环保电厂综合利用市政中水资源的可行性分析

文_孙浩然 唐侠 李游 赵方亮 程海亮

1.天津光大兴辰环保能源有限公司 2.光大环保（中国）有限公司 3.光大环保能源（兰考）有限公司

垃圾发电可以变废为宝，不但充分利用了垃圾的热值，又对燃烧产生的有害成分通过烟气处理系统进行统一处理，减少对环境的污染。但发电厂又是耗水大户，特别是在我国北方，水资源相对短缺、城市缺水问题突出的地区，连续的干旱突显了水资源短缺问题的极端重要性和紧迫性，所以，水资源的综合利用率是可持续发展的重中之重。中水的综合利用是缓解地表水和地下水短缺危机的有效途径，是节约使用水资源的重要措施，对我国水资源紧缺地区的经济可持续发展具有着十分重要的意义以及良好的示范效应。

市政中水具有水量大、水源稳定、经济性强等优点，但水质波动大、水质复杂的问题也是客观事实存在的。因此，应将中水原水进行深度处理和协调使用，保证水质和水量完全稳定地回用至电厂的冷却水系统，以实现水资源利用最大化。

1 污水处理工艺及中水水质分析

1.1 污水处理工艺介绍

天津光大兴辰环保能源有限公司工程总规模处理生活垃圾3000t/d，MCR额定工况总年发电量约5.81×108kWh，年上网总电量约4.83×108kWh，本项目使用双青污水处理厂尾水作为冷却塔补水水源。

北辰区双青污水处理厂位于双口镇北辰西道与卫河交口东北角，设计规模为15万m3/d，现有处理规模4万m3/d。2012年北辰区环境保护局对该项目一期2万m3/d已处理污水进行环保竣工验收（津辰环保许可验[2014]13号）。2016年天津市北辰区行政审批局对该项目二期2万m3/d已处理污水进行环保竣工验收（津辰审环验[2016]第8号）。污水处理采用“分质预处理+改良AAO工艺+混凝沉淀过滤+消毒”工艺。根据北辰区双青污水处理厂二期2万m3/d竣工环境保护验收监测报告（津昶监验字[2016]第001号），污水排放均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。双青污水处理厂后期进行了提标改造，现状尾水排放执行天津市地方标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》（DB12/599-2015）A标准，最终排入永定新河，双青污水处理厂处理工艺流程如图1所示。

1.2 中水水质指标

双青污水处理厂进水标准执行天津市地方标准《污水综合排放标准》（DB12/356-2018）中三级排放标准，具体如表1所示。双青污水处理厂尾水排放执行天津市地方标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》（DB12/599-2015）A标准，具体如表2所示。中水排放标准与回用水标准对比如表3所示。污水处理厂尾水排放实测值如表4所示。

表 1 污水处理厂接管标准 /（mg/L）

表 2 污水处理厂尾水排放标准 /（mg/L）

表3 污水处理厂尾水排放标准与回用水标准比对情况

17 阴离子表面活性剂/（mg/L） ≤0.5 ≤0.3 14 总磷/（mg/L） ≤1 ≤0.3 15 溶解性总固体/（mg/L） ≤1000 -16 石油类/（mg/L） ≤1 ≤0.5 18 余氯/（mg/L） ≥0.05 -19 类大肠菌群/（个/L） ≤2000 ≤1000

表4 污水处理厂尾水排放实测值 / （mg/L）

2 中水污染物对循环冷却系统的影响

市政中水存在水质波动大、微生物多、高氯离子、高氨氮等问题。特别是在北方城市，全年干旱少雨、冬季极度寒冷，对污水处理厂的生化处理造成严重影响，导致氨氮、氯离子等污染物含量飙升。这些高盐份污染物进入循环冷却水系统，会对凝汽器造成严重的腐蚀、黏泥附着、结垢等现象。

2.1 氯离子对循环冷却水系统的影响

采用市政中水作为垃圾发电厂的冷却水水源，主要用于汽轮机凝汽器和辅机的冷却水使用，而水中的氯离子会导致金属管道腐蚀，所以氯离子是循环冷却水中的重要控制污染物指标。由表4实测数据分析，氯离子含量434.9mg/L，该公司凝汽器材质为316L不锈钢，根据不锈钢材质耐氯离子腐蚀标准1000mg/L，循环水的浓缩倍率会大幅度降低，从而加大水资源的浪费。循环冷却水系统物料平衡关系如图2所示。

