納濾膜分離技術(shù)在垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理中的應(yīng)用
垃圾在堆放、填埋處理過(guò)程中,由于厭氧發(fā)酵、有機(jī)物分解、雨水沖淋及地下水的浸泡等原因,會(huì)產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物和水分,形成滲濾液,破壞周?chē)寥赖纳鷳B(tài)平衡,降低土壤活力,造成土壤或水源污染。垃圾滲濾液主要來(lái)自3 個(gè)方面:①填埋場(chǎng)內(nèi)的自然降雨和徑流; ②垃圾自身的含水; ③在垃圾衛(wèi)生填埋后由于微生物的厭氧分解而產(chǎn)生的水 。垃圾滲濾液具有不同于一般城市污水的特點(diǎn):BOD5 和COD 濃度高、金屬含量較高、水質(zhì)水量變化大、氨氮含量較高、微生物營(yíng)養(yǎng)元素比例失調(diào)等。
目前國(guó)內(nèi)對(duì)垃圾滲濾液的處理一般是采用回灌法、物化法和生化法。循環(huán)回灌是一種非徹底的處理方法,而且處理能力有限,操作環(huán)境差,不適于年降水量大的南方,回灌后的滲濾液仍需要采用好氧生化及物化等后續(xù)處理才能向環(huán)境排放。物化法處理成本一般較高,不適于大水量垃圾滲濾液的處理。生物處理法包括厭氧生物處理、好氧生物處理和兩者相結(jié)合的方法,但實(shí)際運(yùn)行中,生物菌常無(wú)法適應(yīng)垃圾滲濾液水量、水質(zhì)和COD 劇烈的變化,經(jīng)常發(fā)生生物菌被抑制甚至死亡的現(xiàn)象。當(dāng)菌種一旦被破壞,重新恢復(fù)將需要時(shí)間,在實(shí)踐中無(wú)法達(dá)到處理的目的。并且由于處理要求相應(yīng)提高,生物處理無(wú)法達(dá)到處理要求。隨著膜技術(shù)的發(fā)展與推廣,反滲透已經(jīng)成為處理垃圾滲濾液的主要方法,這是由于反滲透具有高效的截留污水中溶解態(tài)的無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物的特性。但是在不斷的應(yīng)用過(guò)程中,反滲透的缺點(diǎn)和不足日益顯露,主要是操作壓力大,能耗較高,設(shè)備損耗大,維護(hù)管理困難。為克服上述缺點(diǎn),減少操作難度,各國(guó)的研究者相繼把目光轉(zhuǎn)向了操作壓力較低、運(yùn)行管理方便的納濾技術(shù),對(duì)用納濾技術(shù)處理滲濾液的可行性進(jìn)行了一系列的驗(yàn)證。
1 納濾膜分離技術(shù)
1. 1 納濾膜的特性
納濾膜(Nanofiltration membrane) 介于反滲透和超濾膜之間,是近年來(lái)國(guó)際上發(fā)展較快的膜品種之一。20 世紀(jì)80 年代初,美國(guó)科學(xué)家研究了一種薄層復(fù)合膜,它能使90 %的NaCl 透析,而99 %的蔗糖被截留。顯然,這種膜既不能稱(chēng)之為反滲透膜(因?yàn)椴荒芙亓魺o(wú)機(jī)鹽) ,也不屬于超濾膜的范疇(因?yàn)椴荒芡肝龅头肿恿康挠袡C(jī)物) 。由于這種膜在滲透過(guò)程中截留率大于95 %的分子約為1 nm,因而它被命名為”納濾膜”。20 世紀(jì)90 年代以來(lái),才有了商品納濾膜的生產(chǎn),并且其應(yīng)用范圍日益廣泛。
1. 2 納濾技術(shù)的分離機(jī)理
