垃圾滲濾液反滲透濃縮液蒸發(fā)鹽析研究

收稿日期： 2023-02-03

作者簡(jiǎn)介： 彭乾（1995-），男，江蘇省常州市人，初級(jí)工程師，碩士研究生，2020年畢業(yè)于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物學(xué)，研究方向：環(huán)境微生物。

摘""""" 要： 垃圾滲濾液反滲透濃縮液目前一般采用“蒸發(fā)+干燥”的全量化處理，而蒸發(fā)階段反滲透濃縮液的鹽析現(xiàn)象會(huì)降低其得率，容易造成后續(xù)管道堵塞。因此，就反滲透濃液鹽析時(shí)溫度臨界點(diǎn)展開(kāi)研究，采用恒溫磁力攪拌器對(duì)反滲透濃縮液進(jìn)行加熱，重點(diǎn)研究蒸發(fā)階段及降溫階段（模擬反滲透超濃液外排階段）反滲透濃縮液的鹽析現(xiàn)象，并記錄其對(duì)應(yīng)的溫度及電導(dǎo)率、溶解性總固體。

關(guān)" 鍵" 詞：反滲透濃縮液；蒸發(fā)；溫度；電導(dǎo)率；溶解性總固體

中圖分類號(hào)：TQ028.6+1"""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""""" 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）02-0222-04

目前垃圾填埋場(chǎng)仍普遍存在于我國(guó)大小城鎮(zhèn)，全國(guó)每天約產(chǎn)生6.4萬(wàn)t垃圾滲濾液需要處理，2008年國(guó)家出臺(tái)了《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889—2008），對(duì)垃圾滲濾液的處理提出了更高的要求，當(dāng)前“膜生物反應(yīng)器（MBR）+NF/RO膜”工藝已成為國(guó)內(nèi)垃圾滲濾液的主流處理方式[1]。

反滲透（RO）作為膜法水處理技術(shù)，因其運(yùn)行過(guò)程與滲透過(guò)程方向相反，故稱為反滲透，該技術(shù)利用功能性高分子半透膜的選擇透過(guò)性來(lái)實(shí)現(xiàn)水體的脫鹽和凈化[2]。在滲透現(xiàn)象具體發(fā)生過(guò)程中，引起溶液物質(zhì)或者是溶劑物質(zhì)發(fā)生跨越半透膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的主要推動(dòng)力在于滲透壓，也就是選擇性半透膜結(jié)構(gòu)兩側(cè)溶液之間存在的濃度差異[3]。反滲透在運(yùn)行過(guò)程中需克服膜阻力和液體滲透壓的能量，該能量一般由增壓泵提供[4]。RO膜表面微孔的直徑一般在0.5～10 nm之間，再加上膜良好的選擇透過(guò)性保證了在運(yùn)行過(guò)程中除去大部分污染物質(zhì)，例如膠體、有機(jī)物、無(wú)機(jī)鹽及溶解性固體等[5]。

與滲濾液和生活污水相比，RO膜濃縮液的特點(diǎn)是含鹽量極高，富集有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物（如大量環(huán)烷烴、酯類、羥酸類、苯酚類及腐殖酸類難降解物質(zhì)）、COD高、氨氮濃度高，含有大量的金屬離子，TDS一般為40～60 g·L-1，且一般不具可生化性[6]，如何處理此膜濃縮液是水處理的一大痛點(diǎn)[7]。常規(guī)采用回灌方式處理膜濃縮液，但長(zhǎng)期回灌會(huì)使得填埋場(chǎng)滲濾液鹽分和有機(jī)物同時(shí)積累，造成“雙高”問(wèn)題，影響MBR處理工藝的出水水質(zhì)和運(yùn)行維護(hù)。如何無(wú)害化處理膜濃縮液，打通滲濾液全量化處理流程，實(shí)現(xiàn)濃縮液的真正零排放，是當(dāng)前環(huán)保領(lǐng)域的難題，同時(shí)也具有很大的市場(chǎng)需求[8]。

