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接触式蒸发处理垃圾渗滤液膜浓缩液技术
来源：广州超禹膜分离技术有限公司
发布时间：2024-04-24 10:42
垃圾渗滤液是一种含难降解有机物、氨氮及其他有毒有害物质的高浓度有机废水。为满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)的要求，工程中常采用纳滤、反渗透等膜技术对渗滤液生化出水进行深度处理。但在膜出水达标排放的同时，会产生大量膜浓缩液。膜浓缩液中污染物含量更高，处理更加困难，成为制约膜技术推广及渗滤液全量化处理的难点。目前，对膜浓缩液的处理主要有回灌法、焚烧法、高级氧化法及蒸发法等。采用回灌法处理膜浓缩液会使渗滤液中的盐分及难降解物不断堆积，其再次进入膜系统，会导致渗透压上升，膜寿命降低。
焚烧法处理浓缩液效率高，但运行成本高，且存在炉膛腐蚀、结焦及污染排放等问题。高级氧化法工艺选择灵活，处理效果显著，但药剂等成本较高，处理出水难以达标排放。而接触式蒸发法则具有水质要求低、传热效率高及污染物可达标排放等优点，烟气中的不凝性气体使蒸发液在较低温度下即可“沸腾”，在常压条件下就能够实现减压蒸发的效果。接触式蒸发是将高温气体直接通入蒸发液中，蒸发液吸热、升温、蒸发。蒸发过程中蒸发液中的小部分挥发性有机物、氨氮进入冷凝液，而无机物、大分子有机物和重金属盐则残留在蒸发液中。接触式蒸发具有浓缩倍率高、无间壁换热腐蚀风险低等优点，蒸发所需能量来自厌氧沼气或填埋气，可实现以废治废的效果，因此其在膜浓缩液处理领域具有广阔的应用前景。本研究以江苏某垃圾填埋场经过“预处理-生化MBR-纳滤”工艺产生的纳滤膜浓缩液为处理对象，在对其水质特征分析的基础上，使用实验室接触式蒸发器探究了间歇进料时，气体温度、气体流量、初始pH和蒸发率对冷凝液水质的影响。
一、试验部分：
① 蒸发样液：采用江苏某垃圾填埋场的纳滤膜浓缩液作为蒸发样液，其中含有脂肪酸、富里酸和腐殖质等有机物。其水质：COD4160mg/L，NH3-N164mg/L，电导率40.8mS/cm，硬度2100mg/L，pH7.8。
② 试验方法：空气经过加热器预热后，经浸没管进入蒸发器内，蒸发液吸热、升温、蒸发。蒸发尾气出蒸发室后进入气液分离器，分离夹带液滴，尾气出分离器进入冷凝管冷凝为液体。试验中通过蠕动泵一次将200mL蒸发液加入到蒸发室。配制质量分数为10%的H2SO4、NaOH溶液，将蒸发液初始pH分别调整至3.8、5.8、7.8、9.8和11.8；通过调节加热器功率，控制气体出口温度T分别为200、250、300、350、400℃；通过调节流量，控制气体流量Q分别为400、500、600、700、800L/h。各操作参数下，冷凝液每30mL收集一次，分别编号为1、2、3、4、5、6，对应蒸发率w分别为15%、30%、45%、60%、75%和90%，测定不同蒸发率下冷凝液中的COD、NH3-N、硬度和pH等参数。
③ 试验装置：包括空气加热器(V容积=4.5L)、蒸发器(V容积=0.8L)、气液分离器(V容积=0.1L)和冷凝管(L=400mm)等。加热器内置3根电热棒，总功率2.7kW。蒸发室中设有3个温度测点，分别测量浸没管气体出口温度、蒸发液温度及尾气温度，浸没管中气体温度测点位于起始液位上方10mm处。蒸发室柱体直径80mm，高200mm；气液分离器直径40mm，高85mm；浸没管壁厚1.5mm，内径9mm。蠕动泵最大加液量150mL/min，恒温(20℃)冷却水流速500mL/min。试验中，气体温度、流量波动在±5%以内。
