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汽提脱氨在垃圾填埋场渗滤液处理中的应用

2024-08-01 15 上传者：管理员

摘要：利用汽提脱氨系统去除并回收垃圾填埋场渗滤液中的高浓度氨氮，在不加碱的工况下取得了良好且稳定的运行效果，出水可直接进入MBR生化系统进行进一步处理。工程系统15 d的运行数据显示：进水量为188 m3/d～252 m3/d，出水量为215 m3/d～285 m3/d；进水氨氮浓度为2250 mg/L～2520 mg/L，出水氨氮浓度为335 mg/L～486 mg/L；氨水产量为6.1 m3/d～8.4 m3/d，氨水浓度为5.68%～6.12%；氨氮去除率为76.90%～83.97%，氨氮回收率为72.96%～83.09%。汽提脱氨塔中产生的氨气可被高效回收，且产生氨水的浓度在一定范围内可自由调整。系统吨水直接运行成本为9.92元，远低于渗滤液补加复合碳源调整碳氮比的费用。

关键词：
垃圾填埋场渗滤液
氨氮
汽提脱氨
运行成本
运行状况
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废水中氮的去除主要采用传统的硝化-反硝化生物脱氮工艺，但是该工艺在处理高氨氮、低碳氮比的废水时往往存在需补加碳源、曝气量大以及微生物活性受抑制等问题[1-2]，大幅提升了废水的处理成本以及处理难度。

在垃圾处理行业中，垃圾填埋场渗滤液、餐厨沼液属于典型的高氨氮、低碳氮比废水，难以直接进行生化处理，目前业内大多采用往其中补加碳源调整碳氮比的方式加以克服解决[3-5]，如果可以预先将其中的氨氮去除并加以回收，不但可以降低其处理成本以及处理难度，还可以实现氨氮的资源化利用。汽提法是让废水与水蒸气直接接触，使废水中的挥发性物质扩散到气相中，从而达到从废水中分离污染物的目的，并可通过一定的技术手段将扩散到气相中的污染物进行回收再利用，具有高效、清洁和资源化等优势。近年来，汽提法被大量应用于工业废水中氨氮的去除，取得了良好的效果[6-8]，但该方法工程化应用于垃圾填埋场渗滤液或者餐厨沼液的氨氮去除还较少。本文从工程实际出发，通过介绍汽提法处理、回收垃圾填埋场渗滤液氨氮的工程概况，并分析工程系统的运行状况及实际运行成本，展示了汽提法可高效工程化应用于垃圾填埋场渗滤液氨氮的处理及回收，为垃圾填埋场渗滤液以及餐厨沼液的高效化、资源化处理提供新的思路及借鉴。

1、工程概况

本套汽提脱氨系统建于浙江省绍兴市某垃圾填埋场内，处理规模为300 m3/d，处理对象为垃圾填埋场渗滤液，处理后的出水进入MBR生化系统进行进一步处理。

1.1进水水质

本套汽提脱氨系统所在填埋场从2022年1月到2022年3月产生的渗滤液实际水质参数如表1所示。

表1垃圾填埋场渗滤液水质参数表

由表1可知，该渗滤液具有CODCr浓度低、NH3-N浓度高、TN浓度高的特点，碳氮比约等于2，不通过脱氮或者补加碳源调整碳氮比根本无法正常进行生化处理。

1.2工艺原理

氨氮在废水中主要以铵离子和游离氨的状态存在，平衡关系如下所示：

公式1的关系受pH值影响，pH值升高时，平衡向左移动。在常温条件下，当pH值为7左右时，氨氮大多数以铵离子的状态存在；而当pH为11左右时，氨氮基本上都以游离氨的状态存在。游离氨在高温、碱性条件下在水中的溶解度会变小，可以通过汽提塔的分离作业，实现氨氮从废水中的脱除，这过程中主要涉及以下化学反应：

