膜技术在处理垃圾渗滤液生化出水中的应用

＊张新磊 温学友 赵运涛,3*

（1.河北地质大学水资源与环境学院 河北 050031 2.河北地质大学智慧环境产业技术研究院 河北 050022 3.河北地质大学水资源可持续利用与产业结构优化协同创新中心 河北 050031）

垃圾渗滤液的处理方法主要有物理法、化学法和生物法。由于投资与运行成本较低，生物法被普遍用于垃圾渗滤液处理中。然而由于大量难降解有机物、无机盐、重金属等的存在，单纯的生物法很难使垃圾渗滤液处理达标，仍需采用物理法或化学法对渗滤液生化出水进行深度处理。膜分离技术具有操作简单、运行灵活、效率高等优点，其中纳滤、反渗透、正渗透等膜技术具有脱盐和去除有机物的能力，它们在垃圾渗滤液生化出水处理中的应用可以保证各项污染物稳定达标排放。本文重点就纳滤、反渗透、正渗透在处理垃圾渗滤液生化出水中的应用研究进展进行综述，并结合它们的应用特点对其未来发展趋势进行展望。

1.垃圾渗滤液生化出水的水质特征及处理技术

垃圾渗滤液中含有高浓度的COD（化学需氧量）、BOD（生化需氧量）和NH3-N（氨氮），其具体浓度值因垃圾处理技术和时间的不同而存在很大差异。一般而言，垃圾渗滤液中的BOD 和COD 浓度在103～104mg/L数量级，氨氮浓度在102～103mg/L 数量级[1]。在垃圾填埋稳定化过程中部分有机物质得以降解，因此随着填埋时间的延长，垃圾渗滤液的BOD 和COD 含量降低，其可生化性变差。垃圾焚烧厂渗滤液是焚烧前在贮坑中堆放垃圾时（3～7 d）产生的，它的BOD 和COD含量较垃圾填埋场渗滤液更高，但其可生化性更好[2]。垃圾渗滤液尤其是填埋场早期垃圾渗滤液和焚烧厂垃圾渗滤液中还含有相当数量的金属离子，其中重金属离子的浓度一般为 µg/L～mg/L 数量级。此外，近年来在垃圾渗滤液中有检出全氟和多氟烷基化合物、环境内分泌干扰物、药物和个人护理品、微塑料等新污染物，这些新污染物一般具有环境持久性、生物蓄积性、高毒性等特点，其浓度从ng/L 到mg/L 不等[3]。

单纯依靠生物处理很难有效去除以上难降解物质，对垃圾渗滤液生化出水进行深度处理是确保各项污染物达标排放的关键。目前，垃圾渗滤液生化出水深度处理技术主要有高级氧化技术和膜分离技术，其中利用高级氧化技术可以实现对难降解有机物的降解和矿化，但它对氨氮、无机盐、重金属等的去除能力有限，因此大多数垃圾渗滤液处理项目中都使用了脱盐膜分离技术（纳滤、反渗透、正渗透等）。进水水质是影响膜处理效果的重要因素，垃圾渗滤液生化出水（即深度处理进水）的典型水质参数值如图1 所示（水质数量）[4-9]。总体而言，经过生物处理后垃圾渗滤液中的大部分有机物和氨氮得以去除，剩余的污染物以难降解物质为主。垃圾渗滤液生化出水中的COD和BOD 浓度在102～103mg/L 数量级，BOD/COD 比值低于0.1；氨氮浓度在10～103mg/L 数量级；重金属离子的浓度仍在μg/L～mg/L 数量级。

图1 垃圾渗滤液常规污染物浓度（a）和重金属浓度（b）

2.纳滤技术

纳滤（NF）是一种膜处理技术，其溶质截留性介于超滤和反渗透之间。该技术使用的膜具有约1～2 nm的孔径范围，能够阻止分子量超过200～400 Da 的有机物通过，其截留效果具有很大的选择性，截留率在20%到98%之间变化。如果使用压力驱动膜进行NF 分离浓缩，则通常在较低的操作压力下进行（0.35～1.7 MPa），而且具有比反渗透膜更高的水通量。

Brasil 等[10]采用MBR+NF+Fenton 组合处理垃圾渗滤液，能够有效去除有机物（93%）和色度（＞99%），并促进垃圾渗滤液的浓缩。Silva 等[11]将NF 用作MBR出水后的深度处理步骤，当操作压力为10 Pa 时，纳滤膜具有最低的结垢倾向、最高的渗透通量及最高的污染物去除率。纳滤膜处理垃圾渗滤液时，对有机污染物及二价和三价离子具有高截留率，但对氨、硝酸盐或亚硝酸盐形式的氮却几乎没有截留效果，这使得NF 不适用于作为垃圾渗滤液处理的独立工艺。

