垃圾焚烧发电厂废水“零排放”实例

孙纪康，王苑颖

（上海黎明资源再利用有限公司，上海 200000）

伴随我国经济的持续快速发展和城市化进程的不断加快，生活垃圾产生量逐年激增。由于生活垃圾焚烧处理的无害化、减量化、资源化效果显著，近年来，它在我国得到快速发展，逐步成为城市生活垃圾处理的新趋势[1-2]。但随着公众污染防范意识的不断提高，垃圾焚烧发电厂址越来越远离市区，市政设施缺乏，取水排水困难；《中华人民共和国环境保护法》《水污染防治行动计划》（水十条）等法律法规的出台，对水资源利用及污染防治也提出了更高的要求。生活垃圾焚烧发电厂各系统用水对水质的要求区别很大，若能通过厂内分类处理，分级使用，消耗内部的废排水，既能达到废水零排放，又能节约用水量，可获得“环境、社会、经济”多重效益[3]。

所谓零排放，是指进入垃圾焚烧发电厂的水最终以蒸汽的形式蒸发到大气中，或以适当的形式封闭、填埋处理[4-5]。目前，垃圾焚烧发电厂产生的工业废水普遍是经处理后排入当地的市政污水管网，最终经城市污水处理厂处理达标后排放。长沙市生活垃圾清洁焚烧项目（以下简称长沙焚烧项目）地处长沙市北面，距离长沙市中心直线距离约20 km，厂内全部生产生活用水均由一条全长15.3 km、高差近120 m 的湘江取水管线承担，取水的维护和运营成本较高。如图1所示，其中两段带圆点的线条即为长沙项目取水管线。另外，项目环评批复要求做到全部污水处理后回用、不外排。基于两者的综合约束，实现废水零排放、深度无害化处理回用、一水多用、梯级开发利用对长沙焚烧项目来说是十分必要的。

图1 长沙项目取水管线示意图

1 项目基本情况

1.1 项目概况

长沙焚烧项目是长沙市第一座垃圾焚烧发电厂，也是目前全国在运营状态规模最大的垃圾焚烧发电厂，由浦湘生物能源股份有限公司（以下简称浦湘）为项目业主采用BOT 模式，投资建设和运营。长沙焚烧项目于2017年底开始调试，2018年3月完成168 h 试运行，厂址位于长沙市望城区桥驿镇沙田村，设计日处理生活垃圾5 100 t，年处理垃圾量约180 万t。配制6台850 t/d 的机械炉排焚烧炉,6 台中温中压卧式余热锅炉和4 台25 MW 汽轮发电机组。

1.2 项目给水设计

全厂给水系统主要分为循环用水系统、生产用水以及生活用水系统，如图2所示。其中，循环用水系统以敞开式循环冷却塔为起点、终点，设有汽机循环用水（主要用户为汽机凝汽器、空冷器、冷油器）、能源站冷却用水、污水站冷却用水、工业用水（主要用户为汽水取样冷却用水、水环真空泵冷却用水、各烟气设备冷却用水、灰渣处理等）；生产用水主要为化学除盐水制备、消防用水和污水处理生产用水。生活用水系统主要供给厂区员工办公生活用水。

图2 全厂给水系统简图

1.3 项目污、废水设计情况介绍

全厂废水系统包括垃圾渗滤液处理系统、生产废水处理系统、生活废水处理系统以及雨水排水系统。其中，三种污水经污水处理系统处理后达到《城市污水再生利用工业用水水质》（GB/T 19923-2005）标准回用至冷却塔作为生产用水；雨水经雨水管网汇集后进入初级雨水收集池，经生活污水处理或用于道路洒水与绿植浇灌等。图3 为三种污水处理系统工艺简图。

1.4 初期零废水排放设计水平衡

废水零排放需要最大程度地控制生产过程中的废水排放，尽可能地进行优质清洁废水的循环使用和废水处理后的再利用，同时要保证足够的水质监测手段，增加其运行的可靠性，实现一水多用、梯级使用、废水回用。

