填埋場垃圾滲濾液兩級DTRO 濃縮液正滲透處理工程實踐

姚遠

（上海緣脈環境科技有限公司，上海201611）

填埋場垃圾滲濾液是一種成分復雜的高濃度高含鹽有機廢水，早期填埋場滲濾液呈黑褐色，可生化性較好；填埋時間在5 年以上的中老齡滲濾液呈黃褐色，氨氮濃度高，可生化性較差。目前行業內常規的滲濾液處理方法有“預處理+生物處理+深度處理+浸沒式燃燒蒸發（SCE）”組合工藝、“機械蒸汽再壓縮（MVR）+臭氣處理（VP）”組合工藝[1]。不論采用哪種技術，隨著時間的推移進水水質會產生較大偏差，從而導致運營成本不斷提高。另外處理系統長時間運行后，管道結垢污堵、膜通量會衰減，也會導致工藝系統產能下降、水質變差、外排濃縮液產量變大。

基于以上原因，我司在某滲濾液應急處理項目中提供了一套正滲透濃縮設備，對原系統二級DTRO 濃縮液進行減量化處理。

1 正滲透技術簡介

正滲透技術和反滲透不同，它無需提供額外的泵及水壓作為驅動力，水通過半滲透膜的流動過程是依靠滲透膜兩側溶液的滲透壓差為驅動力，從低滲透壓側向高滲透壓側自然流動的過程。

正滲透系統的驅動力取決于汲取液及其濃度，例如用2-甲基咪唑類化合物作汲取溶質，估算能夠獲得近30MPa 的滲透壓[2]，遠遠大于DTRO 系統最高承受壓力120bar[3]。正滲透系統運行壓力僅1-3bar，在高鹽廢水處理項目中，正滲透系統要比反滲透系統更加節約能耗。此外，正滲透膜表面光滑、抗污染特性好，易清洗干凈，特別適用于水質波動大、有機物濃度高、硬度高、含鹽量高的水質。

2 項目概況

某垃圾填埋場積存滲濾液應急項目采用“預處理+兩級DTRO+浸沒式燃燒蒸發”工藝處理存量坑滲濾液。每天約有400 噸DTRO 濃縮液要送至浸沒式燃燒系統蒸發，能源消耗和運營成本花費非常大。業主希望能將濃縮液再減量，但經過兩級DTRO 濃縮后，濃縮液中COD、氨氮、總含鹽量已經達到一個非常高的水平，繼續使用DTRO 工藝已經無法實現，由此將濃縮液減量作為一個課題進行研究。目標是在現有濃縮液的基礎上再減量50%，同時要求產水水質須滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002 中一級A 排放標準。

3 工藝設計要點

3.1 高鹽濃縮系統

高鹽濃縮系統是用于汲取液循環再生的系統。由滲透壓公式估算可知，如果要將氯化鈉溶液濃縮至16%的濃度，需要提供的滲透壓至少為：Π=CRT=2×（160/58.5）×8.314×（273+20）=13325.1KPa=133.25bar，在這么高的壓力下使用普通的反滲透膜元件，反滲透膜片會被壓縮變型及至損壞。而使用美國FTS公司生產的HBCR 高鹽濃縮膜可有效的解決這個問題。這款膜通過改變膜脫鹽層結構，降低了膜片對氯化鈉的攔截率，從而降低了給水壓力。設計時要將膜元件串聯起來使用。當汲取液進入膜系統，每透過一根膜元件就會有水產出，隨著汲取液濃度不斷升高，膜元件的產水量也依次變小，產水中含鹽量也逐漸增大。用軟件模擬計算可知：當給水壓力在75bar 時，依次串聯30 根膜元件，汲取液中氯化鈉的濃度可以從8%濃縮至16%。按單支膜的壓損0.35bar 計算，給水壓力P最小=75bar+30×0.35bar+1.5×0.35bar (估計管道壓力損失) ≈86bar，超出了HBCR 膜允許的最大進水壓力80bar。因此在設計系統時考慮選用段間增壓的方式來解決：將串聯的膜分為兩段，3：2 排布，段間設置6bar 增壓，可以滿足不超過系統最大給水壓力的前提下，通過段間增壓來彌補第一段的跨膜壓損，使兩段膜給水壓力基本接近，確保第二段膜濃縮不受影響。

