石家莊某RDF 項(xiàng)目廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行及優(yōu)化研究

黃光法，胡達(dá)清，李鋆，戚亮，王汝佩，代陳林

（1.浙江天地環(huán)保科技股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙能錦江環(huán)境控股有限公司，浙江 杭州 310011）

0 引 言

垃圾焚燒減量是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最為有效的垃圾處理方式之一，其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟[1]。隨著我國(guó)垃圾焚燒產(chǎn)業(yè)高速增長(zhǎng)的階段接近尾聲，發(fā)展重心正逐漸向中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，并從大中城市向縣鎮(zhèn)下沉。隨著新增項(xiàng)目的單體規(guī)模越來越小，導(dǎo)致單位投資額顯著上升且投資收益大幅下降[2-5]。在廣闊而分散的縣鎮(zhèn)區(qū)域直接建設(shè)垃圾焚燒電廠，基本不具經(jīng)濟(jì)可行性。

通過資源化處理，將生活垃圾轉(zhuǎn)化為垃圾衍生燃料（Refuse Derived Fuel，簡(jiǎn)稱RDF），減少垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)數(shù)量，并大幅提高其單位質(zhì)量熱值，可以實(shí)現(xiàn)“分布式RDF 制備+集中式高效焚燒”模式，也可以直接作為能源密集型產(chǎn)業(yè)的替代燃料。因此，在垃圾處理行業(yè)中推廣該技術(shù)具有極大潛力[6-8]。

近年來，國(guó)內(nèi)已有一定規(guī)模的RDF 項(xiàng)目進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行階段。據(jù)了解，當(dāng)前已建或規(guī)劃的RDF項(xiàng)目，廢水處理系統(tǒng)總體上參考垃圾焚燒電廠廢水處理的設(shè)計(jì)思路，采用“厭氧-多級(jí)A/O 膜濃縮”的主體流程。由于RDF 項(xiàng)目與垃圾滲濾液處理項(xiàng)目在功能定位、基礎(chǔ)設(shè)施等多方面的條件差異，細(xì)節(jié)上存在諸多不同。

本文選取石家莊某RDF 項(xiàng)目的廢水作為處理對(duì)象，分析廢水處理系統(tǒng)的具體運(yùn)行情況。通過優(yōu)化廢水處理系統(tǒng)，有效解決當(dāng)前存在的問題，提高處理效果和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，為其他RDF 項(xiàng)目廢水處理提供參考和依據(jù)。

1 RDF 制備線及廢水處理系統(tǒng)概況

1.1 RDF 制備線概況

生活垃圾制備RDF 的核心步驟是生物干化和分選，生物干化是利用堆肥的原理讓預(yù)破碎的混合垃圾發(fā)酵，產(chǎn)生熱量進(jìn)行干燥脫水；分選是將垃圾中的不可燃物，如金屬、泥土、建筑垃圾等分離，是提升燃料質(zhì)量的關(guān)鍵，通常需要進(jìn)行機(jī)械、風(fēng)力、磁力等多種方式組合分選和再破碎再分選。

經(jīng)過這兩個(gè)核心步驟處理后的生活垃圾，減重約40%，圖1 是生活垃圾RDF 產(chǎn)品的外貌。

圖1 生活垃圾RDF 產(chǎn)品外貌

石家莊某RDF 項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模為兩條RDF 制備線，原生垃圾設(shè)計(jì)處理能力1650 t/d（設(shè)計(jì)原生垃圾水分約50%，熱值約5230kJ/kg），采用生物干化+全自動(dòng)機(jī)械分選工藝，工藝流程如圖2 所示，可獲得高熱值（約8368kJ/kg）、低水分（30%～40%）和粒徑均勻的RDF 產(chǎn)品。該項(xiàng)目處于產(chǎn)能提升階段，處理約600 t/d 的生活垃圾。

圖2 石家莊某RDF 項(xiàng)目工藝流程

如圖2 所示，RDF 項(xiàng)目的廢水來源主要是原生垃圾儲(chǔ)運(yùn)過程產(chǎn)生的垃圾滲濾液，質(zhì)量約為原生垃圾的10%～15%；RDF 制備過程中產(chǎn)生的冷凝液，質(zhì)量約為原生垃圾的5%～10%；以及少量生活廢水和其他廢水。

參照常規(guī)垃圾電廠廢水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)置2×200 m3/d 滲濾液處理系統(tǒng)和1×200 m3/d 冷凝液處理系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)主體流程獨(dú)立運(yùn)行，污泥和臭氣等處理系統(tǒng)公用，工藝流程如圖3 所示。

