垃圾滲濾液是一種含難降解有機物、氨氮及其他有毒有害物質的高濃度有機廢水。為滿足《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB16889-2008)的要求，工程中常采用納濾、反滲透等膜技術對滲濾液生化出水進行深度處理。但在膜出水達標排放的同時，會產生大量膜濃縮液。膜濃縮液中污染物含量更高，處理更加困難，成為制約膜技術推廣及滲濾液全量化處理的難點。
目前，對膜濃縮液的處理主要有回灌法、焚燒法、高級氧化法及蒸發法等。采用回灌法處理膜濃縮液會使滲濾液中的鹽分及難降解物不斷堆積，其再次進入膜系統，會導致滲透壓上升，膜壽命降低。
焚燒法處理濃縮液效率高，但運行成本高，且存在爐膛腐蝕、結焦及污染排放等問題。高級氧化法工藝選擇靈活，處理效果顯著，但藥劑等成本較高，處理出水難以達標排放。而接觸式蒸發法則具有水質要求低、傳熱效率高及污染物可達標排放等優點，煙氣中的不凝性氣體使蒸發液在較低溫度下即可“沸騰”，在常壓條件下就能夠實現減壓蒸發的效果。
接觸式蒸發是將高溫氣體直接通入蒸發液中，蒸發液吸熱、升溫、蒸發。蒸發過程中蒸發液中的小部分揮發性有機物、氨氮進入冷凝液，而無機物、大分子有機物和重金屬鹽則殘留在蒸發液中。接觸式蒸發具有濃縮倍率高、無間壁換熱腐蝕風險低等優點，蒸發所需能量來自厭氧沼氣或填埋氣，可實現以廢治廢的效果，因此其在膜濃縮液處理領域具有廣闊的應用前景。本研究以江蘇某垃圾填埋場經過“預處理-生化MBR-納濾”工藝產生的納濾膜濃縮液為處理對象，在對其水質特征分析的基礎上，使用實驗室接觸式蒸發器探究了間歇進料時，氣體溫度、氣體流量、初始pH和蒸發率對冷凝液水質的影響。
1、試驗部分
1.1 蒸發樣液
采用江蘇某垃圾填埋場的納濾膜濃縮液作為蒸發樣液，其中含有脂肪酸、富里酸和腐殖質等有機物。其水質：COD4160mg/L，NH3-N164mg/L，電導率40.8mS/cm，硬度2100mg/L，pH7.8。
1.2 試驗方法
空氣經過加熱器預熱后，經浸沒管進入蒸發器內，蒸發液吸熱、升溫、蒸發。蒸發尾氣出蒸發室后進入氣液分離器，分離夾帶液滴，尾氣出分離器進入冷凝管冷凝為液體。試驗中通過蠕動泵一次將200mL蒸發液加入到蒸發室。配制質量分數為10%的H2SO4、NaOH溶液，將蒸發液初始pH分別調整至3.8、5.8、7.8、9.8和11.8；通過調節加熱器功率，控制氣體出口溫度T分別為200、250、300、350、400℃；通過調節流量，控制氣體流量Q分別為400、500、600、700、800L/h。各操作參數下，冷凝液每30mL收集一次，分別編號為1、2、3、4、5、6，對應蒸發率w分別為15%、30%、45%、60%、75%和90%，測定不同蒸發率下冷凝液中的COD、NH3-N、硬度和pH等參數。
1.3 試驗裝置
接觸式蒸發器如圖1所示，包括空氣加熱器(V容積=4.5L)、蒸發器(V容積=0.8L)、氣液分離器(V容積=0.1L)和冷凝管(L=400mm)等。加熱器內置3根電熱棒，總功率2.7kW。蒸發室中設有3個溫度測點，分別測量浸沒管氣體出口溫度、蒸發液溫度及尾氣溫度，浸沒管中氣體溫度測點位于起始液位上方10mm處。蒸發室柱體直徑80mm，高200mm；氣液分離器直徑40mm，高85mm；浸沒管壁厚1.5mm，內徑9mm。蠕動泵最大加液量150mL/min，恒溫(20℃)冷卻水流速500mL/min。試驗中，氣體溫度、流量波動在±5%以內。
1.4 分析方法
pH采用pH計(pH-10)測定；電導率采用電導率儀(CT3030)測定；硬度采用硬度儀(DY300)測定；COD采用重鉻酸鉀法測定；NH3-N采用納氏試劑法測定。
2、結果與討論
2.1 氣體溫度對穩定蒸發溫度的影響
在蒸發液初始pH=7.8，Q=600L/h，浸沒液位為50mm的條件下，考察氣體溫度對穩定蒸發溫度的影響，結果如圖2所示。
