孫紀康,王苑穎
(上海黎明資源再利用有限公司,上海 200000)
伴隨我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展和城市化進程的不斷加快,生活垃圾產(chǎn)生量逐年激增。由于生活垃圾焚燒處理的無害化、減量化、資源化效果顯著,近年來,它在我國得到快速發(fā)展,逐步成為城市生活垃圾處理的新趨勢[1-2]。但隨著公眾污染防范意識的不斷提高,垃圾焚燒發(fā)電廠址越來越遠離市區(qū),市政設(shè)施缺乏,取水排水困難;《中華人民共和國環(huán)境保護法》《水污染防治行動計劃》(水十條)等法律法規(guī)的出臺,對水資源利用及污染防治也提出了更高的要求。生活垃圾焚燒發(fā)電廠各系統(tǒng)用水對水質(zhì)的要求區(qū)別很大,若能通過廠內(nèi)分類處理,分級使用,消耗內(nèi)部的廢排水,既能達到廢水零排放,又能節(jié)約用水量,可獲得“環(huán)境、社會、經(jīng)濟”多重效益[3]。
所謂零排放,是指進入垃圾焚燒發(fā)電廠的水最終以蒸汽的形式蒸發(fā)到大氣中,或以適當?shù)男问椒忾]、填埋處理[4-5]。目前,垃圾焚燒發(fā)電廠產(chǎn)生的工業(yè)廢水普遍是經(jīng)處理后排入當?shù)氐氖姓鬯芫W(wǎng),最終經(jīng)城市污水處理廠處理達標后排放。長沙市生活垃圾清潔焚燒項目(以下簡稱長沙焚燒項目)地處長沙市北面,距離長沙市中心直線距離約20 km,廠內(nèi)全部生產(chǎn)生活用水均由一條全長15.3 km、高差近120 m 的湘江取水管線承擔,取水的維護和運營成本較高。如圖1所示,其中兩段帶圓點的線條即為長沙項目取水管線。另外,項目環(huán)評批復(fù)要求做到全部污水處理后回用、不外排。基于兩者的綜合約束,實現(xiàn)廢水零排放、深度無害化處理回用、一水多用、梯級開發(fā)利用對長沙焚燒項目來說是十分必要的。
圖1 長沙項目取水管線示意圖
長沙焚燒項目是長沙市第一座垃圾焚燒發(fā)電廠,也是目前全國在運營狀態(tài)規(guī)模最大的垃圾焚燒發(fā)電廠,由浦湘生物能源股份有限公司(以下簡稱浦湘)為項目業(yè)主采用BOT 模式,投資建設(shè)和運營。長沙焚燒項目于2017年底開始調(diào)試,2018年3月完成168 h 試運行,廠址位于長沙市望城區(qū)橋驛鎮(zhèn)沙田村,設(shè)計日處理生活垃圾5 100 t,年處理垃圾量約180 萬t。配制6臺850 t/d 的機械爐排焚燒爐,6 臺中溫中壓臥式余熱鍋爐和4 臺25 MW 汽輪發(fā)電機組。
全廠給水系統(tǒng)主要分為循環(huán)用水系統(tǒng)、生產(chǎn)用水以及生活用水系統(tǒng),如圖2所示。其中,循環(huán)用水系統(tǒng)以敞開式循環(huán)冷卻塔為起點、終點,設(shè)有汽機循環(huán)用水(主要用戶為汽機凝汽器、空冷器、冷油器)、能源站冷卻用水、污水站冷卻用水、工業(yè)用水(主要用戶為汽水取樣冷卻用水、水環(huán)真空泵冷卻用水、各煙氣設(shè)備冷卻用水、灰渣處理等);生產(chǎn)用水主要為化學除鹽水制備、消防用水和污水處理生產(chǎn)用水。生活用水系統(tǒng)主要供給廠區(qū)員工辦公生活用水。
圖2 全廠給水系統(tǒng)簡圖
