旋转蒸发器在处理垃圾填埋渗滤液回灌的作用


  在调研**内外相关文献和实验结果的基础上,对渗滤液回灌处理技术的理论依据、旋转蒸发器在处理垃圾(Rubbish)填埋渗滤液回灌的作用进行了探讨,提出一些建议。
  【1 MVR技术原理及特点】
  MVR属蒸发工艺,是用机械方法将二次蒸汽再压缩到较高压力,使其内能得以提高,重返原蒸发器取代新鲜蒸汽为热源,实现这股能量的持续循环(continue),即只要蒸发启动产生二次蒸汽,可不再用外加蒸汽而使蒸发连续进行。该蒸发系统被简称为MVR(Mechanical Vapor RecomGOOGLE PRession),有的称MVC(Mechanical Vapor Compression),本文认为称MVR较确切。MVR过程示意见图1。
  【2 MVR+DI处理(chǔ lǐ)垃圾填埋渗滤液的现况】
  笔者曾对潮州锡岗垃圾渗滤液处理厂现场调查,该厂设计规模200t/d,配置2台美**J&Y公司产单级离心压缩机(90kW/台)、一台强制循环喷洒废液的卧式列管蒸发器和一套阳离子交换系统,另有一套144kW的电锅炉为MVR启动和维持生产供应新鲜蒸汽,若干配套泵及槽罐设备。渗滤液抽样送检结果是DI出水COD=190mg/L(标准:100mg/L)、NH4-N=4.37mg/L(标准:25mg/L)、TN=8.31mg/L(标准:40mg/L)和pH值=3.45(标准:6-9),DI出水带黄色(色度未做,标准:40)。严格来说,MVR+DI的排水是不达标的,应进一步处理才能确保达标排放。回灌的废液除蒸发浓缩液外,还有DI再生排放的含氯化铵盐酸废液和蒸发器氨基磺酸除垢废液,所含污染物和无机盐将累积于填埋场新生的渗滤液内,对填埋体的厌氧消化功能和渗滤液处理设备管道必将产生极不利的影响(influence)。潮州在投入运行**调查的一年内,更换过渗滤液循环泵,发生过管道破裂,蒸发器结垢(属于化学**物)严重等,有记录的**大日处理量116t,达不到设计能力。原设计除垢2~3d/次,实际要每天停机除垢,以致间歇生产。据统计,我**渗滤液成分Cl-=189~3262mg/
  L、总硬度3000~10000mg/L[6]。旋转蒸发仪通过电子控制,使烧瓶在**适合速度下,恒速旋转以增大蒸发面积。通过真空泵使蒸发烧瓶处于负压状态。蒸发烧瓶在旋转同时置于水浴锅中恒温加热,瓶内溶液在负压下在旋转烧瓶内进行加热扩散蒸发。材料防腐要求,Cl->300mg/
  L、80℃以上蒸发时,需用钛设备和管道,不用316L以下的不锈钢材料[7]。潮州MVR接触渗滤液的部分采用316L不锈钢材料,101~105℃蒸发,所以,设备管道腐蚀损坏是难免的。结垢清洗难则与蒸发器选型有关。现场统计运行每吨渗滤液成本为:电耗27kWh/t;氨基磺酸0.6kg/
  T、烧碱(化学式为NaOH)0.16kg/
  T、消泡剂0.15L/
  T、30%HCl5kg/t。尚未计人工、设备维修、管理、回灌、折旧等。原设计对DI再生排放的含铵盐酸废液(5%HCl)再进行MVR蒸发浓缩,实际上没有实施。本文认为MVR与DI组合技术上不合理,DI再生含铵盐酸废液二次浓缩运行费用较高。
  【3 MVR处理垃圾填埋渗滤液的合理途径】
  本文认为,MVR处理渗滤液合理的工艺组合和条件是:MVR+浓缩液焚烧+冷凝液生化处理。其中,蒸发条件为氢离子浓度指数=5,压力0.02MPa(约60℃),配用MVR压缩比2.4,出口压力0.048MPa,饱和蒸汽约80℃;浓缩液喷入填埋气火炬850℃以上焚烧或回灌(火炬塔启动前);蒸汽冷凝液进入SBR生化处理。此外,各单元应选用高效耐用的设备,确保实现工艺目标。
  3.1蒸发工艺条件和设备的选择
  3.1.1蒸发温度和酸碱度