試驗過程中，雖然液體蒸發是在常壓下進行的，但由于高溫氣體中存在不凝性氣體(N2、O2等)，導致穩定蒸發溫度較低，而較低的蒸發溫度有利于控制揮發性氣體污染物的排放。理論上，只要浸沒深度足夠高，換熱時間足夠長，穩定蒸發氣、液相溫度則相同，但實際換熱中這種極限狀態難以達到，因此尾氣溫度會略高于蒸發液溫度。由圖2可知，隨著氣體溫度的升高，蒸發液及尾氣溫度也不斷提高，二者溫差維持在2~3℃。
2.2 氣體溫度對冷凝液COD、NH3-N的影響
在蒸發液初始pH=7.8，Q=600L/h的條件下，考察氣體溫度對冷凝液水質的影響，結果如圖3所示。
由圖3(a)可知，隨著氣體溫度的升高，當w≤75%時，冷凝液COD整體呈先降低后升高的變化趨勢，而當w=90%時，冷凝液COD不斷增加。當T=250℃，w=75%時，COD存在最低值，為8.5mg/L，而當T=400℃，w=90%時，COD存在最高值，為35mg/L。影響冷凝液COD的主要物質包括易揮發小分子脂肪酸、中等分子富里酸和難揮發大分子腐殖質等。當T=200℃時，蒸發液穩定蒸發溫度為72.7℃，此時蒸發強度較弱，完成相同蒸發率時，蒸發時間最長，使大量易揮發性有機物隨蒸汽進入冷凝液，導致冷凝液COD較高；隨著氣體溫度的升高，穩定蒸發溫度、蒸發強度不斷提高，蒸發量提高，使得冷凝液中的COD降低；但當T>250℃時，高溫氣體使得大分子有機物分解成易揮發小分子有機物，且溫度的升高促進了分子的運動和遷移，增大了揮發分的擴散系數，使得更多有機物釋放出來"，導致冷凝液COD升高。當w=90%時，氣體夾帶作用較為顯著，夾帶液滴干擾了冷凝液COD隨氣體溫度的變化趨勢。
由圖3(b)可知，隨著氣體溫度的升高，冷凝液NH3-N呈先增加后降低的變化趨勢。當T=300℃，w=15%時，NH3-N存在最大值，為48mg/L。隨著氣體溫度的升高，穩定蒸發溫度、蒸發強度不斷提高，使得更多NH3-N進入冷凝液；但氣體溫度過高(T>250℃)，蒸發液穩定蒸發溫度隨之進一步升高，溶液的飽和蒸氣壓增加，蒸發液中溶質沸點降低，增加了NH3-N的溶解度，抑制了NH3-N的蒸發。但只要蒸發過程持續，就會有NH3-N進入冷凝液。
2.3 氣體流量對冷凝液COD、NH3-N的影響
在蒸發液初始pH=7.8，T=300℃時，考察氣體流量對冷凝液水質的影響，結果如圖4所示。
由圖4(a)可知，隨著氣體流量的增加，冷凝液COD先降低后升高。當Q=600L/h，w=45%時，COD存在最低值，為7.5mg/L。隨著氣體流量由400L/h增加至600L/h，單位時間內蒸發室內的換熱量增加，氣液間擾動增強，蒸發速率提高，而易揮發性小分子有機物的揮發速率主要受溫度影響，因此蒸發速率的提高使得冷凝液中的COD不斷降低；當氣體流量繼續增大至800L/h時，氣體對蒸發液夾帶作用增強，部分富里酸和腐殖質進入到冷凝液中，導致冷凝液COD提高(3)。在本試驗中可將Q=600L/h作為氣體夾帶影響COD的臨界值。
由圖4(b)可知，隨著氣體流量由400L/h增加至800L/h，冷凝液NH3-N不斷增加。當氣體流量較小時，氣液間擾動較小，換熱不充分。隨著氣體流量的提高，氣液間換熱量及擾動不斷增加，蒸發液中NH3-N的揮發速率也不斷提高，使更多的NH3-N進入到冷凝液中；此外，在較大氣體流量下蒸發法液滴夾帶的效果更加顯著，也會影響冷凝液中NH3-N的含量。
2.4 蒸發液初始pH對冷凝液COD、NH3-N的影響
在T=300℃，Q=600L/h的條件下，考察蒸發液初始pH對冷凝液水質的影響，結果如圖5所示。
由圖5(a)可知，隨著蒸發液初始pH的升高，冷凝液COD不斷降低。蒸發液中含有脂肪酸、富里酸和腐殖質等有機物，酸性條件下上述有機物多以分子態存在，蒸發過程中，易揮發的有機物隨蒸汽大量蒸出并冷凝，導致冷凝液COD較高。隨著pH的不斷提高，脂肪酸等水解程度加大，其逐漸由分子態變為游離態，分子組分減少，隨水分蒸出量降低；同時，有機物與金屬離子可以發生絡合反應，pH越高難揮發絡合物穩定性越強，從而導致冷凝液COD降低。
由圖5(b)可知，隨著蒸發液初始pH的升高，冷凝液NH3-N不斷增加并最終趨于穩定。膜濃縮液中存在大量酸堿緩沖對，其中NH3-N存在式(1)和式(2)所示的水解、電離平衡(16)：
