國內(nèi)膜技術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研究, 北京、上海和重慶等城市也已將膜工藝實際應用于垃圾滲濾液的處理, 并取得了較好的處理效果[ 7] 。我國目前以生物法為主, 后續(xù)膜分離技術,不僅達到排放標準, 還可以部分回用[ 8] 。然而, 反滲透膜需要很高的運行壓力, 運行費用較高, 膜污染較為嚴重, 限制了反滲透技術的應用。膜工藝條件的選擇與優(yōu)化, 直接影響膜分離技術在垃圾滲濾液處理領域中應用。

超低壓反滲透膜是近幾年迅速發(fā)展起來的一項膜技術, 是在納濾的基礎上發(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。本實驗采用超低壓反滲透膜裝置處理垃圾滲濾液, 考察在不同工藝條件下的膜通量、脫鹽率、COD和NH3 -N去除率的變化規(guī)律, 對膜工藝條件進行選擇與優(yōu)化, 為膜分離技術在垃圾滲濾液處理領域中應用提供運行依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗水樣

實驗用滲濾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)池中自然降解40 ～ 60 d后, 水樣呈棕褐色, 有刺激性氨味, pH7.5 ～ 8.5, COD1 500 ～ 3 900 mg/L, NH3 -N1 300 ～2 000 mg/L, 電導率10 ～ 20 mS/cm。為滿足反滲透進水要求, 滲濾液需經(jīng)無機陶瓷微濾膜預處理, 微濾預處理后水樣為棕灰色澄清液, 有刺激性味道,pH 8.2 ～ 8.9, COD800 ～ 2 000 mg/L, NH3 -N 700 ～1 300 mg/L, 電導率7 ～ 13 mS/cm。

1.2 實驗裝置

超低壓反滲透膜實驗裝置如圖1所示。本裝置為BTD-UF-VI混裝實驗超濾系統(tǒng), 在容積為30 L的貯槽內(nèi), 垃圾滲濾液通過溫度控制器保持30 ℃ 恒溫,通過循環(huán)泵, 經(jīng)止回閥、壓力表, 自下而上進入反滲透膜管, 以動態(tài)過濾方式完成膜過程。濾出清液經(jīng)取樣閥流入濾出液計量槽, 濃縮液則在系統(tǒng)內(nèi)不斷循環(huán)。選用變頻循環(huán)泵可實現(xiàn)水流量平滑地無級調(diào)節(jié), 避免水泵長期滿負荷工作。采用超低壓復合反滲透半透膜,膜截留分子量100 以下, 孔徑約為0.5 nm, 單只膜管有效面積0.3 m2 。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 ～ 1.0 MPa。

1.3 實驗過程與分析方法

單位時間單位膜通面積所得的濾出液體積稱為膜通量。膜通量大小可以反映超低壓反滲透系統(tǒng)處理垃圾滲濾液效率的高低。實驗水樣可用0.1%NaOH和0.1%HCl溶液調(diào)節(jié)pH值。在設定的操作壓力、溫度和泵頻率條件下進行處理, 穩(wěn)定運行10min后測定膜通量等相關數(shù)據(jù)。電導率反應溶液含鹽量, 系統(tǒng)脫鹽率是反滲透系統(tǒng)對鹽的整體脫除率。在實際運行中, 常用電導率近似估算系統(tǒng)脫鹽率, 具體計算方法見式(1)

式中:

P———系統(tǒng)脫鹽率(%);

Ep———出水電導率(mS/cm);

Ec———進水電導率(mS/cm)。

通過測定電導率值, 估算得到系統(tǒng)脫鹽率。

pH采用玻璃電極法[ 9] ;COD采用微波快速消解法[ 9] ;NH3 -N納氏試劑比色分光光度法[ 9] ;電導率用電導率儀測定。膜通量通過濾出液計量槽測定、泵頻通過頻率調(diào)節(jié)器顯示讀數(shù)測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 泵的輸出頻率對膜通量的影響

