填埋場垃圾滲濾液兩級DTRO 濃縮液正滲透處理工程實(shí)踐

姚遠(yuǎn)

（上海緣脈環(huán)境科技有限公司，上海201611）

填埋場垃圾滲濾液是一種成分復(fù)雜的高濃度高含鹽有機(jī)廢水，早期填埋場滲濾液呈黑褐色，可生化性較好；填埋時間在5 年以上的中老齡滲濾液呈黃褐色，氨氮濃度高，可生化性較差。目前行業(yè)內(nèi)常規(guī)的滲濾液處理方法有“預(yù)處理+生物處理+深度處理+浸沒式燃燒蒸發(fā)（SCE）”組合工藝、“機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）+臭氣處理（VP）”組合工藝[1]。不論采用哪種技術(shù)，隨著時間的推移進(jìn)水水質(zhì)會產(chǎn)生較大偏差，從而導(dǎo)致運(yùn)營成本不斷提高。另外處理系統(tǒng)長時間運(yùn)行后，管道結(jié)垢污堵、膜通量會衰減，也會導(dǎo)致工藝系統(tǒng)產(chǎn)能下降、水質(zhì)變差、外排濃縮液產(chǎn)量變大。

基于以上原因，我司在某滲濾液應(yīng)急處理項目中提供了一套正滲透濃縮設(shè)備，對原系統(tǒng)二級DTRO 濃縮液進(jìn)行減量化處理。

1 正滲透技術(shù)簡介

正滲透技術(shù)和反滲透不同，它無需提供額外的泵及水壓作為驅(qū)動力，水通過半滲透膜的流動過程是依靠滲透膜兩側(cè)溶液的滲透壓差為驅(qū)動力，從低滲透壓側(cè)向高滲透壓側(cè)自然流動的過程。

正滲透系統(tǒng)的驅(qū)動力取決于汲取液及其濃度，例如用2-甲基咪唑類化合物作汲取溶質(zhì)，估算能夠獲得近30MPa 的滲透壓[2]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于DTRO 系統(tǒng)最高承受壓力120bar[3]。正滲透系統(tǒng)運(yùn)行壓力僅1-3bar，在高鹽廢水處理項目中，正滲透系統(tǒng)要比反滲透系統(tǒng)更加節(jié)約能耗。此外，正滲透膜表面光滑、抗污染特性好，易清洗干凈，特別適用于水質(zhì)波動大、有機(jī)物濃度高、硬度高、含鹽量高的水質(zhì)。

2 項目概況

某垃圾填埋場積存滲濾液應(yīng)急項目采用“預(yù)處理+兩級DTRO+浸沒式燃燒蒸發(fā)”工藝處理存量坑滲濾液。每天約有400 噸DTRO 濃縮液要送至浸沒式燃燒系統(tǒng)蒸發(fā)，能源消耗和運(yùn)營成本花費(fèi)非常大。業(yè)主希望能將濃縮液再減量，但經(jīng)過兩級DTRO 濃縮后，濃縮液中COD、氨氮、總含鹽量已經(jīng)達(dá)到一個非常高的水平，繼續(xù)使用DTRO 工藝已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)，由此將濃縮液減量作為一個課題進(jìn)行研究。目標(biāo)是在現(xiàn)有濃縮液的基礎(chǔ)上再減量50%，同時要求產(chǎn)水水質(zhì)須滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918-2002 中一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 工藝設(shè)計要點(diǎn)

3.1 高鹽濃縮系統(tǒng)

