垃圾焚燒發電廠污廢水“零排放”技術分析

徐龍洋 楊超 劉雙月

［中節能（臨沂）環保能源有限公司蘭山分公司，山東 臨沂 276000］

1 引言

近年來，由于垃圾焚燒發電處理技術兼具無害化、減量化、資源化的特點且效果顯著，逐步成為國內生活垃圾處理的主要手段［1－2］。隨著社會對環境保護意識不斷提高，生活垃圾焚燒發電廠的選址大部分遠離城市市區，從而導致取水排水困難。因此合理利用污廢水，提高用水效率，實現生活垃圾焚燒發電廠污廢水“零排放”尤為重要。污廢水的“零排放”，是指污廢水經過工藝設備將廢水里面的鹽分污染物分離出來，得到的水全部回收利用，不外排。污廢水提取的鹽分污染物以固體形式送至垃圾填埋場填埋或將其回收作為化工原料［3－4］。隨著環保要求的提高，垃圾焚燒發電廠污廢水“零排放”將是垃圾焚燒發電行業的發展方向［5］。

2 項目水系統簡況

臨沂蘭山某生活垃圾焚燒發電項目地處填埋場院內，位于丘陵地帶，廠內全部生產生活用水均由市政自來水公司提供，距離全長7.8 km，取水成本較高。另外，項目廠區附近無市政污水處理廠，根據環評批復，項目滲濾液經處理須達到GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》中敞開式循環水冷卻水系統補水水質指標，處理后的達標水全部回用，不外排。

2.1 給水系統

生產給水系統主要包括生產用水、生活用水、循環冷卻用水系統，如圖1 所示。其中，循環冷卻用水系統分為汽機循環水系統（汽輪機凝汽器、空氣冷卻器及油冷卻器冷卻用水）和設備循環水系統（汽水取樣器、冷卻風機、液壓驅動裝置、霧化器、引風機、高壓水泵及空壓機站等處的冷卻用水）。

圖1 生產給水系統

2.2 污廢水排水系統設計情況

全廠污廢水系統包括滲濾液處理系統、雨水排水系統以及潔凈排水系統。

垃圾倉滲濾液、生產廢水、生活廢水及初期雨水（初期雨水收集完成后，清水經過雨水管道排入雨水管網）收集后輸送到滲濾液站處理；循環水排污水及化水車間反洗排水經潔凈排水系統絮凝沉淀過濾后，輸送至滲濾液膜系統處理；最后經碟管式反滲透（DTRO）深度處理系統處理產生的膜濃縮液由強制循環蒸發器（簡稱“MVR 蒸發器”）處理，排除少量的母液回噴鍋爐。滲濾液處理后的出水達到GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》標準。

3 污廢水處理工藝分析

項目的污廢水系統主要包括滲濾液處理系統、膜濃縮液蒸發系統、潔凈排水系統和循環水電極化電除鹽系統，其中滲濾液處理系統、膜濃縮液蒸發系統、潔凈排水系統于2020 年建設完成，并調試運行，實現了全廠污廢水“零排放”。

項目于2022 年11 月開始對外供熱，循環水排污量及化水濃水產生量急劇增加，潔凈排水系統無法處理，給項目公司環保帶來了巨大壓力和挑戰。為此項目公司于2023 年6 月增加了一套循環水電極化電除鹽系統。循環水電極化電除鹽系統投用后，循環水及化水濃水不需要排污至潔凈排水系統處理，減少甚至停止循環水緩蝕阻垢劑的投加量，降低了廢水處理成本。循環水水質符合GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》要求，設備無結垢腐蝕現象。

3.1 滲濾液處理系統

滲濾液處理系統采用預處理＋上流式厭氧污泥床（UASB）＋膜生物反應器（MBR）系統＋DTRO 系統，生化系統處理規模為750 t/d，膜系統設計處理規模為1 000 t/d。滲濾液處理系統工藝流程見圖2。

垃圾滲濾液經UASB 厭氧系統進行厭氧反應，將高分子有機物降解為小分子物質，出水經好氧系統降解，進一步去除有機物和氨氮，再經超濾（UF）系統和DTRO 系統去除水中膠體、有機物、無機離子及細菌病毒等雜質，出水達標回用。垃圾滲濾液處理系統設計出水水質指標見表1。

表1 垃圾滲濾液處理系統設計出水水質指標mg/L

3.2 膜濃縮液蒸發系統

膜濃縮液蒸發系統采用MVR 蒸發器和陽樹脂深度處理設備，系統配備2 套100 t/d 的蒸發器。MVR 簡易工藝流程見圖3。

圖3 MVR 簡易工藝流程

臥式MVR 強制循環蒸發器是將DTRO 膜濃縮液經過預熱后與循環液進行混合，經強制循環泵輸送至換熱器每根管束內，高流速運行，降低結垢概率。管程中的循環液由加熱器殼程中的蒸汽加熱升溫，循環液在管程中壓力高于該溫度下的飽和蒸汽壓力，循環液在管程內不沸騰、不蒸發。加熱后的循環液從加熱器流出到低壓的分離室中，由于壓力瞬間降低，高溫循環液在分離室中發生閃蒸，循環液得到濃縮。

