北京市某燃气热电厂燃机负荷620 MW。热电厂2014年供热负荷、2015年和2016年计划的供热负荷分别为480 MW、690 MW和690 MW;供热时间为2 880h,即供暖期对外供热循环。水系统采用机力通风冷却塔的二次循环供水系统,补充水源为北京市高碑店污水处理厂深度处理的再生水,备用水源为永定河水。机组循环冷却系统水量和各项损失如表1所示(浓缩倍率暂按3.5倍考虑)。

　　 循环系统补充水和排污水水质如表2所示,补充水和排污水实测水质为2014年9月3次检测结果的平均值。再生水一般执行《再生水用作工业用水水的水质标准》(GB/T 19923-2005)一级A标准^[1],TP限值为0.5 mg/L,TN限值为15 mg/L,并且由于补充水中碱度较高,为防止凝汽器和冷却系统结垢,循环冷却水采取加硫酸、加稳定剂和杀生剂的联合处理方式,加上阻垢剂和缓蚀剂通常含有少量的磷,浓缩倍率按3.5倍考虑,循环冷却水系统浓缩后的排污水TN为45~60 mg/L,TP为1~4mg/L。若对应《北京市水污染物综合排放标准》(DB 11-307-2013),不能达标排放。本工程处理对象为电厂循环冷却水系统的排污水及工业废水,结构形式为全封闭埋地式,占地面积750 m²,设计处理规模465m³/h,将循环水排污水处理达到北京市环保局要求的排放标准外排出厂。废水水质及处理标准见表3,本项目TN、SS、COD、氨氮等执行DB 11-307-2013,TDS按1 500mg/L。

　　 针对电厂循环冷却排污系统出水的特点,需开发具有高效去除有机物、SS、TN、TP等污染物,且耐活性氯、耐盐分和耐高温的电厂排污水深度处理关键技术和集成工艺。目前我国对此方面的研究相对缺乏,工程实践也较少。解决电厂废水氮、磷等污染物浓度高的问题,可以通过脱氮除磷,常用的脱氮技术有A²/O、反硝化滤池、复合生物滤池等工艺,除磷有生物除磷和化学除磷,其中化学除磷可以采用微絮凝过滤除磷,过滤的形式有普通的快滤池、滤布滤池和活性砂滤池等。

　　 复合生物滤池(Combined Biological Filter,CBF)是曝气生物滤池的改良工艺。复合生物滤池与普通活性污泥法相比,具有有机负荷高、占地面积小、投资少、不产生污泥膨胀、出水水质好等优点。而活性滤料滤池有着一次性投资费用较低、运行及维护费用低等优势,在市政及工业废水及废水深度处理工艺中占据着越来越重要的地位。虽然国内外已经将复合生物滤池和活性滤料滤池成功应用于城镇污水的处理,但采用再生水作为循环冷却系统补水时,其排污水中有机物、TN等污染物均被浓缩,不能达标排放。因此目前还没有复合生物滤池和活性滤料滤池应用于电厂循环冷却系统排污水处理的工程应用实例。

　　 本工程主体工艺路线为:进水预处理+复合生物滤池深度反硝化系统+ 混凝+活性滤料过滤系统+消毒(处理工艺流程见图1)。

　　 (1)进水前池。电厂循环冷却系统排污水先经现场隔渣装置隔离杂物后,通过输送管道送至本项目废水处理厂,进入进水前池。内设置隔墙,墙底开过水孔,设置隔墙以防废水中的树叶、纸张等杂物混入后端系统。出水进入CBF,出水管设置电磁流量计监控流量。

　　 (2)复合生物滤池。进水前池出水进入CBF,在生物膜的作用下进行反硝化反应脱氮,为保证反硝化反应的正常进行,在CBF进水端投加乙酸钠作为碳源。CBF出水经混凝反应池加入PAC药剂,出水进入活性滤料滤池。CBF的反洗周期由设定时间控制,反冲水来自清水池,反冲管道设置电磁流量计,监控反冲水流量。反冲排水进入缓冲池暂存,通过排污泵送电厂生活污水处理厂处理。滤池顶部设置补充曝气装置,处理碳源投加过量形成的残存COD,避免影响出水水质。

