生活垃圾衛生填埋場膜濃縮液全量化處理技術試驗研究

張效剛，王 甲，萬 輝，張玉飛，黃燕冰，劉 彬

（1.廣州環投環境服務有限公司，廣東 廣州 510540 ；2.天津建昌環保股份有限公司，天津300202；3.廣州環保投資集團有限公司，廣東 廣州 510180）

0 引言

生活垃圾衛生填埋場滲濾液處理中反滲透處理單元會產生膜的濃水，即膜濃縮液，膜濃縮液具有高鹽、高硬度、高難降解有機物的水質特性。濃縮液處理一直是行業技術難題，大多數填埋場采用濃縮液暫存或回灌垃圾堆體的方式維持運行。濃縮液回灌不僅容易導致垃圾堆體內部板結，造成堆體結構性風險，還直接導致滲濾液可溶解性鹽類和難降解有機物不斷富集，影響滲濾液處理設備的正常運行，造成生化系統處理效率下降，膜系統運行壓力升高，影響滲濾液設施的處理能力和出水水質。

目前，我國常用的濃縮液處理工藝有蒸發和高級氧化工藝等，高級氧化技術因處理成本高、處理難達標而在實際應用中受到一定限制［1-2］。蒸發工藝主要是機械式蒸汽再壓縮蒸發（MVR）和浸沒式燃燒蒸發（SCE）［3］，實際應用的情況表明以上兩種蒸發技術存在突出問題。機械式蒸汽再壓縮蒸發處理濃縮液選擇的蒸汽壓縮機溫升有局限性，導致處理量不能達標，從而噸水處理成本過高，而且蒸發器運行易發生結垢、污堵情況，影響設備正常運行。浸沒式燃燒蒸發依賴于天然氣或沼氣作為熱源，蒸發效能偏低，且常壓蒸發導致異味嚴重，難以控制［3-4］。當前的技術瓶頸已經導致我國大多數垃圾填埋場存在一定的濃縮液存量，探索穩定可靠且操作環境良好的濃縮液處理技術已成為行業的迫切需求。

綜上，本研究結合行業已經開展的研究工作，以廣州某典型生活垃圾填埋場滲濾液濃縮液為處理對象，研究濃縮液全量化處理技術的可行性和可靠性，并探索蒸發裝置穩定運行的關鍵技術參數及蒸發裝置在10 倍濃縮倍數（濃縮倍數=進料量/母液量）運行條件下換熱器的抗結垢性能［5-7］及蒸發過程產生的異味情況［8］。

1 試驗內容和方法

1.1 濃縮液水質特性

試驗研究的濃縮液是垃圾填埋場滲濾液處理設施中納濾和反滲透（RO）產生的濃水混合物，具有高鹽、高硬度、高難降解有機物的水質特性，其水質指標見表1。

表1 濃縮液水質特性Table 1 Water quality characteristics of concentrated solution

1.2 試驗內容

濃縮液全量化處理的工藝流程見圖1，強制循環二效蒸發是全量化處理工藝流程中的核心單元，試驗對圖1 中化學軟化及預處理單元、二效蒸發和離心單元及配套的除臭單元開展研究，主要內容如下：①“雙堿法”化學軟化預處理工藝對濃縮液硬度指標去除效果［9］；②蒸發器采用“外置列管換熱、強制循環、二效負壓蒸發”工藝，探索穩定運行的關鍵技術參數；③10 倍濃縮倍數條件下，蒸發裝置換熱器抗結垢性能［10］；④離心機固液分離效果；⑤蒸發裝置臭氣處理工藝對臭氣污染物去除效果。

圖1 工藝流程示意Figure 1 Process flow schematic

1.3 試驗方法

濃縮液進蒸發裝置前采用“雙堿法”化學軟化預處理，降低濃縮液的硬度指標。將化學軟化后的濃縮液pH 調節至微酸性，作為蒸發裝置進料。利用生蒸汽為熱源，為一效蒸發器加熱，一效蒸發器的二次蒸汽供給二效蒸發器加熱，一效和二效蒸發器均采用強制循環負壓蒸發的運行方式，物料在蒸發器內高速流動，通過控制蒸發器的壓力（真空度）、物料溫度、物料密度、濃縮倍數等關鍵參數［9-10］，保持蒸發器的聯動持續運行。濃縮液蒸發后的氣相冷凝為工藝凝液；隨蒸發過程進行，鹽分和有機物在蒸發器中濃縮，通過離心機分離出飽和鹽結晶和有機物，形成濕鹽泥。因鹽分的溶解度不同，需要定期排出母液［11］。