圖3 廢水處理系統(tǒng)流程

左半部分為滲濾液處理系統(tǒng)，主要處理原生垃圾滲濾液，主體工藝為“預(yù)處理+厭氧反應(yīng)器(UASB)+厭氧好氧(A/O)+外置式超濾+納濾(NF)+反滲透(RO)+消毒”，其中“納濾+反滲透”的設(shè)計(jì)預(yù)期綜合回收率≥60%；

右半部分為冷凝液處理系統(tǒng)，主要處理RDF制備過程產(chǎn)生的冷凝液和其他廢水，主體工藝為“厭氧好氧(A/O)+外置式超濾+反滲透(RO)+消毒”,設(shè)計(jì)預(yù)期反滲透回收率≥75%。

兩套系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市污水再生利用工業(yè)用途用水質(zhì)量》[9]表1 循環(huán)冷卻用途[9]以及《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)[10]。

表1 滲濾液調(diào)節(jié)池月平均COD 含量（2022 年8—12 月）

1.2 廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行情況

初步統(tǒng)計(jì)了廢水處理系統(tǒng)2022 年8—12 月期間的各工藝裝置進(jìn)出水質(zhì)數(shù)據(jù)，總結(jié)分析如下。

1.2.1 COD 含量

表1 為2022 年8—12 月滲濾液調(diào)節(jié)池平均COD 含量，不同月份平均COD 含量相差較大，但都遠(yuǎn)小于滲濾液系統(tǒng)進(jìn)水COD 設(shè)計(jì)值60000mg/L。

結(jié)合表1 和圖4(a)中的COD 數(shù)據(jù)，經(jīng)過厭氧工藝，8—12 月份出水水質(zhì)中COD 大部分被去除，其去除率在75%以上。圖4(b)顯示了8 月份各部分出水COD 檢測(cè)值每日變化情況，數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較大。

圖4 滲濾液各部分出水COD 值

經(jīng)過膜處理后的廢水COD 長(zhǎng)期穩(wěn)定在40 mg/L 以下，符合工業(yè)再生用水COD 指標(biāo)。

根據(jù)圖4(a)中的8—12 月滲濾液系統(tǒng)UASB與A/O 工藝部分出水的COD 均值，可以發(fā)現(xiàn)滲濾液UASB 出水COD 為1300～2000mg/L，但A/O 系統(tǒng)的出水COD 卻高達(dá)500～1000 mg/L，對(duì)比類似的垃圾滲濾液生化流程，A/O 進(jìn)水COD 一般超過3000mg/L，出水COD 則為300～500 mg/L，存在明顯異常。初步判斷，原因?yàn)槔淠合到y(tǒng)實(shí)際進(jìn)水COD 與設(shè)計(jì)相比偏低，UASB 過多消耗了后續(xù)A/O 運(yùn)行所需的碳源，導(dǎo)致滲濾液A/O 系統(tǒng)長(zhǎng)期處于碳源不足、污泥狀況不佳的狀態(tài)，造成出水水質(zhì)較差。

冷凝液系統(tǒng)也出現(xiàn)了實(shí)際進(jìn)水COD 遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)的情況（設(shè)計(jì)為10000mg/L，實(shí)際僅2000mg/L 左右），長(zhǎng)期需要摻入未經(jīng)厭氧處理的滲濾液以補(bǔ)充碳源，維持污泥濃度，以保證設(shè)備正常運(yùn)行。這相當(dāng)于本應(yīng)該由厭氧降解處理的COD，轉(zhuǎn)由A/O 工藝來處理，增加了運(yùn)行成本。

總的來說，項(xiàng)目進(jìn)水COD 偏離設(shè)計(jì)，導(dǎo)致兩套系統(tǒng)的生化工藝運(yùn)行都不理想，運(yùn)行成本高，出水水質(zhì)差。

1.2.2 NH3-N 含量

表2 為8—12 月滲濾液調(diào)節(jié)池平均NH3-N 含量，圖5(a)為8—12 月A/O 池和清水池出水平均NH3-N 含量。圖5(b)為8 月份每日A/O 池和清水池出水NH3-N 含量的變化情況。

表2 滲濾液調(diào)節(jié)池月平均NH3-N 值（2022 年8—12 月）

圖5 滲濾液各部分出水NH3-N 值

經(jīng)過UASB 工藝和A/O 處理后，水中絕大部分NH3-N 被去除，剩余NH3-N 含量低于20 mg/L。8 月份以后A/O 池出水NH3-N 有明顯升高，是為補(bǔ)充A/O 池碳源，有少量滲濾液不經(jīng)UASB 直接進(jìn)入A/O 所致。

