《安全环境-环保技术》之膜分离技术在垃圾渗滤液处理中的应用

1、膜分离技术在垃圾渗滤液处理中的应用摘要：垃圾渗滤液是一种被污染的有毒有机废水，对生态环境造成严重威胁。 本文总结了垃圾渗滤液目前的膜处理技术，与传统处理技术相比，膜技术具有低能效等优点，是未来渗滤液处理技术的重要发展方向。 由于垃圾渗滤液组成复杂，根据处理目的，微滤(MF )、超滤膜(UF )、纳滤(NF )和反渗透膜(ro ) 4种膜在垃圾渗滤液处理中得到了一定的应用。 总结显示，其中MF和UF对渗滤液的处理效果差，作为一般渗滤液预处理技术的NF和RO对渗滤液的处理效果高，主要是深度处理技术。 但是膜污染阻碍了膜技术在渗滤液处理中的发展和应用，因此通过研究开发新的膜材料、有效的预处理技术和膜

2、分离技术的优化等可以防止膜污染的发生，膜技术在渗滤液和其他水处理中得到广泛应用。关键词：废水膜纳滤膜污染防止近年来，生活垃圾的产生量增加，对生态环境造成了严重的威胁。 卫生填埋、焚烧和堆肥是目前最常用的垃圾处理方式1-3，在垃圾堆积过程中经过一系列的生物分解和物理化学过程，产生成分复杂且毒性高的渗滤液2。 垃圾渗滤液的性质主要受垃圾成分、沉积时间、气候条件等因素影响，一般有机物含量高(脂肪酸、甘草酸类、腐植酸类等)。 如果氨氮含量高，则c、n、p的比例变得不平衡的无机化合物的种类多(例如Ca2、Mg2、NH4、SO42 .等)，重金属的种类多(Cd2、Cr3、Cu2等)。 高毒高污染的垃圾渗滤

3、液对自然水源造成严重威胁，其处理技术是解决环境问题的必要技术之一。目前垃圾渗滤液的处理方法有生物法、物理化学法和土地处理法8-11。 其中生物法和土地处理法处理成本低，处理效率差的物理化学法处理效率高，但成本高12。 因此，渗滤液处理技术在高效节能方面尚待研究，近年来膜技术在国内外发展迅速，尤其在污水处理、饮用水净化和海水淡化等方面得到广泛应用13。 与传统的水处理方法相比，膜技术有效地去除污染物，实现资源回收，装置操作简单，稳定性好等优点14。 由于膜技术在渗滤液处理方面也非常重视，综述了膜技术在近年来渗滤液处理中的研究应用进展。1膜技术在渗滤液处理中的应用经过多年的摸索和实践，膜技术在渗滤

4、液处理中的应用基本成熟。 由于垃圾渗滤液成分复杂，针对不同处理目的，微滤(MF )、超滤(UF )、纳滤(NF )和反渗透技术(RO )得到了一定的应用 4，15 。 膜分离的原理如图1所示。1.1微过滤器微滤(MF )是一种以压力差为推动力的膜分离技术，本质是筛选过程，主要通过溶液中微粒的粒径差异来实现分离目的。 微型过滤器的孔径大，一般为0.021.2m，通常在平均孔径中显示出其陷阱特性16。 在压力差的作用下，粒径小于膜孔的粒子与溶液一起通过微过滤器，粒径大的粒子被捕获，实现了不同粒径的粒子的分离。 膜陷阱方式主要包括机械陷阱、吸附陷阱、交联陷阱和网络内部陷阱。 由于微过滤器的陷阱吸附特

5、性，经常用于去除浮游物、大胶体和微生物等。微滤器孔径大，只能有效地去除渗出水中粒径大的胶体和浮游物，其中小粒径污染物的去除率低。 因此，渗滤液处理中的微滤膜一般不是其深度处理过程，而是其他膜(UF、NF和RO )或其他物理化学过程的预处理过程。 表1总结了关于微过滤器的研究。 其中，也有将微滤膜作为反渗透膜的预处理技术的研究。 结果表明，虽然微滤膜去除水中污染物的率低，但微滤膜预处理提高了水质，达到了反渗透膜的供水要求，减少了反渗透膜的污染，有效地提高了膜系统整体的生产水水质和生产水效率。 Moravia等人3认为，纳滤波处理技术也是纳滤波的预处理技术，结果也证明了微滤波预处理技术的有效性。

6、在作为其他物理化学过程的预处理过程中，Visvanathan等人19研究了将微过滤器作为臭氧氧化过程的预处理，结果显示，该组合过程对渗滤液的着色度和COD去除有很好的去除效果。 表1中的实例验证了微滤器的水处理的实用性，但目前，微滤器的垃圾浸出水中的污染物去除率低，需要与其他工艺同时进行，使处理工艺复杂化，增加了其处理成本，这是微滤器实用上应该解决的问题之一1.2膜过滤超滤(UF )介于微过滤和纳米过滤之间，是以压力为驱动力的膜分离，膜孔径在0.0010.1m之间20。 在一定压力下，超滤膜能捕获大分子的有机物、胶体和微粒，但通常该捕集器的相对分子质量为1000300000。 根据超滤膜的孔径

