MVR 強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)處理垃圾填埋場(chǎng)滲濾液膜濃縮液

蔡名金

（中創(chuàng)水務(wù)科技環(huán)保（廣東）有限公司，廣東 中山 528458）

1 工程背景概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民生活水平的不斷提高，我國(guó)生活垃圾填埋場(chǎng)的垃圾填埋量逐年增加，由此產(chǎn)生的垃圾滲濾液量也一直呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)。目前我國(guó)垃圾滲濾液處理普遍采用預(yù)處理+膜生物反應(yīng) 器 （Membrane Bio-Reactor， MBR） + 納 濾（Nanofiltration，NF） +反滲透（Reverse Osmosis，RO）處理工藝。NF 和RO 處理過程中會(huì)不斷地產(chǎn)生膜濃縮液，約占垃圾滲濾液原水體積的13%～30%［1］。由調(diào)研結(jié)果可知，目前市場(chǎng)上鮮有穩(wěn)定運(yùn)行的濃縮液處理工程案例，濃縮液多采用回灌至生活垃圾填埋場(chǎng)、送往污水處理廠等方式進(jìn)行處理［2］。展望未來，膜濃縮液處理市場(chǎng)潛力巨大，迫切需要更多成熟穩(wěn)定、運(yùn)行可靠的工藝技術(shù)。

滲濾液在常規(guī)預(yù)處理、厭氧和好氧生化的處理過程中，有機(jī)質(zhì)、氮、磷和懸浮物等物質(zhì)得到了有效去除，而鈣、鎂、鈉、鉀等陽(yáng)離子以及氯離子、硫酸根、重碳酸鹽等陰離子物質(zhì)經(jīng)過膜等深度處理單元后絕大部分都被截留在膜濃縮液中［3］。目前，膜濃縮液的處理方法主要有：①回灌工藝；②蒸發(fā)處理方法，包括浸沒燃燒蒸發(fā)法（SCE）和機(jī)械式蒸汽再壓縮處理法（MVC/MVR）等；③化學(xué)處理法，包括焚燒處理、超臨界水氧化處理和高級(jí)氧化處理等；④物化處理法，包括絮凝沉淀、吸附、膜分離、固化與穩(wěn)定化處理等；⑤組合處理工藝，包括無膜組合和有膜組合處理工藝或幾種工藝的組合［4-7］?；毓喙に嚽捌诳梢源龠M(jìn)填埋垃圾的分解、加速填埋場(chǎng)穩(wěn)定化進(jìn)程，但長(zhǎng)期回灌將導(dǎo)致滲濾液的電導(dǎo)率、CODCr、氨氮和硫酸鹽濃度增加，進(jìn)而降低膜工藝的處理效率，增加膜分離系統(tǒng)的運(yùn)行成本［4-5］。蒸發(fā)處理方法中SCE 技術(shù)是一種節(jié)能環(huán)保的新型燃燒技術(shù)，具有熱效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)對(duì)NH3-N去除效果不理想，濃縮液中高濃度的氯離子在系統(tǒng)加熱過程中可能會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生腐蝕；MVC/MVR技術(shù)對(duì)CODCr與TN 有很好的去除效果［4］，且自動(dòng)化程度高，但氯離子對(duì)其設(shè)備的腐蝕作用較嚴(yán)重，設(shè)備常存在結(jié)垢和腐蝕問題，需經(jīng)定期清洗與維護(hù)才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行?？傮w上蒸發(fā)處理方法減量效果好，但成本較高，應(yīng)不斷對(duì)其進(jìn)行工藝改良研究［5］?；貒姺贌幚硪话氵m用于垃圾焚燒廠，能夠徹底消除其中的污染物質(zhì)，但難以實(shí)現(xiàn)全量回噴情況下的穩(wěn)定運(yùn)行，回噴后還存在爐膛溫度下降、熱損失和爐膛腐蝕等問題［5］。高級(jí)氧化技術(shù)發(fā)展迅速，該技術(shù)可以將難降解有機(jī)物、色度良好去除，大幅提高BOD5/CODCr，但對(duì)鹽度的去除率不高，同時(shí)存在加藥量及用電量大、化學(xué)污泥產(chǎn)生量高、處理成本高、需與其他工藝聯(lián)合使用才能保證達(dá)標(biāo)排放等問題。多數(shù)物化處理法能夠使污染物氧化或礦化，將其有效去除，從根本上消除二次污染的可能性，但很多處理方法仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，運(yùn)行成本高，能耗和藥劑消耗大，部分方法距投入實(shí)際應(yīng)用還有一定差距［5］。

