某焚燒廠水處理工藝設(shè)計研究

馮成杰，閆鎮(zhèn)梟，劉孟博

(維爾利環(huán)?？萍技瘓F股份有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快和經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，垃圾焚燒處理的無害化、減量化、資源化效果顯著[1]。隨著環(huán)境保護加大力度、生態(tài)文明建設(shè)深入發(fā)展以及《中華人民共和國環(huán)境保護法》《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”)的頒布，水資源高效回收利用及污染防治被提到了新的高度[2]。廢水處理工藝的設(shè)計與研究已從簡單的限制、處理轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚?、回用，以滿足新時代對污染的治理要求[3]。此外，伴隨著不斷增強的公眾污染防范意識，使得垃圾焚燒發(fā)電廠選擇的建設(shè)地址距離市區(qū)越來越遠，其缺少市政設(shè)施、取水排水困難。

垃圾焚燒廠各系統(tǒng)用水對水質(zhì)的要求區(qū)別較大，若能在廠內(nèi)分類處理、分級使用，消耗內(nèi)部的廢排水，既能達到廢水的高效回收利用，又能節(jié)約用水量，可獲得“環(huán)境、社會、經(jīng)濟”多重效益[4]。廢水的資源化利用常采用生化處理、超濾和反滲透等方式，在達到城鎮(zhèn)污水排放水質(zhì)標準的同時，還可高效去除鹽類物質(zhì)，真正實現(xiàn)水資源的高效利用，減輕水源供給壓力[5]。據(jù)此，本文針對某焚燒廠水處理要求進行了工藝設(shè)計及分析，以期對該行業(yè)的廢水處理提供一定的指導(dǎo)。

1 項目概況

某焚燒廠為全面提升整體營運效能、妥善處理垃圾以及提升廢棄物處理品質(zhì)、并長期解決垃圾處理問題，引進了先進的焚化及污水處理技術(shù)與設(shè)備。為達成焚化減量、節(jié)能減碳、污染減排等多重目標，由維爾利環(huán)保科技集團對純水處理和污水處理項目進行工藝設(shè)計等相關(guān)工作，純水處理設(shè)計產(chǎn)水規(guī)模為152 m3/d；污水處理包括無機和有機廢水處理，無機廢水設(shè)計處理規(guī)模為130 m3/d，有機廢水設(shè)計處理規(guī)模為70 m3/d。

1.1 純水處理

純水處理所用原水來源于焚燒廠所在市區(qū)的自來水，純水處理規(guī)模按240 m3/d 進行設(shè)計，設(shè)計條件下的產(chǎn)水能力為152 m3/d，出水水質(zhì)要求達到廠內(nèi)軟化水水質(zhì)要求，其水質(zhì)情況如表1 所示。

表1 純水處理水質(zhì)數(shù)據(jù)

除表1 中要求外，純水處理進水水質(zhì)濁度為0.25(0.25～2)NTU；出水水質(zhì)中油的含量為不得檢出。根據(jù)進水水質(zhì)數(shù)據(jù)，總硬度范圍為139～300 mg/L，且各項數(shù)據(jù)變化浮動較大，為滿足廠內(nèi)軟化水水質(zhì)要求，出水水質(zhì)的總硬度＜0.01 mg/L，因此純水處理過程中需設(shè)計軟化除硬環(huán)節(jié)。

1.2 污水處理

污水處理主要包括無機廢水和有機廢水處理。無機廢水處理系統(tǒng)的最大流量應(yīng)為90 m3/d，應(yīng)廠家要求按130 m3/d 進行設(shè)計；有機廢水處理系統(tǒng)的最大流量應(yīng)為53 m3/d，應(yīng)廠家要求按70 m3/d 進行設(shè)計。

無機廢水主要來源為鍋爐排污系統(tǒng)(28 m3/d)、純水系統(tǒng)(43 m3/d)、實驗室廢水(1 m3/d)、暖通空調(diào)系統(tǒng)(11 m3/d)以及廠內(nèi)其他廢水來源(7 m3/d)；有機廢水主要來源為員工生活污水(12 m3/d)、垃圾傾倒閘門清洗廢水(20 m3/d)、車輛清洗廢水(21 m3/d)。

