生活垃圾卫生填埋场膜浓缩液全量化处理技术试验研究

时间：2024-05-22

张效刚，王甲，万辉，张玉飞，黄燕冰，刘彬

（1.广州环投环境服务有限公司，广东广州 510540 ；2.天津建昌环保股份有限公司，天津300202；3.广州环保投资集团有限公司，广东广州 510180）

0 引言

生活垃圾卫生填埋场渗滤液处理中反渗透处理单元会产生膜的浓水，即膜浓缩液，膜浓缩液具有高盐、高硬度、高难降解有机物的水质特性。浓缩液处理一直是行业技术难题，大多数填埋场采用浓缩液暂存或回灌垃圾堆体的方式维持运行。浓缩液回灌不仅容易导致垃圾堆体内部板结，造成堆体结构性风险，还直接导致渗滤液可溶解性盐类和难降解有机物不断富集，影响渗滤液处理设备的正常运行，造成生化系统处理效率下降，膜系统运行压力升高，影响渗滤液设施的处理能力和出水水质。

目前，我国常用的浓缩液处理工艺有蒸发和高级氧化工艺等，高级氧化技术因处理成本高、处理难达标而在实际应用中受到一定限制［1-2］。蒸发工艺主要是机械式蒸汽再压缩蒸发（MVR）和浸没式燃烧蒸发（SCE）［3］，实际应用的情况表明以上两种蒸发技术存在突出问题。机械式蒸汽再压缩蒸发处理浓缩液选择的蒸汽压缩机温升有局限性，导致处理量不能达标，从而吨水处理成本过高，而且蒸发器运行易发生结垢、污堵情况，影响设备正常运行。浸没式燃烧蒸发依赖于天然气或沼气作为热源，蒸发效能偏低，且常压蒸发导致异味严重，难以控制［3-4］。当前的技术瓶颈已经导致我国大多数垃圾填埋场存在一定的浓缩液存量，探索稳定可靠且操作环境良好的浓缩液处理技术已成为行业的迫切需求。

综上，本研究结合行业已经开展的研究工作，以广州某典型生活垃圾填埋场渗滤液浓缩液为处理对象，研究浓缩液全量化处理技术的可行性和可靠性，并探索蒸发装置稳定运行的关键技术参数及蒸发装置在10 倍浓缩倍数（浓缩倍数=进料量/母液量）运行条件下换热器的抗结垢性能［5-7］及蒸发过程产生的异味情况［8］。

1 试验内容和方法

1.1 浓缩液水质特性

试验研究的浓缩液是垃圾填埋场渗滤液处理设施中纳滤和反渗透（RO）产生的浓水混合物，具有高盐、高硬度、高难降解有机物的水质特性，其水质指标见表1。

表1 浓缩液水质特性Table 1 Water quality characteristics of concentrated solution

1.2 试验内容

浓缩液全量化处理的工艺流程见图1，强制循环二效蒸发是全量化处理工艺流程中的核心单元，试验对图1 中化学软化及预处理单元、二效蒸发和离心单元及配套的除臭单元开展研究，主要内容如下：①“双碱法”化学软化预处理工艺对浓缩液硬度指标去除效果［9］；②蒸发器采用“外置列管换热、强制循环、二效负压蒸发”工艺，探索稳定运行的关键技术参数；③10 倍浓缩倍数条件下，蒸发装置换热器抗结垢性能［10］；④离心机固液分离效果；⑤蒸发装置臭气处理工艺对臭气污染物去除效果。

图1 工艺流程示意Figure 1 Process flow schematic

1.3 试验方法

浓缩液进蒸发装置前采用“双碱法”化学软化预处理，降低浓缩液的硬度指标。将化学软化后的浓缩液pH 调节至微酸性，作为蒸发装置进料。利用生蒸汽为热源，为一效蒸发器加热，一效蒸发器的二次蒸汽供给二效蒸发器加热，一效和二效蒸发器均采用强制循环负压蒸发的运行方式，物料在蒸发器内高速流动，通过控制蒸发器的压力（真空度）、物料温度、物料密度、浓缩倍数等关键参数［9-10］，保持蒸发器的联动持续运行。浓缩液蒸发后的气相冷凝为工艺凝液；随蒸发过程进行，盐分和有机物在蒸发器中浓缩，通过离心机分离出饱和盐结晶和有机物，形成湿盐泥。因盐分的溶解度不同，需要定期排出母液［11］。

2 试验结果与分析

2.1 浓缩液软化

选择“双碱法”进行浓缩液预处理，在浓缩液原液进入蒸发装置前，向浓缩液原液中投加氢氧化钠和碳酸钠药剂，通过化学反应、沉淀排泥的方式，降低浓缩液的硬度［9］。

在化学软化水罐内投加NaOH，调节pH 为9～10，大量的镁盐和碳酸氢盐结晶沉淀，再投加适量的Na2CO3，通过搅拌反应大量的非碳酸盐钙硬度也可形成沉淀，并以排泥的形式导出系统。软化出水投加硫酸，pH 控制为5.5～6.0，进入蒸发单元。