清水池NH3-N 含量極低，除個(gè)別異常值外，均在1 mg/L 以下，符合工業(yè)再生用水NH3-N 含量指標(biāo)。

1.2.3 pH 值

圖6(a)是8—12 月各部分工藝出水的pH 變化情況圖。調(diào)節(jié)池出水的平均pH 值呈弱堿性。A/O 工藝出水水質(zhì)呈弱堿性，這與工藝中所用到的污泥有關(guān)。最后清水池中水質(zhì)的pH 值接近7，符合國(guó)家工業(yè)再生利用工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。圖6(b)顯示了8 月份每日各部分出水水質(zhì)pH 變化情況，除清水池外，各部分出水水質(zhì)pH 值變化幅度不大，呈弱堿性居多。清水池中的再生出水呈弱堿性或弱酸性，排除個(gè)別異常數(shù)據(jù)，總體低于A/O 出水。

圖6 滲濾液各部分出水pH 值

2 廢水處理系統(tǒng)的問題與優(yōu)化研究

2.1 廢水處理系統(tǒng)存在的問題

項(xiàng)目經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，可以發(fā)現(xiàn)廢水處理系統(tǒng)存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下方面。

1)系統(tǒng)部分技術(shù)指標(biāo)偏離設(shè)計(jì)

最突出的是第2.1 節(jié)所說的進(jìn)水COD 值遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，尤其冷凝液的偏離情況更為嚴(yán)重，由于RDF 項(xiàng)目廢水處理在設(shè)計(jì)時(shí)缺乏足夠的數(shù)據(jù)參考，為了系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置過高，既增加了基建投資，又增加了運(yùn)行調(diào)節(jié)的難度，導(dǎo)致兩套廢水系統(tǒng)的A/O 池進(jìn)水長(zhǎng)期需要摻入未經(jīng)厭氧處理的滲濾液以補(bǔ)充碳源，維持污泥濃度，以保證設(shè)備正常運(yùn)行，增加了運(yùn)營(yíng)成本。

2)冷凝液與滲濾液水量比例波動(dòng)幅度大

在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)估滲濾液產(chǎn)水量約為冷凝液的2倍左右，但實(shí)際生產(chǎn)中，該比例隨季節(jié)出現(xiàn)巨大波動(dòng)。根據(jù)表3 中每月冷凝液與滲濾液兩部分產(chǎn)水量比值和具體產(chǎn)量來看，與預(yù)期相差較大，有多個(gè)月份嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)，對(duì)兩套系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)造成困擾，影響處理效果，增加運(yùn)行成本。

表3 冷凝液與滲濾液月產(chǎn)水量比值（2022 年8—12 月）

3)動(dòng)力成本高導(dǎo)致運(yùn)行成本偏高

常規(guī)的垃圾焚燒電廠和RDF 項(xiàng)目，廢水處理系統(tǒng)的動(dòng)力成本占到處理成本的2/3 以上，但垃圾焚燒電廠使用的是自發(fā)電，而RDF 項(xiàng)目無自發(fā)電系統(tǒng)。因此，RDF 項(xiàng)目的廢水處理成本超過50元/噸，遠(yuǎn)高于垃圾焚燒電廠的30～35 元/噸。

4)濃水處置困難

常規(guī)的垃圾焚燒電廠和RDF 項(xiàng)目的廢水處理系統(tǒng)都會(huì)在流程末端產(chǎn)生濃水（來自納濾裝置和反滲透裝置的濃水），且該濃水一般不被常規(guī)的市政污水處理廠接納，需自行處置。

垃圾焚燒電廠會(huì)將濃水回噴鍋爐，雖然會(huì)影響鍋爐熱效率，但至少實(shí)現(xiàn)了廢水系統(tǒng)的水平衡和鹽平衡；而RDF 沒有鍋爐，對(duì)濃水幾乎沒有自我消納能力。現(xiàn)有流程對(duì)全部廢水的處理減量?jī)H65%左右，處理后的濃水產(chǎn)生量平均為86.4 m3/d。曾經(jīng)嘗試將濃水回灌原生垃圾堆場(chǎng)處置，但造成原生垃圾產(chǎn)生的滲濾液水質(zhì)急劇惡化、鹽分快速上升，對(duì)廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行形成不可忽視的威脅，因此，目前只能以高額的成本外運(yùn)處置。

