余召輝，陳浩泉，蘭思杰，趙由才

（1.同濟大學環(huán)境科學與工程學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092；2.上海環(huán)境工程技術有限公司，上海 200070）

機械壓縮蒸發(fā)（Mechanical Vapor Compression，MVC） 技術由美國艦船海水淡化研究所研發(fā)，距今已有40多a的應用歷史。以MVC為核心的滲瀝液處理技術，操作管理簡單，占地面積小，運行成本低；清水產(chǎn)生率在90%以上，濃縮液只占滲瀝液總量的2%～10%，對水質(zhì)適應性強；采用管道外蒸發(fā)方式，容易去除垢物。該技術已在潮州、潭口、興寧市多個垃圾填埋場成功應用，為我國垃圾滲瀝液處理技術開辟了新途徑［1-2］。采用MVC技術處理垃圾中轉站新鮮滲瀝液的研究還未有報道。筆者以上海蘊藻浜垃圾中轉站為例，介紹MVC工藝處理中轉站新鮮滲瀝液的相關情況。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗裝置與方法

利用MVC技術處理垃圾中轉站滲瀝液的工藝流程如圖1所示，其核心是MVC高效蒸發(fā)器，處理量是25 t/d。滲瀝液首先進入絮凝和超濾的預處理系統(tǒng)。預處理的作用是降低滲瀝液中的SS和硬度，以延緩MVC蒸發(fā)裝置結垢。預處理過程首先用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)滲瀝液的pH為8.0，然后添加質(zhì)量分數(shù)為1%的聚合氯化鋁鐵（PAFC）絮凝劑，充分攪拌，靜置15 min，將上清液排入超濾設備。超濾單元的過濾膜孔徑為0.05～0.1 μm，操作壓力為0.3 MPa，膜通量為200 L/（m2·h）。

圖1 MVC技術處理中轉站滲瀝液的工藝流程

預處理系統(tǒng)出水進入脫氣塔，從脫氣塔上部噴淋，脫氣塔內(nèi)部是換熱管道，已經(jīng)經(jīng)過熱交換器回收熱量的濃縮液和蒸餾水分別從管內(nèi)流過，進一步回收濃縮液和蒸餾水的熱量，預熱管外的滲瀝液。滲瀝液經(jīng)過脫氣塔后溫度提高3～10℃，同時一部分易揮發(fā)的有機物從滲瀝液中分離出來，排入空氣。

脫氣塔出水進入蒸餾水板式熱交換器和濃縮液板式熱交換器，回收蒸餾水和濃縮液中的熱量，同時提高滲瀝液進水的溫度至95～100℃，使其以接近沸點的溫度進入MVC蒸發(fā)器主體。

預熱至沸點的滲瀝液進入MVC蒸發(fā)器底部的熱井，與濃縮液混合，由循環(huán)泵輸送至MVC蒸發(fā)器頂部噴淋而出，在換熱管道表面形成薄膜蒸發(fā)，換熱管內(nèi)是由壓縮機加壓升溫后的水蒸氣，該水蒸氣的溫度能達到（103±1）℃。經(jīng)過熱量交換后，滲瀝液中的大部分水分、小于或接近水的沸點的有機物形成蒸汽，從蒸發(fā)器頂部排出，進入蒸氣壓縮機；不易揮發(fā)的有機物、無機物和重金屬離子等形成濃縮液，進入熱井；換熱管內(nèi)的水蒸氣被冷卻為蒸餾水。濃縮液和蒸餾水分別通過熱交換器回收熱量。水蒸氣經(jīng)過壓縮機后，成為過熱蒸氣，用過熱蒸汽直接加熱會引起傳熱惡化，必須在壓縮蒸汽出口噴入適量的飽和溫度蒸餾水，以消除過熱蒸汽的過熱度，轉化為同壓力下的飽和蒸汽，再進入MVC蒸發(fā)器主體的換熱管內(nèi)［3］。