本套汽提脱氨系统就是利用上述基本原理，在碱性条件下，渗滤液与高温蒸汽在汽提脱氨塔中直接接触，渗滤液中的游离氨转变为氨气逸出，实现渗滤液中氨氮的去除。

1.3工艺流程

本套汽提脱氨系统的工艺流程如图1所示。

图1汽提脱氨系统工艺流程图

由图1可知，高氨氮渗滤液先进入进水换热系统，在换热系统中通过中间清水与脱氨后液间接换热后进入汽提脱氨塔，并在汽提脱氨塔中加热脱氨。在汽提脱氨塔内，渗滤液自塔体上部向下，蒸汽自塔体下部向上，塔内渗滤液与蒸汽逆流接触进行充分的传质传热，渗滤液中的氨氮被转换为氨气脱除。脱氨后的渗滤液与进水通过中间清水间接换热后进入出水冷却系统，进一步冷却后进入MBR生化系统；产生的含氨气体降温后进入氨气回收系统，在氨气回收系统中被除盐水充分吸收产生氨水，并通过除盐水的循环提升氨水浓度，达到目标浓度后排入氨水储罐并进一步用于焚烧炉的烟气处理。氨气回收系统中未被有效吸收的少量含氨不凝气体经尾气处理系统处理后进入除臭系统。

通过进水与脱氨后液的换热，可以起到进水预加热、脱氨后液预冷却的效果，可以有效降低汽提脱氨塔的蒸汽用量和出水冷却系统的冷却水用量及耗电量，降低系统的运行成本。产生的氨水回喷至焚烧炉，可以有效降低焚烧炉烟气的二氧化硫和氮氧化物排放，在减少焚烧厂市售氨水用量的同时实现汽提脱氨系统副产物的资源化利用。脱氨后液冷却后排入MBR生化系统，渗滤液经汽提脱氨处理后碳氮比得到有效改善，可正常进行生化处理。

1.4平面布置

本套汽提脱氨系统总占地约350 m2，具体平面布置如图2所示。

1.5主要设备参数

(1)进水调节罐：有效容积约为50 m3，内设搅拌器。

(2)进水换热罐、出水换热罐、出水冷却罐、换热中间罐、脱氨前液罐、出水罐、清洗罐：尺寸均为Φ2000 mm×3000 mm，有效容积均约为10 m3，除换热中间罐、清洗罐外，其他罐体均内设搅拌器。

(3)气液分离罐：尺寸为Φ1400 mm×1800 mm，有效容积约为2 m3。

(4)氨水储罐：尺寸为Φ2500 mm×4000 mm，有效容积约为20 m3。

(5)汽提脱氨塔：尺寸为Φ1400 mm(下部)/Φ1000 mm(上部)×22000 mm，内设多层塔板。

(6)氨水回收塔：尺寸为Φ1200 mm(下部)/600 mm(中部)/250 mm(上部)×17500 mm，内设冷却装置。

(7)冷却塔：冷却流量为200 m3/h。

图2汽提脱氨系统平面布置图

2、工程运行状况

图3汽提脱氨系统15 d运行数据

汽提脱氨系统于2022年1月建成投运，运行过程中系统脱氨效果良好。图3为该系统其中15 d的进出水以及副产物的关键监测数据，其间系统进水量为188 m3/d～252 m3/d，出水量为215 m3/d～285 m3/d；进水氨氮浓度为2250 mg/L～2520 mg/L，出水氨氮浓度为335 mg/L～486 mg/L；氨水产量为6.1 m3/d～8.4 m3/d，氨水浓度为5.68%～6.12%；氨氮去除率为76.90%～83.97%，氨氮回收率为72.96%～83.09%。

图3(a)显示，系统每天的出水量大于进水量，这是由于本系统利用蒸汽在汽提脱氨塔中直接作用于渗滤液实现其中氨氮的加热汽提分离，同步产生的蒸汽冷凝水进入渗滤液并随出水流出。

图3(b)、(d)显示，系统出水氨氮浓度长期小于500 mg/L，渗滤液的氨氮去除率长期高于75%，说明系统具有良好的渗滤液脱氨能力，且经本系统处理后，渗滤液的碳氮比可提高至8∶1以上，可以有效解决渗滤液因碳氮比低难以正常进行生化处理的问题。进一步分析数据发现，随着系统运行时间的延长，出水氨氮浓度出现波动上涨，系统氨氮去除率出现波动下降，这一方面是由于渗滤液本身带有一定浓度的悬浮物，另一方面是由于渗滤液中的碳酸氢根离子在加热条件下会分解产生碳酸根离子，碳酸根离子和渗滤液中的钙、镁等离子反应生成碳酸盐沉淀，而悬浮物以及沉淀物无法全部通过出水流出汽提脱氨塔，随着时间的推移，汽提脱氨塔内部出现悬浮物及沉淀物的累积并造成塔板堵塞，影响汽提效率，导致系统氨氮去除率下降，出水氨氮浓度上升，所以在系统正常运行阶段，除定期开展不停机自动清洗外，一般每隔半个月会开展一次停机清洗工作，以确保系统长期高效脱氨。另外，相比于其他行业废水汽提脱氨系统的氨氮去除效率，例如精细化工行业，本系统的氨氮去除效率要略低[9-10]，这一方面是由于渗滤液的污染物成分复杂多变，单一的运行条件难以实现其中所有氨氮的分离去除，另一方面是由于针对本项目的渗滤液，汽提脱氨塔在不加碱条件下运行仍可满足项目的脱氨需求，系统出水可直接进行生化处理，所以为降低运行成本，系统正常运行过程中长期未额外投加碱，汽提脱氨过程一直在弱碱环境中开展，系统的脱氨效率势必会有所降低。

