垃圾焚燒廠滲濾液軟化耦合膜處理工藝中試研究

龍吉生，黃祎晨，宗海峰，楊德坤，鄭云中

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

1 工程背景概述

我國城市生活垃圾含水率較高，隨地域及季節(jié)波動(dòng)較大。垃圾滲濾液產(chǎn)生量約占垃圾進(jìn)廠量的5%～28%［1］，氨氮、鹽分含量高［2］，BOD/COD一般在0.2～0.6［3］，可生化性較好。隨著新建及改擴(kuò)建垃圾焚燒項(xiàng)目環(huán)保要求的日漸嚴(yán)格，配套的滲濾液處理系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)須達(dá)到GB/T 19923—2005 城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)、GB/T 18920—2020 城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求后廠內(nèi)回用。

回用水相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對COD、Cl-等指標(biāo)都有著較高的要求，滲濾液處理為達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)要求，常采用以“厭氧+生化+深度膜（納濾NF+反滲透RO）+濃液再濃縮”為主的處理工藝。傳統(tǒng)的“NF+RO”處理工藝實(shí)際應(yīng)用案例較多，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，缺點(diǎn)在于系統(tǒng)回收率較低（NF 回收率85%，RO 回收率75%［4］），需輔助設(shè)置濃液再濃縮裝置對NF 及RO 濃縮液進(jìn)行處理，減少系統(tǒng)濃縮液的產(chǎn)生量。濃液再濃縮主要采用的工藝有物料膜、管式軟化膜（TUF） 及碟管式反滲透（DTRO）等?！盎瘜W(xué)軟化+TUF”可將原水中硬度降低，保證RO 系統(tǒng)產(chǎn)水達(dá)標(biāo)，但TUF 系統(tǒng)運(yùn)行需維持槽內(nèi)污泥濃度以保證固液分離效果，維護(hù)量較大，對運(yùn)行指標(biāo)控制的要求較高。物料膜、DTRO 等系統(tǒng)的運(yùn)行也在無形中增加投資、運(yùn)行成本及操作難度。

考慮到滲濾液濃縮液在焚燒廠內(nèi)僅能通過石灰制漿或飛灰螯合等進(jìn)行回用，該部分用水需求量少。為實(shí)現(xiàn)焚燒廠內(nèi)滲濾液完全回用，首先要求膜系統(tǒng)的處理工藝須有較高的整體回收率（一般≥80%），以降低濃縮液的產(chǎn)生量；其次產(chǎn)水水質(zhì)需要穩(wěn)定達(dá)標(biāo)且設(shè)備運(yùn)行可靠。結(jié)合目前各種滲濾液膜處理工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，本研究提出了“軟化+UF+RO”的膜處理新工藝，原理為投加軟化藥劑去除膜生物反應(yīng)器（MBR）出水中的硬度及重金屬離子，采用立式中空纖維超濾UF 代替TUF降低來水懸浮物（SS）、濁度后，進(jìn)入RO 進(jìn)行深度處理，達(dá)到回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。取消設(shè)置NF 可降低系統(tǒng)濃縮液的產(chǎn)生量。系統(tǒng)產(chǎn)生的污泥僅為化學(xué)污泥，污泥濃度低且已通過沉淀池排出，剩余未被排出的污泥通過中空纖維膜即可達(dá)到固液分離的效果，無需采用高污泥濃度固液分離的管式軟化膜。中空纖維膜運(yùn)行操作較簡便，運(yùn)行指標(biāo)控制要求低，整體自動(dòng)化程度高。

本研究通過構(gòu)建“軟化+UF+RO”膜處理新工藝試驗(yàn)裝置，對某垃圾焚燒廠的滲濾液處理系統(tǒng)MBR 出水進(jìn)行中試試驗(yàn)，探究該工藝的實(shí)際運(yùn)行情況，為該工藝的工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2 工藝流程與測試方法

2.1 試驗(yàn)工藝流程

中試試驗(yàn)具體工藝流程見圖1。滲濾液MBR出水投加軟化藥劑后進(jìn)入軟化反應(yīng)/沉淀池，沉淀后的清水通過溢流槽自流入U(xiǎn)F 集成裝置，沉淀池污泥定期排出系統(tǒng)（污泥可采用脫水機(jī)干化處理，含水率＜80%后入爐焚燒）。UF 產(chǎn)水進(jìn)行RO 集成裝置試驗(yàn)，RO 產(chǎn)水及濃水廠內(nèi)回用（產(chǎn)水回用于循環(huán)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水，濃水回用于尾氣處理部分石灰制漿、飛灰螯合等）。

