垃圾焚燒發電廠廢水“零排放”技術及工程案例分析

陳子華

(上海康恒環境股份有限公司，上海 201703)

2020年末，我國垃圾焚燒處理占比已超過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]。垃圾焚燒發電已成為我國實現固體廢棄物減量化、資源化、無害化處理的主要措施，也是我國大多數大城市破解“垃圾圍城”難題、助力“無廢城市”建設的首選方案。與此同時，我國CO2排放量占全球總量的28%，“2030年碳達峰、2060年碳中和”的目標預示著節能減排的艱巨性。垃圾低碳化是實現“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“碳達峰、碳中和”目標的實現[1]。據報道，按照垃圾發電量為400 kW·h/t計，處理1 600 t/d的垃圾焚燒發電項目發電量達2.2億kW·h/a，相當于減少了約7萬t標準煤燃燒發電的CO2排放量[3]；同時，1 600 t/d的垃圾量通過焚燒代替填埋可減少大量甲烷氣體排放；該項目平均減排溫室氣體的CO2當量約20萬t/a。

水是維持垃圾焚燒發電廠運轉的關鍵要素。廢水“零排放”提高了垃圾焚燒發電廠水資源利用率，降低對環境的壓力，化“鄰避”為“鄰利”的同時也降低了運行成本。同時，隨著環境保護加大力度、生態文明建設深入發展以及《中華人民共和國環境保護法》《水污染防治行動計劃》(“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，垃圾焚燒發電廠廢水“零排放”可獲得“環境、社會、經濟”多重效益[4]。高標準、更清潔、“零排放”的“藍色燃燒”也將是垃圾焚燒發電行業未來的發展方向[5]。據此，本文對垃圾焚燒發電廠廢水“零排放”瓶頸及工程案例進行分析與探討，以期對垃圾焚燒發電廠廢水“零排放”的實現提供一定的指導與借鑒意義。

1 垃圾焚燒發電廠污廢水分類及處理系統

垃圾焚燒發電廠污廢水由生活污水、生產廢水、初期雨水以及滲濾液組成。根據焚燒發電廠的污廢水水質情況，可將處理系統分為生產廢水處理系統和滲濾液處理系統，如表1所示。其中，垃圾焚燒發電廠的生活污水、食堂污水分別經化糞池、隔油池后排至滲濾液處理系統進行處理。初期雨水為非常態水，分批次排入滲濾液處理系統處理。

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

2 垃圾焚燒發電廠廢水“零排放”技術難點與新方法

2.1 生產廢水“零排放”

2.1.1 潔凈廢水的“零排放”途徑——水質監控與循環水排污量控制

循環水冷卻系統對焚燒廠主、輔機的冷卻效果直接影響焚燒發電廠效益，常采用敞開式循環水系統。隨著循環冷卻水的不斷蒸發，大多通過投加磷酸鹽類有機物或聚合物作為阻垢劑、除藻劑及緩蝕劑，以保證循環水系統水質，但此方法一定程度上會增加循環水排污水中化學試劑的濃度，不利于循環水排污水的處理、回用[6]。目前，電化學除垢與電除藻殺菌方法逐漸取代化學試劑投加，以控制循環水系統水質。同時，生物技術逐步替代化學試劑應用于去除循環冷卻水系統中營養物，在減少污染物外排量的同時大幅度減少補水量。通過設置旁路系統除垢、降低硬度，從而提高循環水水質的方法也較為常見[7]。

因此，嚴格把控和監測作為冷卻塔補水水源的除鹽水系統濃水及鍋爐定連排污水等中水水質，及時根據運行情況及氣候變化等因素調整濃縮倍數、補水量與排污量[4]，是減少循環水排污量的有效方法之一。