如表2 所示，根據(jù)水質(zhì)數(shù)據(jù)，無機廢水中含有大量重金屬。由于重金屬的毒性及其生物放大效應(yīng)，廢水處理過程中排水管道中沉積的重金屬會威脅人體健康安全，是受到廣泛關(guān)注的涉及致畸、致癌等有害影響的健康問題[6]。因此，在無機廢水處理過程中，應(yīng)設(shè)計優(yōu)先去除廢水中的重金屬，防止其影響后續(xù)的處理工藝。有機廢水具有較好的可生化性(B/C＞0.3)，可進行生化處理。

表2 污水處理水質(zhì)數(shù)據(jù)

2 工藝設(shè)計

2.1 純水處理工藝設(shè)計

針對工業(yè)用水，常見的除硬技術(shù)包括藥劑軟化法、膜處理法、離子交換法、電化學法等。

藥劑軟化法是運用化學沉淀法原理，即難溶鹽類在水中的溶度積原理，使水中物質(zhì)離子轉(zhuǎn)化為難溶性化合物而被除去[7]。但該方法設(shè)備占地面積大，且若藥劑反應(yīng)不充分，會導(dǎo)致產(chǎn)生的礬花沉降性能差，并且污泥產(chǎn)量大[8]。

膜分離技術(shù)是以壓力、電壓等為推動力，依靠膜的選擇性進行分離、純化與濃縮的技術(shù)，其中用于軟化水質(zhì)的膜處理技術(shù)主要是納濾和電滲析技術(shù)[9]。電滲析是以電位差為動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，實現(xiàn)其濃縮、淡化、精制和提純。

為滿足廠內(nèi)軟化水水質(zhì)要求(總硬度＜0.01 mg/L)，設(shè)計采用“活性炭過濾器+超濾+反滲透+EDI”工藝，其高質(zhì)量產(chǎn)水可進行較大程度的回用，具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 純水處理工藝流程圖

原水首先進入給水儲箱，將原水均質(zhì)均量后進入活性炭過濾器中以去除SS、膠體、余氯等?；钚蕴窟^濾器沖洗水取自濾后水箱，沖洗后廢水至現(xiàn)場指定外排點。濾后水箱中的水泵送至超濾裝置處理，以去除原水中幾乎所有的細菌、微生物、病毒、大腸桿菌以及一些大分子的有機物和水中所有不溶解性的膠體等，使處理出水濁度≤0.5 NTU、SDI ≤3，延長后續(xù)反滲透膜元件的使用壽命，并且保證穩(wěn)定的產(chǎn)水量和脫鹽率。超濾反沖洗水取自超濾產(chǎn)水箱，沖洗后廢水至現(xiàn)場指定外排點。

超濾產(chǎn)水泵送至反滲透裝置處理，該系統(tǒng)包含兩級反滲透單元，即一級反滲透的產(chǎn)水再經(jīng)二級反滲透處理，以得到更高品質(zhì)的產(chǎn)水，設(shè)計整體回收率約70%(含EDI 裝置濃水及二級反滲透濃水回流)，二級反滲透的產(chǎn)水至中間水箱，一級反滲透的濃水至指定外排點，二級反滲透濃水回流至超濾產(chǎn)水箱。

為進一步提高產(chǎn)水水質(zhì)，反滲透產(chǎn)水泵送至EDI裝置，設(shè)計回收率90%，產(chǎn)水至EDI 產(chǎn)水箱，濃水回流至一級反滲透產(chǎn)水箱。該系統(tǒng)設(shè)計總進水量為240 m3/d，產(chǎn)水量≥152 m3/d。純水處理各工藝段水質(zhì)情況如表3 所示。

表3 純水處理各工藝段水質(zhì)

2.2 污水處理工藝設(shè)計

無機廢水處理應(yīng)優(yōu)先設(shè)計去除廢水中的重金屬，含有重金屬廢水的處理方法有氧化還原法、化學沉淀法、電化學法、離子交換法、吸附法等[10]。在本次工藝設(shè)計中，基于化學沉淀法使用一體化沉淀裝置去除無機廢水中的重金屬。無機廢水進行預(yù)處理后與有機廢水混勻一同進行生化處理，具體工藝流程如圖2 所示。產(chǎn)水水質(zhì)滿足廠內(nèi)節(jié)水用水要求與當?shù)貜U水處理后水質(zhì)保證。

