渗滤液蒸发处理技术的难点与对策.pdf

渗滤液蒸发处理技术的难点与对策 ＊ 袁怡祥 马人熊 谭春青 杨 征 刘 佳 中国科学院工程热物理研究所, 北京 100190 摘要 讨论几种用填埋气燃烧释放的能量来蒸发渗滤液的技术, 分析了蒸发处理过程中由于渗滤液自身特点所带来的 技术上的难点, 并根据这些难点针对性地分析渗滤液蒸发处理技术的改进方向。 关键词 渗滤液; 蒸发; 燃烧 THE DIFFICULTY AND COUNTERMEASURES OF EVAPORATION TECHNOLOGY OF TREATING LEACHATE Yuan Yixiang Ma Renxiong Tan Chunqing Yang Zheng Liu Jia Institute of Engieering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China Abstract Various kinds of landfill gas combustion evaporation technologies applied in leachate were investigated. The difficulties of evaporation resulted from leachate propertieswere analyzed, and some promising s of evaporationwere brought out according to the difficulties. Keywordsleachate; evaporation; combustion ＊国家自然科学基金项目 50876104 。 1 垃圾渗滤液的特性及处理技术 1. 1 渗滤液及其浓缩液成分的复杂性 尽管渗滤液绝大部分含的是水 ,但是其中含有的 杂质成分却十分复杂、浓度高。相对于普通城市污 水,其杂质中的氨氮 、 有机物的浓度尤其高。 1 氨氮 。高浓度的氨氮是渗滤液的特征。根据 填埋场的填埋方式 、 垃圾成分的不同, 渗滤液氨氮含 量一般每升中从上百至几千毫克不等, 氨氮含量一般 占总氮的 80～ 90。且随着填埋时间的增加, 垃 圾成分中的有机氮转化成了无机氮 ,使得渗滤液的氨 氮浓度升高。厌氧环境内氨氮不会被自动去除,因而 氨氮是渗滤液中长期性的最主要无机污染物 。 2 微量有机物、 主要有机物 。渗滤液中含有的微 量有机物有苯、甲苯 、 乙苯 、 二甲苯 ,还有卤代烃、 邻苯 二甲酸盐类、 醇类、 酚类、酯类 、 醚类 、 酮类、 醛类、 酰胺 类等化合物, 一般每升渗滤液中含量从几至几十毫 克,比较容易通过挥发进入大气中或者蒸发出来。渗 滤液中的主要有机物是低相对分子质量 主要组分相 对分子质量 500 的挥发性脂肪酸 VFA 、中高相对 分子质量 主要组分相对分子质量在 500 ～ 100 000 的腐植酸, 腐植酸是渗滤液难于脱色和生化处理的主 要有机污染物质 ,一般每升渗滤液中含上百至几千毫 克。有机物的含量也受填埋时间的影响, 一般中、老 年期渗滤液中的腐植酸物质可占 DOC 溶解性有机 碳 的 30～ 60,而挥发性脂肪酸随着时间逐年趋 于减少。 1. 2 渗滤液的特点带来的处理方法上的难点 1 氨氮含量高带来的问题。与城市污水相比 ,垃 圾渗滤液的氨氮浓度高出数十至数百倍 。一方面 ,由 于高浓度的氨氮对生物处理系统有抑制作用 ; 另一方 面,即使在填埋初期渗滤液的可生化性较好 ,但是靠 传统的处理技术很难将垃圾渗滤液处理到二级标准 GB16889 -1997 以上 , 通常每升渗滤液中的 COD 将 有几百毫克以上不易处理 。 2 有机物形成的腐植酸带来的问题。