MVR 強制循環蒸發技術處理垃圾填埋場滲濾液膜濃縮液

蔡名金

（中創水務科技環保（廣東）有限公司，廣東 中山 528458）

1 工程背景概述

隨著經濟的發展和居民生活水平的不斷提高，我國生活垃圾填埋場的垃圾填埋量逐年增加，由此產生的垃圾滲濾液量也一直呈現上升態勢。目前我國垃圾滲濾液處理普遍采用預處理+膜生物反應 器 （Membrane Bio-Reactor， MBR） + 納 濾（Nanofiltration，NF） +反滲透（Reverse Osmosis，RO）處理工藝。NF 和RO 處理過程中會不斷地產生膜濃縮液，約占垃圾滲濾液原水體積的13%～30%［1］。由調研結果可知，目前市場上鮮有穩定運行的濃縮液處理工程案例，濃縮液多采用回灌至生活垃圾填埋場、送往污水處理廠等方式進行處理［2］。展望未來，膜濃縮液處理市場潛力巨大，迫切需要更多成熟穩定、運行可靠的工藝技術。

滲濾液在常規預處理、厭氧和好氧生化的處理過程中，有機質、氮、磷和懸浮物等物質得到了有效去除，而鈣、鎂、鈉、鉀等陽離子以及氯離子、硫酸根、重碳酸鹽等陰離子物質經過膜等深度處理單元后絕大部分都被截留在膜濃縮液中［3］。目前，膜濃縮液的處理方法主要有：①回灌工藝；②蒸發處理方法，包括浸沒燃燒蒸發法（SCE）和機械式蒸汽再壓縮處理法（MVC/MVR）等；③化學處理法，包括焚燒處理、超臨界水氧化處理和高級氧化處理等；④物化處理法，包括絮凝沉淀、吸附、膜分離、固化與穩定化處理等；⑤組合處理工藝，包括無膜組合和有膜組合處理工藝或幾種工藝的組合［4-7］。回灌工藝前期可以促進填埋垃圾的分解、加速填埋場穩定化進程，但長期回灌將導致滲濾液的電導率、CODCr、氨氮和硫酸鹽濃度增加，進而降低膜工藝的處理效率，增加膜分離系統的運行成本［4-5］。蒸發處理方法中SCE 技術是一種節能環保的新型燃燒技術，具有熱效率高、設備簡單等優點，但該技術對NH3-N去除效果不理想，濃縮液中高濃度的氯離子在系統加熱過程中可能會對設備產生腐蝕；MVC/MVR技術對CODCr與TN 有很好的去除效果［4］，且自動化程度高，但氯離子對其設備的腐蝕作用較嚴重，設備常存在結垢和腐蝕問題，需經定期清洗與維護才能實現長期穩定運行。總體上蒸發處理方法減量效果好，但成本較高，應不斷對其進行工藝改良研究［5］。回噴焚燒處理一般適用于垃圾焚燒廠，能夠徹底消除其中的污染物質，但難以實現全量回噴情況下的穩定運行，回噴后還存在爐膛溫度下降、熱損失和爐膛腐蝕等問題［5］。高級氧化技術發展迅速，該技術可以將難降解有機物、色度良好去除，大幅提高BOD5/CODCr，但對鹽度的去除率不高，同時存在加藥量及用電量大、化學污泥產生量高、處理成本高、需與其他工藝聯合使用才能保證達標排放等問題。多數物化處理法能夠使污染物氧化或礦化，將其有效去除，從根本上消除二次污染的可能性，但很多處理方法仍處于實驗研究階段，運行成本高，能耗和藥劑消耗大，部分方法距投入實際應用還有一定差距［5］。

因此，針對目前膜濃縮液處理的上述問題，對傳統MVR 技術進行優化設計和配置，制定預處理+MVR 強制循環蒸發結晶+母液干化技術（以下簡稱“本工藝技術”），并于2021 年3 月應用于江西某垃圾填埋場膜濃縮液處理工程，取得了較好的效果。該工程處理規模為400 m3/d，進水主要來自上游滲濾液處理廠產生的RO 膜濃縮液。以該處理工程為例，介紹本工藝技術的工藝技術原理、運行效果和運行成本，并分析其存在的問題及應用前景等，可為同類型項目提供技術參考。

