深度脱氮技术在电厂中水回用中的应用
［摘要］介绍了浙能长兴电厂3万t/d 城市中水综合利用工程的项目背景、可行性分析过程及处理工艺，结合系统的实际运行情况分析了项目的效益、处理效果。实践表明，采用曝气生物流化池（ABFT）工艺处理含低浓度氨氮的城市中水，脱氮效果良好，同时可去除部分COD。城市中水经深度脱氮处理后回用作电厂循环冷却水补水是可行的。
［关键词］城市中水；深度脱氮；曝气生物流化池；循环冷却水
［中图分类号］X703.1 ［文献标识码］B ［文章编号］1005-829X（2011）03-0081-04
Application of advanced denitrogenation technology of urban recycled water in power plants
Zhou Haibin，Zhang Dongming，Chang Yan
Abstract：The background，feasibility analysis process and treatment technology of the 30 000 t/d multi-purpose project of urban recycled water at Zheneng Changxing Power Plant are introduced. Based on the actual running situation of the system，the project benefit and treatment effect are analyzed. The practice shows that the aeration biological fluidized tank （ABFT ） technology is suitable for the advanced treatment of urban recycled water containing low NH3-N and part of COD can be removed. It is feasible that the urban recycled water can be reused as circulating cooling water，after it has been subjected to the advanced denitrogenation treatment.
Key words：urban recycled water；advanced denitrification；aeration biological fluidized tank；circulating cooling water
随着经济的快速发展，水资源需求不断扩大、水环境污染日益加重的双重矛盾已成为制约国家经济和社会发展的重要因素之一。以太湖流域为例，近2 年水资源供需缺口已达1.39×1010 m3〔1〕。我国电力装机结构以火力发电为主，火力发电的工业用水量占全国工业用水总量的40%左右。此外，为应对全球气候变暖而采取的CO2 捕集与封存技术（CCS）将大幅增加火电厂的耗水量。据美国国家能源技术实验室（NETL）2008 年9 月发布的《未来热电厂淡水需求估计》报道，CCS 将导致火力发电厂的耗水量在现有的基础上增加40%。可以预见，水资源问题将会成为制约火力发电行业持续发展的主要瓶颈之一。
尽管火力发电厂用水量巨大，但几乎占全厂用水量97%以上的循环冷却水对水质的要求并不高〔2〕。中水（也称再生水、回用水）经进一步处理后，一般均可满足电厂循环冷却水用水要求。城市中水（此处指城市污水处理厂二级排放水）回用作循环冷却水补水，不仅可降低对水环境的污染负荷，实现污水资源化利用，而且可以为电厂提供一个水质稳定、水量充足的水源。笔者结合长兴电厂城市中水综合利用工程（以下称长电中水回用工程）的研究与实践，对城市中水经深度脱氮后回用作电厂循环冷却水补水进行了技术分析、效益分析和工程实践分析。
1 项目概况
长兴电厂位于浙江省北部，装机容量为4×300 MW，采用敞开式循环冷却水系统，年平均取水量1.67×107 m3（2006—2008 年），取水水源为陆汇港（属太湖水系）。
近年来，陆汇港水污染日益严重。水源地的水质监测数据表明， 2003—2006 年，各种盐离子浓度明显增大，其中2004—2006 年，含盐量上升了近300%。为解决长期困扰电厂的用水安全问题，开辟一个稳定而可靠的新水源，经过技术分析、论证及中间试验，确定采用经深度脱氮处理后的城市中水作为循环冷却水补水。
