垃圾滲濾液處理節(jié)能增效技術(shù)措施探討

來源《CE碳科技》微信公眾號

作者中城環(huán)境 丁西明、閔海華、高波、湯萌萌

丁西明現(xiàn)就職于中城環(huán)境天津分公司，正高級工程師，注冊公用設備工程師（給水排水），注冊環(huán)保工程師，主要從事市政污水處理廠和垃圾滲濾液等高濃度廢水處理的設計與研究工作。

我國垃圾滲濾液處理行業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)建成數(shù)百座滲濾液處理設施，取得了有目共睹的成就，尤其近年來隨著環(huán)保督察力度的加大和垃圾分類制度的持續(xù)推進，滲濾液處理行業(yè)進入快速發(fā)展階段。

然而，滲濾液屬于高濃度有機廢水，水質(zhì)水量季節(jié)性波動大、處理難度大、大部分滲濾液處理工藝和設備選型過于追求滿足基本產(chǎn)能和達標排放，而忽視了低能耗的要求，造成滲濾液處理系統(tǒng)能耗過高；有些滲濾液處理廠由于運行成本過高，很難維持正常運行，從而影響滲濾液處理行業(yè)良性發(fā)展。如何實現(xiàn)滲濾液處理領(lǐng)域節(jié)能增效，助力碳中和，是推動行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題。

一、滲濾液處理的能耗分析

以國內(nèi)滲濾液處理主流工藝“兩級A/O+MBR+NF/RO”為例，運行成本為60~80元/m3，主要由電耗和藥耗組成，這兩部分約占滲濾液運行成本的70%~80%。主要機電設備有生化系統(tǒng)（含射流曝氣、回流和攪拌），超濾膜系統(tǒng)，NF/RO膜系統(tǒng)，脫水系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)等，每個系統(tǒng)電耗占比分別為50.3%、17.6%、13.7%、6.9%、8.5%，其他系統(tǒng)電耗占比為3.0%。藥耗主要由碳源、PAM、消泡劑、鹽酸以及膜清洗劑等組成，其中碳源消耗占比最大，具體消耗量根據(jù)滲濾液原水碳氮比確定。

造成滲濾液處理系統(tǒng)能耗高的主要原因分析如下滲濾液原水污染物濃度高、處理難度大，而排放標準要求嚴，造成系統(tǒng)配置復雜、機電設備多、污泥濃度高、需氧量大；大部分滲濾液處理站，尤其是處理老齡化填埋場滲濾液和經(jīng)過厭氧后的廚余垃圾脫水沼液的處理站，C/N嚴重失調(diào)，為了實現(xiàn)高效生物脫氮，兩級A/O+MBR進水C/N應控制在5∶1以上，缺失的碳源需要通過投加甲醇、乙酸鈉和葡萄糖等補充，外部碳源的投加對脫氮效果和運行成本等影響很大；滲濾液處理行業(yè)從設備選型到運行管理均屬于“粗獷式”，設備選型在滿足使用效果的前提下未考慮高效節(jié)能，專業(yè)化精細化運行管理有待加強。

二、滲濾液處理節(jié)能增效技術(shù)措施

01、生物脫氮新工藝的應用

滲濾液生物脫氮工藝大部分采用兩級A/O+MBR工藝，該工藝具有耐沖擊負荷能力強、可高效降解污染物、出水穩(wěn)定等優(yōu)點，但是存在回流比過高、碳源投加量大等能耗高的缺陷。生物脫氮新工藝的推廣應用，可以提高系統(tǒng)脫氮效率、挖掘生化處理潛力、減少碳源投加量、節(jié)省能耗。目前國內(nèi)滲濾液處理工程上有應用的生物脫氮新工藝有強化脫氮多級A/O+MBR工藝和厭氧氨氧化+A/O+MBR工藝，2種工藝均具有脫氮效率高、回流比和需氧量大幅降低、碳源投加量減少或者不投加、運行成本低等優(yōu)點，從而大幅降低運行能耗。

以厭氧氨氧化工藝為例，其脫氮機理是厭氧氨氧化菌在厭氧條件下，以NH4+-N為電子供體，NO2--N為電子受體，生成N2的生物反應，工程應用案例有湖北十堰西部垃圾填埋場滲濾液處理和無錫惠聯(lián)餐廚廢棄物厭氧消化沼液處理等。以進水COD 8000mg/L、NH3-N 2500mg/L、TN 3000mg/L為基準，厭氧氨氧化+A/O+MBR與常規(guī)兩級A/O+MBR工藝比較如表1所示。