　　 (3)混合池。混合池用来投加絮凝剂进行化学除磷,深2.3 m。本工程使用PAC(Polyaluminium Chloride,聚氯化铝)作为混凝剂,它是介于AlCl₃和Al(OH)₃之间的一种水溶性无机高分子聚合物,铝离子与正磷酸离子化合,形成难溶的磷酸铝,通过沉淀加以去除。同时还发生化学絮凝作用,即形成的细小非溶解状的固体物互相粘结成较大形状的絮凝体。

　　 (4)活性滤料滤池。活性滤料过滤器是集混凝、澄清、过滤等功能为一体的连续自动清洗的过滤器,无需停机反冲洗,无需提供额外的反冲洗水泵。其基于逆流原理,需处理的水应通过位于设备上部的进水管进入过滤系统,原水应经过布水器被均匀分布,向上逆流通过均质动态流砂滤床时,水中杂质被过滤,经过处理后的干净滤液(清水)由顶部的出水口流出。同时含有处理杂质的滤砂应从设备的锥台底部通过空气提升泵被运送到顶部的清洗器,通过紊流作用使脏颗粒从滤砂中分离出来,在回落的过程中,又通过小股逆流清水对其进行冲洗,冲洗后的洗砂水通过洗砂水出口排出,净砂利用自重返回砂床,开始下一个工作循环。CBF出水经过加药混合反应后进入,通过微絮凝反应、化学除磷、连续砂滤等工艺,截留SS及其他污染物。如果需要维修,空气提升泵应能够非常容易的从过滤器顶部取出。如果异物颗粒堵塞了过滤器,安装气提泵的导向管同抽吸泵连接可以做吸管使用,来吸除异物。

　　 (5)消毒。活性滤料滤池出水经腔体式紫外消毒杀菌后,进入清水池,处理水去向可选择外排或厂内回用。

　　 (6)溢流及排污。系统设置缓冲池及排污管道作为溢流及排污设施。

　　 利用现有埋地式水池,内设隔墙以防废水中的树叶、纸张等杂物混入后端系统,墙底开过水孔。为地下式矩形钢筋混凝土构筑物,容积560 m³,设置超声波液位计1台。在进水前池设置自动取样监测点,采用在线COD、pH、NO₃^--N、TP、浊度检测仪进行测试监测,信号送至自控监控系统。

　　 CBF系统反硝化容积负荷1.5kg NO₃^--N/(m³·d),水力停留时间36min,滤速4.15m/h。设ORP检测仪1套,超声波液位计2套。CBF采用上流式设计,共分为6格,单格尺寸5.0m×4.0m×6.8m(有效水深5.3m),每格可以单独运行。池外设置平台,分为上下两层。下层布置CBF附属管阀及工作泵系统,上层平台作为巡检、维护平台。滤池高度:滤料层高度2.5m,滤料上水面超高1.3m,下部设置0.3m卵石承托层(粒径8~32mm),滤板及下部配水层高1.2m,超高1.5m。滤料设计选用生物活性滤料,粒径3~5 mm,体积300 m³。滤池反冲洗采用气水联合反冲洗方式。设循环泵回流活性砂滤池出水,在需要提高脱氮效率的情况下开启回流,回流比100%。

