某垃圾焚燒發電廠廢水“零排放”方式優化

朱一丹，姚愛萍，童一寧，傅 劍

(金華市農業科學研究院，浙江金華 321000)

焚燒是生活垃圾處理的一種重要方式[1-3]，具有處理設施占地小、減量徹底、能發電產能、二次污染較易控制等優點[4]。近十余年來，焚燒法在我國推廣很快，垃圾焚燒的比例已從2009年的18.0%[5]提高到2019年的50.7%[6]。然而，焚燒廠依然面臨諸如用水量大、廢水排放量多等問題，隨著各地管理部門對生活垃圾發電廠環境管理要求的提高[5-7]，這種問題愈發凸顯。為此，國內上海環境集團、光大國際等優勢企業開始著力研發廢水“零排放”的先進管理模式，但這種模式在推行中卻面臨著水量平衡等方面的難題。

生活垃圾焚燒廠外排水主要由兩個部分組成，即循環冷卻塔的排污水、垃圾滲瀝液及生活污水生化-膜處理系統產生的濃水，其中，膜處理系統產生的濃水可通過回噴焚燒爐及飛灰加濕機等方式消納[7]。因此，如何減少循環冷卻水的排放是實現垃圾焚燒發電廠廢水“零排放”的關鍵。以某垃圾焚燒廠為例，對廠區所有的用水量、污水處理設施產水量及水消耗量進行衡算，繼而推進廢水“零排放”垃圾焚燒廠的建設與技術推廣[8-9]。循環冷卻塔的水在經過冷卻塔循環使用過程中，會以水汽形式大量蒸發，致使循環水硬度大幅提高，為防止冷卻塔循環水硬度過高引起循環水管結垢以及氯離子濃度過高對管道的腐蝕，循環冷卻水需要定期排放廢水，以保證循環冷卻水的總硬度和氯離子濃度不超過《工業循環冷卻水處理設計規范》(GB/T 50050—2017)中規定的限值。

本文以南京市某產業園生活垃圾焚燒發電廠為研究對象，對現有循環冷卻水的用水排水量、循環冷卻水及補水水質(總硬度及氯離子濃度)進行分析與計算，提出在該生活垃圾焚燒廠沒有廢水外排的情況下，對循環冷卻水的補水水質(自來水與滲濾液處理系統出水)及被利用水量提出要求，以期將該垃圾焚燒廠建設成一個真正污水“零排放”的垃圾焚燒廠。

1 現有循環水池的用水及排水及水質分析

1.1 循環冷卻水的用水及排水水量

南京市某產業園生活垃圾焚燒發電廠循環冷卻塔的用水由自來水、垃圾滲瀝液與生活污水的生化-膜處理系統出水后達標尾水兩部分組成。其中，膜處理系統的達標尾水存儲于清水池中，定量補給量約為259 t/d，而自來水補給量根據蒸發量的變化而變化，為2 300～3 300 t/d。循環冷卻水的排水主要包括自然蒸發和廢水排放，其中，廢水排放量約為862 t/d，蒸發量因季節不同而不同，為1 900～2 700 t/d。

1.2 循環冷卻水水質分析

循環冷卻水的用水由自來水與膜濾后達標尾水(廢水尾水量為259 t/d)組成，其水質如表1所示。

表1 自來水及達標尾水水質Tab.1 Water Quality of Tap Water and Tail Water up to Standard

不同循環冷卻水的蒸發量下計算濃縮倍數為3.7～4.8倍。根據表1，當自來水用量為2 300 t/d時，循環水池的總硬度為406 mg/L，氯離子質量濃度為177 mg/L(此時對應的濃縮倍數為3.7倍)；當自來水用量為3 300 t/d時，循環水池的總硬度為560 mg/L，氯離子質量濃度為191 mg/L(此時對應的濃縮倍數為4.8倍)。通過以上分析可知，在現有的濃縮倍數下，循環冷卻水的總硬度為406～560 mg/L，氯離子質量濃度為177～191 mg/L，均低于南京市某產業園生活垃圾焚燒發電廠對循環水中總硬度≤500 mg/L和氯離子質量濃度≤800 mg/L的要求。

2 實現焚燒廠廢水“零排放”的方案

2.1 廠內可消納廢水量分析

目前，南京市某產業園生活垃圾焚燒發電廠廢水前端的生化處理采用“厭氧-缺氧-好氧-缺氧-MBR”工藝，MBR生化系統平均出水量為627 t/d，出水經外置式納濾膜系統+反滲透系統處理后，平均產生濃液量為368 t/d。膜處理系統產生的濃液由廠區自行消納，其中106 t/d回噴至焚燒爐，262 t/d回用于煙氣處理系統用于石灰制漿。

