淺析處理垃圾填埋場滲濾液的膜的污染控制與清洗
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摘要用膜法處理垃圾滲濾液，對膜的污染控制與清洗的研究表明：超濾預(yù)處理、調(diào)節(jié)pH值、沖洗、添加阻垢劑等方法都能夠在一定程度上減輕無機(jī)納濾膜的污染狀況。其中，超濾預(yù)處理和調(diào)節(jié)pH值的影響大于沖洗和添加阻垢劑的影響。常溫下，采用水洗+酸洗+堿洗+酸洗的綜合化學(xué)清洗方法能使超濾膜通量恢復(fù)到新膜通量的97.8%；采用水洗+酸洗+酸洗的方法能使納濾膜通量恢復(fù)到新膜通量的98.5%，并有良好的重復(fù)性。
論文關(guān)鍵詞：滲濾液,納濾,超濾,膜污染,清洗
1 實(shí)驗(yàn)裝置和材料
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
試驗(yàn)工藝流程中主要包括超濾系統(tǒng)和兩級(jí)納濾系統(tǒng)（本實(shí)驗(yàn)省去了絮凝沉淀預(yù)處理過程，直接用滲濾原液試驗(yàn)）。工藝流程圖如圖1所示：
圖1 膜法處理垃圾滲濾液的工藝流程
本試驗(yàn)中共使用到兩種無機(jī)膜，無機(jī)超濾膜（截留分子量為8000Da）、無機(jī)納濾膜（截留分子量為1000Da），膜組件為法國進(jìn)口，材質(zhì)由氧化鋯、氧化鋁及氧化鈦組成，膜管外徑φ25mm，通道內(nèi)徑φ2.5mm，管長1178mm。最大工作壓力≤1.0MPa，PH值適用范圍0~14。
1.2滲濾液
滲濾液原液取自廣東某垃圾衛(wèi)生填埋場。所取樣的水質(zhì)如下表1：
表1 滲濾液原液的COD值
項(xiàng)目
COD/mgL-1
pH
色度/倍
范圍
1890-2898
7.5~8.5
>800
2 無機(jī)膜的污染控制
2.1超濾預(yù)過濾對無機(jī)納濾膜的污染影響
圖2 無機(jī)納濾不同水樣膜通量隨時(shí)間的衰減情況 圖3 表面沖洗對膜通量的影響
從圖2可以看出，在同等操作條件下，直接對滲濾液原液進(jìn)行納濾，膜通量下降很快，而經(jīng)超濾預(yù)處理之后的水樣進(jìn)行納濾時(shí)，膜通量隨時(shí)間的衰減較為緩慢。說明超濾預(yù)處理對于減輕無機(jī)納濾的膜污染具有一定的效果。
2.2表面沖洗對無機(jī)膜的污染影響
本實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行表面沖洗的研究。結(jié)果表明，第一次沖洗后，膜通量提高了23.3%，第二次沖洗后提高了17.4%，隨著時(shí)間的增加，沖洗效果越來越差。運(yùn)行到150分鐘時(shí)，有表面沖洗和沒有表面沖洗的膜通量基本相同(圖3)。
2.3調(diào)節(jié)pH值對無機(jī)膜的污染影響
在壓差0.32 MPa、溫度22~25℃、膜面流速4.2m/s的條件下對超濾出水進(jìn)行無機(jī)納濾分離試驗(yàn)。試驗(yàn)分兩批次進(jìn)行：未調(diào)pH值(=8.37)及調(diào)節(jié)pH值(=6.5)的水樣。膜通量檢測如圖4所示�？梢钥闯�，酸性水樣的膜通量始終大于堿性水樣的膜通量。這說明，將滲濾液的pH值調(diào)為酸性有利于減輕膜污染，增大膜通量。這可以理解為調(diào)解滲濾液成酸性后，減輕了滲濾液中的Ca2+、Mg2+等的沉淀。
圖4 不同pH值下膜通量隨時(shí)間的衰減情況 圖5 阻垢劑對膜通量的影響
