北京市水资源严重匮乏,目前年均水资源量仅有21亿m³,2015年用水量为36亿m³,其中南水北调调入水量9亿m³。2015年再生水利用量达9.5亿m³,占北京市总用水量的26.4%,再生水已经成为北京市重要的“水源”之一。再生水的利用是开源节流、改善生态环境、解决城市缺水的有效途径之一,促进了环境效益和经济效益的双赢^[1]。

　　 调研了北京城区及周边的全部燃气热电厂,共计10家,其中朝阳区4家,丰台区2家,大兴区1家,石景山区2家,昌平区1家。10家燃气热电厂循环冷却系统补充水全部采用市政再生水。

　　 北京城区及周边的10家燃气热电厂,再生水用量见图1。由图1可知,再生水用量最大的单个燃气热电厂达到728.0万m³/年,10家厂总再生水用量达到了3 114.4万m³/年,占北京市2015年再生水利用量9.5亿m³的3.28%。

　　 北京城区及周边的10家燃气热电厂的循环冷却水系统的排污水量及浓缩倍数见图2。

　　 由图2可知,10家厂中,循环水冷却水系统排污水量最大的达到了245.3万m³/年。总的循环排污水量达到了1 041.4万m³/年。各燃气热电厂循环冷却水系统的浓缩倍数在2.6~4.0,平均浓缩倍数为3.0。

　　 燃气热电厂中除B、C和F厂,采用的再生水均为北京高碑店污水处理厂深度处理出水,其水质见表1。由表1可知,水质符合《循环冷却水用再生水水质标准》(HG/T 3923-2007),同时TN和TP指标也不高,但考虑到循环冷却水系统的浓缩倍数为3~4,并且系统中会投加一些含磷的阻垢剂和缓蚀剂,因此其排污水的N、P将大幅度提升。

　　 10家燃气热电厂的循环冷却水系统的排污水水质见表2。由表2可知,各厂的排污水TDS在760~2 826 mg/L,除B厂外均大于1 000 mg/L。回用作循环冷却系统的新鲜水,均需考虑脱盐处理(B厂只需软化处理)。排污水COD为12~44mg/L,TN为11~40 mg/L,TP为0.9~3.4 mg/L,均不符合北京市《水污染物综合排放标准》(DB 11/307-2013)A类的限值,不能直接排放。

　　 10家燃气热电厂中,除D厂和H厂的排污水经处理后排入地表水体,其他厂未经处理直接排入市政管网。D厂经混凝沉淀和过滤后排入地表水,但结合表2可知,排放水未达到北京市《水污染物综合排放标准》(DB 11/307-2013)A类的限值。H厂经复合生物滤池和混凝过滤,去除COD并进行脱氮除磷后排入地表景观水。

　　 城市污水处理厂二级处理出水经深度处理后,通常可作为城市再生水。城市污水处理厂二级处理出水不同于地表水和地下水,含有较高浓度的氨氮、有机物、SS、Cl^-、SO₄^2-、硬度和碱度等。这些污染物容易导致循环冷却系统中换热器的腐蚀,或者微生物的增殖导致系统管道堵塞等^[2~5]。因此用作电厂循环冷却系统补充水的再生水需要进行相应的深度处理。

　　 再生水回用至电厂循环冷却水系统可能导致的问题及推荐处理工艺见表3。

　　 去除污水处理厂二级出水中的有机物、氨氮、P和SS等污染物,通常采用MBR、臭氧氧化、生物滤池和混凝过滤等工艺。北京高碑店污水处理厂100万m³/d再生水处理工程,采用的工艺为:反硝化生物滤池+膜(超滤)过滤+臭氧接触池+紫外线消毒,水质符合HG/T 3923-2007,供应给北京城区的燃气热电厂及其他企业,并作为北京市地表景观水的补充水^[1]。

　　 去除污水处理厂二级出水中的无机盐,可采用膜法脱盐工艺。北京某开发区污水处理厂再生水处理采用微滤+反渗透工艺,规模4万m³/d,进水COD平均浓度为36.3mg/L,NH₃-N平均浓度为2.83mg/L,TP平均浓度为1.15 mg/L^[6]。出水TDS平均浓度为30.8 mg/L,COD平均浓度0.45mg/L,NH₃-N低于检测限(0.2 mg/L),TP低于检测限(0.01 mg/L)。可见膜法脱盐工艺,不仅可以去除无机盐,还能去除有机物、N、P。该再生水部分用于开发区热电厂循环冷却水补水,同时满足开发区其他企业的再生水需求。

　　 采用城市再生水作为循环冷却系统补充水的循环排污水,比采用地表水或地下水作为补充水的系统排污成分更复杂,其排污水水质具有含盐量高,碱度硬度高,并含有有机物、N、P等污染物的特点。根据排污水的去向,需要采用不同的处理对策。通常的去向有:①排入城市管网;②处理后作为循环冷却水系统的补充水;③处理后达标排放或作为景观水。排入城市管网只需简单预处理,另外两种去向需要进行相应的深度处理。

