DTRO 處理垃圾滲濾液出水氨氮影響因素及優(yōu)化

張保山 張雄軍 王霞

（長(zhǎng)沙中聯(lián)重科環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410217）

1 引言

我國(guó)于2008 年發(fā)布了《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，其明確了自2012 年起不再允許生活垃圾填埋場(chǎng)滲濾液直接接入城鎮(zhèn)污水處理廠，需經(jīng)相應(yīng)處理后達(dá)標(biāo)排放。但隨著我國(guó)中老齡填埋場(chǎng)數(shù)量的不斷增大，相應(yīng)垃圾滲濾液水質(zhì)可生化性也逐漸變差，僅通過(guò)生化工藝處理已無(wú)法滿足國(guó)家環(huán)保要求。在此背景下，DTRO 工藝的應(yīng)用市場(chǎng)迅速擴(kuò)張，集裝箱式兩級(jí)DTRO 設(shè)備由于其集成度高、進(jìn)水水質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、投產(chǎn)啟動(dòng)速度快而得到大規(guī)模應(yīng)用［1-4］。然而集裝箱式兩級(jí)DTRO 設(shè)備在推廣應(yīng)用過(guò)程中，填埋場(chǎng)進(jìn)水水質(zhì)及膜系統(tǒng)本身特性導(dǎo)致夏季運(yùn)營(yíng)過(guò)程中氨氮（NH4+-N）面臨超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，給該工藝的大規(guī)模推廣應(yīng)用帶來(lái)重大挑戰(zhàn)。

本研究對(duì)兩級(jí)DTRO 處理垃圾滲濾液出水氨氮影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)NH4+-N 截留特性進(jìn)行分析，以期提升DTRO 處理垃圾滲濾液出水達(dá)標(biāo)率，降低設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

中試實(shí)驗(yàn)采用圖1 所示反滲透膜實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)水為自配實(shí)驗(yàn)用水和項(xiàng)目一級(jí)DTRO 系統(tǒng)出水，反滲透膜元件采用國(guó)內(nèi)某品牌海水淡化膜。

圖1 中試實(shí)驗(yàn)裝置示意

2.2 中試實(shí)驗(yàn)

典型一級(jí)DTRO 出水指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 典型一級(jí)DTRO 出水指標(biāo)

根據(jù)表1 配置模擬實(shí)驗(yàn)用水，開(kāi)展如下各因素影響實(shí)驗(yàn)：

（1）pH 對(duì)反滲透出水NH4+-N 影響實(shí)驗(yàn)。用NH4Cl 配制NH4+-N 含量為500 mg/L 的溶液50 L，分次取10 L 置于進(jìn)水箱中，通過(guò)外部加熱裝置控制進(jìn)水溫度為40 ℃，加NaOH 調(diào)節(jié)進(jìn)水pH 分別為5，6，7，8，9，調(diào)節(jié)反滲透膜前壓力為0.55 MPa，待實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，取不同進(jìn)水pH 條件下反滲透膜出水，測(cè)定NH4+-N。

（2）溫度對(duì)反滲透出水NH4+-N 影響實(shí)驗(yàn)。用NH4Cl 配制NH4+-N 含量為500 mg/L 的溶液40 L，分次取10 L 置于進(jìn)水箱中，加NaOH 調(diào)節(jié)進(jìn)水pH為7，通過(guò)外部加熱裝置控制進(jìn)水溫度分別為16，20，30，40 ℃，調(diào)節(jié)反滲透膜前壓力為0.55 MPa，待實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，取不同進(jìn)水溫度條件下反滲透膜出水，測(cè)定NH4+-N。