7、来进行杂质的物理筛选，超滤膜能去除处理液中的大分子物质、胶体和微粒等，达到分离、浓缩和净化的目的。超滤能有效去除渗滤液中的一部分大分子物质、胶体、微粒等，但由于渗滤液处理效果差，难以达到排放标准，所以渗滤液的深度处理工艺很少。 近年来超滤膜在渗滤液处理中的应用较多，表2总结了部分研究。 超滤膜在渗滤液的处理中，和微过滤膜一样，通常被作为纳米过滤或反渗透的预处理工艺21。 Piatkiewicz等17和Bohdziewicz等22把超滤膜作为反渗透膜的预处理工艺，结果显示，渗滤液经过超滤膜预处理COD降低，经过预处理进入反渗透膜的渗滤液水质提高，反渗透膜的污染减少，反渗透膜的生产效率也提高。 其

8、中，Piatkiewicz等人的研究用微过滤器对渗滤液进行了预处理，再用超过滤器进行了预处理，但该超过滤器对渗滤液的COD去除率只有5%10%，不能充分发挥该超过滤器的作用。 因此，必须在研究中选择适当合理的预处理过程，形成简单高效的处理过程，以避免高成本、低效率的情况发生。 另一方面，渗滤液成分比较复杂，含有不同粒径的各种粒状物、胶体和大部分有机物等，因此在超滤膜处理过程中污染物的去除效果与膜孔径有密切关系。 Renou等人23采用石灰絮凝物UF的组合技术，膜孔径越小超滤膜，渗滤液中污染物的去除率就越高，其中COD的去除率最高达到66%。 但是，应用中的超滤膜孔径也并不越小越好，Pi等24利

9、用超滤(UF)-水解氧化(HAR)-好氧生物接触氧化(ABOR )的组合工艺处理垃圾渗出液，不同膜孔径的超滤膜在不同操作压力下处理渗出液同样的操作压力下，膜孔径小的超滤膜表示污染物的去除率高，同时，膜孔径小的超滤膜需要更大的操作压力，能量消耗更高，容易形成膜污染。 因此，在实际应用中，应该根据处理的渗滤液的性质和处理目的，选择适当的超滤膜和操作条件，避免能耗高，膜污染严重，滤液不稳定。1.3纳米过滤纳滤(NF )是介于超滤和反渗透之间的特殊的膜分离技术。 纳滤膜在分离过程中显示了两个特征：一个是NF膜的孔径小，0.0010.01m，对分子质量数百小的分子也有好的分离效果，其阻止是分子质量数20

10、01000，第二个是膜表面带有电荷，这就是与电荷价数不同的阴离子根据纳滤膜的分离特性，对价数不同的离子显示出不同的阻止能力，对高价金属离子的去除率高到98%以上，对二价金属离子的去除率也高到95%以上26。 纳滤膜分离技术具有高透水性和对有机物、金属盐和胶体粒子的高捕获性，纳滤技术广泛应用于制药、化学工业、食品工业，特别是污水和浸出水的处理领域。基于纳滤膜技术的特殊分离性质，在渗滤液处理中能有效去除其中的胶体、有机物、无机物和微生物等污染物，因此渗滤液处理中纳滤一般被视为深度处理过程。 表3总结了近年来关于纳米过滤膜处理渗滤液的研究。 其中一些研究27-28的结果表明，采用纳滤独立工艺处理垃圾

11、填埋地的渗滤液，渗滤液中的COD、TP、TOC等有很高的去除率。 同时，Chaudhari等人28的研究显示，用纳滤器对Cr3、Ni2、Zn2、Cu2、Cd2等各种金属离子的去除率也很高，为90%以上。 但是，在这些研究中，部分结果显示纳米过滤膜对NH4 -N的除去率低，其中除去率最低也是13.9%。 这主要是因为nh4n为中性无机物质，分子量小，比实验所用的纳米过滤膜的阻止分子量低，所以纳米过滤膜的Donnan效果和阻止机制对nh4n的去除不起作用，因此nh4n的去除率低。 针对纳滤膜的这个特征，许多研究者提出了膜生物反应器(MBR )与纳滤膜技术相结合29-31。 表3中MBR产水的nh4

12、n含量表明，膜生物反应器几乎可以完全去除渗滤液中的nh4n，其组合工艺对渗滤液能达到较高的处理效果。 在纳滤膜与其他工艺的结合中，Moravia等3用高级氧化(AOP)/Fenton-纳滤膜的组合工艺处理垃圾渗滤液，结果显示渗滤液中各种污染物的去除率达到95%以上，该组合工艺处理渗滤液的优点。 因此，在应用中要控制处理成本的基础上，选择适当的其他组合工艺处理渗滤液，达到更好的处理效果。 在4种膜技术中，纳滤膜比微滤膜和超滤膜去除污染物的率高，一般比反渗透膜操作压力低，膜通量高，因此纳滤膜是渗滤液处理中最理想的处理技术32。 在实际应用中，纳滤污染问题和浓缩液的处理问题是其应用面临的主要问题。

