混合式蒸发在垃圾渗滤液零排放中的应用

章 晓，杨洛鹏，贺兰海（.中国石化新疆能源化工股份有限公司，乌鲁木齐 800；2.大连理工大学能源与动力学院，辽宁 大连 6024；.海汇集团有限公司，山东 日照 276500）

混合式蒸发在垃圾渗滤液零排放中的应用

章 晓1，杨洛鹏2、3，贺兰海3
（1.中国石化新疆能源化工股份有限公司，乌鲁木齐 830013；2.大连理工大学能源与动力学院，辽宁 大连 116024；3.海汇集团有限公司，山东 日照 276500）

垃圾渗滤液是高毒性的有机废水，常规的处理工艺难以同时满足可行性和经济性的要求。文章提出了水平-竖直管多效混合式蒸发垃圾渗滤液处理工艺。工艺流程中，渗滤液中超过80%的水分在水平管降膜多效蒸发器内负压蒸发，浓缩后的渗滤液在竖管降膜蒸发器内结晶；水平管降膜蒸发的小温差传热特性保证了在5℃～10℃温差范围内布置多个蒸发器实现对热量的重复利用和有效降低机械蒸气压缩的电耗。工程实例计算表明，新工艺处理垃圾渗滤液消耗的高压蒸气量和电耗大幅度降低，验证了该工艺可以高效节能地实现渗滤液处理的零排放。

垃圾渗滤液；水平管降膜蒸发；零排放；多效混合式蒸发

1　绪论

随着城市化进程的加快和经济的持续增长，城市生活和工业生产活动中产生的固体废弃物持续快速增长，采用卫生填埋已成为我国目前处理垃圾的主要方式［1］。卫生填埋场内有机污染物生物降解产生的水和多种有机物、垃圾中含有的水与填埋场界边外部环境入水会汇合成垃圾渗滤液，垃圾渗滤液具有CODCr和BOD浓度高、氨氮高、难降解有机物种类多、盐分高、重金属离子多、可生化性差、水质不稳定等［2］主要特点，高污染［3］、高毒性［4］和高危害性的垃圾渗滤液如果得不到妥善处置，会严重污染地表水源、地下水和土壤，对生态环境造成严重破坏，因此寻求高效的垃圾渗滤液处理方法现已成为业界的研究热点。

垃圾渗滤液含较高浓度的氨氮和难生物降解的腐殖酸［5］，使得对可靠性高、耗能低的处理工艺进行合理选择成为工程应用领域和处理技术面临的重要挑战。目前，国内外填埋场应用的渗滤液处理技术主要有：

（1）与市政污水联合处理

在十几年前，通常是将垃圾渗滤液与市政污水混合一并处理。但由于垃圾渗滤液中含有重金属并且难生物降解的化合物比例大，降低了合并处理效率，容易影响污水处理厂系统的正常运行［6］。

（2）回灌技术

该处理方式具有操作简单和操作费用廉价等优点［7］，但回灌过程中会因垃圾层的厌氧消化作用而积累大量酸，氨氮浓度增高，后续处理难度加大，同时伴有恶臭气体挥发、产气量增多等现象，给填埋场带来很大的安全隐患。

（3）生物处理技术

该方式具有可靠、简易和高效等优点［8］，对BOD5/CODCr大于0.5的早期垃圾渗滤液的有机物去除效果显著，但随着填埋场场龄的增加，NH3-N 浓度增大，难生物降解的有机物会成为垃圾渗滤液有机污染物的主要部分，生物工艺的处理效率也随之降低。

（4）物化处理技术

处理垃圾渗滤液的物理化学工艺包括吸附、过滤、膜分离、蒸发、混凝、沉淀、氧化、还原、吹脱、离子交换等［9-11］，物化处理能除去垃圾渗滤液中的部分污染物，并可提高垃圾渗滤液的可生化性，减轻后续工艺的负担，常用于与生物法联合处理垃圾渗滤液。从经济因素考虑，物化方法处理成本偏高，不适用处理水量较大的垃圾渗滤液。