2 試驗結果與分析

2.1 濃縮液軟化

選擇“雙堿法”進行濃縮液預處理，在濃縮液原液進入蒸發裝置前，向濃縮液原液中投加氫氧化鈉和碳酸鈉藥劑，通過化學反應、沉淀排泥的方式，降低濃縮液的硬度［9］。

在化學軟化水罐內投加NaOH，調節pH 為9～10，大量的鎂鹽和碳酸氫鹽結晶沉淀，再投加適量的Na2CO3，通過攪拌反應大量的非碳酸鹽鈣硬度也可形成沉淀，并以排泥的形式導出系統。軟化出水投加硫酸，pH 控制為5.5～6.0，進入蒸發單元。

對軟化前后的濃縮液進行硬度指標檢測，結果如表2 所示，研究證明選擇“雙堿法”對濃縮液進行預處理能有效降低濃縮液的硬度指標。

表2 硬度檢測數據Table 2 Hardness test data

由表2 可以看出，硬度的去除率達到75% 以上，有效降低蒸發裝置換熱器的結垢風險。同時，試驗發現軟化工藝主要是無機鹽以晶體形態析出，基本不會裹挾有機物沉淀。濃縮液中有機物以可溶性難降解有機物為主，在軟化單元隨懸浮物沉淀，去除率約5%。試驗過程沒有投加助凝劑和絮凝劑，因此有機物去除較少。

2.2 蒸發裝置關鍵運行參數

蒸發裝置在試驗期間保持穩定運行，蒸發溫度波動較小，其中一效蒸發器的蒸發溫度范圍為65～70 ℃，二效蒸發器的蒸發溫度范圍55～60 ℃，日均蒸發溫度如圖2 所示。

圖2 一效、二效蒸發器物料日平均蒸發溫度變化情況Figure 2 Changes on the daily average evaporation temperature of first-effect and second-effect evaporator materials

影響物料沸點的主要因素有外界壓力、液體的飽和蒸氣壓、液體內雜質。試驗采用了負壓蒸發工藝，在真空泵的作用下，蒸發器內維持穩定的負壓狀態，可降低物料的蒸發溫度。負壓低溫蒸發比常壓蒸發或正壓蒸發有明顯優勢，低溫運行使設備運行的穩定性更高，而且低溫蒸發不會有大量的有機物分解，異味控制效果明顯。

表3 明確了蒸發裝置穩定運行的關鍵控制參數。實際控制二效蒸發器真空度略高于一效蒸發器真空度，一效、二效蒸發器物料的蒸發溫度分別為67.3、58.2 ℃。

表3 蒸發工藝熱平衡Table 3 Evaporation process heat balance

一效和二效蒸發器換熱溫差均小于5 ℃，證明換熱器保持了較好的換熱性能。同時，一效蒸發器的二次蒸汽供給二效蒸發器加熱，一效的蒸汽溫度和二效的物料溫度的換熱溫差穩定小于5 ℃，證明蒸發裝置的熱平衡穩定。

2.3 蒸發裝置進水量、凝液量

蒸發裝置平均處理量為2.80 m3/d，平均工藝凝液量為2.51 m3/d，如圖3 所示，連續運行期間，蒸發裝置進水量和凝液量穩定，凝液量隨進水量變化。

圖3 蒸發裝置進水量、凝液量變化情況Figure 3 Changes on water inlet and condensate volume of evaporation device

2.4 換熱器結垢

垃圾滲濾液濃縮液物料成分復雜，存在鈣、鎂、鋇、硅等多種難溶鹽污染物，這些難溶無機鹽進入蒸發裝置極易引起蒸發設備及循環管路結垢、影響蒸發效率，造成換熱器頻繁清洗［11］。分離器中的氣相和液相在控制液面實現沸騰，蒸發裝置二次蒸汽通過管道排出至冷凝器，過飽和溶液進行熱結晶，強制循環工藝使固-液均相混合，一起進入加熱器，晶體會與加熱管壁產生摩擦防止換熱列管結垢和結焦等問題。換熱器的強制循環工藝使物料流速始終保持2 m/s 以上，達到強化傳熱的目的，同時使得傳熱效率得到較大提高，由于保持了管束中料液的高速流動，也防止了物料在加熱管內壁富集，進而最大限度地阻止了污垢的產生。

