垃圾渗滤液膜处理技术

文章编号:1007-8924(2004)05-0069-05垃圾渗滤液膜处理技术张宏忠1　松全元1　王淀佐2(1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京　100083;2.中国工程院,北京　100038)摘　要:目前在国外,垃圾填埋场渗滤液膜分离技术处理工艺相当成熟,而在我国这一新技术还未得到应用和推广.总结现有的各种渗滤液膜分离技术处理工艺,并进行可行性分析,对我国今后城市垃圾卫生填埋的建设和垃圾渗滤液污染的控制具有一定的参考价值.关键词:垃圾填埋场;渗滤液;膜;处理中图分类号:TQ028.8 文献标识码:A 垃圾渗滤液水质量复杂、多变,污染物浓度高,其净化和处理一直是世界性的一个难题.目前国内的垃圾填埋场一般是采用回灌法、物化法和生化法处理垃圾渗滤液.循环回灌是一种非彻底的处理方法,而且处理能力有限,操作环境差,不适于年降水量大的南方,回灌后的渗滤液仍需要采用好氧生化及物化等后续处理才能向环境排放.物化法处理成本一般较高,不适于大水量垃圾渗滤液的处理.生物处理法包括厌氧生物处理、好氧生物处理和两者相结合的方法,是目前使用最多、也最为有效的处理方法.但实际运行中,生物菌常无法适应垃圾渗滤液水量、水质和COD (化学需氧量)剧烈的变化,经常发生生物菌被抑制甚至死亡.当菌种一旦被破坏,重新恢复将需要时间,在实践中无法达到处理的目的.即使采用混凝、活性炭吸附、臭氧氧化或其它氧化剂氧化等物化预处理方法,也只能破坏渗滤液中的部分污染物.不能被生物降解和被吸附破坏的“硬COD ”会残留下来,并在排放水体中长期积累.将一些水处理工艺中出水更洁净、又能节省投资和运行费用的新工艺、新系统、新设备如膜分离技术及设备应用到垃圾渗滤液的处理中,是目前垃圾渗滤处理的新思路.自从膜分离技术问世以来,很快就被人们发现它在环境工程中的作用.由于膜分离技术在水处理方面有着独特的优势,经过近30年的开发,目前它已成为一项广泛用于工业废水和生活污水治理的有效手段.目前在国外,垃圾填埋场渗滤液膜分离技术处理工艺相当成熟,而在我国这一新技术还未得到应用和推广.总结现有各种渗滤液膜分离技术处理工艺,并进行可行性分析,对我国今后城市垃圾卫生填埋场的建设和垃圾渗滤液污染的控制具有一定的参考价值.1　反渗透处理工艺早在1976年Chian [1]就提出,降低渗滤液COD 的最有效方法是反渗透(RO )技术.后经Krug 等[2]研究证明了RO 膜处理渗滤液的可行性.国外近年来开发污水处理的新工艺中,RO 是应用最广泛的一种方法,这是由于其具有的高效的截留污水中溶解态的无机和有机污染物.Hurd [3]选用3种低压聚酰胺RO 膜处理“trailroad ”垃圾填埋渗滤液的试验表明,透过液的流量取决于操作压力大小及TOC (总化学需氧量)的浓度.操作压高于10.3MPa 时,透过液流量为26.0～54.0L/(m 2・h ),TOC 和Cl 的去除率大于96%.NH3-N 的去除率大于88%.Kristina 等[4]研究了RO 膜性能对处理3种类型的垃圾填埋渗滤液的影响.对于传统填埋场和生化池的渗滤液来说,水通量和电导率呈线性关系,COD 和NH 3-N 的去除率大于98%.而特殊垃圾池的渗滤液由于渗透压很高,RO 的水通量太低,因此不适用.德国垃圾填埋场渗滤液的综合处理工艺是生物收稿日期:2002-09-23;修改稿收到日期:2003-10-12作者简介:张宏忠(1968-),男,河南新乡人,博士,现为郑州轻工业学院副教授,从事生活污水和工业废水处理.第24卷　第5期膜　科　学　与　技　术Vo1.24　No.52004年10月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGY Oct.2004预处理和一级(或二级)RO处理.An geloy等[5]用SW30-2521型卷式膜(陶氏公司)对意大利Pietramelina垃圾填埋场的渗滤液进行了中试,采用MF预处理去除悬浮物质,用HCl调节pH为6,控制温度28℃.