长电中水回用工程于2009 年7 月30 日投入运行，总投资1 836 万元，设计处理水量3 万t/d，采用曝气生物流化池（Aeration Biological FluidizedTank，ABFT）工艺对城市中水深度处理后作为电厂二期（3#、4# 机组）循环冷却水补水，深度处理后的城市中水主要水质指标：NH3-N＜1 mg/L，CODCr≤20mg/L，BOD5≤5 mg/L。
2 可行性分析
2.1 水质分析
长兴污水处理厂一期工程日处理污水量3 万t，处理工艺采用A/A/O 生物处理法（脱氮除磷工艺），出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B 排放标准。根据2005—2007 年的在线监测数据，长兴污水处理厂处理出水的CODCr 为30.76 ~53.20 mg/L，NH3 -N 为5.01~11.87 mg/L，BOD5 为13.25~20.00 mg/L。
长兴电厂凝汽器管材质为HSn70-1B 铜合金（3#、4# 机组），根据《城市污水再生利用工业用水水质》（GB/T 19923—2005）和《火力发电厂凝汽器管选材导则》（DL/T 712—2000），再生水（即中水）作为敞开式循环冷却水系统补水时，NH3-N 须＜1 mg/L。根据《工业循环冷却水处理设计规范》（GB 50050—2007）的规定，再生水直接作为间冷开式系统补水时，CODCr≤30 mg/L、BOD5≤5 mg/L，同时结合西安热工所对中水用作循环冷却水系统补水时可能引起的腐蚀、结垢等问题的试验结果，确定CODCr≤20 mg/L。
经对比可知，长兴污水处理厂出水基本满足电厂循环冷却水补水水质要求，但NH3-N、CODCr、BOD5 高出控制指标较多，其中NH3-N 的影响最大〔3〕。因此，深度处理系统的主要任务是降低城市中水的NH3-N，并进一步降低CODCr、BOD5 等其他水质指标。
2.2 脱氮技术的选择
现有的脱氮技术主要有物化法（氨氮吹脱、离子交换法、折点氯化法）、生化法（生物脱氮）和膜分离技术（超滤反渗透），其中，生物脱氮技术可在脱氮的同时去除部分COD，且运行费用较低。
较成熟的生物脱氮技术有生物滤池（BAF）、传统活性污泥工艺（A/O）和曝气生物流化池（ABFT），经技术经济对比（见表1，设计水处理量6 万t/d），在进水NH3-N 及BOD5 低负荷条件下， ABFT 工艺比A/O 工艺及BAF 工艺具有较为明显的优势。
表1 BAF、A/O、ABFT 生物脱氮工艺技术经济比较
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为进一步验证ABFT 工艺的可行性，2007 年9月，以长兴污水处理厂出水为对象进行了3 个月的中间试验。中试结果表明，有效水力停留时间为1.5 h 时，NH3-N 的去除率能稳定在95%以上；秋季常温条件下，出水NH3-N 平均为0.04 mg/L，平均去除率为96.9%；冬季低温条件下，出水NH3-N 平均0.35 mg/L，平均去除率为95.2%，完全符合出水NH3-N 须＜1 mg/L 的要求，从而确定生物脱氮工艺采用ABFT 工艺。
3 工艺说明
3.1 ABFT 简介
ABFT 工艺是近年新兴的一种生化法去除氨氮的污水处理技术，实际上是综合传统活性污泥法与生物膜法优点的双生物反应器。该工艺依靠生物酶与载体的固定化技术将特效微生物固定在载体上，在有氧条件下利用载体表面的氨氧化细菌将氨氧化生成NO2-和NO3-，然后在缺氧条件（载体内部）下，以污水中所含有机物和某些还原性物质为电子供体，将亚硝酸盐反硝化生成氮气。
ABFT 工艺在结构上分成4 个区域，即集泥区、缓冲配水区、生物载体区、清水区。原污水在流过生物载体区时，附着在其上的微生物吸收水体中的可溶性有机物、氮、磷等作为营养物质，并在代谢过程中将有机污染物分解，从而使原污水得到净化。由于ABFT 内的微生物食物链比较完整和稳定，内源呼吸进行得较充分，因此ABFT 内的污泥产生量极少。
3.2 工艺流程
长电中水回用工程工艺流程如图1 所示。城市中水经生物脱氮、混凝沉淀和杀菌处理后，作为长兴电厂二期（3#、4# 机组）循环冷却水系统补水。考虑到电厂循环冷却水用量因季节、运行负荷不同而波动较大，因此，将城市中水作为二期循环冷却水补水的主要水源，陆汇港作为二期循环冷却水补水的补充水源，以保证电厂用水的可靠性和安全性。
图1 长电中水回用工程工艺流程
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3.3 主要构（建）筑物设计参数