圖1 “軟化+UF+RO”工藝中試流程Figure 1 Flow chart of“softening+UF+RO”process

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備主要包括軟化反應(yīng)/沉淀池、UF 裝置、RO 裝置、配套管路及電控設(shè)備（表1）?！败浕?UF”系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，處理量為1 t/h。RO 裝置采用分批次進(jìn)樣方式對單根RO 膜進(jìn)行試驗(yàn)，探究最佳運(yùn)行工況（進(jìn)膜壓力、回收率等）下系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

表1 “軟化+UF+RO”中試裝置主要設(shè)備規(guī)格Table 1 Main equipment specifications of the“softening+UF+RO”pilot test

2.3 測試指標(biāo)與分析方法

2.3.1 處理對象

中試試驗(yàn)處理對象為某垃圾焚燒廠滲濾液處理站MBR 系統(tǒng)出水。

該滲濾液處理站處理規(guī)模為800 m3/d，主要工藝為“螺旋格柵+調(diào)節(jié)池+預(yù)處理+加溫池+上流式厭氧污泥床（UASB）+兩級AO+外置式UF+NF+RO”，濃液再濃縮工藝為“兩級物料膜+高壓RO”，整體設(shè)計(jì)回收率為80%。

2.3.2 試驗(yàn)方法

1）軟化藥劑小試試驗(yàn)：取滲濾液處理站MBR出水500 mL，投加不同濃度的液堿（30%NaOH）進(jìn)行梯度軟化試驗(yàn)，靜置3 h 后，測定樣品上清液的總硬度。

2）“軟化+UF”中試試驗(yàn)：系統(tǒng)處理水量1 t/h。根據(jù)軟化小試試驗(yàn)確定的加藥量對MBR 出水進(jìn)行軟化，采用聚丙烯酰胺（PAM）輔助污泥沉降后，在沉淀池進(jìn)行泥水分離，根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)泥量確定排泥時(shí)間間隔。沉淀池出水設(shè)置加酸裝置回調(diào)pH，防止后續(xù)膜系統(tǒng)結(jié)垢污堵。經(jīng)pH 回調(diào)后進(jìn)入U(xiǎn)F集成裝置處理。原水首先自流入U(xiǎn)F 進(jìn)水箱（TK1），通過進(jìn)水泵（P1）泵入U(xiǎn)F 裝置處理，UF產(chǎn)水自流入產(chǎn)水箱（TK2）。反洗泵（P2）及羅茨風(fēng)機(jī)（BL1）定期對UF 裝置進(jìn)行反洗及氣擦洗，時(shí)間間隔為2 h，反洗、氣洗時(shí)間均為1 min。反洗加藥（P3A、P3B）根據(jù)UF 裝置運(yùn)行情況確認(rèn)是否需要啟用。該裝置中試試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行期為1個(gè)月?！败浕?UF”裝置實(shí)物照片及控制系統(tǒng)見圖2。

圖2 “軟化+UF”裝置Figure 2 “Softening+UF”equipment

3）RO 工作壓力試驗(yàn)：在RO 裝置進(jìn)料罐中投入一定量的“軟化+UF”產(chǎn)水后，通過調(diào)節(jié)循環(huán)泵的頻率、循環(huán)閥的開度可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行壓力（P）的控制；通過調(diào)節(jié)進(jìn)水、產(chǎn)水量可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)回收率的控制。試驗(yàn)運(yùn)行壓力由6.9 MPa（膜最高操作壓力，Pmax）依次遞減，記錄每組壓力下產(chǎn)水通量的變化情況，期間系統(tǒng)正常產(chǎn)水，濃水回至進(jìn)料罐。運(yùn)行至產(chǎn)水量占原液進(jìn)料量的80%后，根據(jù)產(chǎn)水通量（一般為10～15 L·m-2·h-1）確定最佳工作壓力P1。

4）RO 連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)：恒定最佳工作壓力P1，控制產(chǎn)水回收率為80%后，將系統(tǒng)產(chǎn)水也回流至進(jìn)料罐，進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)。記錄膜系統(tǒng)通量的變化情況，驗(yàn)證RO 系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行能力。進(jìn)料罐內(nèi)接入冷卻循環(huán)水，控制水溫在35～40 ℃。RO 集成裝置見圖3。

