軟化改性耦合超濾膜預(yù)處理垃圾滲濾液

都軍東 邱宗煉 學(xué)賢 陳福達(dá) 董正軍 方藝民

（1 光大環(huán)保（中國(guó)）有限公司 廣東深圳 518000 2 廈門嘉戎技術(shù)股份有限公司 福建廈門 361101）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民生活水平也在不斷提高。但是在這個(gè)過(guò)程中也伴生了許許多多的問(wèn)題，生活垃圾問(wèn)題便是其中一個(gè)。當(dāng)前，我國(guó)產(chǎn)生的生活垃圾以每年10%的速率增加，預(yù)計(jì)到2030 年，我國(guó)的生活垃圾總量將超過(guò)4 億t［1］。目前，我國(guó)生活垃圾的處理方式還是以衛(wèi)生填埋為主［2］。隨著時(shí)間的推移，填埋垃圾會(huì)產(chǎn)生大量滲濾液。若滲濾液無(wú)法得到合適的處理，將會(huì)對(duì)周圍的地下水、地表水和周圍環(huán)境造成嚴(yán)重危害［3］。

垃圾滲濾液指的是在垃圾堆放期間由于自然降水、地表徑流和地下水滲入垃圾堆，經(jīng)過(guò)降解和垃圾的截留作用，產(chǎn)生的一股高懸浮物濃度、高濃度有機(jī)和無(wú)機(jī)成分的廢水［4］。垃圾滲濾液會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化和缺氧，甚至?xí)＜棒~類和農(nóng)作物的生存條件，對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞［5］。

目前，針對(duì)垃圾滲濾液水質(zhì)波動(dòng)大和成分復(fù)雜的性質(zhì)，膜分離技術(shù)由于其高效的截留性能被廣泛地應(yīng)用在滲濾液的處理工藝中［6］。其中，碟管式反滲透膜（DTRO）因其特殊的結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的耐高壓和高污染的優(yōu)點(diǎn)，即便在高濁度和高鹽分的條件下也能夠運(yùn)行，其出水水質(zhì)穩(wěn)定且被成功地應(yīng)用于許多領(lǐng)域中［7-9］。但在DTRO 膜設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行中，膜表面也經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重的有機(jī)或者無(wú)機(jī)污染。為了維持膜組件的正常運(yùn)行，經(jīng)常需要對(duì)其進(jìn)行化學(xué)清洗，造成了運(yùn)營(yíng)成本的增加。因此，針對(duì)膜污染問(wèn)題，急需開發(fā)適宜的預(yù)處理方法。

軟化處理可以有效地去除廢水中的硬度，是1 種顯著減弱無(wú)機(jī)污染的方法。目前主要的軟化方法有化學(xué)沉淀法、電滲析法、離子交換法［10］。后2 種方法主要對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求高，成本較為昂貴。相對(duì)而言，化學(xué)沉淀法價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單且軟化效果也不錯(cuò)，因此更適合于滲濾液的預(yù)處理［11］。化學(xué)沉淀法中，熟石灰和片堿是2 種主要的軟化試劑，其中熟石灰軟化不僅能夠去除硬度，還具有一定的混凝效果，能夠去除部分有機(jī)物，但使用時(shí)操作繁雜并且進(jìn)水水質(zhì)對(duì)去除效果影響較大，從而導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定［12］；片堿軟化在實(shí)際過(guò)程中，操作較為簡(jiǎn)便、可控，但片堿成本較高且對(duì)有機(jī)物的去除效果較差。綜上，軟化處理之后因其出水水質(zhì)不穩(wěn)定，還應(yīng)作進(jìn)一步的處理。

超濾膜處理能夠有效地去除廢水中膠體和懸浮物質(zhì)，常作為反滲透膜的前處理方法［13］。與此同時(shí)，管式超濾膜具有流道較寬、不易受污染且易清洗的特點(diǎn)［14］，因此，相對(duì)于其他類型的超濾膜，管式超濾更適用于高濃度的廢水處理。本文采用軟化混凝+管式超濾的組合工藝對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行預(yù)處理，考察了不同軟化混凝方法和管式超濾膜對(duì)廢水的處理效果。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)工藝流程如圖1 所示。首先，原水通過(guò)潛水泵從調(diào)節(jié)池被泵入反應(yīng)罐；然后，投加實(shí)驗(yàn)藥劑進(jìn)行反應(yīng)30 min 且沉淀30 min，并將沉淀后的上清液泵入進(jìn)料罐；最后，將進(jìn)料罐的廢水泵入超濾膜組件，控制超濾參數(shù)進(jìn)行過(guò)濾，濃縮液回流至進(jìn)料罐，淡水進(jìn)入產(chǎn)水罐。本文中管式超濾膜組件由德國(guó)Memos公司提供，其材質(zhì)為聚偏氟乙烯且截留分子量為10 萬(wàn)左右，每支膜有效膜面積為0.44 m2。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

1.2 水質(zhì)分析

本文中滲濾液取自四川某垃圾填埋場(chǎng)，其主要的水質(zhì)指標(biāo)如表1 所示，可以看出該填埋場(chǎng)滲濾液有機(jī)物濃度較高而硬度較低，因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中衡量處理效果時(shí)以COD 去除率為主，硬度次之。

表1 原水水質(zhì)表

1.3 分析方法

COD 檢測(cè)采用重鉻酸鉀法（GB 11914—89）；氨氮檢測(cè)采用納氏試劑法（HJ 535—2009）；鈣鎂離子和總硬度檢測(cè)采用EDTA 滴定法（GBT 7477—87）；pH 檢測(cè)采用pH 計(jì)（雷磁DDS-11A）。