2.2 廢水處理系統(tǒng)優(yōu)化研究

2.2.1 冷凝液處理系統(tǒng)優(yōu)化

綜合考慮第2.1 節(jié)提出的冷凝液進(jìn)水COD 遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值和冷凝液與垃圾滲濾液水量比例變化量這兩個(gè)問題，需要反思單獨(dú)設(shè)置冷凝液處理系統(tǒng)的必要性。

從水質(zhì)方面看，對(duì)比2022 年7 月冷凝液A/O出水與滲濾液A/O 出水指標(biāo)，如表4 所示。兩者的COD、氨氮、電導(dǎo)都相差較小，冷凝液COD僅2000mg/L 左右，并不是設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)想的冷凝液COD 高達(dá)10000mg/L。同時(shí)，兩套廢水系統(tǒng)A/O工藝的池型、水力停留時(shí)間、曝氣方式等差異不大，可以推斷兩套系統(tǒng)的A/O 工藝進(jìn)水，即滲濾液經(jīng)USAB 處理后的出水和冷凝液的水質(zhì)比較接近，完全可以直接合并處理。

表4 冷凝液A/O進(jìn)水與滲濾液A/O指標(biāo)統(tǒng)計(jì)(2022年7月)

從廢水水量方面看，分析全年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，冷凝液的水量波動(dòng)與廢水總量波動(dòng)基本呈相反的趨勢(shì)，廢水總量最多的時(shí)期滲濾液量是冷凝液量的3 倍左右。冷凝液并入滲濾液處理系統(tǒng)，不會(huì)出現(xiàn)兩種廢水水量同時(shí)出現(xiàn)高峰的情況，只需要適當(dāng)放大滲濾液處理系統(tǒng)UASB 厭氧工藝后的裝置規(guī)模，會(huì)更加節(jié)省基建費(fèi)用和運(yùn)行成本。

以本項(xiàng)目為例，當(dāng)前冷凝液處理系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行在僅20%～40%水量負(fù)荷、需要額外補(bǔ)充碳源的工況下，對(duì)控制運(yùn)行成本非常不利。

鑒于上述情況，對(duì)現(xiàn)行項(xiàng)目進(jìn)行了調(diào)整，將冷凝液調(diào)節(jié)池出水管路聯(lián)通到滲濾液處理系統(tǒng)的厭氧好氧（A/O）裝置入口，冷凝液處理系統(tǒng)整體停運(yùn)保養(yǎng)。預(yù)計(jì)該項(xiàng)措施會(huì)降低20%以上的運(yùn)行成本。調(diào)整后的運(yùn)行流程如圖7。

圖7 調(diào)整后的廢水處理系統(tǒng)流程示意圖

2.2.2 濃水的濃縮減量處理

本項(xiàng)目的濃水是指圖3 工藝流程所示，進(jìn)入濃縮池的廢水。根據(jù)運(yùn)行記錄，滲濾液的電導(dǎo)相對(duì)比較穩(wěn)定，與項(xiàng)目設(shè)計(jì)的溶解性總固體(Total Dissolved Solids, TDS)15000 mg/L 基本相符，冷凝液TDS 抽樣檢測(cè)約為10000 mg/L，兩種廢水經(jīng)膜系統(tǒng)處理減量65%后，濃水的TDS 上升至37000 mg/L 左右，考慮外運(yùn)處置的成本，這部分濃水還有進(jìn)一步濃縮減量的空間。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比選，采用基于生物-物理-化學(xué)聯(lián)合處理的深度處理技術(shù)(Dual Treatment Reactor With Ozone,DTRO)最具有經(jīng)濟(jì)性。

按常規(guī)設(shè)計(jì)，應(yīng)采用混凝軟化+過濾+多段式DTRO[11-12]，從而兼顧到較高的回收率和合理的運(yùn)行能耗。但這樣的設(shè)計(jì)需要一定的場(chǎng)地布置，宜在基建時(shí)一并實(shí)施。

本項(xiàng)目由于場(chǎng)地過小，無法布置絮凝軟化和過濾裝置，采用了濃縮內(nèi)循環(huán)模式的DTRO，即膜組件整體只有一段，但膜組件部分濃水直接回組件入口，與進(jìn)水相混合，從而提高膜表面過濾膜速，防止結(jié)垢沉積。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)一步提高了膜系統(tǒng)的抗污染性能和回收率，但缺點(diǎn)則是運(yùn)行能耗的大幅度上升。另外也設(shè)置了進(jìn)水加酸脫氣、投加阻垢劑等輔助措施。

最終形成的方案是增加一套處理能力為210 m3/h 的DTRO 系統(tǒng)，設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)為TDS 40000 mg/L，COD 3500 mg/L，硬度3800 mg/L（以碳酸鈣計(jì)）的污水，回收率不低于60%，工作壓力不超過9 MPa，設(shè)計(jì)膜通量不大于10 LMH。

