果蔬垃圾厭氧發(fā)酵沼液超濾預(yù)處理工藝研究

王浩，蔣穩(wěn)，黃格

（1.上海嘉定再生能源有限公司，上海 201823；2.中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司，湖北武漢 430081；3.武漢環(huán)投千子山環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司，湖北武漢 430100）

隨著我國農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化和調(diào)整，果蔬產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，我國蔬菜播種面積和產(chǎn)量已居世界第一[1]。果蔬在生產(chǎn)、運輸、儲存、銷售的過程中會產(chǎn)生大量的果蔬垃圾。目前果蔬垃圾的處置方法有焚燒、填埋、好氧堆肥和厭氧消化等[2-3]，而解決果蔬垃圾的關(guān)鍵在于遵循“減量化、無害化、資源化”的基本原則[4]，目前厭氧消化技術(shù)被認為是最有前途的資源化技術(shù)[5-6]。

果蔬垃圾經(jīng)過分選、破損、壓榨后進行厭氧發(fā)酵，最終產(chǎn)生的發(fā)酵沼液具有水量變化波動大、可生化性好、污染物濃度高、色度大等特點[7]。目前對于果蔬發(fā)酵后的沼液多作污水處理，沼液處理多采用常規(guī)的“預(yù)處理+生化處理+深度處理”工藝，由于沼液中的COD、SS、氨氮和總氮濃度高，預(yù)處理效果不好直接影響后續(xù)的生化系統(tǒng)運行。目前沼液的預(yù)處理工藝主要包括格柵、絮凝、氣浮、螺旋擠壓、疊螺、串螺、離心機等，這些工藝對SS的去除能力有限，處理后的沼液中仍然還有較高濃度的SS，這些SS對后續(xù)生化系統(tǒng)的影響很大。為了改善生化系統(tǒng)的進水水質(zhì)，以經(jīng)過“格柵+串螺”處理后的沼液為對象開展超濾小試試驗，考察超濾產(chǎn)水的水質(zhì)、膜通量和膜運行穩(wěn)定性，并分析超濾膜用于沼液預(yù)處理的可行性，為其實際工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗水樣

本試驗對象來自云南某廢棄果蔬綜合利用項目，果蔬垃圾采用分選、破損、壓榨和厭氧發(fā)酵等生產(chǎn)工藝，最后產(chǎn)生了厭氧發(fā)酵沼液，試驗水樣為厭氧發(fā)酵沼液采用“格柵+串螺”處理后的沼液（調(diào)節(jié)池沼液）。本項目的沼液處理工藝如圖1所示，主要水質(zhì)指標如表1所示。

圖1 沼液處理工藝流程圖

表1 試驗水質(zhì)指標

1.2 試驗裝置

本試驗采用自制的超濾膜裝置。采用0.06 μm的PVDF中空纖維超濾膜自制成膜組件，有效膜面積為0.56 m2。超濾試驗裝置主要由產(chǎn)水泵、膜組件、反洗泵、膜箱、曝氣泵、流量計、電動閥、壓力表、控制箱等組成，裝置采用軟管連接。產(chǎn)水泵和反洗泵采用蠕動泵，其中產(chǎn)水泵的最大流量為160 mL/min，反洗泵的最大流量為200 mL/min。曝氣泵的功率為320 W，最大曝氣壓力35 kPa，最大曝氣量143 L/min。膜箱材質(zhì)為PP，高度1.5 m，直徑0.25 m。通過PLC控制產(chǎn)水泵、產(chǎn)水閥、反洗泵、反洗閥、曝氣機的運行。超濾試驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 超濾試驗系統(tǒng)

