王清森，張亞?wèn)|，鄭 偉，金 晶，王 慶

(1.光大環(huán)境修復(fù)(江蘇)有限公司，南京 211102；2.上田環(huán)境修復(fù)有限公司，江蘇 常州 213000)

引 言

《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)(征求意見(jiàn)稿)》規(guī)定處理滲濾液產(chǎn)生的濃縮液應(yīng)單獨(dú)處置，不得回灌生活垃圾填埋場(chǎng)。滲濾液膜濾濃縮液處置技術(shù)主要有蒸發(fā)[1～3]、高級(jí)氧化[4-5]、回噴焚燒爐[6-7]等，回噴焚燒爐需填埋場(chǎng)與焚燒廠緊鄰的前提條件，應(yīng)用較少，大多數(shù)采用蒸發(fā)或高級(jí)氧化技術(shù)處理濃縮液，但這種技術(shù)處理濃縮液成本較高，如能將濃縮液先采用低成本的技術(shù)減量化后再處置可降低濃縮液總體處置成本。

正滲透(Forward Osmosis，F(xiàn)O)是以半透膜兩側(cè)低鹽廢水和高鹽汲取液(Draw Solute，DS)的滲透壓差為驅(qū)動(dòng)力，使高水化學(xué)勢(shì)廢液中的H2O自發(fā)擴(kuò)散到低水化學(xué)勢(shì)的DS中，該過(guò)程無(wú)需外加壓力和能量[8～10]，而后結(jié)合反滲透等技術(shù)將鹽分與純水分離，實(shí)現(xiàn)從污水中提取純水的目的。有報(bào)道表明FO技術(shù)是低成本的水處理技術(shù)[11-12]，但是在工程應(yīng)用中需要將從污水中汲取出的水再?gòu)腄S中分離出來(lái)成本可能較高。為推動(dòng)FO在實(shí)際工程中應(yīng)用，諸多學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室階段的理論研究[13～15]和工程現(xiàn)場(chǎng)的小試或中試[11-12，16]，闡述FO處理廢水的可行性，但試驗(yàn)針對(duì)的多是生活污水[17-18]、工業(yè)廢水[19]等，報(bào)道的膜通量差異較大，為2～10 L/(m3/h)。也有文獻(xiàn)報(bào)道FO處理垃圾滲濾液，膜通量1.68～8.2 L/(m3/h)[11-12，20]，但規(guī)模較小、周期短，而規(guī)模高于100m3/d的FO在填埋場(chǎng)滲濾液膜濾濃縮液的工程應(yīng)用鮮有報(bào)道。

本文介紹了FO-RO耦合工藝處理蘇州市某生活垃圾填埋場(chǎng)DTRO濃縮液的案例，觀察該工藝在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中電導(dǎo)率、壓力等的變化情況，分析了該工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)缺點(diǎn)提出解決問(wèn)題的方向。

1 材料與方法

1.1 工藝流程

工藝流程如圖1所示。

圖1 FO工藝流程圖Fig.1 FO process flow chart

工藝流程簡(jiǎn)述如下：DTRO濃縮液進(jìn)入FO原水箱中，在原水箱中加阻垢劑及鹽酸調(diào)節(jié)水質(zhì)，再依次進(jìn)入一至四級(jí)FO膜廢水側(cè)，同時(shí)濃鹽汲取液從DS水箱中依次進(jìn)入四至一級(jí)FO膜汲取液側(cè)，DTRO濃縮液和汲取液分別在FO膜兩側(cè)高速循環(huán)，濃縮液中的水分子透過(guò)FO膜進(jìn)入汲取液中，汲取液被稀釋后排入反滲透的一級(jí)給水箱，而經(jīng)FO膜減量化后的濃縮液進(jìn)入后續(xù)工藝單元進(jìn)一步處理。稀汲取液經(jīng)過(guò)三級(jí)反滲透處理后產(chǎn)水達(dá)到《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中的表3標(biāo)準(zhǔn)后排放，稀汲取液經(jīng)反滲透過(guò)濾濃縮后實(shí)現(xiàn)汲取液的濃縮再生，重新返回DS水箱供FO系統(tǒng)循環(huán)利用。

1.2 主要設(shè)備及材料

FO膜技術(shù)所涉及的主要設(shè)備和材料規(guī)格如表1所示。

表1 主要設(shè)備與材料Tab.1 Main equipment and materials

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2016將每天的有效運(yùn)行數(shù)據(jù)求平均值。采用Origin2019b制圖與分析。

FO系統(tǒng)的產(chǎn)水流量Q產(chǎn)通過(guò)FO系統(tǒng)廢水側(cè)進(jìn)水流量和濃水排水流量差值或FO系統(tǒng)DS側(cè)排水流量和進(jìn)水流量差值計(jì)算得出：

Q產(chǎn)=Q廢進(jìn)-Q廢排=Q汲排-Q汲進(jìn)

(1)

式(1)中,Q產(chǎn)為FO系統(tǒng)的產(chǎn)水流量,m3/h;Q廢排為FO系統(tǒng)廢水側(cè)濃水排放流量，m3/h；Q廢進(jìn)為FO系統(tǒng)廢水側(cè)進(jìn)水流量，m3/h；Q汲進(jìn)為FO系統(tǒng)DS側(cè)進(jìn)水流量，m3/h；Q汲排為FO系統(tǒng)DS側(cè)排放流量，m3/h。

膜通量是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積上的流體量，計(jì)算方法如式(2)所示。

(2)

式(2)中，J為膜通量，L/(m2/h)；Q產(chǎn)的計(jì)算方法見(jiàn)式(1)，m3/h；A為有效膜面積，m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 FO系統(tǒng)運(yùn)行情況