注：硬度单位mmol/L；浊度单位：NTU；pH单位无量纲。

具体计算方式如下：

根据物料平衡，氯离子在循环冷却系统中的积累量=补充量-损失量-反应量，即

式中：t——时间；V——循环冷却系统有效容积；CB——补充水氯离子浓度；QB——补充水量；Qp——排污水量；QF——风吹水损失量。

稳态时，dc/dt，所以：

其中：φ=浓缩倍数。

由式（1）得：

式(2)表明稳定情况下，循环水中的氯离子浓度与补充水的浓度、补充水流量及浓缩倍数有关。在系统及工况条件一定条件下，则循环水氯离子浓度与补充水氯离子浓度成正比。

2.2 微生物对循环冷却水系统的影响

中水是利用生化处理水中有机物的，处理工艺末端会添加次氯酸钠进行杀菌，由于次氯酸钠中含有氯离子成分，这样会大量增加中水中氯离子含量。为了减少氯离子进入循环冷却水系统，尽量选择使用消毒前的中水，但这样就会导致大量微生物进入冷却水系统。微生物会在冷却塔填料层、凝汽器管道等处滋生，形成黏泥，会在冷却塔塔壁和支柱处滋生青苔等，从而降低冷却系统的冷却效率，增大凝汽器温度端差，严重时需要停机清洗，影响较为严重。

3 中水深度处理技术研究

经过污水处理厂处理后的中水满足国家排放标准后能够直接排入自然水体，但作为环保电厂的循环冷却水补充水源，仍有大量污染物指标无法满足要求，比如排放标准中的指标微生物、磷、高盐分离子等都没有达到要求。这样就需要对其进行进一步深度处理，去除部分污染物后才能补充到循环冷却水系统。

3.1 中水处理工艺选择

由表3可知，大部分污染物指标可以满足循环冷却水补水要求，但氯浊度、铁、氯离子、二氧化硅、总硬度、总碱度、硫酸盐、溶解性总固体和余氯指标严重超出循环冷却水补水标准，只有通过膜系统进行物理过滤进行去除。

以天津光大兴辰环保能源有限公司为例，采用多介质过滤器+自清洗过滤器+超滤+反渗透（RO）工艺进行深度处理，中水处理工艺流程图如图3所示。

（1）多介质过滤器。多介质过滤器采用双滤料过滤，由无烟煤与石英砂组成，有足够的化学稳定性。所用的无烟煤堆积密度为0.45～0.55g/ml，粒径为0.8～1.8mm；石英砂堆积密度为1.6～1.75t/m3，粒径为0.6～1.2mm。主要去除水中的泥砂、悬浮物、胶体等杂质和藻类等生物，从而降低对后续膜系统的机械损伤及污染。

（2）超滤装置。超滤过滤原理也是一种膜分离过程原理，超滤利用一种压力活性膜，在外界推动力(压力)作用下截留水中胶体、颗粒和分子量相对较高的物质，而水和小的溶质颗粒透过膜的分离过程。通过膜表面的微孔筛选可截留分子量为30000～10000um的物质。当被处理水借助于外界压力的作用以一定的流速通过膜表面时，水分子和分子量小于300～500um的溶质透过膜，而大于膜孔的微粒、大分子等由于筛分作用被截留，从而使水得到净化。也就是说，当水通过超滤膜后，可将水中含有的大部分胶体硅除去，同时可去除大量的有机物等。

天津光大兴辰环保能源有限公司超滤膜系统设计处理量为1560m3/d×2套，超滤膜的滤芯表面运行滤速为120L/（m2·h），设计膜通量为60L/（m2·h）。超滤膜组件具体参数如表5所示。天津光大兴辰环保能源有限公司超滤膜系统具体设计信息如表6所示。

表5 超滤膜具体参数信息表

表 6 超滤膜系统设计信息表

（3）反渗透（RO）装置。反渗透又称逆渗透，一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。对膜一侧的料液施加压力，当压力超过它的渗透压时，溶剂会逆着自然渗透的方向作反向渗透。从而在膜的低压侧得到透过的溶剂，即渗透液；高压侧得到浓缩的溶液，即浓缩液。若用反渗透处理海水，在膜的低压侧得到淡水，在高压侧得到浓水。

RO反渗透膜孔径小至纳米级，在一定的压力下，H2O分子可以通过RO膜，而原水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法通过RO膜，从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来。

天津光大兴辰环保能源有限公司选用的是陶氏反渗透一款抗污染膜元件，该膜元件运用了陶氏企业独有的抗污染膜技术即进行化学及物理改性，专门针对预处理要求极为严格，但原水内依然存在污染物杂质的应用领域。陶氏此款抗污染膜具有高效的抗污染能力和可清洗特性，并且系统运行较为经济。反渗透膜组件具体参数如表7所示。反渗透膜系统具体设计信息如表8所示。

