陶瓷微滤+两级反渗透处理垃圾渗滤液的研究

陶瓷微滤+两级反渗透处理垃圾渗滤液的研究

《生活垃圾填埋污染控制标准》（gb1689-2008）的实施对处理垃圾中的废水和滤液提出了更高的要求，传统的生理工艺难以标准化。与生化法相比,膜分离技术在垃圾渗滤液处理方面具有不受原水可生化性影响、出水水质稳定和占地面积小等优点。以反渗透为主的垃圾渗滤液膜处理工艺已在国外广泛应用。早在1977年Chian就提出用RO处理垃圾渗滤液,用来解决垃圾场运行中后期渗滤液可生化性差、出水不能稳定达标这一问题。后来,陆续有学者在RO处理垃圾渗滤液方面作了不少研究。Angelo等采用RO对Pietramelina垃圾填埋场渗滤液进行了中试,试验表明,COD去除率达98%。国内膜技术处理垃圾渗滤液的研究起步比国外晚,但近年来也陆续开展了膜处理垃圾渗滤液的相关研究,北京、上海、重庆等城市也已将膜工艺实际应用于垃圾渗滤液的处理,并取得了较好的处理效果。我国目前仍以生物法为主,后续膜处理工艺。陶瓷膜是以无机陶瓷材料经特殊工艺制备而成,膜孔结构呈外密内疏的非对称性,具有化学稳定性好,能耐酸、耐碱、耐有机溶剂,机械强度大,可反向冲洗,抗微生物能力强,耐高温等特点。超低压反渗透膜是近几年迅速发展起来的一项膜技术,是在纳滤的基础上发展起来的。纳滤膜克服了反渗透膜运行压力高的缺点,但脱盐率较低,所以不能用于除盐。超低压反渗透膜改进了纳滤膜的表面材质和组成结构,提高了膜的性能,克服了反渗透和纳滤的缺点,不仅可以在较低的压力下实现对苦咸水的脱盐,还可用于地表水和一些特殊废水的处理,而且产水量大、抗污染能力和抗微生物冲击的能力强、机械强度好、耐温、性能稳定。本文针对枯水季节渗滤液氨氮浓度高,可生化性差的特点,脱离传统生物处理工艺,综合陶瓷膜与超低压反渗透膜的特性,采用“多孔陶瓷微滤+两级反渗透”工艺处理垃圾渗滤液。分别考行时间的关系以及整个工艺的出水效果。为了保察多孔陶瓷微滤膜、一级反渗透和二级反渗透对渗滤液COD、NH3-N、电导率及相应去除率与运证整个工艺的出水效果及运行稳定性,还重点考察了一级反渗透系统回收率控制及清洗周期和方法。1实验部分1.1调节池稳定塘实验用原液取自广西南宁市城南生活垃圾卫生填埋场渗滤液调节池,渗滤液在调节池(稳定塘)中自然降解40~60d,水样呈棕褐色,有刺激性氨味,pH:7.50~8.50,COD:1500~3900mg/L,NH3-N:1300~2000mg/L,电导率:10~20ms/cm。1.2超低压反渗透实验采用W-UF-VI混装实验超滤系统,试验系统由多孔陶瓷微滤膜装置、一级反渗透装置和二级反渗透装置三个处理单元组成。采用19孔道无机陶瓷膜,微孔孔径0.22μm,单只膜有效面积0.23m2。反渗透采用武汉市协力过滤技术有限公司生产的超低压复合反渗透半透膜,膜截留分子量100以下,孔径约为0.5nm,单只膜管有效面积0.3m2。超低压反渗透的压力运行范围在纳滤的运行范围内,即在反渗透和超滤之间:0.2~1.0MPa。实验装置如图1所示垃圾渗滤液经稳定塘自然降解40~60d后,通过污水泵(2)提升至渗滤液贮槽(3)中,打开进液阀,依次流经多孔陶瓷微滤膜装置、一级反渗透装置和二级反渗透装置,最后达标排放。陶瓷微滤系统出水为一级反渗透系统进水;一级反渗透系统出水为二级反渗透系统进水。其中循环液贮(6)(18)(30)槽容积30L,各处理单元通过循环管流量调节阀(12)(24)(36)控制系统操作压力(9)(21)(33),温度控制器(5)(17)(29)控制温度。在恒定操作压力和温度条件下,若陶瓷微滤系统运行120min,则停止操作进行系统再生清洗。