试验表明,当渗滤液COD增至111749m g/L时,渗透量大大降低;操作压从2.0 MPa增至5.3MPa时,COD的去除率从96%上升为98%.另外,COD对金属去除率的影响和金属离子的属性有关.以Zn、Cu、Cd试验发现,渗滤液经RO膜处理后可有效地去除有机和无机污染物从而得到净化,出水的回收率约为80%,可直接排放,对环境无任何污染.表1是德国一典型垃圾填埋场渗滤液经RO膜处理前后的技术指标.所采用的RO 系统处理量为36m3/h,已正常运行了9年,只更换了一次膜.该系统采用两级RO装置,操作压控制在3.6～6.0MPa,比渗透量约为15L/(m2・h),对无机盐和有机污染物的平均截留率约为99%.Kolenfeld 垃圾填埋场渗滤液的RO处理结果与上述类似,进料的电导率为15000～16000μS/cm,截留率大于98%,COD的去除率达99%,膜使用寿命超过3年.表1　Ihlenber g填埋场渗滤液经RO膜处理前后的技术指标[6]Tab.1　Ihlenber glandfill plant’sleachate parameters in purificationwithreverseosmosis项　目渗滤液出水1出水2去除率/% pH值7.7 6.8 6.6电导率/(μS・cm-1)1725038220COD/(mg・L-1)179715<15>99.2 NH3/(mg・L-1)3669.80.6699.9Cl/(mg・L-1)283048.4 1.999.9Na/(mg・L-1)418055.9 2.599.9重金属/(mg・L-1)0.25<0.005<0.005>981982年颇尔水处理有限公司(PallCor p.)首次推出碟管式(DT)反渗透技术[7],并于1987年应用于垃圾渗滤液和其它工业废水的净化处理,在德国的Ihlenber g建立了世界上第一家采用DT反渗透技术的垃圾渗滤液处理系统,目前日处理垃圾渗滤液1150m3.由于PallRochem-DT反渗透膜柱具有独特的流体力学特性,保证膜的最优化清洗,防止结垢,可以专门用于处理高浊度流体,即使被处理的渗滤液的淤塞密度指数(SDI)高达20,系统仍能正常工作,而且能有效防止短路现象,膜片寿命长,易于更换;从而保证了处理后的净水质量.由于DT反渗透技术的应用,如今在西北欧、北美、远东有100多座渗滤液RO处理场正在连续运行(其中德国有43座),在这一领域处于领先地位.2　高压反渗透处理工艺污水处理的关键是出水回收率要高.由于常规RO存在着渗透压现象,限制了出水回收率的提高,但这对于高压反渗透(HPRO)却是可行的.HPRO 通常是指在进料端的操作压大于10MPa,而12 MPa的驱动压差足以在高渗透压的情况下实现盐水分离.基于DT膜组件的HPRO技术有了很大进展,使垃圾渗滤液的出水回收率从80%上升到90%,这意味着浓缩系数从5提高到10,浓缩液的电导率从50000～120000μS/cm提高到100000～120000μS/cm[6].1998年国外采用HPRO系统的垃圾卫生填埋场有25个.由于常规RO(6MPa)膜结垢、污染和渗透压等原因,限制了出水回收率的提高,所以RO常需结合高成本、高能耗的蒸发和干燥等过程处理渗滤液.而HPRO由于提高了出水回收率,浓缩液体积大大降低,可以省去后续的蒸发过程,直接排入干燥或固化设备,也可以直接燃烧,使运行成本明显降低.HPRO处理垃圾渗滤液的工艺流程如图1所示.30000h的实际运行时间证明了此工艺的可靠性.综合考虑比能耗和设备投资等指标,对于目前的RO膜及设备来说,最佳的驱动压差应为12MPa[8].图1　HPRO处理垃圾渗滤液的工艺流程Fig.1　DiagramofHPRO processinleachate purification3　纳滤处理工艺纳滤(NF)膜分离技术能否应用于实践,其关键在于能否有效地控制膜结垢现象,因为膜结垢极大地影响膜的通量和截留率等性能.