城乡混合垃圾渗滤液中有机物颗粒的微米化处理研究

杨 林，姜 婷，钟 钦

（四川大学化学工程学院，成都 610041）

目前，我国每年产生大量城乡混合垃圾，但处理量偏低。城乡混合垃圾来源广泛，含水率高，产生量大，生物转化利用率高，传统的填埋和焚烧处理方式存在成本高、污染严重、周期长、有机质利用率低等弊端，不是城乡混合垃圾的最优处理方式[1-3]。近年来，好氧发酵逐渐成为大批量处理城乡混合垃圾的最佳选择。好氧发酵产生的渗滤液含有丰富的有机物，可用于生产液体肥料，实现水肥一体化利用。相比传统的固体肥料，液体肥料拥有更加灵活的配方，能够根据实际需求实时调整不同元素的配比。相较于传统化肥生产，液体肥料在生产过程中不会产生有害的化学物质，更加环保，渗滤液制备液体肥料的生产工艺更加简单，能量消耗更低。将液体肥料与滴灌技术结合，能够实现精准施肥，提高肥料利用率，同时供水供肥，使用更加方便[4-6]。但是，好氧发酵渗滤液含有粒径较大的有机物颗粒，若直接采用滴灌施肥，则可能会堵塞滴灌口。因此，本研究收集城乡混合垃圾高温堆肥处理设施产生的渗滤液，采用聚焦光束反射测量仪分析渗滤液中有机物颗粒分布和团聚情况，通过过滤手段调控有机物颗粒粒径，构建城乡混合垃圾渗滤液有机物颗粒的微米化处理技术，为进一步生产液体肥料和滴灌施肥做好准备。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

试验处理对象为好氧发酵和厌氧发酵渗滤液，采集自城乡混合垃圾高温堆肥处理设施。使用平均孔径50 nm 的氧化铝多孔陶瓷膜管，陶瓷膜管外径为0.032 m，长度为0.2 m，通道数有19 个，陶瓷膜管两端外部打磨长度为0.026 m，厚度接近0.002 m。使用浓度0.1 mol/L 的氢氧化钠溶液。主要仪器有电子分析天平、恒温磁力搅拌器、聚焦光束反射测量仪、烘箱、蠕动泵、超纯水仪、循环水真空泵和陶瓷膜过滤设备。陶瓷膜过滤设备由实验室自制。

1.2 陶瓷膜过滤设备的设计

陶瓷膜具有优异的性能，是过滤膜的首选。一是结构性能优异。具体来说，陶瓷膜组件呈管状或为多孔件，与有机膜相比，这种结构不易引起膜堵塞；流量衰减慢，即使堵塞严重，也能得到满意的流量；陶瓷膜清洗操作简单，所需时间短，费用低，膜组件内积物很少。二是无机陶瓷膜使用寿命长。在水处理中，陶瓷膜具有非常长的使用寿命，它能长时间经受各种介质的侵蚀[7-9]。所以，本试验使用平均孔径50 nm 的氧化铝多孔陶瓷膜管，并将其组装成陶瓷膜组件，如图1 所示。其中，陶瓷膜管采用快装接口，主体材料为314 钢，关键部位使用316L 钢，橡胶塞材质为聚丙烯。

图1 陶瓷膜组件的结构

为了实现物料的连续处理，设计陶瓷膜的过滤流程，如图2 所示。通过泵运输，渗滤液以错流过滤的形式从进料罐进入膜管，由两侧的压力差驱动，部分溶液选择性渗透过膜管进入渗透罐，另一部分进入排水罐[10]。试验过程中，可以通过阀门调节膜管渗透通量。

图2 陶瓷膜过滤流程

1.3 过滤及通量恢复方法

试验收集城乡混合垃圾高温堆肥处理设施产生的厌氧发酵渗滤液和好氧发酵渗滤液，分别通过滤纸过滤和陶瓷膜过滤，再采用聚焦光束反射测量仪分析过滤前后的渗滤液中有机物颗粒分布和团聚情况，研究颗粒数量、颗粒粒径以及渗滤液浊度的变化，对比滤纸与陶瓷膜的处理效果。

滤纸过滤时，滤饼层过厚会导致通量锐减，在过滤中，由于滤纸堵塞，要多次更换滤纸，极大地降低连续生产效率。在陶瓷膜过滤中，滤饼层过厚也会导致通量锐减。过滤时，可以使用较大的错流速度冲刷膜表面，减少污染，但随着使用时间的增加，陶瓷膜过滤通量不可避免地大幅减小。试验使用自来水和氢氧化钠溶液分别对陶瓷膜管进行反冲洗，并探究氢氧化钠溶液浓度对通量恢复的影响。

