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负压蒸发法处理生活垃圾填埋场渗滤液 ＊ 杨 琦 何品晶 邵立明 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092 摘要 针对渗滤液蒸发处理的工艺发展, 结合法国某填埋场的运行实践, 着重对一种新型的渗滤液蒸发处理工艺 负压蒸发技术作了技术与特性分析, 认为该工艺解决了传统蒸发工艺中普遍存在的设备腐蚀问题, 同时所需的加热源 能位较低、能量经济性好; 负压蒸发出水水质可满足直接排入城市污水厂的要求, 经膜处理后可达到回用水质水平。 关键词 渗滤液 设备腐蚀 负压蒸发 反渗透 ＊国家“十五”863 计划课题资助 2001AA644010, 2003AA644020 0 引言 生活垃圾填埋场渗滤液是污染强度高、 性质复杂 且水质水量波动大的废水 [ 1] 。目前常用的渗滤液处 理技术主要有生物法 、 物化法 、 膜处理法 、 土地处理法 以及蒸发法等 [ 2,3] ,在众多处理方法中 ,蒸发法具有对 水质水量变化的适应性强 、 应用范围广泛 [ 3] 等特点。 本文简要概括了生活垃圾填埋场渗滤液典型传统蒸 发工艺的发展与应用现状, 分析了存在的主要问题; 结合在法国的工业化应用实践 ,着重对负压蒸发这一 新型渗滤液蒸发处理工艺的技术与应用特性进行了 剖析 ,并讨论了该工艺在我国的应用前景。 1 渗滤液蒸发处理技术发展与应用现状 蒸发是一种利用物理分离原理实现水与污染物 分离的废水处理方法 ,前提是污染物的挥发性与水有 较大的差异。其方法一般是利用外加能量蒸发废水 中的水分, 冷凝后成为净化出水, 绝大部分污染物被 聚集到体积大为缩小的处理残留物 浓缩液中 [ 4] 。 蒸发法被普遍应用于含芳香族化合物、碳氢化合物以 及重金属等的工业废水的处理 [ 5] 。在生活垃圾填埋 场渗滤液处理领域, 目前已投入工业化运行的蒸发法 主要有鼓泡 浸没燃烧式 、 雾化喷淋式等常压高温蒸 发工艺以及负压低温蒸发工艺 。 1. 1 鼓泡 浸没燃烧式 鼓泡 浸没燃烧法利用填埋气 Landfill Gas, LFG 燃烧产生的烟气与生活垃圾填埋场渗滤液直接接触 并传热,使渗滤液中的水分得以迅速蒸发 。LFG 燃烧 生成的烟气直接通入渗滤液体中, 传递热量的同时将 蒸发出来的蒸汽一同带出蒸发器, 这样的混合蒸汽中 通常含有未燃尽的 LFG、水蒸汽 、 挥发性污染物以及 少量的难挥发物质, 它必须经过处理才能排放到大气 中, 通常将 其通入填 埋场 LFG 焚 烧塔进行 高温 900 ℃ 燃烧后排放。 1. 2 雾化喷淋式 雾化喷淋式同样利用 LFG 燃烧产生的能量来供 给水分的蒸发, 与鼓泡燃烧式所不同的是它的液体蒸 发形态 ,即它通过喷雾装置 ,将渗滤液以雾化的形式 与填埋气进行直接混合燃烧。其燃烧产物也需要经 过烟气处理才能排放至大气, 并会有灰渣生成 [ 6] 。 以上两种渗滤液蒸发处理工艺 ,均通过外加能量 和改变液体蒸发形态等手段加速渗滤液中水分的蒸 发,以达到浓缩污染物的目的 。但这些常压高温蒸发 工艺 在 实际 运行 过 程中 都 会碰 到一 个 同样 的 问题 设备的腐蚀。这是由于生活垃圾渗滤液中 通常都含有浓度很高的氯离子, 而氯离子在70 ℃以 上的温度下会对金属材料产生非常强的腐蚀作用 ,设 备腐蚀已成为常压高温蒸发处理渗滤液的最主要的 限制因素 [ 6] ; 同时其水分以蒸汽形式排出, 能量散失 率也较高。 2 渗滤液负压蒸发处理工艺 为了解决常压高温蒸发所引起的设备腐蚀问题, 上世纪90 年代起, 一些欧洲国家如荷兰 、 法国等开始 研究采用负压蒸发的方法来处理养殖业粪便和垃圾 渗滤液等含有高浓度氯离子的废水 [ 6] 。负压蒸发利 用水在负压条件下沸点降低, 既能避免氯离子对金属 的腐蚀70 ℃ , 又能保证蒸发速率 沸腾蒸发 。 2003年法国某生活垃圾填埋场开始应用负压蒸发工 艺处理生活垃圾填埋场渗滤液 , 其总体工艺流程如 图1所示,由二级负压蒸发及冷凝液的反渗透处理、 浓缩液的处理处置等主要单元组成 。该填埋场平均 填埋垃圾4 000 t d, 渗滤液平均产量 120 m 3 d。 17 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 图 1 填埋场负压蒸发工艺处理渗滤液整体流程示意图 2. 1 负压蒸发工艺与操作 负压蒸发是该渗滤液处理工艺的核心单元,由预 处理和负压蒸发 2 段组成。预处理主要是进行pH 调 理 调整 pH 至 6 ～ 6. 5 ,用于防止过多氨氮随水蒸汽 一同逸出以及防止碳酸盐在蒸发器内结垢 和预加热 至55 ℃,一次预热源为蒸发器冷凝液 , 二次预热源 为填埋气体锅炉冷却水 以及除气除沫处理。预处理 后的渗滤液在负压蒸发器中分离为冷凝液和浓缩液。 2. 1. 1 负压蒸发器 该工艺所用的负压蒸发器示意于图 2, 蒸发器本 体为圆筒形 , 有蒸发腔和横向冷凝内管 2 个主要构 造; 蒸发腔体均匀布设雾化进水喷嘴, 上部为蒸汽收 集口 ; 蒸发器的配套装置有真空泵和蒸汽压缩机。 渗滤液雾化进 入温度为 55 ℃、绝对 压强为 18. 