④ 分析方法：pH采用pH计(pH-10)测定；电导率采用电导率仪(CT3030)测定；硬度采用硬度仪(DY300)测定；COD采用重铬酸钾法测定；NH3-N采用纳氏试剂法测定。
二、结果与讨论：
① 气体温度对稳定蒸发温度的影响：在蒸发液初始pH=7.8，Q=600L/h，浸没液位为50mm的条件下，考察气体温度对稳定蒸发温度的影响，试验过程中，虽然液体蒸发是在常压下进行的，但由于高温气体中存在不凝性气体(N2、O2等)，导致稳定蒸发温度较低，而较低的蒸发温度有利于控制挥发性气体污染物的排放。理论上，只要浸没深度足够高，换热时间足够长，稳定蒸发气、液相温度则相同，但实际换热中这种极限状态难以达到，因此尾气温度会略高于蒸发液温度。由图2可知，随着气体温度的升高，蒸发液及尾气温度也不断提高，二者温差维持在2~3℃。
② 气体温度对冷凝液COD、NH3-N的影响：在蒸发液初始pH=7.8，Q=600L/h的条件下，考察气体温度对冷凝液水质的影响。随着气体温度的升高，当w≤75%时，冷凝液COD整体呈先降低后升高的变化趋势，而当w=90%时，冷凝液COD不断增加。当T=250℃，w=75%时，COD存在最低值，为8.5mg/L，而当T=400℃，w=90%时，COD存在最高值，为35mg/L。影响冷凝液COD的主要物质包括易挥发小分子脂肪酸、中等分子富里酸和难挥发大分子腐殖质等。当T=200℃时，蒸发液稳定蒸发温度为72.7℃，此时蒸发强度较弱，完成相同蒸发率时，蒸发时间最长，使大量易挥发性有机物随蒸汽进入冷凝液，导致冷凝液COD较高；随着气体温度的升高，稳定蒸发温度、蒸发强度不断提高，蒸发量提高，使得冷凝液中的COD降低；但当T>250℃时，高温气体使得大分子有机物分解成易挥发小分子有机物，且温度的升高促进了分子的运动和迁移，增大了挥发分的扩散系数，使得更多有机物释放出来"，导致冷凝液COD升高。当w=90%时，气体夹带作用较为显著，夹带液滴干扰了冷凝液COD随气体温度的变化趋势。
随着气体温度的升高，冷凝液NH3-N呈先增加后降低的变化趋势。当T=300℃，w=15%时，NH3-N存在最大值，为48mg/L。随着气体温度的升高，稳定蒸发温度、蒸发强度不断提高，使得更多NH3-N进入冷凝液；但气体温度过高(T>250℃)，蒸发液稳定蒸发温度随之进一步升高，溶液的饱和蒸气压增加，蒸发液中溶质沸点降低，增加了NH3-N的溶解度，抑制了NH3-N的蒸发。但只要蒸发过程持续，就会有NH3-N进入冷凝液。
③ 气体流量对冷凝液COD、NH3-N的影响：在蒸发液初始pH=7.8，T=300℃时，考察气体流量对冷凝液水质的影响。随着气体流量的增加，冷凝液COD先降低后升高。当Q=600L/h，w=45%时，COD存在最低值，为7.5mg/L。随着气体流量由400L/h增加至600L/h，单位时间内蒸发室内的换热量增加，气液间扰动增强，蒸发速率提高，而易挥发性小分子有机物的挥发速率主要受温度影响，因此蒸发速率的提高使得冷凝液中的COD不断降低；当气体流量继续增大至800L/h时，气体对蒸发液夹带作用增强，部分富里酸和腐殖质进入到冷凝液中，导致冷凝液COD提高(3)。在本试验中可将Q=600L/h作为气体夹带影响COD的临界值。
随着气体流量由400L/h增加至800L/h，冷凝液NH3-N不断增加。当气体流量较小时，气液间扰动较小，换热不充分。随着气体流量的提高，气液间换热量及扰动不断增加，蒸发液中NH3-N的挥发速率也不断提高，使更多的NH3-N进入到冷凝液中；此外，在较大气体流量下蒸发法液滴夹带的效果更加显著，也会影响冷凝液中NH3-N的含量。
