文_孫浩然 唐俠 李游 趙方亮 程海亮

1.天津光大興辰環(huán)保能源有限公司 2.光大環(huán)保（中國）有限公司 3.光大環(huán)保能源（蘭考）有限公司

垃圾發(fā)電可以變廢為寶，不但充分利用了垃圾的熱值，又對燃燒產(chǎn)生的有害成分通過煙氣處理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一處理，減少對環(huán)境的污染。但發(fā)電廠又是耗水大戶，特別是在我國北方，水資源相對短缺、城市缺水問題突出的地區(qū)，連續(xù)的干旱突顯了水資源短缺問題的極端重要性和緊迫性，所以，水資源的綜合利用率是可持續(xù)發(fā)展的重中之重。中水的綜合利用是緩解地表水和地下水短缺危機(jī)的有效途徑，是節(jié)約使用水資源的重要措施，對我國水資源緊缺地區(qū)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有著十分重要的意義以及良好的示范效應(yīng)。

市政中水具有水量大、水源穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但水質(zhì)波動(dòng)大、水質(zhì)復(fù)雜的問題也是客觀事實(shí)存在的。因此，應(yīng)將中水原水進(jìn)行深度處理和協(xié)調(diào)使用，保證水質(zhì)和水量完全穩(wěn)定地回用至電廠的冷卻水系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)水資源利用最大化。

1 污水處理工藝及中水水質(zhì)分析

1.1 污水處理工藝介紹

天津光大興辰環(huán)保能源有限公司工程總規(guī)模處理生活垃圾3000t/d，MCR額定工況總年發(fā)電量約5.81×108kWh，年上網(wǎng)總電量約4.83×108kWh，本項(xiàng)目使用雙青污水處理廠尾水作為冷卻塔補(bǔ)水水源。

北辰區(qū)雙青污水處理廠位于雙口鎮(zhèn)北辰西道與衛(wèi)河交口東北角，設(shè)計(jì)規(guī)模為15萬m3/d，現(xiàn)有處理規(guī)模4萬m3/d。2012年北辰區(qū)環(huán)境保護(hù)局對該項(xiàng)目一期2萬m3/d已處理污水進(jìn)行環(huán)?？⒐を?yàn)收（津辰環(huán)保許可驗(yàn)[2014]13號(hào)）。2016年天津市北辰區(qū)行政審批局對該項(xiàng)目二期2萬m3/d已處理污水進(jìn)行環(huán)保竣工驗(yàn)收（津辰審環(huán)驗(yàn)[2016]第8號(hào)）。污水處理采用“分質(zhì)預(yù)處理+改良AAO工藝+混凝沉淀過濾+消毒”工藝。根據(jù)北辰區(qū)雙青污水處理廠二期2萬m3/d竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收監(jiān)測報(bào)告（津昶監(jiān)驗(yàn)字[2016]第001號(hào)），污水排放均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)。雙青污水處理廠后期進(jìn)行了提標(biāo)改造，現(xiàn)狀尾水排放執(zhí)行天津市地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB12/599-2015）A標(biāo)準(zhǔn)，最終排入永定新河，雙青污水處理廠處理工藝流程如圖1所示。

1.2 中水水質(zhì)指標(biāo)

雙青污水處理廠進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行天津市地方標(biāo)準(zhǔn)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB12/356-2018）中三級排放標(biāo)準(zhǔn)，具體如表1所示。雙青污水處理廠尾水排放執(zhí)行天津市地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB12/599-2015）A標(biāo)準(zhǔn)，具體如表2所示。中水排放標(biāo)準(zhǔn)與回用水標(biāo)準(zhǔn)對比如表3所示。污水處理廠尾水排放實(shí)測值如表4所示。

表 1 污水處理廠接管標(biāo)準(zhǔn) /（mg/L）

表 2 污水處理廠尾水排放標(biāo)準(zhǔn) /（mg/L）

表3 污水處理廠尾水排放標(biāo)準(zhǔn)與回用水標(biāo)準(zhǔn)比對情況

17 陰離子表面活性劑/（mg/L） ≤0.5 ≤0.3 14 總磷/（mg/L） ≤1 ≤0.3 15 溶解性總固體/（mg/L） ≤1000 -16 石油類/（mg/L） ≤1 ≤0.5 18 余氯/（mg/L） ≥0.05 -19 類大腸菌群/（個(gè)/L） ≤2000 ≤1000

