正渗透工艺处理垃圾渗滤液DTRO膜浓缩液应用实例

李方玉

（辽宁北方环境保护有限公司，辽宁沈阳 110034）

1 引言

垃圾渗滤液采用膜过滤处理的过程中，渗滤液中的大部分污染物通过物理过程转移富集于浓缩液中，并没有实现彻底的去除［1-2］。浓缩液大部分呈棕黑色，色度大，浊度、COD及电导率高，盐含量较高，且含有大量的金属离子，如何有效地解决垃圾渗滤液经膜处理后产生的膜浓缩液处理问题，是渗滤液处理达标排放、满足生活垃圾卫生填埋污染控制标准的技术关键和难点［3］。采用正渗透工艺对垃圾渗滤液膜处理过程中膜浓缩液进行再浓缩，通过工程实例分析，为今后沈阳市乃至辽宁省垃圾渗滤液处理工程提供参考和借鉴［4-5］。

2 工程概况

工程采用“预处理＋两级DTRO＋离子交换”和“浓缩液浸没式蒸发”的复合式工艺，设计出水水质达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准［6］。浸没式蒸发工艺处理膜浓缩液，在运行过程中受高浓度COD等有机物影响，产物为70%～90%含水率的高浓缩比废液，同时具有高能耗、成本高及蒸发过程中臭气二次污染等缺点，因此采用正渗透工艺对膜浓缩液进行再浓缩，减少进入末端浸没式蒸发工艺的浓缩液总量，从而降低成本［7-9］。

3 工艺设计

3.1 水质水量

设计处理规模为12 m3/d（以产水计），设计进水水质主要指标见表1。

表1 进水水质设计指标

设计出水水质主要指标见表2。设计出水水质要求达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级标准。

表2 出水水质设计指标 mg/L

3.2 工艺流程

依次通过石灰反应池、PAM反应池、斜管沉淀池、PCF过滤器以及保安过滤器去除垃圾渗滤液中的悬浮物和大颗粒污染物，预处理系统出水经增压泵进入两级DTRO系统和离子交换系统，合格产水外排。浓缩液处理包括正渗透和浸没式蒸发两个过程：浓缩液进入正渗透系统进行再浓缩，合格产水外排；超浓缩液进入浸没式蒸发系统进行处理。

正渗透处理主要工艺流程如图1所示。正渗透系统为3段式设计，包含FO膜原件、废水进水增压泵、废水进水过滤器、汲取液进水增压泵、汲取液进水过滤器、废水循环泵、汲取液循环泵、进水加药装置以及汲取液回收系统。废水首先进入FO进行深度浓缩，浓缩的废水从FO系统第3阶段排出，汲取液（NaCl）以逆流方式进入系统，即在第3阶段开始进入系统并在第1阶段流出。稀释汲取液进入HBCR系统处理回收。

图1 正渗透处理工艺流程

3.3 主要设备参数

3.3.1 正渗透膜参数

正渗透膜主要参数及规格见表3。

表3 膜参数及规格

3.3.2 主要设备参数

主要设备参数见表4。

表4 主要设备参数

4 运行效果分析

正渗透处理DTRO膜浓缩液的过程中，运行效果不仅与膜材料和膜结构相关，还与运行过程中的操作条件密切相关。以垃圾渗滤液DTRO膜浓缩液为实验用水，氯化钠为汲取液，分别研究了操作温度、pH、原水流量、汲取液浓度对正渗透减量处理DTRO膜浓缩液的影响，以确定最佳运行工况。

4.1 温度的影响

温度不仅对溶液的物理性质（密度、渗透压、扩散系数、黏度）有十分重要的影响，而且是影响能耗高低的重要因素。实验条件：进水为DTRO膜浓缩液，pH为5.0，汲取液为10%氯化钠溶液，膜浓缩液在膜表面流量为25 m3/h，温度分别取30，32，34，36，38，40，42℃。膜通量变化情况如图2所示。

图2 温度对膜通量的影响

由图2可知，当温度缓慢上升，膜通量有明显的上升趋势。当温度为30℃时膜通量为1.19 L/（m2·h），温度为40℃时膜通量为1.67 L/（m2·h），较20℃时提升了0.48 L/（m2·h），这是因为温度升高，增加了水的传质能力，提高了水的传质系数，有利于提高膜的渗透性能，故膜通量增高。当温度为42℃时膜通量为1.68 L/（m2·h），较40℃时的膜通量相差不明显，同时升高温度提高了溶液中盐的扩散系数，膜的截留性能会稍微下降。

表5为不同温度条件下正渗透系统回收率及对DTRO膜浓缩液再浓缩的效果。由表5可以看出，温度升高时系统回收率和浓缩倍率均有所提高，但当温度高于40℃时，系统回收率和浓缩倍率提高不明显。

表5 温度对系统回收率及浓缩倍率的影响

从以上分析可以发现，温度对于正渗透的工艺性能有着复杂影响。一方面，温度升高有利于膜通量的提高；另一方面，温度也不易过高，超过40℃时，膜通量、系统回收率及浓缩倍率变化不明显，据此，确定后续工况最佳温度为40℃。

