城鄉混合垃圾滲濾液中有機物顆粒的微米化處理研究

楊 林，姜 婷，鐘 欽

（四川大學化學工程學院，成都 610041）

目前，我國每年產生大量城鄉混合垃圾，但處理量偏低。城鄉混合垃圾來源廣泛，含水率高，產生量大，生物轉化利用率高，傳統的填埋和焚燒處理方式存在成本高、污染嚴重、周期長、有機質利用率低等弊端，不是城鄉混合垃圾的最優處理方式[1-3]。近年來，好氧發酵逐漸成為大批量處理城鄉混合垃圾的最佳選擇。好氧發酵產生的滲濾液含有豐富的有機物，可用于生產液體肥料，實現水肥一體化利用。相比傳統的固體肥料，液體肥料擁有更加靈活的配方，能夠根據實際需求實時調整不同元素的配比。相較于傳統化肥生產，液體肥料在生產過程中不會產生有害的化學物質，更加環保，滲濾液制備液體肥料的生產工藝更加簡單，能量消耗更低。將液體肥料與滴灌技術結合，能夠實現精準施肥，提高肥料利用率，同時供水供肥，使用更加方便[4-6]。但是，好氧發酵滲濾液含有粒徑較大的有機物顆粒，若直接采用滴灌施肥，則可能會堵塞滴灌口。因此，本研究收集城鄉混合垃圾高溫堆肥處理設施產生的滲濾液，采用聚焦光束反射測量儀分析滲濾液中有機物顆粒分布和團聚情況，通過過濾手段調控有機物顆粒粒徑，構建城鄉混合垃圾滲濾液有機物顆粒的微米化處理技術，為進一步生產液體肥料和滴灌施肥做好準備。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

試驗處理對象為好氧發酵和厭氧發酵滲濾液，采集自城鄉混合垃圾高溫堆肥處理設施。使用平均孔徑50 nm 的氧化鋁多孔陶瓷膜管，陶瓷膜管外徑為0.032 m，長度為0.2 m，通道數有19 個，陶瓷膜管兩端外部打磨長度為0.026 m，厚度接近0.002 m。使用濃度0.1 mol/L 的氫氧化鈉溶液。主要儀器有電子分析天平、恒溫磁力攪拌器、聚焦光束反射測量儀、烘箱、蠕動泵、超純水儀、循環水真空泵和陶瓷膜過濾設備。陶瓷膜過濾設備由實驗室自制。

1.2 陶瓷膜過濾設備的設計

陶瓷膜具有優異的性能，是過濾膜的首選。一是結構性能優異。具體來說，陶瓷膜組件呈管狀或為多孔件，與有機膜相比，這種結構不易引起膜堵塞；流量衰減慢，即使堵塞嚴重，也能得到滿意的流量；陶瓷膜清洗操作簡單，所需時間短，費用低，膜組件內積物很少。二是無機陶瓷膜使用壽命長。在水處理中，陶瓷膜具有非常長的使用壽命，它能長時間經受各種介質的侵蝕[7-9]。所以，本試驗使用平均孔徑50 nm 的氧化鋁多孔陶瓷膜管，并將其組裝成陶瓷膜組件，如圖1 所示。其中，陶瓷膜管采用快裝接口，主體材料為314 鋼，關鍵部位使用316L 鋼，橡膠塞材質為聚丙烯。

圖1 陶瓷膜組件的結構

為了實現物料的連續處理，設計陶瓷膜的過濾流程，如圖2 所示。通過泵運輸，滲濾液以錯流過濾的形式從進料罐進入膜管，由兩側的壓力差驅動，部分溶液選擇性滲透過膜管進入滲透罐，另一部分進入排水罐[10]。試驗過程中，可以通過閥門調節膜管滲透通量。

圖2 陶瓷膜過濾流程

1.3 過濾及通量恢復方法

試驗收集城鄉混合垃圾高溫堆肥處理設施產生的厭氧發酵滲濾液和好氧發酵滲濾液，分別通過濾紙過濾和陶瓷膜過濾，再采用聚焦光束反射測量儀分析過濾前后的滲濾液中有機物顆粒分布和團聚情況，研究顆粒數量、顆粒粒徑以及滲濾液濁度的變化，對比濾紙與陶瓷膜的處理效果。

濾紙過濾時，濾餅層過厚會導致通量銳減，在過濾中，由于濾紙堵塞，要多次更換濾紙，極大地降低連續生產效率。在陶瓷膜過濾中，濾餅層過厚也會導致通量銳減。過濾時，可以使用較大的錯流速度沖刷膜表面，減少污染，但隨著使用時間的增加，陶瓷膜過濾通量不可避免地大幅減小。試驗使用自來水和氫氧化鈉溶液分別對陶瓷膜管進行反沖洗，并探究氫氧化鈉溶液濃度對通量恢復的影響。

