石家莊某RDF 項目廢水處理系統運行及優化研究

黃光法，胡達清，李鋆，戚亮，王汝佩，代陳林

（1.浙江天地環保科技股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙能錦江環境控股有限公司，浙江 杭州 310011）

0 引 言

垃圾焚燒減量是當前國內外最為有效的垃圾處理方式之一，其相關技術已經相當成熟[1]。隨著我國垃圾焚燒產業高速增長的階段接近尾聲，發展重心正逐漸向中西部地區轉移，并從大中城市向縣鎮下沉。隨著新增項目的單體規模越來越小，導致單位投資額顯著上升且投資收益大幅下降[2-5]。在廣闊而分散的縣鎮區域直接建設垃圾焚燒電廠，基本不具經濟可行性。

通過資源化處理，將生活垃圾轉化為垃圾衍生燃料（Refuse Derived Fuel，簡稱RDF），減少垃圾轉運數量，并大幅提高其單位質量熱值，可以實現“分布式RDF 制備+集中式高效焚燒”模式，也可以直接作為能源密集型產業的替代燃料。因此，在垃圾處理行業中推廣該技術具有極大潛力[6-8]。

近年來，國內已有一定規模的RDF 項目進入商業運行階段。據了解，當前已建或規劃的RDF項目，廢水處理系統總體上參考垃圾焚燒電廠廢水處理的設計思路，采用“厭氧-多級A/O 膜濃縮”的主體流程。由于RDF 項目與垃圾滲濾液處理項目在功能定位、基礎設施等多方面的條件差異，細節上存在諸多不同。

本文選取石家莊某RDF 項目的廢水作為處理對象，分析廢水處理系統的具體運行情況。通過優化廢水處理系統，有效解決當前存在的問題，提高處理效果和運行經濟性，為其他RDF 項目廢水處理提供參考和依據。

1 RDF 制備線及廢水處理系統概況

1.1 RDF 制備線概況

生活垃圾制備RDF 的核心步驟是生物干化和分選，生物干化是利用堆肥的原理讓預破碎的混合垃圾發酵，產生熱量進行干燥脫水；分選是將垃圾中的不可燃物，如金屬、泥土、建筑垃圾等分離，是提升燃料質量的關鍵，通常需要進行機械、風力、磁力等多種方式組合分選和再破碎再分選。

經過這兩個核心步驟處理后的生活垃圾，減重約40%，圖1 是生活垃圾RDF 產品的外貌。

圖1 生活垃圾RDF 產品外貌

石家莊某RDF 項目建設規模為兩條RDF 制備線，原生垃圾設計處理能力1650 t/d（設計原生垃圾水分約50%，熱值約5230kJ/kg），采用生物干化+全自動機械分選工藝，工藝流程如圖2 所示，可獲得高熱值（約8368kJ/kg）、低水分（30%～40%）和粒徑均勻的RDF 產品。該項目處于產能提升階段，處理約600 t/d 的生活垃圾。

圖2 石家莊某RDF 項目工藝流程

如圖2 所示，RDF 項目的廢水來源主要是原生垃圾儲運過程產生的垃圾滲濾液，質量約為原生垃圾的10%～15%；RDF 制備過程中產生的冷凝液，質量約為原生垃圾的5%～10%；以及少量生活廢水和其他廢水。

參照常規垃圾電廠廢水處理系統設計，設置2×200 m3/d 滲濾液處理系統和1×200 m3/d 冷凝液處理系統，兩套系統主體流程獨立運行，污泥和臭氣等處理系統公用，工藝流程如圖3 所示。

圖3 廢水處理系統流程

左半部分為滲濾液處理系統，主要處理原生垃圾滲濾液，主體工藝為“預處理+厭氧反應器(UASB)+厭氧好氧(A/O)+外置式超濾+納濾(NF)+反滲透(RO)+消毒”，其中“納濾+反滲透”的設計預期綜合回收率≥60%；

右半部分為冷凝液處理系統，主要處理RDF制備過程產生的冷凝液和其他廢水，主體工藝為“厭氧好氧(A/O)+外置式超濾+反滲透(RO)+消毒”,設計預期反滲透回收率≥75%。

