垃圾焚烧发电厂供排水及处理系统设计分析

陈子华

（上海康恒环境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

世界银行数据统计显示，当前全球每年产生的垃圾量高达20.1亿t，预计到2050年，全球垃圾产生量将达到34亿t/a[1]。据预测，2035年我国垃圾清运量将达5.5亿t[2]。目前，垃圾处理的主要技术为卫生填埋、堆肥、回收和焚烧。早在2015年，全球垃圾焚烧总量已超过70万t/d，且集中在欧盟、美国、日本等发达国家[2]。在我国《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》中明确到 2020 年底，具备条件的直辖市、计划单列市和省会城市（建成区）实现原生垃圾“零填埋”，建制镇实现生活垃圾无害化处理能力全覆盖；设市城市生活垃圾焚烧处理能力占无害化处理总能力的50%以上，其中东部地区达到60%以上[3]。事实上，2003—2018年，我国垃圾焚烧量增加了近30倍；2019年全国范围内拟将建设的涉及垃圾焚烧的项目多达426项，覆盖了全国29个省、市、自治区；预计“十三五”末期，全国城市垃圾焚烧建成的项目将突破550座，焚烧处理规模有望达到或超过55万t/d，焚烧处理占比将超过50%[4]。我国将很快进入“焚烧为主，填埋托底”的垃圾终端处理格局[5]。垃圾焚烧发电在缓解化石能源消耗、提升可再生能源占有率以及助力“无废城市”建设、破解“垃圾围城”的环保难题方面扮演着越来越重要的角色。

生产用水、生活用水的供应作为垃圾焚烧发电厂的重要组成部分，对整个焚烧厂的运转起着重要的作用，甚至影响着垃圾焚烧发电的效率。垃圾焚烧发电项目建设地的水源、水质等水资源状况、市政供水条件对焚烧厂生产、生活供水模式影响极大；焚烧厂建设地污、废水排水条件及执行的污水排放标准的差异性也显著影响着焚烧厂污、废水处理的模式及处理工艺的选择。“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划收官之年，本文对我国垃圾焚烧发电厂供水及处理、污废水及其处理系统的设计进行分析总结，以期能对“十四五”期间垃圾焚烧发电厂的规划、设计、建设及运营起到一定的指导作用。

1 给水及处理系统

1.1 生活给水

垃圾焚烧发电厂生活用水水源一般包括：市政自来水、净化后的地表水（江水、河水、湖泊、水库水等）、地下水（井水等）。生活用水量根据《GB 50015-2019建筑给水排水设计规范》进行设计。图1所示为垃圾焚烧发电厂典型的生活用水供水模式。当采用地表水、地下水作为生活供水水源时，原水经一体化净水设备处理，出水经生活净水装置处理达到《GB 5749-2006生活饮用水卫生标准》后进入生活水箱，经生活供水设备及紫外消毒器消毒后作为厂区生活用水供至各生活用水点。其中，生活净水装置采用的工艺根据水源水质不同有所差异，“预处理+超滤+反渗透”工艺应用较为广泛。

图1 垃圾焚烧发电厂生活用水供水模式

1.2 生产给水

1.2.1 生产用水水源

垃圾焚烧发电厂生产用水主要包括循环冷却水系统及空冷尖峰冷却系统补水、除盐水系统原水、浇灌绿化、道路浇洒、其它生产用水项目、未预见水等用水项目。生产用水主要采用市政自来水、地表水、中水等作为水源。目前，海水淡化后作为生产用水在国内垃圾焚烧发电应用较少。采用地表水、市政中水作为生产水源时，原水经处理达到《GB/T 19923—2005城市污水再生利用—工业用水水质》表1 敞开式循环冷却水补充水水质标准及电力行业同类型中水用于循环冷却水系统补充水的相关水质指标标准后进入生产和消防合用水池供生产和消防使用。

1.2.2 生产给水处理系统规模

生产给水处理系统的规模可按照式（1）计算确定：

式中：Qm—循环水系统补水量及空冷尖峰冷却系统补水；Q1—其它生产用水及未预见水量；Q2、Q3—化水系统原水量、浓水量；Q4—锅炉定、连排污水量；Q5—工业废水处理站清水量；Q6—渗滤液处理站清水量；Q7—洗烟、减湿废水处理站清水量。