3.2 汲取液溫度控制

正滲透設備的汲取液是循環使用的，運行過程中汲取液溫度會逐漸升高。同時汲取液是依靠高鹽濃縮膜進行再生，當溫度超過45℃時膜會在高溫高壓下發生損壞，所以設計系統時要充分考慮溫度的影響因素。本項目進水為DTRO 濃縮液，溫度常年穩定在30-34℃。經正滲透系統濃縮后會有6℃左右的溫升，大致在36-40℃，稀汲取液溫度和濃縮原液的溫度接近。當稀汲取液經過Pass I 高鹽濃縮膜濃縮后，汲取液會有4℃的溫升，同樣再經過后面的Pass II、Pass III、Pass IV，每經過一級反滲透都會有2℃左右的溫升。所以最終產水的總溫升ΔT=6℃+4℃+2℃+2℃+2℃=16℃,再考慮3-4℃裕度，系統設計時需考慮降溫20℃以上。根據計算，系統汲取液循環量為1-1.5m3/h，取上限1.5m3計，降溫所需要的制冷量為Q=（CP×r×V×ΔT）/H=4.1868kJ/kg.℃×1052Kg/m3×1.0m3×20℃/1h=88090KJ=21045kcal=9.1 匹（制冷量）≈10 匹。需要一套10 匹制冷量的冷水機作為汲取液冷卻設備。

3.3 汲取液清洗

本項目選用的汲取液是濃度16%的氯化鈉溶液。汲取液在循環使用過程中，會有少量有機物，陰、陽離子從廢水側透過進入汲取液中，汲取液逐漸被污染。從以往工程數據總結，汲取液循環使用24h 后COD 增長100-200mg/L，這些透過的有機物會對HBCR 高鹽濃縮膜造成有機物污堵。去除汲取液中的有機物可以采用高級氧化法，也可以用膜法過濾。經實驗采用高級氧化法時，若將水中COD 從200mg/L 降低到100mg/L，汲取液中殘留的雙氧水需要2-3 天時間才能反應完全。殘留的氧化- 還原電位至少在400 以上，這對膜有很大的傷害，不適用于本項目。采用膜法做過濾試驗，試驗選用了陶氏NF90 納濾膜、蘇伊士DK 納濾膜、星達NFW-2B 物料分離膜，結果見下表。

不同納濾膜對比結果

通過數據對比最終選擇了星達NFW-2B 型物料分離膜。其膜過濾通量大、低氯化鈉截留率不僅可以減少膜元件的數量，同時汲取液的損耗也最小。

3.4 產水總氮控制

正滲透膜對水中離子的截留率從高到低排序為：SO42-＞Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+＞NH4+＞Cl-＞NO3-＞HCO3-，對二價離子和一價陽離子的截留率大于99.98%，對Cl-、NO3-截留率不佳，對NO3-的截留率和反滲透膜接近約70%～80%。當汲取液循環使用一段時間后，原液中一部分NO3-離子也會進入到汲取液中。考慮到本項目原液為生活垃圾填埋場存量坑滲濾液，滲濾液中的有機氮經過多年生物化學反應，基本上都轉變為氨氮和硝態氮的形式。本項目進水總氮約8000mg/L，氨氮約6000mg/L，由此可大致推斷NO3-約2000mg/L。按正滲透膜對NO3-離子70%截留率，對NH4+離子99.8%截留率計算，進入汲取液系統的總氮含量TN=2000×（1-70%）+6000×（1-99.8%）=670mg/L。正滲透系統的產水是稀汲取液經過多級反滲透處理后得到的產水，按每級反滲透對NO3-截留率70%估算，需設計四級反滲透用于總氮指標的控制：TN=670×（1-70%）4=5.4mg/L＜15mg/L。項目運行后，產水總氮指標一直保持在5mg/L 以下，完全符合當初的設計計算。

4 工程實踐

本項設計規模為20 噸/天，全套系統由“預處理裝置”、“正滲透濃縮裝置”、“汲取液再生裝置”三個單元構成，工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

4.1 預處理裝置

預處理裝置由過濾設備和調酸設備兩分部組成。正滲透膜元件的進水網格采用了85mil 寬流道設計，原液中懸浮物含量TSS＜1000mg/L 即可直接進入系統。本項目選用袋式過濾器作為預處理過濾器，濾袋精度50μm。

本項目選用的正滲透膜材質為三乙酸纖維素（CTA），運行時須保證進水PH 值控制在5.5-6.5 為宜。另外垃圾滲濾液中含有一定量的HCO3-，在加酸時會有大量的氣泡產生。本項目選用鹽酸調節進水PH 值，同時也考慮了調酸時的氣泡膨脹高度，設計了一個高4 米的混酸罐，混酸時預留1-2 米的膨脹空間，避免了因起泡膨脹而導致滲濾液外溢的現象。