全廠廢水系統(tǒng)包括垃圾滲濾液處理系統(tǒng)、生產(chǎn)廢水處理系統(tǒng)、生活廢水處理系統(tǒng)以及雨水排水系統(tǒng)。其中,三種污水經(jīng)污水處理系統(tǒng)處理后達到《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923-2005)標準回用至冷卻塔作為生產(chǎn)用水;雨水經(jīng)雨水管網(wǎng)匯集后進入初級雨水收集池,經(jīng)生活污水處理或用于道路灑水與綠植澆灌等。圖3 為三種污水處理系統(tǒng)工藝簡圖。
廢水零排放需要最大程度地控制生產(chǎn)過程中的廢水排放,盡可能地進行優(yōu)質(zhì)清潔廢水的循環(huán)使用和廢水處理后的再利用,同時要保證足夠的水質(zhì)監(jiān)測手段,增加其運行的可靠性,實現(xiàn)一水多用、梯級使用、廢水回用。
圖3 污水處理工藝流程簡圖
依據(jù)環(huán)評批復(fù)和初期給排水系統(tǒng)設(shè)計,長沙焚燒項目進行了初期的廢水零排放規(guī)劃與實施。滲濾液、生產(chǎn)工業(yè)廢水和生活污水,三種污水總共計近 3 000 m3/d,分別經(jīng)相應(yīng)工藝處理后,清液達標回用至循環(huán)冷卻塔。滲濾液和生產(chǎn)廢水處理過程中產(chǎn)生的膜濃縮液,分別經(jīng)DTRO 和DTNF 進一步減量化后,清液達標回用至循環(huán)冷卻塔,減量的濃縮液回噴至焚燒爐爐膛或用于爐渣冷卻消耗。此部分將約3 000 m3/d 的污水處理后壓縮至約370 m3/d 的濃縮液回噴至焚燒爐內(nèi)消納,產(chǎn)生的污泥經(jīng)廠內(nèi)污泥干化處理后輸送至焚燒爐內(nèi),與生活垃圾一同摻燒,有效地消耗解決了污水處理終端產(chǎn)物,最大程度地保證發(fā)電廠的經(jīng)濟效益。取用水中約80%的新水被用作循環(huán)冷卻塔的補水,污水處理后約2 000 m3/d 的達標清液回用,占循環(huán)冷卻塔總補水量的28%,有效降低了生產(chǎn)取水量,具有極大的經(jīng)濟性和環(huán)保性。圖4為長沙焚燒項目初期廢水零排放運行水平衡圖,圖中數(shù)值的單位均為m3/d。
參考《火力發(fā)電廠能量平衡導(dǎo)則 第5 部分:水平衡試驗》(DL/T 606-2009),對全廠水系統(tǒng)的重復(fù)利用率、排放水率、廢水回用率等指標進行分析、評價;參考《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》(GB/T 50050-2017)對循環(huán)水濃縮倍數(shù)進行計算、分析。
(1)全廠總?cè)∷俊⒖傆盟?、?fù)用水量、循環(huán)水量、回用水量等計算公式如下:
式中,Qz為總用水量,m3/d;Qq為取水量,m3/d;Qf為復(fù)用水量,m3/d;Qxh為循環(huán)水量,m3/d;Qcy為串用水量,m3/d;Qhy為回用水量,m3/d。
(2)全廠重復(fù)利用率、排放水率、廢水回用率的計算公式如下:
圖4 長沙焚燒項目初期廢水零排放運行水平衡圖
式中,R為重復(fù)利用率,%;kp為排放水率,%;Qp為總排放水量,m3/d;kf為廢水回用率,%;Qfsh為全廠回收利用的廢水總量,m3/d;Qfs為生產(chǎn)過程中產(chǎn)生廢水總量,m3/d。
(3)間冷開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)濃縮倍數(shù)計算公式如下:
式中,Qm為補水量,m3/d;Qe為蒸發(fā)損失,m3/d;Qw為風吹損失,m3/d;Qb為排污損失,m3/d。
