國(guó)內(nèi)膜技術(shù)處理垃圾滲濾液的研究起步比國(guó)外晚, 但近年來(lái)也陸續(xù)開(kāi)展了膜處理垃圾滲濾液的相關(guān)研究, 北京、上海和重慶等城市也已將膜工藝實(shí)際應(yīng)用于垃圾滲濾液的處理, 并取得了較好的處理效果[ 7] 。我國(guó)目前以生物法為主, 后續(xù)膜分離技術(shù),不僅達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn), 還可以部分回用[ 8] 。然而, 反滲透膜需要很高的運(yùn)行壓力, 運(yùn)行費(fèi)用較高, 膜污染較為嚴(yán)重, 限制了反滲透技術(shù)的應(yīng)用。膜工藝條件的選擇與優(yōu)化, 直接影響膜分離技術(shù)在垃圾滲濾液處理領(lǐng)域中應(yīng)用。
超低壓反滲透膜是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)膜技術(shù), 是在納濾的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。納濾膜克服了反滲透膜運(yùn)行壓力高的缺點(diǎn), 但脫鹽率較低, 所以不能用于除鹽。超低壓反滲透膜改進(jìn)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(diǎn), 不僅可以在較低的壓力下實(shí)現(xiàn)對(duì)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(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度好、耐溫、性能穩(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)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(duì)膜工藝條件進(jìn)行選擇與優(yōu)化, 為膜分離技術(shù)在垃圾滲濾液處理領(lǐng)域中應(yīng)用提供運(yùn)行依據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)水樣
實(shí)驗(yàn)用滲濾液取自廣西南寧市城南生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)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(dǎo)率10 ～ 20 mS/cm。為滿足反滲透進(jìn)水要求, 滲濾液需經(jīng)無(wú)機(jī)陶瓷微濾膜預(yù)處理, 微濾預(yù)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(dǎo)率7 ～ 13 mS/cm。
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置
超低壓反滲透膜實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。本裝置為BTD-UF-VI混裝實(shí)驗(yàn)超濾系統(tǒng), 在容積為30 L的貯槽內(nèi), 垃圾滲濾液通過(guò)溫度控制器保持30 ℃ 恒溫,通過(guò)循環(huán)泵, 經(jīng)止回閥、壓力表, 自下而上進(jìn)入反滲透膜管, 以動(dòng)態(tài)過(guò)濾方式完成膜過(guò)程。濾出清液經(jīng)取樣閥流入濾出液計(jì)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(shí)現(xiàn)水流量平滑地?zé)o級(jí)調(diào)節(jié), 避免水泵長(zhǎng)期滿負(fù)荷工作。采用超低壓復(fù)合反滲透半透膜,膜截留分子量100 以下, 孔徑約為0.5 nm, 單只膜管有效面積0.3 m2 。超低壓反滲透的壓力運(yùn)行范圍在納濾的運(yùn)行范圍內(nèi), 即在反滲透和超濾之間:0.2 ～ 1.0 MPa。
1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析方法
單位時(shí)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(shí)驗(yàn)水樣可用0.1%NaOH和0.1%HCl溶液調(diào)節(jié)pH值。在設(shè)定的操作壓力、溫度和泵頻率條件下進(jìn)行處理, 穩(wěn)定運(yùn)行10min后測(cè)定膜通量等相關(guān)數(shù)據(jù)。電導(dǎo)率反應(yīng)溶液含鹽量, 系統(tǒng)脫鹽率是反滲透系統(tǒng)對(duì)鹽的整體脫除率。在實(shí)際運(yùn)行中, 常用電導(dǎo)率近似估算系統(tǒng)脫鹽率, 具體計(jì)算方法見(jiàn)式(1)
式中:
P———系統(tǒng)脫鹽率(%);
Ep———出水電導(dǎo)率(mS/cm);
Ec———進(jìn)水電導(dǎo)率(mS/cm)。
通過(guò)測(cè)定電導(dǎo)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(dǎo)率用電導(dǎo)率儀測(cè)定。膜通量通過(guò)濾出液計(jì)量槽測(cè)定、泵頻通過(guò)頻率調(diào)節(jié)器顯示讀數(shù)測(cè)定。
2 結(jié)果與討論
2.1 泵的輸出頻率對(duì)膜通量的影響
膜通量與輸出頻率的關(guān)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(duì)應(yīng)的輸出頻率。如操作壓力為0.8 MPa時(shí), 44 Hz輸出頻率對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)輸出頻率為41 Hz;操作壓力為0.9 MPa的最大膜通量對(duì)應(yīng)輸出頻率為47Hz。這是因?yàn)檩^大的切線流速有利于松動(dòng)和帶走沉積在膜表面的微粒、溶質(zhì), 濃差極化的影響同時(shí)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(shì)必會(huì)導(dǎo)致膜兩側(cè)的壓差降低, 同時(shí)過(guò)大的通量也易引起與膜孔徑尺寸相當(dāng)或略大的微粒堵塞膜孔, 所以導(dǎo)致通量下降。因此, 不同的操作壓力對(duì)應(yīng)不同的頻率, 才能更好地提高膜工作效率。運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù), 可實(shí)時(shí)解決操作壓力與泵送流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 確定最佳流量參數(shù), 提高反滲透系統(tǒng)運(yùn)行效率。
