負(fù)壓MVR技術(shù)在垃圾填埋場(chǎng)濃縮液處理工程中的應(yīng)用

朱玉修(重慶渝泓土地開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 401336)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)，居民的生活水平在不斷提高，每日各種垃圾的產(chǎn)量也隨之增加。如圖1所示，2011年—2020年，中國(guó)生活垃圾處理量呈現(xiàn)出大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，從2011年的13 090萬(wàn)噸翻倍增長(zhǎng)到2020年25 590萬(wàn)噸，垃圾滲濾液的產(chǎn)生量同樣大幅度增多，2020年已達(dá)到8 716.5萬(wàn)噸。垃圾滲濾液[1]是指垃圾自身含有的水分、降雨降雪以及其他來(lái)源的水分，在堆放和填埋過(guò)程中經(jīng)過(guò)擠壓、發(fā)酵等一系列生物、化學(xué)和物理作用，在滲流作用下會(huì)產(chǎn)生含高濃度有機(jī)或無(wú)機(jī)成分的廢水。此外，垃圾在經(jīng)過(guò)衛(wèi)生填埋和焚燒前保存處理時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生大量的滲濾液。這些滲濾液[2]成分復(fù)雜、污染物濃度高，含有多種有毒三致物質(zhì)，且氨氮含量高，受氣候及地理等條件影響，穩(wěn)定性差，處理難度大。

圖1 2011-2020年垃圾處理趨勢(shì)圖

目前，國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)回灌、焚燒、蒸發(fā)、高級(jí)氧化、兩級(jí)物料膜處理法等方法處理垃圾滲瀝液濃縮液。回灌法[3]在操作過(guò)程中，無(wú)機(jī)鹽易累積，氨氮含量增加，滲瀝液膜系統(tǒng)去除率變低，出水回收率隨之降低，膜系統(tǒng)壽命縮短。焚燒法[4]投資大，成本高，儀器溫度要求高，操作過(guò)程復(fù)雜，焚燒結(jié)束后還需要處理有害物質(zhì)如：二噁英的排放、結(jié)焦結(jié)渣以及爐體腐蝕等問(wèn)題。高級(jí)氧化技術(shù)[5]投資運(yùn)行成本高，且單一的高級(jí)氧化法無(wú)法將濃縮液處理達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)(mechanical vapor recompression, MVR)[6]技術(shù)最開(kāi)始應(yīng)用于乳品工業(yè)，隨著儀器的精進(jìn)與能源利用率的提高，食品加工行業(yè)、環(huán)境污水處治、制堿工業(yè)、甲醇精餾等領(lǐng)域都開(kāi)始逐步將其應(yīng)用到生產(chǎn)應(yīng)用中。這項(xiàng)新興技術(shù)的核心工作原理在于能量的轉(zhuǎn)換，即電能到熱能之間形式的改變。機(jī)械裝置通過(guò)壓縮、蒸發(fā)等手段產(chǎn)生大量的二次蒸汽，同時(shí)提高熱焓，產(chǎn)物循環(huán)進(jìn)入機(jī)械裝置再次蒸發(fā)加熱，以低價(jià)位電能循環(huán)利用熱能，節(jié)約能源。

對(duì)此，本文展開(kāi)對(duì)負(fù)壓低溫MVR蒸發(fā)設(shè)備處理滲濾液濃縮液的工程應(yīng)用研究，考察對(duì)處理廢水采取低溫負(fù)壓蒸發(fā)技術(shù)的節(jié)能性及持久性，推動(dòng)滲濾液處理方法發(fā)展和完善。

1 負(fù)壓低溫MVR蒸發(fā)技術(shù)特點(diǎn)

采用負(fù)壓低溫MVR蒸發(fā)技術(shù)處理滲濾液濃縮液，具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：首先儀器可以強(qiáng)制循環(huán)閃蒸，在蒸發(fā)過(guò)程中氣液分離效果好，防止霧沫夾帶損壞壓縮機(jī)，致使冷凝水水質(zhì)變差；強(qiáng)制循環(huán)流量大，流速高，不易結(jié)垢，換熱效果更佳；適合處理高粘度易結(jié)垢的料液，母液最終可達(dá)更高濃度。物料不在換熱器內(nèi)蒸發(fā)，降低了結(jié)垢的可能性。其次，采用負(fù)壓低溫蒸發(fā)方式，蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度低，蒸發(fā)壓力31 kPa左右，蒸發(fā)溫度70 ℃左右，不易結(jié)垢結(jié)焦；低溫對(duì)材料腐蝕性小，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)；臭氣量少，且易從真空泵出口收集；產(chǎn)水水質(zhì)更佳，冷凝水COD，氨氮和含鹽量低。最后，儀器采用撬裝設(shè)計(jì)，土建工程量小、成本低、周期短，避免交叉施工，模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)備緊湊，拆裝運(yùn)輸方便；主體設(shè)備安裝周期短，可以一鍵啟動(dòng)裝置，具有穩(wěn)定且完善的電氣控制程序，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，人工成本低。此外，濃縮液處理后的產(chǎn)物還具有穩(wěn)定出鹽的特點(diǎn)，蒸發(fā)器高濃母液進(jìn)入臥螺離心機(jī)離心脫鹽，將鹽分從系統(tǒng)中脫出，避免鹽分在系統(tǒng)累積，離心出的鹽含水率低至20%。

