基于碟管式反滲透處理垃圾滲濾液的應(yīng)用分析

李為實(shí)

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230009)

引 言

為全方位管控各類廢棄物排放、推動(dòng)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展、著重解決水污染防控及其相關(guān)技術(shù)優(yōu)化，垃圾填埋場產(chǎn)生的垃圾滲濾液其處理問題被作為水污染防治攻堅(jiān)克難的關(guān)鍵[1-2]。垃圾滲濾液產(chǎn)生于填埋過程中因發(fā)酵、降水淋溶及其他水分參與形成的一種高濃度有機(jī)廢水[3]，其具有水質(zhì)復(fù)雜、金屬離子濃度高及營養(yǎng)比例失調(diào)等特點(diǎn)，現(xiàn)今國內(nèi)外在面對(duì)垃圾滲濾液處理問題時(shí)主要通過三種方法進(jìn)行解決，分別是：生物處理法、土植法及物化法。傳統(tǒng)的生化處理法在處理垃圾滲濾液時(shí)，要求進(jìn)水水力負(fù)荷及有機(jī)負(fù)荷變化小、對(duì)系統(tǒng)搭建場地及自身穩(wěn)定度要求高，土植法處理周期過長，而物化法中膜分離技術(shù)手段的處理克服了其他方法在處理污水選用工藝時(shí)對(duì)水質(zhì)、水量、場地及系統(tǒng)穩(wěn)定性的高要求，可在中小型的垃圾填埋場滲濾液的處理中推廣使用，其中碟管式反滲透(disc-tube reverse osmosis，簡稱DTRO)膜系統(tǒng)就是專門針對(duì)垃圾滲濾液處理設(shè)計(jì)的工藝方法[4～6]。

在實(shí)現(xiàn)滲濾液處理達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，探求高自動(dòng)化及更少的運(yùn)行費(fèi)用投入，一直是國內(nèi)外為之探索的目標(biāo)。但目前理論研究較多，缺少與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的數(shù)據(jù)對(duì)比，為更好的解決滲濾液處理問題，本研究選取泗縣垃圾填埋場滲濾液處理站運(yùn)行情況作為研究對(duì)象，從工藝選擇、運(yùn)行流程、運(yùn)行效果及運(yùn)行投入進(jìn)行闡述。通過兩級(jí)DTRO系統(tǒng)的使用，觀察系統(tǒng)滲濾液出水水質(zhì)、高自動(dòng)化的運(yùn)行效果及分析更低的運(yùn)行成本，從系統(tǒng)配套使用的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)比其在減少成本上的優(yōu)越性。研究成果可為我國建設(shè)規(guī)模為Ⅲ類、Ⅳ類型(中小型)垃圾填埋場滲濾液的處理工藝選擇提供數(shù)據(jù)參考。

1 工程概況

安徽泗縣垃圾填埋場建設(shè)規(guī)模為日處理生活垃圾220t，通過比對(duì)《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》建設(shè)規(guī)模在200～500t/d的填埋場屬于Ⅲ類型填埋場，填埋場總庫容為105.22×104m3，庫區(qū)占地面積11.7hm2，服務(wù)年限為14年。于2017年開始運(yùn)行，場區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的滲濾液、地面及車輛清洗水均匯入處理規(guī)模為250m3/d滲濾液處理站(15 000m3調(diào)節(jié)池+兩級(jí)DTRO+吹脫)處理后，最終排入新濉河。泗縣垃圾填埋場滲濾液處理站進(jìn)水水質(zhì)設(shè)計(jì)參考同類型填埋場實(shí)測(cè)指標(biāo)，出水水質(zhì)需滿足《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中排放要求，化學(xué)耗氧量(CODCr)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)及懸浮物(SS)各項(xiàng)污染因子進(jìn)出水指標(biāo)如表1所示。

表1 進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Water quality index of inlet and outlet

2 工藝選擇

發(fā)展前景好運(yùn)用普遍一直都是膜技術(shù)在滲濾液處理上的優(yōu)勢(shì)，與其他技術(shù)相比，膜技術(shù)還具有受原水質(zhì)變化影響小，出水水質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，從而也使這種技術(shù)在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用[7～9]。反滲透則是膜處理方法中最具代表性的一種，其中主要可分為：碟管式反滲透及碟管式納濾(DTNF)兩種，碟管式處理系統(tǒng)對(duì)填埋場滲濾液的水質(zhì)要求相對(duì)較低，僅需簡單預(yù)處理，便可在工程實(shí)踐中進(jìn)行運(yùn)用。