2 試驗結果分析

2.1 厭氧發酵滲濾液過濾

將厭氧發酵滲濾液過濾前后的樣品進行對比分析，其濾紙過濾和陶瓷膜過濾前后的結果如圖3 所示。分析發現，經濾紙過濾，滲濾液顆粒粒徑無明顯的降低，但是顆粒數至少降低16%。與之相比，經陶瓷膜過濾，滲濾液顆粒粒徑降低極其明顯，其微米級顆粒數降低幅度超過99%。經陶瓷膜分離，粒徑分布在1 ～13 μm 的顆粒降低兩個數量級，達到預期效果。懸浮物濃度達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）的一級標準，即小于100 mg/L。

圖3 厭氧發酵滲濾液過濾前后的顆粒粒徑分布

從表1 可以得出，濾紙過濾和陶瓷膜過濾均能夠降低滲濾液顆粒的平均粒徑。經濾紙過濾，其平均粒徑可以從20.292 μm 降到10.421 μm；經陶瓷膜過濾，其平均粒徑可以從20.292 μm 降到9.709 μm。D50 和D90 數據顯示，膜過濾對粒徑分布具有一定的截斷作用。

表1 厭氧發酵滲濾液過濾前后的顆粒粒徑變化

2.2 好氧發酵滲濾液過濾

將好氧發酵滲濾液過濾前后的樣品進行對比分析，其濾紙過濾和陶瓷膜過濾前后的結果如圖4 所示。由于有氧分解比較完全，與厭氧發酵滲濾液相比，好氧發酵滲濾液懸浮物濃度較低，濾紙過濾對滲濾液顆粒數的變化無影響。而陶瓷膜過濾對好氧發酵滲濾液顆粒的脫除率超過60%。無論是采用濾紙過濾還是陶瓷膜過濾，好氧發酵滲濾液分解比較完全，在與厭氧發酵滲濾液相同的處理條件下，其懸浮物濃度可以達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）的一級標準。

圖4 好氧發酵滲濾液過濾前后的顆粒粒徑分布

從表2 可以看出，過濾對于好氧發酵滲濾液沒有截斷作用。經分析，主要原因是好氧發酵有機物分解比較完全。厭氧發酵滲濾液D90 為14.289 μm，與前者相比，好氧發酵滲濾液的D90 只有4.121 μm。

表2 好氧發酵滲濾液分離前后的顆粒粒徑變化

2.3 通量恢復

使用濾紙過濾時，在負壓0.08 MPa 的條件下進行抽濾，其處理量為0.2 L/h。隨著過濾的進行，濾餅層加厚導致通量急劇下降甚至堵塞，要不斷更換濾紙，連續生產效率極大地降低。與之相比，使用陶瓷膜過濾，錯流速度為1.2 L/h 時，其通量為4 L/h，遠大于濾紙過濾的效率。過濾2 h 后，陶瓷膜過濾通量降低，錯流速度越大，通量隨時間的降低幅度越大。使用自來水和氫氧化鈉溶液分別對陶瓷膜管進行反沖洗，在相同時間內，使用氫氧化鈉溶液的效果更加明顯。經分析，有機物堵塞膜孔可能是膜污染的主要原因，而氫氧化鈉溶液容易去除膜中的污垢。氫氧化鈉溶液的濃度要保持在一定范圍，陶瓷膜的主體材料為氧化鋁，過高濃度的氫氧化鈉容易和氧化鋁生成偏鋁酸鈉，降低陶瓷膜的使用壽命，一般使用濃度0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液作為反洗液。試驗發現，使用濃度0.1 mol/L 的氫氧化鈉溶液沖洗10 min，即可完成陶瓷膜的通量恢復。

3 結論

城鄉混合垃圾高溫堆肥處理會產生很多滲濾液，其中含有大量有機物顆粒。經濾紙過濾，滲濾液顆粒粒徑和濁度均明顯降低，其中，厭氧發酵滲濾液顆粒脫除率大于16%，好氧發酵滲濾液發酵較為完全，濾紙過濾對顆粒數的變化無影響。經陶瓷膜過濾，厭氧發酵滲濾液顆粒脫除率大于99%，好氧發酵滲濾液顆粒脫除率可達60%，過濾后滲濾液懸浮物濃度可以達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）的一級標準。陶瓷膜處理滲濾液2 h 后，使用濃度0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液作為反洗液對膜進行處理，使陶瓷膜通量得到有效恢復。隨著時間的變化，陶瓷膜堵塞可能導致過濾效果降低。試驗結果表明，陶瓷膜通量隨著時間的增加而逐漸降低，錯流速度越大，通量隨時間的降低幅度越大。