目前反滲透（RO）濃縮液全量化處理一般采用“蒸發(fā)+干燥系統(tǒng)”的方式處理[9-10]，形成的蒸發(fā)超濃液通過(guò)后續(xù)干燥系統(tǒng)進(jìn)行深度干燥形成噸袋鹽泥并進(jìn)行無(wú)害化填埋[11]?？刂撇⑻岣哒舭l(fā)階段清液得率將直接影響后續(xù)干燥時(shí)進(jìn)料的體量，直接關(guān)乎項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)成本，而影響蒸發(fā)階段得率最主要的因素即為RO濃縮液的鹽析時(shí)的臨界點(diǎn)，若超過(guò)臨界點(diǎn)則會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱系統(tǒng)結(jié)垢、管道堵塞等一系列結(jié)垢現(xiàn)象，影響蒸發(fā)設(shè)備的穩(wěn)定；若未達(dá)到臨界點(diǎn)則意味著蒸發(fā)出水得率降低，增加后續(xù)干燥系統(tǒng)成本，進(jìn)而增加項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)成本，因此研究RO濃縮液鹽析的臨界點(diǎn)就很有必要。本實(shí)驗(yàn)就RO濃縮液蒸發(fā)析鹽進(jìn)行了研究，影響RO濃縮液鹽析的因素有溫度、電導(dǎo)率、TDS。

1" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1" 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與儀器

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為垃圾滲濾液RO濃縮液。儀器包括水浴鍋、三口燒瓶、冷凝管、量筒、恒溫磁力攪拌器、DW-2型調(diào)溫電熱器、燒杯、溫度計(jì)、電導(dǎo)率儀、恒溫箱、玻璃棒、坩堝、電子天平、干燥器。

1.2" 水質(zhì)檢測(cè)方法

水樣的總硬度檢測(cè)采用國(guó)標(biāo)法GB7477—87 EDTA滴定法，所用藥劑為EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液 （10 mmol·L-1）、緩沖溶液（pH=10）；水樣的Ca2+、Mg2+含量采用國(guó)標(biāo)法GB7476—87 EDTA滴定法檢測(cè)，所用藥劑為EDTA二鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液（10 mmol·L-1）、氫氧化鈉溶液（2 mol·L-1）；水樣的SO42-含量采用“HACH” TNT865-CN試劑盒進(jìn)行測(cè)量；水樣的pH、電導(dǎo)率使用“METTLER TOLEDO” seven excellence multiparameter進(jìn)行檢測(cè)；水樣的硝酸根使用“MQuant”試紙條進(jìn)行檢測(cè)；COD等使用“HACH”試劑盒的樣品數(shù)據(jù)結(jié)果由“HACH”DR3900測(cè)量得出。水樣的TDS檢測(cè)方法：記錄待測(cè)水樣體積（V）后放進(jìn)坩堝，稱重并記錄（M1）后進(jìn)入烘箱烘烤，8 h后將坩堝取出并放入干燥器冷卻至室溫，稱重并記錄（M2）。TDS計(jì)算公式如式（1）所示，單位為mg·L-1。

（1）

1.3" RO濃縮液蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)

1.3.1" 不同濃縮倍數(shù)RO濃液鹽析實(shí)驗(yàn)

在常壓100 ℃蒸發(fā)溫度下，使用“水浴鍋+三口燒瓶+冷凝回收管+量筒”的組合裝置對(duì)滲濾液RO濃液進(jìn)行蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，分別考察2、4、6、8、10、12、14、16、18倍的濃縮倍數(shù)下蒸發(fā)母液的鹽析狀況并測(cè)量飽和濃鹽水（鹽析臨界點(diǎn)）所對(duì)應(yīng)的TDS數(shù)值，初步確定實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行的相關(guān)工況。此外，對(duì)蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)行冷凝水回收并測(cè)量其水質(zhì)。

1.3.2" 超濃液200 000 mg·L-1 TDS溫度梯度實(shí)驗(yàn)

在1.3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，常壓下將200 mL RO濃縮液置于恒溫磁力攪拌器上進(jìn)行加熱，將蒸發(fā)母液濃縮倍數(shù)設(shè)置為6倍，經(jīng)100 ℃蒸發(fā)后將超濃液 TDS控制200 000 mg·L-1，隨著降溫過(guò)程分別監(jiān)測(cè)不同溫度（100、90、80、65、60、50、45、40、30、25 ℃）下的鹽析狀態(tài)及其電導(dǎo)率、TDS的變化。重點(diǎn)研究溫度45～50 ℃、70 ℃、90 ℃下（工程項(xiàng)目常用RO超濃液外排溫度）RO濃縮液的鹽析狀況。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 滲濾液RO濃縮液水質(zhì)

垃圾滲濾液RO濃縮液水質(zhì)數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2" RO濃縮液蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1" 不同濃縮倍數(shù)RO濃液鹽析實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，常壓蒸發(fā)下不同濃縮倍數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)匯總及TDS關(guān)系曲線如表2和圖2 所示。

