陶瓷微濾+兩級反滲透處理垃圾滲濾液的研究

陶瓷微濾+兩級反滲透處理垃圾滲濾液的研究

《生活垃圾填埋污染控制標準》（gb1689-2008）的實施對處理垃圾中的廢水和濾液提出了更高的要求，傳統(tǒng)的生理工藝難以標準化。與生化法相比,膜分離技術(shù)在垃圾滲濾液處理方面具有不受原水可生化性影響、出水水質(zhì)穩(wěn)定和占地面積小等優(yōu)點。以反滲透為主的垃圾滲濾液膜處理工藝已在國外廣泛應(yīng)用。早在1977年Chian就提出用RO處理垃圾滲濾液,用來解決垃圾場運行中后期滲濾液可生化性差、出水不能穩(wěn)定達標這一問題。后來,陸續(xù)有學者在RO處理垃圾滲濾液方面作了不少研究。Angelo等采用RO對Pietramelina垃圾填埋場滲濾液進行了中試,試驗表明,COD去除率達98%。國內(nèi)膜技術(shù)處理垃圾滲濾液的研究起步比國外晚,但近年來也陸續(xù)開展了膜處理垃圾滲濾液的相關(guān)研究,北京、上海、重慶等城市也已將膜工藝實際應(yīng)用于垃圾滲濾液的處理,并取得了較好的處理效果。我國目前仍以生物法為主,后續(xù)膜處理工藝。陶瓷膜是以無機陶瓷材料經(jīng)特殊工藝制備而成,膜孔結(jié)構(gòu)呈外密內(nèi)疏的非對稱性,具有化學穩(wěn)定性好,能耐酸、耐堿、耐有機溶劑,機械強度大,可反向沖洗,抗微生物能力強,耐高溫等特點。超低壓反滲透膜是近幾年迅速發(fā)展起來的一項膜技術(shù),是在納濾的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。納濾膜克服了反滲透膜運行壓力高的缺點,但脫鹽率較低,所以不能用于除鹽。超低壓反滲透膜改進了納濾膜的表面材質(zhì)和組成結(jié)構(gòu),提高了膜的性能,克服了反滲透和納濾的缺點,不僅可以在較低的壓力下實現(xiàn)對苦咸水的脫鹽,還可用于地表水和一些特殊廢水的處理,而且產(chǎn)水量大、抗污染能力和抗微生物沖擊的能力強、機械強度好、耐溫、性能穩(wěn)定。本文針對枯水季節(jié)滲濾液氨氮濃度高,可生化性差的特點,脫離傳統(tǒng)生物處理工藝,綜合陶瓷膜與超低壓反滲透膜的特性,采用“多孔陶瓷微濾+兩級反滲透”工藝處理垃圾滲濾液。分別考行時間的關(guān)系以及整個工藝的出水效果。為了保察多孔陶瓷微濾膜、一級反滲透和二級反滲透對滲濾液COD、NH3-N、電導(dǎo)率及相應(yīng)去除率與運證整個工藝的出水效果及運行穩(wěn)定性,還重點考察了一級反滲透系統(tǒng)回收率控制及清洗周期和方法。1實驗部分1.1調(diào)節(jié)池穩(wěn)定塘實驗用原液取自廣西南寧市城南生活垃圾衛(wèi)生填埋場滲濾液調(diào)節(jié)池,滲濾液在調(diào)節(jié)池(穩(wěn)定塘)中自然降解40~60d,水樣呈棕褐色,有刺激性氨味,pH:7.50~8.50,COD:1500~3900mg/L,NH3-N:1300~2000mg/L,電導(dǎo)率:10~20ms/cm。1.2超低壓反滲透實驗采用W-UF-VI混裝實驗超濾系統(tǒng),試驗系統(tǒng)由多孔陶瓷微濾膜裝置、一級反滲透裝置和二級反滲透裝置三個處理單元組成。采用19孔道無機陶瓷膜,微孔孔徑0.22μm,單只膜有效面積0.23m2。