2 結(jié)果與討論

2.1 軟化混凝效果

熟石灰和片堿是2 種常用的除硬藥劑，同時(shí)2 種藥劑還具有不同程度的混凝效果。分別采用熟石灰和片堿溶液對(duì)原水進(jìn)行軟化和混凝，比較兩者的去除效果，進(jìn)而選出更為合適的預(yù)處理藥劑。

（1）熟石灰處理效果。投加10.0 %熟石灰溶液，分別調(diào)節(jié)原水pH 至8.5、9.0、9.5、10.0 和10.5。不同pH 條件下原水水質(zhì)各指標(biāo)的去除率如表2 所示。

表2 不同pH 條件下原水水質(zhì)各指標(biāo)的去除率（投加熟石灰）（%）

可以發(fā)現(xiàn)，隨著pH 的上升，原水中的COD、氨氮和總堿度的去除率也呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。此外，鈣、鎂硬度和總硬度去除率隨著pH 的上升則出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且當(dāng)pH 為10.0 時(shí)3 個(gè)指標(biāo)去除率達(dá)到最大，分別為77.8%、71.4%和75.0%。因此，當(dāng)使用熟石灰作為軟化混凝藥劑時(shí)，宜將pH 調(diào)節(jié)至10.0。

（2）片堿處理效果。投加30.0%片堿溶液，分別調(diào)節(jié)原水pH 至8.5、9.0、9.5、10.0 和10.5。不同pH 條件下原水水質(zhì)各指標(biāo)的去除率如表3 所示。

表3 不同pH 條件下原水水質(zhì)各指標(biāo)的去除率（投加片堿）（%）

由表3 可知，通過(guò)片堿調(diào)節(jié)廢水pH 時(shí)確實(shí)能夠降低廢水中的COD、氨氮、鈣鎂硬度和總硬度等濃度，但去除效果相對(duì)不明顯，最佳的去除效果出現(xiàn)在pH 為10.5 時(shí)，此時(shí)COD、氨氮、鈣鎂硬度和總硬度去除率分別為19.0%、23.3%、11.6%、14.3%和12.5%。

綜上可知，使用片堿作為軟化混凝藥劑，對(duì)廢水中的污染指標(biāo)去除效果比較差。因此，相對(duì)而言，熟石灰是1 種更加合適的軟化藥劑。

2.2 超濾處理效果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，選用熟石灰作為預(yù)處理藥劑，同時(shí)通過(guò)熟石灰調(diào)節(jié)廢水pH 至10.0。軟化混凝之后沉淀30 min，取上清液進(jìn)行超濾處理。超濾過(guò)程中，調(diào)節(jié)進(jìn)水壓力為0.3 MPa，入膜流量為16.0 m3/h。超濾膜通量和運(yùn)行時(shí)間、濃縮倍數(shù)的關(guān)系分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 超濾膜通量與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系

圖3 不同濃縮倍數(shù)超濾膜通量變化趨勢(shì)

由圖2 可知，經(jīng)過(guò)預(yù)處理過(guò)后，超濾膜通量保持在較高的水平。在不濃縮的條件下，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到10 h 時(shí)，超濾膜通量還能維持在100 L/（m2·h）以上，這說(shuō)明預(yù)處理能夠改善超濾膜污染現(xiàn)象。其次，如圖3 所示，隨著濃縮倍數(shù)的增加，超濾膜通量也在不斷降低，并且當(dāng)濃縮倍數(shù)大于4 時(shí)，其超濾膜通量小于50 L/（m2·h），過(guò)低的膜通量會(huì)增加運(yùn)行成本，因此適宜的濃縮倍數(shù)為2 倍～4 倍之間。

最后，對(duì)超濾淡水的水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，其水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果如表4 所示。可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理+管式超濾處理之后，淡水相對(duì)于原水，其COD、氨氮、鈣鎂硬度、總硬度和總堿度都出現(xiàn)了不同程度的下降。其中COD 去除率達(dá)到了46.9%，鈣鎂硬度和總硬度出現(xiàn)明顯下降，其去除率分別為77.3%、71.4%和73.3%。

表4 超濾膜淡水水質(zhì)及去除效果

3 結(jié)論

在本文中，軟化混凝+管式超濾預(yù)處理工藝被應(yīng)用在垃圾滲濾液的處理中，其中主要的結(jié)論如下：

（1）片堿的軟化混凝效果較差，最佳的去除效果出現(xiàn)在pH 為10.5 時(shí)。此時(shí)COD、氨氮、鈣鎂硬度和總硬度去除率分別為19.0 %、23.3 %、11.6 %、14.3 %和12.5 %。

（2）熟石灰對(duì)原水能夠起到較好的軟化混凝效果。當(dāng)原水pH 的上升，鈣鎂硬度和總硬度去除率隨著pH 的上升則出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且當(dāng)pH 為10.0 時(shí)3 個(gè)指標(biāo)去除率達(dá)到最大，分別為77.8%、71.4%和75.0%。此時(shí)原水COD、氨氮和總堿度的去除率分別為16.8 %、15.2 %和25.0 %。

（3）預(yù)處理+管式超濾處理之后，淡水相對(duì)于原水其COD、氨氮、鈣鎂硬度、總硬度和總堿度都出現(xiàn)了不同程度的下降。其中COD 去除率達(dá)到了46.9%，鈣鎂硬度和總硬度出現(xiàn)明顯下降，其去除率分別為77.3%、71.4%和73.3%，能夠有效地降低后續(xù)DTRO 膜濃縮過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)和無(wú)機(jī)污染。