（3）現(xiàn)場(chǎng)中試對(duì)比實(shí)驗(yàn)。取100 t/d 兩級(jí)DTRO設(shè)備一級(jí)出水60 L，平均分為3 份，第一份直接過(guò)中試反滲透膜系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力0.55 MPa，取膜系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后出水測(cè)定NH4+-N；第二份曝氣1 h 后回調(diào)pH 至7，然后過(guò)中試反滲透膜系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力0.55 MPa，取膜系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后出水測(cè)定NH4+-N；第三份直接用稀硫酸調(diào)節(jié)pH 至5.3，然后過(guò)中試反滲透膜系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力0.55 MPa，取膜系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后出水測(cè)定NH4+-N。

2.3 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

2.3.1 項(xiàng)目工藝流程

應(yīng)用實(shí)驗(yàn)選擇在某垃圾填埋場(chǎng)兩級(jí)DTRO 滲濾液處理項(xiàng)目上進(jìn)行，該項(xiàng)目主要工藝流程如圖2 所示。

圖2 兩級(jí)DTRO 工藝流程

2.3.2 項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

二級(jí)加酸效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。二級(jí)加酸工藝：在兩級(jí)DTRO 設(shè)備一級(jí)出水管道前端設(shè)置注射閥管道混合器，后端設(shè)置pH 在線傳感器，由PLC 通過(guò)pH 傳感器信號(hào)控制硫酸計(jì)量泵工作頻率，從而實(shí)現(xiàn)二級(jí)DTRO 系統(tǒng)進(jìn)水pH 調(diào)節(jié)。不改變其他設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，調(diào)節(jié)二級(jí)DTRO 進(jìn)水pH 在4.8～6.5 之間，分別取相應(yīng)pH 條件下二級(jí)膜系統(tǒng)出水，測(cè)定NH4+-N。

3 結(jié)果與討論

3.1 pH 對(duì)反滲透出水氨氮影響

氨氮由銨根和游離氨2 個(gè)部分組成，一般情況下游離氨濃度大小取決于NH4+-N 總濃度、pH 和溫度3 個(gè)因素，由Ford D L 等［5］推導(dǎo)出來(lái)的水中游離氨濃度的公式為：

式中，［NH3］為水中游離氨的濃度，mg/L；［NH4+-N］為水中氨氮的濃度，mg/L；pH 為水樣的pH；T 為水樣的溫度，℃。

宋杰等［6］通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，以氯化鈉作為溶質(zhì)，水作為溶劑，氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH，pH 在7～10 范圍內(nèi)，反滲透膜截留率基本保持穩(wěn)定。而以氯化銨作為溶質(zhì)，出水NH4+-N 隨進(jìn)水pH 變化如圖3 所示。pH＜7 前反滲透膜出水NH4+-N 隨pH 上升變化較小，pH＞7 后，隨著pH 上升，出水NH4+-N 迅速增加。這一變化趨勢(shì)與式（1）游離氨濃度與pH 關(guān)系變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明游離氨濃度的上升是反滲透膜出水氨氮增加的主要原因。

圖3 進(jìn)水不同pH 條件下反滲透膜出水NH4+-N 濃度

3.2 溫度對(duì)反滲透出水氨氮影響

圖4 為由實(shí)驗(yàn)得出的反滲透膜出水氨氮—溫度變化趨勢(shì)。

圖4 進(jìn)水不同溫度條件下反滲透膜出水NH4+-N 濃度

從圖4 中可以看出，保持其他參數(shù)不變條件下，反滲透膜出水NH4+-N 隨進(jìn)水溫度的升高而變大，這與夏季兩級(jí)DTRO 系統(tǒng)出水NH4+-N 升高現(xiàn)象是一致的。再次結(jié)合式（1）分析，隨著溫度的上升，相應(yīng)游離氨濃度也會(huì)增加，游離氨濃度的增加造成了反滲透膜系統(tǒng)出水NH4+-N 變大。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次證明了游離氨濃度的高低是影響反滲透膜系統(tǒng)出水NH4+-N 大小的關(guān)鍵。

