我國是一個水資源缺乏、環境問題突出的國家，節約水資源與環境保護是關繫到我國能否保持可持續發展的大事。2015年發布的《水污染防治計劃》在環境保護、水污染防治方面提出了極其嚴格的目標，同時也提出了嚴格的節水目標。按照《水污染防治計劃》，要求到2020年國內生產總值用水工業增加值用水量分別比2013年下降35%和30%以上。因此，未來對廢水排放量和排放水質的限制將更加嚴格。隨著“排污許可證”的加速推進，作為工業領域的第一用水大戶，火力發電企業面臨著巨大的節水減排壓力。我國的很多火電廠位於缺水地區，這些地區的水環境往往很脆弱，環境承載力差，對廢水排放的限制會更加嚴格。因此，大力開展節水減排是當前火力發電企業最迫切、最重要的任務之一。本書根據作者多年來在火電廠節水和廢水減排工作中積累的技術和經驗，重點介紹了火電廠深度節水及廢水零排放的相關理論、技術和工程案例，供水處理工作者參考。
一、我國的水資源現狀
從資源角度來看，我國近10年來水資源總量基本穩定但人均水資源持續減少。表1為1997年以來我國的水資源總量及用排水情況。
表1 我國歷年水資源總量及用水、排水情況[1]
年份 1997 2000 2004 2008 2012 2014 2015 2016
水資源量(億m3) 27855 27701 24130 27434 29529 27267 27962.6 32466.4
用水量(億m3） 5566 5498 5548 5910 6131 6095 6103.2 6040.2
工業用水量(億m3） -- -- 1232 1401 1380 1345 1336.6 1308
廢污水排放量
(億m3） 584 620 693 758 785 771 770.0 765
說明 廢水排放量不包括火電直流冷卻水排放量和礦坑排水量。
從表中可以看出，大部分年份水資源總量在2.5萬億m3至3萬億m3之間。但是，按照2013年的人口計算，我國人均水資源擁有量僅為2078m3。
從用水情況看，盡管我國經濟總量在過去10年裡大幅增GDP用水工業增加值用水量大幅降低，說明用水效率明顯提高。2003年至2014GDP用水量由448m3下降至96m工業增加值用水量由222m3降至59.5m3；這標志著近年來的節水工作取得了顯著的成效。
因水體污染導致的功能性缺水，是我國缺水的一個重要原因。從全國的情況來看，盡管多年來在廢水治污方面投入很大，但環保部的資料顯示，直到2014年水體污染問題還沒有得到有效遏制。全國地表水在國控斷面上有1/10喪失使用功能；眾多支流污染嚴重，重點湖泊、水庫處於富營養狀態；地下水污染日趨嚴重，污染物由條帶向面擴散，由淺層向深層滲透，由城市向周邊蔓延。治污依然面臨巨大的壓力。
水資源總量受自然環境的限制，在相當的時期內不會有大的變化。我國目前人口總量還處於上升期，人均水資源量將在未來一段時期內持續減少。而經濟發展對水的需求量卻持續增長，污染的壓力也在持續增長，加之我國水資源時空分布不均，水資源缺乏的問題更加嚴重。因此，隻有大力開展節水減排纔是解決我國水資源短缺和環境問題的根本出路。
二、火電廠的用水和排水
早期我國火電廠大都沒有考慮節水的問題，用水粗放導致大量廢水外排。上世紀80年代至90年代初期，衝灰水是火電廠水量最大、環保風險最高的廢水，當時的工作重點是解決衝灰水過剩和溢流問題。通過對灰場返回水進行循環使用、灰漿濃縮等方法，努力實現灰場廢水不外排。90年代，隨著干灰綜合利用技術的推廣，電廠水力除灰逐漸被干除灰繫統取代，衝灰水的環保壓力減輕，工作逐漸轉向以改進循環水處理技術、提高循環水濃縮倍率為重點的節水領域。1997年，北方地區電廠開始廢水零排放的嘗試。盡管當時是在有水力衝灰條件下實現的廢水不外排（實質是灰場廢水不外排），但開始了火電廠大幅度提高循環水濃縮倍率、繫統性開展全廠廢水綜合利用的有益嘗試。
2000年以後，隨著對火電廠用水排水限制加大，電力行業密集出臺了多部與節水有關的規劃、標準和導則。在這些政策措施的約束和引導下，火電廠的節水減排意識進一步增強，用水管理水平大幅度提高。水平衡試驗已成為火電廠的定期試驗項目，單位發電量取水量已經成為企業的一項考核指標。節水工作已從解決跑冒滴漏問題上升到全廠用水優化和廢水綜合利用的新層次。新建電廠在設計階段就開始考慮廢水綜合利用的問題。廢水處理繫統的設計已由以前以達標排放為目標的集中處理，變為以綜合利用為目標的分類收集、分類處理。在繫統設計中，將相對容易回用的輔機冷卻排水、鍋爐排污水等廢水集中回收、處理，然後用作循環水的補充水。冷卻塔排污水大多則用作衝灰、衝渣繫統的補充水。在水處理工藝選擇時，不僅重點考慮水處理工藝的處理效果和經濟性，還關注處理工藝本身的環保性，盡量少用酸堿等化學品，工藝過程中盡量減少廢水的產生。在水平衡試驗的基礎上進行用水優化，將新鮮水的使用與全廠的廢水綜合利用相結合，既降低了用水量又減少了廢水排放量。大力開展節水減排新技術的研究，積極采用新工藝、新技術，通過提高循環水濃縮倍率、干灰綜合利用及廢水綜合利用，提高了火電廠的用水效率，大幅度降低了電廠的單位發電量取水量。目前，循環冷卻電廠全年平均單位發電量取水量已經從2000年的4~6kg/kWh[2]降至2~2.5kg/kWh，部分電廠甚至可以降至2.0kg/kWh以下；該指標與國外發達國家火電廠相當。