  清华大学岳东北等人的研究(research)表明[8],渗滤液的pH值影响(influence)二次蒸汽冷凝液氨氮和COD浓度,pH值=4~5时、98℃下常压蒸发时,冷凝液氨氮低而COD高;pH值=6时,冷凝液氨氮高而COD低。同济大学康瑾等人对垃圾焚烧厂贮坑渗沥液(原液pH值5.23、NH4-N917mg/L)在0.016MP
  A、55℃下进行蒸发[9],得到的冷凝液(占比85.6%)pH值=3.46、NH4-N=0,有21.58%有机物挥发进入蒸汽冷凝液;分析表明,挥发物基本上由碳(C)原子数小于7的有机酸组成。这意味着pH值=5和60℃下蒸发的话,蒸发过程只有水和少量低分子量脂肪酸蒸出而所含氨留在浓缩液内,冷凝液氨氮可低**0,不再需要DI装置和处理(chǔ lǐ)含铵废盐酸;虽冷凝液COD比偏碱蒸发高,但容易生化处理。偏酸条件蒸发的防腐问题也不大,可用硫酸调pH值,316不锈钢(不锈耐酸钢)可耐浓度高**15%H2SO4。按材料防腐要求[10],50~80℃下,Cl-=500~2000mg/L时,可用254不锈钢材;60℃下,Cl-≤300mg/L时,可用316不锈钢材。这样,合理的工艺条件应选用pH值=5和60℃的真空蒸发,**后选材则按现场渗滤液Cl-的高低确定。渗滤液浓缩倍数则按所含盐**接近饱和取值(估计15~20倍)。
  3.1.2蒸发传热温差
  蒸发器设计主要技术参数是传热温差、传热系数和传热面积。按传热公式,温差与蒸发器传热面积大小成反比,温差大则传热面积小,蒸发器造价低。在传热学上,饱和蒸汽温度(temperature)高于进料沸腾温度,这个温差被称为过热度;当这个温差很小时,沸腾还没有发生,传热主要依靠对流给热来达到,传热系数小;随着温差增大,在管壁表面产生汽泡,温差愈大则汽泡扰动愈剧烈,这时称为泡核沸腾,传热系数会急剧升高,一般工程上都选择这个阶段进行蒸发器设计。如果温差再加大就容易发生过度沸腾,这时传热系数会很快下降,甚**发生料液通道堵塞,无法操作。因此,蒸发器传热温差的选择十分重要。生产实践显示,两侧流体的温差不应超过80℃,超过会发生过度沸腾,合理的经验值为14~20℃。本文考虑到包括(bāo kuò)沸点上升的各种传热损失,推荐温差20℃。潮州选用温升仅4℃,传热效率较低,按此设计的蒸发器将比温升20℃的大5倍以上。
  3.1.3蒸发器选型
  在**内数10a成功的工程实践中,对高硬度、高浊度废液进行蒸发时,为了减轻结垢和便于清洗,在化工、医药等行业一般应用加热管较短和结构简单的热虹吸再沸器(加热室可打开清刷)。本文推荐采用**产带两个加热室(1用1备)的热虹吸再沸器。其运作如下:废液自下端进加热管内,蒸汽走管间,废液在管内自下而上运动中受热沸腾汽化,随着沿程汽化率上升,**加热管内上部时,形成汽液两相密度差为推动力、汽带液的高速湍流,进入蒸发室汽液分离,浓缩液部分外排,大部分经循环管靠自然热虹吸与进料混合返回加热室再受热汽化,实现连续进液和排液。由于循环速度大,可减轻加热管内表面的结晶和结垢,允许处理(chǔ lǐ)浊度较高的废液。原理相近的实例有深圳市某垃圾焚烧发电厂渗沥液浓缩焚烧[12]。
  当结垢累积到影响蒸发时,可即时切换另一加热室,对这加热室进行清洗,不影响生产。旋转蒸发仪主要用于在减压条件下连续蒸馏大量易挥发性溶剂。尤其对萃取液的浓缩和色谱分离时的接收液的蒸馏,可以分离和纯化反应产物。其基本原理就是减压蒸馏,也就是在减压情况下,当溶剂蒸馏时,蒸馏烧瓶在连续转动。潮州选用的是管内加热、管外强制循环喷洒废液的卧式列管蒸发器,渗滤液在管外受热汽化,流速慢,污垢容易粘结积聚在管的外表面,蒸发器内卧放数以百计的加热管(Heating tube),由于管径和间距小(一般只有几厘米),容易堵塞,结垢极难清洗,而热虹吸再沸器加热管内表面一般用碱液浸泡即可清洗。卧式列管蒸发器用于低浊度海水蒸发制淡水也许是可行的,用于垃圾渗滤液效果不理想。此外,卧式列管蒸发器外壳也接触渗滤液,耗用**不锈钢材多,热虹吸再沸器外壳只需普通不锈钢或碳钢,不需设置和使用强制循环泵和浓液中间罐,流程(liú chéng)更简化紧凑,省钱节能。
