软化改性耦合超滤膜预处理垃圾渗滤液

都军东 邱宗炼 学贤 陈福达 董正军 方艺民

（1 光大环保（中国）有限公司 广东深圳 518000 2 厦门嘉戎技术股份有限公司 福建厦门 361101）

0 引言

随着国民经济的不断发展，人民生活水平也在不断提高。但是在这个过程中也伴生了许许多多的问题，生活垃圾问题便是其中一个。当前，我国产生的生活垃圾以每年10%的速率增加，预计到2030 年，我国的生活垃圾总量将超过4 亿t［1］。目前，我国生活垃圾的处理方式还是以卫生填埋为主［2］。随着时间的推移，填埋垃圾会产生大量渗滤液。若渗滤液无法得到合适的处理，将会对周围的地下水、地表水和周围环境造成严重危害［3］。

垃圾渗滤液指的是在垃圾堆放期间由于自然降水、地表径流和地下水渗入垃圾堆，经过降解和垃圾的截留作用，产生的一股高悬浮物浓度、高浓度有机和无机成分的废水［4］。垃圾渗滤液会导致水体富营养化和缺氧，甚至会危及鱼类和农作物的生存条件，对整个生态环境造成严重的破坏［5］。

目前，针对垃圾渗滤液水质波动大和成分复杂的性质，膜分离技术由于其高效的截留性能被广泛地应用在渗滤液的处理工艺中［6］。其中，碟管式反渗透膜（DTRO）因其特殊的结构，具有强大的耐高压和高污染的优点，即便在高浊度和高盐分的条件下也能够运行，其出水水质稳定且被成功地应用于许多领域中［7-9］。但在DTRO 膜设备长期运行中，膜表面也经常出现严重的有机或者无机污染。为了维持膜组件的正常运行，经常需要对其进行化学清洗，造成了运营成本的增加。因此，针对膜污染问题，急需开发适宜的预处理方法。

软化处理可以有效地去除废水中的硬度，是1 种显著减弱无机污染的方法。目前主要的软化方法有化学沉淀法、电渗析法、离子交换法［10］。后2 种方法主要对进水水质要求高，成本较为昂贵。相对而言，化学沉淀法价格便宜、操作简单且软化效果也不错，因此更适合于渗滤液的预处理［11］。化学沉淀法中，熟石灰和片碱是2 种主要的软化试剂，其中熟石灰软化不仅能够去除硬度，还具有一定的混凝效果，能够去除部分有机物，但使用时操作繁杂并且进水水质对去除效果影响较大，从而导致出水水质不稳定［12］；片碱软化在实际过程中，操作较为简便、可控，但片碱成本较高且对有机物的去除效果较差。综上，软化处理之后因其出水水质不稳定，还应作进一步的处理。

超滤膜处理能够有效地去除废水中胶体和悬浮物质，常作为反渗透膜的前处理方法［13］。与此同时，管式超滤膜具有流道较宽、不易受污染且易清洗的特点［14］，因此，相对于其他类型的超滤膜，管式超滤更适用于高浓度的废水处理。本文采用软化混凝+管式超滤的组合工艺对垃圾渗滤液进行预处理，考察了不同软化混凝方法和管式超滤膜对废水的处理效果。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验工艺流程如图1 所示。首先，原水通过潜水泵从调节池被泵入反应罐；然后，投加实验药剂进行反应30 min 且沉淀30 min，并将沉淀后的上清液泵入进料罐；最后，将进料罐的废水泵入超滤膜组件，控制超滤参数进行过滤，浓缩液回流至进料罐，淡水进入产水罐。本文中管式超滤膜组件由德国Memos公司提供，其材质为聚偏氟乙烯且截留分子量为10 万左右，每支膜有效膜面积为0.44 m2。

图1 实验流程图

1.2 水质分析

本文中渗滤液取自四川某垃圾填埋场，其主要的水质指标如表1 所示，可以看出该填埋场渗滤液有机物浓度较高而硬度较低，因此在后续的实验中衡量处理效果时以COD 去除率为主，硬度次之。

表1 原水水质表

1.3 分析方法

COD 检测采用重铬酸钾法（GB 11914—89）；氨氮检测采用纳氏试剂法（HJ 535—2009）；钙镁离子和总硬度检测采用EDTA 滴定法（GBT 7477—87）；pH 检测采用pH 计（雷磁DDS-11A）。