納濾類(lèi)似于反滲透和超濾,均屬于壓力驅(qū)動(dòng)的膜過(guò)程,但其傳質(zhì)機(jī)理卻有所不同。根據(jù)形式的不同,納濾模型可分為: ①基于擴(kuò)展Nernst2Planck 方程(能斯特- 普朗克方程式) 的模型,如雜化模型等; ②基于Maxwell2Stefan 傳遞方程的模型,如MS 模型; ③根據(jù)熱力學(xué)和流體力學(xué)基本概念,另外建立通量公式的模型,如溶解- 擴(kuò)散模型、細(xì)孔模型等。根據(jù)分離對(duì)象的不同,目前的納濾膜傳質(zhì)機(jī)理可分成2 類(lèi): ①當(dāng)納濾膜分離對(duì)象為非電解質(zhì)溶液時(shí),其傳質(zhì)模型不考慮電解質(zhì)與膜表面電荷的靜電作用,主要有摩擦模型、空間位阻- 孔道模型、溶解- 擴(kuò)散模型、不完全溶解- 擴(kuò)散模型和擴(kuò)散- 細(xì)孔流模型等; ②當(dāng)納濾膜的分離對(duì)象為電解質(zhì)溶液時(shí),其傳質(zhì)過(guò)程受膜表面電荷與電解質(zhì)電荷作用的影響很大,此時(shí)靜電作用不能忽略,其代表性的
傳質(zhì)模型有固定電荷模型、空間電荷模型、靜電位阻模型和雜化模型等 。
2 納濾膜分離技術(shù)用于滲濾液處理中的研究進(jìn)展
2. 1 以納濾為主的處理工藝
Trebouet 等使用納濾膜PT220 和MPT230 (Koch Weizmann 公司) ,控制操作壓力為2MPa ,錯(cuò)流速度3 m/ s ,給料流量1 400 L/ h ,溫度25 ℃,其處理效果見(jiàn)表1。此試驗(yàn)結(jié)果表明,納濾對(duì)去除COD 是有效的,去除率可達(dá)80 %,出水清潔并無(wú)色。此試驗(yàn)中的滲流通量可穩(wěn)定在60 L/ (m2·h) ,通量比反滲透的效率高,從而有可能比反滲透更適宜于滲濾液的處理。
表1 滲濾液經(jīng)納濾處理后的各項(xiàng)截留率%
|
項(xiàng)目 |
pH |
NH4-N |
SS |
Na + |
COD |
Ca2 + |
BOD5 |
Cl - |
TKN |
Fe |
|
MPT-20膜 |
- |
12 |
- |
15 |
74 |
36 |
85 |
14 |
22 |
> 99 |
|
MPT-30膜 |
- |
21 |
- |
16 |
80 |
56 |
98 |
11 |
30 |
> 99 |
Marttinen 等也提出,納濾膜對(duì)滲濾液中COD 和TOC 的去除率為52 %～66 %和60 %～66 %。Trebouet 等用納濾膜處理老化的滲濾液(BOD5/ COD < 0. 1) ,COD 的去除率為74 %～88 %。納濾膜分離技術(shù)能否有效地處理滲濾液,其關(guān)鍵在于能否有效地控制膜結(jié)垢現(xiàn)象,因?yàn)槟そY(jié)垢會(huì)極大地影響膜的通量和截留率等性能。污垢主要是由于物質(zhì)在膜表面或孔內(nèi)積累形成的,能引起納濾膜結(jié)垢的物質(zhì)主要是溶解態(tài)的有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)、膠體及懸浮物質(zhì)。膜結(jié)垢和截留機(jī)理可由表面效應(yīng)來(lái)解釋。Trebouet 等認(rèn)為,納濾處理滲濾液試驗(yàn)中膜通量下降的原因可能是溶質(zhì)在膜表面的吸附和積累、極化層的不可逆改變以及物質(zhì)沉積等因素造成的膜結(jié)垢引起的。相對(duì)分子質(zhì)量分布研究表明,對(duì)于穩(wěn)定的垃圾滲濾液COD來(lái)說(shuō),大多數(shù)化合物相對(duì)分子質(zhì)量低于1 000 ,主要是灰黃霉酸。COD 的去除率為70 %～80 %,這說(shuō)明NF 法處理“硬COD”有機(jī)物質(zhì)是很有效的。pH值調(diào)節(jié)和預(yù)處理(混凝、預(yù)過(guò)濾) 并不能提高M(jìn)PT230 膜的透過(guò)量和截留率,但滲濾液的物化法調(diào)節(jié)pH值對(duì)NF 膜的性能影響很大。pH 值降低,膜的結(jié)垢量增大,這是由于靜電效應(yīng)降低了荷負(fù)電的膜表面和高分子腐殖質(zhì)類(lèi)物質(zhì)之間的排斥作用,此時(shí),這些物質(zhì)的斥水性更強(qiáng),從而更易吸附結(jié)垢。混凝能減少腐殖質(zhì)類(lèi)物質(zhì)的量,因而減緩污垢層的形成,所以透過(guò)量提高。因此,對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行預(yù)處理,從而有效地降低納濾膜分離時(shí)的膜結(jié)垢現(xiàn)象,是納濾膜分離工藝應(yīng)該著重關(guān)注的方面。
