MVR工藝在生活垃圾填埋場(chǎng)反滲透濃縮液處理中的應(yīng)用

盧 明

(湘潭市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南 湘潭 411100)

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理一般采用預(yù)處理+生物處理+深度處理的工藝[1，2]。滲濾液經(jīng)預(yù)處理、生物處理、深度處理(以納濾、反滲透為主)后，其透過(guò)液可滿足相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，直接排放[3]；但是膜過(guò)濾產(chǎn)生的濃縮液成分十分復(fù)雜，含有大量的有機(jī)物(以腐殖類物質(zhì)為主)、氨氮、金屬離子和鹽類，可生化性差，腐蝕性能力強(qiáng)，處理難度大、成本高[4～8]。濃縮液處理已成為行業(yè)內(nèi)研究熱點(diǎn)，本文以湘潭市雙馬生活垃圾填埋場(chǎng)反滲透濃縮液處理工程為例，介紹低溫負(fù)壓MVR工藝在垃圾填埋場(chǎng)反滲透濃縮液處理工程中的應(yīng)用，為類似的濃縮液處理工程提供參考。

2 項(xiàng)目背景

湘潭市雙馬生活垃圾填埋場(chǎng)位于湘潭市高新區(qū)雙馬鎮(zhèn)建設(shè)村，滲濾液處理站現(xiàn)有兩套滲濾液處理系統(tǒng)，一套采用“MBR+單級(jí)DTRO”的處理工藝，一套采用“預(yù)處理+兩級(jí)DTRO”的處理工藝。現(xiàn)狀濃縮液采用直接回灌垃圾填埋堆體的處理方式，但垃圾堆體對(duì)濃縮液只是起到短暫的截留作用而已，濃縮液最終還是回到了滲濾液調(diào)節(jié)池中等待處理。由于兩套滲濾液處理系統(tǒng)末端工藝都為DTRO，導(dǎo)致滲濾液中的鹽分無(wú)法排出，鹽分在系統(tǒng)中不斷累積，過(guò)高的鹽分對(duì)生化系統(tǒng)、膜系統(tǒng)及設(shè)備的危害極大[9]。據(jù)近期水質(zhì)數(shù)據(jù)顯示，滲濾液進(jìn)水水質(zhì)電導(dǎo)率已達(dá)到40000～70000 μS/cm，如濃縮液繼續(xù)按此方式處理，后續(xù)滲濾液系統(tǒng)將會(huì)因?yàn)辂}分過(guò)高而導(dǎo)致系統(tǒng)處理能力大大降低，直至系統(tǒng)完全崩潰。同時(shí)，湘潭市生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目正處于試運(yùn)行階段，待其正式投產(chǎn)后，將對(duì)雙馬生活垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行封場(chǎng)，封場(chǎng)后，濃縮液將無(wú)法回灌處理，因此，濃縮液需要全量處置。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

湘潭市雙馬滲濾液處理站總設(shè)計(jì)處理規(guī)模為600 m3/d，其中，一期設(shè)計(jì)規(guī)模400 m3/d，采用“MBR+單級(jí)DTRO”的處理工藝，現(xiàn)狀實(shí)際處理能力約300 m3/d，運(yùn)行回收率約72%，濃縮液產(chǎn)生量約85 m3/d；二期設(shè)計(jì)規(guī)模200 m3/d，采用“預(yù)處理+兩級(jí)DTRO”的處理工藝，現(xiàn)狀實(shí)際處理能力約180 m3/d，運(yùn)行回收率約65%，濃縮液產(chǎn)生量65 m3/d。借鑒其他類似項(xiàng)目的工程經(jīng)驗(yàn)，生活垃圾填埋場(chǎng)封場(chǎng)后滲濾液量將有30%～50%左右的減少，預(yù)計(jì)封場(chǎng)后，垃圾填埋場(chǎng)滲濾液產(chǎn)生量約250 m3/d。同時(shí)，湘潭市餐廚垃圾處理項(xiàng)目、湘潭市環(huán)衛(wèi)一體化項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)建設(shè)，這兩個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)生的餐廚廢水(290 m3/d)、垃圾壓濾廢水(35 m3/d)將進(jìn)入雙馬滲濾液處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。因此，封場(chǎng)后，雙馬滲濾液處理站每天處理的廢水量為575 m3，滲濾液處理系統(tǒng)回收率按70%計(jì)，則濃縮液產(chǎn)生量為172.5 m3/d。考慮一定的設(shè)計(jì)富余量，該工程濃縮液處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模取200 m3/d。