（5）蒸发技术

垃圾渗滤液中有机杂质的蒸发温度远高于纯水的蒸发温度，垃圾渗滤液中的水分会先于污染物被蒸发，而绝大部分污染物聚集在残余浓缩液中［12］。蒸发法属于物理分离过程，对水质水量变化适应性强，对水质特性（如 BOD、COD、SS、DS及进料温度的变化）不敏感，产生浓缩液少且浓缩液可焚烧、回灌或固化后填埋。已投入工业化运行的有浸没燃烧蒸发、热泵蒸发、闪蒸蒸发、强制循环蒸发等常温蒸发以及负压低温蒸发工艺。

目前垃圾渗滤液处理工艺存在的问题是：1）在技术上能达标的工艺在经济性上较差，物化处理技术中的膜法的投资和运行成本高，并且还需要进一步处理占原液20%～25%的浓缩液，活性炭吸附和化学氧化工艺的运行成本过高而无法接受；2）处理成本经济的工艺不能达到排放要求，例如生物法处理的投资和运行的费用较低，垃圾填埋场的渗滤液水质和水量随填埋时间发生较大变化，通常情况下的出水水质不能达标。因此需要寻求技术佳、经济性好的渗滤液处理新工艺。

负压低温蒸发法是能有效解决垃圾渗滤液处理的新工艺。与普遍的生物处理 + 出水反渗透工艺相比较，蒸发法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［13］；出水的水质好，冷凝水中的盐度、胶体含量更低。与常压高温蒸发相比，负压低温蒸发最显著地特点是：利用低温余热或者废热作为蒸发热源，可以大幅度降低能耗成本；低温蒸发使设备的结垢和腐蚀得到有效控制。

目前对于负压低温蒸发的研究主要是在实验室条件下，分析真空度、渗滤液pH值和蒸发率等因素对冷凝液水质和主要污染物去除效果的影响，而缺少对负压低温蒸发机理和如何实现垃圾渗滤液零排放的研究。本文中提出了水平 - 竖直管多效混合式蒸发垃圾渗滤液处理系统，可在大幅度降低处理成本的基础上，实现垃圾渗滤液的零排放。

2　水平 - 竖直管多效混合式蒸发垃圾渗滤液工艺

2.1工艺流程

如图1所示，多效混合式蒸发系统由3部分组成：水平管降膜低温多效蒸发器、机械蒸气压缩式热泵（Mechanical Vapor Compressor-MVC）和竖管降膜多效蒸发器。

图1　水平 - 竖直管多效混合式蒸发垃圾渗滤液处理系统

（1）多效水平管降膜蒸发流程：渗滤液侧的流程：渗滤液在冷凝器中完成预热后并行进入到蒸发器中，渗滤液进入蒸发器后，经布液器被均匀分布到蒸发器的管束上，渗滤液被管内蒸气加热而产生部分蒸发，生成的二次蒸气经汽液分离器后进入下一效蒸发器的管内作为加热蒸气，剩余的渗滤液进入下一效蒸发器中闪蒸，浓缩后的渗滤液在温度最低的末效蒸发器中离开装置。

蒸气侧流程：末效水平管降膜蒸发器内的二次蒸气在MVC内升温升压后，作为加热蒸气进入到一效蒸发器的传热管内并在管内凝结为水，排到蒸发器外，管外渗滤液蒸发，生成二次蒸气，进入下一效传热管。蒸发、冷凝过程在各效蒸发器内重复，末效蒸发器内生成的二次蒸气进入到MVC内被重复循环利用。

（2）竖管降膜蒸发流程：多效水平管降膜蒸发器浓缩后的渗滤液平行进入到竖管降膜蒸发器中进一步浓缩结晶。高压蒸气进入到第一效加热室。在加热室受热后的渗滤液在蒸发室中蒸发出大量饱和水蒸汽，这些二次饱和水蒸汽进入下效蒸发罐加热室，下效蒸发罐加热室起着对上效蒸气冷凝器的作用，同时蒸气冷凝成水，各效的冷凝水经闪蒸器闪蒸后产生二次蒸气进入二效蒸发器，在二效蒸发器内产生的二次蒸气进入到冷凝器内，作为多效水平管降膜蒸发器进口渗滤液的预热蒸气。

