垃圾滲濾液處理節(jié)能增效技術(shù)措施探討

來(lái)源：《CE碳科技》微信公眾號(hào)

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(jí)工程師，注冊(cè)公用設(shè)備工程師（給水排水），注冊(cè)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(shè)計(jì)與研究工作。

我國(guó)垃圾滲濾液處理行業(yè)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)建成數(shù)百座滲濾液處理設(shè)施，取得了有目共睹的成就，尤其近年來(lái)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(jìn)，滲濾液處理行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。

然而，滲濾液屬于高濃度有機(jī)廢水，水質(zhì)水量季節(jié)性波動(dòng)大、處理難度大、大部分滲濾液處理工藝和設(shè)備選型過(guò)于追求滿足基本產(chǎn)能和達(dá)標(biāo)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(guò)高；有些滲濾液處理廠由于運(yùn)行成本過(guò)高，很難維持正常運(yùn)行，從而影響滲濾液處理行業(yè)良性發(fā)展。如何實(shí)現(xiàn)滲濾液處理領(lǐng)域節(jié)能增效，助力碳中和，是推動(dòng)行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題。

一、滲濾液處理的能耗分析

以國(guó)內(nèi)滲濾液處理主流工藝“兩級(jí)A/O+MBR+NF/RO”為例，運(yùn)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(yùn)行成本的70%~80%。主要機(jī)電設(shè)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)，造成系統(tǒng)配置復(fù)雜、機(jī)電設(shè)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(chǎng)滲濾液和經(jīng)過(guò)厭氧后的廚余垃圾脫水沼液的處理站，C/N嚴(yán)重失調(diào)，為了實(shí)現(xiàn)高效生物脫氮，兩級(jí)A/O+MBR進(jìn)水C/N應(yīng)控制在5∶1以上，缺失的碳源需要通過(guò)投加甲醇、乙酸鈉和葡萄糖等補(bǔ)充，外部碳源的投加對(duì)脫氮效果和運(yùn)行成本等影響很大；滲濾液處理行業(yè)從設(shè)備選型到運(yùn)行管理均屬于“粗獷式”，設(shè)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(xì)化運(yùn)行管理有待加強(qiáng)。

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(yīng)用

滲濾液生物脫氮工藝大部分采用兩級(jí)A/O+MBR工藝，該工藝具有耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、可高效降解污染物、出水穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是存在回流比過(guò)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(yīng)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(guó)內(nèi)滲濾液處理工程上有應(yīng)用的生物脫氮新工藝有強(qiáng)化脫氮多級(jí)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(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而大幅降低運(yùn)行能耗。

以厭氧氨氧化工藝為例，其脫氮機(jī)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(yīng)，工程應(yīng)用案例有湖北十堰西部垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理和無(wú)錫惠聯(lián)餐廚廢棄物厭氧消化沼液處理等。以進(jìn)水COD 8000mg/L、NH3-N 2500mg/L、TN 3000mg/L為基準(zhǔn)，厭氧氨氧化+A/O+MBR與常規(guī)兩級(jí)A/O+MBR工藝比較如表1所示。

表1 工藝對(duì)比

通過(guò)表1可以看出，兩級(jí)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(yùn)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(jí)A/O生物池池容一般較大，水力停留時(shí)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(shí)際運(yùn)行中有時(shí)高達(dá)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(shí)際水力停留時(shí)間，降低生化系統(tǒng)的處理效率。在前期設(shè)計(jì)時(shí)，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(guò)生物池水流條件的改善可以達(dá)到提高處理效率，節(jié)省能耗的目的。

國(guó)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(shí)揚(yáng)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(yáng)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(guò)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(fēng)曝氣系統(tǒng)的節(jié)能措施

（1）曝氣風(fēng)量的精準(zhǔn)控制

鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)是生化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件，并且由于生物池污泥濃度高，鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)不但要滿足需氧量要求外，還應(yīng)起到充分?jǐn)嚢瑁乐刮勰喑两档淖饔?。鼓風(fēng)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(shí)際運(yùn)行中，能耗浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。

一級(jí)O池前端有機(jī)物濃度高，耗氧速率也高，有機(jī)物濃度沿著池長(zhǎng)方向遞減，耗氧速率也隨著遞減，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需氧量是按照最不利情況下最大污染物濃度計(jì)算，為保證整個(gè)一級(jí)O池溶解氧濃度，沿池長(zhǎng)方向均勻布置曝氣器，在一級(jí)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(guò)剩的現(xiàn)象，造成能耗的浪費(fèi)，并且池末端溶解氧濃度過(guò)高，一方面混合液回流攜帶過(guò)多的溶解氧影響脫氮效果，另一方面進(jìn)入二級(jí)A池后，嚴(yán)重影響二級(jí)A/O池的脫氮效果。

曝氣風(fēng)量的精準(zhǔn)控制措施如下：沿著一級(jí)O池池長(zhǎng)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(shè)置單獨(dú)的曝氣管路，并設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；池內(nèi)每段設(shè)置溶解氧在線測(cè)量?jī)x，通過(guò)溶解氧濃度反饋調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，從而控制每段曝氣管路風(fēng)量大小；鼓風(fēng)機(jī)變頻控制，根據(jù)溶解氧濃度反饋信息，控制鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

通過(guò)以上措施，減少鼓風(fēng)機(jī)供氧量，從而節(jié)省能耗，并且控制一級(jí)O池末端溶解氧濃度，降低混合液回流和進(jìn)入二級(jí)AO池?cái)y帶的溶解氧，提高整個(gè)生化系統(tǒng)的脫氮效率。采取節(jié)能措施前后沿池長(zhǎng)方向需氧量和供氧量變化如圖2所示。