  3.1.4 MVR技术参数和选型
  MVR技术参数(parameter)有流量、进出口温度和压力、压缩机(离心式5000~20000rpm)和马达转速、轴和电机功率等。MVR进出口温度与蒸发传热温差密切相关,流量大小与MVR机型有关。据西安德西罗茨鼓风机技术有限公司介绍,饱和蒸汽入口质量流量小于10t/
  H、升压小于100KPa,可选罗茨式MVR;流量大于10t/
  H、升压大于100KPa,可选离心式MVR。一般单级离心式MVR的温升**大8℃,2台串连可达16℃;罗茨式MVR可达30℃。潮州采用大约8t/h的单级离心压缩机,2台串连,温升仅4℃。离心式MVR要求在蒸汽流量(单位:立方米每秒)稳定工况下工作,对气体的压力、流量、温度变化较敏感,易发生喘振。喘振是离心压缩机固有的一种现象,具有较大的危害性,是压缩机损坏的主要诱因之一。罗茨式MVR则比较容易适应蒸汽流量波动,但流量较小。按本文推荐的传热温差20℃,MVR要么选罗茨式一台,要么选高性能离心式2台串连。从投资和维护管理成本分析,本文推荐罗茨式蒸汽压缩机。当渗滤液处理规模大于250t/d时,可设2条以上罗茨式MVR生产线,便于灵活应付各种情况变化。
  在蒸发工艺条件确定之后,由于MVR价格高昂,其选型除了技术先进实用,还应货比三家。目前已有几家公司报导开发出了具有自主知识产权的MVR蒸发器系统(system)。例如,沈阳科龙实业有限公司承诺可按同型号MVR进口工艺设备价格的55%供应**产化蒸发成套设备。这对于**内推广MVR节能技术是有利的。
  3.2浓缩液焚烧
  卫生填埋场均设填埋气焚烧火炬。填埋气焚烧火炬由输气系统、塔体、燃烧器和自动控制系统组成[11]。
  本文建议该燃烧器出口增设二次燃烧室,借助填埋气焚烧产生的高温,让蒸发所产浓缩液雾化喷入,在850℃以上焚烧。浓缩液富集了具有相当热值的有机污染物,焚烧过程可能(maybe)维持自热平衡(或稍加填埋气助燃)。残渣籍重力沉降分离后固化填埋。填埋初期填埋气少,焚烧火炬启动前浓缩液可暂回灌填埋场。以潮州处理渗滤液200t/d(含氨氮1330mg/L)计,焚烧火炬启动后,浓缩液带入焚烧系统的硫(化学符号:S)按中和氨当量计为304kg/d,按垃圾产气量0.1m3/kg[12]、日填埋垃圾500
  T、火炬焚烧产气量的10%约200m3/h计,废气含SO2约125mg/m3,低于《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2001)260mg/m3的标准规定(guī dìng)。
  3.3冷凝液生化处理
  蒸发所产偏酸蒸发的冷凝液COD较高(预计1000mg/L),但生化性能良好,本文推荐常用的SBR工艺可处理**达标排放,技术十分成熟,这里不赘述。
  4【总结如下】
  本文认为,在有填埋气或蒸汽供应或环境要求严格的场合,MVR+焚烧+SBR应是目前垃圾渗滤液处理(chǔ lǐ)各法中较佳的组合工艺。旋转蒸发器定义:一种快速液体样品浓缩的装置。样品在球形的玻璃容器中加热、减压,并不断地旋转增大蒸发表面积,加快蒸发速度。本文推荐的MVR组合由如下构成:
  (1)渗滤液宜采用带2个加热室(1用1备)的热虹吸再沸器与罗茨式MVR组成的蒸发系统浓缩;蒸发条件为氢离子浓度指数=5,压力0.02MPa(约60℃),MVR出口蒸汽约80℃。渗滤液宜采用蒸浓约15~20倍(以不高于所含盐的结晶浓度为宜);
  (2)浓缩液宜借助填埋气焚烧火炬产生的高温,增设二次燃烧室,在850℃以上焚烧;
  (3)二次蒸汽冷凝液宜设SBR生化处理(chǔ lǐ)。在没有填埋气或没有蒸汽供应或环境要求不高的场合,该组合工艺与现流行生化处理工艺相比,优势(解释:能压倒对方的有利形势)不明显。MVR+焚烧+SBR还适用于垃圾焚烧发电厂沥滤液处理。