对软化前后的浓缩液进行硬度指标检测，结果如表2 所示，研究证明选择“双碱法”对浓缩液进行预处理能有效降低浓缩液的硬度指标。

表2 硬度检测数据Table 2 Hardness test data

由表2 可以看出，硬度的去除率达到75% 以上，有效降低蒸发装置换热器的结垢风险。同时，试验发现软化工艺主要是无机盐以晶体形态析出，基本不会裹挟有机物沉淀。浓缩液中有机物以可溶性难降解有机物为主，在软化单元随悬浮物沉淀，去除率约5%。试验过程没有投加助凝剂和絮凝剂，因此有机物去除较少。

2.2 蒸发装置关键运行参数

蒸发装置在试验期间保持稳定运行，蒸发温度波动较小，其中一效蒸发器的蒸发温度范围为65～70 ℃，二效蒸发器的蒸发温度范围55～60 ℃，日均蒸发温度如图2 所示。

图2 一效、二效蒸发器物料日平均蒸发温度变化情况Figure 2 Changes on the daily average evaporation temperature of first-effect and second-effect evaporator materials

影响物料沸点的主要因素有外界压力、液体的饱和蒸气压、液体内杂质。试验采用了负压蒸发工艺，在真空泵的作用下，蒸发器内维持稳定的负压状态，可降低物料的蒸发温度。负压低温蒸发比常压蒸发或正压蒸发有明显优势，低温运行使设备运行的稳定性更高，而且低温蒸发不会有大量的有机物分解，异味控制效果明显。

表3 明确了蒸发装置稳定运行的关键控制参数。实际控制二效蒸发器真空度略高于一效蒸发器真空度，一效、二效蒸发器物料的蒸发温度分别为67.3、58.2 ℃。

表3 蒸发工艺热平衡Table 3 Evaporation process heat balance

一效和二效蒸发器换热温差均小于5 ℃，证明换热器保持了较好的换热性能。同时，一效蒸发器的二次蒸汽供给二效蒸发器加热，一效的蒸汽温度和二效的物料温度的换热温差稳定小于5 ℃，证明蒸发装置的热平衡稳定。

2.3 蒸发装置进水量、凝液量

蒸发装置平均处理量为2.80 m3/d，平均工艺凝液量为2.51 m3/d，如图3 所示，连续运行期间，蒸发装置进水量和凝液量稳定，凝液量随进水量变化。

图3 蒸发装置进水量、凝液量变化情况Figure 3 Changes on water inlet and condensate volume of evaporation device

2.4 换热器结垢

垃圾渗滤液浓缩液物料成分复杂，存在钙、镁、钡、硅等多种难溶盐污染物，这些难溶无机盐进入蒸发装置极易引起蒸发设备及循环管路结垢、影响蒸发效率，造成换热器频繁清洗［11］。分离器中的气相和液相在控制液面实现沸腾，蒸发装置二次蒸汽通过管道排出至冷凝器，过饱和溶液进行热结晶，强制循环工艺使固-液均相混合，一起进入加热器，晶体会与加热管壁产生摩擦防止换热列管结垢和结焦等问题。换热器的强制循环工艺使物料流速始终保持2 m/s 以上，达到强化传热的目的，同时使得传热效率得到较大提高，由于保持了管束中料液的高速流动，也防止了物料在加热管内壁富集，进而最大限度地阻止了污垢的产生。

蒸发装置的关键运行参数在整个试验期始终在合理区间内波动，换热温差没有明显变化，证明换热器没有发生结垢现象。试验结束后打开换热器端口，见证二效蒸发器的换热器污染结垢情况，管壁光滑，没有明显附着污染物，未出现结焦、结垢现象，其原因分析如下：①蒸发温度越高结垢越严重，现场通过控制蒸发器的真空度，保证一效和二效蒸发温度较低；②设置了软化预处理单元，去除了大部分硬度，有效降低蒸发器结垢趋势；③特殊设计的强制循环工艺，控制蒸发器表面流速，换热界面的切向力及时缓解和消除结垢。

2.5 凝液水质

由于蒸发装置的特殊设计，蒸发装置在试验研究中没有发生物沫夹带现象，保证了产水水质的稳定。蒸发装置工艺凝液清澈透明，试验过程中分别进行两次水质检测，检测结果如表4 所示。

表4 浓缩液、工艺凝液检测数据Table 4 Concentrates and process condensates test date

由表4 可知，工艺凝液各项指标测定值范围如下：pH 为6.5～7.5，COD 为300～400 mg/L，TDS在150 mg/L 以下，氨氮稳定在50 mg/L 以下。蒸发装置工艺对浓缩液污染物具有很高的去除率，工艺凝液污染物指标稳定［12］。

浓缩液中盐分和有机物主要在蒸发工艺中去除，浓缩液中水分变成水蒸气，实现与盐分和有机物的分离，仅有极少量有机物随水蒸气逃逸至工艺凝液。工程应用中经过RO 膜深度处理可以达到GB 16889—2008 生活垃圾填埋场污染控制标准表2 要求。