高鹽濃縮系統(tǒng)是用于汲取液循環(huán)再生的系統(tǒng)。由滲透壓公式估算可知，如果要將氯化鈉溶液濃縮至16%的濃度，需要提供的滲透壓至少為：Π=CRT=2×（160/58.5）×8.314×（273+20）=13325.1KPa=133.25bar，在這么高的壓力下使用普通的反滲透膜元件，反滲透膜片會被壓縮變型及至損壞。而使用美國FTS公司生產(chǎn)的HBCR 高鹽濃縮膜可有效的解決這個問題。這款膜通過改變膜脫鹽層結(jié)構(gòu)，降低了膜片對氯化鈉的攔截率，從而降低了給水壓力。設(shè)計時要將膜元件串聯(lián)起來使用。當(dāng)汲取液進(jìn)入膜系統(tǒng)，每透過一根膜元件就會有水產(chǎn)出，隨著汲取液濃度不斷升高，膜元件的產(chǎn)水量也依次變小，產(chǎn)水中含鹽量也逐漸增大。用軟件模擬計算可知：當(dāng)給水壓力在75bar 時，依次串聯(lián)30 根膜元件，汲取液中氯化鈉的濃度可以從8%濃縮至16%。按單支膜的壓損0.35bar 計算，給水壓力P最小=75bar+30×0.35bar+1.5×0.35bar (估計管道壓力損失) ≈86bar，超出了HBCR 膜允許的最大進(jìn)水壓力80bar。因此在設(shè)計系統(tǒng)時考慮選用段間增壓的方式來解決：將串聯(lián)的膜分為兩段，3：2 排布，段間設(shè)置6bar 增壓，可以滿足不超過系統(tǒng)最大給水壓力的前提下，通過段間增壓來彌補(bǔ)第一段的跨膜壓損，使兩段膜給水壓力基本接近，確保第二段膜濃縮不受影響。

3.2 汲取液溫度控制

正滲透設(shè)備的汲取液是循環(huán)使用的，運(yùn)行過程中汲取液溫度會逐漸升高。同時汲取液是依靠高鹽濃縮膜進(jìn)行再生，當(dāng)溫度超過45℃時膜會在高溫高壓下發(fā)生損壞，所以設(shè)計系統(tǒng)時要充分考慮溫度的影響因素。本項目進(jìn)水為DTRO 濃縮液，溫度常年穩(wěn)定在30-34℃。經(jīng)正滲透系統(tǒng)濃縮后會有6℃左右的溫升，大致在36-40℃，稀汲取液溫度和濃縮原液的溫度接近。當(dāng)稀汲取液經(jīng)過Pass I 高鹽濃縮膜濃縮后，汲取液會有4℃的溫升，同樣再經(jīng)過后面的Pass II、Pass III、Pass IV，每經(jīng)過一級反滲透都會有2℃左右的溫升。所以最終產(chǎn)水的總溫升ΔT=6℃+4℃+2℃+2℃+2℃=16℃,再考慮3-4℃裕度，系統(tǒng)設(shè)計時需考慮降溫20℃以上。根據(jù)計算，系統(tǒng)汲取液循環(huán)量為1-1.5m3/h，取上限1.5m3計，降溫所需要的制冷量為Q=（CP×r×V×ΔT）/H=4.1868kJ/kg.℃×1052Kg/m3×1.0m3×20℃/1h=88090KJ=21045kcal=9.1 匹（制冷量）≈10 匹。需要一套10 匹制冷量的冷水機(jī)作為汲取液冷卻設(shè)備。

3.3 汲取液清洗

本項目選用的汲取液是濃度16%的氯化鈉溶液。汲取液在循環(huán)使用過程中，會有少量有機(jī)物，陰、陽離子從廢水側(cè)透過進(jìn)入汲取液中，汲取液逐漸被污染。從以往工程數(shù)據(jù)總結(jié)，汲取液循環(huán)使用24h 后COD 增長100-200mg/L，這些透過的有機(jī)物會對HBCR 高鹽濃縮膜造成有機(jī)物污堵。去除汲取液中的有機(jī)物可以采用高級氧化法，也可以用膜法過濾。經(jīng)實(shí)驗采用高級氧化法時，若將水中COD 從200mg/L 降低到100mg/L，汲取液中殘留的雙氧水需要2-3 天時間才能反應(yīng)完全。殘留的氧化- 還原電位至少在400 以上，這對膜有很大的傷害，不適用于本項目。采用膜法做過濾試驗，試驗選用了陶氏NF90 納濾膜、蘇伊士DK 納濾膜、星達(dá)NFW-2B 物料分離膜，結(jié)果見下表。

不同納濾膜對比結(jié)果

通過數(shù)據(jù)對比最終選擇了星達(dá)NFW-2B 型物料分離膜。其膜過濾通量大、低氯化鈉截留率不僅可以減少膜元件的數(shù)量，同時汲取液的損耗也最小。