因此，針對(duì)目前膜濃縮液處理的上述問題，對(duì)傳統(tǒng)MVR 技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和配置，制定預(yù)處理+MVR 強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶+母液干化技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱“本工藝技術(shù)”），并于2021 年3 月應(yīng)用于江西某垃圾填埋場(chǎng)膜濃縮液處理工程，取得了較好的效果。該工程處理規(guī)模為400 m3/d，進(jìn)水主要來自上游滲濾液處理廠產(chǎn)生的RO 膜濃縮液。以該處理工程為例，介紹本工藝技術(shù)的工藝技術(shù)原理、運(yùn)行效果和運(yùn)行成本，并分析其存在的問題及應(yīng)用前景等，可為同類型項(xiàng)目提供技術(shù)參考。

2 工藝流程與設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 工藝技術(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

膜濃縮液成分十分復(fù)雜，具有高CODCr、高氨氮、高含鹽量、高硬度、高腐蝕性且生化性較差等特點(diǎn)，在處理工藝選擇方面面臨很大的挑戰(zhàn)。為此，本工藝技術(shù)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)優(yōu)化和創(chuàng)新。

1）對(duì)于高硬度，采用軟化預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行高效沉淀去除，避免高硬度導(dǎo)致后續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備的結(jié)垢堵塞，減少設(shè)備清洗與維護(hù)頻率。

2）對(duì)于高含鹽量，采用蒸發(fā)結(jié)晶工藝使無機(jī)鹽結(jié)晶形成雜鹽提取出系統(tǒng)。

3）對(duì)高腐蝕性，在蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備與液體接觸的地方普遍采用鈦合金（TA2）的金屬材料，增強(qiáng)設(shè)備的防腐蝕性。

4）對(duì)于生化性較差的特性，采用污染物耐受程度高、可高效去除難生物降解物質(zhì)的強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)。

5）對(duì)于高氨氮，設(shè)置酸塔吸收單元，在酸塔內(nèi)二次蒸汽的氨氮和硫酸可反應(yīng)生成硫酸銨，進(jìn)而降低氨氮含量。酸塔采用具有防腐蝕的特殊纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）。

6）選用大流量、低揚(yáng)程、節(jié)能降耗的軸流式蒸發(fā)循環(huán)泵和成熟穩(wěn)定、性能優(yōu)秀的離心式蒸汽壓縮機(jī)來降低整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本和維修成本。強(qiáng)制循環(huán)泵提供的大流速也可以讓循環(huán)液對(duì)換熱列管進(jìn)行強(qiáng)烈沖刷，避免設(shè)備結(jié)垢。

2.2 工藝流程及工藝技術(shù)原理

該項(xiàng)目的工藝流程如圖1 所示。

圖1 項(xiàng)目工藝流程Figure 1 Process flow of the project

2.2.1 預(yù)處理系統(tǒng)

膜濃縮液由于硬度、堿度和懸浮物濃度比較高，必須進(jìn)行軟化預(yù)處理，避免鈣鎂等離子和懸浮物進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)導(dǎo)致加熱器換熱管管束結(jié)垢。膜濃縮液先由原液輸送泵提升至三聯(lián)箱，在三聯(lián)箱內(nèi)先投加氫氧化鈉（投加量為2.6 kg/m3），去除鈣鎂等離子，再投加聚合氯化鋁鐵（1.2 kg/m3）和聚丙烯酰胺（0.02 kg/m3），生成顆粒直徑較大的易沉降絮凝物，然后廢水進(jìn)入兩級(jí)澄清池進(jìn)行泥水沉淀分離。軟化澄清后的出水進(jìn)入到下一級(jí)MVR 強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)。經(jīng)澄清池沉降濃縮后的泥漿送至臥螺離心脫水機(jī)進(jìn)行脫水后外運(yùn)填埋處理。

2.2.2 MVR 強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)

膜濃縮液蒸發(fā)處理過程中，基本所有重金屬、無機(jī)物以及大部分大分子有機(jī)物都會(huì)保留在濃縮液中，只有少部分揮發(fā)性烴、有機(jī)酸和氨氮等污染物會(huì)進(jìn)入蒸汽，最終存在于冷凝液中。