以滲濾液原水水質(zhì)、出水要求及工程投入為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際情況，可按需求在兩級(jí)DTRO、單級(jí)DTRO、膜生物反應(yīng)器(MBR)+單級(jí)DTRO/單級(jí)DTNF、DTRO與DTNF組合等工藝中進(jìn)行選擇[10]，各工藝適用情景如表2所示。

表2 工藝適用情景[11]Tab.2 Process application situation

由于泗縣填埋場可生化條件較弱，因此需選用適用于生物處理技術(shù)受限的處理工藝，結(jié)合出水水質(zhì)要求，選定以兩級(jí)DTRO系統(tǒng)為工藝核心的處理工藝進(jìn)行處理滲濾液。

3 運(yùn)行流程及效果

3.1 處理方法

滲濾液處理站選用“調(diào)節(jié)池+兩級(jí)DTRO+吹脫”處理工藝。日處理規(guī)模為250m3，原水電導(dǎo)率按20ms/cm(水溫>15℃)設(shè)計(jì)，其中一級(jí)DTRO設(shè)計(jì)回收率為72%，二級(jí)設(shè)計(jì)回收率90%，總回收率為70%。水量平衡及流程圖如下圖所示。

圖 兩級(jí)DTRO處理系統(tǒng)水平衡及流程圖(單位：m3/d)Fig. The process flow and water balance of two-stage DTRO treatment system

3.2 兩級(jí)反滲透處理系統(tǒng)

表3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 The design parameters of system

為降低后續(xù)設(shè)施的沖擊負(fù)荷，填埋區(qū)產(chǎn)生的滲濾液先匯入調(diào)節(jié)池內(nèi)[12]。隨后泵送至原水箱，該環(huán)節(jié)根具實(shí)時(shí)監(jiān)控可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)系統(tǒng)觀察原水pH，通過投加酸液的方式使進(jìn)入膜處理系統(tǒng)的原水pH保持在6～6.5之間。經(jīng)過濾后進(jìn)入一級(jí)DTRO處理，出水分為兩個(gè)部分，分別由濃縮液和透過液組成，濃縮液將泵送回灌垃圾山[13]，透過液直接進(jìn)入二級(jí)DTRO膜系統(tǒng)進(jìn)行處理，處理后還會(huì)產(chǎn)生少量濃縮液，將二次產(chǎn)生的少量濃縮液輸送回原水箱進(jìn)行再循環(huán)，以提高系統(tǒng)回收率，而出水將進(jìn)入脫氣塔進(jìn)行吹脫除去二氧化碳等氣體，為確保出水pH值在6～9之間，在外排前根據(jù)PLC系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控值加堿調(diào)節(jié)pH，最終泵送外排至外環(huán)境。系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

3.3 運(yùn)行維護(hù)清洗

滲濾液中含有大量難溶鹽離子，在運(yùn)行過程中極易在兩級(jí)膜處理過程中殘留在膜柱內(nèi)結(jié)垢，如若不及時(shí)處理不僅會(huì)造成阻塞，還會(huì)降低膜的使用壽命，因此及時(shí)的清理這些污垢非常必要。泗縣垃圾填埋場滲濾液處理站使用PLC的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，通過設(shè)定好的時(shí)間及提前投加入酸堿罐中的清洗液和阻垢劑，可實(shí)現(xiàn)無人現(xiàn)場操作的情況下系統(tǒng)定時(shí)自動(dòng)清洗膜柱，僅需及時(shí)增補(bǔ)清洗液阻垢劑就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的操作。

3.4 處理效果

為掌握系統(tǒng)運(yùn)行效果，對(duì)各污染指標(biāo)進(jìn)行定期出水檢測(cè)，指標(biāo)分別為：pH、COD、NH3-N、TN、TP，檢測(cè)結(jié)果見表4。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)出水電導(dǎo)率均值記錄如表5所示。

