垃圾滲濾液具有高COD、高氨氮、高含鹽量、高氯離子、生化性差等特點。焚燒廠滲濾液的典型處理工藝為預(yù)處理系統(tǒng)+生化系統(tǒng)+膜系統(tǒng)，該工藝在實際工程中會產(chǎn)生大量膜濃縮液。目前常用的處置手段為石灰漿制備和入爐回噴，但均會對煙氣指標(biāo)和焚燒爐運行產(chǎn)生一定的影響，且存在污染物轉(zhuǎn)移的風(fēng)險，隨著環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，未來可能將不能通過上述兩種手段對濃縮液進行處置。針對膜濃縮液消納困難的問題，傳統(tǒng)蒸發(fā)技術(shù)可以實現(xiàn)垃圾滲濾液膜濃縮液的高倍濃縮減量化處理，但存在蒸發(fā)器容易結(jié)垢污堵、運行穩(wěn)定性差、需要頻繁清洗、處理成本過高等一系列問題。
基于增濕減濕原理的低溫蒸發(fā)技術(shù)在焦化廢水、高鹽廢水、海水淡化、垃圾滲濾液處理等領(lǐng)域已有應(yīng)用研究。該技術(shù)蒸發(fā)溫度低、流程簡單，可緩解蒸發(fā)器結(jié)垢污堵的情況，同時還可廣泛使用低品位熱源，有望大幅降低蒸發(fā)處理成本，是解決垃圾滲濾液膜濃縮液問題的新思路。
筆者以低溫蒸發(fā)技術(shù)處理某垃圾焚燒廠滲濾液反滲透膜濃縮液的實際工程為例，重點考察了低溫蒸發(fā)系統(tǒng)在處理水質(zhì)復(fù)雜的膜濃縮液時的穩(wěn)定性、處理效果和經(jīng)濟性，并初步評估了系統(tǒng)的污染情況和控制措施，旨在為高鹽、高COD、高硬度的復(fù)雜工業(yè)廢水處理提供參考。
1、材料與方法
1.1 進水水質(zhì)及水量
江蘇某垃圾焚燒發(fā)電廠滲濾液處理工藝為預(yù)處理+厭氧+AO+超濾+納濾+反滲透。因系統(tǒng)膜元件老化，導(dǎo)致反滲透濃水中污染物濃度比常規(guī)系統(tǒng)更高，屬于復(fù)雜水質(zhì)。其中COD為900~1800mg/L、總硬度（以CaCO3計）為4000~5000mg/L、硫酸根為70~1100mg/L、電導(dǎo)率為39~41mS/cm。構(gòu)建低溫蒸發(fā)系統(tǒng)用于處理滲濾液站反滲透系統(tǒng)的濃水，設(shè)計處理規(guī)模為24m3/d，濃縮倍率為2倍，產(chǎn)水水質(zhì)滿足《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》（GB/T19923—2005）中再生水用作工業(yè)用水水源的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 工藝流程
圖1為低溫蒸發(fā)工藝流程，包括增濕器和減濕器兩部分。進水進入濃水循環(huán)管路與循環(huán)濃水混合后，首先在預(yù)熱器內(nèi)與減濕器的循環(huán)清水進行換熱，回收一部分熱量并升溫后，進入加熱器與熱源蒸汽換熱，升溫至設(shè)定溫度后自增濕器頂部進入，在增濕器內(nèi)部與風(fēng)機從增濕器底部送入的冷空氣進行逆流接觸，進行傳質(zhì)和傳熱，完成鹽水分離的蒸發(fā)過程。與空氣傳質(zhì)換熱后的濃水自增濕器底部排出后繼續(xù)進行循環(huán)濃縮，當(dāng)增濕器內(nèi)循環(huán)物料濃度達到設(shè)定值時，則由循環(huán)管路旁路排出，中試產(chǎn)生的濃水與滲濾液站濃水合并以后統(tǒng)一送至主廠房用于石灰制漿。濃水中的成分主要為有機物、鈉鹽和鉀鹽等，需要對其進行進一步處理，考慮到鈉鹽和鉀鹽具有資源回收的價值，可以進一步探究低溫蒸發(fā)濃縮液的資源化處理路徑，例如鹽的分離回收等。
與熱水接觸后的濕熱空氣自增濕器頂部排出后自減濕器底部進入，在減濕器內(nèi)部與循環(huán)清水進行逆流接觸，以實現(xiàn)水蒸氣冷凝回收。減濕器頂部出口尾氣可能含有夾帶的污染物，因此需進一步處理，主要包括噴淋和吸附。減濕器清水自底部排出后進行循環(huán)，與循環(huán)的濃水進行換熱，當(dāng)減濕器內(nèi)清水達到設(shè)定液位時，則由循環(huán)管路旁路排出。
系統(tǒng)操作壓力為常壓，采用該廠的低壓乏汽為熱源，濃水進水溫度為70~80℃，產(chǎn)水出水溫度為40~45℃。系統(tǒng)配置2臺循環(huán)泵，規(guī)格為Q=15m³/h、H=30m；風(fēng)機1臺，規(guī)格為Q=3000m³/h、P=2000Pa。主體設(shè)備采用非金屬耐熱材質(zhì)制作，抗腐蝕性強，可有效處理高鹽、高氯、酸性的復(fù)雜工業(yè)廢水。