24 kPa的蒸发腔体, 其中的水分利用预热获得的 和横向冷凝管内蒸汽冷凝释放的热量蒸发为蒸汽 ,蒸 汽由气体压缩机自收集口抽出并加压为饱和蒸汽 ,再 经横向冷凝管凝结为冷凝液, 冷凝液和腔体内蒸发剩 余的浓缩液分别排出蒸发器, 其中冷凝液还将经热交 换器对渗滤液作一次预热 。蒸发器内的负压由真空泵 维持,而气体压缩机可看作蒸发进程的唯一能量源。 图 2 负压蒸发器设备示意图 2. 1. 2 负压蒸发的操作控制 负压蒸发的操作控制包括渗滤液水质限制、 预处 理参数和蒸发操作参数 3 个部分 。渗滤液水质限制 范围见表 1; 预处理出水的 pH 6 ～ 6. 5, 温度55 ℃; 蒸 发器腔体压强 18. 24 ～ 20. 26 kPa, 温度 55 ～ 60 ℃, 气 体压缩后蒸汽升温幅度5 ℃。 表 1 负压蒸发水质控制范围 CODCr mgL - 1 pH氯离子 mgL- 1含固率 有机物含量 堵塞结垢物质泡沫, 浮沫 1 000～ 70 0004～ 94 0002～ 85Ca2, 有机粘合剂不利, 尽量避免 2. 1. 3 负压蒸发处理效果 负压蒸发工艺一级蒸发器 2004 年的实际运行效 果见表2 [ 6] 。可见其对各种主要污染物的去除率均 超过 90。冷凝液可达到我国填埋场污染控制标准 GB16889-1997 排入城市污水厂的要求; 同时 , 浓缩 液进入二级蒸发器进行二次蒸发浓缩; 冷凝液盐度甚 低,几乎不含胶体和颗粒物 ,有利于采用反渗透作深 度净化。 表 2 负压蒸发处理水质效果 项目pH 电导率 μ S cm- 1 CODCr mgL- 1 氨氮 mgL- 1 Cl- mgL-1 预备罐渗滤液6 . 5011 9301 6408401 800 蒸发器冷凝液8 . 803801607080 蒸发器浓缩液5 . 4595 50013 4008 00017 000 填埋场污染控制 三级排放标准 1 000 2. 2 浓缩液深度处理 在该渗滤液负压蒸发处理工艺中, 一次蒸发浓缩 液进入工作原理相同的二次蒸发器中进行再次蒸发 浓缩; 其冷凝液与一次蒸发的一并作深度净化, 二次 浓缩液以水泥固化后在填埋场内处置 。进入二次蒸 发器的浓缩液由填埋气体锅炉冷却水作再次加热 。 2. 3 冷凝液深度净化 深度净化采用低压反渗透工艺 , 操作压强 6 ～ 15 bar。 反渗透出水水质见表 3 [ 6] , 不仅达到了最严格 的排放标准 ,也可满足部分场内回用的要求 如车辆 冲洗、场内路面增湿与清洗等 。反渗透浓缩液回流 至场内渗滤液调蓄池循环处理 。 蒸发冷凝液的水质保证了反渗透处理的经济性 与可靠性, 实际操作中膜反冲洗频率仅为 4～ 6 次 a, 膜寿命可达 5 a。 2. 4 负压蒸发工艺总体物流平衡 在整个 2004 年间 , 该填埋场渗滤液总处理量 35 600 t ; 反渗透出水31 800 t ,约占 90; 反渗透浓缩 液1 800 t , 约占 5; 二次蒸发浓缩液1 600t , 约占 4. 5。 18 环 境 工 程 2006年 4 月第24 卷第2 期 表 3 反渗透出水水质表 色度 倍 SS mgL- 1 CODCr mgL- 1 BOD5 mgL- 1 TOC mgL- 1 TN mgL- 1 苯酚指数 μ gL- 1 总碳氢化合物 mgkg - 1 氟 mgL- 1 氰化物 μ gL- 1 572037 2. 0200 . 05 0. 160 砷 mgL- 1 镉 mgL- 1 铬 mgL- 1 六价铬 mgL- 1 铜 mgL- 1 汞 μ gL- 1 镍 mgL- 1 铅 mgL- 1 锌 mgL- 1 总磷 mgL- 1 0 . 050 . 0060 . 050 . 0050 . 05 0. 50 . 050 . 050 . 050. 5 2. 5 本工艺运行费用分析 该生活垃圾填埋场整套渗滤液处理流程 ,其运行 费用主要为电力消耗 、 pH 调理的药剂消耗 、 组件维修 及更换费用、 二级浓缩液的处理处置费用。折算成渗 滤液的处理运行费用约为 100 元 m 3 , 各部分所占比 例见表4 。 表 4 渗滤液负压蒸发工艺运行费用组成 电力消耗药剂消耗 组件维修 及更换 二级浓缩液 处理处置 3073528 3 渗滤液负压蒸发处理的工艺特点 负压蒸发工艺与常压高温蒸发相比 ,主要的特点 是 ①没有设备腐蚀现象 ,设备使用寿命长; ②需要的 热源温度低 ,不影响填埋气的能源利用 ; ③ 不产生大 气污染负荷。 其与现在应用较普遍的生物处理 出水反渗透 工艺 [ 7,8] 比较 ,则蒸发相当于对生物处理的替代,其替 代优势为 ① 对不同填龄的渗滤液均有稳定的处理效 果,不存在生物处理对长填龄渗滤液失效的问题 [ 9] ; ② 出水的盐度、胶体含量更低, 有利于降低反渗透环 节的处理成本。 4 渗滤液负压蒸发处理在我国应用的前景分析 渗滤液处理达标 GB16889 -1997 是我国生活垃 圾填埋场污染控制中的难点 [ 7] ,目前可行的处理工艺 大致为 ①采用生物 厌氧或好氧 物化 如混凝 工 艺 [ 10] ,处理后按标准中的三级限值接入城市污水处 理厂; ②采用生物 膜处理 纳滤或反渗透 [ 8] ,处理 后按标准中的一级或二级限值排入水体 。 