长电中水回用工程设有1 座配水池（20.35 m×1.0 m×5.7 m），2 座ABFT 池（10.0 m×10.0 m×5.5 m），1 座中间水池（21.05 m×2.0 m×5.5 m）和鼓风机房（108 m2）1 间。其中ABFT 池的总有效容积为4 000 m3，总水力停留时间为3.2 h，主要功能是去除氨氮，氧化部分有机物，降解各种水质污染因子。
4 实际运行效果
4.1 在线监测数据
长电中水回用工程自投入运行以来，系统运行稳定。根据在线仪表（水样取自清水井）监测数据显示，出水平均CODCr 和NH3-N 均低于设计值（NH3-N＜1 mg/L，CODCr≤20 mg/L）。2009 年9 月1日至15 日出水CODCr、NH3-N 的监测数据如图2所示。
图2 出水CODCr、NH3-N 监测数据
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4.2 人工分析数据
根据2009 年9 月人工取样分析数据，一期（1#、2# 机组）清水井出水口的Cl-为21~41 mg/L、全碱度为1.4~1.6 mmol/L、总硬度为1.14~1.32 mmol/L；二期（3#、4# 机组）清水井出水口的Cl-为52~63 mg/L、全碱度为1.2 ~1.5 mmol/L、总硬度为1.46 ~1.54mmol/L、BOD5 为3~5 mg/L。经比较可知，一期、二期出水的全碱度相差不大，二期出水的Cl-、总硬度相对偏高。
4.3 存在的问题及对策
（1）城市中水的总硬度和Cl-含量一般较高，但ABFT 工艺不能去除Cl-和总硬度，因此使用城市中水时的循环水浓缩倍率不高，中水的使用效率较低。
（2）经深度脱氮处理后的城市中水在循环冷却水系统中仍存在硝化反应，而硝化反应需消耗一定的碱度，根据Larson 指数〔4〕，碱度的降低会增加腐蚀的风险。
针对上述存在的问题，结合城市中水水质特点，将对循环水处理系统使用的阻垢剂、杀菌剂进行动态模拟试验，以进一步优化筛选适合城市中水水质特点的药剂。同时，深度处理系统的曝气量和加药量应根据城市中水水质、水量进行优化调整，在确保出水水质达到设计要求的同时，使系统经济、安全运行。
5 项目效益
5.1 社会效益
城市中水经过ABFT工艺深度脱氮处理后，可满足电厂循环冷却水补水的用水要求，实现了污水回用。利用电厂循环水系统的特殊工况条件，可进一步削减城市中水中的污染因子，减轻自然水体的负担〔5-6〕，有利于太湖流域的环境保护及水污染防治。同时，企业更好地承担了应负的社会责任，更大程度地参与地方循环经济的发展，为拓展企业的生存空间带来了契机。
5.2 环境效益
城市中水经深度处理后回用作循环冷却水补水，每年可减少工业新鲜水取水875 万t，同时可削减长兴地区向自然水体及太湖流域的污染物排放总量，经测算，可减少的污染物排放量：悬浮物157 t/a，化学耗氧量290 t/a，氨氮52 t/a，环境（减排）效益明显。
5.3 经济效益
循环冷却水补水采用经深度处理的城市中水后，仅从可量化的部分（取水费、运行费、折旧费等）与使用陆汇港水作为循环冷却水补水时比较（见表2），新增费用64.62 万元/a。使用城市中水后，不仅为电厂提供了一个水量、水质稳定的新水源，还为电厂的安全运行提供了保障，该项经济效益虽难以量化，但同样明显。
表2 使用城市中水、陆汇港水作为循环冷却水补水的费用比较
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6 结论
（1）曝气生物流化池（ABFT）作为一种生物脱氮工艺，特别是对低浓度氮的脱除，效果良好，同时可去除部分COD，其技术关键在于所采用的填料、特殊菌种及曝气方式。从实际运行情况看，出水NH3-N和COD 符合控制指标。该工艺为城市中水深度脱氮提供了一种较好的选择。
（2）随着对水环境保护的进一步推进，提高水资源使用费、限制取水总量和实施COD 排放指标是必然趋势，因此使用城市中水的经济效益将会日趋明显。
（3）城市中水所含污染物质虽少，但成分复杂，各地的城市中水水质相差明显，在论证处理工艺的可行性时，一般要做中间试验，以降低工程风险。
（4）长电中水回用工程的实践证明，使用城市中水作为循环冷却水补水是可行的，这对火力发电厂开展使用城市中水作为替代水源有积极的借鉴意义。
［参考文献］
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［6］周彤，郭晓，周向争，等. 城市污水回用于循环冷却水时氨氮去除［J］. 工业用水与废水，2000，31（6）：9-11.
［作者简介］周海滨（1977—），1999 年毕业于华北电力大学，工程师，长期从事电厂水处理技术研究及应用工作。
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