1.3 分析項目及方法
COD采用微波消解法測定；pH、電導(dǎo)率采用哈希HQ11D便攜式多參數(shù)分析儀測定；總硬度采用EDTA滴定法測定；硫酸根離子和氯離子采用毛細(xì)管電泳儀測定。
2、結(jié)果與討論
2.1 運行情況概述
系統(tǒng)進水COD濃度偏高，調(diào)試初期增濕器內(nèi)存在起沫現(xiàn)象，造成增濕器壓力出現(xiàn)波動的情況。通過連續(xù)添加消泡劑，增濕器內(nèi)部氣體壓力基本穩(wěn)定，未再出現(xiàn)明顯波動，這說明增濕器內(nèi)部起泡現(xiàn)象得到了有效緩解。經(jīng)過長時間的運行，增濕器不同位置的壓力保持穩(wěn)定，壓力波動范圍均小于0.2kPa，這說明增濕器內(nèi)部的氣液流道未出現(xiàn)明顯的結(jié)垢堵塞現(xiàn)象。
增濕器上部氣體溫度隨進料溫度而波動，最大波動范圍為2℃。這是由于高溫物料與溫度較低的空氣接觸后，液體既給氣體以顯熱，又給汽化的水以潛熱，傳熱過程較為劇烈。而中部與下部氣體溫度基本保持穩(wěn)定，溫度波動范圍均小于0.5℃，說明增濕器內(nèi)部成功建立了熱量平衡。
2.2 處理效果分析
系統(tǒng)進水電導(dǎo)率為39~41mS/cm，平均為40mS/cm。經(jīng)過低溫蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮處理后，濃水電導(dǎo)率為75~90mS/cm，平均為81mS/cm，平均濃縮倍率約為2倍，滿足設(shè)計要求。
圖2為產(chǎn)水電導(dǎo)率和氯離子濃度的變化。可知，最大產(chǎn)水電導(dǎo)率為31μS/cm，平均產(chǎn)水電導(dǎo)率為26μS/cm，脫鹽率高達99.9%。產(chǎn)水氯離子濃度均小于7mg/L，遠(yuǎn)低于敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水水質(zhì)要求的250mg/L，蒸發(fā)產(chǎn)水可直接達標(biāo)回用。同時系統(tǒng)出水水質(zhì)不低于傳統(tǒng)蒸發(fā)工藝的，且相比于滲濾液處理站反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水，出水水質(zhì)更優(yōu)，無需再進入反滲透系統(tǒng)進行進一步處理。
圖3為進水、濃水和產(chǎn)水COD的變化�？芍M水COD濃度較高，最高能達到1800mg/L，高于常規(guī)工況下反滲透膜濃縮液，這與前端納濾系統(tǒng)的膜元件老化和運行波動有關(guān)。進水經(jīng)過濃縮后，濃水COD最高能達到3100mg/L，出現(xiàn)了嚴(yán)重的氣泡，需連續(xù)添加消泡劑。長時間運行后有機物會附著在換熱壁面和增濕器內(nèi)構(gòu)件的表面，因此在運行過程中需要嚴(yán)格監(jiān)測系統(tǒng)的污堵情況。
滲濾液膜濃縮液中的有機物主要為分子質(zhì)量小于1500u的水溶性腐殖質(zhì)，以烷烴類為主，還有部分苯系物、醇類和酯類物質(zhì)。膜濃縮液中的有機物分子質(zhì)量大、揮發(fā)性小，在蒸發(fā)過程中大部分會殘留在濃水中，其中少量沸點相對較低的有機物，主要為烷烴類和醇類，會隨濕空氣夾帶至產(chǎn)水中，冷凝液的UV254幾乎完全被去除也說明腐殖質(zhì)類大分子有機物及含C=C雙鍵和C=O雙鍵的芳香族化合物沒有揮發(fā)到產(chǎn)水中。因系統(tǒng)進水pH為酸性，濃縮液中殘留的微量有機酸在酸性條件下?lián)]發(fā)性大，也會通過傳質(zhì)作用揮發(fā)到濕空氣中，通過對尾氣的檢測發(fā)現(xiàn)，微量污染成分主要為硫化氫、甲硫醇、二甲二硫等，均是常見的異味因子，需排入廠區(qū)除臭系統(tǒng)進行進一步處理。系統(tǒng)最終產(chǎn)水COD均值小于20mg/L，滿足冷卻塔補水標(biāo)準(zhǔn)，進一步說明只有極少部分有機物被夾帶至產(chǎn)水中。
圖4為進水和濃水硬度、硫酸根的變化�？芍M水硬度為4900mg/L，硫酸根為780mg/L，水質(zhì)惡劣，經(jīng)蒸發(fā)器濃縮后，濃縮液硬度高達11400mg/L，硫酸根濃度達到1950mg/L，料液中硫酸鈣處于較高的過飽和狀態(tài)，在換熱界面上結(jié)垢傾向更加明顯。為防止無機結(jié)垢，需要嚴(yán)格控制進水為酸性，同時控制合理的在線清洗頻率以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