2.2水平管降膜蒸发技术原理

水平管降膜蒸发技术原理［14］如图2所示，液体以膜状形式由一个水平管向下滴落到与其并连的另一个水平管，并依靠管内介质的加热而不断蒸发的过程。基于该技术的横管降膜蒸发器由多排水平管组成，在上一层管外壁上蒸发的余液落至下一层管上继续蒸发，随着蒸发的持续进行，液膜厚度不断减小。液膜厚度越小，其传热系数就越高，水平管降膜蒸发相比其它形式的蒸发可以很大程度上提高传热系数和传热性能。对于光滑管而言，水平管降膜的传热系数二倍于竖管降膜蒸发。在有效合理的喷淋密度下，水平管降膜蒸发不仅消除了液体静压柱和过热区的影响，而且有效降低了蒸发的驱动温度，能够使多效蒸发在较小的温差变化范围内有足够的效率，从而保障了低温多效蒸发的经济性。

图2　水平管降膜蒸发原理示意图

2.3流程技术特点

（1）垃圾渗滤液在多效水平管降膜蒸发器中被浓缩，由于渗滤液的TDS浓度较低，渗滤液中大部分的水分在水平管降膜蒸发器内被蒸发，浓缩后的渗滤液作为多效竖管降膜蒸发器的进料水，可以大幅度降低竖管降膜蒸发器中消耗的高压蒸气，渗滤液在竖管降膜蒸发器中结晶，从而同时满足了垃圾渗滤液处理工艺在经济性和可行性两方面的要求，实现了对垃圾渗滤液的零排放。

（2）多效水平管降膜蒸发器与MVC联合运行，可以有效降低渗滤液处理成本。水平管降膜蒸发是小温差条件下的高效相变传热技术，每一效蒸发器内的传热温差在1.6℃～3.5℃范围内，这样既可以在较小温差范围内布置多个蒸发器实现对热量的重复利用，又可以有效降低MVC的电耗。

（3）可以通过调整渗滤液的pH值有效控制氮氨等易挥发成分对冷凝水水质的影响。

3　应用实例

以某垃圾填埋场的垃圾渗滤液为例，渗滤液成分如下表所示，渗滤液的处理量100t/d，加热蒸气压力0.5MPa，温度140℃，采用如图1所示的多效混合式蒸发系统，竖管降膜蒸发器采用3效，水平管降膜蒸发器为2效，水平管低温多效蒸发系统加热蒸气温度为60℃，末效水平管降膜蒸发温度为55℃。

垃圾渗滤液水质表

能耗分析结果：采用多效混合式蒸发系统后蒸气耗量为0.0625t汽/t渗滤液，MVC电耗为7.5kW·h/t渗滤液。如果按照高温高压蒸气价格为200元/t，电价为0.7元/kW·h计算，相对于典型的竖管降膜3效蒸发系统，处理成本可以由88元/t渗滤液降低到11.5元/t渗滤液，如果MVC的投资为150万元，水平管降膜蒸发器成本为50万元，那么只需0.73年就可以可以收回投资，因此该多效混合式蒸发系统的节能效果十分显著。

4　结论

对工艺流程的分析和工程实例的验证表明，本文提出的多效混合式蒸发系统充分利用了水平管降膜蒸发所具有的小温差和高效传热的特点，能够显著降低MVC的电耗和高温高压蒸气的耗量，从而实现大幅度降低垃圾渗滤液的处理成本，并且真正实现了垃圾渗滤液的零排放，因此水平 - 竖直管降膜混合多效蒸发技术应用于垃圾渗滤液蒸发具有很好的发展前景。

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Application of Hybrid Evaporation in Zero Discharge of Garbage Leachate

ZHANG Xiao1， YANG Luo-peng2，3， HE Lan-Hai3
（1.Sinopec Xinjiang Energy & Chemical Co.， Ltd， Wulumuqi 830013；2.School of Energy and Dynamics， Dalian University of Science & Engineering， Liaoning Dalian 116024；3.Haihui Group Co.， Ltd， Shandong Rizhao 276500， China）

Garbage leachate is high poisonous organic wastewater. The conventional treatment processes is difficult to sat¬isfy the requirement of feasibility and economy at the same time. The paper puts forward a treatment process of garbage leachate of the hybrid horizontal and vertical multi-effect evaporation. The practical case demonstrates that the high pressure vapor quantity and power consumption can be reduced greatly by adopting the new technology. It shows that the new technology can achieve the zero discharge in treatment of garbage leachate with a high efficiency and energy saving.

garbage leachate； horizontal tube falling film ； zero discharge； multi-effect hybrid evaporation

X703

A

1006-5377（2016）07-0038-04