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《浙江城管》首篇刊载威乐普垃圾渗滤液处理节能降耗技术

08/16

2024

   近日，浙江省城市建设管理协会出版的《浙江城管》2024年第3期（总第83期），刊载了文章《碳管理目标下垃圾渗滤液处理节能降耗技术措施》，由苏科环保渗滤液事业负责人汤波、技术服务中心负责人柯俊锋撰稿，文章详细内容如下。

［摘要］

    垃圾渗滤液属于高浓度有机废水，水质水量季节性波动大，处理难度大。现有渗滤液处理工艺和设备选型过于追求满足基本产能和达标排放，而忽视低能耗要求，专业化精细化运行管理有待加强。从优化选择生物脱氮工艺，改善生物池水流条件和鼓风曝气系统，注重鼓风机、曝气器、MBR超滤膜等关键设备选型，深度处理工艺的选择等方面探讨了渗滤液处理领域节能增效技术措施。通过生物脱氮新工艺的应用、生物池水流条件和混合液回流泵型的改变、鼓风曝气系统精准控制和内置式MBR的选用，渗滤液处理系统节省电耗40%以上，节能效益显著，可为同类项目的建设提供借鉴参考，从而推动渗滤液处理行业可持续发展。

［关键词］

    垃圾渗滤液；节能增效；生物脱氮；非膜工艺；内置式MBR

概述

    我国垃圾渗滤液处理行业经过数十年发展，已建成数百座渗滤液处理设施，取得了有目共睹的成就〔1〕，近年来随着双碳政策的实施和垃圾分类制度的持续推进，垃圾渗滤液处理行业进入快速发展阶段。然而，渗滤液属于高浓度有机废水，水质水量季节性波动大，处理难度大，大部分渗滤液处理工艺和设备选型过于追求满足基本产能和达标排放，而忽视低能耗要求，造成系统能耗过高；有些渗滤液处理厂由于运行成本过高，很难维持正常运行，从而影响行业良性发展。如何实现渗滤液处理领域碳管理，节能增效，助力碳中和，是推动行业可持续发展亟待解决的问题。

渗滤液处理的能耗分析

以国内渗滤液处理主流工艺“两级A/O+MBR+NF/RO”为例，运行成本为60～80元/m3〔2-3〕，主要由电耗和药耗组成，这两部分约占渗滤液运行成本的70%～80%。主要机电设备有生化系统（含射流曝气、回流和搅拌），超滤膜系统，NF/RO膜系统，脱水系统以及冷却系统等，每个系统电耗占比分别约为50.3%、17.6%、13.7%、6.9%、8.5%，其他系统电耗占比约为3.0%。

造成渗滤液处理系统能耗高的主要原因有：

（1）渗滤液原水污染物浓度高，造成系统配置复杂；

（2）大部分渗滤液处理站C/N严重失调，需投加外部碳源；

（3）设备选型在满足使用效果的前提下未考虑高效节能，专业化精细化运行管理有待加强。

渗滤液处理节能增效技术措施

3.1 生物脱氮新工艺的应用

    目前国内渗滤液处理工程上有应用的生物脱氮新工艺有强化脱氮多级A/O+MBR工艺〔4〕和厌氧氨氧化+A/O+MBR工艺，2种工艺均具有脱氮效率高、回流比和需氧量大幅降低、碳源投加量减少或者不投加、运行成本低等优点，从而大幅降低运行能耗，工程应用案例有湖北十堰西部垃圾填埋场渗滤液处理〔5〕和无锡惠联餐厨废弃物厌氧消化沼液处理〔6〕等。以进水CODCr8000mg/L、NH3-N2500mg/L、TN3000mg/L为基准，厌氧氨氧化+A/O+MBR与常规两级A/O+MBR工艺比较如表1所示。

表1 工艺对比  Table 1 Process comparison

    通过表1可以看出，厌氧氨氧化组合工艺不需要投加碳源，并且回流比小、需氧量少，节省电耗10.64 kW·h/m3，节省运行成本，节能增效效果明显。

3.2 鼓风曝气系统的节能措施

3.2.1 曝气风量的精准控制

    鼓风曝气系统是生化系统稳定运行的基本条件，不但要满足生物池需氧量要求，还应起到充分搅拌，防止污泥沉降的作用。实际情况下，有机物浓度沿着池长方向递减，耗氧速率也随着递减。但在设计时，需氧量是按照最不利情况下最大污染物浓度计算，一级O池沿池长方向均匀布置曝气器。这会造成池末端供氧速率高于耗氧速率，从而出现溶解氧过剩现象，造成能耗浪费。溶解氧浓度过高，一方面会使得混合液回流携带过多的溶解氧影响脱氮效果，另一方面会严重影响二级A/O池的脱氮效果。