图3 污水处理工艺流程简图

依据环评批复和初期给排水系统设计，长沙焚烧项目进行了初期的废水零排放规划与实施。渗滤液、生产工业废水和生活污水，三种污水总共计近 3 000 m3/d，分别经相应工艺处理后，清液达标回用至循环冷却塔。渗滤液和生产废水处理过程中产生的膜浓缩液，分别经DTRO 和DTNF 进一步减量化后，清液达标回用至循环冷却塔，减量的浓缩液回喷至焚烧炉炉膛或用于炉渣冷却消耗。此部分将约3 000 m3/d 的污水处理后压缩至约370 m3/d 的浓缩液回喷至焚烧炉内消纳，产生的污泥经厂内污泥干化处理后输送至焚烧炉内，与生活垃圾一同掺烧，有效地消耗解决了污水处理终端产物，最大程度地保证发电厂的经济效益。取用水中约80%的新水被用作循环冷却塔的补水，污水处理后约2 000 m3/d 的达标清液回用，占循环冷却塔总补水量的28%，有效降低了生产取水量，具有极大的经济性和环保性。图4为长沙焚烧项目初期废水零排放运行水平衡图，图中数值的单位均为m3/d。

2 废水零排放深度研究优化

2.1 初期废水零排放全厂水系统评价

参考《火力发电厂能量平衡导则 第5 部分：水平衡试验》（DL/T 606-2009），对全厂水系统的重复利用率、排放水率、废水回用率等指标进行分析、评价；参考《工业循环冷却水处理设计规范》（GB/T 50050-2017）对循环水浓缩倍数进行计算、分析。

（1）全厂总取水量、总用水量、复用水量、循环水量、回用水量等计算公式如下：

式中，Qz为总用水量，m3/d；Qq为取水量，m3/d；Qf为复用水量，m3/d；Qxh为循环水量，m3/d；Qcy为串用水量，m3/d；Qhy为回用水量，m3/d。

（2）全厂重复利用率、排放水率、废水回用率的计算公式如下：

图4 长沙焚烧项目初期废水零排放运行水平衡图

式中，R为重复利用率，%；kp为排放水率，%；Qp为总排放水量，m3/d；kf为废水回用率，%；Qfsh为全厂回收利用的废水总量，m3/d；Qfs为生产过程中产生废水总量，m3/d。

（3）间冷开式循环冷却系统浓缩倍数计算公式如下：

式中，Qm为补水量，m3/d；Qe为蒸发损失，m3/d；Qw为风吹损失，m3/d；Qb为排污损失，m3/d。

由图4 可知，循环水蒸发损失为6 126 m3/d，排污损失为750 m3/d,风吹损失为817 m3/d，循环水浓缩倍率经计算为4.91，属于高效节水范围。按式（1）～式（6）计算出全厂其他数据情况，如表1所示，可知全厂重复利用率为98.03%，废水回收率为100%，排放水率为0%。可见初期的废水零排放运行实现了高效的废水重复利用效果，全厂水系统基本上达到了一个很好的平衡点。

表1 长沙焚烧项目初期水平衡水量关系

2.2 出现的问题

长沙焚烧项目于2018年1月开始调试运行，于2018年3月底完成全厂168 h 满负荷试验。2018年全年渗滤液产生情况如图5所示，渗滤液产生量基本上处于一个较平稳的状态，7、8月份为全年渗滤液产生量高峰期。伴随着的问题即为该期间垃圾渗滤液处理产生的浓缩液量也达到最高值，当月浓缩液回喷量无法完全与浓缩液产生量持平，多余的需暂存在厂内容积有限的浓缩液池，待至渗滤液产生量低下去的9月份多回喷消纳。

①由决策对象i关于决策指标j的量化评价值xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)可得到决策矩阵X=(xij)n×m。