若反渗透处理单元的进水电导率大于18ms/cm,清液回收率在65%~70%,则停止操作进行系统再生清洗。打开浓缩液排放阀Ⅰ(7)和排放阀Ⅱ(19),将浓缩液送至回灌处理。二级反渗透的浓缩液排放阀Ⅲ(31)送回稳定塘(1)。1.3时间、条件、试剂、仪器pH采用玻璃电极法;COD采用微波快速消解法;NH3-N采用纳氏试剂比色分光光度法;电导率采用电导率仪测定:雷磁DDSJ-308A型电导率仪。1.4操作压力及频率试验过程中各系统工作条件:陶瓷微滤膜预处理系统操作压力:0.2~0.3MPa,泵频率:30~40Hz;一级、二级反渗透系统操作压力:0.8~0.9MPa,泵频率:40~50Hz。1.4.1陶瓷微滤膜与反渗透膜的工作原理如图1所示,垃圾渗滤液经稳定塘自然降解后,通过污水泵提升至渗滤液贮槽中,打开进液阀Ⅰ后自流到循环液贮槽Ⅰ,在变频循环泵Ⅰ的驱动下进入多孔陶瓷微滤膜管以错流方式进行动态过滤,滤浓液经循环管在陶瓷微滤膜系统不断循环,滤清液进入一级反渗透系统滤液贮槽Ⅰ。1.4.2级反渗透膜管动态滤清液和滤液贮槽如图1所示,打开进液阀Ⅱ后自流到循环液贮槽Ⅱ,在变频循环泵Ⅱ的驱动下进入一级反渗透膜管进行动态过滤,滤浓液经循环管在一级反渗透膜系统不断循环,滤清液进入一级管式反渗透系统滤液贮槽Ⅱ。1.4.3级反渗透膜管动态过滤如图1所示,打开进液阀Ⅲ后自流到循环液贮槽Ⅲ,在变频循环泵Ⅲ的驱动下进入二级反渗透膜管进行动态过滤,滤浓液经循环管在二级反渗透膜系统不断循环,滤清液则可达标排放。1.5反渗透膜清洗处理反渗透膜清洗过程:反渗透清洗前,先用蒸馏水在水温30℃,压力0.9MPa,频率47Hz条件下的测量膜通量。清洗时,首先进行水洗,用蒸馏水无压高速水流冲洗30min,使膜表面污染物随高流速水冲走;调整运行参数为压力0.9MPa,频率47Hz,循环水洗30min,使膜内部污染物得以清洗。再进行酸/碱洗,调整泵流量,将NaOH(0.1%)或HCl(0.1%)的清洗液以低流速,低压力进入反渗透系统将原水置换(低流速,低压力以防清洗液稀释)。维持水温<40℃,压力0.9MPa,频率47Hz,使清洗液在系统中循环冲洗1h。酸/碱洗之后用蒸馏水冲洗至滤出液出水为中性,在30℃压力0.9MPa,频率47Hz,测定通量恢复情况。2结果与讨论2.1有机污染物的去除效果陶瓷膜微滤处理过程COD、NH3-N、电导率及相应去除率与运行时间的关系如图2所示。由图2可知,COD、NH3-N有一定下降,表明渗滤液中有机污染物去除效果良好。经过陶瓷微滤预处理后,出水的COD、NH3-N去除率、脱盐率分别维持在50.3%、30.2%、30.1%以上。出水能达到反渗透膜进水要求并能有效提高反渗透系统的水回收率。陶瓷微滤预处理系统需定时清洗,清洗周期为120min,采用碱洗+酸洗的联合清洗方法膜通量可恢复到新膜渗透通量的94%。2.2渗滤液中有机污染物的变化一级反渗透处理过程COD、NH3-N、电导率及相应去除率与运行时间的关系如图3所示。由图3可知,COD、NH3-N的显著下降,表明渗滤液中有机污染物已被大量去除。经过一级反渗透处理后,出水的COD、NH3-N去除率、脱盐率分别维持在94.8%、91.3%、81.6%以上。2.3级反渗透处理效果二级反渗透处理过程COD、NH3-N、电导率及相应去除率与运行时间的关系如图4所示。电导率可间接反映渗滤液中的重金属离子含量。由图4可知,电导率的显著降低,说明二级反渗透能有效截留滤液中的重金属离子。经过二级反渗透处理后,出水的COD、NH3-N去除率、脱盐率分别维持在80.1%、81.3%、85.1%以上。