2. 2 改進(jìn)的納濾處理工藝
根據(jù)以上的結(jié)論,陳堯等在納濾分離的基礎(chǔ)上,采用混凝+ 超濾作為預(yù)處理,從而得到更好的處理效果。首先將垃圾滲濾液采用絮凝沉淀預(yù)處理,通過(guò)投加絮凝劑,使懸浮顆粒和膠體微粒凝聚沉降,去除固體大顆粒物質(zhì)。過(guò)濾后的料液經(jīng)計(jì)算后進(jìn)入超濾部分,超濾膜能對(duì)大分子有機(jī)物、膠體、懸浮固體等進(jìn)行有效截留,保證后續(xù)工藝中的納濾膜系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地處于高通量的水平,從而保證整套膜系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性和穩(wěn)定性。根據(jù)國(guó)際上納濾技術(shù)的最新進(jìn)展,用兩級(jí)納濾系統(tǒng)代替兩級(jí)反滲透系統(tǒng),由于納濾的滲透壓低于反滲透,使?jié)饪s倍率有所提高,操作壓力大為降低。超濾透析液進(jìn)入一級(jí)納濾膜系統(tǒng),一級(jí)納濾透析液再進(jìn)入二級(jí)納濾膜系統(tǒng)進(jìn)行處理。納濾膜能截留料液中的COD、BOD5 、重金屬離子、細(xì)菌、病毒、氨氮等物質(zhì)。超濾部分濃縮液和納濾部分濃縮液可返回至原液處。經(jīng)兩級(jí)納濾以后的垃圾滲濾液COD 總?cè)コ蔬_(dá)99 %以上,氨氮總?cè)コ蔬_(dá)90 %以上,色度無(wú)色透明,出水水質(zhì)達(dá)到了國(guó)家一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。
2. 3 與其他常規(guī)處理工藝的聯(lián)合使用
將納濾膜技術(shù)與其他常規(guī)分離結(jié)合也可以得到很好的處理效果。
Chian在1976 年就提出,降低滲濾液COD 的最有效方法是反滲透(RO) 技術(shù),進(jìn)一步的研究證明,RO 膜處理滲濾液是可行的。由于RO 具有高效的截留污水中溶解態(tài)的無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物的能力,已成為國(guó)外近年來(lái)開(kāi)發(fā)污水處理新工藝中應(yīng)用最廣泛的一種方法。由于常規(guī)RO(6 MPa) 膜結(jié)垢、污染和滲透壓等原因,限制了出水回收率的提高,所以RO 常需結(jié)合高成本、高能耗的蒸發(fā)和干燥等過(guò)程處理滲濾液。為進(jìn)一步提高回收率,逐步發(fā)展起了高壓反滲透技術(shù)(HPRO) ,它可以省去后續(xù)的蒸發(fā)過(guò)程,直接將滲濾液排入干燥或固化設(shè)備,也可以直接燃燒,使運(yùn)行成本明顯降低。但是在HPRO的實(shí)際運(yùn)行中,由于膜壓緊、污染和CaSO4 結(jié)垢等因素的影響,操作壓的提高受到了限制,例如在德國(guó)的垃圾填埋場(chǎng)中,只有兩家的操作壓達(dá)到了20 MPa 。如果將RO、NF 和HPRO 聯(lián)合起來(lái)處理滲濾液,可以得到更高的出水回收率。在2. 0～4. 0 MPa 的操作壓下,NF 將RO 處理后的濃縮液分離成兩部分,截留液中主要含有二價(jià)無(wú)機(jī)物(如CaSO4) 和大部分有機(jī)物,滲透液中主要含氯化物。由于沒(méi)有了結(jié)垢的危害,滲透液可以由HPRO 繼續(xù)處理。這種組合工藝需要選擇合適的NF 膜及組件,并且對(duì)進(jìn)料流速、壓降、膜清洗方法和耐污性能等綜合因素進(jìn)行合理設(shè)計(jì),才能達(dá)到好的性?xún)r(jià)比。
