正滲透工藝處理垃圾滲濾液DTRO膜濃縮液應(yīng)用實例

李方玉

（遼寧北方環(huán)境保護(hù)有限公司，遼寧沈陽 110034）

1 引言

垃圾滲濾液采用膜過濾處理的過程中，滲濾液中的大部分污染物通過物理過程轉(zhuǎn)移富集于濃縮液中，并沒有實現(xiàn)徹底的去除［1-2］。濃縮液大部分呈棕黑色，色度大，濁度、COD及電導(dǎo)率高，鹽含量較高，且含有大量的金屬離子，如何有效地解決垃圾滲濾液經(jīng)膜處理后產(chǎn)生的膜濃縮液處理問題，是滲濾液處理達(dá)標(biāo)排放、滿足生活垃圾衛(wèi)生填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)關(guān)鍵和難點［3］。采用正滲透工藝對垃圾滲濾液膜處理過程中膜濃縮液進(jìn)行再濃縮，通過工程實例分析，為今后沈陽市乃至遼寧省垃圾滲濾液處理工程提供參考和借鑒［4-5］。

2 工程概況

工程采用“預(yù)處理＋兩級DTRO＋離子交換”和“濃縮液浸沒式蒸發(fā)”的復(fù)合式工藝，設(shè)計出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)［6］。浸沒式蒸發(fā)工藝處理膜濃縮液，在運行過程中受高濃度COD等有機物影響，產(chǎn)物為70%～90%含水率的高濃縮比廢液，同時具有高能耗、成本高及蒸發(fā)過程中臭氣二次污染等缺點，因此采用正滲透工藝對膜濃縮液進(jìn)行再濃縮，減少進(jìn)入末端浸沒式蒸發(fā)工藝的濃縮液總量，從而降低成本［7-9］。

3 工藝設(shè)計

3.1 水質(zhì)水量

設(shè)計處理規(guī)模為12 m3/d（以產(chǎn)水計），設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)主要指標(biāo)見表1。

表1 進(jìn)水水質(zhì)設(shè)計指標(biāo)

設(shè)計出水水質(zhì)主要指標(biāo)見表2。設(shè)計出水水質(zhì)要求達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)。

表2 出水水質(zhì)設(shè)計指標(biāo) mg/L

3.2 工藝流程

依次通過石灰反應(yīng)池、PAM反應(yīng)池、斜管沉淀池、PCF過濾器以及保安過濾器去除垃圾滲濾液中的懸浮物和大顆粒污染物，預(yù)處理系統(tǒng)出水經(jīng)增壓泵進(jìn)入兩級DTRO系統(tǒng)和離子交換系統(tǒng)，合格產(chǎn)水外排。濃縮液處理包括正滲透和浸沒式蒸發(fā)兩個過程：濃縮液進(jìn)入正滲透系統(tǒng)進(jìn)行再濃縮，合格產(chǎn)水外排；超濃縮液進(jìn)入浸沒式蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行處理。

正滲透處理主要工藝流程如圖1所示。正滲透系統(tǒng)為3段式設(shè)計，包含F(xiàn)O膜原件、廢水進(jìn)水增壓泵、廢水進(jìn)水過濾器、汲取液進(jìn)水增壓泵、汲取液進(jìn)水過濾器、廢水循環(huán)泵、汲取液循環(huán)泵、進(jìn)水加藥裝置以及汲取液回收系統(tǒng)。廢水首先進(jìn)入FO進(jìn)行深度濃縮，濃縮的廢水從FO系統(tǒng)第3階段排出，汲取液（NaCl）以逆流方式進(jìn)入系統(tǒng)，即在第3階段開始進(jìn)入系統(tǒng)并在第1階段流出。稀釋汲取液進(jìn)入HBCR系統(tǒng)處理回收。

圖1 正滲透處理工藝流程

3.3 主要設(shè)備參數(shù)

3.3.1 正滲透膜參數(shù)

正滲透膜主要參數(shù)及規(guī)格見表3。

表3 膜參數(shù)及規(guī)格

3.3.2 主要設(shè)備參數(shù)

主要設(shè)備參數(shù)見表4。

表4 主要設(shè)備參數(shù)