④ 蒸发液初始pH对冷凝液COD、NH3-N的影响：在T=300℃，Q=600L/h的条件下，考察蒸发液初始pH对冷凝液水质的影响。随着蒸发液初始pH的升高，冷凝液COD不断降低。蒸发液中含有脂肪酸、富里酸和腐殖质等有机物，酸性条件下上述有机物多以分子态存在，蒸发过程中，易挥发的有机物随蒸汽大量蒸出并冷凝，导致冷凝液COD较高。随着pH的不断提高，脂肪酸等水解程度加大，其逐渐由分子态变为游离态，分子组分减少，随水分蒸出量降低；同时，有机物与金属离子可以发生络合反应，pH越高难挥发络合物稳定性越强，从而导致冷凝液COD降低。
酸性条件下随着蒸发率的提高，冷凝液pH趋于下降。酸性条件下蒸发液中NH3·H2O含量降低，但由于水解、电离的动态平衡，总有一部分NH3-N随蒸汽进入冷凝液中；而随着蒸发率的提高，蒸发液中NH3-N不断降低，最终导致冷凝液pH不断降低。碱性条件下，由于OH的促进作用，蒸发初期大量NH3-N进入冷凝液中，而随着蒸发率的提高，蒸发液NH3-N不断降低，导致冷凝液pH不断降低；蒸发末期(w=90%)，由于气体夹带蒸发液进入冷凝液中，使得酸性条件下冷凝液pH降低，而碱性条件下冷凝液pH升高。
随着蒸发率的提高，冷凝液COD先下降后升高。蒸发初期(w=15%)大量易挥发有机物及部分蒸发液在较低沉降高度下会以液滴形式被夹带进入冷凝液，使冷凝液COD较高，而随着蒸发率及沉降空间的提高，蒸发液中易挥发有机物不断减少，且大部分不易挥发有机物残留在蒸发液中，使冷凝液COD不断降低；蒸发末期(w=90%)，蒸发液体积较小，剧烈的蒸发及气体夹带使得蒸发液中少量的富里酸及腐殖酸进入冷凝液中，导致COD急剧上升(17)。随着蒸发率的提高，冷凝液NH3-N先降低后稍有上升。蒸发初期(w=15%)蒸发液中大量游离氨会进入冷凝液中，使冷凝液NH3-N较高，而随着蒸发率的提高，蒸发液中游离氨含量减少，因此冷凝液NH3-N相应降低；蒸发后期(w=90%)，由于夹带使得蒸发液进入冷凝液中，难挥发性有机酸进入冷凝液中，NH4浓度增加，使得冷凝液NH3-N增加。
理论上，冷凝液中不存在Ca2+、Mg2+等离子，但气体夹带会使小部分蒸发液进入冷凝液，因此冷凝液水质硬度直接反映了气体夹带的强弱。试验结果表明，随着蒸发率的提高，冷凝液硬度呈先降低，后保持相对稳定，再快速增加的变化趋势。蒸发初期(w=15%)，液位较高，气体沉降空间较低，会有部分飞溅液滴被气体夹带进入冷凝液中；随着蒸发率的升高，沉降空间增加，飞溅液滴的携带量降低；到蒸发末期(w=90%)，蒸发液体积最小，气体夹带作用逐渐增强，再次导致冷凝液硬度快速增加。
三、结论：
采用接触式蒸发处理垃圾渗滤液膜浓缩液，研究了不同工况下的稳定蒸发温度、冷凝液水质特征，结果表明：① 采用接触式蒸发处理膜浓缩液过程中，水蒸气分压降低，蒸发液在80℃左右即可沸腾。随着气体温度的上升，稳定蒸发温度会提高，蒸发液与尾气的温差维持在2~3℃。② 随着气体温度的升高，冷凝液COD先降低后升高，NH3-N则先升高后降低；随着气体流量的增加，冷凝液COD先降低后升高，NH3-N则不断增加。初始pH对冷凝液COD、NH3-N影响较大，在酸性条件下，冷凝液中COD较高，NH3-N较低；碱性条件下冷凝液中COD较低，NH3-N较高。③ 蒸发初期，冷凝液中的COD、NH3-N及pH较高；随着蒸发率的提高，COD、NH3-N及pH都有所降低；蒸发末期，COD、NH3-N又有所提高，此时酸性条件下冷凝液pH略有降低，而碱性条件下冷凝液pH有所提高。④ 通过测定冷凝液水质硬度可知，蒸发初期和末期气体夹带最为显著，对冷凝液水质特性的影响较为明显。因此，足够的沉降高度及高效的气液分离设备对于该方法的应用十分有必要。
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