图5 2018年长沙焚烧项目日均垃圾进厂及渗滤液产生情况

在正常进行阻垢剂、杀菌剂投加处理的情况下，初期浓缩倍数约4.91、高效节水的循环水系统，随着运行时间的加长，各项水质指标逐渐有趋向“结垢性水质”的威胁。图6、图7 为2018年2月至2018年7月循环水各指标化验结果月均值变化曲线，总体均呈上涨趋势，“钙硬度+全碱度”逼近1 000 mg/L。

图6 循环水指标变化①

同时，由表2 中循环水及循环水补水中电导化验结果可知，厂内循环水的两路补水、湘江原水净化后的补水水质一般变化不大，但污水处理清液回用部分的水质波动较大。由表中化验数据制图，如图8所示，分别生成各自趋势线得出三者间的线性关系。很明显，厂内循环水水质变化不仅受运行及环境气候变化的影响，与污水处理回用清液水质变化也呈现很大的相关性。综上所述，循环水浓缩倍数的控制、补水量以及排污量的控制不仅需要根据运行和气候的变化进行调整，还需对污水处理回用清液的水质进行有效的跟踪把控，及时发现并处理因其水质变化可能对循环水产生冲击的因素。

表2 2018年循环水及其补水电导率月均值（2-7月）

图8 循环水、净水器补水、清液回用线性关系

2.3 解决对策

2.3.1 提升浓缩液消耗量

（1）加大浓缩液炉内回喷。在垃圾热值较高、不影响焚烧炉燃烧工况的情况下，加大每台炉的浓缩液回喷量。长沙焚烧项目实际经验值显示，每回喷1 t 浓缩液，将损失463.64～514.28 kW·h 的发电量，上网电价以0.50 元/（kW·h）计算，即每消耗1 t 浓缩液，至少损失200 元电费。显然，经济效益损失是巨大的。所以，该项措施只在全年渗滤液产量高峰期考虑采用，应急消纳浓缩液。

（2）浓缩液回用飞灰固化。长沙焚烧项目飞灰主要来自烟气处理半干式脱酸系统底部灰与布袋除尘捕捉下来的灰，飞灰的成分复杂，其中含有较高浓度的容易被水浸出的铅、镉、铜、铬和锌等重金属以及具有很强危害性的二噁英和呋喃。所以，飞灰需在厂区内经螯合固化达标后转运至危废处置中心填埋处置。而飞灰螯合固化对水质无要求，故加入渗滤液处理后的浓缩液对飞灰固化效果无影响，还能消耗一定的浓缩液量，减少了入炉燃烧导致发电量减少的高处理成本，实现了浓缩液的资源化利用。该方案长沙焚烧项目正在试验探索中。

（3）浓缩液回用石灰浆制备。高浓度渗滤液处理系统中纳滤处理超滤清液，产生的纳滤浓缩液中富集了大部分的盐分、少量难生化降解或不可生化降解的有机物以及残留的含氮类化合物。此部分浓缩液经DTNF 减量化处理后再次产生的浓缩液中，含有大量难降解的COD，但电导率较低，溶解性固体含量较低。同时，半干法对所用水水质没有要求，最终有害物质可以随飞灰一起进行稳定无害化处理。故考虑将部分纳滤浓液减量化后的浓缩液用于焚烧厂内烟气处理反应塔的石灰浆制备，既不会对烟气指标控制产生影响，又能消耗终端浓缩液产量。浓缩液回用于石灰浆制备的技术已在多个垃圾焚烧发电厂应用实施。目前，长沙项目正在进行相关系统改造中。

2.3.2 控制循环水水质

（1）严密监控污水系统运行及回用清液水质。由前文分析可知，中水回用部分补水对循环水的水质有很大程度的影响。故对污水处理系统提出了更严格的运行要求，按需设定了厂内较《城市污水再生利用 工业用水水质》（GB/T 19923-2005）更加严格的清液回用标准。表3 中化验数据显示，之后回用清液的水质得到了明显的改善，循环水的电导率也处于可接受的浮动范围之内。