4 運行效果分析

正滲透處理DTRO膜濃縮液的過程中，運行效果不僅與膜材料和膜結(jié)構(gòu)相關(guān)，還與運行過程中的操作條件密切相關(guān)。以垃圾滲濾液DTRO膜濃縮液為實驗用水，氯化鈉為汲取液，分別研究了操作溫度、pH、原水流量、汲取液濃度對正滲透減量處理DTRO膜濃縮液的影響，以確定最佳運行工況。

4.1 溫度的影響

溫度不僅對溶液的物理性質(zhì)（密度、滲透壓、擴散系數(shù)、黏度）有十分重要的影響，而且是影響能耗高低的重要因素。實驗條件：進(jìn)水為DTRO膜濃縮液，pH為5.0，汲取液為10%氯化鈉溶液，膜濃縮液在膜表面流量為25 m3/h，溫度分別取30，32，34，36，38，40，42℃。膜通量變化情況如圖2所示。

圖2 溫度對膜通量的影響

由圖2可知，當(dāng)溫度緩慢上升，膜通量有明顯的上升趨勢。當(dāng)溫度為30℃時膜通量為1.19 L/（m2·h），溫度為40℃時膜通量為1.67 L/（m2·h），較20℃時提升了0.48 L/（m2·h），這是因為溫度升高，增加了水的傳質(zhì)能力，提高了水的傳質(zhì)系數(shù)，有利于提高膜的滲透性能，故膜通量增高。當(dāng)溫度為42℃時膜通量為1.68 L/（m2·h），較40℃時的膜通量相差不明顯，同時升高溫度提高了溶液中鹽的擴散系數(shù)，膜的截留性能會稍微下降。

表5為不同溫度條件下正滲透系統(tǒng)回收率及對DTRO膜濃縮液再濃縮的效果。由表5可以看出，溫度升高時系統(tǒng)回收率和濃縮倍率均有所提高，但當(dāng)溫度高于40℃時，系統(tǒng)回收率和濃縮倍率提高不明顯。

表5 溫度對系統(tǒng)回收率及濃縮倍率的影響

從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，溫度對于正滲透的工藝性能有著復(fù)雜影響。一方面，溫度升高有利于膜通量的提高；另一方面，溫度也不易過高，超過40℃時，膜通量、系統(tǒng)回收率及濃縮倍率變化不明顯，據(jù)此，確定后續(xù)工況最佳溫度為40℃。

4.2 pH的影響

實驗條件：進(jìn)水為DTRO膜濃縮液，溫度為40℃，汲取液為10%氯化鈉溶液，膜濃縮液在膜表面流量為25 m3/h，進(jìn)水pH分別取3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.5，7.0。圖3為不同進(jìn)水pH時膜通量的變化情況。

圖3 進(jìn)水pH對膜通量的影響

從圖3可見，進(jìn)水pH對膜通量影響不明顯。當(dāng)pH為中性時（pH 6～7），膜通量有小幅度下降趨勢。進(jìn)水pH對溶液中有機物、膜表面的電荷特性均有一定影響，從而影響污染物在膜表面的結(jié)垢或結(jié)晶行為。通常溶液中的有機物、膠體物質(zhì)容易帶有負(fù)電荷，調(diào)整pH至酸性后，這類物質(zhì)的電荷趨于中性，不容易在膜表面附著。pH為酸性時，活性層側(cè)膜表面的H＋濃度越高，越有利于抑制膜表面CaCO3等的結(jié)垢，從而在一定時間內(nèi)維持膜通量。

不同pH下系統(tǒng)的回收率及濃縮倍率見表6。由表6可見，進(jìn)水pH對正滲透工藝性能影響不大，但就長期運行而言，進(jìn)水pH宜維持在6.0左右。

表6 pH對系統(tǒng)回收率及濃縮倍率的影響

4.3 膜面流量的影響

實驗條件：進(jìn)水為DTRO膜濃縮液，溫度為40℃，pH為6.0，汲取液為10%氯化鈉溶液，膜面流量分別取15，20，25，30，35，40 m3/h。圖4為不同膜面流量條件下膜通量的變化情況。