　　 混合池用来投加混凝剂及除磷剂,尺寸2.5m×2.5m×2.4m。设混凝搅拌器1套,保证絮凝反应充分。

　　 活性滤料滤池设置为独立2组,分设2套闸门,每组设置6套活性砂设备。池顶设格栅板封闭。有效过滤面积62m²,尺寸10.3m×8.6m×6.6m。

　　 活性滤料过滤系统由相应结构的混凝土滤池、底部锥斗、过滤器组件、洗砂器、进水管道、空气提升管、滤液出水管道和洗砂水出水管等组成。内部过滤单元包括进出水管、布水器、洗涤器、淘洗水出水管和空气提升泵套管。过滤器包括原水过滤和滤料清洗两个相对独立又同时进行的运行过程,二者在过滤器内的不同位置完成。滤料为天然石英砂滤料,粒径1.2~2.0mm。

　　 清水池容积560 m³,功能为暂存出水,以及为CBF滤池和活性滤料滤池提供反冲水。设雷达液位计1台,设取样装置,采用在线COD、pH、NO₃^--N、TP、浊度检测仪实时监测出水水质,信号送至自控监控系统。

　　 缓冲池容积560m³,功能为暂存反冲洗出水。

　　 本工程设置投加絮凝剂和外加碳源的投加单元各一套。絮凝剂加药单元设置絮凝剂储罐1台,容积7m³,材质为玻璃陶瓷,配就地显示及远传液位计;絮凝剂计量泵3台,流量160L/h,扬程1.0MPa。外加碳源单元设置碳源储罐2 台,容积各6 m³,各配备1.1kW搅拌器1台和碳源加药计量泵1台。加药装置操作平台含碳源贮存罐操作平台,絮凝剂溶解及计量装置操作平台。

　　 结合电厂循环排污水水质特点和排放标准,形成以复合生物滤池+活性滤料滤池为关键技术的一体化自动控制系统。反冲洗控制和碳源投加控制是保证复合生物滤池正常运行的关键性过程。由在线监测系统将反硝化滤池的进出水参数如NO₃^--N、浊度、COD、流量等反馈给智能控制系统,系统根据滤池模型运算,进而控制进水泵、进水调节阀、碳源投加阀、投药泵、反冲洗风机、反冲洗进气阀、反冲洗水泵、反冲洗进水阀等,实现系统的智能化运行。

　　 除磷药剂投加和反洗控制是活性滤料滤池的智能控制关键。在活性滤料滤池控制方案中,由在线监测系统将活性滤料滤池的进出水参数如浊度、流量、总磷等参数反馈给智能控制系统,根据运算,进而控制除磷药剂投加系统、进水泵、进水调节阀、提砂风量等,实现系统的智能化运行。

　　 一体化自动控制系统的智能控制方案如图2所示。

　　 2015年1月下旬项目开始调试运行,前期主要工作为对生物滤池进行挂膜启动和微生物驯化。为节约时间使工程尽快投入正式运行,采用人工接种方式对生物滤池进行挂膜启动,接种污泥取自某市政污水处理厂的储泥池,然后通过调整运行参数进行微生物驯化,提高处理效率,直至出水达标。

　　 挂膜启动和试运行期TN和COD进出水情况见图3,3月中上旬来水TN平均为70mg/L,超出该工程设计标准(40mg/L),在总氮高负荷运行下,出水总氮逐日降低,从56mg/L降低到31mg/L,总氮去除率从16%提高到53%,说明工程的脱氮效率在逐渐提高。从3 月25 日起,进水总氮开始降低,出水总氮也随之出现显著降低,总氮去除率大幅度提高,从4 月2 日~21 日,在进水总氮为25~44mg/L的情况下,出水总氮均低于10mg/L的排放标准。可认为生物滤池挂膜成功,且完成微生物的驯化工作。