2 工程概況

該垃圾填埋場(chǎng)位于重慶市，是典型的山谷型垃圾處置場(chǎng)，填埋場(chǎng)占地面積約1 037畝(1畝≈677 m2)，其中填埋區(qū)面積約570畝，設(shè)計(jì)庫(kù)容約1 400萬(wàn)m3。該填埋場(chǎng)于2003年投入使用，2016年關(guān)停，2018年開(kāi)始進(jìn)行原址規(guī)范封場(chǎng)修復(fù)。垃圾填埋場(chǎng)現(xiàn)有設(shè)計(jì)能力為1 730 t/d的滲濾液處置設(shè)備，包括400 t/d的MBR + DTRO設(shè)備和1 330 t/d的STRO應(yīng)急設(shè)備，目前MBR + DTRO設(shè)備每天產(chǎn)生約100 t濃縮液，STRO設(shè)備每天產(chǎn)生約400 t濃縮液，產(chǎn)生的濃縮液混合后存儲(chǔ)在填埋場(chǎng)內(nèi)的調(diào)節(jié)池內(nèi)，其中填埋區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)約3.8萬(wàn)立方米，填埋區(qū)外目前已存儲(chǔ)約14萬(wàn)立方米。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)滲濾液濃縮液處理系統(tǒng)中濃縮液主要分兩股，一股為生化深度處理的MBR + DTRO的濃縮液，一股沒(méi)有經(jīng)過(guò)生化的STRO濃縮液，兩類濃縮液水質(zhì)相差較大，本項(xiàng)目處理對(duì)象為混合濃縮液。

3 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

從垃圾填埋場(chǎng)取樣檢測(cè)，將檢測(cè)報(bào)告中水質(zhì)情況與垃圾來(lái)源結(jié)合考慮，如表1所示，確定實(shí)際工程運(yùn)轉(zhuǎn)中初始進(jìn)水水質(zhì)。如表2所示，滲濾液最終處理后出水水質(zhì)情況需要達(dá)到GB 16889—2008 《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》要求。

表1 垃圾滲濾液混合濃縮液進(jìn)水水質(zhì)

表2 生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)

4 負(fù)壓低溫MVR蒸發(fā)工藝設(shè)計(jì)

4.1 工藝流程

在實(shí)際工程運(yùn)用中，以滲濾液濃縮液的進(jìn)出水流量、水質(zhì)硬度等特點(diǎn)和處理后出水要求等為指標(biāo)，本項(xiàng)目濃縮液采用的全量化工藝為：軟化預(yù)處理+預(yù)濃縮+負(fù)壓低溫蒸發(fā)MVR+產(chǎn)水達(dá)標(biāo)保障系統(tǒng)+末端處理。如圖2所示，濃縮液經(jīng)提升至預(yù)處理儲(chǔ)槽，進(jìn)行pH調(diào)節(jié)軟化除硬，并采用管式軟化膜進(jìn)行分離，去除原液中的鈣鎂硬度和硅，大大減緩后續(xù)工藝的結(jié)垢趨勢(shì)，提高了HPRO的濃縮倍數(shù)，同時(shí)也減少了蒸發(fā)結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。預(yù)處理分離出的清液進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)，污泥采用污泥脫水進(jìn)行脫水，干泥與蒸發(fā)鹽泥和末端尾渣分區(qū)填埋，脫水清液回流系統(tǒng)。經(jīng)預(yù)處理后的清液有機(jī)物濃度低、硬度低，進(jìn)入預(yù)濃縮系統(tǒng)，降低蒸發(fā)系統(tǒng)處理規(guī)模，降低投資運(yùn)營(yíng)成本。預(yù)濃縮系統(tǒng)主要采用碟管式膜技術(shù)，膜組件的流道和內(nèi)部的過(guò)流方式與傳統(tǒng)的卷式膜截然不同，采用開(kāi)放式流道，專利的流道設(shè)計(jì)形式與特殊的水力學(xué)設(shè)計(jì)和導(dǎo)流盤波點(diǎn)設(shè)計(jì)使處理液在壓力作用下流經(jīng)濾膜和導(dǎo)流盤表面時(shí)遇波點(diǎn)碰撞時(shí)形成擾動(dòng)和湍流，避免濃差極化，增加透過(guò)速率和自清洗功能，從而有效地避免了膜堵塞和易結(jié)垢問(wèn)題，大幅度降低了膜組件的清洗頻次，成功地延長(zhǎng)了膜片的使用壽命。由于影響膜系統(tǒng)截留率的因素較少，不受可生化性、炭氮比等因素的影響，所以系統(tǒng)出水水質(zhì)很穩(wěn)定，預(yù)濃縮系統(tǒng)的高倍濃縮膜清液由于污染物濃度未達(dá)標(biāo)，與蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)水混合進(jìn)入產(chǎn)水保安系統(tǒng)進(jìn)行深度處理，產(chǎn)水保安系統(tǒng)采用深度反滲透分離裝置與離子交換系統(tǒng)，確保最終出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到GB 16889—2008《生活垃圾填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中表2標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 工藝流程圖