3.3 項(xiàng)目游離氨濃度影響探討

參考兩級(jí)DTRO 項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，將相應(yīng)溫度、pH 帶入式（1），同時(shí)根據(jù)DTRO 膜柱出廠質(zhì)檢截留率計(jì)算，即使在夏季膜系統(tǒng)進(jìn)水水溫40 ℃條件下，保證兩級(jí)DTRO 系統(tǒng)出水小于25 mg/L，設(shè)備所能允許的系統(tǒng)進(jìn)水NH4+-N 濃度能夠達(dá)到3 400 mg/L，理論NH4+-N 整機(jī)截留率可達(dá)99.26%。而實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行中，當(dāng)進(jìn)水NH4+-N 濃度達(dá)到1 800 mg/L，進(jìn)水溫度36 ℃時(shí)，系統(tǒng)出水NH4+-N 就有可能超過(guò)25 mg/L（對(duì)應(yīng)NH4+-N 整機(jī)截留率僅98.61%），實(shí)際項(xiàng)目NH4+-N 截留率遠(yuǎn)低于理論值。為探究其差異原因，分析其影響機(jī)理，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)中試對(duì)比實(shí)驗(yàn)得到表2數(shù)據(jù)。

表2 模擬進(jìn)水與一級(jí)膜系統(tǒng)出水中試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)表2 數(shù)據(jù)可以看出，在進(jìn)水各參數(shù)基本一致條件下，NH4Cl 模擬進(jìn)水過(guò)中試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，出水NH4+-N 僅有24.5 mg/L，而項(xiàng)目一級(jí)膜系統(tǒng)出水過(guò)中試系統(tǒng)后，出水NH4+-N 達(dá)到153.8 mg/L。分析造成這種差異的主要原因是進(jìn)水中溶解態(tài)氣體的影響，式（1）是根據(jù)生化系統(tǒng)推導(dǎo)所得的游離氨濃度計(jì)算公式，而對(duì)于兩級(jí)DTRO 工藝而言，其進(jìn)水水質(zhì)復(fù)雜，且一級(jí)膜系統(tǒng)對(duì)CO2和H2S 氣體均無(wú)法有效截留，而CO2和H2S 氣體的存在阻礙了游離氨向NH4+的轉(zhuǎn)換，游離氨的存在大幅降低了反滲透膜系統(tǒng)對(duì)NH4+-N 的截留率。

為驗(yàn)證以上判斷，對(duì)一級(jí)出水進(jìn)行了曝氣1 h處理，曝氣后CO2和H2S 酸性氣體的溢出，導(dǎo)致系統(tǒng)pH 有所上升，為保證進(jìn)水參數(shù)的一致性，將曝氣后進(jìn)水pH 用稀硫酸回調(diào)pH 至7。將處理后水樣過(guò)中試反滲透系統(tǒng)，出水NH4+-N 為38.8 mg/L，遠(yuǎn)低于一級(jí)膜系統(tǒng)出水直接過(guò)中試反滲透膜。這是因?yàn)槠貧膺^(guò)程中，CO2和H2S 酸性氣體大量溢出促進(jìn)了游離氨向NH4+的轉(zhuǎn)換，從而提升了中試反滲透膜的NH4+-N 截留率，由于該工況的特殊性，對(duì)其機(jī)理闡釋的成果匱乏，有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

由于兩級(jí)DTRO 系統(tǒng)集成度高，一級(jí)膜系統(tǒng)出水通過(guò)管路直接進(jìn)入二級(jí)，故為探討NH4+-N 截留率提升方案的可能性，取一級(jí)膜系統(tǒng)出水調(diào)節(jié)pH 至5.3 過(guò)中試反滲透膜，結(jié)果與未調(diào)pH 工況比較顯示，調(diào)節(jié)pH 后中試反滲透膜系統(tǒng)出水NH4+-N 僅為50.5 mg/L，而未調(diào)pH 工況出水NH4+-N 達(dá)153.8 mg/L。這說(shuō)明存在CO2和H2S 酸性氣體條件下，通過(guò)調(diào)低一級(jí)出水pH 依然能夠促進(jìn)游離氨向NH4+轉(zhuǎn)換，從而提升反滲透膜NH4+-N 截留率。