兩套系統的產水水質均按國家標準《城市污水再生利用工業用途用水質量》[9]表1 循環冷卻用途[9]以及《生活垃圾填埋場污染控制標準》相關指標要求設計[10]。

表1 滲濾液調節池月平均COD 含量（2022 年8—12 月）

1.2 廢水處理系統運行情況

初步統計了廢水處理系統2022 年8—12 月期間的各工藝裝置進出水質數據，總結分析如下。

1.2.1 COD 含量

表1 為2022 年8—12 月滲濾液調節池平均COD 含量，不同月份平均COD 含量相差較大，但都遠小于滲濾液系統進水COD 設計值60000mg/L。

結合表1 和圖4(a)中的COD 數據，經過厭氧工藝，8—12 月份出水水質中COD 大部分被去除，其去除率在75%以上。圖4(b)顯示了8 月份各部分出水COD 檢測值每日變化情況，數據波動幅度較大。

圖4 滲濾液各部分出水COD 值

經過膜處理后的廢水COD 長期穩定在40 mg/L 以下，符合工業再生用水COD 指標。

根據圖4(a)中的8—12 月滲濾液系統UASB與A/O 工藝部分出水的COD 均值，可以發現滲濾液UASB 出水COD 為1300～2000mg/L，但A/O 系統的出水COD 卻高達500～1000 mg/L，對比類似的垃圾滲濾液生化流程，A/O 進水COD 一般超過3000mg/L，出水COD 則為300～500 mg/L，存在明顯異常。初步判斷，原因為冷凝液系統實際進水COD 與設計相比偏低，UASB 過多消耗了后續A/O 運行所需的碳源，導致滲濾液A/O 系統長期處于碳源不足、污泥狀況不佳的狀態，造成出水水質較差。

冷凝液系統也出現了實際進水COD 遠小于設計的情況（設計為10000mg/L，實際僅2000mg/L 左右），長期需要摻入未經厭氧處理的滲濾液以補充碳源，維持污泥濃度，以保證設備正常運行。這相當于本應該由厭氧降解處理的COD，轉由A/O 工藝來處理，增加了運行成本。

總的來說，項目進水COD 偏離設計，導致兩套系統的生化工藝運行都不理想，運行成本高，出水水質差。

1.2.2 NH3-N 含量

表2 為8—12 月滲濾液調節池平均NH3-N 含量，圖5(a)為8—12 月A/O 池和清水池出水平均NH3-N 含量。圖5(b)為8 月份每日A/O 池和清水池出水NH3-N 含量的變化情況。

表2 滲濾液調節池月平均NH3-N 值（2022 年8—12 月）

圖5 滲濾液各部分出水NH3-N 值

經過UASB 工藝和A/O 處理后，水中絕大部分NH3-N 被去除，剩余NH3-N 含量低于20 mg/L。8 月份以后A/O 池出水NH3-N 有明顯升高，是為補充A/O 池碳源，有少量滲濾液不經UASB 直接進入A/O 所致。

清水池NH3-N 含量極低，除個別異常值外，均在1 mg/L 以下，符合工業再生用水NH3-N 含量指標。

1.2.3 pH 值

圖6(a)是8—12 月各部分工藝出水的pH 變化情況圖。調節池出水的平均pH 值呈弱堿性。A/O 工藝出水水質呈弱堿性，這與工藝中所用到的污泥有關。最后清水池中水質的pH 值接近7，符合國家工業再生利用工業用水水質標準。圖6(b)顯示了8 月份每日各部分出水水質pH 變化情況，除清水池外，各部分出水水質pH 值變化幅度不大，呈弱堿性居多。清水池中的再生出水呈弱堿性或弱酸性，排除個別異常數據，總體低于A/O 出水。

圖6 滲濾液各部分出水pH 值

2 廢水處理系統的問題與優化研究

2.1 廢水處理系統存在的問題

項目經過一段時間的運行，可以發現廢水處理系統存在一些問題，主要表現在以下方面。

1)系統部分技術指標偏離設計

最突出的是第2.1 節所說的進水COD 值遠低于設計值，尤其冷凝液的偏離情況更為嚴重，由于RDF 項目廢水處理在設計時缺乏足夠的數據參考，為了系統的可靠性，設計參數設置過高，既增加了基建投資，又增加了運行調節的難度，導致兩套廢水系統的A/O 池進水長期需要摻入未經厭氧處理的滲濾液以補充碳源，維持污泥濃度，以保證設備正常運行，增加了運營成本。

