生活垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液全量化處理工藝探討

李選順

（北京首創(chuàng)環(huán)境投資有限公司，北京 100028）

1 傳統(tǒng)垃圾焚燒廠垃圾滲濾液處理工藝分析

1.1 垃圾焚燒廠滲濾液的特性

垃圾焚燒廠滲濾液屬原生垃圾滲濾液。中國城市生活垃圾的廚余物多、含水率高及熱值較低，焚燒法處理垃圾時必須將新鮮垃圾在垃圾儲坑中儲存3～7 d進行發(fā)酵熟化，以達到濾出水分、提高熱值的目的[1]，保證后續(xù)焚燒爐的正常運行。垃圾焚燒廠滲濾液COD、氨氮等污染物濃度很高，并帶有強烈的刺激性氣味。垃圾焚燒廠滲濾液的主要特征是水質(zhì)水量隨季節(jié)、區(qū)域差距較大，使其處理工藝運行難度更大。

1.2 傳統(tǒng)垃圾焚燒廠滲濾液處理工藝

1.2.1 垃圾焚燒廠滲濾液處理工藝滿足的條件

針對垃圾焚燒廠滲濾液污染物濃度高、成分復(fù)雜、水質(zhì)水量波動大和營養(yǎng)失衡等特點，對其處理工藝而言需要滿足以下條件：

（1）抗水質(zhì)沖擊負荷能力強；

（2）滿足水量變化大的特點；

（3）高氨氮、COD、BOD、SS處理能力。

1.2.2 傳統(tǒng)垃圾焚燒廠滲濾液處理工藝路線及特點

垃圾焚燒廠滲濾液處理工藝目前已經(jīng)基本成熟，不同地域、不同項目的水質(zhì)可能存在一定差距，工藝細節(jié)可能存在差異但主體工藝基本一致。傳統(tǒng)垃圾焚燒廠滲濾液處理工藝主以“預(yù)處理+厭氧（IC/UASB/UBF/CSTR+A/O-MBR+NF+RO）”為代表。雙膜法[2]作為目前普遍采用的深度處理技術(shù)，其運行穩(wěn)定，產(chǎn)水水質(zhì)可滿足回用要求，自動化程度高，操作維護簡便。因此，該工藝從水質(zhì)達標、水量達標、穩(wěn)定運行和經(jīng)濟運行等角度出發(fā)能滿足滲濾液處理需求。但是，存在濃縮液產(chǎn)量大、品質(zhì)差的問題。

傳統(tǒng)滲濾液處理工藝回收率穩(wěn)定，濃縮液產(chǎn)量較高：傳統(tǒng)雙膜法深度處理采用NF與RO進行串聯(lián)處理，總回收率按式（1）計算：

式中：η為傳統(tǒng)雙膜法深度處理工藝總回收率（%）；η1為NF系統(tǒng)回收率（%）；η2為RO系統(tǒng)回收率（%）。

目前已建成穩(wěn)定運行的生活垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液處理工藝中NF的回收率約為80%~85%，RO的回收率約為70%~75%，總回收率約為56%~63.75%。

由于焚燒廠滲濾液生化處理系統(tǒng)出水中含有大量的硬度離子，例如鈣離子、鎂離子及硅離子。生活垃圾焚燒發(fā)電廠的滲濾液進水硬度（以碳酸鈣計）約為1 000~2 000 mg/L，如果高硬度出水直接進入膜處理會極易結(jié)垢，減少膜系統(tǒng)的使用壽命，增加膜系統(tǒng)濃縮液的產(chǎn)量。且由于膜深度處理屬于物理過濾并不具有硬度的去除能力，膜深度處理系統(tǒng)中的硬度全部轉(zhuǎn)移到膜濃縮液中，濃縮液的硬度約為2 000~5 000 mg/L。如此高硬度的水質(zhì)嚴重影響濃縮液在焚燒廠的協(xié)同處置能力，導(dǎo)致濃縮液很難得到有效消納，滲濾液全量化處理很難實現(xiàn)，需要對傳統(tǒng)滲濾液處理工藝進行優(yōu)化調(diào)整。

2 新工藝分析

傳統(tǒng)垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液處理工藝基本能滿足滲濾液處理出水達標，運行穩(wěn)定，控制簡便等要求。但是，傳統(tǒng)工藝也存在濃水品質(zhì)差、回收率低、廠區(qū)濃縮液協(xié)同消納困難和滲濾液很難實現(xiàn)全量化處理等問題。為了減少廠區(qū)濃水消耗的壓力，實現(xiàn)焚燒廠滲濾液全量化處理的目的，需要對傳統(tǒng)工藝進一步優(yōu)化。其中，“預(yù)處理+厭氧（IC/UASB/UBF/CSTR）+A/O-MBR+TUF+STRO”是一種可以實現(xiàn)垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液全量化處理的工藝。