3.4 產(chǎn)水總氮控制

正滲透膜對水中離子的截留率從高到低排序為：SO42-＞Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+＞NH4+＞Cl-＞NO3-＞HCO3-，對二價離子和一價陽離子的截留率大于99.98%，對Cl-、NO3-截留率不佳，對NO3-的截留率和反滲透膜接近約70%～80%。當(dāng)汲取液循環(huán)使用一段時間后，原液中一部分NO3-離子也會進(jìn)入到汲取液中。考慮到本項目原液為生活垃圾填埋場存量坑滲濾液，滲濾液中的有機(jī)氮經(jīng)過多年生物化學(xué)反應(yīng)，基本上都轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡拖鯌B(tài)氮的形式。本項目進(jìn)水總氮約8000mg/L，氨氮約6000mg/L，由此可大致推斷NO3-約2000mg/L。按正滲透膜對NO3-離子70%截留率，對NH4+離子99.8%截留率計算，進(jìn)入汲取液系統(tǒng)的總氮含量TN=2000×（1-70%）+6000×（1-99.8%）=670mg/L。正滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水是稀汲取液經(jīng)過多級反滲透處理后得到的產(chǎn)水，按每級反滲透對NO3-截留率70%估算，需設(shè)計四級反滲透用于總氮指標(biāo)的控制：TN=670×（1-70%）4=5.4mg/L＜15mg/L。項目運(yùn)行后，產(chǎn)水總氮指標(biāo)一直保持在5mg/L 以下，完全符合當(dāng)初的設(shè)計計算。

4 工程實(shí)踐

本項設(shè)計規(guī)模為20 噸/天，全套系統(tǒng)由“預(yù)處理裝置”、“正滲透濃縮裝置”、“汲取液再生裝置”三個單元構(gòu)成，工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

4.1 預(yù)處理裝置

預(yù)處理裝置由過濾設(shè)備和調(diào)酸設(shè)備兩分部組成。正滲透膜元件的進(jìn)水網(wǎng)格采用了85mil 寬流道設(shè)計，原液中懸浮物含量TSS＜1000mg/L 即可直接進(jìn)入系統(tǒng)。本項目選用袋式過濾器作為預(yù)處理過濾器，濾袋精度50μm。

本項目選用的正滲透膜材質(zhì)為三乙酸纖維素（CTA），運(yùn)行時須保證進(jìn)水PH 值控制在5.5-6.5 為宜。另外垃圾滲濾液中含有一定量的HCO3-，在加酸時會有大量的氣泡產(chǎn)生。本項目選用鹽酸調(diào)節(jié)進(jìn)水PH 值，同時也考慮了調(diào)酸時的氣泡膨脹高度，設(shè)計了一個高4 米的混酸罐，混酸時預(yù)留1-2 米的膨脹空間，避免了因起泡膨脹而導(dǎo)致滲濾液外溢的現(xiàn)象。

4.2 正滲透濃縮裝置

本項目進(jìn)水為兩級DTRO 濃縮液，電導(dǎo)率在100000us/cm左右，TDS 在70000-80000mgL。要使汲取液和進(jìn)水之間產(chǎn)生足夠的汲取驅(qū)動力，汲取液中鹽分濃度必須比進(jìn)水鹽分濃度高6萬-8 萬mg/L，但同樣因為汲取液濃度和進(jìn)水濃度相差較大，很容易會在正滲透膜內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)濃差極化現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)水通量下降以及膜的污堵[4]。因此本項目將正滲透系統(tǒng)設(shè)計為三段，每段都有各自的內(nèi)循環(huán)泵，分階段逐步被濃縮；同時汲取液反向進(jìn)入系統(tǒng)，先進(jìn)入第三段，再流經(jīng)第二段，最后進(jìn)入第一段，分階段逐步被稀釋。這樣可以使各段進(jìn)水的濃度逐級升高，各段汲取液濃度逐級下降，每段進(jìn)水和汲取液間鹽分的濃度差能維持在2-3 萬左右，降低濃差極化帶來的影響，同時還可以使每支膜的產(chǎn)水量均衡。每一段的廢水側(cè)和汲取液側(cè)都配有大流量循環(huán)泵，廢液側(cè)的循環(huán)流量約30-40m3/h，汲取液側(cè)循環(huán)流量約1-1.5m3/h。通過大流量循環(huán)沖刷既能讓每一段內(nèi)的廢水濃度和汲取液濃度基本保持穩(wěn)定，又可解決因濃差極化導(dǎo)致鹽垢富集在膜表面的問題[4]，詳見圖2 所示。