污垢是由于物质在膜表面或孔内积累形成的,能引起纳滤膜结垢的物质主要是溶解态的有机和无机物质、胶体及悬浮　・70　・膜　科　学　与　技　术第24卷　物质.膜结垢和截留机理可由表面效应来解释.Tre 2bouet 等[9]设计的中试流程如图2所示.使用的纳滤膜是MPT-20和MPT-30(KochWeizmann 公司),控制操作压2MPa,错流速度3m/s,给料流量1400L/h,温度25℃.给料罐的作用是使浓缩水和透过水循环以保持浓度恒定.试验表明,膜通量下降的原因可能是由于溶质在膜表面的吸附和积累、极化层的不可逆改变以及物质沉积等因素造成的膜结垢引起的.相对分子质量分布研究表明,对于稳定的垃圾渗滤液COD 来说,大多数化合物的相对分子质量低于1000,主要是灰黄霉酸(fulvicacids ).COD 的去除率为70%～80%,这说明NF 法处理“硬COD ”有机物质是很有效的.pH 调节和预处理(混凝、预过滤)并不能提高MPT-30膜的透过量和截留率,但渗滤液的物化法调节pH 对NF 膜的性能影响很大.pH 降低,膜的结垢量增大.这是由于静电效应降低了荷负电的膜表面和高分子腐殖质类物质之间的排斥作用,此时,这些物质的斥水性更强,从而更易吸附结垢.混凝能减少腐殖质类物质的量,因而减缓污垢层的形成,所以透过量提高.以上分析说明,NF 之前要合理进行物化法预处理.某垃圾填埋场渗滤液经NF 后的各项截留率指标如表2所示.图2　纳滤中试流程图Fig.2　Flowdia gramofnanofiltration表2　渗滤液经NF 处理后的各项截留率[6]Tab.2　Re jectionratesofexam plefornanofiltration项　目进料出水截留率/%pH6.3 6.4—电导率/(μS ・cm -1)614329.5COD/(mg ・L -1)1700070095.88BOD 5/(mg ・L -1)48028041.62[NH 3]/(mg ・L -1)3350142057.61[SO 42-]/(mg ・L -1)31200234592.48[Cl -]/(mg ・L -1)1276017730-38.95[Ca 2+]/(mg ・L -1)267018793.00[M g 2+]/(mg ・L -1)103072.792.94[Na +]/(mg ・L -1)10900501054.044　组合膜工艺波兰的Piatkiewicz 等[10]对垃圾渗滤液“预过滤—MF (微滤)—UF (超滤)—RO ”的膜组合处理工艺进行了研究.在MF 阶段控制液体的线流速为411～4.3m/s,以保持在膜组件呈湍流状态,并且每隔15min 反冲洗MF 膜,以保持流量稳定在35～40L/m2,此阶段的截留率为25%～35%.UF阶段采用串联组件方式,流量约为18L/m 2,此阶段的截留率为5%～10%.分别收集MF 、UF 和RO 后的出水并进行分析.他们认为,尽管MF 阶段的截留率较高,但此过程可以忽略,因为MF 和UF 的出水水质相差不大.渗滤液经预处理后,直接泵入UF 阶段,流量并不减小.在HPRO 的实际运行中,由于膜压实、污染和CaSO 4结垢等因素的影响,限制了操作压的进一步提高,例如在德国的垃圾填埋场中,只有两家的操作压达到了20MPa [8].如果将NF 、RO 和HPRO 进行组装处理垃圾渗滤液,可以得到更高的出水回收率.在2.0～4.0MPa 操作压的条件下,NF 将RO 的截留液分离成两部分,一部分是主要含有二价无机物(如CaSO 4)和有机物的截留液;另一部分是主要含有氯化物的渗出水,进而再由HPRO 处理,因此大大降低了膜结垢现象的发生.这要求选择合适的NF 膜及组件,对进料流速、压降、膜清洗方法和耐污性能等综合因素进行合理地设计,以达到好的性能价格比.据报道,用此项技术处理渗滤液,虽然NF-HPRO 组合处理能耗很高,但由于大部分水是经6MPaRO 回收的(如图3),所以,和其它处理过程相比,整个组合膜工艺处理过程的能耗是很低的,只有8.5～12kW ・h/m 3(回收率95%).