Rautenbach 等開(kāi)發(fā)的BioMembrat2Plus 工藝是由生物反應(yīng)器、NF、化學(xué)氧化和吸附裝置組成,特點(diǎn)是使用了由柱塞流反硝管和全混合式槽組成的加壓生物反應(yīng)器,用UF 分離活性污泥。活性污泥生物反應(yīng)器分為好氧和厭氧兩級(jí)。好氧過(guò)程進(jìn)行氨的消化,同時(shí)進(jìn)行可生物降解有機(jī)物的降解。厭氧反應(yīng)器的作用是降低硝酸鹽的濃度。UF 裝置將活性污泥截留后送回硝化槽,對(duì)活性污泥截留率都可達(dá)到100 %,反應(yīng)器中污泥濃度可高達(dá)25 g/ L。NF 膜可以截留未生物降解的大分子有機(jī)物,對(duì)COD 的截留率可達(dá)98 %,其濃縮液大部分循環(huán)回生物反應(yīng)器,使這些組分在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間和濃度大大增加,從而增加了難降解組分的生物降解率,因此生物反應(yīng)器與NF 耦合的過(guò)程特別適用于在常規(guī)生物反應(yīng)器中因停留時(shí)間短、濃度低而難以降解的體系。
3 經(jīng)濟(jì)可行性評(píng)價(jià)
根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的幾個(gè)采用不同處理工藝的滲濾液處理廠的數(shù)據(jù)來(lái)看,當(dāng)出水水質(zhì)要求較低時(shí),一般選用生化處理方法。與氨吹脫- 厭氧復(fù)合床- SBR 工藝相比,生化- 物化組合工藝的單位水量投資、運(yùn)行成本高,經(jīng)濟(jì)效益較差(表2) 。當(dāng)出水水質(zhì)要求較高時(shí),一般選用生物- 膜處理工藝。從表2可看出,UASB - SBR - 僅滲透工藝的建設(shè)投資、運(yùn)行成本均高于氨吹脫- 厭氧復(fù)合床- SBR 工藝。與UASB -SBR - 反滲透工藝比較,MBR - 納濾組合工藝的單位水量投資較少,而運(yùn)行成本接近,這表明當(dāng)處理效果要求達(dá)到生活垃圾滲濾液排放限值一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),采用MBR - 納濾組合工藝在經(jīng)濟(jì)上是較合理的。
表2 不同處理工藝的建設(shè)投資和運(yùn)行成本
|
處理工藝 |
規(guī)模 m3/ d |
出水 標(biāo)準(zhǔn) |
建設(shè)投資 萬(wàn)元 |
單位水量投 資∥萬(wàn)元/ m3 |
運(yùn)行成本 元/ m3 |
|
生化- 物化組合工藝 |
200 |
三級(jí) |
597 |
2. 985 |
31. 83 |
|
氨吹脫- 厭氧復(fù)合床 - SBR 工藝 |
800 |
三級(jí) |
1 500 |
1. 875 |
12. 00 |
|
MBR - 納濾組合工藝 |
200 |
一級(jí) |
967 |
4. 835 |
約25 |
|
UASB - SBR - 反滲透工藝 |
500 |
一級(jí) |
6000 |
12. 000 |
約25 |
4 結(jié)語(yǔ)
納濾膜分離技術(shù)能否有效地處理滲濾液,其關(guān)鍵在于能否有效地控制膜結(jié)垢現(xiàn)象,因?yàn)槟そY(jié)垢會(huì)極大地影響膜的通量和截留率等性能。因此,如何對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行預(yù)處理,從而有效地降低納濾膜分離時(shí)的膜結(jié)垢現(xiàn)象,是納濾膜分離工藝應(yīng)該著重關(guān)注的方面。
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