2 工藝流程與設計參數

2.1 工藝技術設計優化思路

膜濃縮液成分十分復雜，具有高CODCr、高氨氮、高含鹽量、高硬度、高腐蝕性且生化性較差等特點，在處理工藝選擇方面面臨很大的挑戰。為此，本工藝技術進行如下設計優化和創新。

1）對于高硬度，采用軟化預處理系統進行高效沉淀去除，避免高硬度導致后續蒸發結晶設備的結垢堵塞，減少設備清洗與維護頻率。

2）對于高含鹽量，采用蒸發結晶工藝使無機鹽結晶形成雜鹽提取出系統。

3）對高腐蝕性，在蒸發結晶設備與液體接觸的地方普遍采用鈦合金（TA2）的金屬材料，增強設備的防腐蝕性。

4）對于生化性較差的特性，采用污染物耐受程度高、可高效去除難生物降解物質的強制循環蒸發技術。

5）對于高氨氮，設置酸塔吸收單元，在酸塔內二次蒸汽的氨氮和硫酸可反應生成硫酸銨，進而降低氨氮含量。酸塔采用具有防腐蝕的特殊纖維增強復合材料（FRP）。

6）選用大流量、低揚程、節能降耗的軸流式蒸發循環泵和成熟穩定、性能優秀的離心式蒸汽壓縮機來降低整個系統的運行成本和維修成本。強制循環泵提供的大流速也可以讓循環液對換熱列管進行強烈沖刷，避免設備結垢。

2.2 工藝流程及工藝技術原理

該項目的工藝流程如圖1 所示。

圖1 項目工藝流程Figure 1 Process flow of the project

2.2.1 預處理系統

膜濃縮液由于硬度、堿度和懸浮物濃度比較高，必須進行軟化預處理，避免鈣鎂等離子和懸浮物進入蒸發系統導致加熱器換熱管管束結垢。膜濃縮液先由原液輸送泵提升至三聯箱，在三聯箱內先投加氫氧化鈉（投加量為2.6 kg/m3），去除鈣鎂等離子，再投加聚合氯化鋁鐵（1.2 kg/m3）和聚丙烯酰胺（0.02 kg/m3），生成顆粒直徑較大的易沉降絮凝物，然后廢水進入兩級澄清池進行泥水沉淀分離。軟化澄清后的出水進入到下一級MVR 強制循環蒸發結晶系統。經澄清池沉降濃縮后的泥漿送至臥螺離心脫水機進行脫水后外運填埋處理。

2.2.2 MVR 強制循環蒸發結晶系統

膜濃縮液蒸發處理過程中，基本所有重金屬、無機物以及大部分大分子有機物都會保留在濃縮液中，只有少部分揮發性烴、有機酸和氨氮等污染物會進入蒸汽，最終存在于冷凝液中。

MVR 強制循環蒸發系統膜濃縮液的設計沸點升9 ℃，蒸汽壓縮機的設計溫升19 ℃。蒸發系統的蒸發器和加熱器為非標設備，鈦合金（TA2）材質，共分兩套系統（單套處理能力為200 m3/d）。蒸發器為圓柱錐底型，柱體尺寸為Φ2 400 mm × 8 000 mm。加熱器為圓柱型，尺寸為Φ1 800 mm×9 200 mm。蒸發器采用反循環的方式，設計運行溫度為108 ℃。加熱器設計運行溫度為120 ℃，采用水平臥管的方式，換熱管采用水平雙向（兩程）的結構形式，換熱管直徑Φ32 mm。強制循環泵采用ZWQ 系列軸流式蒸發循環泵，壓縮機采用離心式蒸汽壓縮機。強制循環泵提供的大流速可以讓循環液對換熱列管進行強烈沖刷，避免設備結垢。

在蒸發系統內，膜濃縮液與MVR 蒸發器內的循環液通過強制循環泵以一定的流速（大于2 m/s）流經加熱器的換熱列管管程，與殼程的二次蒸汽進行換熱，加熱后的料液進入MVR 蒸發器，由于壓力降低，瞬間閃蒸產生二次蒸汽，物料不斷得到濃縮。閃蒸產生二次蒸汽先進入酸塔，膜濃縮液中揮發進入蒸汽中的氨氮和硫酸反應，生成硫酸銨，大部分的氨氮被去除，設備出水氨氮≤25 mg/L，蒸餾水氨氮的濃度很低，能直接達到排放要求。經過酸塔后的蒸汽繼續進入堿塔，蒸汽中的揮發性烴、有機酸和氫氧化鈉反應，生成有機鈉鹽，大部分的CODCr被去除，設備出水CODCr≤100 mg/L。