1.3 試驗方法

取60 L試驗水樣倒入膜箱中，淹沒膜組件，膜箱液位控制在1.2 m左右，保持膜箱有30 cm左右的超高。超濾膜運行流程為過濾—停歇/反洗的循環(huán)過程，設(shè)定運行周期和反洗周期，反洗時間為30 s。運行開始時，先啟動曝氣泵，再依次啟動產(chǎn)水閥和產(chǎn)水泵，調(diào)節(jié)產(chǎn)水泵的流量，保持合適的膜通量，記錄運行過程中的產(chǎn)水流量和產(chǎn)水壓力。當膜箱內(nèi)液位低于1.1 m時，向膜箱中補充試驗水樣，維持液位在1.2 m左右，記錄水樣的體積。當膜箱內(nèi)泡沫過高時，噴灑少量的超濾產(chǎn)水進行消泡。試驗結(jié)果后，打開排空閥，將膜箱排空。

1.4 分析方法

試驗過程中，對超濾進水和產(chǎn)水的COD、氨氮、總氮、SS和pH等指標進行測定。COD、氨氮、SS的測定采用《水和廢水的分析監(jiān)測方法（第四版）》中規(guī)定的方法[8]，哈希DR 3900測定總氮，雷磁PHS-3C測定pH。

2 結(jié)果與分析

2.1 超濾膜對污染物的去除效果

由于沼液中的SS濃度較高，導(dǎo)致本項目中的IC厭氧罐出水污泥流失嚴重，厭氧出水SS濃度為5～10 g/L，厭氧罐一直未能正常運行。沼液中含有較多的短纖維，這些短纖維難以被微生物降解，對后續(xù)生化系統(tǒng)和MBR系統(tǒng)的影響較大[9]。本試驗中發(fā)酵液超濾預(yù)處理前后照片如圖3（a）所示，可以看到超濾預(yù)處理后發(fā)酵液澄清度顯著提高。在不同的進水水質(zhì)條件下，超濾膜的出水COD、TN和SS含量及去除率分別如圖3（b）、（c）、（d）所示。由圖可知，超濾膜可以有效去除沼液中的SS、COD和TN，超濾產(chǎn)水的SS低于10 mg/L，對COD的去除率為40%～60%，對TN的去除率為30%～50%。超濾產(chǎn)水可以直接進入生化系統(tǒng)處理，省去原系統(tǒng)中的厭氧工藝段，同時可以改善生化系統(tǒng)的運行情況，降低運行成本。

2.2 運行方式對膜污染的影響

本試驗對比了2種運行周期對膜污染的影響：運行5 min停歇1 min（代號“5+1”）和運行9 min停歇1 min（代號 “9+1”）。調(diào)節(jié)產(chǎn)水泵的轉(zhuǎn)速，控制初始產(chǎn)水流量為136 mL/min，初始產(chǎn)水負壓為-20 kPa。試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩種運行周期的產(chǎn)水流量變化

可以看出，初始產(chǎn)水流量為136 mL/min，換算成膜通量為14.571 L/（m2·h）。在“9+1”運行方式中，運行10 min后，第2個周期的初始流量降為128 mL/min，膜通量為13.714 L/（m2·h），增加一個周期內(nèi)產(chǎn)水流量記錄的頻次，發(fā)現(xiàn)在一個運行周期內(nèi)（10 min），產(chǎn)水流量穩(wěn)定下降。每個周期內(nèi)運行結(jié)束停歇1 min后，隨著曝氣作用對膜表面污染物的抖動，膜產(chǎn)水流量可以恢復(fù)一部分，例如第3周期和第4周期開始時，產(chǎn)水流量從上個周期結(jié)束時的104 mL/min恢復(fù)至112 mL/min。整個過程中，產(chǎn)水流量逐級衰減，“5+1”運行方式產(chǎn)水流量的衰減速度比“9+1”運行方式慢。產(chǎn)水流量的階梯型衰減，可能是由于膜表面被污染物覆蓋，影響了膜的產(chǎn)水過程。

2.3 初始膜通量對膜污染的影響

從預(yù)試驗可知，初始產(chǎn)水流量會影響膜的污堵速度，初始產(chǎn)水流量在120～136 mL/min時，運行中的產(chǎn)水流量無法維持穩(wěn)定，會急劇下降；當初始產(chǎn)水流量在104 mL/min和88 mL/min時，產(chǎn)水流量的變化會出現(xiàn)穩(wěn)定階段。為了延長穩(wěn)定運行時間，選擇了88 mL/min作為初始產(chǎn)水流量，換算成膜通量為9.428 L/（m2·h），運行方式為“5+1”，初始負壓為-12 kPa，產(chǎn)水流量的變化如圖5所示。