該工藝對傳統(tǒng)的進行了兩個優(yōu)化：一是采用TUF膜軟化技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝中的NF，通過物化的方法去除系統(tǒng)中的硬度及堿度，減少膜深度處理的污染及提升膜深度處理濃縮液的品質(zhì)；二是采用STRO（管網(wǎng)式反滲透）替代傳統(tǒng)工藝中的RO，運用STRO抗污染能力強，運行壓力高的特點提升RO系統(tǒng)的回收率，降低濃縮液產(chǎn)量。

2.1 TUF膜軟化技術(shù)分析

TUF膜軟化系統(tǒng)由化學(xué)加藥預(yù)處理系統(tǒng)及TUF管式膜過濾系統(tǒng)2個部分組成。

2.1.1 預(yù)處理系統(tǒng)

系統(tǒng)由化學(xué)加藥系統(tǒng)和兩級級反應(yīng)池組成，其目的是通過化學(xué)軟化發(fā)去除滲濾液中的堿度和硬度，降低后端膜系統(tǒng)的無機結(jié)構(gòu)污染。

焚燒廠垃圾滲濾液的硬度主要是暫時硬度[3]，溶解的鈣、鎂（硬度成分）與石灰、純堿反應(yīng)生成碳酸鈣、氫氧化鎂沉淀：

注：“s”表示發(fā)生反應(yīng)生成了不溶物，即懸浮固體。

以上反應(yīng)式中的石灰起到提供氫氧根的作用，但是會帶入鈣離子，這些帶入的鈣離子和水中已有的鈣離子都需要碳酸氫根與之反應(yīng)形成沉淀。當(dāng)水中現(xiàn)有的碳酸氫根多數(shù)情況下其當(dāng)量濃度高于現(xiàn)有鈣離子濃度，卻又不足以在投加石灰的情況下沉淀所有的鈣離子時，需要同時投加純堿。

水中二氧化硅被軟化反應(yīng)所生成的氫氧化鎂沉淀物所吸附，或者說發(fā)生了共沉淀反應(yīng)，通過管式膜的高效固液分離，二氧化硅同時被除去。而在傳統(tǒng)沉淀工藝中，限于固液分離的效果，二氧化硅很少能被同時除去。

部分資料顯示，為了提高二氧化硅共沉淀效果，所需要的Mg離子濃度（質(zhì)量濃度）大約需要是二氧化硅濃度的2.5倍。在水中現(xiàn)有的鎂離子不足以攜帶二氧化硅沉淀的情況下，就需要人工投加鎂鹽來促進除硅效果。

水中的氟、鋇、鍶在軟化反應(yīng)的pH值條件下，都會同時形成各自的不溶物（氟化鈣、硫酸鋇、硫酸鍶等），并隨后被管式超濾膜有效截留除去。

2.1.2 TUF膜過濾系統(tǒng)

TUF系統(tǒng)由濃縮水池、超濾膜及其配套分水泵、儀表等組成。

濃縮水池可接收不斷被超濾膜濃縮的污水，保持污泥濃度達到最佳狀態(tài)。

用于軟化的管式超濾膜可采用膜被澆鑄在多孔材料管的內(nèi)部。含被過濾物質(zhì)（固體）的水流透過膜后，再透過多孔支撐材料，進入產(chǎn)水側(cè)（水被凈化）。被膜截留的固體顆粒在水流的推動下，不會停留在膜的表面，而是在膜表面起到一定的沖刷作用，避免污染物在膜表面停留。

錯流式超濾作為過濾是為了代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沉降或澄清工藝，實現(xiàn)更好的泥水分離效果，使出水水質(zhì)更好。

與普通的中空纖維超濾不同，TUF超濾膜可以承受很高的污泥濃度2%~5%，且在高pH值為條件下也能正常穩(wěn)定的工作。

2.1.3 TUF膜軟化技術(shù)優(yōu)勢

TUF膜軟化系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

（1）廢水直接進入調(diào)節(jié)池后再進入超濾系統(tǒng)。在第一個反應(yīng)池里，通常加入共沉劑。在多數(shù)情況下，共沉劑是一些形式的鐵或鈣。廢水再進入第二個反應(yīng)池，利用NaOH或石灰將pH值調(diào)高至11左右[4]。對于軟化水處理系統(tǒng)，第一個反應(yīng)池添加熟石灰或堿加氯化鈣，第二個反應(yīng)池則添加碳酸鈉或鎂鹽。來自第二個反應(yīng)池的出水靠重力流到超濾的濃縮池里。這就開始了固體分離。來自濃縮池的水被泵提升到超濾膜組件。