根据负压蒸发工艺在该生活垃圾填埋场的实际 运行状况看,该工艺的蒸发环节可直接满足接管城市 污水厂的处理要求 ; 而对于排入水体的要求 ,用蒸发 替代膜处理前的生物处理 ,同样具有改善膜处理经济 性和可靠性的优势。 由于我国与欧洲地区生活水平和生活习惯的不 同,生活垃圾性质及组分有很大差别, 进而导致填埋 场渗滤液的性质也存在巨大差异; 因此该负压蒸发工 艺在我国的应用前提是必须针对我国生活垃圾渗滤 液的特性、尤其对我国低填龄渗滤液中高浓度的挥发 性有机物, 如低分子有机酸 、 醇等在蒸发过程中的迁 移行为进行研究 ,评价其对蒸发处理效果的影响。 参考文献 [ 1] G. 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In addition, the average removal rates of CODCrand NH 4-N are respectively higher than 75 and 98. The treatment results of the effluent CODCr50 mg L and NH 4-N10mg L, which are satisfactory. Keywords ammonia nitrogen, bio -treatment, multiple airlift loop reactor and low ratio of height to diameter ANALYSIS OF PHOSPHOROUS AND NITROGEN REMOVAL BY IMPROVED DE OXIDATION DITCH PROCESSTang Minkang XuJianhong Zeng Yan9 Abstract Based on the good effect of Xindou Wastewater Treatment Plant for selecting improved DE oxidation ditch process, it is analysed the improved process and the improved DE oxidation ditch itself. Finally the improved experiments for strengthening phosphorous and nitrogen removal are summarized. Keywords DE oxidation ditch, phosphorous and nitrogen removal, process flow andwastewater treatment TREATMENT OF LEACHATE FROM MUNICIPAL SOLID WASTE IN INCINERATOR WITH UASB Deng Daiqing Xia Fengyi Li Guangming et al 11 Abstract Leachate from solidwaste store -tank in municipal solid waste incinerators factory has the character of high organic contamination and low pH. The start -up perance of commercial -scale UASB reactors to treat leachate at ambient temperature was investigated. The experiment was also designed to investigate the effects of CODCrdegrading efficient on HRT and VLD. The resultsindicate that at a HRT of 6 d and the VLD of 5 kg m3d, the CODCrdegrading efficiency is above 85, and the gas produced from the organic contamination of each raw leachate is 22. 5 L. Keywords UASB, municipal solidwaste, incinerator and leachate EXPERIMENTALSTUDYONRESIDENTIALSEWAGETREATMENTBYMEMBRANE- SEQUENCING BIOREACTORGao Yulan Feng Xudong Wang Ping 14 Abstract Membrane -sequencing bioreactor was used to treat residential sewage. The stability of system was investigated without sludge discharge. The result shows that the average removal efficiency of CODCr, ammonia nitrogen and turbidity has reached 89. 