圖5 產(chǎn)水流量的變化

可以看出，在“5+1”運行方式下，初始產(chǎn)水流量為88 mL/min時，連續(xù)運行20 min，產(chǎn)水流量沒有發(fā)生衰減，在20～60 min運行時間內(nèi)，產(chǎn)水流量連續(xù)緩慢下降，衰減了18%。相比于圖4中的產(chǎn)水流量變化趨勢，圖5中產(chǎn)水流量的衰減比較平緩，沒有出現(xiàn)逐級衰減情況，表明降低初始膜通量有助于減緩膜的污染速度。

2.4 超濾膜污染及清洗效果

超濾膜的膜通量衰減速度比較快，分析原因可能是膜絲表面的懸浮物阻礙了膜的正常產(chǎn)水，清洗后膜表面的懸浮物會被清理掉，如圖6所示。因此本試驗中引入了反洗和沖洗措施來減緩膜污染，設(shè)定每運行3個周期后，進行一次反洗，反洗時間為30 s。引入反洗程序后，超濾膜產(chǎn)水流量變化情況如圖7（a）所示。

圖6 中空纖維膜污染及清洗效果圖

圖7 增加清洗措施后的超濾產(chǎn)水流量變化

增加反洗后，膜污染速度明顯降低，主要原因是反洗可以減少膜絲表面附著的懸浮物，減緩膜通量的衰減速度，但是連續(xù)運行2 h后，膜通量仍然會有明顯的衰減，主要原因是反洗不能將膜絲表面的懸浮物沖洗干凈。因此，本試驗增加了沖洗措施：將膜組件取出，用自來水將膜絲表面的懸浮物沖洗干凈后放入膜箱中繼續(xù)運行。引入沖洗后的超濾膜表面及產(chǎn)水流量變化情況分別如圖6（c）和圖7（b）所示，結(jié)果表明，連續(xù)運行12 h，膜污染可以通過沖洗得到解決。為了保證超濾膜的穩(wěn)定運行，采用中空纖維超濾膜處理沼液時，需要增加沖洗措施，定時對膜絲進行沖洗，保證膜絲表面的干凈，減緩膜通量的衰減。

3 結(jié)論

果蔬垃圾厭氧發(fā)酵沼液經(jīng)過“格柵+串螺”處理后，繼續(xù)采用PVDF中空纖維膜處理沼液，試驗主要得出以下結(jié)論：

（1）超濾膜可以有效去除沼液中的COD、TN和SS，其中超濾產(chǎn)水的SS低于10 mg/L，超濾膜對COD和TN的去除率在40%以上?？梢詫ⅰ案駯?串螺+超濾”作為果蔬垃圾厭氧發(fā)酵沼液的預(yù)處理工藝，能夠省去原有的厭氧工藝，同時改善生化系統(tǒng)的進水水質(zhì)。

（2）為了提高超濾膜的運行穩(wěn)定性，可以增加反洗和沖洗程序。根據(jù)試驗結(jié)果，超濾膜污染的主要原因是懸浮物附著在膜絲表面阻礙了膜的正常產(chǎn)水，經(jīng)過反洗和沖洗可以有效恢復(fù)膜的處理能力。本試驗中超濾膜的反洗頻次為18 min一次、沖洗頻次為2 h一次，超濾膜連續(xù)運行12 h，膜污染可以得到有效控制。為了提高超濾膜的適用性，可以設(shè)計專門的膜組件用來處理果蔬垃圾厭氧發(fā)酵沼液，實現(xiàn)超濾膜的自動沖洗恢復(fù)。

（3）超濾膜的運行周期和初始膜通量都會影響超濾膜的運行狀況，超濾膜連續(xù)抽吸時間不宜過長，停止運行時的曝氣作用可以改善超濾膜的污染情況，本試驗中，超濾膜的最佳膜通量為10 L/（m2·h）左右。