MVR 強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)系統(tǒng)膜濃縮液的設(shè)計(jì)沸點(diǎn)升9 ℃，蒸汽壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)溫升19 ℃。蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)器和加熱器為非標(biāo)設(shè)備，鈦合金（TA2）材質(zhì)，共分兩套系統(tǒng)（單套處理能力為200 m3/d）。蒸發(fā)器為圓柱錐底型，柱體尺寸為Φ2 400 mm × 8 000 mm。加熱器為圓柱型，尺寸為Φ1 800 mm×9 200 mm。蒸發(fā)器采用反循環(huán)的方式，設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度為108 ℃。加熱器設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度為120 ℃，采用水平臥管的方式，換熱管采用水平雙向（兩程）的結(jié)構(gòu)形式，換熱管直徑Φ32 mm。強(qiáng)制循環(huán)泵采用ZWQ 系列軸流式蒸發(fā)循環(huán)泵，壓縮機(jī)采用離心式蒸汽壓縮機(jī)。強(qiáng)制循環(huán)泵提供的大流速可以讓循環(huán)液對(duì)換熱列管進(jìn)行強(qiáng)烈沖刷，避免設(shè)備結(jié)垢。

在蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)，膜濃縮液與MVR 蒸發(fā)器內(nèi)的循環(huán)液通過強(qiáng)制循環(huán)泵以一定的流速（大于2 m/s）流經(jīng)加熱器的換熱列管管程，與殼程的二次蒸汽進(jìn)行換熱，加熱后的料液進(jìn)入MVR 蒸發(fā)器，由于壓力降低，瞬間閃蒸產(chǎn)生二次蒸汽，物料不斷得到濃縮。閃蒸產(chǎn)生二次蒸汽先進(jìn)入酸塔，膜濃縮液中揮發(fā)進(jìn)入蒸汽中的氨氮和硫酸反應(yīng)，生成硫酸銨，大部分的氨氮被去除，設(shè)備出水氨氮≤25 mg/L，蒸餾水氨氮的濃度很低，能直接達(dá)到排放要求。經(jīng)過酸塔后的蒸汽繼續(xù)進(jìn)入堿塔，蒸汽中的揮發(fā)性烴、有機(jī)酸和氫氧化鈉反應(yīng)，生成有機(jī)鈉鹽，大部分的CODCr被去除，設(shè)備出水CODCr≤100 mg/L。

在蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)液的物料密度通過在線密度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)密度達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值（約1.3～1.4 g/cm3）時(shí)，通過PLC 程序控制濃縮液泵將物料輸出至旋流器進(jìn)行初步固液分離。旋流器底部的固形物進(jìn)入雙級(jí)推料離心機(jī)，雙級(jí)推料離心機(jī)進(jìn)一步降低固形物的含水率，最終形成雜鹽晶體然后進(jìn)入雜鹽打包系統(tǒng)，雜鹽打包后送至業(yè)主自有的填埋場(chǎng)處理。旋流器及雙級(jí)推料離心機(jī)的透過濾液（即母液）進(jìn)入到母液罐中暫存，然后進(jìn)入母液干化系統(tǒng)。

2.2.3 母液干化系統(tǒng)

母液罐中的母液通過母液泵投料進(jìn)入母液干燥機(jī)進(jìn)行干化處理。母液主要成分是氯化鈉、硫酸鈉、鈣鎂、有機(jī)物等組分。干燥機(jī)的熱源采用現(xiàn)場(chǎng)提供的蒸汽（0.8 MPa，175 ℃）。經(jīng)過干燥機(jī)干燥后的母液干粉成品含水率降低至10% 左右，噸袋打包后最終和離心機(jī)產(chǎn)生的雜鹽一并送業(yè)主自有的填埋場(chǎng)處理。

母液干燥機(jī)采用空心槳葉干燥機(jī)，該干燥機(jī)是以飽和水蒸氣或?qū)嵊蜑闊醾鲗?dǎo)的設(shè)備，干化流程見圖2。槳葉干燥機(jī)的工作原理：空心軸上密集排列著楔型中空槳葉，水蒸氣或?qū)嵊偷葻峤橘|(zhì)經(jīng)空心軸再流經(jīng)至槳葉，槳葉通過間壁傳熱加熱母液，母液沸騰產(chǎn)生水蒸氣。蒸發(fā)出來的水蒸氣及粉塵繼續(xù)由離心風(fēng)機(jī)排至尾氣處理系統(tǒng)處理。干燥機(jī)內(nèi)母液的水分不斷得到蒸發(fā)最終變成固體粉末狀排出系統(tǒng)。