蒸汽壓縮機是整套MVC蒸發(fā)裝置的主要能源來源。蒸汽發(fā)生器用于提供開機時的蒸汽和熱量。

1.2 水樣采集和測試

實驗在2013年1—3月進行，每天在預處理系統(tǒng)出水口、MVC濃縮液出水口、MVC蒸餾清水出水口取樣，分析水樣的pH、SS、CODCr、NH3-N、TN、TP。選取了3月19日至27日連續(xù)9 d的水樣作為分析依據(jù)。

pH采用玻璃電極法（PHS-3C，上海雷磁儀器廠）；SS采用重量法（GB 11901—1989），CODCr采用重鉻酸鉀法（GB 11914—1989），NH3-N采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009），TN采用TOC-TN分析儀（島津 TOC V-CPN），TP采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989）。

2 結果與討論

2.1 MVC工藝的進出水水質(zhì)

表1是蘊藻浜垃圾中轉站采用MVC工藝處理新鮮滲瀝液的進出水水質(zhì)。垃圾中轉站的滲瀝液由于產(chǎn)生時間短，水質(zhì)與填埋場滲瀝液不同，其特點有：①pH呈酸性，其值為4～5；②CODCr極高，BOD5/CODCr超過0.4，有較好的生物降解特性；③NH3-N含量低，TN含量高。由表1可知，經(jīng)過MVC工藝處理后，滲瀝液中色度、SS、NH3-N、TP達到GB 16889—2008中表3的排放標準，CODCr和TN還需要進一步處理。

表1 滲瀝液水質(zhì)對比

2.2 清水產(chǎn)生率

清水產(chǎn)生率是衡量滲瀝液處理工藝的一項重要參數(shù)，直接影響到工藝是否具有工程應用價值。根據(jù)MVC系統(tǒng)自身安裝的流量計記錄的數(shù)據(jù)，MVC裝置的清水率穩(wěn)定在90%以上，如圖2所示。這說明MVC裝置用于處理垃圾中轉站滲瀝液，可以比MBR+NF/RO法產(chǎn)生更少的濃縮液，具有工程推廣應用的優(yōu)勢。

圖2 MVC裝置的清水產(chǎn)生率

2.3 SS

滲瀝液中SS含量是MVC技術中的重要指標，SS含量過高會造成MVC蒸發(fā)系統(tǒng)管道過早結垢，降低傳熱效率，增加能量消耗和清水產(chǎn)生率。從圖3可以看出，MVC裝置可去除滲瀝液中的SS。

圖3 MVC裝置運行過程中各環(huán)節(jié)的SS

預處理出水的SS為481～706 mg/L。蒸餾清水采用孔徑為0.45 μm的濾膜過濾后，濾膜上無殘渣，即MVC裝置的蒸餾清水中SS低于方法檢測限。濃縮液中SS在2 386 mg/L之上，最高達到7 054 mg/L。實驗結果表明，進入MVC裝置的滲瀝液SS波動情況不會影響蒸餾清水的SS，而且清水的SS一直接近于0 mg/L，對SS的去除率達到99.9%以上。這是因為MVC蒸發(fā)過程中，滲瀝液中的懸浮固體不能隨水蒸氣揮發(fā)，全部保留在濃縮液中。

2.4 CODCr

MVC裝置對滲瀝液中CODCr的去除率穩(wěn)定在95%以上，不受進水CODCr波動的影響，如圖4所示。垃圾中轉站新鮮滲瀝液的CODCr為13 000～28 000 mg/L，蒸餾清水的CODCr為158～784 mg/L，對CODCr去除率達到95.39%～99.15%。濃縮液的CODCr為25 786～74 480 mg/L，與預處理后的滲瀝液相比，CODCr提高1.47～3.19倍。MVC蒸發(fā)器排放的清水還含有較高濃度的有機物，這些物質(zhì)主要是小分子易揮發(fā)的有機物，需要經(jīng)過進一步的處理，如反滲透（RO）、納濾（NF）、離子交換（DI）、活性炭吸附等物理、化學工藝，才能達到相應的排放標準或回用標準。MVC裝置的濃縮液量與RO/NF膜處理工藝相比大幅度降低，但是該工藝的濃縮液中有機物濃度卻提高更多，需要對濃縮液的處理進行深入研究。