表4 污水處理廠尾水排放實(shí)測值 / （mg/L）

2 中水污染物對循環(huán)冷卻系統(tǒng)的影響

市政中水存在水質(zhì)波動(dòng)大、微生物多、高氯離子、高氨氮等問題。特別是在北方城市，全年干旱少雨、冬季極度寒冷，對污水處理廠的生化處理造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致氨氮、氯離子等污染物含量飆升。這些高鹽份污染物進(jìn)入循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，會(huì)對凝汽器造成嚴(yán)重的腐蝕、黏泥附著、結(jié)垢等現(xiàn)象。

2.1 氯離子對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的影響

采用市政中水作為垃圾發(fā)電廠的冷卻水水源，主要用于汽輪機(jī)凝汽器和輔機(jī)的冷卻水使用，而水中的氯離子會(huì)導(dǎo)致金屬管道腐蝕，所以氯離子是循環(huán)冷卻水中的重要控制污染物指標(biāo)。由表4實(shí)測數(shù)據(jù)分析，氯離子含量434.9mg/L，該公司凝汽器材質(zhì)為316L不銹鋼，根據(jù)不銹鋼材質(zhì)耐氯離子腐蝕標(biāo)準(zhǔn)1000mg/L，循環(huán)水的濃縮倍率會(huì)大幅度降低，從而加大水資源的浪費(fèi)。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)物料平衡關(guān)系如圖2所示。

注：硬度單位mmol/L；濁度單位：NTU；pH單位無量綱。

具體計(jì)算方式如下：

根據(jù)物料平衡，氯離子在循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的積累量=補(bǔ)充量-損失量-反應(yīng)量，即

式中：t——時(shí)間；V——循環(huán)冷卻系統(tǒng)有效容積；CB——補(bǔ)充水氯離子濃度；QB——補(bǔ)充水量；Qp——排污水量；QF——風(fēng)吹水損失量。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，dc/dt，所以：

其中：φ=濃縮倍數(shù)。

由式（1）得：

式(2)表明穩(wěn)定情況下，循環(huán)水中的氯離子濃度與補(bǔ)充水的濃度、補(bǔ)充水流量及濃縮倍數(shù)有關(guān)。在系統(tǒng)及工況條件一定條件下，則循環(huán)水氯離子濃度與補(bǔ)充水氯離子濃度成正比。

2.2 微生物對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的影響

中水是利用生化處理水中有機(jī)物的，處理工藝末端會(huì)添加次氯酸鈉進(jìn)行殺菌，由于次氯酸鈉中含有氯離子成分，這樣會(huì)大量增加中水中氯離子含量。為了減少氯離子進(jìn)入循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，盡量選擇使用消毒前的中水，但這樣就會(huì)導(dǎo)致大量微生物進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)。微生物會(huì)在冷卻塔填料層、凝汽器管道等處滋生，形成黏泥，會(huì)在冷卻塔塔壁和支柱處滋生青苔等，從而降低冷卻系統(tǒng)的冷卻效率，增大凝汽器溫度端差，嚴(yán)重時(shí)需要停機(jī)清洗，影響較為嚴(yán)重。

3 中水深度處理技術(shù)研究

經(jīng)過污水處理廠處理后的中水滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn)后能夠直接排入自然水體，但作為環(huán)保電廠的循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水源，仍有大量污染物指標(biāo)無法滿足要求，比如排放標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)微生物、磷、高鹽分離子等都沒有達(dá)到要求。這樣就需要對其進(jìn)行進(jìn)一步深度處理，去除部分污染物后才能補(bǔ)充到循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

3.1 中水處理工藝選擇

由表3可知，大部分污染物指標(biāo)可以滿足循環(huán)冷卻水補(bǔ)水要求，但氯濁度、鐵、氯離子、二氧化硅、總硬度、總堿度、硫酸鹽、溶解性總固體和余氯指標(biāo)嚴(yán)重超出循環(huán)冷卻水補(bǔ)水標(biāo)準(zhǔn)，只有通過膜系統(tǒng)進(jìn)行物理過濾進(jìn)行去除。

以天津光大興辰環(huán)保能源有限公司為例，采用多介質(zhì)過濾器+自清洗過濾器+超濾+反滲透（RO）工藝進(jìn)行深度處理，中水處理工藝流程圖如圖3所示。