3 測(cè)試指標(biāo)與分析方法

從水量、進(jìn)出水水質(zhì)、含水率和運(yùn)行成本進(jìn)行對(duì)比分析，其測(cè)試指標(biāo)及分析方法見表1。

表1 測(cè)試指標(biāo)及分析方法Table 1 Test indicators and analysis methods

4 運(yùn)行效果分析

1）軟化預(yù)處理系統(tǒng)可以有效去除膜濃縮液的硬度、堿度等污染物質(zhì)，避免進(jìn)水管路、加熱器、板式換熱器等關(guān)鍵核心單元結(jié)垢堵塞，提高系統(tǒng)設(shè)備在線運(yùn)行時(shí)間及延長(zhǎng)清洗除垢周期。在相同的運(yùn)行間隔周期和同樣的處理負(fù)荷下，軟化預(yù)處理系統(tǒng)投入使用前后的加熱器換熱管管束結(jié)垢比對(duì)情況見圖3。

圖3 軟化預(yù)處理系統(tǒng)投入使用前后的加熱器換熱管管束結(jié)垢比對(duì)情況Figure 3 Scale comparison of the heater heat exchange tube bundle before and after using the softening pretreatment system

2）強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶工藝可以有效地將Na＋、K＋、Cl-等無機(jī)雜鹽形成晶體提取出系統(tǒng)，避免這些無機(jī)鹽組分在蒸發(fā)過程中不斷濃縮富集從而影響蒸發(fā)效率。雙級(jí)推料離心機(jī)產(chǎn)生的雜鹽晶體的情況見圖4。雜鹽噸袋打包后送業(yè)主自有的填埋場(chǎng)進(jìn)行安全處置。

圖4 雜鹽晶體的生產(chǎn)情況Figure 4 Production status of miscellaneous salt crystals

3）鈦合金材料對(duì)膜濃縮液的高腐蝕性及蒸發(fā)運(yùn)行的高溫高濕環(huán)境具有良好的耐受性，蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)投入運(yùn)行超過1 a 的時(shí)間，系統(tǒng)停機(jī)清垢周期在20 d 以上，每次停機(jī)清垢都會(huì)對(duì)加熱器和蒸發(fā)器等核心部件進(jìn)行例行檢查，未見產(chǎn)生明顯的材料腐蝕現(xiàn)象。

4）本工藝技術(shù)應(yīng)用于該案例運(yùn)行情況良好，完全適用于膜濃縮液的水質(zhì)特點(diǎn)。經(jīng)過本工藝技術(shù)處理后，蒸餾水回收率平均在90% 以上，母液外排量平均少于10%（表2）。處理后出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到GB 16889—2008 生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)中表2 排放限值的要求（表3），且CODCr、BOD5、NH3-N、SS、TP 和TN 的 去 除 率 分 別 為97.28%、98.31%、96.15%、29.41%、99.30% 和98.14%。

表2 項(xiàng)目處理水量Table 2 Water treatment capacity of the project

表3 項(xiàng)目進(jìn)出水水質(zhì)Table 3 Inlet and outlet water quality of the project

采用快速鹵素水分測(cè)定儀對(duì)母液干化前后的含水率進(jìn)行測(cè)定，各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)如表4 所示。母液干化前含水率平均為78.1%（即含固率21.9%），母液干化后殘?jiān)势骄鶠?.2%，含水率降低了75.9 個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到了廢物減量從而降低外運(yùn)費(fèi)用的目的。

表4 母液干化前后的含水率Table 4 Water content before and after drying of mother liquor

5）本工藝技術(shù)與其他工藝的運(yùn)行效果優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表5 所示。

表5 本工藝與其他工藝的運(yùn)行效果優(yōu)缺點(diǎn)［5］Table 5 The advantages and disadvantages between this process and other processes［5］

5 成本經(jīng)濟(jì)分析

本案例的運(yùn)行成本如表6 所示。按出水量計(jì)算，膜濃縮液的處理成本包括電費(fèi)53.71 元/m3、藥 劑32.45 元/m3、蒸 汽3.59 元/m3和 自 來 水 費(fèi)1.03 元/m3，合計(jì)90.78 元/m3，其中未包括設(shè)備折舊費(fèi)、人工費(fèi)、母液干化費(fèi)用、污泥和雜鹽處置費(fèi)用。