一方面腐 植酸生化处理难 ; 另一方面,随着填埋时间的增加 ,可 生化处理的有机污染物质在垃圾场自然生化体系中 已被降解, 残留的高分子有机物进入渗滤液中, 其可 生化处理性降低, 在填埋后期 , 可生化处理性很差, ρ BOD ρ COD值可 0. 3, C N 值严重失调, 渗滤液 中的腐殖酸红和腐殖酸黄难于处理 。 42 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 另外 ,水质波动大、 填埋场结构 、 填埋方式的不同 都会使得渗滤液中杂质成分和含量变化 ,而传统单一 处理技术一般不具备较广和较灵活的适应性 ,易导致 最终出水难以达标排放。 1. 3 渗滤液处理技术方法及其难点 1 针对氨氮浓度高采用吹脱 。目前氨去除的主 要方法有曝气、吹脱 。曝气所用的曝气池由于气液接 触面积小而去除效率低, 不适用于高氨氮渗滤液的处 理。采用吹脱塔的吹脱法虽然具有较高的去除效率, 但投资运行成本高, 且存在脱氨尾气难以治理的缺 点。氨吹脱塔部分的建设投资可达总投资的 30左 右,且运行成本很高。这是因为在运行过程中 ,渗滤 液吹脱前需要加碱将 pH 值调至11 左右 ,吹脱后为了 把碱性中和满足后续生化处理的需要, 又需要加入酸 来把碱性回调至中性 。同时, 为了提供一定的气液接 触面积,还需要风机提供足够的风量以满足一定的气 液比 ,造成了渗滤液处理成本的偏高 。另外 ,由于在 水温低时吹脱效率低 ,以致对于年平均气温较低的地 区,存在低温条件下吹脱塔无法正常运行和冬季吹脱 塔结冰的问题, 例如在我国北方地区, 因此其应用受 到一定的限制。 2 针对有机物和离子采取生物和物化方法。一 般在氨吹脱后, 再进行生物和物化处理的工艺流程。 生物处理的投资和运行费用均较低 ,但通常情况下处 理的出水无法达标 。我国现有城市垃圾填埋场多选 用厌氧加好氧的生物处理方法, 运行效果普遍较差。 物化处理方面 许多场合要对渗滤液使用 RO 反渗 透 法 。RO 主要去除的是小分子有机物和盐 ,其产水 率受到电导率的严重影响 。当渗滤液的电导率达到 30 000 μ S cm左右, RO 膜的产水率就会下降到 40 左右 。膜处理工艺对气候和地理位置适应性较强 ,可 应用范围较广, 但反渗透膜成本高 、寿命短 、易受污 染,基建和运行成本很高 ,这是影响膜处理能否推广 应用的重要因素 ,而且反渗透膜处理产生的浓缩液还 需进一步处理。 另外 ,通常针对浓缩液采用回灌技术。渗滤液的 浓缩液富集了大量难降解有机物 、无机盐类 、 少量小 分子有机物、 微量重金属 、 有毒有机物, 回灌是最简单 的处理方法 ,成本低 , 但回灌使得浓缩液中富集的盐 类几乎全部回到了垃圾场或调节池 ,会导致垃圾场渗 滤液的电导率迅速升高, 而 RO 膜的出水率又对电导 率极为敏感。且渗滤液高含盐率易使得生物处理系 统紊乱 ,还容易导致恶臭扩散, 因此回灌不是一种解 决实质问题的处理方法。 2 几种渗滤液蒸发方式 蒸发一般是指在一定的温度和压力下,把溶液混 合物中的相对易挥发性组分分离出去的过程。在对 渗滤液运用蒸发进行处理时, 对渗滤液在一定压力下 加热到水能蒸发的温度, 由于重金属、无机物以及渗 滤液中的大部分有机物 特别是大分子有机物 的挥 发性比水弱 ,会残存在蒸发了大部分水的浓缩液中, 而挥发性有机酸 、 部分挥发性小分子烃 、氨等污染物 会进入蒸汽最后冷凝下来。蒸发法是一种适用性和 灵活性比较强的处理渗滤液的方法 。 另外, 对渗滤液的蒸发加热一般需要配置专门的 蒸汽锅炉, 而下面介绍的蒸发技术不需要专门蒸汽锅 炉,是利用垃圾场副产的填埋气燃烧释放的热量来使 渗滤液蒸发 ,解决了需要填埋场外来能量的问题。 2. 1 填埋气浸没式燃烧蒸发 浸没式燃烧蒸发, 如图 1 所示 ,是把助燃空气和 填埋场副产的填埋气通入渗滤液里面进行燃烧,燃烧 释放的热量直接传递给渗滤液 ,燃烧产生的热烟气在 渗滤液里的上升过程中不断和渗滤液进行热交换 ,极 大地提高传热表面积 ,渗滤液中的水不断迅速蒸发, 蒸出物 水汽、 氨气等 通过管道排出, 而渗滤液蒸发 后的蒸余物 浓缩液 从底部除去。 