4.2 正滲透濃縮裝置

本項目進水為兩級DTRO 濃縮液，電導率在100000us/cm左右，TDS 在70000-80000mgL。要使汲取液和進水之間產生足夠的汲取驅動力，汲取液中鹽分濃度必須比進水鹽分濃度高6萬-8 萬mg/L，但同樣因為汲取液濃度和進水濃度相差較大，很容易會在正滲透膜內產生內濃差極化現象，導致產水通量下降以及膜的污堵[4]。因此本項目將正滲透系統設計為三段，每段都有各自的內循環泵，分階段逐步被濃縮；同時汲取液反向進入系統，先進入第三段，再流經第二段，最后進入第一段，分階段逐步被稀釋。這樣可以使各段進水的濃度逐級升高，各段汲取液濃度逐級下降，每段進水和汲取液間鹽分的濃度差能維持在2-3 萬左右，降低濃差極化帶來的影響，同時還可以使每支膜的產水量均衡。每一段的廢水側和汲取液側都配有大流量循環泵，廢液側的循環流量約30-40m3/h，汲取液側循環流量約1-1.5m3/h。通過大流量循環沖刷既能讓每一段內的廢水濃度和汲取液濃度基本保持穩定，又可解決因濃差極化導致鹽垢富集在膜表面的問題[4]，詳見圖2 所示。

圖2 正滲透裝置流程簡圖

本項目共配置36 支FO-CTA-8040-85 正滲透膜元件，單支膜元件面積為13.5m2/支，設計運行通量1.8 L/m2.h。廢水給水壓力為145KPa，廢水循環壓力為300KPa，汲取液給水壓力為45KPa，汲取液循環壓力為90KPa。

4.3 汲取液再生裝置

汲取液再生裝置主要包括高鹽濃縮膜設備和汲取液清洗設備兩個部分。高鹽濃縮設備是將汲取液循環濃縮的系統，可以根據產水水質要求將其分為3-4 級處理。第一級作用主要是濃縮，選用的是高鹽濃縮膜，這是一款改性的反滲透膜，可在70-75bar 給水壓力下，將氯化鈉溶液濃度從8%濃縮至16%，但同時產水中鹽分可達到20000-40000mg/L。所以需要設計第二級、第三級反滲透系統對產水中的鹽分進行回收。本項目第二級反滲透系統選用的是海水淡化膜，海水淡化膜的濃水返送至第一級的進水箱（稀汲取液水箱），產水送至第三級系統。第三級和第四級系統均與第二級系統類似，濃水返回前一級進水水箱，產水進入下一級系統。

汲取液在每進入一次正滲透系統后，除了會把原液側的水吸到汲取液側，同時廢水中的一些少量小分子有機物、微量的一價、二價離子會透過滲透膜進入汲取液中。因此需設計一套在線清洗系統，通過不間斷的清洗汲取液，才能保證整個汲取液系統受污染的程度達到一個動態的平衡。

項目共配置30 支HBCR-4040 高鹽濃縮膜，24 支SW30-4040 海 水 淡 化 膜，6 支BW30-4040 反 滲 透 膜，6 支NFW-2B-4040 清洗膜。各級高壓泵給水壓力依次為：75bar、40bar、25bar、10bar，汲取液清洗系統高壓泵給水壓力為20bar。

5 處理效果及成本分析

本項目直接運行費用包括電費、藥劑費。按電費0.9 元/kw.h、酸費0.9 元/L 計算。從8 月份開車至12 月份，共處理DTRO濃縮液2658.4m3，產出合格水1339m3，回收率50.37%；共用酸74144L，電87803kw.h，噸水酸耗27.89L。噸水電耗33.03kw.h，平均噸水運行費用54.83 元。經過4 個多月的連續運行，產水指標穩定在CODcr≤10mg/L，氨氮≤1mg/L，總氮≤5mg/L，總磷≤0.1mg/L，PH 6-7，優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002 一級A 排放標準。此外，在連續運行期間一共只做了2 次化學清洗，平均2 個月才做一次。這也很好的驗證了正滲透系統抗有機物污堵的優良特性。

6 結論

本項目從工程實踐中驗證了正滲透工藝處理DTRO 濃縮滲濾液是完全可行的。正滲透工藝用于污水處理行業優勢明顯，相比傳統的反滲透工藝，正滲透更耐污堵、耐水質波動、耐高COD、耐硬度，并且正滲透運行能耗低、系統回收率非常高，特別適合用于處理反滲透及DTRO 所不能處理的高含鹽、高硬度、高COD 污水。正滲透工藝作為一個新推入市場的技術，目前在國內的應用還較少，但隨著時間的推移，正滲透工藝一定會被廣大環保人員所熟知，更廣泛的應用在各個領域。