2)冷凝液與滲濾液水量比例波動幅度大

在設計時預估滲濾液產水量約為冷凝液的2倍左右，但實際生產中，該比例隨季節出現巨大波動。根據表3 中每月冷凝液與滲濾液兩部分產水量比值和具體產量來看，與預期相差較大，有多個月份嚴重偏離設計，對兩套系統的運行調節造成困擾，影響處理效果，增加運行成本。

表3 冷凝液與滲濾液月產水量比值（2022 年8—12 月）

3)動力成本高導致運行成本偏高

常規的垃圾焚燒電廠和RDF 項目，廢水處理系統的動力成本占到處理成本的2/3 以上，但垃圾焚燒電廠使用的是自發電，而RDF 項目無自發電系統。因此，RDF 項目的廢水處理成本超過50元/噸，遠高于垃圾焚燒電廠的30～35 元/噸。

4)濃水處置困難

常規的垃圾焚燒電廠和RDF 項目的廢水處理系統都會在流程末端產生濃水（來自納濾裝置和反滲透裝置的濃水），且該濃水一般不被常規的市政污水處理廠接納，需自行處置。

垃圾焚燒電廠會將濃水回噴鍋爐，雖然會影響鍋爐熱效率，但至少實現了廢水系統的水平衡和鹽平衡；而RDF 沒有鍋爐，對濃水幾乎沒有自我消納能力。現有流程對全部廢水的處理減量僅65%左右，處理后的濃水產生量平均為86.4 m3/d。曾經嘗試將濃水回灌原生垃圾堆場處置，但造成原生垃圾產生的滲濾液水質急劇惡化、鹽分快速上升，對廢水處理系統運行形成不可忽視的威脅，因此，目前只能以高額的成本外運處置。

2.2 廢水處理系統優化研究

2.2.1 冷凝液處理系統優化

綜合考慮第2.1 節提出的冷凝液進水COD 遠低于設計值和冷凝液與垃圾滲濾液水量比例變化量這兩個問題，需要反思單獨設置冷凝液處理系統的必要性。

從水質方面看，對比2022 年7 月冷凝液A/O出水與滲濾液A/O 出水指標，如表4 所示。兩者的COD、氨氮、電導都相差較小，冷凝液COD僅2000mg/L 左右，并不是設計時預想的冷凝液COD 高達10000mg/L。同時，兩套廢水系統A/O工藝的池型、水力停留時間、曝氣方式等差異不大，可以推斷兩套系統的A/O 工藝進水，即滲濾液經USAB 處理后的出水和冷凝液的水質比較接近，完全可以直接合并處理。

表4 冷凝液A/O進水與滲濾液A/O指標統計(2022年7月)

從廢水水量方面看，分析全年統計數據，冷凝液的水量波動與廢水總量波動基本呈相反的趨勢，廢水總量最多的時期滲濾液量是冷凝液量的3 倍左右。冷凝液并入滲濾液處理系統，不會出現兩種廢水水量同時出現高峰的情況，只需要適當放大滲濾液處理系統UASB 厭氧工藝后的裝置規模，會更加節省基建費用和運行成本。

以本項目為例，當前冷凝液處理系統長期運行在僅20%～40%水量負荷、需要額外補充碳源的工況下，對控制運行成本非常不利。

鑒于上述情況，對現行項目進行了調整，將冷凝液調節池出水管路聯通到滲濾液處理系統的厭氧好氧（A/O）裝置入口，冷凝液處理系統整體停運保養。預計該項措施會降低20%以上的運行成本。調整后的運行流程如圖7。

圖7 調整后的廢水處理系統流程示意圖

2.2.2 濃水的濃縮減量處理

本項目的濃水是指圖3 工藝流程所示，進入濃縮池的廢水。根據運行記錄，滲濾液的電導相對比較穩定，與項目設計的溶解性總固體(Total Dissolved Solids, TDS)15000 mg/L 基本相符，冷凝液TDS 抽樣檢測約為10000 mg/L，兩種廢水經膜系統處理減量65%后，濃水的TDS 上升至37000 mg/L 左右，考慮外運處置的成本，這部分濃水還有進一步濃縮減量的空間。經技術經濟性比選，采用基于生物-物理-化學聯合處理的深度處理技術(Dual Treatment Reactor With Ozone,DTRO)最具有經濟性。