分離室產生的低品位的蒸汽經過除霧網后，由蒸汽壓縮機升溫升壓，升溫的蒸汽作為加熱器的熱源；升溫的蒸汽進入換熱期殼程以后，與換熱管內高速流動的循環液進行換熱，給循環液升溫，釋放自身熱量并冷凝成水，產生的蒸餾水由于氨氮含量較高，達不到循環水回用標準，需要輸送至陽樹脂深度處理單元去除氨氮，產水最終達到GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標準》中表3 和GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》中敞開式循環冷卻水補給水標準。膜濃縮液蒸發處理系統設計出水水質指標見表1。

3.3 潔凈排水處理系統

潔凈排水系統采用“（雙堿法軟化）絮凝沉淀＋多介質過濾＋外置式超濾膜＋DTRO”的處理工藝，處理規模為500 t/d。潔凈排水出水水質設計達到GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》中冷卻回用水標準。其水質指標見表1。

3.4 循環水電極化電除鹽系統

3.4.1 循環水電極化系統

電極化設備主要有控制器主機和耦合器兩部分。

（1）阻垢原理。采用特殊的交變電磁場，通常模塊捆綁在設備冷卻水泵的出口和凝汽器的進水口。電磁場的信號以水為載體，在強大的交變電磁場的作用下，水里面的分子部分氫鍵被破壞后，凝汽器、換熱器管壁不會生成新垢。

（2）殺菌滅藻原理。電極化設備發出的高頻交變電磁場，對細胞質產生電解作用，影響細菌細胞內各種酶的產生，從而破壞細胞的正常代謝，達到滅活細菌的目的。

3.4.2 電除鹽設備

循環冷卻水以旁路的形式進入電除鹽設備（見圖4），經裝置充分電解后，循環水中鈣、鎂等離子在陰極板表面與碳酸根、氫氧根等離子結合后以固體垢的形式被析出，水中菌藻、懸浮物、生物黏泥等污染物，被陽極板電解產生的羥基自由基（·OH）、氧自由基（·O）、氯氣、臭氧、H2O2以及次氯酸等強氧化性物質直接催化氧化以及滅活，從而徹底失去活性，無懸浮和附著能力，最終形成絮凝沉積物被排出循環水系統，循環水中COD、NH3－N、氯離子等有害物質，經電解后也可得到較好的去除效果。處理后的水質優于循環水現行國標GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》，同時在電解過程中會產生大量的阻垢小分子，可起到非常好的阻垢效果。循環水系統長期使用電化學技術，可使系統管道和換熱設備管壁表面生成四氧化三鐵（Fe3O4）致密的保護膜，起到較好的系統防腐作用（碳鋼設備腐蝕速率≤0.075；合金和不銹鋼設備腐蝕速率≤0.005）。電化學裝置連續運行時，可使循環水系統長期安全、穩定、節能、零污染運行。

圖4 電除鹽設備工藝流程

使用電極化電除鹽設備后，循環水水質優于循環水現行國標GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》，綜合節水率可達50%～70%，提高換熱效率20%以上，降低循環水系統運行成本70%左右，節約水處理藥劑80%～100%。

4 污廢水系統“零排放”運行效果

4.1 全廠污廢水“零排放”平衡圖

4.1.1 技改前污廢水“零排放”全廠水平衡

項目未供熱前的全廠污廢水平衡圖見圖5，最大用水量為3 123 m3/d，滲濾液處理系統、膜濃縮液蒸發系統、潔凈排水系統的產水滿足GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》敞開式循環冷卻水系統補充水要求后，回用于冷卻塔補水。

圖5 項目未供熱前的全廠污廢水平衡圖

項目對外供熱后，現場對工藝進行了優化。工藝優化后最大用水量為3 559 m3/d，經過對現場實際產水量和用水量進行分析，并解決出現的問題，最后通過實踐論證制定全廠污廢水“零排放”水平衡圖，如圖6 所示。滲濾液處理系統、膜濃縮液蒸發系統、潔凈排水系統的產水滿足GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》敞開式循環冷卻水補充水要求。

圖6 項目工藝優化后全廠污廢水“零排放”水平衡圖

循環水系統安裝使用電極化電除鹽設備后，確保循環冷卻水系統在更苛刻的水質條件下長期平穩運行，循環水指標控制見表2。

表2 循環水控制主要指標參數

4.2 經濟效益和社會效益分析

4.2.1 經濟效益分析

4.2.1.1 項目對外供熱前后經濟效益分析

（1）傳統工藝每年循環水藥劑費用53 萬元。

（2）傳統工藝潔凈排水噸水處理成本見表3。

表3 潔凈排水噸水處理成本元

供熱后潔凈排水每天少處理355 m3水，每年減少處理費用約88.8 萬元。

（3）傳統工藝濃縮液蒸發噸水處理成本見表4。

長期疾病相關心理問題是影響糖尿病治療的另一重要因素。調查研究顯示，糖尿病18個月的相關心理痛苦的發生率為38%～48%，在不同程度上影響糖尿病患者的治療依從性、自我管理行為、血糖控制[8]。且針對住院的糖尿病患者的研究表明[2]，糖尿病新住院患者普遍存在不同程度的心理痛苦，患者的回避應對和屈服應對水平越高，心理痛苦程度越大。因此，可以從健康教育著手，提高患者對疾病的認識，消除不必要的恐懼和排斥，讓患者以正性的態度對待糖尿病，減輕心理痛苦，自然能改善治療效果。