圖2 污水處理工藝流程圖

無機廢水先進入一體化沉淀裝置，對水中懸浮物和金屬離子等污染物進行去除；有機廢水與無機廢水一體化沉淀裝置出水一同進入生物進水均質(zhì)池進行水質(zhì)與水量的均化，然后輸送至生物接觸氧化池，生物接觸氧化池出水至二次沉淀池，二次沉淀池出水溢流至中間水池，生化出水繼續(xù)經(jīng)多介質(zhì)過濾裝置處理，濾后出水至濾后水池，為保障出水COD 達標，預(yù)留深度處理位置，投加次氯酸鈉后至回用水池。污水處理各工藝段水質(zhì)情況如表4 所示。

表4 污水處理各工藝段水質(zhì)

3 各工藝段設(shè)計

3.1 純水處理的預(yù)處理

純水處理設(shè)置1 座給水水箱，將原水進行均值均量，有效容積為10 m3，水力停留時間為1 h。配置過濾器給水泵3 臺，流量(Q)=5 m3/h，揚程(H)=20 m，功率(Pn)=1.1 kW，2 用1 備。

活性炭過濾器既有上層特效過濾又有下層高效吸附等功能，大大提高產(chǎn)水凈化程度，可有效保證后級設(shè)備的使用壽命。純水處理設(shè)置2 臺活性炭過濾器，單臺處理規(guī)模為5 m3/h，設(shè)計最大濾速為10 m/h，水洗強度為10 L/(m2·s)。配置濾后水箱，有效容積為10 m3，停留時間為1 h。

3.2 超濾及反滲透系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計超濾系統(tǒng)兩套，總處理規(guī)模為232.8 m3/d，平均通量約為50 L/(m2·h)，單套凈產(chǎn)水量約為4.5 m3/h，系統(tǒng)的回收率可達90%，每套系統(tǒng)的膜元件有4 個，超濾系統(tǒng)配置超濾給水泵3 臺，Q=5 m3/h，H=45 m，Pn=1.1 kW，2 用1 備；自清洗過濾器規(guī)格Q=5 m3/h，過濾精度150 μm，配套濾芯；超濾產(chǎn)水箱有效容積為10 m3，停留時間為1 h。

設(shè)計一級反滲透兩套，單套產(chǎn)水量為91 m3/d，膜通量約為18 L/(m2·h)，單套膜元件數(shù)為30 支，設(shè)計為一級兩段直流式，增大其處理能力和提高清液回收率，一級反滲透系統(tǒng)回收率可達75%。配置反滲透給水泵3 臺，Q=6 m3/h，H=25 m，Pn=0.75 kW，2 用1 備；一級反滲透高壓泵3 臺，Q=6 m3/h，H=150 m，Pn=4 kW，變頻；保安過濾器規(guī)格Q=6 m3/h；一級反滲透產(chǎn)水箱有效容積為10 m3，停留時間為1 h。

設(shè)計二級反滲透兩套，單套產(chǎn)水量為84.5 m3/d，膜通量約為25 L/(m2·h)，為提高回收率，設(shè)計為一級兩段，系統(tǒng)回收率可達85%，單套膜元件數(shù)為18 支。配置二級反滲透給水泵3 臺，Q=4 m3/h，H=45 m，Pn=1.1 kW，2 用1 備；高壓泵3 臺，Q=4 m3/h，H=150 m，Pn=4 kW，變頻；保安過濾器規(guī)格Q=4 m3/h，二級反滲透產(chǎn)水箱有效容積為10 m3，停留時間為1 h。

3.3 EDI 系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計EDI 脫鹽系統(tǒng)2 套，每套采用2 組E-CELL-3 元件，并配置EDI 電源2 套，單個電源模塊功率300 W，2 個模塊功率合計600 W，EDI 回收率在90% 以上；保安過濾器規(guī)格Q=4 m3/h，配套濾芯，過濾精度2～5 μm；EDI 產(chǎn)水箱有效容積為10 m3，停留時間為1 h。

3.4 污水處理的預(yù)處理

無機廢水均質(zhì)池有效容積為130 m3，停留時間為1 d，配置一體化裝置給水泵2 臺，Q=6 m3/h，H=20 m，Pn＝1.5 kW，1 用1 備；有機廢水均質(zhì)池有效容積為70 m3，停留時間為1 d，配置生化進水均質(zhì)池給水泵2 臺，Q=3 m3/h，H=20 m，Pn＝1.5 kW，1 用1 備。均配置微孔曝氣盤，通氣量1.5 m3/h。

