水系統原水、澆灌綠化、道路澆灑、其它生產用水項目、未預見水等用水項目。生產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用水在國內垃圾焚燒發電應用較少。采用地表水、市政中水作為生產水源時，原水經處理達到《GB/T 19923—2005城市污水再生利用—工業用水水質》表1 敞開式循環冷卻水補充水水質標準及電力行業同類型中水用于循環冷卻水系統補充水的相關水質指標標準后進入生產和消防合用水池供生產和消防使用。

1.2.2 生產給水處理系統規模

生產給水處理系統的規模可按照式（1）計算確定：

式中：Qm—循環水系統補水量及空冷尖峰冷卻系統補水；Q1—其它生產用水及未預見水量；Q2、Q3—化水系統原水量、濃水量；Q4—鍋爐定、連排污水量；Q5—工業廢水處理站清水量；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蒸發損失、風吹損失及排污損失需要消耗大量的新鮮生產水且在冬季易形成大量水霧的問題，空冷系統在我國“三北”地區及富煤缺水或干旱地區火電廠廣泛應用[6-8]。且相比于水冷系統，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提高系統真空[7,9]，尖峰冷卻系統仍需進行補水。目前，空冷系統在垃圾焚燒發電廠應用較少，依舊以循環水冷卻系統為主。

循環水系統水量QX由凝汽器冷卻水Q8、冷油器、空冷器、風機、泵類、空壓機、液壓站等輔機設備冷卻水Q9以及其他使用循環水冷卻的冷卻水Q10組成。

其中，凝汽器的冷卻水量占主要部分，該部分水量可根據式（3）確定：

式中：De—凝汽器進汽量，通常按照鍋爐蒸發量的75%～80%設計；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，循環水泵的容量也隨之增加，耗電量增加。當汽輪機提高的出力與循環水泵增加的電耗之差最大時的m為最佳冷卻倍率。根據工程經驗，m按照北方地區60～70、中部地區65～75、南方地區70～80設計[10]。

循環冷卻水系統的補水量Qm可按照式（4）計算確定，

式中：Qe、Qw、Qb—蒸發損失、風吹損失、排污損失；N—循環水系統設計濃縮倍率，根據水源水質確定。

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

式中：Δt—循環冷卻水進、出冷卻塔溫差，通常設計為8～10℃；K—蒸發損失系數；P—冷卻塔收水器與進風口的風吹損失百分率，當缺乏測試數據時按0.01%設計。

循環冷卻水系統設置循環水加藥裝置及旁濾裝置。根據《工業循環冷卻水處理設計規范》，間開式冷卻系統旁濾裝置規模按照循環水量的1%～5%設計[12]。

根據式（1）～（7），不難發現鍋爐蒸發量、冷卻倍率及滲濾液站、工業廢水處理站、洗煙減濕廢水處理站設置及出水回用量為焚燒廠生產給水處理系統規模的決定性因素。

1.2.3 生產給水處理系統處理工藝

圖2所示為垃圾焚燒發電廠廣泛應用的生產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執行《GB 18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級A標準，其中部分指標執行《GB 3838-2002地表水環境質量標準》V類或者IV類水質標準。當采用此類市政中水或硬度較大地表水作為水源時設計圖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，軟化調節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準。

圖2 垃圾焚燒發電廠生產用水供水模式

生產給水凈化系統按照1用1備配置設計，出水水質指標通常按照濁度≤3NTU，其余指標需滿足《GB/T 19923-2005城市污水再生利用 工業用水水質》規定的濃度限值，同時不大于進水對應值的要求進行設計。生產給水凈化系統出水進入生產和消防合用水池后經工業新水泵提升至各用水點。

1.3 化水系統

表1為化水系統規模及工藝，從表中可看出化水系統的原水主要有市政自來水、一體化凈化器凈化后地表水、中水處理系統處理后市政中水；同時，垃圾焚燒發電廠化水系統廣泛應用的工藝為“預處理系統+超濾+兩級反滲透工藝+EDI”。化水系統出水達到《GB/T 12145-2016火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》水質標準后用于鍋爐補給水、煙氣凈化尿素或氨水稀釋、閉式冷卻系統補水、真空泵補水、化驗室用水等。化水系統設計規模按照《GB 50049-2011小型火力發電廠設計規范》等規范設計確定，其與垃圾焚燒項目規模總體呈正相關的關系。