表6 項(xiàng)目運(yùn)行成本Table 6 Operating costs of the project

選取了與本工藝技術(shù)相近的蒸發(fā)處理方法進(jìn)行運(yùn)行成本的對(duì)比，結(jié)果如表7 所示。

表7 本工藝與蒸發(fā)處理方法的運(yùn)行成本比較Table 7 Comparison of the operating costs between this process and evaporation treatment method

6 存在問題與展望

6.1 本案例存在的問題

本工程案例已運(yùn)行超過1 a，各項(xiàng)性能指標(biāo)良好?？偨Y(jié)該案例設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試和正式運(yùn)行的各個(gè)工程階段，主要存在如下問題：①蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備雖然占地面積較小，但總高度達(dá)15 m，現(xiàn)場(chǎng)安裝難度較大，安裝時(shí)間較長(zhǎng)；②設(shè)備系統(tǒng)與液體接觸的材料大部分為鈦合金，儀表、閥門較多為進(jìn)口或合資品牌，因此總制造成本較高；③整個(gè)濃縮液處理系統(tǒng)要求配備較高的PLC 自動(dòng)化控制系統(tǒng)，對(duì)管理和運(yùn)行操作技術(shù)人員的專業(yè)水平要求較高；④本案例的污泥和雜鹽處置費(fèi)用不具有普遍性，污泥和雜鹽送至業(yè)主自有的填埋場(chǎng)處理，因此并未產(chǎn)生費(fèi)用和存在管理上的問題。

6.2 展望

本工藝技術(shù)經(jīng)江西項(xiàng)目案例證明是基本可行的。針對(duì)該案例存在的問題，提出如下優(yōu)化措施：①將蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備進(jìn)行模塊化分割和設(shè)計(jì)，幾個(gè)模塊單元在制造工廠內(nèi)生產(chǎn)完成后再發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)組裝，減少現(xiàn)場(chǎng)安裝難度和時(shí)間；②多總結(jié)積累設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，減少設(shè)備堵塞結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，摸清膜濃縮液的腐蝕特性和各項(xiàng)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，甄選國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的設(shè)備和儀表閥門，減少項(xiàng)目的總造價(jià)和維護(hù)成本；③培養(yǎng)更多具備較高專業(yè)技能的管理和運(yùn)行操作技術(shù)人員；④系統(tǒng)分離出來的鹽泥的安全處置和出路直接關(guān)系到項(xiàng)目是否真正做到全量處理。其他項(xiàng)目鹽泥若需要進(jìn)一步外運(yùn)和處置將產(chǎn)生一定的費(fèi)用和存在管理上的問題。鹽泥的安全處置參考文獻(xiàn)有限，需要更多科技工作者和技術(shù)人員進(jìn)行研究。通過以上優(yōu)化措施，可使本工藝技術(shù)更加完善穩(wěn)定，更加適用于膜濃縮液的處理。

7 結(jié)論

預(yù)處理+MVR 強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶+母液干化的處理技術(shù)具有自身的特定優(yōu)勢(shì)，可以克服膜濃縮液處理的技術(shù)難點(diǎn)，原MVR 技術(shù)在工程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)備結(jié)垢和腐蝕、需要定期清洗與維護(hù)、成本較高等問題也得到了較好解決。軟化預(yù)處理可以有效去除硬度；MVR 強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)可以高效去除難以降解的大分子CODCr；強(qiáng)制循環(huán)泵提供的大流速可以讓循環(huán)液對(duì)換熱列管進(jìn)行強(qiáng)烈沖刷，避免設(shè)備結(jié)垢；酸塔可以高效去除氨氮；結(jié)晶系統(tǒng)可以將無機(jī)鹽形成晶體提取出系統(tǒng)，避免鹽分積累。應(yīng)用該技術(shù)的江西項(xiàng)目案例自2021 年3 月投入正式運(yùn)營(yíng)以來，運(yùn)行穩(wěn)定，出水達(dá)標(biāo)排放。蒸餾水回收率平均在90% 以上，母液經(jīng)過干化處理后含水率降低了75.9 個(gè)百分點(diǎn)，系統(tǒng)停機(jī)清垢周期在20 d 以上，加熱器和蒸發(fā)器等核心部件未發(fā)現(xiàn)腐蝕的情況，噸水直接運(yùn)行成本較低。該技術(shù)可直接應(yīng)用于大部分垃圾填埋場(chǎng)滲濾液膜濃縮液的處理，具有較廣闊的應(yīng)用前景。