蒸發(fā)系統(tǒng)對(duì)預(yù)濃縮系統(tǒng)產(chǎn)生的濃縮液進(jìn)行進(jìn)一步的高倍濃縮，真空泵抽走不凝氣實(shí)現(xiàn)負(fù)壓工況，料液經(jīng)過(guò)預(yù)熱后進(jìn)入換熱器強(qiáng)制循環(huán)不斷升溫蒸發(fā)，蒸汽經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后作為熱源加熱料液，蒸汽冷凝成水排出，母液罐配置攪拌和冷卻，母液進(jìn)入母液罐進(jìn)一步冷卻出鹽，母液從母液罐底部泵入離心機(jī)出鹽，鹽泥噸袋封裝，上清液部分泵回蒸發(fā)器繼續(xù)濃縮，部分進(jìn)入末端處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，最終形成殘?jiān)庋b后填埋，蒸發(fā)產(chǎn)水由于其污染物未達(dá)標(biāo)，進(jìn)入后續(xù)產(chǎn)水保安系統(tǒng)進(jìn)行深度處理，蒸發(fā)母液進(jìn)入末端處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，最終形成殘?jiān)庋b后填埋。

4.2 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

濃縮液處理系統(tǒng)的處理對(duì)象為膜濃水后的污水，成分復(fù)雜，含有大量的一價(jià)和二價(jià)鹽離子、難降解有機(jī)物等物質(zhì)，采取常用的物理、化學(xué)和生物方法進(jìn)行處理，難以達(dá)到規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用軟化預(yù)處理+預(yù)濃縮+負(fù)壓低溫蒸發(fā)MVR+產(chǎn)水達(dá)標(biāo)保障系統(tǒng)+末端處理處理濃縮液，處理后產(chǎn)物為符合填埋要求的干化污泥、符合排放要求的產(chǎn)水和可回收利用的鹽類。負(fù)壓低溫MVR蒸發(fā)處理設(shè)備運(yùn)行參數(shù)如表3所示。

表3 負(fù)壓低溫MVR蒸發(fā)處理設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

5 運(yùn)行效果

本工程于2021年4月調(diào)試完工并投入運(yùn)行，經(jīng)過(guò)了7個(gè)月的穩(wěn)定運(yùn)行，工程處理效果的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，清水回收率可達(dá)95%，出渣率為5%左右。濃縮液、進(jìn)水、出水、出鹽對(duì)比如圖3所示，負(fù)壓低溫MVR蒸發(fā)系統(tǒng)處理出水符合本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的出水排放濃度限值。

圖3 進(jìn)出水情況對(duì)比圖

表4 各處理單元實(shí)際出水水質(zhì)

6 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)垃圾滲濾液堆積量大，處理難度系數(shù)高，對(duì)設(shè)施設(shè)計(jì)及運(yùn)行要求高。近年來(lái)，國(guó)家頒布大量法律法規(guī)，加大垃圾處理設(shè)施存量治理力度，通過(guò)新建或改造等處理手段，使處理后的滲濾液各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)，因此，垃圾滲濾液處理行業(yè)市場(chǎng)前景廣闊。

本項(xiàng)目研究成果適用于存量垃圾滲濾液全量化處理、高鹽廢水處理、滲濾液濃縮液全量化處理、危險(xiǎn)廢水處理等，國(guó)內(nèi)外垃圾填埋場(chǎng)、火電站脫硫廢水處理廠、化工企業(yè)等均可推廣應(yīng)用。在實(shí)際工程運(yùn)轉(zhuǎn)中需要注意以下兩點(diǎn)：(1)蒸發(fā)器的進(jìn)水需經(jīng)過(guò)預(yù)處理工藝，去除進(jìn)水中的鈣鎂及硅等物質(zhì)，有利于蒸發(fā)器長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，延長(zhǎng)清洗周期，保證換熱效率；(2)蒸發(fā)的母液濃度較高，存在堵管風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)規(guī)避彎道，減少母液管路變徑和彎頭，母液出口接近出鹽設(shè)施，母液管路設(shè)置放坡。負(fù)壓低溫MVR蒸發(fā)設(shè)備處理經(jīng)過(guò)半年左右連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，確定了運(yùn)行參數(shù)、工藝路線等操作條件，為蒸發(fā)技術(shù)在處理垃圾滲濾液領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)參考。