表1 工藝對比

通過表1可以看出，兩級A/O+MBR工藝相比，厭氧氨氧化組合工藝不需要投加碳源，并且回流比小、需氧量少，節(jié)省電耗10.64kW·h/m3，節(jié)省運行成本，節(jié)能增效效果明顯。

02、生物池水流條件的改善及混合液回流泵的選擇

滲濾液處理采用的兩級A/O生物池池容一般較大，水力停留時間為10d左右，生物池內(nèi)混合液懸浮固體質(zhì)量濃度一般控制在15g/L左右，實際運行中有時高達30g/L，生物池池容大和混合液懸浮固體濃度高的特性要求生物池內(nèi)混合液必須保持很好的流態(tài)，避免產(chǎn)生短流而出現(xiàn)污泥沉積，減少實際水力停留時間，降低生化系統(tǒng)的處理效率。在前期設計時，缺氧池池型按照完全混合式布置，好氧池池型按推流廊道式布置，通過生物池水流條件的改善可以達到提高處理效率，節(jié)省能耗的目的。

國內(nèi)滲濾液處理行業(yè)混合液回流泵大多采用干式離心泵，一般選型時揚程和功率比較大，池外安裝。潛水穿墻回流泵池內(nèi)安裝，低揚程、大流量、效率高，以500m3/h的回流量為例，干式離心泵參數(shù)為Q=500m3/h、H=12m、N=30kW，而潛水穿墻泵參數(shù)為Q=500m3/h、H=1.2m、N=5kW，泵的電耗可以從1.08kW·h/m3降至0.18kW·h/m3，節(jié)省電耗0.9kW·h/m3。通過生物池水流條件的改善，改變傳統(tǒng)生物池混合液回流泵型式，將干式離心泵換成潛水穿墻回流泵，從而節(jié)省占地和電耗。潛水穿墻回流泵安裝示意圖如圖1所示。

圖1 生物池內(nèi)混合液回流泵位置

03、鼓風曝氣系統(tǒng)的節(jié)能措施

（1）曝氣風量的精準控制

鼓風曝氣系統(tǒng)是生化系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基本條件，并且由于生物池污泥濃度高，鼓風曝氣系統(tǒng)不但要滿足需氧量要求外，還應起到充分攪拌，防止污泥沉降的作用。鼓風曝氣系統(tǒng)在滲濾液處理系統(tǒng)中能耗最高，但是在日常實際運行中，能耗浪費現(xiàn)象嚴重。

一級O池前端有機物濃度高，耗氧速率也高，有機物濃度沿著池長方向遞減，耗氧速率也隨著遞減，實際設計時，需氧量是按照最不利情況下最大污染物濃度計算，為保證整個一級O池溶解氧濃度，沿池長方向均勻布置曝氣器，在一級O池前端，耗氧速率和供氧速率差不多，溶解氧濃度滿足要求，但是池末端就出現(xiàn)供氧速率高于耗氧速率，從而出現(xiàn)溶解氧過剩的現(xiàn)象，造成能耗的浪費，并且池末端溶解氧濃度過高，一方面混合液回流攜帶過多的溶解氧影響脫氮效果，另一方面進入二級A池后，嚴重影響二級A/O池的脫氮效果。

曝氣風量的精準控制措施如下沿著一級O池池長方向分段布置曝氣器，末端減少曝氣器數(shù)量和路數(shù)，每段設置單獨的曝氣管路，并設置電動調(diào)節(jié)閥；池內(nèi)每段設置溶解氧在線測量儀，通過溶解氧濃度反饋調(diào)節(jié)閥開度，從而控制每段曝氣管路風量大小；鼓風機變頻控制，根據(jù)溶解氧濃度反饋信息，控制鼓風機風量。

通過以上措施，減少鼓風機供氧量，從而節(jié)省能耗，并且控制一級O池末端溶解氧濃度，降低混合液回流和進入二級AO池攜帶的溶解氧，提高整個生化系統(tǒng)的脫氮效率。采取節(jié)能措施前后沿池長方向需氧量和供氧量變化如圖2所示。

