两级碟管式反渗透系统在垃圾渗滤液处理中的应用

蒋 卓，付永胜

(西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756)

1 前 言

卫生填埋由于具有技术相对简单、成本低的特点，是目前中国主要的城市生活垃圾的处置方式，但是其产生的垃圾渗滤液处理却随之产生出另一个困扰。目前，我国垃圾渗滤液以生化处理为主，但是高浓度氨氮与可生化性差两个难题使得传统生化法联合高级氧化、膜处理技术等物化方法成为垃圾渗滤液处理的发展趋势。其中，反渗透等膜分离技术因在出水稳定达标上有着天然的优势而越来越多的被应用在实际工程中。

自从1982年颇尔水处理有限公司研制成功碟管式反渗透装置(DTRO)，在欧美地区已经有超过200个垃圾填埋场应用了该技术，而中国在北京、上海、重庆等多个地区成功推广[1～3]。DTRO膜组件的一大特点就是能够适应高浓度、生化性不佳的垃圾渗滤液。文章通过对四川某生活垃圾填埋场渗滤液污水处理厂两级DTRO系统进行研究试验，考察其在垃圾渗滤液实际处理中的应用。

2 项目简介

2.1 工艺设计

试验依托四川某城市生活垃圾填埋场污水处理厂改建项目，原污水处理厂采用UASB+ABR+MBR+人工湿地的处理工艺，但由于水质波动较大以及运行不规范等原因，实际运行效果不理想。改建后采用气浮+臭氧+UASB+两级DTRO+RO的处理工艺，设计规模为200m3/d。

2.2 两级DTRO系统

DTRO系统由原水罐、预处理系统、一级DTRO系统、二级DTRO系统组成。其中一级DTRO系统共82支膜柱分为三段串联运行；二级系统共22支膜柱分两段串联运行。为保证系统产水回收率，二级系统及一部分一级系统浓缩液回流至一级系统。两级系统各自由一台高压柱塞泵提供机械能，并在每段进水前通过在线增压泵保证反渗透推动压力。

DTRO系统实现分离的核心在于八边型的反渗透膜，如图1 (a) 所示。稀溶液通过“S”型的错流过滤的方式通过膜片，在单只DTRO膜组件中液体通过如图1 (b) 的方式流动。

图1 DTRO构造及原理Fig.1 DTRO structure and schematic diagram

3 材料和方法

3.1 试验材料

试验采用生化处理后垃圾渗滤液作为两级DTRO系统的进水，其水质如下：COD 3 400～8 532 mg/L、氨氮901～2 032 mg/L、pH 8.1～8.2、Ca2+354.92mg/L、电导22～34.7 ms/cm。DTRO膜片则采用颇尔公司研发的芳香聚酯胺膜。

3.2 试验装置

试验装置利用安岳县垃圾填埋场污水处理站现场条件，其处理流程如图2所示，垃圾渗滤液在经过了沙滤、芯式过滤处理后通过两级串联运行的DTRO膜组件。并且对一级、二级的进水出水3个点位进行取样测量，其中一级系统的出水作为二级系统的进水。

图2 碟管式反渗透系统流程图Fig.2 Flow chart of DTRO system

3.3 分析方法

实验液体采集后立刻进行分析测定，分析仪器使用前使用仪器厂家配置的标液进行校订，以保证数据的真实有效。溶液pH和温度分别采用pH仪(E-201-L型)和温度电极(T-818-L型)测定，电导率和压力则采用传感器在线测定，流量采用浮子流量计及在旋翼式在线流量计测定。氨氮采用国标法利用EU-2000A型紫外可见光分光光度计测定。在254 nm下的吸光度表征包括芳香族化合物在内的具有不饱和碳碳键的化合物[4]。

4 结果和讨论

4.1 膜通量的变化

反渗透产水膜通量是DTRO系统的重要运行指标，膜通量的提高能有利于反渗透系统的经济效益。目前广泛接受的是溶解-扩散理论[5]来解释膜通量方程，其正比于膜机械压差与渗透压差的差值。一级DTRO系统膜通量及运行压力随时间的变化如图3 (a)所示。在一个运行周期内，通过酸泵调节原水pH至6.1～6.3，在进水温度23.4℃～23.9℃、产水膜通量10.50～10.56 L/(m2·h)条件下，一级DTRO跨膜压差随时间的关系如图3 (b) 所示。