蒸發裝置的關鍵運行參數在整個試驗期始終在合理區間內波動，換熱溫差沒有明顯變化，證明換熱器沒有發生結垢現象。試驗結束后打開換熱器端口，見證二效蒸發器的換熱器污染結垢情況，管壁光滑，沒有明顯附著污染物，未出現結焦、結垢現象，其原因分析如下：①蒸發溫度越高結垢越嚴重，現場通過控制蒸發器的真空度，保證一效和二效蒸發溫度較低；②設置了軟化預處理單元，去除了大部分硬度，有效降低蒸發器結垢趨勢；③特殊設計的強制循環工藝，控制蒸發器表面流速，換熱界面的切向力及時緩解和消除結垢。

2.5 凝液水質

由于蒸發裝置的特殊設計，蒸發裝置在試驗研究中沒有發生物沫夾帶現象，保證了產水水質的穩定。蒸發裝置工藝凝液清澈透明，試驗過程中分別進行兩次水質檢測，檢測結果如表4 所示。

表4 濃縮液、工藝凝液檢測數據Table 4 Concentrates and process condensates test date

由表4 可知，工藝凝液各項指標測定值范圍如下：pH 為6.5～7.5，COD 為300～400 mg/L，TDS在150 mg/L 以下，氨氮穩定在50 mg/L 以下。蒸發裝置工藝對濃縮液污染物具有很高的去除率，工藝凝液污染物指標穩定［12］。

濃縮液中鹽分和有機物主要在蒸發工藝中去除，濃縮液中水分變成水蒸氣，實現與鹽分和有機物的分離，僅有極少量有機物隨水蒸氣逃逸至工藝凝液。工程應用中經過RO 膜深度處理可以達到GB 16889—2008 生活垃圾填埋場污染控制標準表2 要求。

隨著蒸發過程的進行，有機物會在蒸發器中濃縮，COD 控制值約為90 000～100 000 mg/L，有機物不僅成分復雜，表面活性較強的有機物還容易在蒸發器中產生泡沫，并通過霧沫夾帶影響產水水質。現場設置了泡沫液位控制系統，通過泡沫液位連鎖計量泵實現自動投加聚醚消泡劑，保證蒸發器泡沫的穩定控制。

2.6 臭氣控制

濃縮液中存在的高濃度有機污染物和多種輕質帶有異味的污染物（部分有機物在蒸發過程中高溫熱解，部分輕質帶有異味的污染物在蒸發過程中隨氣相逸出），均通過蒸發裝置釋放不凝氣進入環境中，產生臭氣。試驗研究選擇水環真空負壓蒸發技術，使蒸發器中的物料在55～70 ℃沸騰蒸發，有機物蒸發分解量大幅減少。結合臭氣收集和除臭處理技術，保證臭氣達標排放的同時，保障感官異味有效控制。

試驗采用傳統的“酸洗滌+堿洗滌+活性炭吸附”除臭工藝，現場無明顯感官異味。如表5、表6 所示，試驗期間進行兩次臭氣檢測的數值均滿足GB 14554—1993 惡臭污染物排放標準表1 二級新改擴建標準及表2 標準［12-13］。

表5 有組織異味排放檢測數據Table 5 Organized odor emission test data

表6 廠界無組織異味排放檢測數據Table 6 Data for fugitive odor emission testing at the plant boundary

試驗選用的傳統“酸洗滌+堿洗滌”主要采用酸、堿溶液分別循環噴淋，臭氣中水溶性較好的惡臭成分溶解于酸堿溶液中。以硫酸為吸收劑，對氨的去除率達到95%，三甲胺的去除率可達90% 以上；以氫氧化鈉和次氯酸鈉的混合溶液為淋洗液，對硫化物的去除率可達90% 以上。酸堿洗滌對硫化氫、氨、三甲胺等污染物去除效果明顯［13］。經過酸堿洗滌后再利用活性炭吸附法作為保障，吸附以氣溶膠形態存在的臭氣顆粒，有效保證了各項指標達到排放標準。

2.7 母液與鹽泥

蒸發裝置在保證濃縮倍數穩定的前提下，通過離心機固液分離后產生濕鹽泥。二效蒸發器定期排出母液。

2.7.1 母液指標

母液量約占進料量的8%～10%，母液TDS 指標為4.5×105～5.0×105mg/L，有機污染物指標為9.0×104～1.0×105mg/L。在試驗研究中，母液回流至填埋場濃縮液儲存池。在濃縮液全量化處理工程中，母液可通過干化裝置序批式干燥處理，實現鹽泥含水率小于30%。

