垃圾发电厂给排水设计及水系统管理

任美泽，刘光石，康 丽

(湖南易净环保科技有限公司，湖南长沙 410001)

近年来，在“垃圾围城”日益严峻的形势下，垃圾焚烧发电作为“减量化、无害化、资源化”处置生活垃圾的最佳方式，引起国家高度重视与关注。根据《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》，“十三五”期间，全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设总投资约为2 518.4亿元；到2020年，城镇生活垃圾焚烧处理能力要占总无害化处理能力的50%以上。目前,国内垃圾焚烧厂给排水设计多借鉴传统发电厂在给排水方面的设计，实际上垃圾电厂不同于传统发电厂，在上料系统、给料系统、锅炉燃烧系统、主给水加热及主蒸汽空气预热等方面在给排水设计上均存在差异。本文以某垃圾发电厂为例，某垃圾发电厂，建设规模为垃圾额定处理量2×300 t/d垃圾焚烧线，配套装设1×9 MW凝汽式汽轮发电机，预留1×300 t/d垃圾焚烧线和1×6 MW凝汽式汽轮发电机组扩建位置，年利用小时数为8 000 h。本文以某垃圾发电厂给排水的具体设计为例，结合项目自身特点，并介绍相应的节水措施，给同类似项目设计人员参考。

1 垃圾电厂水务管理特点

垃圾电厂不同于“小火电”，上料系统、给料系统、锅炉燃烧系统、主给水加热及主蒸汽空气预热等方面与常规燃煤机组差异很大。水务管理的差异主要体现在：一是给水方面，部分耗水设备补给水率的取值与燃煤机组不同，此外，由机组容量及燃料特点决定了其用水量及用水点均较少；二是污废水方面，与燃煤机组相比,垃圾发电厂污废水种类较简单，回用水量也较少[1]。垃圾电厂水务管理具体分析如下。

(1)垃圾电厂锅炉补给水处理流程为：原水→汽水混合式换热器→自清洗过滤器→超滤装置→超滤水箱→一级RO升压泵→一级RO保安过滤器→一级RO高压泵→一级RO装置→一级RO水箱→二级RO升压泵→二级RO保安过滤器→二级RO高压泵→二级RO装置→除盐水箱→除盐水泵→主厂房各用水点。其中,二级反渗透回收率达90%，一级反渗透回收率为75%。此系统由二级反渗透取代了常规燃煤机组中的离子交换工艺，减少因树脂频繁失效再生而造成的自用水量，且无酸碱废水排放。

(2)垃圾电厂水、汽系统循环损失一般取锅炉额定蒸发量的5%，高于国家相关规范中关于小型燃烧机组补给水率取2%～3%的规定；锅炉排污损失取3%，启动及事故预留出力10%，与规范中的要求相符[2]。

(3)垃圾电厂无集中式工业废水处理系统。锅炉酸洗由厂家定期上门操作，产生的废水暂存至主厂房内的废水池，由酸洗厂家负责外运及处理。

(4)垃圾电厂无含煤及含油处理设备。

(5)垃圾电厂采用干式脱硫设施，无脱硫废水产生。

(6)垃圾电厂运输垃圾栈桥、垃圾卸料区地面冲洗及垃圾坑渗滤液需要单独设渗滤液处理站对其污水进行处理。

2 垃圾发电厂给排水设计

根据上述垃圾电厂水务管理的特点可知，本垃圾发电厂给排水设计包括补充水泵房及补充水系统、净水系统、循环水系统、厂区生产用水系统、锅炉补给水系统、生活用水系统、厂区生活污水、雨水排水系统、生活污水处理系统、消防水系统和垃圾渗滤液处理系统。该电厂给排水设计具体分析如下。

2.1 取水泵房及补充水系统

本工程最大取水量为1 445 m3/d(60.2 m3/h)，取水泵房设在袁河铁路大桥上游约100 m处，大桥下游约80 m处建有1座抬水溢流坝，可保证本工程取水的可靠性。补充水泵房上部结构平面尺寸直径为6 m，地上高度为7 m，地下深度为5 m，上部为现浇钢筋混凝土框架结构，下部为钢筋混凝土筒形结构。补充水泵房安装3台水泵，泵房内安装2台补充水泵(1运1备)，预留1台水泵位置，水泵规格：Q=72～126 m3/h，H=1.3～1.02 MPa，n=1 480 r/min，N=11 kW。补充水干管采用1条DN200钢管，管道尽可能沿道路敷设至厂区，施工、维护方便，全长约为5.8 km。