组合膜工艺处理垃圾渗滤液的流程如图4所示[8].图3　“RO-NF/晶化-HPRO ”膜组合工艺水回收率示意图Fig.3　Recoveryratesofwaterforthe processcombinationofRO-NF/crystallisation-HRPO该工艺流程的关键之处在于把NF 和晶化单元　第5期张宏忠等:垃圾渗滤液膜处理技术・71　・　图4　“RO-NF/晶化-HPRO ”膜组合工艺处理垃圾渗滤液流程图Fig.4　SchematicfortheprocesscombinationofRO-NF/crystallisation-HRPO组装成一个循环系统,NF 的驱动压差为2～5MPa,在高浓度有机物和CaSO 4超饱和的状态下连续运行.循环系统用于处理来自12MPaRO 阶段的浓缩液,由于NF 的出水中主要含有氯化物,因此可以经过14MPaHPRO进行深度处理.安装合适的NF 膜组件,如德国Rochem 公司开发的堆垛式(stacks )NF 膜组件,不会出现膜结垢现象.目前还不清楚CaSO 4为何在降压后会立即自发地沉淀下来,而在NF 膜组件中却不会发生.Rautenbach 认为[8],这可能是溶解空气在降压后形成的具有晶核作用的微小气泡所致.5　综合工艺将膜技术与其它常规分离(如化学处理、吸附、生化处理)结合也可以得到很好的处理效果.Vis 2vanathan 等[11]以粉状活性炭(PAC )作为预处理,错流MF (CFMF )定期反冲洗处理垃圾渗滤液,再用O 3进行后期处理.研究表明,水通量随PAC 的投放量增大而增大,最佳投放量为30g/L,能有效去除COD 和色度.Pirbazari 等[12]提出超滤-生物活性炭技术(UF-BAC )能高效处理垃圾渗滤液.该工艺使用生物活性的粉状活性炭同时吸附和降解有机物质,管式错流UF 膜组件将胶体和微生物分离,出水水质很高.用两种渗滤液水样进行试验,TOC 的去除率为95%～98%,特种有机污染物的去除率超过97%.研究表明,添加1%的PAC,能减小由于膜结垢和浓差极化引起的水通量的下降,并且提高传质效率.Rautenbach 等[13]曾在4个填埋场进行了中试,以论证过程的可靠性和能耗情况,该过程专利名为BioMembrat-Plus ,如图5所示.过程由生物反应器、NF 、化学氧化和吸附装置组成,特点是使用了由柱塞流反硝管和全混合式槽组成的加压生物反应器,用UF 分离活性污泥.活性污泥生物反应器分为好氧和厌氧两级.好氧过程进行氨的消化,同时进行可生物降解有机物的降解.厌氧反应器的作用是降低硝酸盐的浓度.UF 装置将活性污泥截留后送回硝化槽,对活性污泥截留率都可达到100%,反应器中污泥浓度可高达25g/L.NF 膜可以截留未生物降解的大分子有机物,对COD 的截留率可达98%,其浓缩液大部分循环回生物反应器,使这些组分在反应器内的停留时间和浓度大大增加,结果增加了难降解组分的生物降解率,因此生物反应器与NF 耦合的过程特别适用于在常规生物反应器中因停留时间短、浓度低而难以降解的体系.图5　BioMembrat-Plus处理过程示意图Fig.5　DiagramfortheprocessesofBiomembrat-Plus6　结束语随着社会的进步和发展、人民生活水平的提高,社会将对环保工作提出更加严格的要求,垃圾渗滤液的处理必须采用更为先进、合理的处理方法.膜分离技术的应用,解决了一些传统技术无法解决的难题(如垃圾渗滤液的处理),因此,已成为世界各国竞相研究和应用的热点.在吸收国外成功经验的基础上,结合我国国情,针对生活垃圾卫生填埋场渗滤液的性质,制定合理和有效的渗滤液膜分离处理新工艺,完全符合国家大力支持和发展的环保产业政策和技术政策,对提高我国城市垃圾渗滤液的处理技术水平,根除二次污染源有着重大意义.参考文献[1]ChianE.Stabilityofor 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