經過多年的努力，我國在火電廠用水優化設計、循環水高濃縮倍率運行、超濾反滲透處理工藝以及高鹽濃縮性廢水處理的新技術應用方面，已處於世界前列。
三、火電廠節水和廢水減排的新要求
以前節水工作主要是解決水資源不足的問題，政策方面的強制性不多，電廠可以根據自身的條件，從技術經濟角度確定合理的節水目標。在外排水質達標的情況下,對排放水量基本上沒有強制性的要求。但現在對排放水質和水量都有強制性限制，如廢水零排放；這種情況下對整個用水流程形成倒逼：隻有上遊各段盡可能地提高用水效率，減少廢水的產生量，纔有可能滿足排放的限制要求。
目前越來越多的火電廠要求實現廢水零排放的目標；有些是火電建設項目環境評價的要求，有些則是地方環保標準提高帶來的新要求。對於實現廢水零排放的代價與實際的環保收益，一直存在較大的爭議。在國外，如美國、意大利等，僅僅是對位於特殊環保地區的火電廠實施廢水零排放，數量並不多。要達到廢水零排放的要求，火電廠需要集合多項復雜、甚至尚不成熟的水處理技術，設備投資及運行成本很高，運行維護量也很大。對於一些先天條件（如水源含鹽量高，或使用中水）差的電廠，成本更高，難度更大。
上述要求對火電廠的用水帶來了很大的變化，提出了深度節水的要求。例如，循環水濃縮倍率的選擇，以前一般建議不大於5，但現在需要盡量提高，目的是盡可能減少循環水排污水量，最終減少末端廢水的量。盡管在多年的努力下，循環水繫統的濃縮倍率已經有了很大提高，但仍不能滿足深度節水和減排的要求，因此，進一步提高循環水繫統濃縮倍率成為火電廠的關鍵工作之一。濃縮倍率提高後，可以有效降低電廠的取水量，顯著減少排污量，這是電廠實現深度節水和廢水排放控制目標的第一步。2017年，熱工研究院對國內73家循環冷卻火電廠進行了調研，結果表明有46家電廠的循環水濃縮倍率大於3，一些電廠甚至可以達到5以上。但仍有27家電廠（占37%）的循環水濃縮倍率低於3。為滿足滿足深度節水和廢水排放減量的要求（尤其是有廢水零排放要求），需要進一步提高循環水濃縮倍率。
因為排放限制的嚴格，對電廠上遊各用水繫統排水的回收也提出了新的要求。以前一些排水因為水質很差、回用成本過高而達標排放，現在也必須要進行深度處理回用。例如循環水排污水，在整個電廠的用水流程中處於下遊，水質已經過高度濃縮，排水中各類雜質的濃度都已遠遠超出了現有水處理工藝的經濟適用範圍。但為了滿足全廠排放限制下的水平衡要求，必須進行處理回用，為此要建設復雜、龐大的水處理繫統，基建投入和運行成本很高。
對廢水處理項目的經濟性分析也發生了較大的變化，尤其是成本對比的基礎。以前廢水處理工程的成本分析是以常規水處理的成本為基礎進行對比，現在要將其放在全廠用水、排水流程中，綜合評估項目對末端廢水減量的貢獻、以處理末端廢水的成本進行比較。這對於有廢水零排放要求的電廠更加明顯。
在深度節水要求下，電廠的大部分廢水都需要進行處理後回用。但火電廠目前的廢水處理設施大多無法滿足要求，廢水處理設施不能正常運行是普遍存在的問題。含煤廢水處理、含油廢水處理、污水處理和脫硫廢水處理是目前火電廠幾個重要的廢水處理繫統。熱工研究院在2017年對國內103家燃煤電廠進行了調研，結果表明20家無含煤廢水處理設施，27家有含煤廢水處理設施但不能正常運行。多數電廠建有機組雜排水、生活污水的處理繫統，但有些廠將這些廢水處理後直接排放而不回用。調查結果表明，約60%的電廠沒有真正實現廢水梯級利用和廢水綜合利用，外排廢水種類多、水量大。
對於有廢水零排放要求的電廠，脫硫廢水的處理是主要的難題之一。即使沒有零排放的要求，脫硫廢水首先應該達到排放標準。目前的實際情況是脫硫廢水處理繫統很多不能正常運行，出水水質不滿足要求。據調研，在92家石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝的燃煤電廠中，50%的脫硫廢水處理繫統不能正常運行，有34%電廠沒有對脫硫廢水重金屬進行監測。繫統容易發生堵塞；處理設備的處理能力不足，導致脫硫廢水處理繫統出力不足。在運行環節也存在監督、故障處理不及時等問題。
因此，當前在排污控制倒逼節水減排的情況下，火電廠的用水和排水面臨前所未有的政策壓力，開展深度節水、大幅度減少廢水排放甚至零排放是火電廠最為急迫的工作之一。本書通過深入分析火電廠不同用水繫統的特點，研究廢水中各類雜質、污染物的來源及遷移過程，從用水繫統的節水、主要廢水的處理及回用、高鹽末端廢水的濃縮、減量及固化處置、水處理泥渣處置等方面對火電廠開展深度節水及廢水減排工作的關鍵環節進行討論。