在蒸發系統內循環液的物料密度通過在線密度計進行監測，當密度達到設定的目標值（約1.3～1.4 g/cm3）時，通過PLC 程序控制濃縮液泵將物料輸出至旋流器進行初步固液分離。旋流器底部的固形物進入雙級推料離心機，雙級推料離心機進一步降低固形物的含水率，最終形成雜鹽晶體然后進入雜鹽打包系統，雜鹽打包后送至業主自有的填埋場處理。旋流器及雙級推料離心機的透過濾液（即母液）進入到母液罐中暫存，然后進入母液干化系統。

2.2.3 母液干化系統

母液罐中的母液通過母液泵投料進入母液干燥機進行干化處理。母液主要成分是氯化鈉、硫酸鈉、鈣鎂、有機物等組分。干燥機的熱源采用現場提供的蒸汽（0.8 MPa，175 ℃）。經過干燥機干燥后的母液干粉成品含水率降低至10% 左右，噸袋打包后最終和離心機產生的雜鹽一并送業主自有的填埋場處理。

母液干燥機采用空心槳葉干燥機，該干燥機是以飽和水蒸氣或導熱油為熱傳導的設備，干化流程見圖2。槳葉干燥機的工作原理：空心軸上密集排列著楔型中空槳葉，水蒸氣或導熱油等熱介質經空心軸再流經至槳葉，槳葉通過間壁傳熱加熱母液，母液沸騰產生水蒸氣。蒸發出來的水蒸氣及粉塵繼續由離心風機排至尾氣處理系統處理。干燥機內母液的水分不斷得到蒸發最終變成固體粉末狀排出系統。

3 測試指標與分析方法

從水量、進出水水質、含水率和運行成本進行對比分析，其測試指標及分析方法見表1。

表1 測試指標及分析方法Table 1 Test indicators and analysis methods

4 運行效果分析

1）軟化預處理系統可以有效去除膜濃縮液的硬度、堿度等污染物質，避免進水管路、加熱器、板式換熱器等關鍵核心單元結垢堵塞，提高系統設備在線運行時間及延長清洗除垢周期。在相同的運行間隔周期和同樣的處理負荷下，軟化預處理系統投入使用前后的加熱器換熱管管束結垢比對情況見圖3。

圖3 軟化預處理系統投入使用前后的加熱器換熱管管束結垢比對情況Figure 3 Scale comparison of the heater heat exchange tube bundle before and after using the softening pretreatment system

2）強制循環蒸發結晶工藝可以有效地將Na＋、K＋、Cl-等無機雜鹽形成晶體提取出系統，避免這些無機鹽組分在蒸發過程中不斷濃縮富集從而影響蒸發效率。雙級推料離心機產生的雜鹽晶體的情況見圖4。雜鹽噸袋打包后送業主自有的填埋場進行安全處置。

圖4 雜鹽晶體的生產情況Figure 4 Production status of miscellaneous salt crystals

3）鈦合金材料對膜濃縮液的高腐蝕性及蒸發運行的高溫高濕環境具有良好的耐受性，蒸發結晶系統投入運行超過1 a 的時間，系統停機清垢周期在20 d 以上，每次停機清垢都會對加熱器和蒸發器等核心部件進行例行檢查，未見產生明顯的材料腐蝕現象。

4）本工藝技術應用于該案例運行情況良好，完全適用于膜濃縮液的水質特點。經過本工藝技術處理后，蒸餾水回收率平均在90% 以上，母液外排量平均少于10%（表2）。處理后出水水質穩定達到GB 16889—2008 生活垃圾填埋場污染控制標準中表2 排放限值的要求（表3），且CODCr、BOD5、NH3-N、SS、TP 和TN 的 去 除 率 分 別 為97.28%、98.31%、96.15%、29.41%、99.30% 和98.14%。