3.反渗透技术

反渗透（RO）是一种以压力为推动力的膜分离过程，它通过施加外部压力产生反渗透压，并利用半透膜的截留作用将溶剂和溶质分离。

Wu 等[12]采用紧急圆盘管-反渗透（DTRO）处理老化的垃圾渗滤液，DTRO 系统可以实现83%以上的水回收率，并将出水电导率降到0.15～0.22 mS/cm，将含碳和含氮的有机物降至达标排放水平。Izabel 等[13]采用SBR（序批式活性污泥法）+RO 处理工艺处理垃圾渗滤液。经处理后BOD 去除率达到99%、N-NH4+＞99%、TN ＞99%、COD（97%）。稳定渗滤液的TOC 去除率较高，为95.2%，而年轻渗滤液为86.7%。反渗透工艺对稳定渗滤液的除铁效率（99.8%）高于对年轻渗滤液的去除效率（80.0%）。RO 的应用显著提高了年轻和稳定渗滤液中所有污染物的去除效率。

反渗透膜技术作为常用的垃圾渗滤液深度处理技术，具有超过90%的TDS（溶解性固体总量）去除率和超过80%的水回收率。然而，反渗透膜运行需要较高的压力作为驱动力，这会导致膜污染严重，并且难以通过清洗恢复通量。此外，高压力也导致能量消耗较大，对碳减排不友好。

4.正渗透技术

正渗透（FO）即为自然渗透的过程，指的是水从高水化学位（或低渗透压）一侧通过选择透过性膜流向低水化学位（或高渗透压）一侧的过程。与反渗透工艺相比，正渗透可以大大降低进水要求，处理一些反渗透无法处理的高污染废水，或者大大减少预处理工艺，实现工艺的集成整合。

Ibrar 等[14]研究了正渗透处理垃圾渗滤液生化出水的性能及清洗方案。实验结果表明，在AL（正渗透膜活性层）-FS（汲取液）模式下与AL-DS（汲取液）模式下相比，FO 膜的水通量更高，但膜污染也更严重。无论是采用AL-FS 模式还是AL-DS 模式，FO 膜对废水中的重金属离子和污染物的截留率都在93%～99%之间，可以满足排放标准要求。Li 等[15]研究了以碳酸氢铵作为汲取液的正渗透来处理垃圾渗滤液MBR 出水。经过FO 处理后，水回收率可以达到91.6%，处理后的出水无毒性，在稀释后可以直接作为液肥进行灌溉。Aftab 等[16]将生物炭（BC）或粉末活性炭（PAC）应用于FO 系统中，与单一FO 系统相比，添加BC 或PAC 可以显著提高过滤体积和通量的恢复，甚至在PAC 浓度为10 g/L 时，通量可以完全恢复。

与压力驱动的膜分离过程相比，正渗透具有多个独特的优点：低能耗、良好的分离效果和抗污染能力、可通过特殊溶质配制吸引液从而获得更高的渗透驱动压力、膜污堵自然衰减等。正渗透可以降低进水要求、处理高污染废水或减少预处理工艺，实现工艺的整合。

5.组合膜技术

膜组合技术不仅能提高污染物去除率和水回收率，还能解决膜污染和汲取液回收的问题。例如，RO+NF 组合可以有效解决RO 系统的严重膜污染问题，而FO+MD（膜蒸馏）组合可以解决FO 汲取液回收问题等。

Zhou 等[17]采用FO-MD 联合技术处理高盐度垃圾渗滤液，通过响应面法优化了FO 工艺的操作条件。研究发现，在FO 过程中，FS 流速为0.87 L/min，DS 流速为0.31 L/min，DS 浓度为4.82 M。当FS 中盐浓度分别为25000 mg/L 和60000 mg/L，MD 阶段入口溶液温度分别为72.5±0.5 ℃和62.5±0.5 ℃时，盐的排斥率高于96%，TOC 和TN 的去除率高于98%，NH4+-N、Hg、As、Sb 被完全去除。

纳滤、反渗透和正渗透等技术可实现较高的污染物去除率，但处理成本较高，膜污染问题也比较严重。膜组合技术是一种解决方案，可以提高污染物去除率和水回收率，同时解决膜污染和汲取液回收的问题。

6.结论与展望

本文综述了近五年来垃圾渗滤液处理中纳滤、反渗透、正渗透和膜组合技术的应用。先前的研究已证实，纳滤、反渗透和正渗透处理垃圾渗滤液的生化出水能够实现良好的污染物去除率和水回收率。然而，纳滤和反渗透是压力驱动的膜分离过程，而正渗透则是自然渗透过程，无需压力驱动。因此，与前两种膜分离过程相比，正渗透膜过程不仅污染较轻，而且能耗较低。正渗透过程的应用与国际碳中和背景相契合，具有广阔的发展前景。