疏水膜脱除污泥渗滤液氨氮的工艺研究

李海明 苑辉 陈继跃 杨涛 皇甫风云

摘要：聚丙烯中空纤维膜属于疏水膜，具有透气不透水的性能，膜孔能够允许气体分子通过，而液体被截留在膜的一侧。实验所用污泥渗滤液的氨氮含量在600mg/L左右，通过提高污泥渗滤液的pH值，能够把渗滤液中游离的氨离子转换成氨分子。膜的内侧通入污泥渗滤液，膜的外侧通入硫酸吸收液。当用离心泵提供动力时，在膜两侧形成氨分子的分压差，渗滤液中的氨分子就能够脱离渗滤液，通过膜孔扩散到膜的外侧，与外侧的酸吸收液结合形成铵盐。通过调节污泥渗滤液的不同pH值、不同温度和不同压力，考察渗滤液氨氮的脱除效率。

关键词：聚丙烯;污泥渗滤液;氨氮;氨分子

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）05-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.05.060

Abstract：Polypropylene hollow fiber membranes belong to hydrophobic membranes，performances of air permeability and water impermeability，membrane holes allow gas molecules to pass through，while liquids are trapped on one side of the membrane.The ammonia nitrogen content of sludge leachate used in the experiment is about 600 mg/L，By increasing the pH value of sludge leachate，free ammonia ions in leachate can be converted into ammonia molecules.The inner part of the membrane is filled with sludge leachate， and the outer part of the membrane is filled with sulfuric acid absorbent.When the centrifugal pump is used to provide power，the partial pressure difference of ammonia molecules is formed on both sides of the membrane，the ammonia molecules in the leachate can be separated from the leachate， diffused to the outside of the membrane through the membrane pore，and combined with the acid absorption solution outside to form ammonium salt.The removal efficiency of ammonia nitrogen in sludge leachate was investigated by adjusting the different pH， temperature and pressure of sludge leachate.

Keywords： Polypropylene; Sludge leachate;Ammonia nitrogen; Ammonia molecule

污泥滲滤液是指污泥填埋场经过长时间堆积存放产生的渗滤液，渗滤液的成分复杂，含盐量高，氨氮含量较高，处理难度较大，生化效率低，生化时需要投加大量碳源，处理成本较高。在生化前，先将渗滤液的氨氮含量降低到一定数值，使污泥渗滤液的碳氮比达到满足生化的要求，能够大大降低碳源的投加量，提高生化的效率，降低污泥渗滤液的处理成本。膜分离是利用具有选择透过性的材料制备的膜作为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、温度差、压力差或电压差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，达到对混合物的分离并实现产物的提取、纯化、浓缩、分级等目的的一种新型分离过程。中空纤维膜有着广泛应用，膜技术在污水处理、超纯水制备等领域的中心地位，已越来越被更多的工业行业所认识，同时纯水、超纯水制造技术、装备的进步也极大地推动了现在高科技的发展。聚丙烯[1-2]是典型的半结晶等规聚合物，是一种优良的通用材料[3-4]，具有耐化学稳定性、耐细菌侵蚀性，生物相容性、疏水性和透气性[5-6]也都比较好，具有广泛的应用前景。天津工业大学的皇甫风云教授曾发表过关于聚丙烯中空纤维疏水膜制备的影响因素，天津大学的秦英杰教授在聚丙烯疏水膜应用领域[7-8]有着比较深入的研究，在疏水膜的应用上，对疏水膜的性能和膜孔的结构有着自己独到的见解[9]。

1 实验部分

1.1 仪器与药品

聚丙烯中空纤维膜组件，山东膜源水净化科技有限公司产品;PP熔喷，山东膜源水净化科技有限公司产品;氨氮测定仪，哈纳沃德仪器（北京）有限公司产品;离心泵，南方泵业股份有限公司产品;温度计，天津市实验仪器厂产品，烧杯，天津市实验仪器厂产品;电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司;流量计，八星家居专营店产品;压力表，天津市实验仪器厂产品;硫酸溶液，天津百赛斯生物科技有限公司产品;氢氧化钠，天津百赛斯生物科技有限公司产品;聚氯化铝，衡阳市建衡实业有限公司产品;聚丙烯酰胺，衡阳市建衡实业有限公司产品。

1.2 疏水膜实验仪器的组装

利用购买的聚丙烯中空纤维膜组件、离心泵、压力表和流量计，组装实验装置，膜的内侧通入污泥渗滤液，膜的外侧通入酸。耐碱离心泵由污泥渗滤液桶中提取污泥渗滤液，经过流量计，进入膜的内测，进膜前连接压力表，用来显示进膜压力，出膜后再流入污泥渗滤液桶，耐酸离心泵由酸桶中提取酸吸收液，经过流量计，进入膜的外侧，进膜前连接压力表，用来显示进膜压力，出膜后再流入酸桶中，每经过一次循环，即完成一次脱氨氮过程，如此循环，即是利用疏水膜脱除污泥渗滤液氨氮的过程。如图1所示，即为疏水膜脱氨的工艺流程图（见图1）。