2.3 污染分析與控制
圖5為預(yù)熱器平均對數(shù)傳熱溫差的變化。定義系統(tǒng)的污染速率為預(yù)熱器平均對數(shù)傳熱溫差隨時間的變化速率，單位為℃/d。以預(yù)熱器為研究對象，圖5分為3個運行階段。在第一階段，設(shè)置4倍濃縮倍率，連續(xù)運行4d，預(yù)熱器污染程度增加，出現(xiàn)換熱效率明顯下降的情況，污染速率為2℃/d。此階段一直采取在線化學(xué)酸洗，頻率為12h清洗1次，每次持續(xù)2h，但換熱效率的下降速率未得到有效控制，說明酸洗對換熱器污染無明顯控制效果。化學(xué)清洗水箱的pH也未發(fā)生明顯上升，經(jīng)過16個周期的運行，pH從2.9上升至3.1，說明酸洗液與污染物未發(fā)生劇烈反應(yīng)，pH的緩慢上升可能是預(yù)熱器內(nèi)殘留的廢水中和清洗液后造成的。
在第二階段，降低濃縮倍率，嚴(yán)格控制在2倍，中間未進行在線化學(xué)清洗，連續(xù)運行2d后，預(yù)熱器污染得到有效控制，換熱效率基本維持不變，污染速率為0。這說明預(yù)熱器污染速率與濃縮倍率呈正相關(guān)，過高的濃縮倍率會造成預(yù)熱器的嚴(yán)重污染。另外，第一階段的酸洗對換熱器污染無明顯的控制作用，與第二階段未投入化學(xué)酸洗只控制濃縮倍率換熱器效率基本不變，推測更有可能是膠體與有機物黏附換熱器造成的污堵，即有機污染占主導(dǎo)地位，無機污染占次要地位。
在第三階段，為了驗證有機污染占主導(dǎo)地位的可能性，維持2倍濃縮倍率不變，將化學(xué)酸洗改為化學(xué)堿洗。由圖5可知，連續(xù)在線化學(xué)堿洗后換熱效率逐漸恢復(fù)，說明污染成分主要為膠體和有機物。因此系統(tǒng)運行時，需嚴(yán)格監(jiān)測水質(zhì)的變化情況并控制系統(tǒng)的濃縮倍率，設(shè)置在線堿洗，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
2.4經(jīng)濟成本分析
以垃圾滲濾液反滲透膜濃縮液為處理對象，蒸發(fā)濃縮倍率控制在2倍，不考慮處理蒸發(fā)母液的成本。低溫蒸發(fā)系統(tǒng)的平均運行電耗為19.8kW∙h/m3，單價按0.65元（/kW∙h）計算，成本為12.87元/m3；HCl用于調(diào)節(jié)進水pH，用量為1.39kg/m3，單價按0.35元/kg計算，成本為0.49元/m3；消泡劑用量為0.056kg/m3，單價按25元/kg計算，成本為1.40元/m3；氫氧化鈉用于化學(xué)清洗，用量為0.04kg/m3，單價按3元/kg計算，成本為0.12元/m3。不考慮低品位廢蒸汽的費用，總運行成本為14.88元/m3。在實現(xiàn)同樣處理效果的前提下，低溫蒸發(fā)系統(tǒng)相較于機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)運行成本可節(jié)省約15元/m3，相較于浸沒式蒸發(fā)系統(tǒng)可節(jié)省約60元/m3�？芍啾扔趥鹘y(tǒng)蒸發(fā)工藝，低溫蒸發(fā)系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。
3、結(jié)論 ①低溫蒸發(fā)技術(shù)處理滲濾液反滲透膜濃縮液的減量化效果明顯，產(chǎn)水電導(dǎo)率均值小于26μS/cm，脫鹽率高達99.9%，產(chǎn)水COD均值小于20mg/L，Cl濃度小于7mg/L，pH接近中性，系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)可直接達到冷卻塔補水標(biāo)準(zhǔn)。
②基于增濕減濕原理的低溫蒸發(fā)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)廢熱、余熱等低品位熱源的有效利用，綜合運行成本為14.88元/m3，相比于傳統(tǒng)蒸發(fā)工藝具有一定的優(yōu)勢。
③該系統(tǒng)運行溫度較低，主體采用非金屬材質(zhì)，抗腐蝕性較強，在處理滲濾液等高鹽、高氯、高有機物的工業(yè)廢水過程中可以保證運行的穩(wěn)定性。（來源：光大環(huán)境科技<中國>有限公司）