2.2 系統(tǒng)操作壓力對(duì)反滲透膜的影響
膜通量、脫鹽率與壓力的變化關(guān)系如圖3所示,由圖3可知, 壓力從0.6 MPa升高到1.0 MPa時(shí), 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(shí), 膜通量呈直線上升趨勢(shì);但當(dāng)壓力>0.8 MPa時(shí), 膜通量上升的趨勢(shì)開(kāi)始變緩。這主要是因?yàn)? 在壓力較低時(shí), 濃差極化現(xiàn)象不明顯, 濃差極化是膜分離過(guò)程中的一種現(xiàn)象, 會(huì)降低透水率, 是一個(gè)可逆過(guò)程。是指由于水透過(guò)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(kuò)散, 在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí), 膜表面形成一個(gè)溶質(zhì)濃度分布邊界層, 它對(duì)水的透過(guò)起著阻礙作用。此時(shí)阻礙滲濾液通過(guò)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(dǎo)致膜通量增長(zhǎng)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(jìn)水壓力升高使得驅(qū)動(dòng)反滲透的凈壓力升高, 使得產(chǎn)水量加大, 同時(shí)鹽通過(guò)量幾乎不變, 透過(guò)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(méi)變化, 一直維持在87%左右, 這是由于進(jìn)水壓力超過(guò)一定值時(shí), 逐漸加大了濃差極化, 又會(huì)導(dǎo)致鹽透過(guò)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(yùn)行時(shí)間的變化關(guān)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(shuō)明膜污染越快, 膜壽命越低。
考慮到當(dāng)壓力>0.8 MPa時(shí), 系統(tǒng)脫鹽率幾乎沒(méi)有變化, 且膜通量的增加趨勢(shì)開(kāi)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(duì)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(guān)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(dá)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?yàn)樗械腘H+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(dòng), 使NH+4 轉(zhuǎn)化為NH3從水中逸出, 從而導(dǎo)致NH3 -N去除率提高。
由圖5 可知, 進(jìn)水pH對(duì)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(shí)以氣態(tài)CO2形式存在, 由于膜允許CO2自由通過(guò)[ 10] ,所以pH低時(shí)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(dá)到最高值87.8%。
雖然復(fù)合膜運(yùn)行pH值可在2 ～ 11 間, 但pH>8.5時(shí), COD和NH3 -N去除率、脫鹽率都有所降低。這是由于, 過(guò)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(shí)膜通量下降較為明顯。
由于pH>8.5時(shí), 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(dá)到最高值87.8%;膜通量隨著pH值的增加而降低。進(jìn)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(jìn)水垃圾滲濾液適宜pH值范圍應(yīng)為7.5 ～ 8.5。
2.4 進(jìn)水鹽濃度(電導(dǎo)率)對(duì)反滲透膜的影響
膜通量、脫鹽率與進(jìn)水電導(dǎo)率的變化關(guān)系如圖6 所示, 由圖6可知, 膜通量和脫鹽率隨進(jìn)水電導(dǎo)率的增加而降低, 當(dāng)進(jìn)水電導(dǎo)率從12 mS/cm增加到18 mS/cm時(shí), 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(dāng)進(jìn)水電導(dǎo)率繼續(xù)增加, 膜通量和脫鹽率開(kāi)始快速下降, 當(dāng)電導(dǎo)率增加到23 mS/cm時(shí), 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(jī)物濃度的函數(shù)是滲透壓, 含鹽量越高滲透壓也增加, 進(jìn)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(jìn)水含鹽量越高, 濃度差也越大, 透鹽率上升, 從而導(dǎo)致脫鹽率下降。
由于當(dāng)進(jìn)水電導(dǎo)率>18 mS/cm時(shí), 系統(tǒng)脫鹽率和膜通量下降速度很快, 所以說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)水電導(dǎo)率應(yīng)≤18 mS/cm。
3 結(jié) 論
(1)不同壓力條件下對(duì)應(yīng)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(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù), 可實(shí)時(shí)解決操作壓力與泵送流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 確定最佳流量參數(shù), 提高反滲透系統(tǒng)運(yùn)行效率。
(2)膜通量和脫鹽率隨壓力增大而增大, 但其增長(zhǎng)速度減緩, 適宜的操作壓力可選擇0.8 ～ 0.9MPa。
(3)pH值改變對(duì)COD去除率、脫鹽率影響很小。pH增加時(shí), 膜通量降低。進(jìn)水垃圾滲濾液適宜pH值范圍應(yīng)為7.5 ～ 8.5。
(4)膜通量和脫鹽率隨進(jìn)水電導(dǎo)率的增加而降低, 因此應(yīng)控制進(jìn)水電導(dǎo)率≤18 mS/cm。
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