3.2 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)

3.2.1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)

經(jīng)取樣檢測(cè)，該工程實(shí)際濃縮液水質(zhì)及濃縮液處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 濃縮液水質(zhì)一覽

3.2.2 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)

根據(jù)環(huán)評(píng)要求，該工程濃縮液處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)出水滿足《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16889-2008)中表2標(biāo)準(zhǔn)，具體指標(biāo)見(jiàn)表2[10]。

3.3 工藝流程

根據(jù)本工程濃縮液進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)及出水水質(zhì)要求，綜合行業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的濃縮液處理工藝，本工程采用“混凝沉淀+DT物料膜+低溫負(fù)壓MVR+RO+離子交換”的濃縮液處理工藝，其中MVR主體選用“低溫負(fù)壓+板式換熱+強(qiáng)制循環(huán)+閃蒸器”技術(shù)。具體工藝流程及水量平衡如圖1所示。

3.4 主要污染物去除效果預(yù)測(cè)

本工程去除效果預(yù)測(cè)基于設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)，具體情況如表3所示。

表2 污染物排放濃度限值

圖1 濃縮液處理工藝流程

3.5 工藝設(shè)計(jì)

3.5.1 預(yù)處理系統(tǒng)

該工程預(yù)處理系統(tǒng)主要包括混凝沉淀和DT物料膜兩個(gè)階段。

濃縮液中鈣、鎂離子含量高，需要采用混凝沉淀法對(duì)濃縮液進(jìn)行軟化預(yù)處理，降低濃縮液的硬度。混凝沉淀階段主要是通過(guò)向濃縮液中投加NaOH、Na2CO3、PAC、PAM，將濃縮液中的Ca2+、Mg2+轉(zhuǎn)變成CaCO3、Mg(OH)2沉淀，然后在沉淀池中進(jìn)行泥水分離，上清液進(jìn)入預(yù)處理產(chǎn)水池，在預(yù)處理產(chǎn)水池中進(jìn)行pH值回調(diào)之后進(jìn)入DT物料膜系統(tǒng)處理，污泥進(jìn)入污泥濃縮池進(jìn)行濃縮，濃縮后污泥經(jīng)板框壓濾脫水至60%以下，外運(yùn)填埋處置。混凝沉淀單元的主要構(gòu)筑物有pH值調(diào)節(jié)池、1#反應(yīng)池、2#反應(yīng)池、沉淀池、預(yù)處理產(chǎn)水池、污泥濃縮池，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上式，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 混凝沉淀單元構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)一覽

通過(guò)軟化和混凝沉淀處理，可去除90%以上鈣鎂離子、50%～60%左右的二氧化硅及絕大部分的氟離子，同時(shí)最多可去除10%的COD，但是經(jīng)混凝沉淀處理后的上清液中COD含量仍然很高，高COD容易污染蒸發(fā)器，導(dǎo)致清洗頻繁，蒸發(fā)沸點(diǎn)升高，能耗增加，同時(shí)也可能導(dǎo)致為惡臭增加。因此，本工程在蒸發(fā)器前端設(shè)置DT物料分離膜，去除大部分COD，為蒸發(fā)器提供更好的水質(zhì)，保障蒸發(fā)穩(wěn)定運(yùn)行，物料膜的濃水主要以腐植酸為主，水量比較小，和MVR系統(tǒng)母液混合一起進(jìn)入負(fù)壓干燥系統(tǒng)進(jìn)一步處理。本工程物料膜采用碟管式納濾膜，碟管式膜相對(duì)于卷式膜的特點(diǎn)是采用重疊的碟片固定安裝，沒(méi)有襯墊材料；流道為開放式且流程較短，流體往復(fù)從碟片的一端反流向碟片的另一端。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使系統(tǒng)可以在更高的壓力、更高的污染物濃度下運(yùn)行，且流體可以在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生局部紊流，減少膜污染，同時(shí)，由于膜片間沒(méi)有襯墊材料，膜組件采用NaOH清洗即可[11，12]。該工程共設(shè)1套DT物料膜系統(tǒng)，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 DT物料膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.5.2 低溫負(fù)壓MVR蒸發(fā)系統(tǒng)