图 1 填埋气浸没式蒸发燃烧 浸没式燃烧蒸发既是一个传热的过程,又是一个 传质的过程 ,高温烟气直接与渗滤液接触 ,而且热烟 气在渗滤液里的上升过程中不断和渗滤液进行分子 级别的接触 ,因此蒸发热效率高,传热速度快 。 该工艺可靠 、 维护成本低、减容率高; 对水量、水 质变化适应能力强; 燃气用的是填埋场自产的填埋 气,既减少填埋气的能量浪费, 也减少温室气体甲烷 的排放。该工艺一般要求渗滤液中的挥发性有机物 浓度较低, 对老龄填埋场产生的性质稳定的渗滤液比 43 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 较合适。这项技术国外研究得比较早 [ 1] ,国内 [ 2] 个别 填埋场也开始应用。 2. 2 渗滤液气动雾化蒸发 如图 2所示, 与浸没式蒸发方式不同的是, 该蒸 发方式中 ,填埋气燃烧产生的烟气不是在渗滤液液体 中进行热交换, 而是对雾化了的渗滤液进行加热来使 其蒸发 。渗滤液的雾化需要用压缩空气 , 一般情况 下,空气需要加压到几十万帕, 然后在喷嘴处通过对 渗滤液薄膜进行旋流剪切来使其雾化到微米级别小 颗粒, 再和高温燃烧区域和烟气接触, 也起到了极大 地增加了换热面积、加快蒸发速率的效果。 图 2 渗滤液气动雾化蒸发 2. 3 助燃空气分级燃烧 该蒸发方式是在前述浸没式蒸发器之后 ,再用一 个第二级燃烧器对蒸出物中的尾气进行焚烧处理 ,如 图3 所示,利用在第二级燃烧器发生的高温氧化反应 去除尾气中含有的挥发性污染物。从而使得在确保 尾气和冷凝液达标排放的前提下 , 节省大量由吸附、 氧化等工艺处理蒸出物所带来的基建和运行成本。 但是, 该方式的系统尾气排放温度高, 对填埋气体需 求量较大 ,一般处理1 t渗滤液需要 400 ～ 500 m 3填埋 气,因此只适合于填埋气体产生量相对较大 、 渗滤液 产生量相对较小的填埋场 ,或者把渗滤液经过减量处 理后再用此系统进行蒸发处理 ,后者一般需要与渗透 膜处理等减量技术相结合 。 2. 4 渗滤液分级蒸发 国外较早开发两级浸没式燃烧技术 [ 3] ,国内也已 进行这方面的研究 [ 4] 。如图 4 所示, 渗滤液蒸发在 初级燃烧过程和二级燃烧过程中完成 。填埋气和助 燃空气在渗滤液液体中的初级燃烧器中燃烧 ,以便从 渗滤液中蒸发尽可能多的挥发性有机物、氨气等, 这 些蒸出物被送至二级浸没式燃烧器中和补充的填埋 气、 助燃空气一起燃烧 , 二级燃烧器释放的热量用来 蒸发初级装置中未被完全蒸发的渗滤液初级蒸余物。 图 3 助燃空气分级燃烧 图 4 渗滤液分级蒸发 初级蒸出物带有热值气体在二级燃烧器中燃烧 释放出来, 用来加热初级蒸余物, 使得初级蒸余物进 一步被浓缩 ,这种方式比单级浸没式燃烧蒸发, 减少 了填埋气的用量 ; 同时 , 初级蒸出物中的气体在二级 燃烧器中被氧化而净化, 降低了污染排放 。经过两级 燃烧器的有机结合运用, 达到了节能减排的效果。 3 渗滤液蒸发过程中的几个技术难点 3. 1 蒸发温度与 pH 值对蒸发的影响 pH 值是蒸发的重要影响因素 ,pH 值影响渗滤液 中挥发性有机酸和氨的离解程度,从而影响他们的挥 发程度 。氨氮在水 中的存在状态大多以氨离子 NH 4 和游离氨 NH3 保持平衡而存在 。通常,pH 值 和水温决定了游离氨在全部氨氮 NH3- N 中所占的 比例 。当 pH 值增高时 ,游离氨的比例增大, 当 pH 值 为11 左右时,游离氨可达 90以上 ,且受温度的影响 小。温度也会影响该关系式的平衡 ,一方面温度的提 高增大了氨在水中的扩散系数 , 增加了传质系数; 另 一方面,在一定压力下温度的提高使游离氨在水中的 溶解度降低 ,增加了传质推动力, 使渗滤液中的游离 氨比例增加 ,有利于氨的脱除。