系统产生氨水的浓度在一定范围内可通过变化氨水回收系统中吸收液的循环吸收次数加以调整，图3(c)显示，本项目氨水浓度长期控制在6%左右，这是由于该浓度氨水可不做浓度调节直接回喷至焚烧炉，便于运行的操作及管理。另外，图3(d)显示，系统的氨氮回收率稍低于氨氮去除率，这是由于在氨水回收系统中，部分氨气未能及时被吸收液吸收，随不凝气逃逸，但因尾气处理系统的存在，大量逃逸的氨气被再次吸收，且尾气处理系统产生的含氨液体随渗滤液原液进入汽提脱氨塔，实现氨氮的再次分离、回收，氨气逃逸情况得到了很好地控制，因此，汽提脱氨塔中产生的氨气虽有逃逸，但逃逸量不大，出现了氨氮回收率稍低于氨氮去除率的情况。

3、成本分析

对于长期运行的工程系统，除关注其处理性能外，还需要重点核算其运行成本，本套汽提脱氨系统的直接运行成本如表2所示(处理量为300 m3/d)。

表2汽提脱氨系统的直接运行成本

本系统所在的渗滤液处理站，在本系统建成投运前，长期采用补加复合碳源调整渗滤液的碳氮比来确保MBR生化系统的稳定运行，经核算，吨水碳源补加的直接成本在30元左右。表3显示，扣除氨水收益后，本系统的吨水直接运行成本为9.92元，相比于直接补加复合碳源调整碳氮比所产生的费用具有很大的优势。另外，本系统所用的蒸汽为填埋场边上本项目业主自行运营焚烧厂的二抽蒸汽，自来水长期用渗滤液站反渗透清液替代，因此，本系统实际的吨水直接运行成本相比于表3的统计数据，会有进一步的缩减。

值得注意的是，对于渗滤液站的MBR生化系统而言，补加复合碳源是在原渗滤液的基础上进一步增加污染物的处理负荷，而汽提脱氨则是降低原渗滤液的污染物处理负荷，反映在MBR生化系统的实际运行参数中，补加复合碳源会提升生化池的曝气量和剩余污泥产量，而汽提脱氨则可以降低生化池的曝气量和剩余污泥产量，采用汽提脱氨可以大量缩减MBR生化系统的耗电量和剩余污泥的脱水费用及终端处置费用，有效降低MBR生化系统的运行成本，进而进一步降低渗滤液的整体处理成本。另外，相比于补加复合碳源，汽提脱氨可以有效降低渗滤液处理过程的碳排放，在当下全力推进“双碳”工作的大环境中，能够有效助力实现“双碳”目标，具有更高的社会效益以及更为广阔的应用前景。

4、结论

(1)在不加碱的运行工况下，汽提脱氨系统可有效且稳定地去除渗滤液中的氨氮，在进水氨氮浓度为2250 mg/L～2520 mg/L的情况下，出水氨氮浓度可降至335 mg/L～486 mg/L，出水碳氮比可满足MBR生化系统的需求。

(2)汽提脱氨系统产生氨水的浓度在一定范围内可自由调整，便于氨水的进一步资源化利用。

(3)汽提脱氨系统的氨氮去除率为76.90%～83.97%，氨氮回收率为72.96%～83.09%，渗滤液中脱除的氨氮可以被高效回收。

(4)汽提脱氨系统吨水直接运行成本为9.92元，远低于渗滤液补加复合碳源调整碳氮比的费用，而且利用汽提脱氨可以缩减MBR生化系统的运行成本，并可以降低生化处理过程的碳排放。

参考文献:

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