　　 根据城市再生水作为循环冷却系统水补充水的循环排污水的水质特性,排污水回用作为补充水时,需要考虑工艺的成熟可靠性、先进性,并兼顾经济性。

　　 10家燃气热电厂的循环冷却水系统的排污水硬度为890~1 750mg/L,碱度为262~621mg/L,硬度和碱度较高,需要根据每一个厂的排污水特征,考虑相应的除硬度除碱度措施。例如,I厂循环冷却排污水,硬度为1 302 mg/L,碱度为621 mg/L,属于高碱高硬污水,建议采用石灰软化处理;J厂循环冷却排污水,硬度为1 750 mg/L,碱度为262mg/L,属于低碱高硬污水,建议采用碳酸钠软化。石灰软化不仅可以降低硬度和碱度,还起到混凝沉淀的作用,可同时去除排污水中的有机物和磷^[7]。混凝沉淀出水需要进一步过滤降低SS,可采用多介质过滤器(石英砂、无烟煤等)、纤维球过滤器、盘式过滤器、超滤等。

　　 10家燃气热电厂的循环冷却水系统的排污水TDS为760~2 826mg/L,根据循环排污水含盐量,应考虑脱盐处理工艺。目前,用于脱盐的工艺主要有:反渗透、电渗析、电吸附和离子交换等^[8~11]。脱盐工艺根据不同项目的排污水水质,比选确定。若采用反渗透工艺,其前处理一般包括超滤。脱盐工艺的出水可以改善循环冷却水水质,也可用于机组及热网系统正常补水。脱盐工艺的浓水,需经进一步处理后排放,或简单处理后排入市政管网。

　　 例如北京京能电力股份有限公司石景山热电厂采用市政再生水作为循环冷却水系统的补充水,其循环冷却排污水经处理后回用^[12]。循环水浓缩倍数为3.5,循环排污水的主要水质指标:COD为22~35mg/L,TDS为1 000~1 800mg/L,浊度为10~30 NTU。排污水回用处理规模:7 200m³/d,工艺:循环排污水→机械加速澄清池→多介质过滤器→叠片过滤器→超滤单元→反渗透单元→产水箱。项目投产后,发电综合水耗下降0.47m³/(MW·h)。

　　 采用城镇污水再生水作为循环冷却系统的补充水是大势所趋^[13]。再生水一般执行一级A标准,仍含有一定浓度的COD、NH₃-N、TN、TP等污染物,循环冷却水的浓缩倍数一般为3~4,加上系统投加的阻垢剂和缓蚀剂通常含有一定量的磷。本文中的表2,调研的排污水COD为12~44mg/L,TN为11~40mg/L,TP为0.9~3.4mg/L,已经不再属于传统意义上的“清净下水”,不能直接排放,且各污染物含量均远高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A的限值。另外排污水的另一大特点是高氮低碳,调研的10家燃气热电厂循环排污水,C/N为0.94~1.52,不符合反硝化C/N为3~4的要求,再生水中本身包含的有机物属于较难生物降解的物质,无法作为反硝化脱氮的碳源,脱氮时均需要额外投加碳源。因此,以城市再生水为原水的电厂循环系统排污水,存在高温、高盐、高氮低碳、含余氯和阻垢缓蚀剂等特性。针对其水质特点,适用于循环排污水深度处理的工艺应具有高效去除有机物、SS、TN、TP等污染物,耐活性氯、盐分和高温的功能。目前我国对这方面的研究相对缺乏,工程实践也较少。因此,排水需要通过脱氮除磷处理后才能够达标排放。

　　 常用的脱氮技术有A_NO、反硝化滤池、复合生物滤池等工艺,除磷工艺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。同时脱氮除磷的工艺有A²/O、UCT、SBR和氧化沟等工艺。

　　 其中,北京西燃气热电有限公司采用复合生物滤池+活性砂滤池进行脱氮除磷,工程设计规模10 000m³/d。复合生物滤池的水流为下进上出,下部为缺氧反硝化区,以乙酸钠作为碳源,进行反硝化;上部为好氧区,去除多余的乙酸钠和其他有机物。通过复合生物滤池实现了反硝化和去除有机物的目的。复合生物滤池出水投加PAC,经微絮凝过滤,进一步去除P和SS,过滤装置为活性砂滤池。出水符合北京市《水污染物综合排放标准》(DB 11/307-2013)A类的限值,实现达标排放,处理成本仅为0.783元/m³。

　　 (1)调研了北京市城区及周边的10家燃气热电厂的循环冷却水现状,包括再生水用量及水质、循环排污水用量及水质、循环排污水去向及处理工艺。10家厂总的再生水用量达到了3 114.4万m³/年,占北京市2015年再生水利用量的3.28%。排污水COD为12~44 mg/L,TN为11~40 mg/L,TP为0.9~3.4mg/L,均不符合北京市《水污染物综合排放标准》(DB 11/307-2013)A类限值,不能直接排放。

　　 (2)城市污水处理厂二级处理出水,含有较高浓度的氨氮、有机物、SS、Cl^-、SO₄^2-、硬度和碱度等。回用于电厂循环冷却水系统补充水时,可采用MBR、臭氧氧化、生物滤池、混凝过滤、膜法脱盐等工艺进行处理,以确保系统的正常运行。

　　 (3)电厂循环冷却水系统排污水的N、P等污染物浓度较高,远高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A的限值,看作“清净下水”是不合适的。排污水回用处理可考虑相应的脱盐工艺,若达标排放则需要考虑相应的脱氮除磷深度处理工艺。