負壓MVR技術在垃圾填埋場濃縮液處理工程中的應用

朱玉修(重慶渝泓土地開發有限公司，重慶 401336)

0 引言

隨著經濟的飛速增長，居民的生活水平在不斷提高，每日各種垃圾的產量也隨之增加。如圖1所示，2011年—2020年，中國生活垃圾處理量呈現出大幅度增長趨勢，從2011年的13 090萬噸翻倍增長到2020年25 590萬噸，垃圾滲濾液的產生量同樣大幅度增多，2020年已達到8 716.5萬噸。垃圾滲濾液[1]是指垃圾自身含有的水分、降雨降雪以及其他來源的水分，在堆放和填埋過程中經過擠壓、發酵等一系列生物、化學和物理作用，在滲流作用下會產生含高濃度有機或無機成分的廢水。此外，垃圾在經過衛生填埋和焚燒前保存處理時，都會產生大量的滲濾液。這些滲濾液[2]成分復雜、污染物濃度高，含有多種有毒三致物質，且氨氮含量高，受氣候及地理等條件影響，穩定性差，處理難度大。

圖1 2011-2020年垃圾處理趨勢圖

目前，國內外主要通過回灌、焚燒、蒸發、高級氧化、兩級物料膜處理法等方法處理垃圾滲瀝液濃縮液。回灌法[3]在操作過程中，無機鹽易累積，氨氮含量增加，滲瀝液膜系統去除率變低，出水回收率隨之降低，膜系統壽命縮短。焚燒法[4]投資大，成本高，儀器溫度要求高，操作過程復雜，焚燒結束后還需要處理有害物質如：二噁英的排放、結焦結渣以及爐體腐蝕等問題。高級氧化技術[5]投資運行成本高，且單一的高級氧化法無法將濃縮液處理達到國家規定的排放標準。

機械蒸汽再壓縮技術(mechanical vapor recompression, MVR)[6]技術最開始應用于乳品工業，隨著儀器的精進與能源利用率的提高，食品加工行業、環境污水處治、制堿工業、甲醇精餾等領域都開始逐步將其應用到生產應用中。這項新興技術的核心工作原理在于能量的轉換，即電能到熱能之間形式的改變。機械裝置通過壓縮、蒸發等手段產生大量的二次蒸汽，同時提高熱焓，產物循環進入機械裝置再次蒸發加熱，以低價位電能循環利用熱能，節約能源。

對此，本文展開對負壓低溫MVR蒸發設備處理滲濾液濃縮液的工程應用研究，考察對處理廢水采取低溫負壓蒸發技術的節能性及持久性，推動滲濾液處理方法發展和完善。

1 負壓低溫MVR蒸發技術特點

采用負壓低溫MVR蒸發技術處理滲濾液濃縮液，具有以下幾個方面的優勢：首先儀器可以強制循環閃蒸，在蒸發過程中氣液分離效果好，防止霧沫夾帶損壞壓縮機，致使冷凝水水質變差；強制循環流量大，流速高，不易結垢，換熱效果更佳；適合處理高粘度易結垢的料液，母液最終可達更高濃度。物料不在換熱器內蒸發，降低了結垢的可能性。其次，采用負壓低溫蒸發方式，蒸發壓力和蒸發溫度低，蒸發壓力31 kPa左右，蒸發溫度70 ℃左右，不易結垢結焦；低溫對材料腐蝕性小，設備使用壽命長；臭氣量少，且易從真空泵出口收集；產水水質更佳，冷凝水COD，氨氮和含鹽量低。最后，儀器采用撬裝設計，土建工程量小、成本低、周期短，避免交叉施工，模塊化設計，設備緊湊，拆裝運輸方便；主體設備安裝周期短，可以一鍵啟動裝置，具有穩定且完善的電氣控制程序，自動化程度高，操作簡單，人工成本低。此外，濃縮液處理后的產物還具有穩定出鹽的特點，蒸發器高濃母液進入臥螺離心機離心脫鹽，將鹽分從系統中脫出，避免鹽分在系統累積，離心出的鹽含水率低至20%。

2 工程概況

該垃圾填埋場位于重慶市，是典型的山谷型垃圾處置場，填埋場占地面積約1 037畝(1畝≈677 m2)，其中填埋區面積約570畝，設計庫容約1 400萬m3。該填埋場于2003年投入使用，2016年關停，2018年開始進行原址規范封場修復。垃圾填埋場現有設計能力為1 730 t/d的滲濾液處置設備，包括400 t/d的MBR + DTRO設備和1 330 t/d的STRO應急設備，目前MBR + DTRO設備每天產生約100 t濃縮液，STRO設備每天產生約400 t濃縮液，產生的濃縮液混合后存儲在填埋場內的調節池內，其中填埋區內存儲約3.8萬立方米，填埋區外目前已存儲約14萬立方米。

本項目設計滲濾液濃縮液處理系統中濃縮液主要分兩股，一股為生化深度處理的MBR + DTRO的濃縮液，一股沒有經過生化的STRO濃縮液，兩類濃縮液水質相差較大，本項目處理對象為混合濃縮液。

3 設計進出水水質

從垃圾填埋場取樣檢測，將檢測報告中水質情況與垃圾來源結合考慮，如表1所示，確定實際工程運轉中初始進水水質。如表2所示，滲濾液最終處理后出水水質情況需要達到GB 16889—2008 《生活垃圾填埋場污染控制標準》要求。