圖4 膜面流量對膜通量的影響

由圖4可以看出，隨著膜面流量的增加，膜通量先增大后減小。這是由于增大膜面流量，膜面流速進(jìn)而增大，即增加了膜表面的湍流流速，減小了膜表面的濃差極化，故膜通量增大；但是由于流速過大，又降低了膜兩側(cè)的滲透壓差，降低了膜的滲透推動力，導(dǎo)致膜通量有下降趨勢。

不同膜面流量條件下系統(tǒng)的回收率及濃縮倍率見表7。由表7可知，當(dāng)膜面流量為30 m3/h時，系統(tǒng)回收率和濃縮倍率最高，分別為45.36%和1.83。

表7 膜面流量對系統(tǒng)回收率及濃縮倍率的影響

綜上所述，最佳膜面流量為30 m3/h，此時，濃差極化的作用已降至很低，膜通量較高。若膜面流量過高，不但會降低滲透壓差，還可能導(dǎo)致驅(qū)動流體循環(huán)的泵消耗的能量過高。

4.4 汲取液濃度的影響

實驗條件：進(jìn)水為DTRO膜濃縮液，溫度為40℃，pH為6.0，膜面流量為30 m3/h，汲取液氯化鈉濃度分別為8%，10%，12%，14%，16%，18%。實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 汲取液氯化鈉濃度對膜通量的影響

結(jié)果表明，當(dāng)汲取液濃度升高，膜通量有上升趨勢，當(dāng)汲取液氯化鈉濃度小于14%時，隨著汲取液濃度增大，膜通量迅速增大；當(dāng)汲取液氯化鈉濃度大于14%時，膜通量趨于平穩(wěn)。這是由于汲取液濃度增大，滲透壓差逐漸升高，正滲透是以滲透壓差作為推動力，因此，膜通量也會顯著上升。汲取液濃度過高會加劇濃差極化現(xiàn)象帶來的不利影響，使膜通量趨向平穩(wěn)。

表8為不同汲取液濃度下，正滲透系統(tǒng)的回收率及對原水的濃縮程度。由表8可以看出，在汲取液氯化鈉濃度大于14%時，回收率大于50%，最高可達(dá)到55.77%，對DTRO膜濃縮液可進(jìn)一步減量一倍。綜合考慮運行成本、藥劑成本等因素，最佳汲取液氯化鈉濃度為14%。

表8 汲取液氯化鈉濃度對系統(tǒng)回收率及濃縮倍率的影響

4.5 小結(jié)

通過研究溫度、pH、膜面流量、汲取液濃度等因素對正滲透膜通量、回收率等工藝性能的影響，得出以下幾點結(jié)論：

（1）溫度對正滲透的膜通量有較大影響，膜通量隨溫度升高而增大，但溫度升高能耗增大，綜合考慮工藝運行情況，最佳溫度為40℃。

（2）進(jìn)水pH對正滲透系統(tǒng)影響不是很明顯，一般進(jìn)水pH在6.0左右即可。

（3）膜面流量對膜通量有較大影響，膜通量隨著膜面流量的提高先增大后減小，確定最佳膜面流量為30 m3/h。

（4）膜通量隨汲取液濃度的增大而增大，綜合考慮運行成本、藥劑成本等因素，最佳汲取液氯化鈉濃度為14%。在最佳運行條件下，系統(tǒng)回收率大于50%，滲濾液濃縮倍率大于2。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

垃圾滲濾液膜濃縮液處理困難，國內(nèi)外膜濃縮液的處理技術(shù)存在二次污染、能耗高、成本高等不足之處。因此必須對膜濃縮液進(jìn)行進(jìn)一步的減量處理，減少進(jìn)入末端處置的濃縮液量。根據(jù)以上研究可知，在最佳運行條件下，正滲透系統(tǒng)可對DTRO膜濃縮液減量50%以上，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

正滲透可作為垃圾滲濾液膜濃縮液減量處理工藝，與其他濃縮液末端處理工藝組合，集成以正滲透為核心的濃縮液處理新工藝，形成一種小規(guī)模垃圾滲濾液全量化應(yīng)急處理系統(tǒng)，可以解決垃圾滲濾液處理難、處理不徹底、濃縮液處理成本高等問題。