随着蒸发过程的进行，有机物会在蒸发器中浓缩，COD 控制值约为90 000～100 000 mg/L，有机物不仅成分复杂，表面活性较强的有机物还容易在蒸发器中产生泡沫，并通过雾沫夹带影响产水水质。现场设置了泡沫液位控制系统，通过泡沫液位连锁计量泵实现自动投加聚醚消泡剂，保证蒸发器泡沫的稳定控制。

2.6 臭气控制

浓缩液中存在的高浓度有机污染物和多种轻质带有异味的污染物（部分有机物在蒸发过程中高温热解，部分轻质带有异味的污染物在蒸发过程中随气相逸出），均通过蒸发装置释放不凝气进入环境中，产生臭气。试验研究选择水环真空负压蒸发技术，使蒸发器中的物料在55～70 ℃沸腾蒸发，有机物蒸发分解量大幅减少。结合臭气收集和除臭处理技术，保证臭气达标排放的同时，保障感官异味有效控制。

试验采用传统的“酸洗涤+碱洗涤+活性炭吸附”除臭工艺，现场无明显感官异味。如表5、表6 所示，试验期间进行两次臭气检测的数值均满足GB 14554—1993 恶臭污染物排放标准表1 二级新改扩建标准及表2 标准［12-13］。

表5 有组织异味排放检测数据Table 5 Organized odor emission test data

表6 厂界无组织异味排放检测数据Table 6 Data for fugitive odor emission testing at the plant boundary

试验选用的传统“酸洗涤+碱洗涤”主要采用酸、碱溶液分别循环喷淋，臭气中水溶性较好的恶臭成分溶解于酸碱溶液中。以硫酸为吸收剂，对氨的去除率达到95%，三甲胺的去除率可达90% 以上；以氢氧化钠和次氯酸钠的混合溶液为淋洗液，对硫化物的去除率可达90% 以上。酸碱洗涤对硫化氢、氨、三甲胺等污染物去除效果明显［13］。经过酸碱洗涤后再利用活性炭吸附法作为保障，吸附以气溶胶形态存在的臭气颗粒，有效保证了各项指标达到排放标准。

2.7 母液与盐泥

蒸发装置在保证浓缩倍数稳定的前提下，通过离心机固液分离后产生湿盐泥。二效蒸发器定期排出母液。

2.7.1 母液指标

母液量约占进料量的8%～10%，母液TDS 指标为4.5×105～5.0×105mg/L，有机污染物指标为9.0×104～1.0×105mg/L。在试验研究中，母液回流至填埋场浓缩液储存池。在浓缩液全量化处理工程中，母液可通过干化装置序批式干燥处理，实现盐泥含水率小于30%。

2.7.2 盐泥指标

试验阶段的盐泥主要由两部分组成，即软化盐泥和离心盐泥。软化盐泥主要以碳酸钙、碳酸镁和有机污染物为主，在浓缩液全量化处理工艺中可采用板框压滤机脱水至含水率小于60%。离心盐泥含水率第1 次、第2 次、第3 次检测及平均值分别为24.20%、16.10%、23.18%、21.16%，试验过程中离心盐泥含水率均小于30%。

在浓缩液全量化处理工艺中，软化盐泥、离心盐泥和干化盐泥一并通过添加固化剂和稳定剂的方式达到GB 18599—2020 一般工业固体废物贮存和填埋污染物控制标准及其修改单中的有关规定后，送至填埋场做填埋处置。

2.8 能源和药剂

2.8.1 能源指标

试验用电主要为蒸汽装置用电、电蒸汽锅炉用电、辅助设备用电等，由图4 可以看出，试验研究阶段，蒸发装置吨水耗电量稳定，耗电量为345.4 kWh/t。吨水耗电量较高的主要原因包括：①试验处理规模小，规模效应导致吨水电耗偏高；②试验采用电锅炉制作蒸汽，作为一效加热器的热源，耗电量较大。工程应用需要利用垃圾填埋场的填埋气，通过沼气锅炉制作生蒸汽作为蒸发装置的热源，大幅节省电量消耗。

图4 吨水耗电量变化情况Figure 4 Changes on electricity consumption per ton of concentrates

试验每日的自来水消耗量为1.68 m3/d，消耗的自来水主要用于设备一次开机补水、日常冷却塔补水、除臭设备补水、蒸汽锅炉补水、清洗冲洗用水等。其中日常冷却塔补水为自来水主要用水点，在浓缩液全量化处理工艺中可选用高能效的冷却塔以减少自来水消耗量。

2.8.2 药剂消耗指标

试验所用药剂均为常规工业药剂，分别为碳酸钠、氢氧化钠、浓硫酸、消泡剂，吨水药剂消耗量如表7 所示。

表7 吨水药剂消耗量Table 7 Pharmaceutical consumption per ton of concentrates

由表7 可知，试验根据蒸发器运行情况对软化工艺进行优化，优化后的碳酸钠、氢氧化钠、浓硫酸的投加量均有所下降，优化前软化工艺药剂投加值是按照100%去除硬度指标设定的，优化后按照软化工艺硬度去除指标60%来设定投加量。每日药剂用量如图5 所示，工艺优化前后的药剂投加量变化明显，且蒸发装置运行依旧保持稳定。