可以看出，當pH較低時，可導致膜濃縮液中化合態NH3·H2O含量降低，使其隨水分蒸出量減少；相反，當pH較高時，上述可逆過程相反，冷凝液NH3·H2O含量升高。但由于整個平衡體系處于動態平衡，當pH逐步提高時，蒸發液中NH3·H2O含量不斷增加，而體系將會抑制這種增加趨勢，使得即使繼續增加蒸發液pH，也難以使產生的NH3·H2O繼續進入冷凝液，使冷凝液中NH3-N的變化最終趨于平穩。
2.5 蒸發率對冷凝液水質的影響
在T=300℃，Q=600L/h的條件下，考察蒸發率對冷凝液水質變化規律的影響，結果如圖6所示。其中，對冷凝液COD、NH3-N、硬度變化規律的影響的考察在蒸發液初始pH=7.8的條件下進行。
由圖6(a)可知，酸性條件下隨著蒸發率的提高，冷凝液pH趨于下降。酸性條件下蒸發液中NH3·H2O含量降低，但由于水解、電離的動態平衡，總有一部分NH3-N隨蒸汽進入冷凝液中；而隨著蒸發率的提高，蒸發液中NH3-N不斷降低，最終導致冷凝液pH不斷降低。堿性條件下，由于OH的促進作用，蒸發初期大量NH3-N進入冷凝液中，而隨著蒸發率的提高，蒸發液NH3-N不斷降低，導致冷凝液pH不斷降低；蒸發末期(w=90%)，由于氣體夾帶蒸發液進入冷凝液中，使得酸性條件下冷凝液pH降低，而堿性條件下冷凝液pH升高。
由圖6(b)可知，隨著蒸發率的提高，冷凝液COD先下降后升高。蒸發初期(w=15%)大量易揮發有機物及部分蒸發液在較低沉降高度下會以液滴形式被夾帶進入冷凝液，使冷凝液COD較高，而隨著蒸發率及沉降空間的提高，蒸發液中易揮發有機物不斷減少，且大部分不易揮發有機物殘留在蒸發液中，使冷凝液COD不斷降低；蒸發末期(w=90%)，蒸發液體積較小，劇烈的蒸發及氣體夾帶使得蒸發液中少量的富里酸及腐殖酸進入冷凝液中，導致COD急劇上升(17)。
隨著蒸發率的提高，冷凝液NH3-N先降低后稍有上升。蒸發初期(w=15%)蒸發液中大量游離氨會進入冷凝液中，使冷凝液NH3-N較高，而隨著蒸發率的提高，蒸發液中游離氨含量減少，因此冷凝液NH3-N相應降低；蒸發后期(w=90%)，由于夾帶使得蒸發液進入冷凝液中，難揮發性有機酸進入冷凝液中，NH4濃度增加，使得冷凝液NH3-N增加。
理論上，冷凝液中不存在Ca2+、Mg2+等離子，但氣體夾帶會使小部分蒸發液進入冷凝液，因此冷凝液水質硬度直接反映了氣體夾帶的強弱。試驗結果表明，隨著蒸發率的提高，冷凝液硬度呈先降低，后保持相對穩定，再快速增加的變化趨勢。蒸發初期(w=15%)，液位較高，氣體沉降空間較低，會有部分飛濺液滴被氣體夾帶進入冷凝液中；隨著蒸發率的升高，沉降空間增加，飛濺液滴的攜帶量降低；到蒸發末期(w=90%)，蒸發液體積最小，氣體夾帶作用逐漸增強，再次導致冷凝液硬度快速增加。
3、結論
采用接觸式蒸發處理垃圾滲濾液膜濃縮液，研究了不同工況下的穩定蒸發溫度、冷凝液水質特征，結果表明：
(1)采用接觸式蒸發處理膜濃縮液過程中，水蒸氣分壓降低，蒸發液在80℃左右即可沸騰。隨著氣體溫度的上升，穩定蒸發溫度會提高，蒸發液與尾氣的溫差維持在2~3℃。
(2)隨著氣體溫度的升高，冷凝液COD先降低后升高，NH3-N則先升高后降低；隨著氣體流量的增加，冷凝液COD先降低后升高，NH3-N則不斷增加。初始pH對冷凝液COD、NH3-N影響較大，在酸性條件下，冷凝液中COD較高，NH3-N較低；堿性條件下冷凝液中COD較低，NH3-N較高。
(3)蒸發初期，冷凝液中的COD、NH3-N及pH較高；隨著蒸發率的提高，COD、NH3-N及pH都有所降低；蒸發末期，COD、NH3-N又有所提高，此時酸性條件下冷凝液pH略有降低，而堿性條件下冷凝液pH有所提高。
(4)通過測定冷凝液水質硬度可知，蒸發初期和末期氣體夾帶最為顯著，對冷凝液水質特性的影響較為明顯。因此，足夠的沉降高度及高效的氣液分離設備對于該方法的應用十分有必要。（來源：東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點試驗室，光大環保技術研究院(南京)有限公司）