2.4添加阻垢劑對無機(jī)膜的污染影響
本試驗(yàn)選擇了既經(jīng)濟(jì)也常見的聚六偏磷酸鈉（Na6P6O18）作為阻垢劑，按50 mgL-1的比例在水樣中添加聚六偏磷酸鈉，并與未添加阻垢劑的水樣處理情況對比。試驗(yàn)結(jié)果如圖5，添加阻垢劑后對提高膜通量具有一定的效果。但是對于減輕膜通量的衰減效果不明顯。這主要是因?yàn)楸驹囼?yàn)采用的是超濾出水，水樣中的Ca2+已經(jīng)在超濾預(yù)處理中被部分去除，對后續(xù)處理中膜污染的影響變小。而且，滲濾液中污染物質(zhì)種類繁多，數(shù)量較大，膜污染的成因應(yīng)該十分復(fù)雜，僅用聚六偏磷酸鈉一種阻垢劑可能不足以減輕膜污染狀況。
圖6 不同清洗用水對膜通量的影響 圖7 不同清洗時(shí)間對清洗效果的影響
3無機(jī)膜的清洗再生
不同的清洗劑、不同的清洗方式對于同一體系的清洗效果差別很大。對于一種體系的膜的清洗方式可以通過實(shí)驗(yàn)研究確定。
本研究擬通過改變清洗用水、清洗劑、壓力等操作條件，研究適合無機(jī)膜+滲濾液體系的膜清洗方法。具體方法是：每次試驗(yàn)之前，采用去離子水進(jìn)行過濾，測定膜的純水通量（J0），然后對滲濾液原液進(jìn)行過濾，當(dāng)膜通量衰減到初始通量的20～30％時(shí)，停止過濾，再次測定膜的純水通量（J1）。然后采用稀酸（HNO3）、稀堿（NaOH）、表面活性劑（曲拉通），在不同的濃度下對無機(jī)膜進(jìn)行分別清洗，再用清水在高流速情況下對膜進(jìn)行沖洗，然后測定膜的純水通量（J2）。根據(jù)下式計(jì)算不同清洗劑的膜通量恢復(fù)率（WFR）：
3.1不同清洗用水對清洗效果的影響
為強(qiáng)化對比效果，本試驗(yàn)選擇硬度較高的地下水和去離子水兩種清洗用水，在操作壓差0.36Mpa，溫度20℃，膜面流速4.0m/s的條件下清洗受污染的無機(jī)膜。檢測兩種用水隨時(shí)間對膜通量的影響如圖6所示�？梢钥闯�，去離子水的清洗效果明顯好于地下水的清洗效果。
3.2不同清洗劑對清洗效果的影響
根據(jù)滲濾液的性質(zhì)以及表2中對于不同清洗劑的介紹，本試驗(yàn)選擇強(qiáng)酸(稀硝酸)，強(qiáng)堿(氫氧化鈉)，以及表面活性劑(曲拉通)進(jìn)行膜清洗的研究。結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，采用兩種清洗劑聯(lián)合清洗污染超濾膜即采用HNO3+NaOH+ HNO3（即先酸洗再堿洗再酸洗的方法）清洗，清洗效果最好。這主要和膜表面污染物的形成過程有關(guān)。在超濾膜表面污染物的形成過程中，膠體粒子和一些有機(jī)物質(zhì)最先形成，堿金屬離子所導(dǎo)致的沉淀物隨后覆蓋在原有污染物質(zhì)之上。先用酸洗可以首先溶解掉這些堿金屬沉淀，提高了之后堿洗的效果。
三種清洗劑對無機(jī)納濾膜的清洗效果依次為HNO3＞曲拉通＞NaOH。
表2 不同清洗劑的清洗效果
清洗劑
濃度
J0
J1
J2
WFR
超濾
HNO3
1.00%
270
36
110
31.6
NaOH
1.00%
272
25
78
21.5
曲拉通
1.00%
270
32
50
7.6
HNO3+NaOH+ HNO3
1.00%
269
18
263
97.6
NaOH+ HNO3+NaOH
1.00%
273
20
198
70.4
納濾
HNO3
1.00%
52
18
44
76.5
NaOH