为克服湿式冷却水系统蒸发损失、风吹损失及排污损失需要消耗大量的新鲜生产水且在冬季易形成大量水雾的问题，空冷系统在我国“三北”地区及富煤缺水或干旱地区火电厂广泛应用[6-8]。且相比于水冷系统，空冷机组存在高背压的问题，夏季仍然需要通过采用干式冷却、湿式尖峰冷却、干湿混合式尖峰冷却等技术提高系统真空[7,9]，尖峰冷却系统仍需进行补水。目前，空冷系统在垃圾焚烧发电厂应用较少，依旧以循环水冷却系统为主。

循环水系统水量QX由凝汽器冷却水Q8、冷油器、空冷器、风机、泵类、空压机、液压站等辅机设备冷却水Q9以及其他使用循环水冷却的冷却水Q10组成。

其中，凝汽器的冷却水量占主要部分，该部分水量可根据式（3）确定：

式中：De—凝汽器进汽量，通常按照锅炉蒸发量的75%～80%设计；m—冷却倍率。

一般情况下，汽轮机背压随着凝汽器冷却水量的增加而降低，从而汽轮机出力提高；与此同时，循环水泵的容量也随之增加，耗电量增加。当汽轮机提高的出力与循环水泵增加的电耗之差最大时的m为最佳冷却倍率。根据工程经验，m按照北方地区60～70、中部地区65～75、南方地区70～80设计[10]。

循环冷却水系统的补水量Qm可按照式（4）计算确定，

式中：Qe、Qw、Qb—蒸发损失、风吹损失、排污损失；N—循环水系统设计浓缩倍率，根据水源水质确定。

根据《GB/T 50102-2014工业循环水冷却设计规范》及《GB/T 50050-2017工业循环冷却水处理设计规范》，Qe、Qw、Qb可分别按照式（5）、（6）、（7）计算确定[11,12]。

式中：Δt—循环冷却水进、出冷却塔温差，通常设计为8～10℃；K—蒸发损失系数；P—冷却塔收水器与进风口的风吹损失百分率，当缺乏测试数据时按0.01%设计。

循环冷却水系统设置循环水加药装置及旁滤装置。根据《工业循环冷却水处理设计规范》，间开式冷却系统旁滤装置规模按照循环水量的1%～5%设计[12]。

根据式（1）～（7），不难发现锅炉蒸发量、冷却倍率及渗滤液站、工业废水处理站、洗烟减湿废水处理站设置及出水回用量为焚烧厂生产给水处理系统规模的决定性因素。

1.2.3 生产给水处理系统处理工艺

图2所示为垃圾焚烧发电厂广泛应用的生产给水处理工艺流程图。图2（a）所示的一体化净水装置用于去除地表水为生产水源时进水中的SS和浊度。目前，我国大部分市政污水处理厂出水指标执行《GB 18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准，其中部分指标执行《GB 3838-2002地表水环境质量标准》V类或者IV类水质标准。当采用此类市政中水或硬度较大地表水作为水源时设计图2（b）所示中水处理工艺，该工艺主要通过投加液碱、纯碱、PAC和PAM 进行软化，软化调节pH值后采用膜工艺进行固液分离以降低原水硬度及含盐量而达到补水标准。

图2 垃圾焚烧发电厂生产用水供水模式

生产给水净化系统按照1用1备配置设计，出水水质指标通常按照浊度≤3NTU，其余指标需满足《GB/T 19923-2005城市污水再生利用 工业用水水质》规定的浓度限值，同时不大于进水对应值的要求进行设计。生产给水净化系统出水进入生产和消防合用水池后经工业新水泵提升至各用水点。

1.3 化水系统

表1为化水系统规模及工艺，从表中可看出化水系统的原水主要有市政自来水、一体化净化器净化后地表水、中水处理系统处理后市政中水；同时，垃圾焚烧发电厂化水系统广泛应用的工艺为“预处理系统+超滤+两级反渗透工艺+EDI”。化水系统出水达到《GB/T 12145-2016火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》水质标准后用于锅炉补给水、烟气净化尿素或氨水稀释、闭式冷却系统补水、真空泵补水、化验室用水等。化水系统设计规模按照《GB 50049-2011小型火力发电厂设计规范》等规范设计确定，其与垃圾焚烧项目规模总体呈正相关的关系。