2.2 實現焚燒廠廢水“零排放”的總體思路

循環冷卻塔排水是必須的，若冷卻塔排放廢水減少，循環水中的總硬度和氯離子濃度均會有不同程度的提高。根據《工業循環冷卻水處理設計規范》(GB 50050—2017)，開式循環冷卻水的水質標準中氯離子質量濃度控制在1 000 mg/L以下時，冷卻水的水質都符合要求。為安全起見，本文將循環水池中氯離子質量濃度控制在 800 mg/L以下，遠高于目前循環冷卻水氯離子質量濃度(177～191 mg/L)，因此，可通過提高濃縮倍數的方式降低循環冷卻水的廢水排放量。此外，目前南京市某產業園生活垃圾焚燒發電廠膜處理系統的濃液比例為58.7%，遠高于設計值(30%)，因此，膜濾濃縮液的量可進一步降低。即當循環水池的排水量與膜濾濃縮液的量之和等于廠區可消納廢水的量時，可實現焚燒廠廢水“零排放”。

3 焚燒廠廢水“零排放”的處理方式優化

一般情況下，膜濾濃縮液占MBR出水量的比例不超過30%，而焚燒廠目前運行的外置式超濾膜+納濾膜系統+反滲透系統中每天膜濾濃縮液的平均量(368 t/d)占每天MBR平均出水量(627 t/d)的58.7%。因此，若改進膜處理系統，減少滲濾液濃液的排放量，使每天產生的濃液量小于廠區可消納的量(368 t/d)，同時通過對冷卻塔循環水池排水量的調節，使冷卻塔循環水池的排水量等于廠區消納的水量減去滲濾液濃縮液量，可實現“零排放”。即最大限度減少膜濾濃縮液的產生量，使廠區消納的水量最大限度地來自于冷卻塔循環池排水，使冷卻塔水質硬度達到可控水平。

3.1 膜處理系統的改進

通過對原有的膜處理系統進行改進，以及啟動物料膜、碟管式反滲透(disk-tube reverse osmosis，DTRO)膜處理系統，可明顯減少膜濾濃液的排放量。各種膜系統的濃液比例如表2所示。

表2 各種膜系統單元濃液產生比例Tab.2 Proportion of Concentrated Liquor Produced by Each Membrane System Unit

以MBR系統平均排放水量(627 t/d)為納濾進水量，和表2各膜系統單元產生濃液進行比例計算，改進后的膜處理系統進出水量如圖1所示。膜處理系統改進后，產生的濃液量由368 t/d大幅度減少至105 t/d，占平均進水量(627 t/d)的16.7%，則循環水池每天可排放263 t水回噴至焚燒爐及制漿。

圖1 改進后的膜處理系統Fig.1 Improved Membrane Treatment System

RO系統產生的184 t/d RO濃縮液經過DTRO處理后，形成的92 t/d的上清液達到水質標準后進入循環水池，而減量后的92 t/d濃液和經過物料膜減量后形成的13 t/d物料膜濃液回噴到焚燒爐爐膛，同時可以將部分濃縮液與飛灰一起應用于石灰漿制備，從而實現減量后濃縮液的穩定無害化處理，在避免污染環境的同時又為濃縮液的終端處理提供了新的消耗途徑，在一定程度上有助于實現垃圾焚燒發電廠經濟效益最大化。

冷卻塔每天的水蒸發量為1 900～2 700 t/d，表3為MBR出水最小水量(234 t/d)、平均水量(627 t/d)及最大水量(1 072 t/d)時的濃縮倍數以及在該濃縮倍數下循環水的水質情況。由表3可知，若循環冷卻水不外排，在MBR出水量為234～1 072 t/d時，循環冷卻水的硬度都會超過企業要求的限定值(600 mg/L)；在MBR出水量為1 072 t/d時，氯離子質量濃度超過企業要求的限定值(800 mg/L)。經計算可得，當MBR出水量超過763 t/d時，冷卻塔循環水的硬度將超過800 mg/L。由上述分析可知，當焚燒發電廠MBR出水量小于763 t/d時，只需對循環冷卻水進行去除硬度處理；當焚燒發電廠MBR出水量大于763 t/d時，除了對循環冷卻水進行去除硬度處理，還需要對部分循環冷卻水進行去除氯離子處理。

表3 改進膜濾系統后各種類型的水量和水質Tab.3 Quality and Quantity of All Kinds of Water in the Improved Membrane System

圖2 硬度去除工藝流程Fig.2 Treatment Process of Hardness Removal

3.2 焚燒廠廢水“零排放”實施方案

3.2.1 硬度的去除

由表3可知，為滿足企業對循環冷卻水硬度的要求(600 mg/L)，要實現冷卻塔的穩定運行和廠區內廢水“零排放”，必須對循環水進行去除硬度處理。目前，一般采用石灰-純堿法去除水體中的硬度[8]，常用工藝流程如圖2所示。此法先投加過量的Ca(OH)2去除水體中的非碳酸鹽硬度[式(1)～式(2)]，隨后投加過量的Na2CO3去除水體中以鹽酸鹽或者硫酸鹽形式存在的硬度[式(3)～式(6)]，且去除水體中多余的Ca(OH)2[式(7)]。此方法克服了石灰法難除非碳酸鹽硬度的缺陷，廣泛用于軟化高硬度循環冷卻水、補給水及地下水，可去除60%以上的硬度。