13、纳滤膜污染的重量除了普通的吸附堆积污染外，还有膜自身带电、静电效应导致的膜污染，因此需要从两个方面对膜进行优化以减轻膜污染33。 另一方面，渗出水的浓缩液中富含大量污染物，有运转中添加的洗涤剂等。 因此，需要进一步研究渗滤液的处理，完善其处理技术。1.4反渗透反渗透(RO )是指与溶液自然渗透相反方向的渗透，即溶剂从高浓度渗透到低浓度溶液中的过程。 反渗透膜的孔径一般小于1nm，以膜两侧的静差压(110MPa )作为驱动力。 反渗透膜可以捕集大多数离子和小分子物质，只能允许溶剂(一般为水)通过，该捕集器的相对分子质量一般小于200。 反渗透膜对有机物、金属盐、胶体粒子和固体微粒等具有很高的捕集

14、性，目前主要应用于纯水生产、海水淡化、污水处理等领域。反渗透膜能有效捕获渗滤液中的有机物、金属盐、胶体粒子和固体微粒，如表4所示，许多实验性和工业规模的研究显示反渗透膜对渗滤液中各种污染的去除率高达90%以上。 Chan等人34利用振动剪切强化处理反渗透膜组件(viratororysher-enhancedprocessingreverseosmosis )对香港组件普通垃圾填埋地的渗滤液进行了实验，结果表明渗滤液去除率高反渗透膜技术不仅适用于处理垃圾填埋场的渗滤液，还适用于危险品填埋场的渗滤液。 r等35对捷克某填埋场的危险品渗滤液进行了反渗透膜处理，结果显示出了较高的处理效果。 目前很多研

15、究表明反渗透膜对渗滤液中各种污染物的去除率很高，但也显示反渗透膜操作压力大、膜通量小的缺点 27，34-37 。 其中较大的操作压力增加了运行膜所需的能耗，也提高了对膜设备的要求。 因此，在实际应用中，必须从降低操作压力和提高渗透量两方面开始改进反渗透膜。 另外，一些研究 18，38 还显示，适当地采用膜的组合工艺，或者组合膜和其他工艺，可以有效地降低其操作压力。 这些工艺主要表现为反渗透膜的预处理工艺(如微过滤器、超滤预处理、氨吹预处理、膜生物反应器预处理等)。 适当的预处理技术不仅降低了膜的操作压力，还减轻了反渗透的污染。 Hasar等38证明，反渗透膜运行时间越长，膜通量越小，膜污染也越

16、严重。 渗滤液处理中的膜污染降低了整个膜系统的运行效率，膜的频繁清洗和交换也增加了膜过滤的成本。 因此，在反渗透膜的实际应用中，膜操作压力大和容易形成膜污染，是阻碍反渗透膜在渗滤液中应用的两个主要问题。目前膜技术处理垃圾渗滤液的实际应用存在主要问题：膜模块价格较高，膜分离技术成本高的膜材料对原液要求较高，许多膜不能用于强酸强碱等类型的液体的渗滤液中含有大量有机物、无机盐、胶体和粒子性物质等其中膜污染是阻碍膜技术发展的主要问题之一。2膜的污染和防止膜技术在垃圾渗滤液处理领域的应用已经受到世界各国的重视，目前影响膜通量的两个主要因素是膜污染和浓差分极39。 浓差极是一个可逆的过程，可以通过改变设计

17、和操作参数来减少和消除40。 膜污染是影响运行中工作效率和成本的主要因素之一，解决膜污染问题也是膜分离技术处理渗滤液的发展和应用的关键。2.1膜被渗滤液处理污染的方式膜污染是指在膜分离过程中，原液中的有机物、无机物、溶胶和颗粒物、微生物等污染物在膜表面和膜孔内吸附堆积，膜孔径减少或堵塞，膜通量下降的现象41。 根据污染的位置，可分为膜外污染和膜孔污染。 膜外污染是污染物吸附在膜表面，阻碍溶液流入的膜内污染是小分子和微粒子进入膜孔吸附堆积，减少膜孔，影响膜流束。 如图2所示。污染物根据种类分为无机污染、有机污染和微生物污染。 渗滤液中含有大量有机物、无机盐、胶体和颗粒性物质等，吸附在膜表面和膜孔径上，造成严重的污染，降低了膜的通量。 膜污染用膜过滤中的污染阻力来表现，根据达西定律可以得到式(1)。p是膜两侧压力差Rt为总电阻，Rm是膜固有电阻，Ri是膜孔内的污染引起的电阻，Rg是膜表面的凝胶层电阻，渗出水的粘度。因此，要缓解膜污染提高膜通量，可以从通过膜材料的改性降低膜固有电阻(Rm )、降低渗滤液粘度(.)、减少过程中的膜污染(Ri和Rg )等方面开始。2.2防止膜污染2.2.1膜材料的改性去除膜污染的最根本的方法是开发研究新的膜材料，决定了膜材料的耐污染性能、膜通量和化学稳定性。 在实际运用中原液成分的差异很大，因此，应该根据实际水质特性和处理要求选择合适的膜材