圖4 MVC裝置運行過程中各環(huán)節(jié)的CODCr

2.5 NH3-N和TN

滲瀝液中氮、磷元素含量過高，可能造成接納水體富營養(yǎng)化，因此必須嚴格控制滲瀝液出水中氮、磷總量。垃圾中轉站的新鮮滲瀝液中NH3-N含量低，TN含量高，這是因為TN中的一部分氮元素以蛋白質(zhì)等形態(tài)存在，未被分解為NH3-N等小分子的含氮物質(zhì)。從圖5～6可以看出，經(jīng)過預處理后的滲瀝液NH3-N為和TN分別是10.37～18.04 mg/L、27～2 076 mg/L。蒸餾清水的NH3-N、TN為2.20～3.10mg/L、4～133mg/L，相比于預處理出水，二者的去除率依次是76.35%～82.56%和91.41%～99.52%。濃縮液的NH3-N為12.60～32.60 mg/L，TN為1 478～4 460 mg/L。GB 16889—2008對需要嚴格控制污染地區(qū)的滲瀝液中氮元素含量的特別排放限值是：TN＜20 mg/L，NH3-N＜8 mg/L。可見，清水中的NH3-N可以完全達標，而TN只有在裝置運行工況較好時可以達到特別排放限值標準。因此，新鮮滲瀝液宜密封儲存一定時間，使大分子有機物轉化為小分子的含氮物質(zhì)，再經(jīng)過MVC裝置處理，會使?jié)B瀝液的NH3-N和TN去除率得到進一步提高。

圖5 MVC裝置運行過程中各環(huán)節(jié)的NH3-N

圖6 MVC裝置運行過程中各環(huán)節(jié)的TN

2.6 TP

磷元素是重要的營養(yǎng)元素之一。從圖7可以看出，預處理出水的TP是4.05～16.52 mg/L，MVC清水的TP是0.01～0.67 mg/L，與預處理出水相比，TP去除率達到91.2%～99.9%。濃縮液中TP較預處理出水明顯升高，為7.14～17.54 mg/L，提高了1.1～2.7倍。這是因為在MVC主體內(nèi)，當滲瀝液中的水分和易揮發(fā)的有機物質(zhì)以氣體形式脫離滲瀝液時，滲瀝液中的含磷物質(zhì)不能隨水分蒸發(fā)，最終殘留在濃縮液中?？梢奙VC工藝對于滲瀝液中磷元素的去除有獨特的效果。

圖7 MVC裝置運行過程中各環(huán)節(jié)的TP

2.7 運行成本

本試驗項目中采用MVC工藝處理滲瀝液的規(guī)模是25 t/d，設計清水產(chǎn)生率是90%以上，經(jīng)過連續(xù)運行，設備可以達到較好的處理效果，其運行費用見表2。

表2 MVC技術處理滲瀝液的運行成本核算

3 結論與建議

1）MVC工藝處理垃圾中轉站滲瀝液的清水產(chǎn)生率達到90%以上，清水中SS低于檢測限，CODCr為 158～784 mg/L， TOC 為 14～200 mg/L，NH3-N為2.20～3.10 mg/L，TN為4～133 mg/L，TP為0.01～0.67 mg/L，去除率依次為：99.9%、95.39%～99.15%、96.18%～99.83%、76.35%～82.56%、91.41%～99.52%和91.2%～99.9%，對污染物有較好的去除效果，尤其是SS、NH3-N、TP水質(zhì)指標達到GB 16889—2008中表3的要求。MVC工藝比膜處理法具有更大的工程推廣應用優(yōu)勢。

2）單獨使用MVC技術不能使?jié)B瀝液完全達標排放，應該進一步研究MVC技術與離子交換、化學氧化、物理吸附等組合工藝，使?jié)B瀝液達到相應的排放標準或回用標準。MVC工藝產(chǎn)生的少量含高濃度有機物的濃縮液需要進行專門的處理，也需要研究者進行深入研究。

［1］王彩虹，陳偉雄，譚潤宇，等.機械蒸發(fā)-離子交換銨回收工藝在垃圾滲濾液處理中的應用［J］.環(huán)境工程，2010，36（11）：40-42.

［2］汪梅.垃圾填埋場滲濾液的MVC蒸發(fā)處理工藝介紹［J］.廣東化工，2011，38 （7）：122.

［3］張立奎.熱泵蒸發(fā)及其在濃縮垃圾滲濾液中應用的初探［J］.環(huán)境工程，2011（S1）：294-297.