結(jié)合圖2、表2可以看出，在常壓100 ℃蒸發(fā)溫度下，隨著濃縮倍數(shù)的逐漸增大，蒸發(fā)母液的TDS增高，伴隨蒸發(fā)過(guò)程發(fā)生的鹽析效果越顯著。當(dāng)反滲透濃縮液濃縮至6倍時(shí)，燒瓶?jī)?nèi)的蒸發(fā)母液開(kāi)始有結(jié)晶鹽析出，當(dāng)濃縮至12倍時(shí)蒸發(fā)母液的鹽析量顯著增加，當(dāng)濃縮18倍時(shí)隨著蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行，就不斷有鹽析出并掛覆于燒瓶?jī)?nèi)壁，鹽析量巨大，蒸發(fā)母液處于過(guò)飽和狀態(tài)。圖2中理論計(jì)算TDS與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)TDS曲線間有一定的偏差（后者小于前者），且隨著濃縮倍數(shù)的增加，此偏差越來(lái)越大，當(dāng)濃縮至16、18倍時(shí)，實(shí)測(cè)TDS值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離理論計(jì)算值，這說(shuō)明鹽析的燒瓶掛壁影響已相當(dāng)顯著。值得注意的是，當(dāng)濃縮至6倍時(shí)，蒸發(fā)母液的TDS約200 000 mg·L-1，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)狀態(tài)剛好發(fā)生結(jié)晶鹽的析出，可以認(rèn)為此時(shí)的蒸發(fā)母液為鹽的飽和溶液，即達(dá)到飽和濃鹽水的狀態(tài)。

蒸發(fā)產(chǎn)生的清液經(jīng)冷凝回收管收集后進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，蒸發(fā)產(chǎn)生的清液透明澄澈，COD去除率93.8%、硫酸根去除率100%，水質(zhì)滿足《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889—2008）中排放標(biāo)準(zhǔn)，可直接進(jìn)行外排或者進(jìn)行中水回用[12]。

需要強(qiáng)調(diào)的是，利用“水浴鍋+三口燒瓶+冷凝回收管+量筒”的組合裝置進(jìn)行RO濃液的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行溫度控制，即實(shí)驗(yàn)結(jié)論“將RO濃液蒸發(fā)濃縮至6倍時(shí)，蒸發(fā)母液的TDS約200 000 mg·L-1”此時(shí)對(duì)應(yīng)溫度恒定為100 ℃。由于鹽溶液飽和度會(huì)受溫度、壓力的影響，因此本實(shí)驗(yàn)結(jié)果只針對(duì)常壓、100 ℃條件下RO超濃液對(duì)應(yīng)的鹽析現(xiàn)象。

2.2.2" RO超濃液200 000 mg·L-1TDS溫度梯度實(shí)驗(yàn)

基于2.2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為模擬項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)，將RO濃液濃縮6倍，即控制RO超濃液TDS約為 200 000 mg·L-1（100 ℃） 進(jìn)行溫度梯度（降溫）鹽析實(shí)驗(yàn)，分別監(jiān)測(cè)不同溫度（100、90、80、70、60、50、45、40、30、25 ℃）下的鹽析狀態(tài)及其電導(dǎo)率、TDS的變化，重點(diǎn)研究45～50 ℃、70 ℃、90 ℃這幾個(gè)溫度條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可以看出，100 ℃時(shí)燒杯里RO超濃液狀態(tài)基本滿足2.2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即RO超濃液TDS 200 000 mg·L-1，電導(dǎo)率305 000 μS·cm-1，略有鹽析出；隨著溫度冷卻，50 ℃時(shí)RO超濃液鹽析現(xiàn)象加重，此時(shí)對(duì)應(yīng)TDS 為146 000 mg·L-1，電導(dǎo)率為205 000 μS·cm-1；隨著溫度降為室溫25 ℃時(shí)，此時(shí)RO超濃液鹽析現(xiàn)象最為嚴(yán)重，可以看出燒杯底部留有厚厚一層的結(jié)垢物，此時(shí)對(duì)應(yīng)TDS 為 100 000 mg·L-1，電導(dǎo)率為140 000 μS·cm-1。因此得出以下結(jié)論，即溫度對(duì)電導(dǎo)率及 TDS 的影響呈正相關(guān)，隨著溫度的下降，RO超濃液電導(dǎo)率、TDS 隨之下降且伴隨著鹽析現(xiàn)象的加劇。