蒸發(fā)工藝通過(guò)對(duì)濃縮液進(jìn)行加熱，將濃縮液中的揮發(fā)組分與非揮發(fā)組分分離，水分等揮發(fā)組分冷凝后進(jìn)入后續(xù)處理單元繼續(xù)處理，鹽分等非揮發(fā)組分殘留在蒸發(fā)母液中，蒸發(fā)母液經(jīng)干燥或固化后外運(yùn)填埋處置。MVR是機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)的簡(jiǎn)稱，它利用蒸發(fā)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的二次蒸汽及其能量，經(jīng)蒸汽壓縮機(jī)壓縮做功，提升二次蒸汽的熱能，如此循環(huán)向蒸發(fā)系統(tǒng)供熱，從而減少對(duì)外界能源需求的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)[8,13]。由于氯離子在70 ℃以上的溫度下會(huì)對(duì)金屬材料產(chǎn)生非常強(qiáng)的腐蝕作用[7]，本工程在負(fù)壓條件下對(duì)濃縮液進(jìn)行蒸發(fā)處理，充分利用了水在負(fù)壓條件下沸點(diǎn)降低的特性，有效地避免氯離子對(duì)金屬設(shè)備的腐蝕[4]。

本工程低溫負(fù)壓MVR蒸發(fā)系統(tǒng)采用“低溫負(fù)壓+板式換熱+強(qiáng)制循環(huán)+閃蒸器”技術(shù)，工藝流程見(jiàn)圖2。

蒸發(fā)的主要過(guò)程如下。

(1)物料過(guò)程：經(jīng)過(guò)調(diào)酸等預(yù)處理后的高鹽廢水→進(jìn)料罐→進(jìn)料泵→冷凝水預(yù)熱器→不凝氣預(yù)熱器→強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器(蒸發(fā)器→分離器→循環(huán)泵→蒸發(fā)器)→排料泵→下一工藝處理。

(2)冷凝水過(guò)程：蒸發(fā)器+冷凝器→冷凝水泵→冷凝水預(yù)熱器→冷凝水達(dá)標(biāo)排放或去下一工藝處理。

(3)不凝氣過(guò)程：蒸發(fā)器→不凝氣預(yù)熱器→冷凝器→真空泵→除臭系統(tǒng)。

本項(xiàng)目擬采用1臺(tái)處理規(guī)模為200 m3/d的MVR系統(tǒng)，每天最大可以處理220 m3濃縮液，單臺(tái)MVR設(shè)計(jì)參數(shù)如表6所示。

圖2 MVR工藝流程

表6 單臺(tái)MVR設(shè)計(jì)參數(shù)

3.5.3 產(chǎn)水保障系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)蒸發(fā)冷凝后的產(chǎn)水中氨氮和有機(jī)物濃度均較高，本設(shè)計(jì)采用RO系統(tǒng)和離子交換系統(tǒng)進(jìn)一步處理，保證處理后尾水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3.5.3.1 RO系統(tǒng)

反滲透是以高于溶劑滲透壓的外界壓力作為跨膜推動(dòng)力，利用膜的選擇透過(guò)性截留離子物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)溶液中混合物分離的技術(shù)[4]。反滲透膜的膜孔徑非常小，其表面微孔的直徑一般在0.5～10 nm之間，因此能夠有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機(jī)物等。

本工程共設(shè)一臺(tái)RO系統(tǒng)，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表7。

3.5.3.2 離子交換系統(tǒng)