（2）利用錯流過濾技術(shù)，廢水中的污泥被高速打到膜管中間，然后回到濃水罐。澄清水或滲透水透過膜后進到最終pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)。每通過膜一次，污泥就濃縮一點。為了阻止快速的堵塞或污堵膜要用氣和干凈的產(chǎn)水反洗，從而迫使膜孔內(nèi)或膜表面的堵塞物回到污泥流里。

（3）在濃縮池里安裝了一套液位計來控制超濾供給泵的啟和停。這個罐子的目的是保證被打到膜組件的水固體濃度在2%~5%。濃縮池的固體可用氣動隔膜泵打到污泥濃縮池或壓濾機。氣動隔膜泵的周期和頻率是自動控制的。有時，運行人員需要從濃水罐里取樣做一個簡單的沉降測試。這個測試的結(jié)果可能有時導(dǎo)致氣動隔膜泵的現(xiàn)場調(diào)節(jié)。此外，作為簡單的操作模式，也可不設(shè)氣動隔膜泵，而是由運行人員間歇地開啟濃縮槽底部排水閥，將多余的濃縮液排放。

（4）產(chǎn)水流量連續(xù)監(jiān)測。如果運行人員觀察到流量低到預(yù)定值時，那么膜就需要化學(xué)清洗了。根據(jù)膜組件的排列布置，可以對全部或部分膜進行清洗。每清洗一次需要幾個小時完成。在清洗操作時，運行人員需要手動開關(guān)閥門。當(dāng)發(fā)生無機垢污染時可以采用酸性清洗液進行清洗，當(dāng)發(fā)生有機物的時候可以采用堿性次氯酸鈉溶液進行清洗。在化學(xué)清洗重新投入運行前，需要用清水沖洗膜。化學(xué)清洗罐和清水罐以及循環(huán)泵是就地清洗系統(tǒng)的主要部分。

（5）管式超濾膜系統(tǒng)包括固定架、反洗裝置、循環(huán)泵、就地清洗系統(tǒng)、清洗罐、氣動隔膜泵、電力控制、儀表、濃水罐和PLC控制。這個系統(tǒng)配齊了運行的所有管道、線纜和設(shè)備。

（6）TUF產(chǎn)水基本無壓，自流到pH回調(diào)槽，在此槽內(nèi)添加酸將pH值回調(diào)到大約7.5~8.0。同時，在pH回調(diào)槽內(nèi)添加適量的NaHSO3以便除去水中殘留的余氯，以免影響后續(xù)的反滲透正常運行。

（7）濃縮后的污泥進入到板框壓濾機進行壓濾，最終污泥送入焚燒爐進行焚燒。

通過TUF膜軟化后，滲濾液中的硬度得到較大去除，很好地改善了進入后續(xù)系統(tǒng)的水質(zhì)。如圖1所示，某焚燒項目為TUF軟化系統(tǒng)連續(xù)一個月的進、出水硬度值，其進水硬度基本在1 000～1 300 mg/L，出水硬度基本在15～40 mg/L，其硬度的去除率基本在96%以上，最高去除率在98.59%，說明化學(xué)軟化對進水硬度的去除效果很好。

圖1 TUF軟化系統(tǒng)進出水硬度分析

TUF膜軟化系統(tǒng)對硬度的去除效率很高且在運行過程中具有如下優(yōu)勢：

（1）用膜代替常規(guī)沉淀分離，水中固態(tài)污染物值可以得到更有效的分離。

（2）可在高pH值條件下持續(xù)運行（pH值大于10），因此更能保證有效去除鈣、鎂、硅沉淀，和鍶、鋇等有結(jié)垢傾向的離子成分。

（3）如有必要，可通過壓濾機實現(xiàn)徹底的固液分離，固體微粒可回收利用，可將固體廢棄物資源化。

（4）回收率接近100%。

（5）化學(xué)清洗藥品僅僅需要常規(guī)的無機酸、堿和氧化劑，沒有廢水排放限制。

（6）采用管式大流量錯流過濾，水流切向高速流過膜表面，在過濾的同時還有沖刷清潔膜表面的作用，污染物不易累積，膜面不易污染。

（7）適合過濾高濁度（50 g/L）和污染物粒徑相近的料液。

（8）0.1μm的絕對過濾孔徑，產(chǎn)水濁度＜1 NTU，可以有效地保護反滲透。

2.2 STRO技術(shù)分析

2.2.1 STRO膜技術(shù)特點

反滲透工藝其技術(shù)原理是利用壓力差為動力的膜分離過濾技術(shù)，其孔徑小至納米級，在一定的壓力下，H2O分子可以通過反滲透膜，而原水中的無機鹽、重金屬離子、有機物、膠體、細菌和病毒等雜質(zhì)無法透過反滲透膜，從而使可以透過的純水和無法透過的濃縮水嚴格區(qū)分開來。