2.2 净水系统

厂内设净化站对原水进行混凝沉淀处理，净水站内设1座综合水泵房、配电间、加药间、污泥脱水间联合建筑，1套处理能力为120 m3/h的高密度沉淀装置，1座污泥池，2座总容积为2 500 m3(其中生活水池容积为60 m3，消防用水保证储备量为600 m3)的生产、消防水池，经过高密度沉淀池处理后的净水自流进入生产、消防水池和循环水池，通过生产用水泵加压送至各用水点。保证全厂24 h用水，生产、消防水池和循环水池有两股水源，一股来自净水系统，一股来自市政管网，当取水系统或净水系统发生事故时，靠市政供水。综合水泵房内设置生产用水泵、消火栓水泵、消防炮水泵、消防稳压泵和变频生活给水装置1套。

2.3 循环水系统

循环水系统由循环水池、冷却塔、循环水泵以及相关阀门与管道组成，循环水主要用于冷却凝汽器、冷油器、空冷器等设备，结合项目所在地的特点，循环水冷却倍数取70、冬季取42；汽轮机组冷却需水量如表1所示。

表1 汽轮机组冷却需水量Tab.1 Cooling Water Demand of Steam Turbine Set

由表1可知，冷却倍率按额定工况取m=70，凝汽器及空冷器、油冷器最大冷却水量为2 724 m3/h(65 376 m3/d)，当汽轮机组停动时使用旁路凝汽器，冷却水量为1 748 m3/h。

冷却设备配置2台名义出力为2 000 m3/h的方形逆流式机力通风冷却塔，热季2座塔同时运行，冬季以及只使用旁路凝汽器时采用单塔运行。冷却塔配用玻璃钢轴流风机，单台功率为75 kW。配3台循环水泵，采用露天布置，不设泵房，热季运行2台泵(2运1备)，冬季以及只使用旁路凝汽器时单泵运行。采用单级双吸离心泵，Q=1 400～1 750 m3/h，H=0.21～0.19 MPa，n=980 r/min，配套电机功率N=160 kW。循环水池尺寸B×H=24 m×12 m，有效水深为1.8 m，采用钢筋混凝土结构，设水泵吸水池，每台循环水泵对应1个进水流道，设置平板滤网作除渣装置，滤网尺寸B×H=2 m×2 m。

工业冷却水泵提供风机、空压机、取样器、炉排液压站等其他冷却水设备用水，配置2台工业冷却水泵(1运1备)，水泵规格：Q=100 m3/h，H=0.35 MPa，n=1 450 r/min，配套电机功率N=18.5 kW。工业冷却回水接至循环水池，作为循环水系统的补充水。设置1台出力100 m3/h的重力式无阀过滤器作为循环水系统的旁滤装置。

循环水供水、回水母管管径为DN800，循环水补水来自高密度沉淀池。循环供水系统流程为：循环水泵→供水压力钢管→凝汽器→排水压力钢管(冷却塔上水管)→机力通风冷却塔→循环水池→平板滤网→吸水池→循环水泵。本工程设置1套水质稳定剂装置(采用二箱二泵制，2台泵1用1备)，加药点设在循环水泵吸水池。设置2只碳钢外刷防腐涂料固体杀菌溶药篮，加药点设在循环水泵吸水池。

2.4 厂区生产用水系统

生产用水泵设置在净水站综合泵房内，设置生产用水泵2台(1运1备)，水泵规格：Q=20 m3/h，H=0.37 MPa，N=11 kW。生产用水取自生产、消防水池，为化学车间提供补充水，为渗沥液处理站提供冲洗水，在厂外补充水系统事故停运时为循环水系统临时提供补充水，还用于全厂其他车间冲洗水、垃圾卸料区冲洗水以及其他未预见用水。

2.5 锅炉补给水处理系统

锅炉补给水处理系统布置在主厂房化水车间内，原水由生产用水泵补充，机组补给水量计算如下。a. 正常汽水损失24×2×5%=2.4 t/h；b. 锅炉排污损失24×2×3%=1.44 t/h；c. 启动及事故预留出力24×10%=2.4 t/h。锅炉补给水的正常出力按以上a、b两项之和3.84 t/h考虑，最大出力按a、b、c 这3项之和6.24 t/h考虑。考虑间歇制水，锅炉补给水系统设计出力为9 t/h。

处理工艺流程：生产用水泵来水→汽水混合式换热器→自清洗过滤器→超滤装置→超滤水箱→一级RO升压泵→一级RO保安过滤器→一级RO高压泵→一级RO装置→一级RO水箱→二级RO升压泵→二级RO保安过滤器→二级RO高压泵→二级RO装置→除盐水箱→除盐水泵→主厂房各用水点。超滤浓水、一级反渗透浓水、二级反渗透浓水以及系统反洗废水通过管沟自流至废水坑，废水经过中和处理后，作为出渣机用水。