（1）多介質(zhì)過濾器。多介質(zhì)過濾器采用雙濾料過濾，由無煙煤與石英砂組成，有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性。所用的無煙煤堆積密度為0.45～0.55g/ml，粒徑為0.8～1.8mm；石英砂堆積密度為1.6～1.75t/m3，粒徑為0.6～1.2mm。主要去除水中的泥砂、懸浮物、膠體等雜質(zhì)和藻類等生物，從而降低對后續(xù)膜系統(tǒng)的機(jī)械損傷及污染。

（2）超濾裝置。超濾過濾原理也是一種膜分離過程原理，超濾利用一種壓力活性膜，在外界推動(dòng)力(壓力)作用下截留水中膠體、顆粒和分子量相對較高的物質(zhì)，而水和小的溶質(zhì)顆粒透過膜的分離過程。通過膜表面的微孔篩選可截留分子量為30000～10000um的物質(zhì)。當(dāng)被處理水借助于外界壓力的作用以一定的流速通過膜表面時(shí)，水分子和分子量小于300～500um的溶質(zhì)透過膜，而大于膜孔的微粒、大分子等由于篩分作用被截留，從而使水得到凈化。也就是說，當(dāng)水通過超濾膜后，可將水中含有的大部分膠體硅除去，同時(shí)可去除大量的有機(jī)物等。

天津光大興辰環(huán)保能源有限公司超濾膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理量為1560m3/d×2套，超濾膜的濾芯表面運(yùn)行濾速為120L/（m2·h），設(shè)計(jì)膜通量為60L/（m2·h）。超濾膜組件具體參數(shù)如表5所示。天津光大興辰環(huán)保能源有限公司超濾膜系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)信息如表6所示。

表5 超濾膜具體參數(shù)信息表

表 6 超濾膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)信息表

（3）反滲透（RO）裝置。反滲透又稱逆滲透，一種以壓力差為推動(dòng)力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。對膜一側(cè)的料液施加壓力，當(dāng)壓力超過它的滲透壓時(shí)，溶劑會(huì)逆著自然滲透的方向作反向滲透。從而在膜的低壓側(cè)得到透過的溶劑，即滲透液；高壓側(cè)得到濃縮的溶液，即濃縮液。若用反滲透處理海水，在膜的低壓側(cè)得到淡水，在高壓側(cè)得到濃水。

RO反滲透膜孔徑小至納米級，在一定的壓力下，H2O分子可以通過RO膜，而原水中的無機(jī)鹽、重金屬離子、有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)無法通過RO膜，從而使可以透過的純水和無法透過的濃縮水嚴(yán)格區(qū)分開來。

天津光大興辰環(huán)保能源有限公司選用的是陶氏反滲透一款抗污染膜元件，該膜元件運(yùn)用了陶氏企業(yè)獨(dú)有的抗污染膜技術(shù)即進(jìn)行化學(xué)及物理改性，專門針對預(yù)處理要求極為嚴(yán)格，但原水內(nèi)依然存在污染物雜質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域。陶氏此款抗污染膜具有高效的抗污染能力和可清洗特性，并且系統(tǒng)運(yùn)行較為經(jīng)濟(jì)。反滲透膜組件具體參數(shù)如表7所示。反滲透膜系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)信息如表8所示。

表7 反滲透膜具體參數(shù)信息表

表8 反滲透膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)信息表

3.2 污染物去除效率研究

經(jīng)過以上中水處理工藝的處理，中水排放標(biāo)準(zhǔn)中的濁度、鐵、氯離子、二氧化硅、總硬度、總堿度、硫酸鹽、溶解性總固體和余氯可以通過反滲透有效的處理，反滲透產(chǎn)水各項(xiàng)污染物指標(biāo)濃度很低。 中水原水與反滲透產(chǎn)水對比如表9所示。

