“超滤/混凝-Fenton+反渗透”处理垃圾渗滤液生化出水

摘要: 为降低垃圾渗滤液反渗透膜的处理负荷和运行成本，对渗滤液生化出水分别进行超滤和混凝－Fenton 预处理，并对其出水进行反渗透膜污染评价。结果表明: 超滤出水的膜通量由27 L/( m2·h) 降至14 L/( m2·h) ，混凝－Fenton 则由40 L/( m2·h) 降至30 L/( m2·h) ; 超滤出水的脱盐率仅有50% 左右，混凝－Fenton 则稳定在80%以上，后期略有下降; 混凝－Fenton 出水的COD 去除率由72. 6% 逐渐上升至90. 4%，超滤出水的COD 去除率则由89. 3%下降至76. 1%; 反渗透对两种处理的浊度去除率均达到90%以上。可见混凝－Fenton 对水样的预处理效果优于超滤的，并能削弱浓差极化现象，提升反渗透的处理性能。“混凝－Fenton+反渗透”深度处理渗滤液是一种有效降低反渗透膜负荷、延长膜运行周期的组合工艺。

关键词: 超滤; 混凝; Fenton; 反渗透

目前垃圾渗滤液处理多采用组合工艺。其中，采用生化法多于反渗透联用，以使出水达标排放。但在实际运行中，生化法稳定性较差，菌群易受重金属、温度和氨氮浓度等多种因素的影响，使出水水质难以得到保证［1-8］，这对反渗透组件造成较大负荷［9-14］，致使反渗透组件极易堵塞，运行周期缩短，导致清洗费用增加［15-20］。针对这一现象，目前多以超滤作为前处理来降低反渗透的膜污染负荷，但处理成本较高。而混凝－Fenton 具有处理效果稳定、应用范围广泛、不会产生有毒物质、受外界影响小等特点，作为反渗透的前处理工艺较为经济。为此，本研究针对较高浓度的渗滤液生化出水，分别采用“超滤+反渗透”与“混凝－Fenton+反渗透”两种方法处理，通过分析反渗透的膜通量、脱盐率、COD 去除率和浊度去除率进行膜污染评价，以确定最佳的经济性组合工艺。

1 实验材料与方法

1. 1 实验材料

实验用水取自广西南宁市某垃圾填埋场的渗滤液生化处理系统出水，水样呈深褐色且有刺激性气味，pH 在8. 00 ～ 9. 00，COD 在1 300 ～ 1 500 mg /L。

1. 2 实验装置与处理过程

1. 2. 1 “超滤+反渗透”处理渗滤液生化出水实验方法

实验装置如图1 所示。超滤膜为复合聚砜膜，孔径约为0. 2 μm，工作压力为0. 3 MPa; 反渗透膜为无机复合膜，孔径约为0. 5 nm，截留分子量在100 以下，工作压力为0. 8 MPa，二者的进水槽有效容积均为30 L，膜管有效面积均为0. 25 m2。

处理流程: 渗滤液生化出水注入进水槽内，通过增压泵自下而上进入超滤膜管。超滤处理后COD在140 mg /L 左右，浊度小于15 NTU，出水再以同样的方式完成反渗透过程。每隔30 min 取反渗透的回流液和透过液，测定其浊度、电导率、COD 及透过液体积和温度。运行8 h 后反渗透膜污染较严重，需停机清洗。

1. 2. 2 “混凝－Fenton+反渗透”处理渗滤液生化出水实验方法

实验装置如图2 所示。混凝、Fenton 反应槽的有效容积均为40 L，反渗透组件参数同“1. 2. 1 节”。

处理流程: 渗滤液生化出水进入混凝反应槽，添加混凝剂聚合硫酸铁( 67 mL/L，浓度0. 05 g /mL) 搅拌20 min 静置10 min，上清液进入Fenton 反应槽，添加Fenton 试剂( H2O217 mL/L，n( H2O2) /n( Fe2+ ) = 6) 搅拌3 h 静置30 min，上清液COD 小于100 mg /L，浊度小于20 NTU。出水流入反渗透进水槽通过增压泵自下而上进入反渗透组件。每隔30 min 取反渗透的回流液和透过液，测定其浊度、电导率、COD 及透过液体积和温度。运行8 h 后反渗透膜污染较严重，需停机清洗。

1. 3 分析项目与方法

本研究通过检测电导率、COD、浊度、膜通量和脱盐率来确定垃圾渗滤液的处理效果。电导率采用电导率仪测定，COD 用重铬酸钾国标法测定，浊度用可见分光光度计在680 nm 波长处测量。

膜通量是指单位时间单位膜通面积所得的滤出液体积，可以反映膜组件处理垃圾渗滤液的效率，可用式( 1) 计算，即:

式中，J 为膜通量( L /m2·h) ; V 为取样体积( L) ; ΔT 为取样前后的温度变化; θ 为取样时间( h) ; A 为膜有效面积( m2 ) 。

脱盐率是反渗透系统对盐的整体脱除率，而电导率反应溶液的含盐量，故实际运行中通过测定电导

率值计算系统脱盐率，由式( 2) 计算，即:

式中，P 为系统脱盐率( %) ; EP为出水电导率( ms /cm) ; EC为进水电导率( ms /cm) 。

2 结果与分析

2. 1 不同预处理方法对反渗透膜通量的影响

不同预处理方法对反渗透膜通量的影响如图3 所示。超滤出水的初始膜通量为27 L /( m2·h) ，随时间推移逐渐下降至14 L /( m2·h) ，说明超滤虽然截留了大粒径污染物，但剩余的小粒径污染物难以透过反渗透膜，导致初始膜通量较低。随着运行时间的增加，边界层效应和浓差极化现象严重，膜表面逐渐形成沉积或凝胶层，增加透过阻力，膜通量和截流率下降，膜污染严重，增加系统的运行压力。