按常規設計，應采用混凝軟化+過濾+多段式DTRO[11-12]，從而兼顧到較高的回收率和合理的運行能耗。但這樣的設計需要一定的場地布置，宜在基建時一并實施。

本項目由于場地過小，無法布置絮凝軟化和過濾裝置，采用了濃縮內循環模式的DTRO，即膜組件整體只有一段，但膜組件部分濃水直接回組件入口，與進水相混合，從而提高膜表面過濾膜速，防止結垢沉積。該設計的優點是進一步提高了膜系統的抗污染性能和回收率，但缺點則是運行能耗的大幅度上升。另外也設置了進水加酸脫氣、投加阻垢劑等輔助措施。

最終形成的方案是增加一套處理能力為210 m3/h 的DTRO 系統，設計進水水質為TDS 40000 mg/L，COD 3500 mg/L，硬度3800 mg/L（以碳酸鈣計）的污水，回收率不低于60%，工作壓力不超過9 MPa，設計膜通量不大于10 LMH。

DTRO 裝置在安裝調試完成后，實際運行中考慮到濃水外運處置的高昂成本，進一步調高了回收率，適當放寬產水電導限制。表5 統計了2022 年8—12 月冷凝液與滲濾液清水回收率，DTRO 平均回收率為75%左右。膜的化學清洗頻次控制在期望目標內，運行較為平穩，但運行能耗比常規設計的二段式DTRO 系統約6 kWh/m3高出近一倍。總體而言，雖然該方案的濃縮減量效果比較理想，但運行能耗和成本偏高，屬于場地條件不具備時的折中做法。

表5 冷凝液與滲濾液清水回收率統計(2022 年8—12 月)

2.2.3 其余有待實施的技術改進建議

RDF 項目存在濃水消納困難的難題，因此進一步的技術改造建議主要圍繞兩方面：

(1)在具備處置條件和經濟性的情況下，對DTRO 系統產生的濃水進行蒸發處理，產出結晶鹽，濃水不再外運。如采用蒸汽機械再壓縮技術（MVR），濃水蒸發的運維成本約60 元/噸，與外運處置相比，具有較好的經濟性。

(2)處理生化尾水的外置式超濾運行能耗遠高于常規MBR，建議在技術經濟性評估后，改為MBR 膜池或“混凝+過濾+普通超濾”以降低運行成本。另外，生化裝置的曝氣風機也應考慮選用更為節能的型號。

3 效益分析

3.1 運行費用

此次對RDF 廢水處理系統的優化改造研究，調整了系統管線和加藥方案，停運了部分設備，初步估算藥劑費、電費、換膜費和設備系統維護費，運行成本可降低約20%，折合約10 元/噸。

3.2 社會效益

本項目的廢水系統運行優化研究，解決了石家莊某RDF 項目廢水處理運行效果不穩定的問題。經處理后的再生水水質符合相關國家和行業標準，可以用作工業用水，不對周邊環境造成污染，促進當地環境優化。

4 結論

通過石家莊某RDF 項目廢水處理系統的建設和運行改善，對廢水處理系統的優化研究結論如下：

(1)該RDF 項目投運后的冷凝水COD 遠低于預期，給同類項目設計提供了重要參考。冷凝液水質與經過厭氧處理后的垃圾滲濾液水質比較接近，建議兩者合并處理，不再設置單獨的冷凝液處理系統，節省基建投資和運行費用的同時，更方便運行管理。

(2) RDF 項目的廢水處理項目，應以項目的物料平衡為優先考慮，應做到廢水處理系統產生的清水有合適的消納渠道，濃水有成本可控的處置方式，尤其濃水的濃縮減量程度，應在整體設計時就考慮在內，否則廢水處理會成為RDF 項目運行的最大瓶頸，也會顯著增加項目的運行成本。

(3)與垃圾焚燒電廠相比，RDF 項目沒有鍋爐發電部分，只能以工業用電為唯一動力來源，動力成本較高，廢水處理系統的設計應重點考慮節能因素，盡量避免選用高能耗的水處理工藝。