Ca(HCO3)2+Ca(OH)22CaCO3↓+2H2O

(1)

Mg(HCO3)2+Ca(OH)22MgCO3↓+2H2O

(2)

CaSO4+Na2CO3CaCO3↓+Na2SO4

(3)

CaCl2+Na2CO3CaCO3↓+2NaCl

(4)

MgSO4+Na2CO3MgCO3↓+Na2SO4

(5)

MgCl2+Na2CO3MgCO3↓+2NaCl

(6)

Ca(OH)2+Na2CO3CaCO3↓+2NaOH

(7)

3.2.2 氯離子的去除

由以上分析可知，當MBR出水量超過763 t/d時，需要對部分循環冷卻水進行去除氯離子處理。以焚燒發電廠MBR出水量最大值(1 072 t/d)計算，若要維持循環冷卻水的氯離子質量濃度在800 mg/L以下，需要增加循環水的排水量以降低濃縮倍數。目前焚燒廠最多只能消納368 t/d的廢水，因此，若要進一步增加循環冷卻水的排水量，需要新增一套膜處理系統，對該部分冷卻塔排水進行處理，其中清液回流至循環冷卻水池，濃液噴至焚燒爐或制漿。經計算可得，當MBR出水量為1 072 t/d時，需額外排水171 t/d，為保證氯離子質量濃度始終小于800 mg/L，設計新增膜處理系統處理能力為200 t/d。增加沉淀池(去除硬度)和膜系統(去除氯離子)，在MBR出水量為1 072 t/d時，焚燒廠的用水和排水情況如圖3所示。

3.2.3 改建后循環冷卻水水質分析

新增硬度去除沉淀系統和氯離子去除膜處理系統，在MBR每天出水量為1 072 t/d時，各系統的補水和排水量如表4所示，相應的濃縮倍數為5.4～7.7。一般情況下，硬度去除沉淀系統對硬度的去除可達60%以上，膜處理系統對氯離子的去除率可達95%以上，結合表3的濃縮倍數計算可得，循環冷卻水的硬度可保持在568 mg/L以下，氯離子質量濃度可保持在783 mg/L以下。

由于自來水補給量減少后，可能會對循環水的水溫產生一定的影響。據調研，在夏季最高溫時，循環水的水溫不超過35.0 ℃，自來水的溫度不超過34.9 ℃，經沉淀系統后，水溫上升到36.0 ℃。計算可得，當蒸發量為1 900 t/d時，循環冷卻水的溫度為35.4 ℃；當蒸發量為2 700 t/d時，循環冷卻水的溫度為35.2 ℃。實際上，自來水的溫度主要受氣溫的影響(如夏季自來水的溫度遠高于25.0 ℃)，當循環水池的蒸發量只有1 900 t/d，多處于秋季或冬季，氣溫低，則自來水的溫度也低。因此，改建后循環水池的溫度應該不會超過36.0 ℃，符合循環冷卻水對溫度的要求[9]。

4 效益分析

改建后，以MBR平均出水量(627 t/d)計，經濟效益主要體現在以下幾點。

(1)每天可節省自來水用量為659～859 t，按自來水價格為6元/t、每年運行333 d計算，每年可節省水費131.7萬～171.6萬元，平均每年節省約150.0萬元。

圖3 改建后用水與排水情況Fig.3 Water Consumption and Discharge after Reconstruction

表4 各系統的補水和排水量Tab.4 Water Consumption and Discharge of Each System

(2)根據調研，目前每年的除垢劑、阻垢劑花費約60.0萬元，改建后，除硬度藥劑每年消耗量約為140 t，除硬度藥劑價格約為0.5萬元/t，小計70.0萬元；PAM每年消耗量約為9 t，價格約為 3.0萬元/t，小計27.0萬元，總藥劑費用為97.0萬元。

(3)每年可節省的費用為150.0萬元+60.0萬元-97.0萬元=117.0萬元。

5 結論

本文基于某垃圾焚燒發電廠的廢水利用情況，考察了廢水“零排放”過程中遇到的問題，提出了優化該廠廢水“零排放”的水系統平衡圖。通過對某垃圾焚燒廠廢水“零排放”方式進行優化探究，可減少冷卻塔自來水用量，并在不增加制漿用水量和回噴滲瀝液濃縮液量的前提下，實現滲瀝液的“零排放”。通過調節焚燒發電廠循環水的濃縮倍數，提高循環水利用率，采取合適的技術措施，減少因循環水中鹽類等物質的濃縮對管道及設備造成的不利影響，從而真正實現全廠的廢水“零排放”。該技術方案的優化，對保障焚燒廠周邊水體環境質量具有積極意義，對節約自來水等資源很大的價值，將為該焚燒廠乃至整個垃圾焚燒廠產業的進一步發展提供助力。