圖3 RO 裝置Figure 3 RO equipment

3 運(yùn)行效果分析

3.1 “軟化+UF”試驗(yàn)分析

“軟化+UF”產(chǎn)水總硬度須控制在200 mg/L以內(nèi)，以降低RO 系統(tǒng)的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。常用軟化藥劑為液堿（NaOH）與熟石灰［Ca（OH）2］，考慮到液堿的水質(zhì)軟化效果更好［5］，本次中試采用液堿作為軟化藥劑。為確定較優(yōu)的軟化加藥量，對廢水進(jìn)行液堿加藥量軟化小試試驗(yàn)，液堿軟化試驗(yàn)效果如圖4 所示。隨著液堿投加量的不斷增加，廢水的總硬度逐漸降低，在液堿加藥量為8.5 g/L 時(shí)，產(chǎn)水硬度≤200 mg/L，可以保證后續(xù)膜系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；繼續(xù)增加液堿到10.0 g/L 時(shí)，廢水中的總硬度基本去除。考慮到廢水處理的經(jīng)濟(jì)性，液堿加藥量采用8.5 g/L 進(jìn)行后續(xù)中試試驗(yàn)。

圖4 滲濾液MBR 出水軟化效果Figure 4 Softening effects of MBR effluent

根據(jù)軟化藥劑試驗(yàn)結(jié)果，采用液堿加藥量為8.5 g/L 進(jìn)行“軟化+UF”中試試驗(yàn)，同時(shí)添加陰離子PAM 輔助污泥沉降?！败浕?UF”中試試驗(yàn)裝置連續(xù)運(yùn)行周期為1個(gè)月，產(chǎn)水硬度去除情況見圖5，系統(tǒng)總硬度的去除率基本保持≥93%，說明該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定將廢水中的硬度去除。設(shè)備運(yùn)行期間，軟化產(chǎn)泥量為80～90 kg/d（絕干污泥），UF 產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在0.5～0.8 NTU，滿足RO進(jìn)水濁度＜1.0 NTU的要求。

圖5 “軟化+UF”系統(tǒng)硬度去除情況Figure 5 Hardness removal effects of the“softening+UF”system

“軟化+UF”中試試驗(yàn)裝置連續(xù)運(yùn)行期間實(shí)際物料輸入及輸出情況見表2。

表2 “軟化+UF+RO”中試系統(tǒng)運(yùn)行物料統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 “Softening+UF+RO”system material statistic results

3.2 RO 試驗(yàn)分析

RO 膜通量設(shè)計(jì)值一般為10～15 L/（m2·h），過高或過低的膜通量均會(huì)對系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響。本試驗(yàn)使用的RO 膜最高操作壓力為6.9 MPa?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)水回收率為80%，對RO 系統(tǒng)的工作壓力進(jìn)行梯度調(diào)節(jié)，膜通量隨工作壓力的變化見圖6。當(dāng)工作壓力為4.0 MPa 時(shí)，膜通量達(dá)到13.1 L/（m2·h），滿足RO 膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)通量的要求，后續(xù)試驗(yàn)采用此壓力作為工作壓力。

圖6 不同工作壓力下的RO 膜通量變化Figure 6 Changes of RO membrane flux under different working pressures

為驗(yàn)證RO 膜系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行情況，對RO 膜系統(tǒng)開展為期7 d 的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，日平均運(yùn)行時(shí)間6～7 h，運(yùn)行過程中第3 天和第6 天對RO膜系統(tǒng)進(jìn)行兩次5～10 min 的清水沖洗，RO 膜通量變化情況如圖7 所示。RO 膜系統(tǒng)起始通量為14.72 L/（m2·h），運(yùn)行至第3 天后降至4.97 L/（m2·h）。沖洗過后，第4天運(yùn)行升高至12.82 L/（m2·h），第6天下降至8.05 L/（m2·h），經(jīng)再次沖洗后升高至12.82 L/（m2·h）。兩次沖洗后的RO 膜通量均能達(dá)到初始通量的87.1%，且其值穩(wěn)定大于10 L/（m2·h），說明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。

圖7 壓力4.0 MPa 連續(xù)循環(huán)RO 膜通量變化Figure 7 Changes of RO membrane flux under continuous operation at 4.0 MPa