2.7.2 鹽泥指標

試驗階段的鹽泥主要由兩部分組成，即軟化鹽泥和離心鹽泥。軟化鹽泥主要以碳酸鈣、碳酸鎂和有機污染物為主，在濃縮液全量化處理工藝中可采用板框壓濾機脫水至含水率小于60%。離心鹽泥含水率第1 次、第2 次、第3 次檢測及平均值分別為24.20%、16.10%、23.18%、21.16%，試驗過程中離心鹽泥含水率均小于30%。

在濃縮液全量化處理工藝中，軟化鹽泥、離心鹽泥和干化鹽泥一并通過添加固化劑和穩定劑的方式達到GB 18599—2020 一般工業固體廢物貯存和填埋污染物控制標準及其修改單中的有關規定后，送至填埋場做填埋處置。

2.8 能源和藥劑

2.8.1 能源指標

試驗用電主要為蒸汽裝置用電、電蒸汽鍋爐用電、輔助設備用電等，由圖4 可以看出，試驗研究階段，蒸發裝置噸水耗電量穩定，耗電量為345.4 kWh/t。噸水耗電量較高的主要原因包括：①試驗處理規模小，規模效應導致噸水電耗偏高；②試驗采用電鍋爐制作蒸汽，作為一效加熱器的熱源，耗電量較大。工程應用需要利用垃圾填埋場的填埋氣，通過沼氣鍋爐制作生蒸汽作為蒸發裝置的熱源，大幅節省電量消耗。

圖4 噸水耗電量變化情況Figure 4 Changes on electricity consumption per ton of concentrates

試驗每日的自來水消耗量為1.68 m3/d，消耗的自來水主要用于設備一次開機補水、日常冷卻塔補水、除臭設備補水、蒸汽鍋爐補水、清洗沖洗用水等。其中日常冷卻塔補水為自來水主要用水點，在濃縮液全量化處理工藝中可選用高能效的冷卻塔以減少自來水消耗量。

2.8.2 藥劑消耗指標

試驗所用藥劑均為常規工業藥劑，分別為碳酸鈉、氫氧化鈉、濃硫酸、消泡劑，噸水藥劑消耗量如表7 所示。

表7 噸水藥劑消耗量Table 7 Pharmaceutical consumption per ton of concentrates

由表7 可知，試驗根據蒸發器運行情況對軟化工藝進行優化，優化后的碳酸鈉、氫氧化鈉、濃硫酸的投加量均有所下降，優化前軟化工藝藥劑投加值是按照100%去除硬度指標設定的，優化后按照軟化工藝硬度去除指標60%來設定投加量。每日藥劑用量如圖5 所示，工藝優化前后的藥劑投加量變化明顯，且蒸發裝置運行依舊保持穩定。

3 結論

1）通過試驗研究，二效蒸發濃縮液全量化處理技術能夠達到較好的處理效果，實現濃縮液中水和污染物的有效分離，試驗獲得了二效蒸發裝置穩定運行的關鍵技術參數。

2）化學軟化工藝降低了濃縮液硬度指標，有效降低了換熱器結垢風險。

3）二效蒸發裝置“外置列管換熱+強制循環+負壓蒸發”工藝特點實現了換熱界面與蒸發界面的分離，從技術原理上解決了物料在換熱界面因發生相變而導致的嚴重結垢問題。同時，單程固定管板式列管換熱器配合強制循環，使物料在列管加熱器內受熱均勻，傳熱系數高，有效降低換熱器在10 倍濃縮倍數條件下的結垢風險。

4）二效蒸發器的物料蒸發溫度穩定在55～70 ℃，未有大量有機物熱解產生的臭氣和異味。采用“酸洗滌+堿洗滌+活性炭吸附”臭氣處理工藝可以保證尾氣排放達標，且無明顯感官異味。

5）蒸發裝置工藝凝液清澈透明，各項指標檢測結果均保持相對穩定。濃縮液全量化處理技術中設置反滲透膜作為深度處理工藝，確保出水達到GB 16889—2008 表2 標準。

6）預期二效蒸發濃縮液全量化處理技術可廣泛運用在垃圾填埋場膜濃縮液中，在垃圾填埋場應用時可以利用填埋場內的填埋氣，在工藝可行的情況下節省能源。