由圖4 可知,循環(huán)水蒸發(fā)損失為6 126 m3/d,排污損失為750 m3/d,風吹損失為817 m3/d,循環(huán)水濃縮倍率經(jīng)計算為4.91,屬于高效節(jié)水范圍。按式(1)~式(6)計算出全廠其他數(shù)據(jù)情況,如表1所示,可知全廠重復(fù)利用率為98.03%,廢水回收率為100%,排放水率為0%??梢姵跗诘膹U水零排放運行實現(xiàn)了高效的廢水重復(fù)利用效果,全廠水系統(tǒng)基本上達到了一個很好的平衡點。
表1 長沙焚燒項目初期水平衡水量關(guān)系
長沙焚燒項目于2018年1月開始調(diào)試運行,于2018年3月底完成全廠168 h 滿負荷試驗。2018年全年滲濾液產(chǎn)生情況如圖5所示,滲濾液產(chǎn)生量基本上處于一個較平穩(wěn)的狀態(tài),7、8月份為全年滲濾液產(chǎn)生量高峰期。伴隨著的問題即為該期間垃圾滲濾液處理產(chǎn)生的濃縮液量也達到最高值,當月濃縮液回噴量無法完全與濃縮液產(chǎn)生量持平,多余的需暫存在廠內(nèi)容積有限的濃縮液池,待至滲濾液產(chǎn)生量低下去的9月份多回噴消納。
①由決策對象i關(guān)于決策指標j的量化評價值xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)可得到?jīng)Q策矩陣X=(xij)n×m。
圖5 2018年長沙焚燒項目日均垃圾進廠及滲濾液產(chǎn)生情況
在正常進行阻垢劑、殺菌劑投加處理的情況下,初期濃縮倍數(shù)約4.91、高效節(jié)水的循環(huán)水系統(tǒng),隨著運行時間的加長,各項水質(zhì)指標逐漸有趨向“結(jié)垢性水質(zhì)”的威脅。圖6、圖7 為2018年2月至2018年7月循環(huán)水各指標化驗結(jié)果月均值變化曲線,總體均呈上漲趨勢,“鈣硬度+全堿度”逼近1 000 mg/L。
圖6 循環(huán)水指標變化①
同時,由表2 中循環(huán)水及循環(huán)水補水中電導(dǎo)化驗結(jié)果可知,廠內(nèi)循環(huán)水的兩路補水、湘江原水凈化后的補水水質(zhì)一般變化不大,但污水處理清液回用部分的水質(zhì)波動較大。由表中化驗數(shù)據(jù)制圖,如圖8所示,分別生成各自趨勢線得出三者間的線性關(guān)系。很明顯,廠內(nèi)循環(huán)水水質(zhì)變化不僅受運行及環(huán)境氣候變化的影響,與污水處理回用清液水質(zhì)變化也呈現(xiàn)很大的相關(guān)性。綜上所述,循環(huán)水濃縮倍數(shù)的控制、補水量以及排污量的控制不僅需要根據(jù)運行和氣候的變化進行調(diào)整,還需對污水處理回用清液的水質(zhì)進行有效的跟蹤把控,及時發(fā)現(xiàn)并處理因其水質(zhì)變化可能對循環(huán)水產(chǎn)生沖擊的因素。
表2 2018年循環(huán)水及其補水電導(dǎo)率月均值(2-7月)
圖8 循環(huán)水、凈水器補水、清液回用線性關(guān)系
2.3.1 提升濃縮液消耗量
(1)加大濃縮液爐內(nèi)回噴。在垃圾熱值較高、不影響焚燒爐燃燒工況的情況下,加大每臺爐的濃縮液回噴量。長沙焚燒項目實際經(jīng)驗值顯示,每回噴1 t 濃縮液,將損失463.64~514.28 kW·h 的發(fā)電量,上網(wǎng)電價以0.50 元/(kW·h)計算,即每消耗1 t 濃縮液,至少損失200 元電費。顯然,經(jīng)濟效益損失是巨大的。所以,該項措施只在全年滲濾液產(chǎn)量高峰期考慮采用,應(yīng)急消納濃縮液。