在本次工藝設(shè)計中，基于化學沉淀法使用一體化沉淀裝置去除無機廢水中的重金屬。一體化沉淀裝置處理規(guī)模130 m3/d，pH 調(diào)節(jié)池容積為3 m3，停留時間為30 min；混凝池容積為1.8 m3，停留時間為20 min；絮凝池容積為3 m3，停留時間為30 min；沉淀池容積為11 m3，停留時間為120 min；中和池容積為3 m3，停留時間為30 min。配置相應(yīng)攪拌機，配置污泥排放泵2 臺，Q=200 L/h，H=30 m，Pn=1.5 kW，1 用1 備。

3.5 污水處理系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)置生化進水均質(zhì)池，可以將各股廢水充分均勻混合，有效容積為35 m3，停留時間為4 h，配置攪拌機。

生物接觸氧化池總處理規(guī)模為200 m3/d，設(shè)計填料容積負荷為0.5 kg BOD5/(m3·d)，設(shè)計填料填充率為80%，水力停留時間約為16 h，有效容積約為135 m3。二沉池設(shè)計表面負荷為1～1.5 m3/(m2·h)，沉淀時間大于3 h。配置刮泥機，配置污泥回流泵2 臺，Q=8 m3/h，H=12 m，Pn=1.1 kW，1 用1 備。

多介質(zhì)過濾器1 臺，單臺處理量8.6 m3/h，設(shè)計濾速小于10 m/h，水洗強度為10 L/(m2·s)，過濾周期為24 h。配置多介質(zhì)過濾器給水泵2 臺，Q=10 m3/h，H=30 m，Pn=2.2 kW，1 用1 備。濾后水池有效容積為35 m3，停留時間為4 h，配置反沖洗水泵2 臺，Q=25 m3/h，H=30 m，Pn=3.7 kW，1 用1 備。為保障出水COD 達標，預(yù)留深度處理位置，投加次氯酸鈉后至回用水池。

4 運行成本分析

4.1 純水處理運行成本

純水處理規(guī)模為240 m3/d，直接運行費用包括藥劑費、電費和壓縮空氣費等，如表5 所示。

表5 純水處理運行成本

通過對純水處理運行成本估算，綜合藥劑費用為0.87 元/m3，消耗電量費用為1.50 元/m3，壓縮空氣費為0.01 元/m3，人工費用為2.70 元/m3。綜上，直接運行費用約為5.08 元/m3，不含設(shè)備維修費及污泥處置費。

4.2 污水處理運行成本

無機廢水處理規(guī)模為130 m3/d，有機廢水處理規(guī)模為70 m3/d，總處理規(guī)模為200 m3/d，其運行費用包括藥劑費、電費和壓縮空氣費等，如表6 所示。

表6 污水處理運行成本

通過對污水處理運行成本的估算，綜合藥劑費用為0.43 元/m3，消耗電費費用為1.94 元/m3，壓縮空氣費用為0.01 元/m3，人工費用約為3.60 元/m3。綜上，污水處理直接運行費用為5.98 元/m3，不含設(shè)備維修費及污泥處置費。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)某垃圾焚燒廠所提供的水質(zhì)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場情況，工藝分為純水處理和污水處理，純水處理使用“活性炭過濾器+超濾+反滲透+EDI”工藝，經(jīng)處理后高質(zhì)量的產(chǎn)水能夠作為生產(chǎn)用水進行回用；污水處理中使用一體化沉淀裝置對無機廢水進行預(yù)處理，去除廢水中的重金屬，防止重金屬對后續(xù)處理造成。影響，經(jīng)預(yù)處理后與有機廢水混勻一同進行生化處理。使用“生化處理+多介質(zhì)過濾器”工藝，產(chǎn)水水質(zhì)滿足廠內(nèi)節(jié)水用水要求。

(2)該焚燒廠進行水處理的綜合直接運行成本為11.06 元/m3，其中純水處理費用為5.08 元/m3，污水處理費用為5.98 元/m3。

綜上，結(jié)合廠內(nèi)各環(huán)節(jié)水量和標準等情況，應(yīng)采取科學、有效的措施處理廢水，設(shè)計合理的工藝流程。對于該行業(yè)水處理，使用組合工藝處理效果好，投資和運行成本較低，達到廠內(nèi)節(jié)水用水要求的同時，還可高效去除鹽類物質(zhì)，減輕水源供給壓力，實現(xiàn)了廢水處理低耗能的資源化利用。