圖2 沿池長(zhǎng)方向需氧量和供氧量變化

（2）鼓風(fēng)機(jī)的選型

鼓風(fēng)機(jī)在滲濾液生化處理系統(tǒng)所有用電設(shè)備中電耗最大，占比40%~50%。目前滲濾液處理實(shí)際工程中羅茨風(fēng)機(jī)應(yīng)用最多。羅茨風(fēng)機(jī)投資和維護(hù)費(fèi)用低，但是其能耗高、噪音較大，尤其是對(duì)于大中型滲濾液處理站，即使風(fēng)機(jī)房已采取吸音隔音措施，但是噪聲污染仍然很嚴(yán)重，并且散熱量很大，造成鼓風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)溫度過(guò)高，影響人員檢修和設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行。

近年來(lái)，高效節(jié)能型風(fēng)機(jī)如磁懸浮風(fēng)機(jī)，螺桿風(fēng)機(jī)以及單級(jí)離心風(fēng)機(jī)越來(lái)越多的應(yīng)用于滲濾液處理領(lǐng)域，這類鼓風(fēng)機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是高效節(jié)能，相比傳統(tǒng)羅茨風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)選型如下：對(duì)于小型風(fēng)機(jī)，首選螺桿風(fēng)機(jī)；中型風(fēng)機(jī)首選磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)；大型風(fēng)機(jī)首選單級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)。

（3）曝氣器的選型

滲濾液處理領(lǐng)域應(yīng)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(diǎn)，使用場(chǎng)合不同，投資和運(yùn)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(wú)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(dá)到攪拌效果防止污泥沉降，微孔曝氣和旋流曝氣鼓風(fēng)風(fēng)壓要高于有效水深1.0~2.0m，但無(wú)需設(shè)置其他機(jī)械設(shè)施。射流曝氣鼓風(fēng)風(fēng)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(shí)際工程應(yīng)用中，在滿足功效的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用微孔曝氣器和旋流曝氣器，以節(jié)省項(xiàng)目電耗。

鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)通過(guò)曝氣風(fēng)量的精準(zhǔn)控制，鼓風(fēng)機(jī)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(shí)際工程中均有應(yīng)用，但二者能耗差別較大。

外置式MBR采用錯(cuò)流式管式超濾膜，其過(guò)濾孔徑為0.03µm，通過(guò)大流量高速循環(huán)的方式，使膜管內(nèi)的水力流速達(dá)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(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)膜使用壽命。

外置式MBR主要由膜組件、進(jìn)水泵、循環(huán)泵以及配套清洗裝置組成。外置式MBR為實(shí)現(xiàn)大流量錯(cuò)流過(guò)濾，進(jìn)水泵流量一般是設(shè)計(jì)流量的10~12倍，循環(huán)泵流量和揚(yáng)程根據(jù)膜管內(nèi)錯(cuò)流流速和壓力損失確定，此外管式超濾膜孔徑小，使得過(guò)膜需要較高的壓力，這些因素造成外置式MBR系統(tǒng)裝機(jī)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(guò)濾孔徑為0.03~10µm，通過(guò)曝氣時(shí)氣液向上的剪切力來(lái)實(shí)現(xiàn)膜表面的錯(cuò)流效果，從而減少對(duì)膜的污染。內(nèi)置式MBR主要由膜組件、抽吸泵、反洗鼓風(fēng)機(jī)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(duì)外置式和內(nèi)置式MBR電耗進(jìn)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(yùn)行費(fèi)用約85萬(wàn)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(dá)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(guó)家碳達(dá)峰、碳中和政策的要求。

05、深度處理系統(tǒng)非膜工藝的應(yīng)用

垃圾滲濾液深度處理工藝通常采用NF/RO膜，有的項(xiàng)目采用DTRO或STRO膜，實(shí)際工程運(yùn)行案例表明，膜系統(tǒng)處理出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，出水水質(zhì)好，運(yùn)行管理相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是產(chǎn)生了很難處理的濃縮液。

早期填埋場(chǎng)垃圾滲濾液處理項(xiàng)目濃縮液一般外運(yùn)城市污水處理廠或者回灌填埋場(chǎng)，但是隨著各地環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)，濃縮液不允許外運(yùn)處置，經(jīng)過(guò)十幾年的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，濃縮液回灌填埋場(chǎng)，造成鹽分在填埋場(chǎng)滲濾液內(nèi)不斷累積，導(dǎo)致電導(dǎo)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(yùn)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(lái)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(duì)于垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)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(wú)法消納。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)RO濃縮液一般采用DTRO或STRO高壓膜進(jìn)一步濃縮，然后采用機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）、浸沒(méi)式燃燒蒸發(fā)（SCE）和低溫負(fù)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(shè)備投資在10~18萬(wàn)元/m3，運(yùn)行成本在150~400元/m3。蒸發(fā)系統(tǒng)有時(shí)運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)生的臭氣和蒸發(fā)殘?jiān)柰咨铺幚怼?/p>

膜法產(chǎn)生的濃縮液已成為滲濾液處理領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，對(duì)于最終出水排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TDS沒(méi)有要求的項(xiàng)目，深度處理應(yīng)優(yōu)先采用非膜法，如Fenton高級(jí)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(guò)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(shè)備選型過(guò)于追求滿足基本產(chǎn)能和達(dá)標(biāo)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(yīng)以節(jié)能增效為目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)滲濾液行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

2. 通過(guò)生物脫氮新工藝的應(yīng)用、生物池水流條件和混合液回流泵型的改變、鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)精準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)題 : 垃圾滲濾液處理節(jié)能增效技術(shù)措施探討