    曝气风量的精准控制措施如下：（1）沿着O池池长方向分段布置曝气器，末端减少曝气器数量和路数，每段设置单独的曝气管路，并设置电动调节阀；（2）池内每段设置溶解氧在线测量仪，通过溶解氧浓度反馈调节阀开度，从而控制每段曝气管路风量大小；（3）鼓风机变频控制，根据溶解氧浓度反馈信息，控制鼓风机风量。采取节能措施前后沿池长方向需氧量和供氧量变化如图1所示。

（a）节能措施前     （b）节能措施后

图1 沿池长方向需氧量和供氧量变化

Fig. 1 Oxygen demand and oxygen supply changes along the length of the pool

3.2.2 鼓风机的选型

    鼓风机在渗滤处理系统中电耗最大，占比40%～50%。目前渗滤液处理实际工程中罗茨风机应用最多。罗茨风机投资和维护费用低，但是其能耗高、噪音较大，且散热量大。近年来，高效节能型风机如磁悬浮风机、螺杆风机以及单级离心风机越来越多应用于渗滤液处理领域，这类鼓风机相比传统罗茨风机节能30%左右，噪音能够控制在80 dB以下〔8〕。

    因此渗滤液处理从节能和降低噪音角度建议鼓风机选型如下：对于小型风机，首选螺杆风机；中型风机首选磁悬浮鼓风机；大型风机首选单级离心鼓风机。

3.2.3曝气器的选型

    渗滤液处理领域应用的曝气器有射流曝气器、微孔曝气器和旋流曝气器，各有特点，使用场合不同，投资和运行成本存在较大差异。

    射流曝气器适用于生物池池深6～9m，氧转移效率较高，鼓风风压与有效水深相同即可，但需要配置射流循环泵，能耗较高，气水比一般为4左右，射流循环泵的电耗一般在4～5 kW·h/m3之间，系统配置如图2所示。微孔曝气器和旋流曝气器鼓风风压要高于有效水深1.0～2.0m，无需配置射流循环泵，但氧转移效率较低，系统配置如图3所示。

图2 射流曝气器管路连接

Fig. 2 Schematic diagram of pipe connection of jet aerator

图3 微孔曝气器/旋流曝气器管路连接

Fig. 3 Schematic diagram of pipe connection of microporous aerator and cyclone aerator

    综合考虑，射流曝气电耗最高，其次是微孔曝气，旋流曝气电耗最低。实际工程中，在满足功效的前提下，应优先选用微孔曝气器和旋流曝气器。

    鼓风曝气系统通过曝气风量的精准控制，鼓风机和曝气器的优化选型等节能措施，电耗可以从23.85 kW·h/m3降至17.9 kW·h/m3，节省电耗5.95 kW·h/m3。

3.3 MBR超滤系统的选用

    渗滤液处理采用的MBR系统分为外置式和内置式两种。外置式MBR采用错流式管式超滤膜，通过大流量高速循环的方式，使膜管内的水力流速达到3～5m/s，确保混合液在管式超滤膜中形成紊流状态，可有效防止污泥在膜表面沉积，减少膜污染的风险。外置式MBR为实现大流量错流过滤，进水泵流量一般是设计流量的10～12倍，循环泵流量和扬程根据膜管内错流流速和压力损失确定，这些因素造成外置式MBR系统装机功率比内置式MBR大，能耗也高。

    内置式MBR相比与外置式MBR，省去了循环泵的使用，且产水泵流量一般与设计流量一致，因此大幅度降低了系统的能耗。内置式MBR通过曝气时气液向上的剪切力来实现膜表面的错流效果，从而减少对膜的污染。在此过程中，合理采用一些节能技术，比如大口径鼓泡式曝气节能技术，可降低气水比，达到曝气能耗大幅降低、膜曝气擦洗效率更高的双赢局面。此外，内置式MBR膜不需要建立独立的膜车间，能节省土建占地及投资。