混凝－Fenton 出水的初始膜通量为40 L /( m2·h) ，随着时间推移下降至30 L /( m2·h) ，一方面说明混凝－Fenton 预处理将大部分胶体和有机大分子降解成了离子、小胶体和有机小分子，这些物质较易透过反渗透膜，初始膜通量高。另一方面说明预处理后料液的污染物总量减少，削弱了边界层效应和浓差极化现象，对膜的污染程度较低，膜通量下降缓慢，保持着较好的性能。故混凝－Fenton 预处理能够减缓反渗透膜通量的下降速率，减轻膜污染和清洗频率，有利于反渗透膜的长期稳定运行。

2. 2 不同预处理方法对反渗透脱盐率的影响

不同预处理方法对反渗透脱盐率的影响如图4 所示。反渗透对不同物质脱除率的影响主要由物质的结构和分子量决定，对高价离子及复杂单价离子的脱除率可以超过99%，对单价离子，如钠离子、钾离子、氯离子的脱除率稍低，但也超过了98%［21］。但浓差极化会使实际的脱盐率低于理论估算值。

由图4 可以看出，前4 h 内混凝－Fenton 出水的脱盐率较高且稳定在80%以上，混凝－Fenton 预处理降解了大部分胶体和大分子有机物，随之也产生了一些盐离子，同时，添加的混凝剂、Fenton 试剂也会引入一些盐离子，故水样初始含盐量较高，脱盐率也相对较高。但经降解的盐类物质污染性大大降低，膜性能可保持稳定，所以脱盐率能够维持在较高的水平。运行4 h 后脱盐率呈下降趋势，说明回流液中的盐类含量逐渐减少，盐类物质得到有效去除。

超滤出水的脱盐率在50%左右，且随着时间推移没有明显的下降趋势。超滤只能脱除水样中的胶体、各类大分子，不能起到降解的作用，水样中剩余的盐类及低分子物质污染性较强，极易堵塞膜组件，从而导致脱盐率偏低。实验过程中每隔两小时需停机降温也导致脱盐率呈现一定波动。相对于超滤预处理，混凝－Fenton预处理降低了水样的污染性，提升了反渗透膜的脱盐性能。

2. 3 不同预处理方法对反渗透COD 去除率的影响

不同预处理方法对反渗透COD 去除率的影响如图5 所示。反渗透对混凝－Fenton 和超滤出水的COD 具有较好的处理效果，出水COD 平均在35 mg /L 左右。混凝－ Fenton 出水的COD 去除率由72. 6%逐渐上升至90. 4%，超滤出水的COD 去除率则由89. 3% 下降至76. 1%，且混凝－Fenton 回流液的COD 最终仅有231 mg /L，而超滤的回流液COD 则高达535 mg /L。由此可见，混凝－Fenton 回流液中的污染物总量减少，反渗透处理效果好，污染少，混凝－Fenton 降低了水样中有机物的含量，显著提升了反渗透的COD 去除效果。

超滤的回流液COD 较高且去除率呈下降趋势说明超滤预处理后水样的有机物含量依然较高，当膜表面有机物浓度达到其饱和度时有机物由膜面向本体溶液扩散，严重时会有结晶析出，故回流液中污染物总量逐渐增加，膜孔阻塞污染严重致使系统运行恶化。故相对于超滤预处理，混凝－Fenton 预处理效果更好，对反渗透的COD 处理起到优化作用，降低了反渗透的膜负荷，延长了膜的使用寿命。

2. 4 不同预处理方法对反渗透浊度去除率的影响

不同预处理方法对反渗透浊度去除率的影响如图6 所示。反渗透对分子量小于100 的有机物脱除率较低，但对分子量大于100 的有机物脱除率可达到98%［22］，所以反渗透能有效截留水样中的大分子悬浮物，浊度去除效果明显，混凝－Fenton 和超滤出水的浊度去除率基本都能达到90% 以上，且混凝－Fenton预处理优于超滤预处理。在运行2 h 时大分子悬浮物被截留，导致浊度去除率下降，运行稳定后，悬浮物流向膜面的速度与流向本体的速度达到平衡，浊度去除率回升且保持稳定。实验过程中每隔两小时需停机降温，故浊度去除率呈现出一定的波动。

3 结论

① 反渗透处理过程中，超滤预处理出水膜通量由27 L/( m2·h) 降至14 L/( m2·h) ，混凝－Fenton 预处理出水膜通量则由40 L /( m2·h) 降至30 L /( m2·h) ，能够维持在较高水平。故混凝－Fenton 减轻了膜污染，减小清洗频率，有利于反渗透膜的长期稳定运行。

② 超滤预处理出水脱盐率仅有50%左右，混凝－Fenton 预处理出水脱盐率则稳定在80% 以上，后期略有下降。故混凝－Fenton降低了水样的污染性，提升了反渗透膜的脱盐性能。

③ 混凝－Fenton 预处理出水COD 去除率由72. 6%逐渐上升至90. 4%，超滤预处理出水COD 去除率则由89. 3%下降至76. 1%。混凝－Fenton 的预处理效果更好，对反渗透的COD 处理起到优化作用，降低了反渗透的膜负荷。

④ 反渗透对浊度去除率达到90%以上，混凝－Fenton 处理水样明显优于超滤处理水样。

⑤ 混凝－Fenton 对水样的预处理效果优于超滤，削弱浓度差极化现象，提升反渗透的处理性能。故“混凝－Fenton+反渗透”深度处理渗滤液是一种有效降低反渗透膜负荷、延长膜运行周期的组合工艺。