3.4 二級(jí)加酸工藝應(yīng)用效果分析

垃圾填埋場(chǎng)滲濾液進(jìn)水堿度一般在7 000 mg/L以上，pH 大于8，對(duì)于高度集成的集裝箱式兩級(jí)DTRO 系統(tǒng)，為保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)大量投加硫酸也僅能夠維持一級(jí)膜系統(tǒng)運(yùn)行pH 為7 左右，故為提升設(shè)備NH4+-N 截留率，確保設(shè)備穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，在一級(jí)膜系統(tǒng)和二級(jí)膜系統(tǒng)之間增設(shè)二級(jí)加酸控制系統(tǒng)。通過(guò)二級(jí)加酸控制系統(tǒng)，進(jìn)行項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同進(jìn)水pH 下二級(jí)膜系統(tǒng)出水NH4+-N 及NH4+-N 截留率

由圖5 可以看出，二級(jí)膜系統(tǒng)NH4+-N 截留率隨進(jìn)水pH 升高而降低，出水NH4+-N 也隨之升高。對(duì)于實(shí)驗(yàn)應(yīng)用項(xiàng)目，pH＞5.5，隨著pH 上升，出水NH4+-N增加加快，pH＜5.5，隨著pH 降低，出水NH4+-N 降低不明顯。故實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)通過(guò)二級(jí)加酸控制二級(jí)膜系統(tǒng)進(jìn)水pH 在5.5 左右，此時(shí)出水NH4+-N 較為理想。經(jīng)實(shí)測(cè)，在二級(jí)加酸控制系統(tǒng)實(shí)施前，項(xiàng)目出水NH4+-N為24.49 mg/L，二級(jí)系統(tǒng)NH4+-N 截留率為79.18%。二級(jí)加酸控制系統(tǒng)實(shí)施后，項(xiàng)目出水NH4+-N 為7.57 mg/L，二級(jí)系統(tǒng)NH4+-N 截留率達(dá)94.06%，NH4+-N 截留率提升14.88%。

3.5 NH4＋－N 截留機(jī)理探討

反滲透膜分離機(jī)理主要有溶解—擴(kuò)散模型［7］、優(yōu)先吸附—毛細(xì)孔流模型［8］、孔道模型［9］、氫鍵理論［10-11］等。依據(jù)溶解—擴(kuò)散模型，水分子在反滲透膜中擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于其他離子，故水分子能夠輕易透過(guò)反滲透膜。根據(jù)電荷平衡，溶液中各成分只能夠以分子形式通過(guò)反滲透膜，故在擴(kuò)散過(guò)膜時(shí)由于其整體分子量更大，同時(shí)受離子鍵力的約束，其在反滲透膜中擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于水分子。而當(dāng)水中NH4+-N 以游離氨形式存在時(shí)，其分子直徑更小，且沒(méi)有離子鍵力的約束，故其在反滲透膜擴(kuò)散較快。所以當(dāng)溶液中游離氨濃度含量較高時(shí)，反滲透膜出水氨氮會(huì)相應(yīng)增大。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了溫度、pH 對(duì)反滲透膜NH4+-N截留率的影響，并對(duì)反滲透膜對(duì)NH4+-N 截留的機(jī)理進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，溫度升高會(huì)導(dǎo)致反滲透膜NH4+-N 截留率降低，這也是夏季兩級(jí)DTRO 設(shè)備出水NH4+-N 容易超標(biāo)的原因。對(duì)于兩級(jí)DTRO 系統(tǒng)一級(jí)出水pH＜7 情況下，依然存在較高含量的游離氨，通過(guò)二級(jí)加酸系統(tǒng)降低pH 可以強(qiáng)制促使游離氨向NH4+的轉(zhuǎn)換，從而提升整機(jī)NH4+-N 截留率，確保出水達(dá)標(biāo)。由于其簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)且應(yīng)用效果明顯，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的前景。