4.2 pH的影响

实验条件：进水为DTRO膜浓缩液，温度为40℃，汲取液为10%氯化钠溶液，膜浓缩液在膜表面流量为25 m3/h，进水pH分别取3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.5，7.0。图3为不同进水pH时膜通量的变化情况。

图3 进水pH对膜通量的影响

从图3可见，进水pH对膜通量影响不明显。当pH为中性时（pH 6～7），膜通量有小幅度下降趋势。进水pH对溶液中有机物、膜表面的电荷特性均有一定影响，从而影响污染物在膜表面的结垢或结晶行为。通常溶液中的有机物、胶体物质容易带有负电荷，调整pH至酸性后，这类物质的电荷趋于中性，不容易在膜表面附着。pH为酸性时，活性层侧膜表面的H＋浓度越高，越有利于抑制膜表面CaCO3等的结垢，从而在一定时间内维持膜通量。

不同pH下系统的回收率及浓缩倍率见表6。由表6可见，进水pH对正渗透工艺性能影响不大，但就长期运行而言，进水pH宜维持在6.0左右。

表6 pH对系统回收率及浓缩倍率的影响

4.3 膜面流量的影响

实验条件：进水为DTRO膜浓缩液，温度为40℃，pH为6.0，汲取液为10%氯化钠溶液，膜面流量分别取15，20，25，30，35，40 m3/h。图4为不同膜面流量条件下膜通量的变化情况。

图4 膜面流量对膜通量的影响

由图4可以看出，随着膜面流量的增加，膜通量先增大后减小。这是由于增大膜面流量，膜面流速进而增大，即增加了膜表面的湍流流速，减小了膜表面的浓差极化，故膜通量增大；但是由于流速过大，又降低了膜两侧的渗透压差，降低了膜的渗透推动力，导致膜通量有下降趋势。

不同膜面流量条件下系统的回收率及浓缩倍率见表7。由表7可知，当膜面流量为30 m3/h时，系统回收率和浓缩倍率最高，分别为45.36%和1.83。

表7 膜面流量对系统回收率及浓缩倍率的影响

综上所述，最佳膜面流量为30 m3/h，此时，浓差极化的作用已降至很低，膜通量较高。若膜面流量过高，不但会降低渗透压差，还可能导致驱动流体循环的泵消耗的能量过高。

4.4 汲取液浓度的影响

实验条件：进水为DTRO膜浓缩液，温度为40℃，pH为6.0，膜面流量为30 m3/h，汲取液氯化钠浓度分别为8%，10%，12%，14%，16%，18%。实验结果如图5所示。

图5 汲取液氯化钠浓度对膜通量的影响

结果表明，当汲取液浓度升高，膜通量有上升趋势，当汲取液氯化钠浓度小于14%时，随着汲取液浓度增大，膜通量迅速增大；当汲取液氯化钠浓度大于14%时，膜通量趋于平稳。这是由于汲取液浓度增大，渗透压差逐渐升高，正渗透是以渗透压差作为推动力，因此，膜通量也会显著上升。汲取液浓度过高会加剧浓差极化现象带来的不利影响，使膜通量趋向平稳。

表8为不同汲取液浓度下，正渗透系统的回收率及对原水的浓缩程度。由表8可以看出，在汲取液氯化钠浓度大于14%时，回收率大于50%，最高可达到55.77%，对DTRO膜浓缩液可进一步减量一倍。综合考虑运行成本、药剂成本等因素，最佳汲取液氯化钠浓度为14%。

表8 汲取液氯化钠浓度对系统回收率及浓缩倍率的影响

4.5 小结

通过研究温度、pH、膜面流量、汲取液浓度等因素对正渗透膜通量、回收率等工艺性能的影响，得出以下几点结论：

（1）温度对正渗透的膜通量有较大影响，膜通量随温度升高而增大，但温度升高能耗增大，综合考虑工艺运行情况，最佳温度为40℃。

（2）进水pH对正渗透系统影响不是很明显，一般进水pH在6.0左右即可。

（3）膜面流量对膜通量有较大影响，膜通量随着膜面流量的提高先增大后减小，确定最佳膜面流量为30 m3/h。

（4）膜通量随汲取液浓度的增大而增大，综合考虑运行成本、药剂成本等因素，最佳汲取液氯化钠浓度为14%。在最佳运行条件下，系统回收率大于50%，渗滤液浓缩倍率大于2。

5 经济效益分析

垃圾渗滤液膜浓缩液处理困难，国内外膜浓缩液的处理技术存在二次污染、能耗高、成本高等不足之处。因此必须对膜浓缩液进行进一步的减量处理，减少进入末端处置的浓缩液量。根据以上研究可知，在最佳运行条件下，正渗透系统可对DTRO膜浓缩液减量50%以上，具有可观的经济效益。

6 结语

正渗透可作为垃圾渗滤液膜浓缩液减量处理工艺，与其他浓缩液末端处理工艺组合，集成以正渗透为核心的浓缩液处理新工艺，形成一种小规模垃圾渗滤液全量化应急处理系统，可以解决垃圾渗滤液处理难、处理不彻底、浓缩液处理成本高等问题。