DTRO 裝置在安裝調(diào)試完成后，實(shí)際運(yùn)行中考慮到濃水外運(yùn)處置的高昂成本，進(jìn)一步調(diào)高了回收率，適當(dāng)放寬產(chǎn)水電導(dǎo)限制。表5 統(tǒng)計(jì)了2022 年8—12 月冷凝液與滲濾液清水回收率，DTRO 平均回收率為75%左右。膜的化學(xué)清洗頻次控制在期望目標(biāo)內(nèi)，運(yùn)行較為平穩(wěn)，但運(yùn)行能耗比常規(guī)設(shè)計(jì)的二段式DTRO 系統(tǒng)約6 kWh/m3高出近一倍。總體而言，雖然該方案的濃縮減量效果比較理想，但運(yùn)行能耗和成本偏高，屬于場(chǎng)地條件不具備時(shí)的折中做法。

表5 冷凝液與滲濾液清水回收率統(tǒng)計(jì)(2022 年8—12 月)

2.2.3 其余有待實(shí)施的技術(shù)改進(jìn)建議

RDF 項(xiàng)目存在濃水消納困難的難題，因此進(jìn)一步的技術(shù)改造建議主要圍繞兩方面：

(1)在具備處置條件和經(jīng)濟(jì)性的情況下，對(duì)DTRO 系統(tǒng)產(chǎn)生的濃水進(jìn)行蒸發(fā)處理，產(chǎn)出結(jié)晶鹽，濃水不再外運(yùn)。如采用蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)（MVR），濃水蒸發(fā)的運(yùn)維成本約60 元/噸，與外運(yùn)處置相比，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

(2)處理生化尾水的外置式超濾運(yùn)行能耗遠(yuǎn)高于常規(guī)MBR，建議在技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估后，改為MBR 膜池或“混凝+過濾+普通超濾”以降低運(yùn)行成本。另外，生化裝置的曝氣風(fēng)機(jī)也應(yīng)考慮選用更為節(jié)能的型號(hào)。

3 效益分析

3.1 運(yùn)行費(fèi)用

此次對(duì)RDF 廢水處理系統(tǒng)的優(yōu)化改造研究，調(diào)整了系統(tǒng)管線和加藥方案，停運(yùn)了部分設(shè)備，初步估算藥劑費(fèi)、電費(fèi)、換膜費(fèi)和設(shè)備系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)，運(yùn)行成本可降低約20%，折合約10 元/噸。

3.2 社會(huì)效益

本項(xiàng)目的廢水系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究，解決了石家莊某RDF 項(xiàng)目廢水處理運(yùn)行效果不穩(wěn)定的問題。經(jīng)處理后的再生水水質(zhì)符合相關(guān)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以用作工業(yè)用水，不對(duì)周邊環(huán)境造成污染，促進(jìn)當(dāng)?shù)丨h(huán)境優(yōu)化。

4 結(jié)論

通過石家莊某RDF 項(xiàng)目廢水處理系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行改善，對(duì)廢水處理系統(tǒng)的優(yōu)化研究結(jié)論如下：

(1)該RDF 項(xiàng)目投運(yùn)后的冷凝水COD 遠(yuǎn)低于預(yù)期，給同類項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了重要參考。冷凝液水質(zhì)與經(jīng)過厭氧處理后的垃圾滲濾液水質(zhì)比較接近，建議兩者合并處理，不再設(shè)置單獨(dú)的冷凝液處理系統(tǒng)，節(jié)省基建投資和運(yùn)行費(fèi)用的同時(shí)，更方便運(yùn)行管理。

(2) RDF 項(xiàng)目的廢水處理項(xiàng)目，應(yīng)以項(xiàng)目的物料平衡為優(yōu)先考慮，應(yīng)做到廢水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的清水有合適的消納渠道，濃水有成本可控的處置方式，尤其濃水的濃縮減量程度，應(yīng)在整體設(shè)計(jì)時(shí)就考慮在內(nèi)，否則廢水處理會(huì)成為RDF 項(xiàng)目運(yùn)行的最大瓶頸，也會(huì)顯著增加項(xiàng)目的運(yùn)行成本。

(3)與垃圾焚燒電廠相比，RDF 項(xiàng)目沒有鍋爐發(fā)電部分，只能以工業(yè)用電為唯一動(dòng)力來源，動(dòng)力成本較高，廢水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮節(jié)能因素，盡量避免選用高能耗的水處理工藝。