锅炉排污水主要含有一些Na+、Ca2+、Mg2+等盐类离子，属于清洁下水，但锅炉排污水温较高，需要降温至≤40 ℃才能排放。本工程采用循环冷却排污水作为锅炉排污水降温水，降温后的锅炉排污水自流至雨水系统。

2.6 生活用水系统

电厂生活用水采用独立的供水加压设备和生活水池联合供水，水源来自市政水，设1个生活水池，配2台变频生活水泵(1运1备)，1个100 L气压罐，安装于净水站的综合泵房内，水泵规格：Q=20 m3/h，H=0.45 MPa，N=7.5 kW；全厂生活热水采用生活热水箱与生活热水泵，采用蒸汽加热生活水。厂区内设员工宿舍、食堂、办公室和主厂房等，全厂定员80人，每人综合用水定额为250 L/d，总用水量为20 m3/d，用水量为20 m3/d。

2.7 厂区生活污水、雨水排水系统

厂区排水采用完全分流制，清污分流，分生活污水排水和雨水排水系统。生活污水系统主要收集厂区生产行政办公楼、主厂房、辅助/附属车间建筑，以及厂区食堂排出的生活污水，经化粪池处理后由生活污水管收集至生活污水处理站集中处理。

雨水排水管网系统主要收集建筑屋面及道路汇集的雨水排入附近雨水沟渠。清洁下水如锅炉排污水汇入雨水系统排放。对厂区垃圾车运输易造成污染的道路、运输栈桥、地磅区域的前15 min初期雨水设初期雨水收集池收集，15 min后的雨水可切换溢流排入厂区雨水管排放，初期雨水与生活污水一并进行处理[3]。

2.8 生活污水处理系统

全厂工作人员生活产生的生活污水，按其相应的生活用水定额的90%计，排水量为18 m3/d，经过污水管网进入污水调节池，生活污水通过提升泵进入生活污水一体化设备进行处理，设备处理能力为3 m3/h，本项目采用“预处理+兼氧池+内置式MBR+消毒”处理工艺。设计进水、出水水质如表2所示。

表2 设计进、出水水质Tab.2 Designed Quality of Influent and Effluent

出水水质达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T 18920—2002)城市绿化用水标准，用于厂区浇洒绿地[3]。

2.9 消防水系统

厂区消防系统包括室外消火栓、室内消火栓及垃圾仓消防炮系统。消防用水储存在厂区生产、消防水池中，采用独立的消防给水系统，管网水压由消防稳压泵和气压罐维持。

主厂房外四周设置环状消防给水管网，室内外消防共用，管径为DN200，厂区设置室外地上式消火栓，布置间距不超过80 m，采用阀门分段，当某段损坏检修时，该管段上停止使用的消火栓按不超过5个计。室内设置消防环状给水管网，消火栓的间距不超过30 m，每个室内消防环状管网均设置2条吸水干管从室外消防环网上引水，确保消防用水安全可靠。

在垃圾仓四周设置2台消防水炮，在汽机间、焚烧锅炉间的底层和运转层、除氧间运转层、楼梯间等均设室内消火栓，配置2台消火栓水泵(1运1备)，水泵规格：Q=180 m3/h，H=0.85 MPa，N=75 kW；配置2台消防炮水泵(1运1备)，水泵规格：Q=216 m3/h，H=1.0 MPa，N=90 kW；配置2台消防稳压泵(1运1备)，配1个φ=1 000 mm的气压罐，稳压泵规格：Q=18 m3/h，H=0.9 MPa，N=7.5 kW；配1台电动葫芦，起重量为2 t，消火栓水泵、消防炮水泵和消防稳压装置均设置在综合泵房内。

2.10 垃圾渗滤液系统

渗滤液主要来自主厂房的垃圾池、化水间实验室废水、垃圾卸料区地面冲洗及车辆冲洗等污水，渗滤液统一收集后送往厂区的渗滤液处理站进行统一处理，本工程垃圾渗滤液系统总处理水量按照180 m3/d进行设计。采用“预处理系统(格栅+混凝沉淀+调节池+水解酸化)+UASB+外置式MBR系统(AO+UF)+深度处理膜系统(NF+RO)”工艺，设计进水、出水水质如表3所示。

表3 设计进、出水水质Tab.3 Designed Quality of Influent and Effluent

要求处理后出水水质达到《城市污水再生利用工业用水水质》(GB/T 19923—2005)中敞开式循环冷却水补充水的水质标准(换热器为非铜质)，出水回用作循环水补水，浓缩液一部分回喷焚烧炉焚烧，一部分用于飞灰固化增湿和烟气净化石灰制浆，实现无污水外排；渗沥液处理后的污泥经脱水后制成泥饼，采用污泥车送至垃圾池入炉焚烧[4]。