1.3 污泥渗滤液的预处理

由污泥填埋场提取污泥渗滤液，加碱调节渗滤液的pH值到9，先后加入一定量聚合氯化铝PAC和聚丙烯酰胺PAM，进行絮凝沉淀处理，提取上清液，经过PP熔喷微滤过滤后的产水作为脱氨氮的料液[10]。

1.4 硫酸吸收液的配制

用浓硫酸配制pH值在1左右的稀硫酸作为吸收液。

2 实验结果与讨论

2.1 渗滤液pH值对氨氮脱除效率的影响

氨氮废水的pH值是影响氨氮脱除效果的一个主要参数，当含氨氮废水达到一定碱性时，游离的铵离子便转化为氨分子，主要是因为当溶液的pH值升高时，化学平衡发生了移动。当游离的氨分子在膜的两侧形成分压差时，氨分子就会穿越膜孔，进入吸收液，立即与酸性溶液中的H+反应生成非挥发性的、不能逆扩散的NH4+。反应方程是：

2NH3+H2SO4=（NH4）2SO4

NH3+HNO3=NH4NO3

该过程的实质是膜蒸发、扩散与吸收的连续过程，解吸與吸收在膜的两侧同时完成。本实验主要考察了氨氮废水的pH值对氨氮脱除效率[11]的影响，用同样的污泥渗滤液，调配成不同的pH值，在相同的操作环境下，检测处理后污泥渗滤液氨氮的含量和氨氮脱除率，如图2所示。

当污泥渗滤液的pH值越高时，碱性越强，化学平衡向氨分子的方向移动，污泥渗滤液中的铵离子就会更多的像氨分子转化。经过疏水膜处理后，氨氮的脱除率越高，处理后污泥渗滤液氨氮的含量也就越低。当不断地提高pH值时，脱除率变化的越缓，可能是受膜面积与操作压力的影响。

2.2 渗滤液温度对氨氮脱除效率的影响

温度是影响氨氮废水脱除效果的一个主要因素，温度主要是通过影响铵离子的电离平衡，从而影响氨氮的脱除效率。铵离子属弱电解质，其电离平衡是吸热反应，当氨氮废水的温度升高时，铵离子的电离平衡发生移动，向正反应方向移动，转化的氨分子的比例增加，氨分子的分压差增加，在其他条件不变的条件下，氨分子透过膜孔与吸收液结合的量增大，氨氮的脱除率增加，如图3所示。

2.3 疏水膜内外侧压差对氨氮脱除效率的影响

通过实验数据的考察，发现疏水膜内外侧的压差对氨氮的脱除效率影响很小，可能的原因是膜内外侧的压力并不能有效作用在氨分子上，外力对氨分子的分压影响很小，氨分子的压差才是主要的影响因素，膜内外侧的分压差对氨氮脱除效率的影响如图4所示。

3 结论

以污泥渗滤液作为疏水膜脱氨氮的原液，利用疏水膜透气不透水的性质，通过吸收液的吸附来降低氨氮废水的氨氮值，考察了不同pH值、温度和膜内外压差对疏水膜脱氨氮效果的影响，结论如下：

（1）污泥渗滤液的pH值主要是通过影响化学平衡的移动来影响氨氮的脱除率，污泥渗滤液的pH值越高，氨氮的脱除率越高;（2）污泥渗滤液的温度主要是通过影响化学平衡的移动来影响氨氮的脱除率，温度越高，氨分子的分压差越大，氨氮的脱除率越高;（3）膜内外侧的压差对氨氮的脱除率影响不大，主要是因为膜内外侧压差不能影响氨分子分压差的大小，只起到外力的作用，所以对氨氮的脱除率基本不产生影响。

参考文献

[1]凯斯廷（美）著，王学松译.合成聚合物膜[M].北京：化学工业出版社，1992.280-281.

[2]龟井卫一，微孔型中空纤维膜[P].日本：公开特许公报，昭63-35818，1988-02-16.

[3]徐又一，徐志康等.高分子膜材料[M].北京：化学工业出版社，2005.2-5.

[4]孙卫明.微孔聚丙烯中空纤维膜[J].高分子材料科学与工程，1997，4（1）：8-12.

[5]Lloye D R，et al[J].Membrane Sci.，1991，64：1-68

[6]徐又一，陈元胜，徐昌辉等.聚乙烯硬弹性及其中空纤维微孔膜的制备、成孔机理研究[A].96第二届全国膜和膜过程学术报告会议论文集[C].杭州：1996，211-214.

[7]金日光，华幼卿.高分子物理[M].北京：化学工业出版社，2007.275-280.

[8]陈颖.聚烯烃中空纤维微孔膜的研究与进展[J].膜科学与技术，1996，21（1）：32-33.

[9]王玉江等.一种利用离子交换膜研制的电化学氧传感器[J].分析化学，1997，25（1）：10-14.

[10]李志强.聚丙烯疏水膜处理低浓度氨氮废水的试验研究[J].工业水处理，2016.

[11]陈卫文，李亚静等.膜材质对膜吸收法处理高氨氮废水的影响[J].广东化工，2016.

收稿日期：2019-02-18

作者简介：李海明（1988-），男，汉族，研究生，中级工程师，研究方向为膜分离技术、工业污水治理、污泥处理处置。

通讯作者：苑辉（1984-），女，汉族，博士，高级工程师，研究方向为水污染治理。