表1 化水系统处理工艺及规模

1.4 消防给水系统

消防用水储存于生产、消防合用水池内并设置水位控制系统以确保消防用水不被动用。消防用水量根据《GB 50974-2014消防给水及消火栓系统技术规范》《GB 50016-2014建筑设计防火规范》等规范设计。焚烧厂厂区设置环状消防给水管网，采用消防泵增压的临时高压消防给水系统并设置消防水箱及稳压装置。

2 污、废水排水及处理系统

垃圾焚烧发电项目污、废水排水采用雨污分流、清浊分流制，分为生活排水系统、生产排水系统、雨水排水系统、初期雨水收集排水系统、渗滤液收集系统。生活污水、雨水、初期雨水、生产废水、渗滤液等分别设置排水管网单独收集。

2.1 生活污水

对于焚烧厂外有市政管网的焚烧厂，生活污水通过厂区生活污水管网收集后排至市政管网；对于要求“零排放”的焚烧厂，生活污水经化粪池后：①经生活污水提升泵排至生活污水处理系统（包括园区污水综合处理站等）；②排至渗滤液处理站处理。

2.2 生产废水

垃圾焚烧发电厂生产废水主要分为两类：一类为循环水系统排污水、锅炉定连排污水、化水系统反冲洗水及浓水等清洁下水；另一类为烟气湿法工艺中洗烟、减湿废水。

2.2.1 工业废水

清洁下水中锅炉定连排污水、化水系统浓水因水质较好，可直接回用做冷却塔的补水；循环水排污水及化水系统反冲洗水优先回用于卸料大厅和车间地面冲洗及垃圾车等设备冲洗用水，剩余部分经工业废水处理站处理达到《GB/T 19923-2005城市污水再生利用 工业用水水质》中的敞开式循环冷却水系统补充水标准后回用作冷却塔补水，浓水用于出渣机冷却。

工业废水处理站的规模QI可通过式（8）计算确定：

式中，Qb、Q10—循环水系统排污水量、化水系统反冲洗水量；Q11—回用于卸料大厅和车间地面冲洗及垃圾车等设备冲洗用水量。

工业废水处理站废水来源主要为循环水排污水，具有硬度大、离子浓度高、悬浮物含量高的特点。因此，“调节池+化学软化+砂滤（机械化加速澄清滤池）+TUF（UF）+RO，浓液DTRO减量化”为工业废水处理站的主流工艺。其中，UF产水率95%以上，RO产水率75%左右，DTRO产水率40%左右，工业废水处理站整体产水率在80%～85%。

2.2.2 洗烟、减湿废水

对于采用湿法脱酸处理的项目，需设置减湿废水处理站、洗烟废水处理站分别对湿法脱酸塔减湿废水及洗烟废水进行处理。减湿废水量呈现季节性变化，冬季废水量最大，减湿废水量通过排烟温度进行计算确定；其特点为硫酸盐等浓度高，采用较多的工艺为“调节池+预处理+两级RO”，其浓水排至渗滤液处理站生化系统进行协同处理。

洗烟废水含盐量较高，以硫酸盐及氯化物为主，“调节池+砂滤+UF+DTRO+RO”工艺提高系统产水率的同时保证氯离子浓度满足回用标准。洗烟废水量可通过设定反应塔塔底冷却吸收液盐浓度值计算确定。

2.3 渗滤液收集及处理系统

2.3.1 渗滤液的来源

垃圾焚烧发电厂渗滤液主要有以下四种来源：①垃圾池渗滤液；②栈桥、卸料平台、垃圾车等冲洗水；③锅炉间、汽机间、污水沟道等冲洗水；④垃圾车运输易造成污染的道路、地磅区域及运输引桥区域的初期雨水。

2.3.2 渗滤液处理站规模确定

研究显示，受焚烧厂所在区域垃圾收集方式、气候、地理位置、居民生活习惯、经济发展水平等因素的影响，渗滤液量有所差异[13,14]。焚烧厂渗滤液站的规模常根据工程经验按照20%～30%处理量设计。渗滤液处理站规模QL可按式（9）计算确定：