表9 中水原水與反滲透產(chǎn)水對比表

由表9可知，污染物濃度去除效果明顯，以循環(huán)冷卻水較為關(guān)注的氯離子濃度指標(biāo)計(jì)算，每100m3中水可去除約43.5kg。

3.3 水量協(xié)調(diào)使用管理

以光大興辰環(huán)保能源有限公司中水運(yùn)行方式為例，原水的中的微生物、磷、高鹽分離子等污染物依然很高，直接進(jìn)入循環(huán)冷卻水系統(tǒng)潛在危害很大。如果完全使用上述工藝出水補(bǔ)充至循環(huán)水池，又會(huì)增加生產(chǎn)運(yùn)行成本。為了既能夠滿足循環(huán)冷卻水補(bǔ)水要求，又可兼顧經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，根據(jù)中水原水水質(zhì)，該公司采用每天補(bǔ)充中水原水2280t，補(bǔ)充經(jīng)過中水處理工藝處理后純水2160t的運(yùn)行方式，原水和中水混合后氯離子濃度為233mg/L，最終兩路水源在循環(huán)水池匯合。按內(nèi)控氯離子濃度800mg/L計(jì)算，濃縮倍率由原來的2倍左右可提升至4倍左右，增加了中水的使用效率，可滿足生產(chǎn)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水要求。

由于污水處理廠的運(yùn)行波動(dòng)，隨著季節(jié)、氣候、水量的變化，出水水質(zhì)也有一定的影響。冬季水量少，污染物指標(biāo)相對夏季要高，所以，該運(yùn)行方式不是一成不變的，原水補(bǔ)充水量的多少取決于原水水質(zhì)。根據(jù)不同的原水污染物濃度，和不同的中水處理系統(tǒng)產(chǎn)水混合比例，科學(xué)調(diào)配水量使用管理十分重要。

根據(jù)質(zhì)量守恒，在循環(huán)水池氯離子濃度總量不變的情況下，原水氯離子濃度越低，中水處理系統(tǒng)需處理水量越低，中水的運(yùn)營和使用成本越低。原水氯離子濃度從600～100mg/L，以50mg/（L·次）進(jìn)行遞減，中水原水可利用水量和原水氯離子濃度成反比，原水氯離子濃度越低中水原水可利用水量越大。具體水質(zhì)和水量對比情況如圖4所示。

由圖4可知，補(bǔ)充水量隨著中水原水氯離子濃度變化而變化，所以，中水原水氯離子濃度越低，原水補(bǔ)充水量越大，生產(chǎn)運(yùn)營成本越低。

綜上，采用多介質(zhì)過濾器+自清洗過濾器+超濾+反滲透（RO）工藝處理市政中水，可以有效去除水中的懸浮物和離子成分，保證電廠冷卻水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。且此工藝系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)成熟，自動(dòng)化程度較高，可減少人員成本投入。由于此工藝是利用物理過濾技術(shù)，會(huì)產(chǎn)生30%～40%的濃水，對于沒有污水排口的單位將要進(jìn)一步考慮濃水的處置問題。由于利用膜處理，膜元件的壽命一般在3～5年，每次膜元件更換的費(fèi)用也需要考慮。

4 結(jié)語

文中分析市政中水應(yīng)用到環(huán)保電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的可行性，針對不同的水質(zhì)情況，只要選擇合理的處理工藝，完全可以實(shí)現(xiàn)中水資源的綜合利用。以光大北辰能源環(huán)保電廠為例，經(jīng)過中水處理工藝后淡水綜合利用，濃水部分回用、部分排放至污水處理廠，每年約使用中水量在350萬m3，年可減少污染物直接向自然水體排放量：COD 105t；氨氮5.025t，環(huán)境保護(hù)效益顯著。使用市政中水也可減少企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，以上工藝設(shè)備投資約400萬元左右，中水原水費(fèi)用約3.76元/m3（天津市中水價(jià)格），運(yùn)行成本約2.2元/m3。按每天補(bǔ)充新鮮水源6000/m3參考，使用所述方式年利用中水量約350萬/m3，使用自來水作為水源預(yù)計(jì)年取水量約220萬m3，按天津市自來水7.9元/m3、中水3.76元/m3計(jì)算，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約422萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

隨著我國水資源的不斷匱乏，湖泊、河流等地表水和地下水資源不斷受到污染，以及水資源的嚴(yán)重分布不均勻，使我國中西部、北方地區(qū)工業(yè)發(fā)展嚴(yán)重受限。市政中水作為成本低廉、來源穩(wěn)定的新型水資源，越來越受到國家及企業(yè)的重視。充分利用市政中水資源作為工業(yè)用水，可以減少現(xiàn)有淡水資源的浪費(fèi)，減少企業(yè)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本，增加企業(yè)運(yùn)營效益，同時(shí)減少污染物的直接排放，減少自然水體污染，真正實(shí)現(xiàn)水資源和環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展。