膜通量與輸出頻率的關系如圖2所示, 由圖2可知, 一定操作壓力條件下, 存在著最大膜通量對應的輸出頻率。如操作壓力為0.8 MPa時, 44 Hz輸出頻率對應的最大膜通量為13.8 L/(m2 · h)。在輸出頻率變化方面, 操作壓力高的最大膜通量滯后于操作壓力低的最大膜通量。如操作壓力為0.7MPa的最大膜通量對應輸出頻率為41 Hz;操作壓力為0.9 MPa的最大膜通量對應輸出頻率為47Hz。這是因為較大的切線流速有利于松動和帶走沉積在膜表面的微粒、溶質(zhì), 濃差極化的影響同時也減小, 從而引起膜通量升高。在固定操作壓力下, 通量增高勢必會導致膜兩側(cè)的壓差降低, 同時過大的通量也易引起與膜孔徑尺寸相當或略大的微粒堵塞膜孔, 所以導致通量下降。因此, 不同的操作壓力對應不同的頻率, 才能更好地提高膜工作效率。運用變頻調(diào)速技術, 可實時解決操作壓力與泵送流量的對應關系, 確定最佳流量參數(shù), 提高反滲透系統(tǒng)運行效率。

2.2 系統(tǒng)操作壓力對反滲透膜的影響

膜通量、脫鹽率與壓力的變化關系如圖3所示,由圖3可知, 壓力從0.6 MPa升高到1.0 MPa時, 膜通量從7.11 L/(m2 · h)上升到17.12 L/(m2 · h),壓力在0.6 MPa到0.8 MPa時, 膜通量呈直線上升趨勢;但當壓力>0.8 MPa時, 膜通量上升的趨勢開始變緩。這主要是因為, 在壓力較低時, 濃差極化現(xiàn)象不明顯, 濃差極化是膜分離過程中的一種現(xiàn)象, 會降低透水率, 是一個可逆過程。是指由于水透過膜而使膜表面的溶質(zhì)濃度增加, 在濃度梯度作用下, 溶質(zhì)與水以相反方向向本體溶液擴散, 在達到平衡狀態(tài)時, 膜表面形成一個溶質(zhì)濃度分布邊界層, 它對水的透過起著阻礙作用。此時阻礙滲濾液通過的阻力主要是膜本身的阻力和膜污染產(chǎn)生的阻力, 由于膜阻力占主要部分, 所以通量隨壓力增加速度較快, 隨著壓力的升高, 被截留的溶質(zhì)在表面和膜孔內(nèi)的沉積速度加快, 濃差極化明顯, 導致膜通量增長速度減緩。

由圖3可知, 壓力從0.6 MPa到0.8 MPa, 脫鹽率從61% 升高到86%, 由于進水壓力升高使得驅(qū)動反滲透的凈壓力升高, 使得產(chǎn)水量加大, 同時鹽通過量幾乎不變, 透過膜的鹽分被增加的產(chǎn)水量稀釋,降低了透鹽率, 提高脫鹽率。壓力從0.8 MPa到1.0 MPa, 脫鹽率幾乎沒變化, 一直維持在87%左右, 這是由于進水壓力超過一定值時, 逐漸加大了濃差極化, 又會導致鹽透過量增加, 抵消了增加的產(chǎn)水量, 使得脫鹽率幾乎不變。

不同壓力下的膜通量與運行時間的變化關系如圖4所示, 由圖4可知, 系統(tǒng)操作壓力越大, 膜的通量下降越明顯, 說明膜污染越快, 膜壽命越低。

考慮到當壓力>0.8 MPa時, 系統(tǒng)脫鹽率幾乎沒有變化, 且膜通量的增加趨勢開始變緩, 壓力越高耗能越大, 膜越容易污染, 因此, 考慮出水水質(zhì), 處理成本和效率, 本裝置壓力采用0.8 ～ 0.9 MPa。