表4 濃縮液蒸發噸水處理成本元

供熱前與供熱后比較（參考圖5 和圖6），供熱后濃縮液蒸發系統每天少處理77 m3水，每年減少濃縮液處理費用約84.5 萬元。

項目供熱后，在膜濃縮液蒸發系統和滲濾液處理系統穩定運行的情況下，產水量約380 t/d，臨沂市自來水水價為3.35 元/t，每年降低生產成本45.828萬元。安裝完電極化電除鹽設備后，每天至潔凈排水的循環水排污及化水濃水量將由385 t 下降為30 t，每年可減少潔凈水處理費用88.8 萬元，減少濃縮液處理費用84.5 萬元；安裝后每年可節省循環水處理藥劑費用53 萬元；每年共節省運行費用272.128 萬元。

4.2.1.2 電極化電除鹽設備成本分析

電極化電除鹽設備投資326 萬元，每年運行成本約53 萬元，設備設計使用壽命15 a。通過以上比較，循環水電極化電除鹽設備前期雖投資較大，但后期運行費用低。

經濟效益與回報周期分析見表5。由表5 可知，采用電極化電除鹽設備后，第二年運行成本加投資成本為432 萬元，低于傳統工藝運行成本（544.256萬元），效益可觀。

表5 經濟效益與回報周期分析萬元

4.2.2 社會效益分析

淡水資源消耗量急劇增加，重復利用率低、工業廢水污染嚴重，是我國工業用水領域的突出問題。節約用水，使水資源最大化地循環利用，是工業領域節水工作的重點。污廢水“零排放”技術提高了污廢水的利用率，與國家環保要求一致，與未來環保發展方向相一致。

4.3 水質分析

電極化電除鹽設備于2023 年6 月投用后，緩釋阻垢劑和殺菌劑投加量逐漸降低，第1 個月降低40%的投加量，第2 個月降低80%，第3 個月降低剩余的20%，以后停止加藥。電化學設備運行初期，循環水水質一般會有小幅度的惡化，需適當增加置換水，因此設備運行第1 個月無需減排，可加快電化學設備對系統清洗，運行第2 個月減少50%的排水量，運行第3 個月減少100%的排水量。

電極化電除鹽設備投用后，水質指標變化趨勢見圖7。

圖7 2023 年6—9 月循環水水質指標變化趨勢

由圖7 可知，2023 年6—9 月的水質指標滿足電極化電除鹽的控制指標，并且循化水總硬度、鈣硬度及pH 逐月降低，說明電除鹽設備起到了明顯的除垢作用。堿度、電導率及氯離子等參數基本持平。

項目凝汽器采用銅管且壁厚為1 mm。凝汽器打開后，銅管管壁沒有明顯的結垢，見圖8。

圖8 凝汽器銅管

5 污廢水“零排放”存在的問題及建議

（1）污廢水水質、水量隨季節、地域等因素變化較大，運行經驗匱乏，工藝設備不夠成熟等因素導致“零排放”運行困難。

（2）根據廠內水量消耗情況，盡量從源頭減少污廢水的產生，剩余的污廢水盡量在可以使用的工藝工段中使用，最后無法消納的污廢水經過污水處理設備處理，達標回用循環水池。同時加強對污廢水處理站產生的膜濃縮液減量化及回用等管控，采用先進的工藝技術盡量減少循環水池處理的排污水量，減少膜濃縮液的產生量，確保生活垃圾焚燒發電項目閉環運行。

（3）從管理方面，加強對水處理專業的技術人員及運行人員的培訓，提高人員操作水平。成立技術攻關小組，對污廢水“零排放”技術運行中遇到的棘手問題進行攻關。

6 結語

生活垃圾焚燒發電項目污廢水處理技術、設備和工藝的不斷更新發展，使得污廢水“零排放”技術可以實行。以臨沂蘭山某生活垃圾焚燒發電項目為實例，對污廢水處理系統及“零排放”的水平衡圖、經濟效益、社會效益以及水質等方面進行分析，明確了污廢水“零排放”對生活垃圾焚燒發電項目的重要性。污廢水“零排放”技術需要結合廠內各工藝環節用水量和用水水質情況，高效利用各種污廢水。優化廠內工藝，形成一套符合自身的水平衡圖，達到污廢水“零排放”的目的。