图3 一级DTRO膜通量及压力的变化Fig.3 Change of flux and pressure in the first stage DTRO

由图3可以看出，一级DTRO系统运行后，膜两侧压差不断增加。在最初的7min内膜通量随着压差迅速的升高，但之后膜通量并不随机械压差的增加而增加并趋于稳定。分析其原因，由于压力增加以及溶剂透过导致原料液侧溶质浓度增加导致浓差极化现象[6]，使得局部阻力与渗透压升高抵消了增加的机械压。而为了保持一定的产水膜通量，在一个运行周期内运行压差不断增大，增幅达到20%。其中在100h左右出现了一个离群数据是因为当时原水罐水位过低系统停运进行了清水反洗以致跨膜压差远低于先前水平，但跨膜压差在重新正常运行后迅速升高到了停运前的水平。由此可见，在实际运行过程中膜污染的现象是显著存在的并且通过简单的清水反冲洗恢复膜通量水平是有限的。

4.2 两级DTRO运行效果

图4可以看出，在一个运行周期中一级DTRO氨氮的去除率能够达到95.1%～97.8%；电导率的去除率在96.6%～97.7%；UV254的去除率在96.4%～97.4%。

图4 一级DTRO去除率Fig.4 First stage DTRO removal rate

图5可以看出，在一个运行周期中二级DTRO氨氮的去除率为86.5%～92.1%；电导率的去除率在87.2%～89.6%；但是UV254的去除率仅在10%～40%。

图5 二级DTRO去除率Fig.5 Second stage DTRO removal rate

4.3 压力对运行效果影响

试验通过调节二级DTRO系统产水手动调节阀改变运行压差，膜通量、电导率去除率及氨氮去除率随运行压力的变化如图6所示。

图6 二级DTRO膜通量及去除率同压力变化Fig.6 Change of flux and removal rate in the second stage DTRO with pressure

由图6可以看出，对于二级DTRO而言，提高运行压力能够提高产水膜通量但一味的追求膜通量会使得DTRO去除率下降。对于此次试验在调节原水pH 6.1～6.3条件下，当二级系统压差高于1.5 MPa后去除率下降明显尤其是氨氮出水接近排放限值。

5 结 论

从去除效果及膜通量的角度研究了两级DTRO系统在垃圾渗滤液处理中的应用，得到了如下结论。

5.1 对于一级DTRO启动膜通量与压差的分析，虽然导流盘的小孔有利于溶液的扰动形成湍流，但是渗滤液溶质浓度较高，在膜表面到液相主体间仍然存在浓度梯度导致DTRO依然会存在浓差极化现象。

5.2 在调节进水pH 6.1～6.3、温度23.4℃～23.9 ℃下，一级DTRO氨氮的去除率能够达到95.1%～97.8%、脱盐率在96.6%～97.7%，UV254的去除率在96.4%～97.4%；二级DTRO氨氮去除率在86.5%～92.1%，脱盐率在87.2%～89.6%；UV254的去除率仅在10%～40%。

5.3 随着运行压力的增加，二级DTRO膜通量增加，氨氮去除率与脱盐率则降低。这点同文献[7-8]中提到的规律不同。分析其原因，在于随着压差的增加使得溶质的透过速率大于溶液的透过速率从而导致相关去除率的下降。

参考文献：

[1] Thomas A P. Desalination and industrial waste water treatment with the ROCHEN Disc Tube Module D T[J]. Desalination, 1991,83(1-3): 159-172.

[2] 武江津，刘桂中，孙长虹. 膜分离技术在垃圾渗滤液处理中的研究与应用[J]. 膜科学与技术， 2007,27(6):1-5.

[3] 左俊芳，宋延冬，王 晶. 碟管式反渗透(DTRO)技术在垃圾渗滤液处理中的应用[J]. 膜科学与技术， 2011,31(2):110-114.

[4] 席北斗，何小松，赵 越，等. 填埋垃圾稳定化进程的光谱学特性表征[J]. 光谱学与光谱分析, 2009,(9):2475-2479.

[5] Williams M E. A Review of Reverse Osmosis Theory[Z]. Williams Engineering Service Company, 2003.

[6] 王晓琳，丁 宁. 反渗透和纳滤技术与应用[M].北京,化学工业出版社,2005.

[7] 刘 飞. DTRO工艺处理垃圾渗滤液的研究[J]. 环境科技, 2015,28(2):25-29.

[8] 肖入峰. 反渗透膜系统处理维生素C凝结水试验研究[D]. 成都:西南交通大学, 2012.