圖2 沿池長方向需氧量和供氧量變化

（2）鼓風機的選型

鼓風機在滲濾液生化處理系統(tǒng)所有用電設備中電耗最大，占比40%~50%。目前滲濾液處理實際工程中羅茨風機應用最多。羅茨風機投資和維護費用低，但是其能耗高、噪音較大，尤其是對于大中型滲濾液處理站，即使風機房已采取吸音隔音措施，但是噪聲污染仍然很嚴重，并且散熱量很大，造成鼓風機房內(nèi)溫度過高，影響人員檢修和設備正常穩(wěn)定運行。

近年來，高效節(jié)能型風機如磁懸浮風機，螺桿風機以及單級離心風機越來越多的應用于滲濾液處理領(lǐng)域，這類鼓風機最大的優(yōu)勢是高效節(jié)能，相比傳統(tǒng)羅茨風機節(jié)能30%左右，噪音能夠控制在80 dB以下。

因此，滲濾液處理領(lǐng)域從節(jié)能和降低噪音角度，建議鼓風機選型如下對于小型風機，首選螺桿風機；中型風機首選磁懸浮鼓風機；大型風機首選單級離心鼓風機。

（3）曝氣器的選型

滲濾液處理領(lǐng)域應用的曝氣器有射流曝氣器，微孔曝氣器和旋流曝氣器。3種曝氣器各有特點，使用場合不同，投資和運行成本均存在較大差異。

射流曝氣器適用于生物池池深6~9m，氧轉(zhuǎn)移效率較高，但是需要配置射流循環(huán)泵，能耗較高，氣水比一般為4左右，射流循環(huán)泵的電耗一般在4~5kW·h/m3之間，系統(tǒng)配置如圖3所示。相比射流曝氣器，微孔曝氣器和旋流曝氣器無需配置射流循環(huán)泵，但是氧轉(zhuǎn)移效率低于射流曝氣器，系統(tǒng)配置如圖4所示。

圖3 射流曝氣器管路連接示意

圖4 微孔曝氣器和旋流曝氣器管路連接示意

由于混合液濃度較高和有效水深較深等原因，為了達到攪拌效果防止污泥沉降，微孔曝氣和旋流曝氣鼓風風壓要高于有效水深1.0~2.0m，但無需設置其他機械設施。射流曝氣鼓風風壓與有效水深相同即可，但需配置射流循環(huán)泵，綜合考慮射流曝氣電耗最高，其次是微孔曝氣，旋流曝氣電耗最低。因此，實際工程應用中，在滿足功效的前提下，應優(yōu)先選用微孔曝氣器和旋流曝氣器，以節(jié)省項目電耗。

鼓風曝氣系統(tǒng)通過曝氣風量的精準控制，鼓風機和曝氣器的優(yōu)化選型等節(jié)能措施，電耗可以從23.85kW·h/m3降至17.9kW·h/m3，節(jié)省電耗5.95kW·h/m3。

04、MBR超濾膜的選用

滲濾液處理采用的MBR系統(tǒng)分為外置式和內(nèi)置式兩種，實際工程中均有應用，但二者能耗差別較大。

外置式MBR采用錯流式管式超濾膜，其過濾孔徑為0.03µm，通過大流量高速循環(huán)的方式，使膜管內(nèi)的水力流速達到3~5m/s，確?；旌弦涸诠苁匠瑸V膜中形成紊流狀態(tài)，可以有效防止污泥在膜表面沉積，減少膜污染的風險，延長膜使用壽命。

外置式MBR主要由膜組件、進水泵、循環(huán)泵以及配套清洗裝置組成。外置式MBR為實現(xiàn)大流量錯流過濾，進水泵流量一般是設計流量的10~12倍，循環(huán)泵流量和揚程根據(jù)膜管內(nèi)錯流流速和壓力損失確定，此外管式超濾膜孔徑小，使得過膜需要較高的壓力，這些因素造成外置式MBR系統(tǒng)裝機功率比內(nèi)置式MBR大，能耗也高。

內(nèi)置式MBR采用中空纖維膜或者平板膜，其過濾孔徑為0.03~10µm，通過曝氣時氣液向上的剪切力來實現(xiàn)膜表面的錯流效果，從而減少對膜的污染。內(nèi)置式MBR主要由膜組件、抽吸泵、反洗鼓風機以及配套清洗裝置組成。