(2)濃縮液回用飛灰固化。長沙焚燒項目飛灰主要來自煙氣處理半干式脫酸系統(tǒng)底部灰與布袋除塵捕捉下來的灰,飛灰的成分復(fù)雜,其中含有較高濃度的容易被水浸出的鉛、鎘、銅、鉻和鋅等重金屬以及具有很強危害性的二噁英和呋喃。所以,飛灰需在廠區(qū)內(nèi)經(jīng)螯合固化達標后轉(zhuǎn)運至危廢處置中心填埋處置。而飛灰螯合固化對水質(zhì)無要求,故加入滲濾液處理后的濃縮液對飛灰固化效果無影響,還能消耗一定的濃縮液量,減少了入爐燃燒導(dǎo)致發(fā)電量減少的高處理成本,實現(xiàn)了濃縮液的資源化利用。該方案長沙焚燒項目正在試驗探索中。
(3)濃縮液回用石灰漿制備。高濃度滲濾液處理系統(tǒng)中納濾處理超濾清液,產(chǎn)生的納濾濃縮液中富集了大部分的鹽分、少量難生化降解或不可生化降解的有機物以及殘留的含氮類化合物。此部分濃縮液經(jīng)DTNF 減量化處理后再次產(chǎn)生的濃縮液中,含有大量難降解的COD,但電導(dǎo)率較低,溶解性固體含量較低。同時,半干法對所用水水質(zhì)沒有要求,最終有害物質(zhì)可以隨飛灰一起進行穩(wěn)定無害化處理。故考慮將部分納濾濃液減量化后的濃縮液用于焚燒廠內(nèi)煙氣處理反應(yīng)塔的石灰漿制備,既不會對煙氣指標控制產(chǎn)生影響,又能消耗終端濃縮液產(chǎn)量。濃縮液回用于石灰漿制備的技術(shù)已在多個垃圾焚燒發(fā)電廠應(yīng)用實施。目前,長沙項目正在進行相關(guān)系統(tǒng)改造中。
2.3.2 控制循環(huán)水水質(zhì)
(1)嚴密監(jiān)控污水系統(tǒng)運行及回用清液水質(zhì)。由前文分析可知,中水回用部分補水對循環(huán)水的水質(zhì)有很大程度的影響。故對污水處理系統(tǒng)提出了更嚴格的運行要求,按需設(shè)定了廠內(nèi)較《城市污水再生利用 工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923-2005)更加嚴格的清液回用標準。表3 中化驗數(shù)據(jù)顯示,之后回用清液的水質(zhì)得到了明顯的改善,循環(huán)水的電導(dǎo)率也處于可接受的浮動范圍之內(nèi)。
表3 2018年循環(huán)水及污水處理回用清液電導(dǎo)率月均值(8-12月)
(2)增大循環(huán)水排污量。不同于循環(huán)水電導(dǎo)的控制,硬度只有通過循環(huán)水合理的補排水,即控制濃縮倍數(shù)才能進行有效調(diào)節(jié)?;诔霈F(xiàn)的問題,采取措施的考慮方向為增大循環(huán)水的排污量,同時又不增加全廠的耗水成本。故對廠內(nèi)部分系統(tǒng)排放水水質(zhì)做了一次綜合分析。
表4 為部分化驗數(shù)據(jù),可見生活制水設(shè)備反洗排水及除鹽水設(shè)備反洗水較循環(huán)水水質(zhì)要好,而廠內(nèi)低濃度無機廢水處理系統(tǒng)接收的廢水為除鹽水水設(shè)備反洗水及循環(huán)水排污水,此處存在明顯的資源排放現(xiàn)象。考慮將除鹽水設(shè)備反洗水及生活制水設(shè)備反洗水作為優(yōu)質(zhì)清潔廢水,直接補入循環(huán)水系統(tǒng)中。這樣既能實現(xiàn)資源重復(fù)利用,增加循環(huán)水的補水,又能讓低濃度無機廢水處理系統(tǒng)全部接收循環(huán)水排污水,加大循環(huán)水的排污量。
表4 各系統(tǒng)排放水水質(zhì)分析