表1 化水系統處理工藝及規模

1.4 消防給水系統

消防用水儲存于生產、消防合用水池內并設置水位控制系統以確保消防用水不被動用。消防用水量根據《GB 50974-2014消防給水及消火栓系統技術規范》《GB 50016-2014建筑設計防火規范》等規范設計。焚燒廠廠區設置環狀消防給水管網，采用消防泵增壓的臨時高壓消防給水系統并設置消防水箱及穩壓裝置。

2 污、廢水排水及處理系統

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

2.1 生活污水

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

2.2 生產廢水

垃圾焚燒發電廠生產廢水主要分為兩類：一類為循環水系統排污水、鍋爐定連排污水、化水系統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 工業廢水

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

工業廢水處理站的規模QI可通過式（8）計算確定：

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

工業廢水處理站廢水來源主要為循環水排污水，具有硬度大、離子濃度高、懸浮物含量高的特點。因此，“調節池+化學軟化+砂濾（機械化加速澄清濾池）+TUF（UF）+RO，濃液DTRO減量化”為工業廢水處理站的主流工藝。其中，UF產水率95%以上，RO產水率75%左右，DTRO產水率40%左右，工業廢水處理站整體產水率在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。減濕廢水量呈現季節性變化，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“調節池+預處理+兩級RO”，其濃水排至滲濾液處理站生化系統進行協同處理。

洗煙廢水含鹽量較高，以硫酸鹽及氯化物為主，“調節池+砂濾+UF+DTRO+RO”工藝提高系統產水率的同時保證氯離子濃度滿足回用標準。洗煙廢水量可通過設定反應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

2.3.1 滲濾液的來源

垃圾焚燒發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、地磅區域及運輸引橋區域的初期雨水。

2.3.2 滲濾液處理站規模確定

研究顯示，受焚燒廠所在區域垃圾收集方式、氣候、地理位置、居民生活習慣、經濟發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模常根據工程經驗按照20%～30%處理量設計。滲濾液處理站規模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模）。

2.3.3 滲濾液處理站處理工藝

由于滲濾液水質特性較為復雜，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，“預處理+生化處理+深度處理”組合處理工藝廣泛應用于國內外垃圾滲濾液處理[16]，出水最終達到《GB/T 19923-2005城市污水再生利用工業用水水質》中的敞開式循環冷卻水系統補充水標準后回用；“化學軟化+微濾+反滲透（RO）減少濃液產生量、（高壓）碟管反滲透（HPRO、DTRO）處理RO濃縮液、膜濃縮液蒸發結晶（MVPC、MVR等）”的應用實現了垃圾焚燒廠滲濾液的全處理和回用，實現濃液全量處理[17]，逐步形成了圖3所示的滲濾液“預處理+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；少數項目采用“預處理+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“預處理+UASB+氨吹脫+A/O+NF+RO+DTRO”工藝及“預處理+氨吹脫+UBF+SBR+NF+RO+DTRO”工藝。對于滲濾液處理系統濃液，主要用于石灰制漿、飛灰穩定化等綜合利用，剩余部分入爐回噴，污泥經脫水、干化后排至垃圾池入爐焚燒；濃液通過縮液蒸發結晶、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為目前廣泛應用的“預處理+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室外排水設計規范》及《GB 50015-2019建筑給水排水設計標準》設計計算。目前，通常對垃圾焚燒發電廠內垃圾運輸通道、高架橋、地磅區域等有垃圾滲濾液滴漏造成污染區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雨水排水系統。經雨水管線收集至初期雨水收集池內的雨水由初期雨水提升泵送至垃圾滲濾液處理站處理。

3 垃圾焚燒發電廠全廠水量平衡原理圖

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

4 結論與展望

垃圾焚燒發電廠生活用水常由市政自來水或由地表水經一體化凈水器和生活水凈化裝置處理后地表水供給。生產用水主要用于循環冷卻水系統補水、化水系統補水及綠化澆灌、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處理后市政中水供給。隨著環保力度加大，垃圾焚燒發電廠污、廢水逐步向“零排放”的趨勢發展，循環水系統排污水等清潔下水、洗煙、減濕廢水分別經工業廢水處理站、洗煙減濕廢水處理站經處理達標后回用；垃圾池滲濾液、卸料大廳及車間沖洗水、易受污染區域初期雨水經滲濾液處理系統后清水回用，濃液經減量化后回用或者入爐回噴。“預處理+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電廠滲濾液處理的主流工藝，MVPC、MVR等技術的應用也讓焚燒廠滲濾液實現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、餐廚垃圾等協同處理中心、靜脈產業園并融入“去工業化”的設計理念，實現廢棄物等減量化、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”轉化為“鄰利效應”的設計模式將在“十四五”期間深入發展。