杜昱等以處理規(guī)模為500m3/d的垃圾滲濾液處理工程為例，對外置式和內(nèi)置式MBR電耗進行比較，內(nèi)置式MBR比外置式MBR節(jié)省耗電量5.832kW·h/m3，每年可節(jié)省運行費用約85萬元。在垃圾滲濾液處理領(lǐng)域，內(nèi)置式MBR和外置式MBR都能達到良好的處理效果，但是選擇內(nèi)置式MBR可以使能耗大幅降低，符合國家碳達峰、碳中和政策的要求。

05、深度處理系統(tǒng)非膜工藝的應用

垃圾滲濾液深度處理工藝通常采用NF/RO膜，有的項目采用DTRO或STRO膜，實際工程運行案例表明，膜系統(tǒng)處理出水穩(wěn)定達標，出水水質(zhì)好，運行管理相對比較簡單，但是產(chǎn)生了很難處理的濃縮液。

早期填埋場垃圾滲濾液處理項目濃縮液一般外運城市污水處理廠或者回灌填埋場，但是隨著各地環(huán)保要求越來越嚴，濃縮液不允許外運處置，經(jīng)過十幾年的實際運行經(jīng)驗，濃縮液回灌填埋場，造成鹽分在填埋場滲濾液內(nèi)不斷累積，導致電導率上升，水質(zhì)惡化，影響滲濾液膜系統(tǒng)產(chǎn)水量和整體工藝正常運行。

垃圾焚燒廠滲濾液處理系統(tǒng)產(chǎn)生的膜濃縮液回噴焚燒爐，或者回用至飛灰固化系統(tǒng)，但是飛灰固化用水量不大，既使能用一部分濃縮液，還得摻混一部分自來水，才能保證不影響固化工藝系統(tǒng)，多余濃縮液回噴焚燒爐影響垃圾熱值。對于垃圾轉(zhuǎn)運站和廚余垃圾處理廠，滲濾液處理系統(tǒng)產(chǎn)生的濃縮液廠內(nèi)無法消納。

目前國內(nèi)針對RO濃縮液一般采用DTRO或STRO高壓膜進一步濃縮，然后采用機械蒸汽再壓縮（MVR）、浸沒式燃燒蒸發(fā)（SCE）和低溫負壓蒸發(fā)等蒸發(fā)工藝處理，投資和能耗都很高，濃縮液蒸發(fā)設備投資在10~18萬元/m3，運行成本在150~400元/m3。蒸發(fā)系統(tǒng)有時運行不穩(wěn)定，產(chǎn)生的臭氣和蒸發(fā)殘渣均需妥善處理。

膜法產(chǎn)生的濃縮液已成為滲濾液處理領(lǐng)域的重點和難點。因此，對于最終出水排放標準對TDS沒有要求的項目，深度處理應優(yōu)先采用非膜法，如Fenton高級氧化+BAF，臭氧氧化、反硝化濾池等，相比NF/RO膜工藝，非膜法存在加藥量大、污泥產(chǎn)量大以及占地大等缺陷，但是相比膜法產(chǎn)生濃縮液的處理，投資和能耗要低得多。

三、結(jié)論

1. 滲濾液處理行業(yè)經(jīng)過數(shù)十年快速發(fā)展，取得了顯著的成就，但是滲濾液處理工藝和設備選型過于追求滿足基本產(chǎn)能和達標排放，而忽視了低能耗的要求。在碳中和背景下，滲濾液處理領(lǐng)域應以節(jié)能增效為目標，從而實現(xiàn)滲濾液行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

2. 通過生物脫氮新工藝的應用、生物池水流條件和混合液回流泵型的改變、鼓風曝氣系統(tǒng)精準控制和內(nèi)置式MBR的選用，系統(tǒng)分別節(jié)省電耗10.64、0.9、5.95、5.832kW·h/m3，節(jié)能效益顯著。

3. 在滿足出水排放標準的前提下，深度處理優(yōu)先選用非膜工藝，降低系統(tǒng)能耗。

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原文標題:垃圾滲濾液處理節(jié)能增效技術(shù)措施探討