2 试验结果分析

2.1 厌氧发酵渗滤液过滤

将厌氧发酵渗滤液过滤前后的样品进行对比分析，其滤纸过滤和陶瓷膜过滤前后的结果如图3 所示。分析发现，经滤纸过滤，渗滤液颗粒粒径无明显的降低，但是颗粒数至少降低16%。与之相比，经陶瓷膜过滤，渗滤液颗粒粒径降低极其明显，其微米级颗粒数降低幅度超过99%。经陶瓷膜分离，粒径分布在1 ～13 μm 的颗粒降低两个数量级，达到预期效果。悬浮物浓度达到《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）的一级标准，即小于100 mg/L。

图3 厌氧发酵渗滤液过滤前后的颗粒粒径分布

从表1 可以得出，滤纸过滤和陶瓷膜过滤均能够降低渗滤液颗粒的平均粒径。经滤纸过滤，其平均粒径可以从20.292 μm 降到10.421 μm；经陶瓷膜过滤，其平均粒径可以从20.292 μm 降到9.709 μm。D50 和D90 数据显示，膜过滤对粒径分布具有一定的截断作用。

表1 厌氧发酵渗滤液过滤前后的颗粒粒径变化

2.2 好氧发酵渗滤液过滤

将好氧发酵渗滤液过滤前后的样品进行对比分析，其滤纸过滤和陶瓷膜过滤前后的结果如图4 所示。由于有氧分解比较完全，与厌氧发酵渗滤液相比，好氧发酵渗滤液悬浮物浓度较低，滤纸过滤对渗滤液颗粒数的变化无影响。而陶瓷膜过滤对好氧发酵渗滤液颗粒的脱除率超过60%。无论是采用滤纸过滤还是陶瓷膜过滤，好氧发酵渗滤液分解比较完全，在与厌氧发酵渗滤液相同的处理条件下，其悬浮物浓度可以达到《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）的一级标准。

图4 好氧发酵渗滤液过滤前后的颗粒粒径分布

从表2 可以看出，过滤对于好氧发酵渗滤液没有截断作用。经分析，主要原因是好氧发酵有机物分解比较完全。厌氧发酵渗滤液D90 为14.289 μm，与前者相比，好氧发酵渗滤液的D90 只有4.121 μm。

表2 好氧发酵渗滤液分离前后的颗粒粒径变化

2.3 通量恢复

使用滤纸过滤时，在负压0.08 MPa 的条件下进行抽滤，其处理量为0.2 L/h。随着过滤的进行，滤饼层加厚导致通量急剧下降甚至堵塞，要不断更换滤纸，连续生产效率极大地降低。与之相比，使用陶瓷膜过滤，错流速度为1.2 L/h 时，其通量为4 L/h，远大于滤纸过滤的效率。过滤2 h 后，陶瓷膜过滤通量降低，错流速度越大，通量随时间的降低幅度越大。使用自来水和氢氧化钠溶液分别对陶瓷膜管进行反冲洗，在相同时间内，使用氢氧化钠溶液的效果更加明显。经分析，有机物堵塞膜孔可能是膜污染的主要原因，而氢氧化钠溶液容易去除膜中的污垢。氢氧化钠溶液的浓度要保持在一定范围，陶瓷膜的主体材料为氧化铝，过高浓度的氢氧化钠容易和氧化铝生成偏铝酸钠，降低陶瓷膜的使用寿命，一般使用浓度0.1 mol/L的氢氧化钠溶液作为反洗液。试验发现，使用浓度0.1 mol/L 的氢氧化钠溶液冲洗10 min，即可完成陶瓷膜的通量恢复。

3 结论

城乡混合垃圾高温堆肥处理会产生很多渗滤液，其中含有大量有机物颗粒。经滤纸过滤，渗滤液颗粒粒径和浊度均明显降低，其中，厌氧发酵渗滤液颗粒脱除率大于16%，好氧发酵渗滤液发酵较为完全，滤纸过滤对颗粒数的变化无影响。经陶瓷膜过滤，厌氧发酵渗滤液颗粒脱除率大于99%，好氧发酵渗滤液颗粒脱除率可达60%，过滤后渗滤液悬浮物浓度可以达到《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）的一级标准。陶瓷膜处理渗滤液2 h 后，使用浓度0.1 mol/L的氢氧化钠溶液作为反洗液对膜进行处理，使陶瓷膜通量得到有效恢复。随着时间的变化，陶瓷膜堵塞可能导致过滤效果降低。试验结果表明，陶瓷膜通量随着时间的增加而逐渐降低，错流速度越大，通量随时间的降低幅度越大。