1.00%
53
22
24
6.5
曲拉通
1.00%
51
17
22
14.7
3.3清洗時(shí)間對清洗效果的影響
圖7給出了不同清洗時(shí)間對清洗效果的影響�？梢钥闯觯逑磿r(shí)間以20分鐘為佳。
3.4清洗壓力對清洗效果的影響
圖8 不同清洗壓力對清洗效果的影響
室溫下，選擇強(qiáng)酸和強(qiáng)堿分別對兩種無機(jī)膜進(jìn)行清洗，研究不同壓力下，無機(jī)膜的清洗效果。
由圖8可知，提高操作壓力有利于提高清洗效果，但提高的幅度不明顯�？紤]到提高操作壓力同樣會(huì)增加系統(tǒng)的能耗，因此后續(xù)試驗(yàn)中，膜清洗的操作壓力選擇為0.2 MPa。
3.5清洗步驟
結(jié)合上面的研究設(shè)計(jì)無機(jī)超濾膜的清洗步驟如表3。其中，清洗溫度為室溫，操作壓力除第4步為0.15 MPa外均為0.2 MPa，膜面流速均為5m/s。
表3 無機(jī)超濾膜的清洗步驟
順序
清洗劑
清洗時(shí)間
備注
1
去離子水
10 min
清洗兩遍
2
1% HNO3
20 min
清洗液≥25L
3
去離子水
/
清洗至中性
4
1%NaOH
20 min
清洗液≥25L
5
去離子水
/
清洗至中性
6
1% HNO3
20 min
清洗液≥25L
7
去離子水
/
清洗至中性
設(shè)計(jì)無機(jī)納濾膜的清洗步驟如表4，其中清洗溫度為室溫，操作壓力除第3步為0.15MPa外均為0.2 MPa，膜面流速均為5m/s。
表4 無機(jī)納濾膜的清洗步驟
順序
清洗劑
清洗時(shí)間
備注
1
去離子水
10min
清洗兩遍
2
1% HNO3
20 min
清洗后排空清洗液
3
1% HNO3
20 min
操作壓力降為0.15MPa
4
去離子水
/
清洗至中性
圖9、圖10給出了經(jīng)過清洗后無機(jī)膜通量的恢復(fù)情況。由圖可知，無機(jī)超濾膜經(jīng)過水洗+酸洗+堿洗+酸洗后，膜通量能恢復(fù)到新膜通量的97.8%；無機(jī)納濾膜經(jīng)過水洗+酸洗+酸洗后，膜通量能恢復(fù)到新膜通量的98.5%；且具有良好的重復(fù)性，說明該清洗方法有效可行。
圖9 無機(jī)超濾膜清洗后的膜通量恢復(fù)情況 圖10 無機(jī)納濾膜清洗后的膜通量恢復(fù)情況
4結(jié)論
超濾預(yù)處理、調(diào)節(jié)pH值、沖洗、添加阻垢劑等方法都能夠在一定程度上減輕無機(jī)納濾膜的污染狀況。超濾預(yù)處理減慢了無機(jī)納濾膜通量隨時(shí)間的衰減。調(diào)節(jié)滲濾液為弱酸性后膜通量比堿性狀態(tài)下有所提高。沖洗、添加阻垢劑的方法可以小幅度的提高膜通量，但是效果不甚明顯。
采用化學(xué)方法對無機(jī)膜進(jìn)行清洗，不同的清洗劑和用水對清洗效果的影響遠(yuǎn)大于壓力對清洗效果的影響。對超濾膜，采用水洗+酸洗+堿洗+酸洗的綜合化學(xué)清洗方法能使膜通量能恢復(fù)到新膜通量的97.8%；對納濾膜，采用水洗+酸洗+酸洗的方法能使膜通量能恢復(fù)到新膜通量的98.5%，并有良好的重復(fù)性。清洗時(shí)間一般選擇20分鐘比較合適。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳堯，方富林，熊鷹，饒金珠，林麗華. 超濾-納濾膜處理垃圾填埋場滲濾液. 膜科學(xué)與技術(shù)，2005年，第25卷第1期，44~47
作者工作單位：湖南清之源環(huán)�？萍加邢薰�
