软化+微滤膜工艺处理填埋场渗滤液的中试研究

袁瑞庆，陆东蛟，李佳，张袁雨，王帅旗

（南京环美科技股份有限公司，江苏南京210012）

截至2016 年，我国城市垃圾卫生填埋场已有657座，填埋场垃圾渗滤液量9 152 万吨，处理规模巨大。目前填埋场渗滤液运营遇到的问题主要有管道严重结垢和膜污堵频繁等。陈石等发现深圳市下坪垃圾填埋场渗滤液排污管中，结垢物中CaCO的含量为91.5%，渗滤液的总硬度高是造成管道结垢的直接原因。污水中部分二价金属离子如Ca等形成的难溶沉淀物会沉积在膜表面或堵塞膜孔，最终会降低滤膜的能效，影响膜的使用寿命。

目前渗滤液硬度去除工艺主要集中于垃圾焚烧厂，多数焚烧厂渗滤液的硬度高、碱度充足，硬度去除较为容易。针对填埋场渗滤液硬度去除的报道尚少。研究表明，垃圾经填埋后，渗滤液的水质总硬度可达3 000～10 000 mg/L，且该类渗滤液的碱度低，无法照搬焚烧厂渗滤液的除硬工艺。近年来，为缓解填埋压力，多数填埋场旁开始新建焚烧厂以应对过高的垃圾堆体，填埋场渗滤液开始掺杂焚烧厂的飞灰水、新鲜渗滤液等污水，水质向高硬度、低碱度的方向发展。

为了解决这一问题，同时探索ePTFE材质的微滤膜在实际应用中的优劣，本文选取安徽阜阳某生活垃圾填埋场处理工段中的超滤产水为原水，建立软化微滤中试装置，研究填埋场渗滤液硬度的去除效能及微滤膜的过滤性能。

1 试验原理与装置

1.1 试验原理

采用石灰纯碱法。针对高硬度、低碱度的渗滤液，采用石灰去除水体中的碳酸盐硬度，纯碱去除水体中的非碳酸盐硬度，利用微滤膜过滤生成的沉淀物。

1.2 原水水质

试验期间主要水质指标如表1。

表1 原水主要水质指标

1.3 试验装置

试验流程如图1所示，中试系统进水水量为3 m/h。试验包括石灰乳投配、软化和微滤3 个集装箱装置、碳酸钠投加装置和辅助系统。从现场超滤产水罐内用潜水泵取水，进入软化装置的反应池，同时向反应池投加石灰乳投配装置制备的10%石灰乳和碳酸钠溶液，经反应后进入沉降池沉淀，上清液进入中间池，打入微滤装置进行过滤，产水进入滤液池，污泥至板框压滤。微滤装置自带集水槽，承接清洗排污水。

本中试采用亲水性改性的膨体聚四氟乙烯膜（ePTFE 膜）。据徐鹏飞等人报道，聚四氟乙烯微滤膜的性能优越，耐热性能极高，能忍受微生物的侵袭，同时耐酸碱、抗氧化性能强。微滤膜自身耐油污、耐高压、表面摩擦系数低，具有良好的力学性能。

试验用膜组件的特性如表2所示。

表2 膜组件的特性

表3 运行方式

微滤膜的运行方式见表3。

图1 试验装置流程

2 结果与讨论

2.1 加药量及进出水情况（表4）

表4 加药量及进出水情况

软化加药量见表4。本次中试采用石灰纯碱法去除填埋场高硬度、低碱度的渗滤液。陈石等分析得出，通过合适的水处理降低渗滤液总硬度和总碱度，是解决工艺管道结垢的根本方法。通过实验室小试初步确定中试所需的药剂种类和加药量。本中试采用石灰乳和碳酸钠同时投加的方式，软化装置的反应停留时间为2 h。如表4 所示，当进水硬度变化时，碳酸钠和石灰乳的加药量不尽相同，总体趋势表现为进水硬度越高，碳酸钠的投加量越多。石灰乳的投加量无明显变化，可能是由于将原水pH 升至11.5 所用的石灰乳量无太大变化。

图2 对硬度的去除效果

2.2 对硬度的去除效果

软化微滤装置对硬度的去除效果见图2。中试时以反应池pH维持在11.5控制石灰的加药量，以最终产水总硬度＜100 mg/L控制碳酸钠的加药量。试验期间，稳定运行后，可将进水2 920 mg/L的总硬度（以CaCO计）降至40 mg/L，综合10 d的运行数据，总硬度（以CaCO计）的去除率为94%～99%。继续加大碳酸钠的投加量，总硬度还可进一步下降。但综合考虑运行成本、产泥量和膜深度处理系统的结垢条件，将总硬度维持在100 mg/L以下，即可保证后端高压膜结垢频率大大减少。