表4 出水定期檢測(cè)指標(biāo)Tab.4 The regular monitoring index in effluent water

表5 進(jìn)出水電導(dǎo)率Tab.5 Conductivity of water inlet and outlet (μs/cm)

從表4及表5中可得出如下結(jié)論：

(1)表4的檢測(cè)結(jié)果顯示，系統(tǒng)處理后出水CODCr濃度普遍低于26 mg/L，NH3-N濃度低于15 mg/L，出水水質(zhì)較為穩(wěn)定，且各項(xiàng)指標(biāo)均低于《生活垃圾填埋場污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》所要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。

(2)觀察表5可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過兩級(jí)DTRO處理后出水電導(dǎo)相較于進(jìn)水電導(dǎo)有了非常大的降低，由此亦可見該方法對(duì)滲濾液的處理高效穩(wěn)定。

(3)運(yùn)行期間通過PLC系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)添加阻垢劑，記錄每一環(huán)節(jié)壓力泵數(shù)值、進(jìn)出水各階段電導(dǎo)率及水量，方便觀察、維護(hù)、可大大減少人工操作成本，全流程可實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化。

(4)為延長設(shè)備使用壽命防止膜柱結(jié)垢而影響出水，在運(yùn)行期間設(shè)定PLC實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，控制定期清洗膜柱，從而保證整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行期間高效且穩(wěn)定。

4 初期投入及運(yùn)行成本

本項(xiàng)目泗縣垃圾填埋場滲濾液處理站建設(shè)總花費(fèi)為834萬元，包括兩級(jí)DTRO系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)及PLC實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)等。滲濾液處理站在運(yùn)行過程中，會(huì)在用電、人工、清洗劑及設(shè)備維護(hù)上產(chǎn)生費(fèi)用。試驗(yàn)期間系統(tǒng)年進(jìn)水量61 609t，月均處理滲濾液5 134t，運(yùn)行各項(xiàng)費(fèi)用及單價(jià)如表6所示。

表6 運(yùn)行成本一覽表Tab.6 The project operation cost list

查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，相似場地條件及設(shè)備布置的情況下，處理能力200t/d的安岳垃圾填埋場滲濾液處理站每噸廢水處理成本為41.82元，其中電費(fèi)與藥劑費(fèi)共計(jì)34.19元/t[14]，而處理能力250t/d的泗縣垃圾填埋場滲濾液處理站處理每噸廢水成本為56.18元，其中電費(fèi)與藥劑費(fèi)共計(jì)35.45元/t。造成成本差異的主要原因是由于本項(xiàng)目所采用PLC實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)使得藥劑可以按照設(shè)定值進(jìn)行投加，解決了投加過度而導(dǎo)致的浪費(fèi)及不及時(shí)的投加而使得膜片損耗的情況，使用PLC實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)后，用電消耗與藥劑費(fèi)合計(jì)占比由未使用PLC系統(tǒng)的81.76%，降至本項(xiàng)目的63.1%，高度自動(dòng)化處理不僅減少消耗降低了成本，還使膜的使用壽命增長，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

經(jīng)實(shí)踐證明，以兩級(jí)DTRO處理工藝為核心的“預(yù)處理+兩級(jí)DTRO+吹脫”處理系統(tǒng)，解決了部分填埋場生化處理法不適用的問題，相較于土植法其不受場地約束，整套系統(tǒng)高度自動(dòng)化，實(shí)時(shí)顯示各環(huán)節(jié)壓力泵數(shù)值、進(jìn)出水電導(dǎo)及各環(huán)節(jié)水量方便記錄，自動(dòng)清洗方便快捷提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，長期跟蹤觀察可也以看出整體運(yùn)行情況穩(wěn)定，通過對(duì)比可得本研究對(duì)象運(yùn)行成本更低。各污染因子的檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，滲濾液原水經(jīng)兩級(jí)DTRO工藝處理后，出水水質(zhì)可實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于排放標(biāo)準(zhǔn)要求。由此可見，碟管式反滲透處理工藝在解決建設(shè)規(guī)模為Ⅲ類、Ⅳ類型(中小型)垃圾填埋場滲濾液處理問題上可以做到出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，且因其高度自動(dòng)化可大大降低人員投入及運(yùn)行成本。