嚴格控制循環水水質，提高濃縮倍率減少排污量,并通過優先回用作為各類沖洗水、煙氣凈化設備冷卻水后，循環水排污量仍然較大。循環水排污水等生產廢水的處理常采用“化學軟化+管式軟化膜(TUF)+反滲透(RO)+蝶管式反滲透(DTRO)減量化”工藝，出水達到《城市污水再生利用 工業用水水質》(GB/T 19923—2005)中的敞開式循環冷卻水系統補充水標準后回用，此工藝濃液量可控制在15%以下，通過用于爐渣熄渣和冷卻可實現“零排放”。

2.1.2 洗煙、減濕廢水的“零排放”途徑與技術難點

隨著環保標準及民眾對環境質量要求的提高，垃圾焚燒發電廠煙氣處理在干法/半干法的基礎上增加濕法脫酸工藝以達到相應標準。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生成NaCl、NaF、Na2SO3、Na2SO4等鹽類，達到脫酸的效果。同時，經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，酸性氣體也進一步降低。為維持循環冷卻液及減濕液鹽濃度，需定時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充水及堿液稀釋水采用含鹽濃度較大的循環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”處理的常見工藝為混凝沉淀過濾、“混凝沉淀過濾+DTRO+RO”或“混凝沉淀過濾+兩級RO”。混凝沉淀過濾技術難以去除高鹽分，“混凝沉淀過濾+DTRO+RO”或“混凝沉淀過濾+兩級RO”工藝產水率在60%～70%，產生的高鹽分膜濃液仍無法解決。

針對“洗煙、減濕廢水”高鹽分難以去除的技術難題，研究發現，采用“兩級絮凝沉淀+石英砂過濾+活性炭過濾+離子交換+氧化+蒸發濃縮結晶分鹽”組合工藝可徹底解決脫酸廢水回用難度大的問題，并獲得副產品NaCl和Na2SO4，真正地實現了脫酸廢水“零排放”[8]。然而，復雜的工藝、較高的投資及運行費用阻礙了該工藝的推廣與應用。

2.2 滲濾液“零排放”

2.2.1 滲濾液處理系統“零排放”的技術難點

垃圾焚燒發電廠滲濾液主要為焚燒廠垃圾池堆放、貯存過程中瀝出的水分。近些年，“預處理+生化處理+深度處理”工藝因為具有出水水質高、占地面積小等優勢逐漸成為滲濾液處理主流工藝并廣泛應用于垃圾焚燒發電廠[9]。如“預處理+上流式厭氧污泥床(UASB)+膜生物反應器(MBR)(兩級AO)超濾(UF)+納濾(NF)+RO”工藝，系統出水達到《城市污水再生利用 工業用水水質》(GB/T 19923—2005)中的敞開式循環冷卻水系統補充水標準后回用，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、蒸發等[11]，而回灌填埋場不符合“零排放”的要求。濃液回噴技術是一種簡單、完全無二次污染的真正“零排放”技術，且噸水造價及處理費不到傳統滲濾液處理技術的1/2和1/10，廣泛應用于垃圾焚燒發電廠[12]。管錫珺等[13]研究結果顯示，濃液回噴具有降低焚燒爐爐膛溫度、緩解結焦、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，回噴量過大難以保證霧化效果，且濃液中各種鹽類會造成鍋爐受熱面管壁被高溫腐蝕[13]。對于低熱值垃圾焚燒廠，為滿足規范對入爐垃圾低位熱值、煙氣在爐膛中溫度在850 ℃以上且停留2 s的要求，需嚴格控制濃液回噴量[12-13]。同時，在不同鍋爐參數條件下，每噸滲濾液濃液回噴將損失185.50～514.28 kW·h的發電量，按照全國統一垃圾發電標桿電價0.65元/(kW·h)計算，每回噴1 t滲濾液濃液損失120～330元電費[4,10]。因此，需綜合考慮回噴的經濟效益以確定滲濾液濃液回噴量。