2 结果与讨论

2.1 软化混凝效果

熟石灰和片碱是2 种常用的除硬药剂，同时2 种药剂还具有不同程度的混凝效果。分别采用熟石灰和片碱溶液对原水进行软化和混凝，比较两者的去除效果，进而选出更为合适的预处理药剂。

（1）熟石灰处理效果。投加10.0 %熟石灰溶液，分别调节原水pH 至8.5、9.0、9.5、10.0 和10.5。不同pH 条件下原水水质各指标的去除率如表2 所示。

表2 不同pH 条件下原水水质各指标的去除率（投加熟石灰）（%）

可以发现，随着pH 的上升，原水中的COD、氨氮和总碱度的去除率也呈现上升的趋势。此外，钙、镁硬度和总硬度去除率随着pH 的上升则出现先上升后下降的趋势，且当pH 为10.0 时3 个指标去除率达到最大，分别为77.8%、71.4%和75.0%。因此，当使用熟石灰作为软化混凝药剂时，宜将pH 调节至10.0。

（2）片碱处理效果。投加30.0%片碱溶液，分别调节原水pH 至8.5、9.0、9.5、10.0 和10.5。不同pH 条件下原水水质各指标的去除率如表3 所示。

表3 不同pH 条件下原水水质各指标的去除率（投加片碱）（%）

由表3 可知，通过片碱调节废水pH 时确实能够降低废水中的COD、氨氮、钙镁硬度和总硬度等浓度，但去除效果相对不明显，最佳的去除效果出现在pH 为10.5 时，此时COD、氨氮、钙镁硬度和总硬度去除率分别为19.0%、23.3%、11.6%、14.3%和12.5%。

综上可知，使用片碱作为软化混凝药剂，对废水中的污染指标去除效果比较差。因此，相对而言，熟石灰是1 种更加合适的软化药剂。

2.2 超滤处理效果

根据实验结论，选用熟石灰作为预处理药剂，同时通过熟石灰调节废水pH 至10.0。软化混凝之后沉淀30 min，取上清液进行超滤处理。超滤过程中，调节进水压力为0.3 MPa，入膜流量为16.0 m3/h。超滤膜通量和运行时间、浓缩倍数的关系分别如图2 和图3 所示。

图2 超滤膜通量与运行时间的关系

图3 不同浓缩倍数超滤膜通量变化趋势

由图2 可知，经过预处理过后，超滤膜通量保持在较高的水平。在不浓缩的条件下，当运行时间达到10 h 时，超滤膜通量还能维持在100 L/（m2·h）以上，这说明预处理能够改善超滤膜污染现象。其次，如图3 所示，随着浓缩倍数的增加，超滤膜通量也在不断降低，并且当浓缩倍数大于4 时，其超滤膜通量小于50 L/（m2·h），过低的膜通量会增加运行成本，因此适宜的浓缩倍数为2 倍～4 倍之间。

最后，对超滤淡水的水质进行检测，其水质检测结果如表4 所示。可以发现，预处理+管式超滤处理之后，淡水相对于原水，其COD、氨氮、钙镁硬度、总硬度和总碱度都出现了不同程度的下降。其中COD 去除率达到了46.9%，钙镁硬度和总硬度出现明显下降，其去除率分别为77.3%、71.4%和73.3%。

表4 超滤膜淡水水质及去除效果

3 结论

在本文中，软化混凝+管式超滤预处理工艺被应用在垃圾渗滤液的处理中，其中主要的结论如下：

（1）片碱的软化混凝效果较差，最佳的去除效果出现在pH 为10.5 时。此时COD、氨氮、钙镁硬度和总硬度去除率分别为19.0 %、23.3 %、11.6 %、14.3 %和12.5 %。

（2）熟石灰对原水能够起到较好的软化混凝效果。当原水pH 的上升，钙镁硬度和总硬度去除率随着pH 的上升则出现先上升后下降的趋势，且当pH 为10.0 时3 个指标去除率达到最大，分别为77.8%、71.4%和75.0%。此时原水COD、氨氮和总碱度的去除率分别为16.8 %、15.2 %和25.0 %。

（3）预处理+管式超滤处理之后，淡水相对于原水其COD、氨氮、钙镁硬度、总硬度和总碱度都出现了不同程度的下降。其中COD 去除率达到了46.9%，钙镁硬度和总硬度出现明显下降，其去除率分别为77.3%、71.4%和73.3%，能够有效地降低后续DTRO 膜浓缩过程中产生的有机和无机污染。