3.3 系統(tǒng)各階段水質(zhì)分析

“軟化+UF+RO”中試試驗(yàn)在液堿軟化加藥量8.5 g/L、RO 膜系統(tǒng)工作壓力4.0 MPa、產(chǎn)水回收率80%的條件下，各階段水質(zhì)檢測結(jié)果如圖8 所示。系統(tǒng)對總硬度及COD 的去除率分別達(dá)到99.4%和98.3%，產(chǎn)水總硬度及COD 分別為12 mg/L 和8 mg/L，滿足敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水的要求；對Cl-的去除率達(dá)到95.5%，Cl-未達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn)要求。原因?yàn)橹性囋囼?yàn)期間該滲濾液處理站MBR 出水中Cl-達(dá)到7 700 mg/L，高于MBR 出水Cl-正常值（4 000～5 000 mg/L）。若該滲濾液處理站MBR 出水Cl-在正常范圍內(nèi)，參考中試的去除率數(shù)據(jù)，則Cl-可達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 中試試驗(yàn)各階段產(chǎn)水水質(zhì)及污染物去除情況Figure 8 The quality of the produced water and the removal of pollutants in each stage of the pilot test

3.4 存在問題

“軟化+UF”工藝可代替NF 對RO 進(jìn)行預(yù)處理，且無需設(shè)置濃液再濃縮裝置提高系統(tǒng)回收率。但主要問題有：①試驗(yàn)MBR 出水Cl-偏高，導(dǎo)致在系統(tǒng)去除率正常的情況下，產(chǎn)水Cl-仍無法達(dá)標(biāo)回用。為保證系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，需結(jié)合項(xiàng)目具體的水質(zhì)情況考慮是否采用兩級RO 工藝；②采用液堿軟化的藥劑成本偏高，實(shí)際工程應(yīng)用探究的方向應(yīng)為根據(jù)原水水質(zhì)合理地選擇軟化藥劑，如考慮采用“熟石灰+液堿”或“熟石灰+碳酸鈉”等藥劑軟化，在滿足水質(zhì)軟化效果同時(shí)降低藥劑成本。

4 成本經(jīng)濟(jì)性分析

對中試新工藝的工程化應(yīng)用過程中產(chǎn)生的主要運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行分析，并與原滲濾液處理站工藝運(yùn)行成本進(jìn)行對比。

1）人工費(fèi)：同等處理規(guī)模條件下，運(yùn)行人員數(shù)量相同，人工費(fèi)不作比較。

2）電費(fèi)：中試工藝主要電耗設(shè)備為UF、RO裝置，運(yùn)行電費(fèi)節(jié)省約34.8%，考慮到中試試驗(yàn)處理規(guī)模與滲濾液處理站差異較大，該新工藝應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，設(shè)備用電量還會(huì)進(jìn)一步縮減。

3）設(shè)備折舊費(fèi)：中試新工藝主要折舊設(shè)備為UF、RO膜，原滲濾液站主要折舊設(shè)備有NF、RO、物料膜及高壓膜等，設(shè)備多，折舊費(fèi)用高。設(shè)備折舊費(fèi)用節(jié)省約70.6%。

4）藥劑費(fèi)：中試試驗(yàn)采用價(jià)格較為昂貴的液堿軟化，藥劑投加量大，藥劑費(fèi)有明顯的升高。由于經(jīng)濟(jì)性的影響，開展“熟石灰+液堿”軟化小試試驗(yàn)探究，熟石灰投加量0.75 g/L，液堿投加量2.30 g/L，產(chǎn)水總硬度≤200 mg/L。相較于單獨(dú)投加液堿軟化，藥劑費(fèi)可節(jié)省約66.9%，且與原滲濾液處理工藝藥劑費(fèi)相近。因此，實(shí)際工程應(yīng)用可考慮將液堿軟化加藥方式優(yōu)化為“熟石灰+液堿”聯(lián)合加藥方式，降低藥劑成本。

綜合電費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)，中試新工藝的運(yùn)行成本比原滲濾液處理工藝節(jié)省約46.7%。考慮到中試設(shè)備規(guī)模與項(xiàng)目實(shí)際規(guī)模差異較大，具體的經(jīng)濟(jì)性差異還需要深入探究。

5 結(jié)論

中試研究表明，滲濾液處理系統(tǒng)MBR出水采用“軟化+UF+RO”工藝處理，液堿軟化的pH為10.8～11.0、RO 運(yùn)行壓力為4.0 MPa、回收率為80%時(shí)，總硬度、COD、Cl-的去除率分別達(dá)到99.4%、98.3%、95.5%。系統(tǒng)具備短期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行的能力，長期運(yùn)行情況需進(jìn)一步探究。中試新工藝運(yùn)行成本與傳統(tǒng)“NF+RO+濃液再濃縮（物料膜+高壓RO）”工藝相比，電費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)可節(jié)省約46.7%。