“多孔陶瓷微滤+两级反渗透”工艺处理垃圾渗滤液出水的COD<30mg/L,NH3-N<25mg/L,电导率<180μm/cm,经过两级反渗透系统后,对COD去除率大于99%,NH3-N和TP去除率大于98%,总铬和六价铬去除率大于99.9%,重金属离子去除率均大于99%,且具有很高且稳定的脱盐率,各项指标满足《生活垃圾填埋污染控制标准》(GB16889-2008),具体去除效果列于表1。2.4清洗系统的运行及效果反渗透系统在运行一段时间后,由于膜污染要进行清洗,尤其是一级反渗透系统,虽然经过陶瓷微滤预处理,但其进水有机污染物及重金属离子的含量依然很高。因此,及时清洗,防止膜污染,是保证出水效果的重要措施。回收率是表征处理垃圾渗滤液量的指标,若回收率过低,就会说明处理效率低;若提高回收率,会使反渗透系统提供的压力增加,设备投资和运行费用都将大幅度上升。回收率是反渗透系统中的一项重要指标,系统的回收率定义为透过液的体积除以原液体积,回收率是反渗透技术中的重要指标,计算公式为:式中,Y为回收率;Qp为透过液流量;Q为进水量。如图5~8所示:一级反渗透系统的脱盐率、COD去除率,膜通量随运行时间增加而降低,在开始的400min,脱盐率从88.0%下降到69.4%;COD去除率从94.6%下降到89.3%;膜通量从13.1L/(m2·h)下降到2.6L/(m2·h),此时系统的回收率为70%左右。继续运行,脱盐率和膜通量变化不大,但是COD去除率在短短的100min内从89.3%快速下降到76.0%,此时,回收率增加缓慢,出水水质恶化,水量减少,脱盐率稳定。这是由于,随运行时间的增加,反渗透膜污染越严重。反渗透装置经长期运行,处理的料液中的溶质分子会与膜发生物理化学作用而引起在膜表面或膜孔内的吸附或沉积,从而使膜孔径变小或堵塞。膜上污染物质的沉淀与积累使水透过膜的阻力增加,阻碍了膜面上的溶解扩散,占据了盐水通道空间,限制了组件中的水流流动,随着浓缩过程的进行,循环液含盐量逐渐增加,最终可提高至原水的3~5倍,系统的渗透压也不断提高,系统施加给膜的有效压力大大降低,膜的水通量随之降低。此时浓差极化明显,也导致了系统出现脱盐率、COD去除率下降的问题。综上所述,为保证出水水质水量,降低处理成本,此装置的清洗周期为400min,回收率控制在65%~70%。因为小型实验装置提供的有效压力有限,加之实际工程中会有原液不断供给,会减缓循环液贮槽中渗滤液的浓缩,因此实际工程中,回收率会有一定程度的提高,膜污染周期会延长,膜通量的衰减也会大大减缓。此套系统设计运用在实际工程中效果会更加明显。由于垃圾渗滤液成分复杂,污染物浓度高,反渗透系统长期运行,在膜上浓水侧会积累水垢、有机物、胶体、金属氧化物和细菌等物质,造成膜污染,因此污染膜必须及时清洗。清洗效果如图9,碱洗+酸洗>酸洗+碱洗>水洗。酸清洗剂主要溶解膜表面和膜孔内沉积的难溶的无机盐,碱清洗剂的作用是清洗造成膜污染的有机物。实验结果表明,先碱洗后酸洗的方法联合使用更有利于膜通量的恢复,说明虽然膜面污染层中有机物和无机物之间存在一种协同作用,但有机物的作用更大,在污染膜的清洗过程中,碱洗的作用表现得较突出,以至于去除了有机物,膜表面的污染显著减少,清洗基本上达到满意的效果,而且进一步的清洗也变得容易进行。膜通量可恢复到新膜渗透通量的95%左右,说明清洗方法是可行的。3级反渗透效果(1)经过陶瓷微滤预处理后,出水的COD、NH3-N去除率、脱盐率分别维持在50.3%、30.2%、30.1%以上。出水能达到反渗透膜进水要求并能有效提高反渗透系统的水回收率。(2)经过一级反渗透处理后,出水的COD、NH3-N去除率、脱盐率分别维持在94.8%、91.3%、81.6%以上。表明渗滤液中有机污染物已被大量去除。(3)经过二级反渗透处理后,出水的COD、NH3-N去除率