特别是80 ℃左右时, 温度对氨氮脱除率的影响很大 。 44 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 因此,一般的蒸发技术会需要把渗滤液进行加 碱 [ 5] 或者渗滤液处理前其他前处理技术环节已经把 pH 值调节到位 , 如果蒸发前加碱, 则蒸发的后续环 节处理需要加酸来调节 pH 值达中性, 这样增加了处 理环节和成本。因此, 在不加碱和酸的情况下 ,研究 蒸发温度、氨氮含量 、杂质等因素对于氨氮和有机质 的脱除效率的影响是很重要的和关键的, 同时 ,也有 必要改进和开发更好的蒸发技术。 3. 2 最高燃烧温度和温度不均匀的影响 如果采用填埋气浸没式燃烧技术、渗滤液气动雾 化蒸发技术,或者其他与渗滤液直接接触传热传质的 燃烧技术, 则在渗滤液液体中或者雾化场中 ,燃烧的 最高温度会随着填埋气流率和渗滤液流率的改变而 不同 ,各处的温度也不均匀 有局部高温 ,从而影响 场中各处的传热效果以及氨氮和有机质的挥发程 度 [ 6] ,则在总体上会影响氨氮和有机质的脱除效率。 过高的燃烧温度和渗滤液温度会提高金属离子 的蒸汽压 ,可能把渗滤液中的重金属蒸发到蒸汽里面 去,这也是研究燃烧最高温度的影响时应该注意的一 个方面。为减少最高温度的影响, 可适当结合运用减 压蒸发、 闪蒸等技术 。 因此, 燃烧所带来的最高温度、温度不均匀性对 脱除效率的影响应该进一步研究。同理 ,影响燃烧的 填埋气的流率、渗滤液的相应流率、各处助燃空气的 相应流率对于脱除效率的影响也应进一步研究。 3. 3 蒸发器结构的影响 GB16889-2008渗滤液排放标准要求 2011年 7 月1 日应达到COD≤100 mg L、BOD≤30 mg L、 NH3- N ≤ 25 mg L ,可见对于COD、 BOD 的排放提出了比以前 标准更高的要求。蒸发器结构会影响高温烟气的停 留时间 、 蒸汽在蒸发器中的流动速度、烟气和渗滤液 在蒸发器中的分布等 ,从而影响脱除效率。为了高温 烟气和渗滤液有充分的接触时间和接触空间进行传 热传质,就应该保证蒸发器有相应要求的竖直段高度 和直径。而目前各种蒸发器结构 比如粗放的浸没式 燃烧蒸发 尚未考虑这些方面对于脱除效率 、 污染物 富集程度 、 浓缩程度 、 分离程度的影响。 4 渗滤液蒸发处理技术的对策分析 4. 1 优化的燃烧蒸发技术 针对目前各种燃烧蒸发方式的不足 ,设计更合理 的燃烧方式 ,避免最高温度过高、场温度过于不均匀 以及渗滤液的成分不同带来的对于脱除效率的影响。 4. 2 蒸发器结构形式的改进 考虑设计一种局部温度容易均匀的床型结构 ,最 好自身有洁净功能, 这样不易结垢且维护费用低。设 计的床结构同时最好有较高的悬浮段 、 对流段, 且有 较高竖直高度, 以保证有充分的接触时间和接触 空间 。 4. 3 汽提技术和填埋气燃烧相结合方式 可考虑设计一个汽提塔 ,拟分离 3 部分物质 [ 6] a.氨氮 ; b. 有机质; c.浓缩物 。其中氨氮从塔顶出, 有机物质从塔的侧线出, 浓缩物从塔底出 。既达到了 分离的目的 ,又因为采用汽提, 蒸汽温度的提高可以 减少酸碱用量或者不必酸碱调节 ; 不需要吹脱塔, 避 免了吹脱塔效率低且不彻底的缺点 ,省去了吹脱的鼓 风装置,免除了风机电耗 ; 代之以蒸汽,而蒸汽是通过 填埋场副产的填埋气通过某种燃烧方式加热得来。 解决了吹脱塔对于平均气温较低的地区无法运行和 冬季吹脱塔结冰的问题, 使得本方法不受地域的限 制; 解决了老化渗滤液生化处理方法效率低的问题 。 参考文献 [ 1] Harry Brandt, John H T . 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