反滲透采用武漢市協(xié)力過濾技術(shù)有限公司生產(chǎn)的超低壓復(fù)合反滲透半透膜,膜截留分子量100以下,孔徑約為0.5nm,單只膜管有效面積0.3m2。超低壓反滲透的壓力運行范圍在納濾的運行范圍內(nèi),即在反滲透和超濾之間:0.2~1.0MPa。實驗裝置如圖1所示垃圾滲濾液經(jīng)穩(wěn)定塘自然降解40~60d后,通過污水泵(2)提升至滲濾液貯槽(3)中,打開進液閥,依次流經(jīng)多孔陶瓷微濾膜裝置、一級反滲透裝置和二級反滲透裝置,最后達標排放。陶瓷微濾系統(tǒng)出水為一級反滲透系統(tǒng)進水;一級反滲透系統(tǒng)出水為二級反滲透系統(tǒng)進水。其中循環(huán)液貯(6)(18)(30)槽容積30L,各處理單元通過循環(huán)管流量調(diào)節(jié)閥(12)(24)(36)控制系統(tǒng)操作壓力(9)(21)(33),溫度控制器(5)(17)(29)控制溫度。在恒定操作壓力和溫度條件下,若陶瓷微濾系統(tǒng)運行120min,則停止操作進行系統(tǒng)再生清洗。若反滲透處理單元的進水電導(dǎo)率大于18ms/cm,清液回收率在65%~70%,則停止操作進行系統(tǒng)再生清洗。打開濃縮液排放閥Ⅰ(7)和排放閥Ⅱ(19),將濃縮液送至回灌處理。二級反滲透的濃縮液排放閥Ⅲ(31)送回穩(wěn)定塘(1)。1.3時間、條件、試劑、儀器pH采用玻璃電極法;COD采用微波快速消解法;NH3-N采用納氏試劑比色分光光度法;電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀測定:雷磁DDSJ-308A型電導(dǎo)率儀。1.4操作壓力及頻率試驗過程中各系統(tǒng)工作條件:陶瓷微濾膜預(yù)處理系統(tǒng)操作壓力:0.2~0.3MPa,泵頻率:30~40Hz;一級、二級反滲透系統(tǒng)操作壓力:0.8~0.9MPa,泵頻率:40~50Hz。1.4.1陶瓷微濾膜與反滲透膜的工作原理如圖1所示,垃圾滲濾液經(jīng)穩(wěn)定塘自然降解后,通過污水泵提升至滲濾液貯槽中,打開進液閥Ⅰ后自流到循環(huán)液貯槽Ⅰ,在變頻循環(huán)泵Ⅰ的驅(qū)動下進入多孔陶瓷微濾膜管以錯流方式進行動態(tài)過濾,濾濃液經(jīng)循環(huán)管在陶瓷微濾膜系統(tǒng)不斷循環(huán),濾清液進入一級反滲透系統(tǒng)濾液貯槽Ⅰ。1.4.2級反滲透膜管動態(tài)濾清液和濾液貯槽如圖1所示,打開進液閥Ⅱ后自流到循環(huán)液貯槽Ⅱ,在變頻循環(huán)泵Ⅱ的驅(qū)動下進入一級反滲透膜管進行動態(tài)過濾,濾濃液經(jīng)循環(huán)管在一級反滲透膜系統(tǒng)不斷循環(huán),濾清液進入一級管式反滲透系統(tǒng)濾液貯槽Ⅱ。1.4.3級反滲透膜管動態(tài)過濾如圖1所示,打開進液閥Ⅲ后自流到循環(huán)液貯槽Ⅲ,在變頻循環(huán)泵Ⅲ的驅(qū)動下進入二級反滲透膜管進行動態(tài)過濾,濾濃液經(jīng)循環(huán)管在二級反滲透膜系統(tǒng)不斷循環(huán),濾清液則可達標排放。1.5反滲透膜清洗處理反滲透膜清洗過程:反滲透清洗前,先用蒸餾水在水溫30℃,壓力0.9MPa,頻率47Hz條件下的測量膜通量。