2.2.2 應對策略——梯級減量化及綜合利用

(1)滲濾液濃液的梯級減量化

目前，國內垃圾焚燒發電廠普遍采用圖1(a)所示的“預處理+生化處理+深度處理”或類似的滲濾液處理工藝。針對該工藝產生膜濃液量大的技術難題，國內許多垃圾焚燒發電廠采用圖1(b)所示的“TUF+DTRO/高壓反滲透(HPRO)”膜濃液再濃縮工藝對雙膜濃液進行減量化，可將雙膜濃液減量60%～70%。

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

近年來，隨著滲濾液處理指標的提高，蒸氣機械再壓縮(MVR)、熱力蒸氣壓縮蒸發(TVR)、機械蒸氣凈化壓縮(MVPC)、浸沒燃燒蒸發(SCE)等膜濃縮液熱蒸發技術開始在國內垃圾焚燒廠滲濾液膜濃液處理中應用[14]，該技術可將膜濃液減量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的優點，已應用于眾多垃圾焚燒發電廠[3]。青島某垃圾滲濾液擴建工程采用“厭氧反應器+均化池+MBR+DTRO+MVR+干化”工藝，處理系統清水回收率高達91.4%，MVR濃縮液過縮液蒸發結晶、干燥固化后與飛灰一起進行安全填埋，實現了廢水真正的“零排放”[16]，如圖1(d)所示。雖然MVR實現了廢水真正的“零排放”，但也存在投資及運行成本高、設備結垢嚴重、運行周期短、處理時間長等問題[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現廢水的“零排放”，而垃圾焚燒飛灰穩定化、石灰漿制備、爐渣熄渣及冷卻等工藝用水對水質基本沒有要求，可對膜濃液進行終端消納。且滲濾液膜濃液中腐殖質類物質對煙氣、飛灰中重金屬離子的固化穩定化有促進作用。研究表明，滲濾液膜濃液中Cl-質量濃度高達數萬mg/L，采用其制備的石灰漿在進入反應塔后析出的氯鹽具有很強的吸潮性，增加了石灰漿與酸性氣體的反應活性，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導致爐渣含有害成分而無法被綜合利用，達不到無害化處理的效果[11]。因此，膜濃液的終端消納優先考慮飛灰穩定化和石灰漿制備，實現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入旋轉噴霧反應塔中，高速旋轉霧化器將石灰漿霧化后噴入塔中，與煙氣中的酸性氣體發生反應。在反應過程中，石灰漿液中的水分得到蒸發，同時煙氣得到冷卻并獲得干燥的固態反應生成物，如CaCl2、CaF2、CaSO3及CaSO4等，該方法稱為“半干法”。該方法垃圾焚燒發電廠煙氣脫硫、脫酸的關鍵技術，常采用熟石灰制備成質量分數為20%左右的石灰漿液。根據項目經驗，入廠垃圾產生的煙氣量約為4 500 Nm3/t；1 Nm3煙氣所需質量分數為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。焚燒廠飛灰產量約為入廠垃圾量的3.5%，飛灰穩定化工藝中加濕水需求量約為飛灰量的30%，因此，入廠垃圾飛灰穩定化加濕水為0.010 5 m3/t。

表2為飛灰穩定化加濕水、石灰漿制備對膜濃液的綜合利用量。

研究表明，垃圾滲濾液產水量呈現季節性變化與區域性差異，并與廚余垃圾比例有較大關系[11-12,19-20]，因此，滲濾液濃液量也有較大差異。分析認為，滲濾液膜濃液按照圖1(a)優先考慮用于飛灰穩定化和石灰漿制備等；無法被完全回用時，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、部分蒸發和部分回噴等工藝進行梯級減量；同時，根據垃圾熱值及滲濾液含量情況，熱值高的區域增大回噴比例，熱值低的區域選擇可靠、實際的蒸發工藝；此外，還需綜合考慮回噴造成鍋爐腐蝕、發電量損失及蒸發技術投資及運行成本。