表7 反渗透膜具体参数信息表

表8 反渗透膜系统设计信息表

3.2 污染物去除效率研究

经过以上中水处理工艺的处理，中水排放标准中的浊度、铁、氯离子、二氧化硅、总硬度、总碱度、硫酸盐、溶解性总固体和余氯可以通过反渗透有效的处理，反渗透产水各项污染物指标浓度很低。 中水原水与反渗透产水对比如表9所示。

表9 中水原水与反渗透产水对比表

由表9可知，污染物浓度去除效果明显，以循环冷却水较为关注的氯离子浓度指标计算，每100m3中水可去除约43.5kg。

3.3 水量协调使用管理

以光大兴辰环保能源有限公司中水运行方式为例，原水的中的微生物、磷、高盐分离子等污染物依然很高，直接进入循环冷却水系统潜在危害很大。如果完全使用上述工艺出水补充至循环水池，又会增加生产运行成本。为了既能够满足循环冷却水补水要求，又可兼顾经济运行，根据中水原水水质，该公司采用每天补充中水原水2280t，补充经过中水处理工艺处理后纯水2160t的运行方式，原水和中水混合后氯离子浓度为233mg/L，最终两路水源在循环水池汇合。按内控氯离子浓度800mg/L计算，浓缩倍率由原来的2倍左右可提升至4倍左右，增加了中水的使用效率，可满足生产冷却水系统补水要求。

由于污水处理厂的运行波动，随着季节、气候、水量的变化，出水水质也有一定的影响。冬季水量少，污染物指标相对夏季要高，所以，该运行方式不是一成不变的，原水补充水量的多少取决于原水水质。根据不同的原水污染物浓度，和不同的中水处理系统产水混合比例，科学调配水量使用管理十分重要。

根据质量守恒，在循环水池氯离子浓度总量不变的情况下，原水氯离子浓度越低，中水处理系统需处理水量越低，中水的运营和使用成本越低。原水氯离子浓度从600～100mg/L，以50mg/（L·次）进行递减，中水原水可利用水量和原水氯离子浓度成反比，原水氯离子浓度越低中水原水可利用水量越大。具体水质和水量对比情况如图4所示。

由图4可知，补充水量随着中水原水氯离子浓度变化而变化，所以，中水原水氯离子浓度越低，原水补充水量越大，生产运营成本越低。

综上，采用多介质过滤器+自清洗过滤器+超滤+反渗透（RO）工艺处理市政中水，可以有效去除水中的悬浮物和离子成分，保证电厂冷却水系统安全稳定运行。且此工艺系统设备技术成熟，自动化程度较高，可减少人员成本投入。由于此工艺是利用物理过滤技术，会产生30%～40%的浓水，对于没有污水排口的单位将要进一步考虑浓水的处置问题。由于利用膜处理，膜元件的寿命一般在3～5年，每次膜元件更换的费用也需要考虑。

4 结语

文中分析市政中水应用到环保电厂循环冷却水系统的可行性，针对不同的水质情况，只要选择合理的处理工艺，完全可以实现中水资源的综合利用。以光大北辰能源环保电厂为例，经过中水处理工艺后淡水综合利用，浓水部分回用、部分排放至污水处理厂，每年约使用中水量在350万m3，年可减少污染物直接向自然水体排放量：COD 105t；氨氮5.025t，环境保护效益显著。使用市政中水也可减少企业的经济损失，以上工艺设备投资约400万元左右，中水原水费用约3.76元/m3（天津市中水价格），运行成本约2.2元/m3。按每天补充新鲜水源6000/m3参考，使用所述方式年利用中水量约350万/m3，使用自来水作为水源预计年取水量约220万m3，按天津市自来水7.9元/m3、中水3.76元/m3计算，预计每年可节约422万元，经济效益明显。

随着我国水资源的不断匮乏，湖泊、河流等地表水和地下水资源不断受到污染，以及水资源的严重分布不均匀，使我国中西部、北方地区工业发展严重受限。市政中水作为成本低廉、来源稳定的新型水资源，越来越受到国家及企业的重视。充分利用市政中水资源作为工业用水，可以减少现有淡水资源的浪费，减少企业运行经济成本，增加企业运营效益，同时减少污染物的直接排放，减少自然水体污染，真正实现水资源和环境保护的可持续发展。