表2 項目處理水量Table 2 Water treatment capacity of the project

表3 項目進出水水質Table 3 Inlet and outlet water quality of the project

采用快速鹵素水分測定儀對母液干化前后的含水率進行測定，各項測試指標如表4 所示。母液干化前含水率平均為78.1%（即含固率21.9%），母液干化后殘渣含水率平均為2.2%，含水率降低了75.9 個百分點，達到了廢物減量從而降低外運費用的目的。

表4 母液干化前后的含水率Table 4 Water content before and after drying of mother liquor

5）本工藝技術與其他工藝的運行效果優缺點對比如表5 所示。

表5 本工藝與其他工藝的運行效果優缺點［5］Table 5 The advantages and disadvantages between this process and other processes［5］

5 成本經濟分析

本案例的運行成本如表6 所示。按出水量計算，膜濃縮液的處理成本包括電費53.71 元/m3、藥 劑32.45 元/m3、蒸 汽3.59 元/m3和 自 來 水 費1.03 元/m3，合計90.78 元/m3，其中未包括設備折舊費、人工費、母液干化費用、污泥和雜鹽處置費用。

表6 項目運行成本Table 6 Operating costs of the project

選取了與本工藝技術相近的蒸發處理方法進行運行成本的對比，結果如表7 所示。

表7 本工藝與蒸發處理方法的運行成本比較Table 7 Comparison of the operating costs between this process and evaporation treatment method

6 存在問題與展望

6.1 本案例存在的問題

本工程案例已運行超過1 a，各項性能指標良好。總結該案例設計、設備制造、現場安裝、調試和正式運行的各個工程階段，主要存在如下問題：①蒸發結晶設備雖然占地面積較小，但總高度達15 m，現場安裝難度較大，安裝時間較長；②設備系統與液體接觸的材料大部分為鈦合金，儀表、閥門較多為進口或合資品牌，因此總制造成本較高；③整個濃縮液處理系統要求配備較高的PLC 自動化控制系統，對管理和運行操作技術人員的專業水平要求較高；④本案例的污泥和雜鹽處置費用不具有普遍性，污泥和雜鹽送至業主自有的填埋場處理，因此并未產生費用和存在管理上的問題。

6.2 展望

本工藝技術經江西項目案例證明是基本可行的。針對該案例存在的問題，提出如下優化措施：①將蒸發結晶設備進行模塊化分割和設計，幾個模塊單元在制造工廠內生產完成后再發往現場組裝，減少現場安裝難度和時間；②多總結積累設計和運行經驗，減少設備堵塞結垢的風險點，摸清膜濃縮液的腐蝕特性和各項設備的優缺點，甄選國產優質的設備和儀表閥門，減少項目的總造價和維護成本；③培養更多具備較高專業技能的管理和運行操作技術人員；④系統分離出來的鹽泥的安全處置和出路直接關系到項目是否真正做到全量處理。其他項目鹽泥若需要進一步外運和處置將產生一定的費用和存在管理上的問題。鹽泥的安全處置參考文獻有限，需要更多科技工作者和技術人員進行研究。通過以上優化措施，可使本工藝技術更加完善穩定，更加適用于膜濃縮液的處理。

7 結論

預處理+MVR 強制循環蒸發結晶+母液干化的處理技術具有自身的特定優勢，可以克服膜濃縮液處理的技術難點，原MVR 技術在工程中發現的設備結垢和腐蝕、需要定期清洗與維護、成本較高等問題也得到了較好解決。軟化預處理可以有效去除硬度；MVR 強制循環蒸發可以高效去除難以降解的大分子CODCr；強制循環泵提供的大流速可以讓循環液對換熱列管進行強烈沖刷，避免設備結垢；酸塔可以高效去除氨氮；結晶系統可以將無機鹽形成晶體提取出系統，避免鹽分積累。應用該技術的江西項目案例自2021 年3 月投入正式運營以來，運行穩定，出水達標排放。蒸餾水回收率平均在90% 以上，母液經過干化處理后含水率降低了75.9 個百分點，系統停機清垢周期在20 d 以上，加熱器和蒸發器等核心部件未發現腐蝕的情況，噸水直接運行成本較低。該技術可直接應用于大部分垃圾填埋場滲濾液膜濃縮液的處理，具有較廣闊的應用前景。