清洗時,首先進行水洗,用蒸餾水無壓高速水流沖洗30min,使膜表面污染物隨高流速水沖走;調(diào)整運行參數(shù)為壓力0.9MPa,頻率47Hz,循環(huán)水洗30min,使膜內(nèi)部污染物得以清洗。再進行酸/堿洗,調(diào)整泵流量,將NaOH(0.1%)或HCl(0.1%)的清洗液以低流速,低壓力進入反滲透系統(tǒng)將原水置換(低流速,低壓力以防清洗液稀釋)。維持水溫<40℃,壓力0.9MPa,頻率47Hz,使清洗液在系統(tǒng)中循環(huán)沖洗1h。酸/堿洗之后用蒸餾水沖洗至濾出液出水為中性,在30℃壓力0.9MPa,頻率47Hz,測定通量恢復(fù)情況。2結(jié)果與討論2.1有機污染物的去除效果陶瓷膜微濾處理過程COD、NH3-N、電導(dǎo)率及相應(yīng)去除率與運行時間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知,COD、NH3-N有一定下降,表明滲濾液中有機污染物去除效果良好。經(jīng)過陶瓷微濾預(yù)處理后,出水的COD、NH3-N去除率、脫鹽率分別維持在50.3%、30.2%、30.1%以上。出水能達到反滲透膜進水要求并能有效提高反滲透系統(tǒng)的水回收率。陶瓷微濾預(yù)處理系統(tǒng)需定時清洗,清洗周期為120min,采用堿洗+酸洗的聯(lián)合清洗方法膜通量可恢復(fù)到新膜滲透通量的94%。2.2滲濾液中有機污染物的變化一級反滲透處理過程COD、NH3-N、電導(dǎo)率及相應(yīng)去除率與運行時間的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知,COD、NH3-N的顯著下降,表明滲濾液中有機污染物已被大量去除。經(jīng)過一級反滲透處理后,出水的COD、NH3-N去除率、脫鹽率分別維持在94.8%、91.3%、81.6%以上。2.3級反滲透處理效果二級反滲透處理過程COD、NH3-N、電導(dǎo)率及相應(yīng)去除率與運行時間的關(guān)系如圖4所示。電導(dǎo)率可間接反映滲濾液中的重金屬離子含量。由圖4可知,電導(dǎo)率的顯著降低,說明二級反滲透能有效截留濾液中的重金屬離子。經(jīng)過二級反滲透處理后,出水的COD、NH3-N去除率、脫鹽率分別維持在80.1%、81.3%、85.1%以上?！岸嗫滋沾晌V+兩級反滲透”工藝處理垃圾滲濾液出水的COD<30mg/L,NH3-N<25mg/L,電導(dǎo)率<180μm/cm,經(jīng)過兩級反滲透系統(tǒng)后,對COD去除率大于99%,NH3-N和TP去除率大于98%,總鉻和六價鉻去除率大于99.9%,重金屬離子去除率均大于99%,且具有很高且穩(wěn)定的脫鹽率,各項指標滿足《生活垃圾填埋污染控制標準》(GB16889-2008),具體去除效果列于表1。2.4清洗系統(tǒng)的運行及效果反滲透系統(tǒng)在運行一段時間后,由于膜污染要進行清洗,尤其是一級反滲透系統(tǒng),雖然經(jīng)過陶瓷微濾預(yù)處理,但其進水有機污染物及重金屬離子的含量依然很高。因此,及時清洗,防止膜污染,是保證出水效果的重要措施?；厥章适潜碚魈幚砝鴿B濾液量的指標,若回收率過低,就會說明處理效率低;若提高回收率,會使反滲透系統(tǒng)提供的壓力增加,設(shè)備投資和運行費用都將大幅度上升?