式中：Q12—垃圾池渗滤液量；Q13—生活污水；Q14—栈桥、地磅等易受污染区域的初期雨水（分批次进入渗滤液处理站，不计入渗滤液处理站总规模）。

2.3.3 渗滤液处理站处理工艺

由于渗滤液水质特性较为复杂，其处理相比其它污水有所不同，主要有综合处理、混合处理、入炉回喷、单独处理等几种方案[15]。目前，“预处理+生化处理+深度处理”组合处理工艺广泛应用于国内外垃圾渗滤液处理[16]，出水最终达到《GB/T 19923-2005城市污水再生利用工业用水水质》中的敞开式循环冷却水系统补充水标准后回用；“化学软化+微滤+反渗透（RO）减少浓液产生量、（高压）碟管反渗透（HPRO、DTRO）处理RO浓缩液、膜浓缩液蒸发结晶（MVPC、MVR等）”的应用实现了垃圾焚烧厂渗滤液的全处理和回用，实现浓液全量处理[17]，逐步形成了图3所示的渗滤液“预处理+生化处理+深度处理+浓液减量化处理”的四级处理新工艺路线；少数项目采用“预处理+氨吹脱+厌氧（或厌氧+氨吹脱）+深度处理+浓液减量化处理”五级处理工艺，如“预处理+UASB+氨吹脱+A/O+NF+RO+DTRO”工艺及“预处理+氨吹脱+UBF+SBR+NF+RO+DTRO”工艺。对于渗滤液处理系统浓液，主要用于石灰制浆、飞灰稳定化等综合利用，剩余部分入炉回喷，污泥经脱水、干化后排至垃圾池入炉焚烧；浓液通过缩液蒸发结晶、干燥固化后与飞灰一起进行安全填埋。

图3 渗滤液四级处理工艺路线图

表2为目前广泛应用的“预处理+生化处理+深度处理+浓液减量化处理”的四级处理工艺。

表2 渗滤液四级处理工艺

2.4 初期雨水

雨水水量按照《GB 50014-2006室外排水设计规范》及《GB 50015-2019建筑给水排水设计标准》设计计算。目前，通常对垃圾焚烧发电厂内垃圾运输通道、高架桥、地磅区域等有垃圾渗滤液滴漏造成污染区域的初期雨水进行收集处理，中后期的雨水通过切换井流至厂区雨水排水系统。经雨水管线收集至初期雨水收集池内的雨水由初期雨水提升泵送至垃圾渗滤液处理站处理。

3 垃圾焚烧发电厂全厂水量平衡原理图

图4为典型的垃圾焚烧发电厂全厂水量平衡原理图。从图中可看出，生产、消防给水及处理系统、生活给水及处理系统、循环冷却水系统、化水系统、清洁下水及洗烟、减湿废水处理系统、渗滤液处理系统为垃圾焚烧发电厂给排水系统核心部分。

4 结论与展望

垃圾焚烧发电厂生活用水常由市政自来水或由地表水经一体化净水器和生活水净化装置处理后地表水供给。生产用水主要用于循环冷却水系统补水、化水系统补水及绿化浇灌、道路冲洗等，由自来水、一体化净化器净化后地表水或中水处理系统处理后市政中水供给。随着环保力度加大，垃圾焚烧发电厂污、废水逐步向“零排放”的趋势发展，循环水系统排污水等清洁下水、洗烟、减湿废水分别经工业废水处理站、洗烟减湿废水处理站经处理达标后回用；垃圾池渗滤液、卸料大厅及车间冲洗水、易受污染区域初期雨水经渗滤液处理系统后清水回用，浓液经减量化后回用或者入炉回喷。“预处理+生化处理+深度处理+浓液减量化处理”的四级处理新工艺已成为垃圾焚烧发电厂渗滤液处理的主流工艺，MVPC、MVR等技术的应用也让焚烧厂渗滤液实现全量化处理成为了可能。

生活垃圾、污废水、污泥、餐厨垃圾等协同处理、处置已成为一种趋势。打造污水、生活垃圾、污泥、餐厨垃圾等协同处理中心、静脉产业园并融入“去工业化”的设计理念，实现废弃物等减量化、无害化、资源化的同时，提升污水、废气等污染物排放水平，由“邻避效应”转化为“邻利效应”的设计模式将在“十四五”期间深入发展。