3 垃圾焚燒發電廠廢水“零排放”工程案例

3.1 項目概況

某垃圾焚燒發電廠，日處理垃圾總設計規模為1 200 t。其中，一期配置1臺600 t/d的垃圾焚燒機械爐排爐和1套15 MW的凝汽式汽輪發電機組。生產、生活用水分別采用凈化后河水和市政自來水。滲濾液處理工藝采用“預處理+UASB+MBR(兩級AO+UF)+NF+RO+化學軟化+TUF+DTRO”，設計規模為300 t/d，總體回收率不低于82.5%。工業廢水處理系統采用“調節池+過濾器+化學軟化+沉淀池+中間水池+砂濾+UF(中空纖維膜)+RO”工藝，設計規模為200 t/d，總產水率不低于80%。

3.2 廢水“零排放”評價

圖2和表3分別為該垃圾焚燒發電廠水量平衡圖及各項水量參數。

由圖2、表3、《火力發電廠能量平衡導則 第5部分：水平衡試驗》(DL/T 606.5—2009)可知，可通過式(1)～式(3)計算得全廠重復利用率(R)、排放水率(kp)、廢水回用率(kf)分別為98.44%、0、99.53%，由此可知該項目基本實現了全廠廢水“零排放”。實現廢水“零排放”的主要途徑包括：除鹽水系統濃水對鍋爐排污水進行降溫后一起回用至冷卻塔；冷卻塔排污水優先回用作為對水質要求低的生產用水，剩余部分經工業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一經過滲濾液系統處理后，進行清水回用作為循環水系統補水，濃液經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 某垃圾焚燒發電廠水量參數Tab.3 Water Quantity Parameters of a Solid Waste Incineration Power Plant

(1)

(2)

(3)

該項目實現了全廠廢水“零排放”，但也存在不足之處：第一，未預見水量全部采用的工業新水，若部分未預見水量采用循環水排污水，可進一步降低生產廢水處理規模及濃液量；第二，垃圾熱值較高，雙膜濃液可考慮不進DTRO處理，優先回用石灰制漿和飛灰穩定化，剩余部分通過增加回噴量以降低滲濾液處理系統運行費用。

3.3 環保與經濟效益分析

實現“零排放”后，該廠污廢水減排量達21萬t/a。滲濾液處理系統進水CODCr、TN、氨氮平均質量濃度分別為47 500、2 800、2 300 mg/L，出水CODCr、TN、氨氮平均質量濃度分別為20、5、1.5 mg/L。僅滲濾液處理系統，CODCr、TN和氨氮減排量分別達到4.5 t/a、263 kg/a和215.8 kg/a。廠區取水量減少21.3萬t/a，按照該項目河水取水費用為2.5元/m3計，年節約水費達53萬元。污廢水減排超過21萬t/a，按照排污費為3元/t計，年排污費減少63萬元。滲濾液處理系統造價為1 900萬元，運行費用為30元/t，工業廢水處理系統造價為200萬元，運行費用為2元/t。由此可見，垃圾焚燒發電廠實現污廢水“零排放”后，環保和經濟效益均十分顯著。

4 結語

(1)鹽分高、難降解有機物含量高的膜濃液徹底無害化處理和處置是垃圾焚燒發電廠生產廢水、滲濾液真正實現“零排放”的關鍵。投資及運行成本高、工藝復雜是膜濃液處理處置技術瓶頸。

(2)為實現滲濾液膜濃液“零排放”，優先用于飛灰穩定化和石灰漿制備，無法完全回用時，選擇性采用濃縮、部分蒸發和部分回噴等工藝進行梯級減量化；同時，根據垃圾熱值及滲濾液含量情況，熱值高的區域增大回噴比例，熱值低的區域選擇可靠、實際的蒸發工藝。此外，還需綜合考慮回噴造成鍋爐腐蝕問題、發電量損失及蒸發技術投資及運行成本等情況。

(3)案例分析顯示，垃圾焚燒電廠實現廢水“零排放”后，減少CODCr、TN、氨氮等污染物向環境排放的同時減少了取水及排污費用，環境、經濟效益均十分顯著。