2.3 pH的变化

图3 pH的变化

中试装置运行稳定，气动调节阀与pH连锁控制，可将出水pH稳定在11.5左右。此时，水体中90%以上的碳酸以CO的形式存在，石灰软化基本反应完全，见图3。

2.4 对COD的去除效果

图4 对COD的去除效果

COD的去除情况见图4，渗滤液处理站超滤产水通常已经过生化处理，大部分的可生物降解有机物在生化段已被分解，剩余的为腐殖酸类等难生物降解和少数未被反应的易生物降解的COD。从图4看，软化微滤对超滤产水的COD 具有一定的去除效果，平均去除率为16.2%。试验期间，COD 去除率最高为21%，超滤产水COD 为936 mg/L，经软化微滤后COD 降至736 mg/L。这可能是因为石灰水沉淀了部分有机污染物，且微滤膜在去除浊度的过程中，也会拦截颗粒性的有机物。

2.5 产水流量的变化

图5 产水流量的变化

微滤膜运行参数为单支膜、反洗频率30 min、反洗时间20 s、操作压力0.8 bar。运行第一个30 min 内，微滤膜的产水平均流量为2.11 m/h，产水流量由2.83 m/h降至1.72 m/h；30～60 min，产水平均流量为2.51 m/h，产水流量由3.21 m/h 降至2.12 m/h；60～90 min，产水平均流量为2.86 m/h，产水流量由3.23 m/h 降至2.39 mh。总平均产水流量为2.49 m/h，见图5。

每一个反洗周期内，随运行时间膜产水流量持续下降。这是因为初始过滤时，软化单元未沉淀的颗粒污染物会不断积累在膜表面，膜孔逐渐被堵塞，膜表面形成的凝胶层使产水流量不断减小。反洗后膜的初始产水流量可恢复甚至高于开机值，分析超滤产水的微生物较少，且微滤膜刚开机运行时，膜上仍附着先前残留的污泥。采用气水联合反冲洗时，膜表面积累的可逆污染物会被冲刷干净，膜孔过滤面积甚至超过开机时的数值。

2.6 膜通量变化情况

图6 膜通量与膜污染物质浓度的关系

由图6 所示，微滤膜的膜通量在一个反洗周期内，随运行时间延长，膜通量不断下降。当进膜污泥浓度升高时，膜的初始通量不断下降，连续运行时的通量衰减更快，说明微滤膜的进水中仍残留软化装置未沉淀的固体物质，需要进行截留。试验发现，正常运行时，当污泥浓度达到1.13 g/L 时，反洗后，膜通量可恢复至初始通量的90%以上。当进膜污泥浓度人为增大到4.97 g/L时，每个反洗周期后的膜初始通量分别为413.33 L/m·h，405 L/m·h，365 L/m·h，326.67 L/m·h。膜初始通量的衰减率为2.02%、9.90%、10.50%。

试验表明，进膜污泥浓度增大时，膜通量衰减率增高，但微滤膜产水水质依然澄清，出水污泥浓度低，很好地截留了后端工艺如反渗透膜进水的固体物质，有效防止后续RO膜等高压膜的污堵。

3 结论

阜阳市某生活垃圾填埋场渗滤液超滤产水的水质并不稳定，总硬度存在较大波动，但总体表现为硬度高、碱度低的水质特征。水中存在大量离子，尤其是Ca、Mg、Ba、Sr等易在反渗透膜上结垢，采用石灰纯碱法将其去除有助于提高反渗透的回收率。通过控制加药量和将pH值维持在11.5，可以去除94%～99%的硬度，同时去除部分COD，COD的平均去除率为16.2%。碳酸钠投加量控制在1.40～2.70 g/L，石灰投加量控制在0.90～1.00 g/L。

微滤膜设置运行支数1 支，反洗频率30 min，反洗时间20 s。微滤膜连续运行90 min 的平均产水流量为2.11～2.86 m/h，膜初始运行时的通量可达500 L/m·h。在正常运行工况下，膜通量能始终维持在300～500 LMH。当人为增大进膜污泥浓度后，微滤膜通量的衰减速度明显加快，当运行30 min 后，膜通量会衰减至200 LMH及以下。当进膜污泥浓度为4.97 g/L时，膜通量衰减更为迅速。虽然增大污泥浓度会造成膜通量过快衰减，但微滤膜的过滤性能依然优异，出水始终澄清，且膜自身没有发生任何损坏，膜材质性能优异。