；厥章适欠礉B透系統(tǒng)中的一項重要指標,系統(tǒng)的回收率定義為透過液的體積除以原液體積,回收率是反滲透技術(shù)中的重要指標,計算公式為:式中,Y為回收率;Qp為透過液流量;Q為進水量。如圖5~8所示:一級反滲透系統(tǒng)的脫鹽率、COD去除率,膜通量隨運行時間增加而降低,在開始的400min,脫鹽率從88.0%下降到69.4%;COD去除率從94.6%下降到89.3%;膜通量從13.1L/(m2·h)下降到2.6L/(m2·h),此時系統(tǒng)的回收率為70%左右。繼續(xù)運行,脫鹽率和膜通量變化不大,但是COD去除率在短短的100min內(nèi)從89.3%快速下降到76.0%,此時,回收率增加緩慢,出水水質(zhì)惡化,水量減少,脫鹽率穩(wěn)定。這是由于,隨運行時間的增加,反滲透膜污染越嚴重。反滲透裝置經(jīng)長期運行,處理的料液中的溶質(zhì)分子會與膜發(fā)生物理化學作用而引起在膜表面或膜孔內(nèi)的吸附或沉積,從而使膜孔徑變小或堵塞。膜上污染物質(zhì)的沉淀與積累使水透過膜的阻力增加,阻礙了膜面上的溶解擴散,占據(jù)了鹽水通道空間,限制了組件中的水流流動,隨著濃縮過程的進行,循環(huán)液含鹽量逐漸增加,最終可提高至原水的3~5倍,系統(tǒng)的滲透壓也不斷提高,系統(tǒng)施加給膜的有效壓力大大降低,膜的水通量隨之降低。此時濃差極化明顯,也導(dǎo)致了系統(tǒng)出現(xiàn)脫鹽率、COD去除率下降的問題。綜上所述,為保證出水水質(zhì)水量,降低處理成本,此裝置的清洗周期為400min,回收率控制在65%~70%。因為小型實驗裝置提供的有效壓力有限,加之實際工程中會有原液不斷供給,會減緩循環(huán)液貯槽中滲濾液的濃縮,因此實際工程中,回收率會有一定程度的提高,膜污染周期會延長,膜通量的衰減也會大大減緩。此套系統(tǒng)設(shè)計運用在實際工程中效果會更加明顯。由于垃圾滲濾液成分復(fù)雜,污染物濃度高,反滲透系統(tǒng)長期運行,在膜上濃水側(cè)會積累水垢、有機物、膠體、金屬氧化物和細菌等物質(zhì),造成膜污染,因此污染膜必須及時清洗。清洗效果如圖9,堿洗+酸洗>酸洗+堿洗>水洗。酸清洗劑主要溶解膜表面和膜孔內(nèi)沉積的難溶的無機鹽,堿清洗劑的作用是清洗造成膜污染的有機物。實驗結(jié)果表明,先堿洗后酸洗的方法聯(lián)合使用更有利于膜通量的恢復(fù),說明雖然膜面污染層中有機物和無機物之間存在一種協(xié)同作用,但有機物的作用更大,在污染膜的清洗過程中,堿洗的作用表現(xiàn)得較突出,以至于去除了有機物,膜表面的污染顯著減少,清洗基本上達到滿意的效果,而且進一步的清洗也變得容易進行。膜通量可恢復(fù)到新膜滲透通量的95%左右,說明清洗方法是可行的。3級反滲透效果(1)經(jīng)過陶瓷微濾預(yù)處理后,出水的COD、NH3-N去除率、脫鹽率分別維持在50.3%、30.2%、30.1%以上。出水能達到反滲透膜進水要求并能有效提高反滲透系統(tǒng)的水回收率。(2)經(jīng)過一級反滲透處理后,出水的COD、NH3-N去除率、脫鹽率分別維持在94.8%、91.3%、81.6%以上。表明滲濾液中有機污染物已被大量去除。(3)經(jīng)過二級反滲透處理后,出水的COD、NH3-N去除率