離子交換是溶液中的離子與某種離子交換劑上的離子進(jìn)行交換的作用或現(xiàn)象，是借助于固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進(jìn)行交換，以達(dá)到提取或去除溶液中某些離子的目的，是一種屬于傳質(zhì)分離過(guò)程的單元操作。離子交換技術(shù)可以選擇性分離溶液中的特定離子基團(tuán)，使料液經(jīng)過(guò)離子交換后脫除了特定離子基團(tuán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中特定離子濃度的控制。樹脂吸附飽和后用洗脫劑洗脫，得到富集了被分離離子鹽的高濃度流出液，視需要做處理。

本工程離子交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表8。

表7 RO系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.5.4 干燥系統(tǒng)

濃縮液經(jīng)過(guò)前端工藝處理后，總體回收率已達(dá)到94%，其中絕大部分的有機(jī)物、膠體和鹽分濃縮在蒸發(fā)母液中。本工程設(shè)1套干燥系統(tǒng)對(duì)蒸發(fā)母液和物料膜濃液進(jìn)行干燥處理，采用負(fù)壓低溫干燥技術(shù)，處理規(guī)模22 t/d，殘?jiān)a(chǎn)量約11 t/d，含水率約20%，運(yùn)行溫度約50～60 ℃，加熱蒸發(fā)時(shí)間減少，蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)入列管式冷凝器冷凝后形成冷凝水，冷凝水回到前端處理系統(tǒng)。蒸餾干燥過(guò)程中蒸餾罐內(nèi)攪拌軸刮片自動(dòng)正反旋轉(zhuǎn)，保證料液干燥均勻，避免結(jié)焦結(jié)垢。

3.5.5 除臭系統(tǒng)

本工程綜合處理車間、MVR車間、污泥脫水間及綜合處理水池均會(huì)產(chǎn)生臭氣，需集中收集并處理，處理后尾氣需達(dá)到《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554-93)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)后方可排放[14]。配套一座Q=25000 m3/h的除臭系統(tǒng)，采用化學(xué)洗滌法，確保現(xiàn)場(chǎng)不凝氣和臭氣均得到有效去除。化學(xué)洗滌產(chǎn)生的濃縮液排入原液池，進(jìn)入濃縮液處理系統(tǒng)，不產(chǎn)生二次污染。

表8 離子交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

4 工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

(1)本工程采用混凝沉淀去除硬度、懸浮物等，可以減少物料膜和蒸發(fā)系統(tǒng)結(jié)垢的問(wèn)題；采用物料膜去除大分子有機(jī)物，可以降低蒸發(fā)器的清洗頻次和蒸發(fā)沸點(diǎn)，保蒸發(fā)運(yùn)行比較穩(wěn)定。

(2)本工程采用低溫負(fù)壓MVR蒸發(fā)核心工藝技術(shù)，蒸發(fā)溫度控制在70 ℃左右，并在酸性條件下運(yùn)行，不但可以對(duì)低品質(zhì)蒸汽進(jìn)行再回收，減少蒸汽用量，大幅降低項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)成本，而且能有效防止蒸發(fā)系統(tǒng)結(jié)垢及腐蝕，不易產(chǎn)生泡沫，減少消泡劑用量，改善有機(jī)物包裹鹽問(wèn)題，使得鹽泥能連續(xù)穩(wěn)定析出，蒸發(fā)冷凝水水質(zhì)更好。

(3)本工程采用混凝沉淀、膜過(guò)濾、MVR等物化法處理濃縮液，啟動(dòng)快、維護(hù)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、管理水平要求低，且出水水質(zhì)不受填埋場(chǎng)封場(chǎng)后濃縮液水質(zhì)變化的影響，處理后的殘?jiān)伲瑲堅(jiān)幚沓杀镜汀?/p>

(4)采用MVR工藝處理膜過(guò)濾濃縮液，處理成本較高，在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)不宜采用。本工程膜過(guò)濾濃縮液處理系統(tǒng)工程費(fèi)用為3248萬(wàn)元，單位處理成本約為258元/t(不含殘?jiān)幹觅M(fèi))。