經(jīng)過初期零排放水平衡運行,出現(xiàn)問題并實施相應(yīng)解決對策后,形成目前長沙焚燒項目廢水零排放水平衡圖,如圖9所示。圖中,相關(guān)數(shù)值的單位均為m3/d。
圖9 優(yōu)化后長沙焚燒項目零排放運行水平衡圖
此時,全廠水平衡數(shù)量關(guān)系如表5所示,與初期零排放水平衡相比,總用水量、復(fù)用水量和串用水量都相對上升,但是取水量和低濃度無機污水接收量沒有上漲;全廠重復(fù)利用率為98.04%,廢水回收率為100%,排放水率為0%,循環(huán)水濃縮倍率為4.01。這樣不僅可以有效地保證節(jié)水,加大循環(huán)水的排污,還可以適當控制和降低循環(huán)水濃縮倍數(shù),改善循環(huán)水水質(zhì)。
表5 長沙焚燒項目現(xiàn)行水平衡水量關(guān)系
長沙焚燒項目廢水零排放運行的實施預(yù)計可減少廢水排放944 467.2 m3/a,實現(xiàn)COD 減排約250 t/a,環(huán)保效益非常顯著。若長沙焚燒項目湘江取水以2 元/m3計算,全廠回用水量、復(fù)用水量為2 000 m3/d、1 118 m3/d,每天可減少的湘江取水量為3 118 m3/d,可節(jié)約水費6 236 元/d。另外,項目無需外排污水,可減少一定的排污費用及送至其他污水處理廠處理的費用。實現(xiàn)污水零排放的經(jīng)濟效益也相當可觀。
2018年8-12月循環(huán)水水質(zhì)詳細情況如表6所示。表中數(shù)據(jù)表明,“總堿度+鈣硬度”全年均值在800 mg/L 左右,完全符合《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》(GB 50050-2017)中規(guī)定要求;水質(zhì)整體沒有腐蝕結(jié)垢傾向,滿足高濃縮倍數(shù)下的運行 要求。
表6 2018年8-12月循環(huán)水化驗數(shù)據(jù)月均值
廢水零排放運行期間,凝汽器真空數(shù)值如圖10所示,全年數(shù)值均在-90.00 kPa以上,有效保證了汽輪機的熱循環(huán)效率。
圖10 2018年零排放運行期間凝汽器真空均值
圖11 為2018年6月至2019年1月各機組檢修時的凝汽器現(xiàn)場水側(cè)管束照片,可見設(shè)備水側(cè)管束潔凈顯金屬本色,無腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。這也反映出廢水零排放期間循環(huán)水水質(zhì)控制取得了良好的 效果。
圖11 各機組檢修時凝汽器現(xiàn)場水側(cè)管束照片
垃圾焚燒發(fā)電廠廢水零排放是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題,既需要從整體運作考慮,結(jié)合焚燒廠各用水環(huán)節(jié),采取合理的措施實現(xiàn)一水多用、水資源梯級利用;又需要統(tǒng)籌規(guī)劃,實現(xiàn)水系統(tǒng)水量平衡。長沙焚燒項目積極進行廢水零排放工藝設(shè)計,不斷攻堅創(chuàng)新:大量無機清潔廢水直接補入循環(huán)冷卻水,減少污水處理成本和終端濃縮液產(chǎn)生量;滲濾液、生產(chǎn)廢水以及生活污水處理后的清液回用至循環(huán)冷卻水補水,剩余的少量濃縮液經(jīng)DTRO 減量化處理后回噴至爐膛或回用于飛灰固化和石灰漿制備;兼顧治水、管水、節(jié)水,找到了系統(tǒng)的平衡點,最終實現(xiàn)了全廠廢水零排放。