圖2 正滲透裝置流程簡圖

本項目共配置36 支FO-CTA-8040-85 正滲透膜元件，單支膜元件面積為13.5m2/支，設(shè)計運(yùn)行通量1.8 L/m2.h。廢水給水壓力為145KPa，廢水循環(huán)壓力為300KPa，汲取液給水壓力為45KPa，汲取液循環(huán)壓力為90KPa。

4.3 汲取液再生裝置

汲取液再生裝置主要包括高鹽濃縮膜設(shè)備和汲取液清洗設(shè)備兩個部分。高鹽濃縮設(shè)備是將汲取液循環(huán)濃縮的系統(tǒng)，可以根據(jù)產(chǎn)水水質(zhì)要求將其分為3-4 級處理。第一級作用主要是濃縮，選用的是高鹽濃縮膜，這是一款改性的反滲透膜，可在70-75bar 給水壓力下，將氯化鈉溶液濃度從8%濃縮至16%，但同時產(chǎn)水中鹽分可達(dá)到20000-40000mg/L。所以需要設(shè)計第二級、第三級反滲透系統(tǒng)對產(chǎn)水中的鹽分進(jìn)行回收。本項目第二級反滲透系統(tǒng)選用的是海水淡化膜，海水淡化膜的濃水返送至第一級的進(jìn)水箱（稀汲取液水箱），產(chǎn)水送至第三級系統(tǒng)。第三級和第四級系統(tǒng)均與第二級系統(tǒng)類似，濃水返回前一級進(jìn)水水箱，產(chǎn)水進(jìn)入下一級系統(tǒng)。

汲取液在每進(jìn)入一次正滲透系統(tǒng)后，除了會把原液側(cè)的水吸到汲取液側(cè)，同時廢水中的一些少量小分子有機(jī)物、微量的一價、二價離子會透過滲透膜進(jìn)入汲取液中。因此需設(shè)計一套在線清洗系統(tǒng)，通過不間斷的清洗汲取液，才能保證整個汲取液系統(tǒng)受污染的程度達(dá)到一個動態(tài)的平衡。

項目共配置30 支HBCR-4040 高鹽濃縮膜，24 支SW30-4040 海 水 淡 化 膜，6 支BW30-4040 反 滲 透 膜，6 支NFW-2B-4040 清洗膜。各級高壓泵給水壓力依次為：75bar、40bar、25bar、10bar，汲取液清洗系統(tǒng)高壓泵給水壓力為20bar。

5 處理效果及成本分析

本項目直接運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)。按電費(fèi)0.9 元/kw.h、酸費(fèi)0.9 元/L 計算。從8 月份開車至12 月份，共處理DTRO濃縮液2658.4m3，產(chǎn)出合格水1339m3，回收率50.37%；共用酸74144L，電87803kw.h，噸水酸耗27.89L。噸水電耗33.03kw.h，平均噸水運(yùn)行費(fèi)用54.83 元。經(jīng)過4 個多月的連續(xù)運(yùn)行，產(chǎn)水指標(biāo)穩(wěn)定在CODcr≤10mg/L，氨氮≤1mg/L，總氮≤5mg/L，總磷≤0.1mg/L，PH 6-7，優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918-2002 一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)。此外，在連續(xù)運(yùn)行期間一共只做了2 次化學(xué)清洗，平均2 個月才做一次。這也很好的驗證了正滲透系統(tǒng)抗有機(jī)物污堵的優(yōu)良特性。

6 結(jié)論

本項目從工程實(shí)踐中驗證了正滲透工藝處理DTRO 濃縮滲濾液是完全可行的。正滲透工藝用于污水處理行業(yè)優(yōu)勢明顯，相比傳統(tǒng)的反滲透工藝，正滲透更耐污堵、耐水質(zhì)波動、耐高COD、耐硬度，并且正滲透運(yùn)行能耗低、系統(tǒng)回收率非常高，特別適合用于處理反滲透及DTRO 所不能處理的高含鹽、高硬度、高COD 污水。正滲透工藝作為一個新推入市場的技術(shù)，目前在國內(nèi)的應(yīng)用還較少，但隨著時間的推移，正滲透工藝一定會被廣大環(huán)保人員所熟知，更廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域。