2.3 pH值對反滲透系統(tǒng)去除率和膜通量的影響

膜通量、去除率與pH的變化關系如圖5所示,由圖5可知, COD去除率先隨著pH值的上升而上升, 但是pH達到7 之后, COD去除率穩(wěn)定在95%左右, 變化很小。NH3 -N去除率在堿性環(huán)境比在酸性環(huán)境去除率有所提高, 從76.8%升高到81.2%。NH3 -N去除率的提高主要是因為水中的NH+4 離子和OH-離子存在電離平衡:

NH+4 +OH- =NH3 ·H2 O (2)

pH值升高平衡向右移動, 使NH+4 轉(zhuǎn)化為NH3從水中逸出, 從而導致NH3 -N去除率提高。

由圖5 可知, 進水pH對脫鹽率有較大影響。由于水中溶解的CO2受pH影響較大, pH值低時以氣態(tài)CO2形式存在, 由于膜允許CO2自由通過[ 10] ,所以pH低時脫鹽率也較低, 僅有80%。隨pH值升高, 氣態(tài)CO2轉(zhuǎn)化為HCO-3 和CO2 -3 離子, 在pH=7.5 ～ 8.5間, 脫鹽率達到最高值87.8%。

雖然復合膜運行pH值可在2 ～ 11 間, 但pH>8.5時, COD和NH3 -N去除率、脫鹽率都有所降低。這是由于, 過高的pH值使得滲濾液中的CaCO3垢在膜表面上更易形成, 從而阻塞膜孔, 膜更易污染,降低膜的截留能力, 正如圖5 所示, 膜通量隨著pH值的升高而逐漸降低, pH>8.5時膜通量下降較為明顯。

由于pH>8.5時, COD和NH3 -N去除率、脫鹽率都有所降低;pH在7.5 ～ 8.5間, 脫鹽率達到最高值87.8%;膜通量隨著pH值的增加而降低。進水垃圾滲濾液水樣的pH值為8.2 ～ 8.9, 為提高處理效果, 降低處理成本, 進水垃圾滲濾液適宜pH值范圍應為7.5 ～ 8.5。

2.4 進水鹽濃度(電導率)對反滲透膜的影響

膜通量、脫鹽率與進水電導率的變化關系如圖6 所示, 由圖6可知, 膜通量和脫鹽率隨進水電導率的增加而降低, 當進水電導率從12 mS/cm增加到18 mS/cm時, 膜通量從13.9 L/(m2 · h)下降到8.8L/(m2 · h);脫鹽率從88%下降到80.4%, 當進水電導率繼續(xù)增加, 膜通量和脫鹽率開始快速下降, 當電導率增加到23 mS/cm時, 膜通量和脫鹽率分別下降到2.5 L/(m2 · h)和68.5%。

這是由于水中所含鹽分或有機物濃度的函數(shù)是滲透壓, 含鹽量越高滲透壓也增加, 進水壓力不變的情況下, 靜壓力將減小, 產(chǎn)水量降低。透鹽率正比于膜正反兩側(cè)鹽濃度差, 進水含鹽量越高, 濃度差也越大, 透鹽率上升, 從而導致脫鹽率下降。

由于當進水電導率>18 mS/cm時, 系統(tǒng)脫鹽率和膜通量下降速度很快, 所以說明本實驗裝置的進水電導率應≤18 mS/cm。

3 結(jié) 論

(1)不同壓力條件下對應某一輸出頻率存在最大膜通量。在輸出頻率變化方面, 壓力高的最大膜通量滯后于壓力低的最大膜通量。運用變頻調(diào)速技術, 可實時解決操作壓力與泵送流量的對應關系, 確定最佳流量參數(shù), 提高反滲透系統(tǒng)運行效率。

(2)膜通量和脫鹽率隨壓力增大而增大, 但其增長速度減緩, 適宜的操作壓力可選擇0.8 ～ 0.9MPa。

(3)pH值改變對COD去除率、脫鹽率影響很小。pH增加時, 膜通量降低。進水垃圾滲濾液適宜pH值范圍應為7.5 ～ 8.5。

(4)膜通量和脫鹽率隨進水電導率的增加而降低, 因此應控制進水電導率≤18 mS/cm。

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