混合式蒸發在垃圾滲濾液零排放中的應用

章 曉，楊洛鵬，賀蘭海（.中國石化新疆能源化工股份有限公司，烏魯木齊 800；2.大連理工大學能源與動力學院，遼寧 大連 6024；.海匯集團有限公司，山東 日照 276500）

混合式蒸發在垃圾滲濾液零排放中的應用

章 曉1，楊洛鵬2、3，賀蘭海3
（1.中國石化新疆能源化工股份有限公司，烏魯木齊 830013；2.大連理工大學能源與動力學院，遼寧 大連 116024；3.海匯集團有限公司，山東 日照 276500）

垃圾滲濾液是高毒性的有機廢水，常規的處理工藝難以同時滿足可行性和經濟性的要求。文章提出了水平-豎直管多效混合式蒸發垃圾滲濾液處理工藝。工藝流程中，滲濾液中超過80%的水分在水平管降膜多效蒸發器內負壓蒸發，濃縮后的滲濾液在豎管降膜蒸發器內結晶；水平管降膜蒸發的小溫差傳熱特性保證了在5℃～10℃溫差范圍內布置多個蒸發器實現對熱量的重復利用和有效降低機械蒸氣壓縮的電耗。工程實例計算表明，新工藝處理垃圾滲濾液消耗的高壓蒸氣量和電耗大幅度降低，驗證了該工藝可以高效節能地實現滲濾液處理的零排放。

垃圾滲濾液；水平管降膜蒸發；零排放；多效混合式蒸發

1　緒論

隨著城市化進程的加快和經濟的持續增長，城市生活和工業生產活動中產生的固體廢棄物持續快速增長，采用衛生填埋已成為我國目前處理垃圾的主要方式［1］。衛生填埋場內有機污染物生物降解產生的水和多種有機物、垃圾中含有的水與填埋場界邊外部環境入水會匯合成垃圾滲濾液，垃圾滲濾液具有CODCr和BOD濃度高、氨氮高、難降解有機物種類多、鹽分高、重金屬離子多、可生化性差、水質不穩定等［2］主要特點，高污染［3］、高毒性［4］和高危害性的垃圾滲濾液如果得不到妥善處置，會嚴重污染地表水源、地下水和土壤，對生態環境造成嚴重破壞，因此尋求高效的垃圾滲濾液處理方法現已成為業界的研究熱點。

垃圾滲濾液含較高濃度的氨氮和難生物降解的腐殖酸［5］，使得對可靠性高、耗能低的處理工藝進行合理選擇成為工程應用領域和處理技術面臨的重要挑戰。目前，國內外填埋場應用的滲濾液處理技術主要有：

（1）與市政污水聯合處理

在十幾年前，通常是將垃圾滲濾液與市政污水混合一并處理。但由于垃圾滲濾液中含有重金屬并且難生物降解的化合物比例大，降低了合并處理效率，容易影響污水處理廠系統的正常運行［6］。

（2）回灌技術

該處理方式具有操作簡單和操作費用廉價等優點［7］，但回灌過程中會因垃圾層的厭氧消化作用而積累大量酸，氨氮濃度增高，后續處理難度加大，同時伴有惡臭氣體揮發、產氣量增多等現象，給填埋場帶來很大的安全隱患。

（3）生物處理技術

該方式具有可靠、簡易和高效等優點［8］，對BOD5/CODCr大于0.5的早期垃圾滲濾液的有機物去除效果顯著，但隨著填埋場場齡的增加，NH3-N 濃度增大，難生物降解的有機物會成為垃圾滲濾液有機污染物的主要部分，生物工藝的處理效率也隨之降低。

（4）物化處理技術

處理垃圾滲濾液的物理化學工藝包括吸附、過濾、膜分離、蒸發、混凝、沉淀、氧化、還原、吹脫、離子交換等［9-11］，物化處理能除去垃圾滲濾液中的部分污染物，并可提高垃圾滲濾液的可生化性，減輕后續工藝的負擔，常用于與生物法聯合處理垃圾滲濾液。從經濟因素考慮，物化方法處理成本偏高，不適用處理水量較大的垃圾滲濾液。

（5）蒸發技術

垃圾滲濾液中有機雜質的蒸發溫度遠高于純水的蒸發溫度，垃圾滲濾液中的水分會先于污染物被蒸發，而絕大部分污染物聚集在殘余濃縮液中［12］。蒸發法屬于物理分離過程，對水質水量變化適應性強，對水質特性（如 BOD、COD、SS、DS及進料溫度的變化）不敏感，產生濃縮液少且濃縮液可焚燒、回灌或固化后填埋。已投入工業化運行的有浸沒燃燒蒸發、熱泵蒸發、閃蒸蒸發、強制循環蒸發等常溫蒸發以及負壓低溫蒸發工藝。