    在垃圾渗滤液处理领域，内置式MBR的应用主要是受制于其材料。传统内置式MBR应用较多是中空纤维膜和平板膜，其中中空纤维膜多采用PP（聚丙烯）材质，孔径为0.08~2.0μm，平板膜多采用PVDF（聚偏氟乙烯），孔径为0.03~10μm，两种膜均要求池中污泥浓度一般不超过10g/L，因此在高浓度的垃圾渗滤液处理工程中较少应用。但随着科技发展，已有新型膜材料可克服传统膜材料所带来的限制。比如POREFLON膜材料（聚四氟乙烯树脂），具有高稳定性，抗腐蚀性和耐久性，因此能够通过化学清洗彻底清除各类膜污染。其优良的亲水性和独特的三维立体孔隙结构也使得其抗污染性更强，通量更高，除此之外，基于POREFLON膜材料（聚四氟乙烯树脂）的低耗超滤装备，采用标准化设计、模块化定制、工厂化预制产品理念，设备高度集成化，现场安装简便、即插即用，解决了现场安装调试周期长等问题，可快速完成交付。

    以处理规模为400m3/d的垃圾渗滤液处理工程为例，对外置式和内置式MBR电耗进行比较，内置式MBR比外置式MBR节省耗电量6.94kW·h/m3，每年可节省电耗约126×104kW·h/a。在垃圾渗滤液处理领域，内置式MBR和外置式MBR都能达到良好的处理效果，但是选择内置式MBR可以使能耗大幅降低，积极响应了国家碳达峰、碳中和政策的要求。

3.4 深度处理系统非膜工艺的应用

    垃圾渗滤液深度处理工艺通常采用NF/RO膜，部分采用DTRO或STRO膜，实际工程运行案例表明，膜系统处理出水稳定达标，运行管理也相对简单，但产生的浓缩液很难处理。

    目前国内针对RO浓缩液一般采用DTRO或STRO高压膜进一步浓缩，然后采用机械蒸汽再压缩（MVR）、浸没式燃烧蒸发（SCE）和低温负压蒸发等蒸发工艺处理，投资和能耗都很高，浓缩液蒸发设备投资在10～18万元/m3，运行成本在150～400元/m3。蒸发系统产生的臭气和蒸发残渣均需妥善处理。

    因此，对于最终出水排放标准对TDS没有要求的项目，深度处理应优先采用非膜法，如Fenton高级氧化+BAF，臭氧氧化、反硝化滤池等。相比NF/RO膜工艺，非膜法存在加药量大、污泥产量大以及占地大等缺陷，但是相比膜法产生浓缩液的处理，投资和能耗要低得多。

 

渗滤液处理节能降耗工程案例

    重庆市洛碛餐厨垃圾处理厂污水处理工程，主要处理厨余垃圾厌氧发酵后的沼液，设计规模为4000m3/d,是国内规模最大的厨余垃圾污水处理项目，污水排放执行《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889-2008）表2标准，采用“隔油+气浮+调节池+MBR+芬顿+BAF”工艺。

    该项目2019年开始建设，2021年3月份进行调试，2021年9月份完成工程总体验收，系统运行稳定，出水完全满足排放标准的要求。

    本项目采取了多项节能技术措施，节能效果显著，具体的节能措施如下：

（1）内置式膜的应用，内置式膜（PTFE）具有能耗低、使用寿命长、易清洗等显著特点，与传统的管式膜相比，单纯膜系统节省能耗90%以上。

（2）缺氧池按照完全混合型池型设计，不但脱氮效果大幅提高，且潜水推进器比潜水搅拌器节能50%以上；

（3）好氧池采取廊道型推流式布置，提高处理效率，沿水流方向控制曝气量，节能效果明显；

（4）内回流泵选用混流泵，与常规的卧式离心泵相比，混流泵扬程低，能耗降低50%以上。

    通过上述节能措施，生化处理系统（MBR）能耗仅为16.09kwh/m3，污水处理总能耗为18.55kwh/m3，能耗降低40%以上，节能效果显著。

    另外该项目深度处理采用“芬顿+BAF”处理工艺，无浓缩液产生，彻底解决了浓缩液难于处理的难题，而且总体能耗大幅降低。

结论

（1）渗滤液处理行业经过数十年快速发展，取得了显著的成就，但是渗滤液处理工艺和设备选型过于追求满足基本产能和达标排放，而忽视了低能耗的要求。在碳中和背景下，渗滤液处理领域应以节能增效为目标，从而实现渗滤液行业健康可持续发展。

（2）通过生物脱氮新工艺的应用、生物池水流条件和鼓风曝气系统精准控制和内置式MBR的选用，渗滤液处理系统节省电耗40%以上，节能效益显著。

（3）在满足出水排放标准的前提下，深度处理优先选用非膜工艺，降低系统能耗。

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