　　 该工程反硝化所需碳源需外部投加,因此进出水COD与TN的去除密切相关,C/N是工艺优化的关键参数。由图3中挂膜驯化后期以及试运行期间的数据,可知TN的去除量和COD的去除量大致呈1∶3的关系,当进水总氮为设计进水40mg/L时,通过投加碳源将进水COD控制在90~100mg/L。当碳源投加过量时,可开启滤池上部的曝气装置,通过好氧生物降解掉多余的COD,以保证出水COD达标。在试运行后期连续20d时间内,进水总氮在30~40mg/L,进水COD调节至60~70mg/L时,出水总氮和COD均达到排放标准。图3的运行数据显示,当来水总氮较高且超过设计水质范围时,出水总氮也会相应升高,且总氮去除率大幅下降,说明运行初期生物滤池耐冲击负荷的能力较弱。但当进水总氮值回落到设计范围内时,出水总氮能在较短时间内再次达标,脱氮效率快速提高。在进水水质超过设计范围的工况下,可通过开启内循环增加在生物滤池的停留时间以去除总氮。

　　 本工程采用PAC作为化学除磷药剂,设计出水总磷0.2mg/L以下,进水总磷受补充水水质及浓缩倍数的影响,在0~2mg/L波动。本工程使用的PAC有效成分Al₂O₃含量为28%,配成10%溶液使用。反应式如下:

　　 理论上,去除1mol(31g)磷需要1mol(27g)铝,但室外排水规范^[2]中,化学除磷采用铁盐或铝盐做混凝剂时,明确规定其投加混凝剂与废水中总磷的摩尔比宜为1.5~3,即去除1mg磷需投加1.3~2.6mg的铝,换算成PAC药品为8.8~17.6 mg。受药品质量、水质情况和环境因素的的影响,应通过小试确定最佳投药量。为确定PAC的投加量,采用工程CBF池实际出水和10%的PAC溶液在实验室进行了最佳投药量对比试验。试验结果如图4所示,结果表明当进水总磷为1.84mg/L,PAC投加量为45mg/L(以有效成分氧化铝计)时,出水总磷在0.2mg/L以下,换算可知去除1mg磷需要14mg铝。当进水总磷在2mg/L左右时,PAC最佳投加量为50mg/L(以有效氧化铝计)。应根据进水总磷即使调整PAC加药量,保证出水总磷达标,同时避免药品浪费。本工程通过自动控制系统实现根据水质变化调整加药量。从图5的运行数据可见,通过控制PAC加药量,出水总磷稳定低于0.2mg/L。

　　 (1)本工程采用地埋式复合生物滤池+活性滤料滤池工艺,处理电厂循环冷却系统排污水,占地面积750m²。根据《给水排水设计手册》中日处理量与占地面积的关系,1~5万m³/d处理量,对应1.2~0.85m³/m²的单位用水占地,对于10 000m³/d的废水处理厂,大约需要10 000m²,因此本工程大幅节省了用地面积,运行方便。

　　 (2)本工程反硝化脱氮所需碳源为外部投加,经运行调试,发现进出水TN和COD的去除量大致呈3∶1的关系,为保证出水TN和COD达标,应控制好碳源投加量,保证反硝化碳源充足,且要避免出水COD超标。经一个月试运行,本工程出水总氮稳定在10mg/L以下,总氮去除率稳定在70%以上。

　　 (3)本工程采用聚氯化铝(PAC)作为化学除磷药剂,通过PAC投加量试验,确定了当进水总磷为2mg/L时,PAC最佳投药量为50mg/L(以有效成分氧化铝计),通过自动控制系统,根据进水水质及时调节加药量,实现出水总磷稳定达标。

　　 (4)示范工程采用一体化自动控制系统,反冲洗控制和药剂投加控制是保证工艺正常运行的关键。由在线监测系统将反硝化滤池的进出水参数如TN、COD、流量等反馈给智能控制系统,系统根据滤池模型运算,进而控制进水泵、进水调节阀、碳源投加阀、投药泵、反冲洗风机、反冲洗进气阀、反冲洗水泵等,实现系统的智能化运行。解决了复合生物滤池和活性滤料滤池控制系统与电厂控制系统的兼容等问题,最终实现废水处理系统与火电厂其他系统统一控制,实现高度自动化和智能化,无人值守。