表1 垃圾滲濾液混合濃縮液進水水質

表2 生活垃圾填埋場污染控制標準

4 負壓低溫MVR蒸發工藝設計

4.1 工藝流程

在實際工程運用中，以滲濾液濃縮液的進出水流量、水質硬度等特點和處理后出水要求等為指標，本項目濃縮液采用的全量化工藝為：軟化預處理+預濃縮+負壓低溫蒸發MVR+產水達標保障系統+末端處理。如圖2所示，濃縮液經提升至預處理儲槽，進行pH調節軟化除硬，并采用管式軟化膜進行分離，去除原液中的鈣鎂硬度和硅，大大減緩后續工藝的結垢趨勢，提高了HPRO的濃縮倍數，同時也減少了蒸發結垢風險。預處理分離出的清液進入后續系統，污泥采用污泥脫水進行脫水，干泥與蒸發鹽泥和末端尾渣分區填埋，脫水清液回流系統。經預處理后的清液有機物濃度低、硬度低，進入預濃縮系統，降低蒸發系統處理規模，降低投資運營成本。預濃縮系統主要采用碟管式膜技術，膜組件的流道和內部的過流方式與傳統的卷式膜截然不同，采用開放式流道，專利的流道設計形式與特殊的水力學設計和導流盤波點設計使處理液在壓力作用下流經濾膜和導流盤表面時遇波點碰撞時形成擾動和湍流，避免濃差極化，增加透過速率和自清洗功能，從而有效地避免了膜堵塞和易結垢問題，大幅度降低了膜組件的清洗頻次，成功地延長了膜片的使用壽命。由于影響膜系統截留率的因素較少，不受可生化性、炭氮比等因素的影響，所以系統出水水質很穩定，預濃縮系統的高倍濃縮膜清液由于污染物濃度未達標，與蒸發系統產水混合進入產水保安系統進行深度處理，產水保安系統采用深度反滲透分離裝置與離子交換系統，確保最終出水水質穩定達到GB 16889—2008《生活垃圾填埋污染控制標準》中表2標準。

圖2 工藝流程圖

蒸發系統對預濃縮系統產生的濃縮液進行進一步的高倍濃縮，真空泵抽走不凝氣實現負壓工況，料液經過預熱后進入換熱器強制循環不斷升溫蒸發，蒸汽經過壓縮機壓縮后作為熱源加熱料液，蒸汽冷凝成水排出，母液罐配置攪拌和冷卻，母液進入母液罐進一步冷卻出鹽，母液從母液罐底部泵入離心機出鹽，鹽泥噸袋封裝，上清液部分泵回蒸發器繼續濃縮，部分進入末端處理系統進行處理，最終形成殘渣封裝后填埋，蒸發產水由于其污染物未達標，進入后續產水保安系統進行深度處理，蒸發母液進入末端處理系統進行處理，最終形成殘渣封裝后填埋。

4.2 工藝設計參數

濃縮液處理系統的處理對象為膜濃水后的污水，成分復雜，含有大量的一價和二價鹽離子、難降解有機物等物質，采取常用的物理、化學和生物方法進行處理，難以達到規定的排放標準。因此，本項目設計采用軟化預處理+預濃縮+負壓低溫蒸發MVR+產水達標保障系統+末端處理處理濃縮液，處理后產物為符合填埋要求的干化污泥、符合排放要求的產水和可回收利用的鹽類。負壓低溫MVR蒸發處理設備運行參數如表3所示。

表3 負壓低溫MVR蒸發處理設備運行參數

5 運行效果

本工程于2021年4月調試完工并投入運行，經過了7個月的穩定運行，工程處理效果的實際監測數據見表4，清水回收率可達95%，出渣率為5%左右。濃縮液、進水、出水、出鹽對比如圖3所示，負壓低溫MVR蒸發系統處理出水符合本項目設計的出水排放濃度限值。

圖3 進出水情況對比圖

表4 各處理單元實際出水水質

6 結語

我國垃圾滲濾液堆積量大，處理難度系數高，對設施設計及運行要求高。近年來，國家頒布大量法律法規，加大垃圾處理設施存量治理力度，通過新建或改造等處理手段，使處理后的滲濾液各項指標均達排放標準，因此，垃圾滲濾液處理行業市場前景廣闊。

本項目研究成果適用于存量垃圾滲濾液全量化處理、高鹽廢水處理、滲濾液濃縮液全量化處理、危險廢水處理等，國內外垃圾填埋場、火電站脫硫廢水處理廠、化工企業等均可推廣應用。在實際工程運轉中需要注意以下兩點：(1)蒸發器的進水需經過預處理工藝，去除進水中的鈣鎂及硅等物質，有利于蒸發器長期穩定的運行，延長清洗周期，保證換熱效率；(2)蒸發的母液濃度較高，存在堵管風險，在設計時應規避彎道，減少母液管路變徑和彎頭，母液出口接近出鹽設施，母液管路設置放坡。負壓低溫MVR蒸發設備處理經過半年左右連續運轉，確定了運行參數、工藝路線等操作條件，為蒸發技術在處理垃圾滲濾液領域的推廣應用提供了設計參考。