STRO膜組件技術(shù)是反滲透技術(shù)領(lǐng)域取得的重大技術(shù)進展，同時也開拓了其在垃圾滲濾液處理、海水、苦咸水以及城市給水脫鹽凈化等方面的應(yīng)用。該種膜組件是為適應(yīng)高污染廢水處理而開發(fā)的一款新型膜元件，其與傳統(tǒng)卷式RO膜元件的區(qū)別在于格網(wǎng)通道采用區(qū)別于一般卷式膜的平行格網(wǎng)結(jié)構(gòu)，從而提高膜的抗污染能力和長期運行的穩(wěn)定性。

STRO膜組件的格網(wǎng)采用梯形結(jié)構(gòu)，廢水/料液在格網(wǎng)形成的通道內(nèi)流動，如同在管式膜內(nèi)流動，阻力較菱形格網(wǎng)要小很多，同時內(nèi)部橫向的加強筋可以增加料液流動時候的紊流，降低膜的濃差極化作用，從而使得STRO膜組件的耐污染能力得到提高。STRO膜組件以串聯(lián)方式實現(xiàn)水回收率的提高和能耗的降低。

2.2.2 STRO膜的技術(shù)優(yōu)勢

反滲透膜的結(jié)構(gòu)形式有多種，目前在垃圾滲濾液行業(yè)常用的有卷式反滲透RO、網(wǎng)管式反滲透STRO和碟片式反滲透DTRO三種。但卷式反滲透RO一般不能用于無生化預(yù)處理的高濃度有機廢水環(huán)境中，碟片式反滲透DTRO和網(wǎng)管式反滲透STRO[5]能在較高壓力條件下運行。

STRO在滲濾液處理中具有如下優(yōu)勢。

（1）膜技術(shù)的優(yōu)勢。當(dāng)其他類型RO系統(tǒng)的性能（經(jīng)常）受到膜污染和結(jié)垢問題限制時，STRO膜系統(tǒng)依靠自身優(yōu)化的流體動力學(xué)系統(tǒng)，很好地消減了這些問題所帶來的麻煩。

（2）簡化了預(yù)處理。擁有了開放式的通道（結(jié)構(gòu)），STRO反滲透組件可對SDI指數(shù)高達20的海水或滲濾液直接處理，而不產(chǎn)生問題。其他RO系統(tǒng)一般對SDI指數(shù)的要求是≦3。因此，簡單的砂濾和保安過濾器就可以達到STRO膜系統(tǒng)的SDI指數(shù)要求，而要達到其他系統(tǒng)的要求，只能通過更為復(fù)雜的過濾和化學(xué)處理。

（3）回收率高能耗低。滲濾液處理的回收率高達80%~90%（TDS=5.000 ppm）；產(chǎn)水能耗為4~10 kWh/m3。因此，STRO膜比RO膜回收率高10%~20%。

（4）膜使用壽命長。低膜污染結(jié)垢率、高穩(wěn)定性，以及擁有簡單有效的內(nèi)置清洗系統(tǒng)，使得膜的預(yù)期壽命一般不受進水水質(zhì)的影響。數(shù)據(jù)表明，膜的實際使用壽命在5 a以上。

3 結(jié)束語

提高生活垃圾焚燒廠滲濾液處理系統(tǒng)的回收率及濃縮液品質(zhì)是實現(xiàn)生活垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液全量化處理的關(guān)鍵因素。TUF膜軟化技術(shù)具有去除MBR膜產(chǎn)水中硬度及堿度等反滲透結(jié)垢因子，提升反滲透系統(tǒng)膜回收率及濃縮液品質(zhì)的優(yōu)勢。STRO深度膜處理技術(shù)具有膜抗污染能力強、操作壓力高（系統(tǒng)回收率高）運行簡便穩(wěn)定等優(yōu)點。“預(yù)處理+厭氧（IC/UASB/UBF/CSTR+A/O-MBR+TUF+STRO）”產(chǎn)生的濃縮液量低、品質(zhì)高能夠很少地被生活焚燒系統(tǒng)的飛灰增濕及石灰制漿所消納，是一種可以實現(xiàn)垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液全量化處理的工藝。