该渗滤液系统运行成本主要包括药剂费、电费、设备维修与折旧费。a.药耗：药剂包括氯化铁、膜清洗剂、还原剂、阻垢剂、PAM、盐酸等，平均药剂费为3.5元/t。b.电耗：用电量为218.4万kW·h/年，电费单价为0.65元/(kW·h)，平均电费为21.6元/t。c.设备维修费：包括膜更换费、日常维护费及耗材更换费，平均费用为12.1元/t；总计吨水运行费用为37.2元/t(注：本垃圾发电厂用水，均取自天然河水，成本极低，故本次成本分析未把水费计算在内)。

3 水量平衡

该电厂水量平衡如图1所示，水量单位为m3/d。本电厂平均用水量为1 445 m3/d(60.2 m3/h)，年运行时间为8 000 h，年用水量为48.2万m3。

图1 全厂水量平衡图Fig.1 Water Balance Chart of the Plant

由图1可知，全厂用水量最大的是循环水系统，用水量为1 086 m3/d，占全厂的75.16%。控制全厂用水量的关键在于减少循环水系统的补水量，本水量平衡图循环冷却水浓缩倍率K=4.0，循环水系统排水基本无污染，仅含盐量略高，因此，把循环排污水用于锅炉水冷却，节水196 m3/d。

4 工程应用情况

本工程原设计生活污水处理站与渗滤液处理站是单独设置的，但实际运行过程中，生活污水提升至渗滤液处理站的生化池，与渗滤液一并进行处理，出水水质也完全达标。各处理工艺年平均运行情况如表4所示。

表4 渗滤液系统进、出水水质Tab.4 Quality of Influent and Effluent of Leachate System

5 节水成本分析

生活污水处理站出水18 m3/d回用于厂区绿化；渗滤液处理站出水180 m3/d回用作循环水补水，浓缩液一部分回喷焚烧炉焚烧,一部分用于飞灰固化增湿和烟气净化石灰制浆；锅炉补给水处理系统废水62 m3/d通过提升泵送至出渣机，作为出渣机用水；循环排污水196 m3/d作为锅炉排污水冷却水;介质过滤器排污水10 m3/d作为锅炉排污水冷却水。每天重复利用水量为466 m3/d，提高了用水效率，减少了补充水466 m3/d。本垃圾发电厂用水，取自天然河水，吨水费用按0.45元计，以年运行8 000 h计算，每年可节水15.53万m3，节约成本6.99万元。

6 全厂水务管理和节水措施

全厂给水遵循分质供水、阶梯使用、循环使用、提高水的重复利用率的原则，合理利用排水，最大限度减少净水用量，做到“废”尽其用。

(1)设备冷却水全部回用作循环冷却水的补水，一水多用。

(2)渗滤液处理站清液回用作循环水补水，浓缩液一部分回喷焚烧炉焚烧,一部分用于飞灰固化和烟气净化石灰制浆，全部回用。

(3)锅炉补给水处理系统废水通过提升泵送至出渣机，作为出渣机用水。

(4)加强对各用水点的用水量、排水量、水质的监测，按水质、水量要求控制调度全厂用水，在电厂补给水母管及厂内各用水点设流量计，在电厂运行时，将总用水量、总排水量和各车间或各系统的用水量进行连续和阶段性统计，以供电厂对供、排水进行管理和检测，发现问题及时处理。

(5)根据生活污水处理站的情况，每天的排水量超过了设计最高日居民生活用水定额250 L/(人·d)，应加强员工节水意识，不要肆意浪费水资源，有条件的情况下在各宿舍安装水表。

7 结论和建议

(1)该工程实际运行4年多，水务管理运行正常，生活污水提升至渗滤液处理站的生化池，与渗滤液一起进行处理，出水水质稳定达标，全部回用，提高用水效率，减少了补充水量，减少了生活污水处理站运行带来的人员、药剂和电耗等，节约了运行成本。建议新建垃圾发电厂，设计一套生活污水与渗滤液处理系统，适当放宽渗滤液处理站膜系统的处理能力。

(2)在运营过程中，渗沥液处理系统的污泥通过车辆运送，还是会产生一些臭气，建议在新建或改扩建垃圾焚烧发电厂时，离心脱水后的污泥改由螺杆泵进行管道输送，直接输送至垃圾池，减少由于污泥外置，产生的环境问题。

(3)本工程有部分无法被完全重复使用的锅炉排污水排入了雨水管网，随着环境保护和水资源节约要求的不断提高，厂区生产清洁下水零排放是未来发展的方向，为了保证整个电厂生产清洁下水零排放，可把冷却塔排污水和锅炉排污水收集起来，采用膜系统进入深度处理，出水要求达到《城市污水再生利用 工业用水水质》(GB/T 19923—2005)中敞开式循环冷却水补充水的水质标准(换热器为非铜质)，出水回用作循环水补水，浓缩液作为烟气净化和石灰制浆。