表3 2018年循环水及污水处理回用清液电导率月均值（8-12月）

（2）增大循环水排污量。不同于循环水电导的控制，硬度只有通过循环水合理的补排水，即控制浓缩倍数才能进行有效调节。基于出现的问题，采取措施的考虑方向为增大循环水的排污量，同时又不增加全厂的耗水成本。故对厂内部分系统排放水水质做了一次综合分析。

表4 为部分化验数据，可见生活制水设备反洗排水及除盐水设备反洗水较循环水水质要好，而厂内低浓度无机废水处理系统接收的废水为除盐水水设备反洗水及循环水排污水，此处存在明显的资源排放现象。考虑将除盐水设备反洗水及生活制水设备反洗水作为优质清洁废水，直接补入循环水系统中。这样既能实现资源重复利用，增加循环水的补水，又能让低浓度无机废水处理系统全部接收循环水排污水，加大循环水的排污量。

表4 各系统排放水水质分析

2.4 优化后废水零排放全厂水平衡

经过初期零排放水平衡运行，出现问题并实施相应解决对策后，形成目前长沙焚烧项目废水零排放水平衡图，如图9所示。图中，相关数值的单位均为m3/d。

图9 优化后长沙焚烧项目零排放运行水平衡图

此时，全厂水平衡数量关系如表5所示，与初期零排放水平衡相比，总用水量、复用水量和串用水量都相对上升，但是取水量和低浓度无机污水接收量没有上涨；全厂重复利用率为98.04%，废水回收率为100%，排放水率为0%，循环水浓缩倍率为4.01。这样不仅可以有效地保证节水，加大循环水的排污，还可以适当控制和降低循环水浓缩倍数，改善循环水水质。

表5 长沙焚烧项目现行水平衡水量关系

3 废水零排放运行效果

3.1 环境经济效益可观

长沙焚烧项目废水零排放运行的实施预计可减少废水排放944 467.2 m3/a，实现COD 减排约250 t/a，环保效益非常显著。若长沙焚烧项目湘江取水以2 元/m3计算，全厂回用水量、复用水量为2 000 m3/d、1 118 m3/d，每天可减少的湘江取水量为3 118 m3/d，可节约水费6 236 元/d。另外，项目无需外排污水，可减少一定的排污费用及送至其他污水处理厂处理的费用。实现污水零排放的经济效益也相当可观。

3.2 循环水水质良好可控

2018年8-12月循环水水质详细情况如表6所示。表中数据表明，“总碱度+钙硬度”全年均值在800 mg/L 左右，完全符合《工业循环冷却水处理设计规范》（GB 50050-2017）中规定要求；水质整体没有腐蚀结垢倾向，满足高浓缩倍数下的运行 要求。

表6 2018年8-12月循环水化验数据月均值

3.3 凝汽器换热效果良好

废水零排放运行期间，凝汽器真空数值如图10所示，全年数值均在-90.00 kPa以上，有效保证了汽轮机的热循环效率。

图10 2018年零排放运行期间凝汽器真空均值

3.4 凝汽器水侧管束光滑洁净

图11 为2018年6月至2019年1月各机组检修时的凝汽器现场水侧管束照片，可见设备水侧管束洁净显金属本色，无腐蚀现象发生。这也反映出废水零排放期间循环水水质控制取得了良好的 效果。

图11 各机组检修时凝汽器现场水侧管束照片

4 结语

垃圾焚烧发电厂废水零排放是一个复杂的系统问题，既需要从整体运作考虑，结合焚烧厂各用水环节，采取合理的措施实现一水多用、水资源梯级利用；又需要统筹规划，实现水系统水量平衡。长沙焚烧项目积极进行废水零排放工艺设计，不断攻坚创新：大量无机清洁废水直接补入循环冷却水，减少污水处理成本和终端浓缩液产生量；渗滤液、生产废水以及生活污水处理后的清液回用至循环冷却水补水，剩余的少量浓缩液经DTRO 减量化处理后回喷至炉膛或回用于飞灰固化和石灰浆制备；兼顾治水、管水、节水，找到了系统的平衡点，最终实现了全厂废水零排放。