目前垃圾滲濾液處理工藝存在的問題是：1）在技術上能達標的工藝在經濟性上較差，物化處理技術中的膜法的投資和運行成本高，并且還需要進一步處理占原液20%～25%的濃縮液，活性炭吸附和化學氧化工藝的運行成本過高而無法接受；2）處理成本經濟的工藝不能達到排放要求，例如生物法處理的投資和運行的費用較低，垃圾填埋場的滲濾液水質和水量隨填埋時間發生較大變化，通常情況下的出水水質不能達標。因此需要尋求技術佳、經濟性好的滲濾液處理新工藝。

負壓低溫蒸發法是能有效解決垃圾滲濾液處理的新工藝。與普遍的生物處理 + 出水反滲透工藝相比較，蒸發法對不同填齡的滲濾液均有穩定的處理效果，不存在生物處理對長填齡滲濾液失效的問題［13］；出水的水質好，冷凝水中的鹽度、膠體含量更低。與常壓高溫蒸發相比，負壓低溫蒸發最顯著地特點是：利用低溫余熱或者廢熱作為蒸發熱源，可以大幅度降低能耗成本；低溫蒸發使設備的結垢和腐蝕得到有效控制。

目前對于負壓低溫蒸發的研究主要是在實驗室條件下，分析真空度、滲濾液pH值和蒸發率等因素對冷凝液水質和主要污染物去除效果的影響，而缺少對負壓低溫蒸發機理和如何實現垃圾滲濾液零排放的研究。本文中提出了水平 - 豎直管多效混合式蒸發垃圾滲濾液處理系統，可在大幅度降低處理成本的基礎上，實現垃圾滲濾液的零排放。

2　水平 - 豎直管多效混合式蒸發垃圾滲濾液工藝

2.1工藝流程

如圖1所示，多效混合式蒸發系統由3部分組成：水平管降膜低溫多效蒸發器、機械蒸氣壓縮式熱泵（Mechanical Vapor Compressor-MVC）和豎管降膜多效蒸發器。

圖1　水平 - 豎直管多效混合式蒸發垃圾滲濾液處理系統

（1）多效水平管降膜蒸發流程：滲濾液側的流程：滲濾液在冷凝器中完成預熱后并行進入到蒸發器中，滲濾液進入蒸發器后，經布液器被均勻分布到蒸發器的管束上，滲濾液被管內蒸氣加熱而產生部分蒸發，生成的二次蒸氣經汽液分離器后進入下一效蒸發器的管內作為加熱蒸氣，剩余的滲濾液進入下一效蒸發器中閃蒸，濃縮后的滲濾液在溫度最低的末效蒸發器中離開裝置。

蒸氣側流程：末效水平管降膜蒸發器內的二次蒸氣在MVC內升溫升壓后，作為加熱蒸氣進入到一效蒸發器的傳熱管內并在管內凝結為水，排到蒸發器外，管外滲濾液蒸發，生成二次蒸氣，進入下一效傳熱管。蒸發、冷凝過程在各效蒸發器內重復，末效蒸發器內生成的二次蒸氣進入到MVC內被重復循環利用。

（2）豎管降膜蒸發流程：多效水平管降膜蒸發器濃縮后的滲濾液平行進入到豎管降膜蒸發器中進一步濃縮結晶。高壓蒸氣進入到第一效加熱室。在加熱室受熱后的滲濾液在蒸發室中蒸發出大量飽和水蒸汽，這些二次飽和水蒸汽進入下效蒸發罐加熱室，下效蒸發罐加熱室起著對上效蒸氣冷凝器的作用，同時蒸氣冷凝成水，各效的冷凝水經閃蒸器閃蒸后產生二次蒸氣進入二效蒸發器，在二效蒸發器內產生的二次蒸氣進入到冷凝器內，作為多效水平管降膜蒸發器進口滲濾液的預熱蒸氣。