8, 99. 3 and 99. 6 respectively under the conditions of air -water ratio 35∶ 1, operation period 5. 75 h. The membrane has a contribution to the removal efficiency of CODCr, ammonia nitrogenand turbidity respectively with 10. 2, 0. 1 and 9. 5. The membrane separation process can enhance the waste water treatment effect and trans -membrane pressure TMP rises slowly. The effluent quality was superior to the standards for water reuse. Keywords membrane -sequencing bioreactor, residential sewage and ammonia nitrogen TREATMENTOFLEACHATEFROMMUNICIPALSOLIDWASTELANDFILLSBY EVAPORATION INVACUUMYang Qi He Pinjing Shao Liming 17 Abstract Evaporation has been used for treatment of landfill leachate at a certain extent. After a brief summary of development of evaporation technology in treatment of landfill leachate, the emphasis is put on the introduction to a new type of technology -evaporationin vacuum, which is considered to be able to avoid the primary problem of traditional evaporations equipment erosion, and has a low demand on energy supply. The effluent of evaporation in vacuum can be discharged directly to sewage treatment plant, or can be reused after a treatment by membrane. Keywords landfill leachate, equipment erosion, evaporation in vacuum and reverse osmosis PRETREATMENT TEST OF ANTIBIOTICWASTEWATERWITH SUPERHIGHCONCENTRATION Qing Xiangchun Chen Fanzhong Ye Hengpeng et al 20 Abstract The pretreatment of the antibiotic wastewater was studied. The process is flocculation※a biochemical hydrolyzation by the acclimated bacillus anoxic hydrolyzation※re -flocculation※catalytic oxidationby Fenton reagent. Each chemicaloxygen demand CODCrremoval efficiency of the processes is 30. 31, 27. 0, 32 . 88 and33. 82. The chemical oxygen demand CODCrof the wastewater was reducedfrom over 50 000mg L to about 10 000mg L. It provided a of the pretreatment of antibiotic wastewater. Keywords antibiotic wastewater, flocculation, bacillus and Fenton reagent APPLICATIONOFAIR -FLOATATIONANDSBRINTREATMENTOFSILK-MAKING WASTEWATERLi Naiwei Wang Litong Shi Hui 23 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 2,Apr. ,2006