上述結(jié)論也正是目前蒸發(fā)技術(shù)所亟須解決的難題。如今，工程蒸發(fā)項(xiàng)目一般將45～50 ℃、70 ℃、90 ℃、100 ℃以上（本實(shí)驗(yàn)無(wú)法模擬）作為RO超濃液外排溫度。結(jié)合圖4可知，無(wú)論是TDS還是電導(dǎo)率，“RO超濃液外排溫度二”下的RO超濃液數(shù)據(jù)都比“RO超濃液外排溫度一”要高，即相同的RO超濃液在溫度二下的濃縮倍數(shù)要遠(yuǎn)高于溫度一，而這也直接影響到蒸發(fā)系統(tǒng)的回收率。以MVR技術(shù)為代表的“RO超濃液外排溫度二”一般回收率可控制90%[13]，而以低溫蒸發(fā)技術(shù)[14]為代表的“RO超濃液外排溫度一”一般回收率75%～80%。

3" 結(jié) 論

蒸發(fā)過(guò)程中鹽析的產(chǎn)生從原理上解釋是由傳質(zhì)引起的，在傳質(zhì)過(guò)程中RO濃縮液中的水分被蒸發(fā)進(jìn)氣相中，隨著氣體的流動(dòng)微小原生水滴迅速被蒸發(fā)，從而導(dǎo)致鹽晶體的產(chǎn)生[15]，傳質(zhì)是單純的物理現(xiàn)象。綜合梳理現(xiàn)有研究成果可以知道，蒸發(fā)時(shí)的溫度控制尤為重要，蒸發(fā)溫度對(duì)RO超濃液電導(dǎo)率、TDS影響呈正相關(guān)，即溫度越高，溶液的電導(dǎo)率、TDS越高，隨著溫度降低，溶液電導(dǎo)率、TDS下降的同時(shí)會(huì)伴隨鹽析現(xiàn)象。在常壓蒸發(fā)溫度100 ℃下，TDS 190 000～200 000 mg·L-1是RO超濃液鹽析出的平衡區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，鹽析現(xiàn)象不明顯，TDS超過(guò)200 000 mg·L-1，鹽析現(xiàn)象則會(huì)加?。辉谡舭l(fā)后降溫階段（RO超濃液外排階段），以45～50 ℃為例，TDS 130 000～140 000 mg·L-1是RO超濃液鹽析出的平衡區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，鹽析現(xiàn)象不明顯，TDS超過(guò)140 000 mg·L-1，鹽析現(xiàn)象則會(huì)加劇。因此建議RO超濃液外排階段，若是以45～50 ℃為外排溫度，則建議外排的RO超濃液TDS 控制于"""""""" 130 000～140 000 mg·L-1區(qū)間范圍內(nèi)、電導(dǎo)率建議控制在190 000 μS·cm-1；若是以100 ℃左右作為RO超濃液外排溫度，則建議外排的RO超濃液TDS控制在200 000 mg·L-1、電導(dǎo)率305 000 μS·cm-1左右。

對(duì)于蒸發(fā)項(xiàng)目而言，清液回收率無(wú)疑是重要的參數(shù)，因?yàn)榛厥章实母叩蛯⒅苯佑绊懞罄m(xù)干燥時(shí)進(jìn)料的體量，直接關(guān)乎項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)成本。因此許多蒸發(fā)技術(shù)往往過(guò)多注重蒸發(fā)的回收率而忽略了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一味追求高回收率并不可取，高回收率意味著蒸發(fā)濃母液的高濃縮倍數(shù)，這往往會(huì)帶來(lái)更為嚴(yán)重的鹽析現(xiàn)象而影響到管道結(jié)垢[16]、換熱系統(tǒng)效率問(wèn)題[17-18]。因此，對(duì)于蒸發(fā)項(xiàng)目而言，重點(diǎn)需把控“回收率”與“結(jié)垢”的平衡點(diǎn)，根據(jù)不同進(jìn)水水質(zhì)，選擇合適的處理方式，安全高效地進(jìn)行生產(chǎn)。

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Research on Evaporation Salting out of Reverse

Osmosis Concentrate of Landfill Leachate

PENG Qian， YAN Lei， YUN Tianjian， WU Wenlong， LIU Yang， YANG Hujun

（WELLE Environmental Group， Jiangsu Changzhou 213125， China）

Abstract： At present， the reverse osmosis concentrate is generally treated with \"evaporation+drying\"， and the salting out of the reverse osmosis concentrate in the evaporation stage will reduce its yield. Therefore， the temperature critical point when reverse osmosis concentrate salting out was studied， a constant temperature magnetic stirrer was used to heat the reverse osmosis concentrate， the salting out phenomenon of reverse osmosis concentrate in the evaporation stage and the cooling stage （discharging reverse osmosis super concentrate stage） was investigated， and the corresponding temperature， conductivity and total dissolved solids were recorded.

Key words： Reverse osmosis concentrate; Evaporation; Temperature; Conductivity; Total dissolved solids