2.2水平管降膜蒸發技術原理

水平管降膜蒸發技術原理［14］如圖2所示，液體以膜狀形式由一個水平管向下滴落到與其并連的另一個水平管，并依靠管內介質的加熱而不斷蒸發的過程。基于該技術的橫管降膜蒸發器由多排水平管組成，在上一層管外壁上蒸發的余液落至下一層管上繼續蒸發，隨著蒸發的持續進行，液膜厚度不斷減小。液膜厚度越小，其傳熱系數就越高，水平管降膜蒸發相比其它形式的蒸發可以很大程度上提高傳熱系數和傳熱性能。對于光滑管而言，水平管降膜的傳熱系數二倍于豎管降膜蒸發。在有效合理的噴淋密度下，水平管降膜蒸發不僅消除了液體靜壓柱和過熱區的影響，而且有效降低了蒸發的驅動溫度，能夠使多效蒸發在較小的溫差變化范圍內有足夠的效率，從而保障了低溫多效蒸發的經濟性。

圖2　水平管降膜蒸發原理示意圖

2.3流程技術特點

（1）垃圾滲濾液在多效水平管降膜蒸發器中被濃縮，由于滲濾液的TDS濃度較低，滲濾液中大部分的水分在水平管降膜蒸發器內被蒸發，濃縮后的滲濾液作為多效豎管降膜蒸發器的進料水，可以大幅度降低豎管降膜蒸發器中消耗的高壓蒸氣，滲濾液在豎管降膜蒸發器中結晶，從而同時滿足了垃圾滲濾液處理工藝在經濟性和可行性兩方面的要求，實現了對垃圾滲濾液的零排放。

（2）多效水平管降膜蒸發器與MVC聯合運行，可以有效降低滲濾液處理成本。水平管降膜蒸發是小溫差條件下的高效相變傳熱技術，每一效蒸發器內的傳熱溫差在1.6℃～3.5℃范圍內，這樣既可以在較小溫差范圍內布置多個蒸發器實現對熱量的重復利用，又可以有效降低MVC的電耗。

（3）可以通過調整滲濾液的pH值有效控制氮氨等易揮發成分對冷凝水水質的影響。

3　應用實例

以某垃圾填埋場的垃圾滲濾液為例，滲濾液成分如下表所示，滲濾液的處理量100t/d，加熱蒸氣壓力0.5MPa，溫度140℃，采用如圖1所示的多效混合式蒸發系統，豎管降膜蒸發器采用3效，水平管降膜蒸發器為2效，水平管低溫多效蒸發系統加熱蒸氣溫度為60℃，末效水平管降膜蒸發溫度為55℃。

垃圾滲濾液水質表

能耗分析結果：采用多效混合式蒸發系統后蒸氣耗量為0.0625t汽/t滲濾液，MVC電耗為7.5kW·h/t滲濾液。如果按照高溫高壓蒸氣價格為200元/t，電價為0.7元/kW·h計算，相對于典型的豎管降膜3效蒸發系統，處理成本可以由88元/t滲濾液降低到11.5元/t滲濾液，如果MVC的投資為150萬元，水平管降膜蒸發器成本為50萬元，那么只需0.73年就可以可以收回投資，因此該多效混合式蒸發系統的節能效果十分顯著。

4　結論

對工藝流程的分析和工程實例的驗證表明，本文提出的多效混合式蒸發系統充分利用了水平管降膜蒸發所具有的小溫差和高效傳熱的特點，能夠顯著降低MVC的電耗和高溫高壓蒸氣的耗量，從而實現大幅度降低垃圾滲濾液的處理成本，并且真正實現了垃圾滲濾液的零排放，因此水平 - 豎直管降膜混合多效蒸發技術應用于垃圾滲濾液蒸發具有很好的發展前景。

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Application of Hybrid Evaporation in Zero Discharge of Garbage Leachate

ZHANG Xiao1， YANG Luo-peng2，3， HE Lan-Hai3
（1.Sinopec Xinjiang Energy & Chemical Co.， Ltd， Wulumuqi 830013；2.School of Energy and Dynamics， Dalian University of Science & Engineering， Liaoning Dalian 116024；3.Haihui Group Co.， Ltd， Shandong Rizhao 276500， China）

Garbage leachate is high poisonous organic wastewater. The conventional treatment processes is difficult to sat?isfy the requirement of feasibility and economy at the same time. The paper puts forward a treatment process of garbage leachate of the hybrid horizontal and vertical multi-effect evaporation. The practical case demonstrates that the high pressure vapor quantity and power consumption can be reduced greatly by adopting the new technology. It shows that the new technology can achieve the zero discharge in treatment of garbage leachate with a high efficiency and energy saving.

garbage leachate； horizontal tube falling film ； zero discharge； multi-effect hybrid evaporation

X703

A

1006-5377（2016）07-0038-04