FO系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)廢水側(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)主要有進(jìn)水流量、膜前壓力、膜前電導(dǎo)率、一段循環(huán)流量與壓力、二段循環(huán)流量與壓力、三段循環(huán)流量與壓力、四段循環(huán)流量與壓力、濃水排放流量與電導(dǎo)率，產(chǎn)水流量是按照式(1)計(jì)算得出。DS側(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)主要有膜系統(tǒng)的進(jìn)出水壓力、電導(dǎo)率、流量以及每段膜的循環(huán)壓力。由表2可知，F(xiàn)O系統(tǒng)廢水側(cè)正常運(yùn)行時(shí)平均進(jìn)水流量為4.23m3/h，濃水平均排放流量為1.80m3/h，膜前進(jìn)水電導(dǎo)率為69.70ms/cm，膜后濃水電導(dǎo)率為130.65ms/cm，膜前壓力為1.90bar，一二級(jí)循環(huán)壓力均值為3.19bar，三四級(jí)循環(huán)壓力均值為3.18bar，一～四級(jí)循環(huán)流量均值分別為69.70m3/h、71.36m3/h、73.16m3/h、64.85m3/h。其中膜前電導(dǎo)率變異系數(shù)較大，分別為0.27，表明FO系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，導(dǎo)致濃水排放及產(chǎn)水流量波動(dòng)較大，表現(xiàn)出廢水排放流量和產(chǎn)水流量變異系數(shù)較大，分別為0.37、0.24，而DS進(jìn)水電導(dǎo)率較為穩(wěn)定(變異系數(shù)0.04)，這與FO原理相符，即在DS濃度為定值時(shí)，廢水的鹽含量越低，F(xiàn)O膜兩側(cè)滲透壓差越大，膜通量越大，表現(xiàn)出的濃水排放流量越小，產(chǎn)水量越大，反之，滲透壓差小，膜通量小，濃水排放流量大，產(chǎn)水量小。FO汲取液側(cè)運(yùn)行情況較為穩(wěn)定，膜前進(jìn)水壓力均值為0.32bar，進(jìn)水流量均值為2.81m3/h，進(jìn)水電導(dǎo)率均值為173.60ms/cm，DS在每級(jí)膜中的循環(huán)壓力為(0.86±0.01)bar，出水流量均值為5.22m3/h，出水電導(dǎo)率為114.29ms/cm。系統(tǒng)運(yùn)行控制參數(shù)的變異系數(shù)均小于0.15，數(shù)據(jù)離散程度低，說(shuō)明系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)對(duì)參數(shù)的控制較為穩(wěn)定。FO系統(tǒng)平均產(chǎn)水流量為2.43m3/h，由式(2)計(jì)算得FO系統(tǒng)在本填埋場(chǎng)運(yùn)行的平均產(chǎn)水膜通量為1.125L/(m2/h)，小于有關(guān)FO技術(shù)膜通量為1.68～6 L/(m2/h)的報(bào)道，這可能是由于本項(xiàng)目DTRO濃縮液鹽含量過(guò)高導(dǎo)致膜兩側(cè)滲透壓差較低有關(guān)，也有可能與垃圾滲濾液中膠體含量多、黏度高有關(guān)[21]。

表2 FO運(yùn)行數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)分析Tab.2 Descriptive statistical analysis of FO operation data

通過(guò)廢水側(cè)循環(huán)泵的變頻器自動(dòng)調(diào)頻，將FO一至四級(jí)膜的運(yùn)行控制在相同循環(huán)壓力條件下，運(yùn)行情況見(jiàn)圖2，表明系統(tǒng)從2022年3月6日開(kāi)始，四級(jí)FO膜的循環(huán)流量與前三級(jí)循環(huán)流量相比越來(lái)越低，表明四級(jí)膜過(guò)流通道逐漸堵塞。

圖2 FO系統(tǒng)廢水側(cè)循環(huán)流量與壓力Fig.2 Circulation Flow and Pressure of Wastewater Side in Forward Osmosis System

廢水側(cè)進(jìn)出水流量及電導(dǎo)率運(yùn)行數(shù)據(jù)表明(圖3)，膜前電導(dǎo)率波動(dòng)幅度較大，表明系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)大。進(jìn)水流量波動(dòng)幅度較小而濃水排放流量波動(dòng)較大，且濃水排放流量波動(dòng)的方向與進(jìn)水電導(dǎo)率波動(dòng)方向一致，振幅與進(jìn)水電導(dǎo)率波動(dòng)振幅呈正相關(guān)現(xiàn)象，結(jié)合DS側(cè)進(jìn)水電導(dǎo)率變異系數(shù)較小(表3)的情況分析，說(shuō)明濃水排放流量主要與進(jìn)水電導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系。

表3 反滲透運(yùn)行數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)分析Tab.3 Descriptive statistical analysis of reverse osmosis operation data

圖3 FO系統(tǒng)廢水側(cè)進(jìn)出水流量及電導(dǎo)率Fig.3 Inlet and Outlet Flow and Conductivity of Wastewater in Forward Osmosis System

DS側(cè)運(yùn)行情況(圖4、圖5)表明，DS側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行控制參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，運(yùn)行數(shù)據(jù)波動(dòng)較大的主要是DS出水流量及電導(dǎo)率，DS的出水流量與電導(dǎo)率波動(dòng)方向相反，振幅呈現(xiàn)正相關(guān)現(xiàn)象，說(shuō)明DS出水流量與出水電導(dǎo)率為負(fù)相關(guān)關(guān)系，主要是由于廢水側(cè)的水進(jìn)入DS側(cè)將DS稀釋，水透過(guò)量越多，DS被稀釋的越多，電導(dǎo)率越小，DS出水流量越大。

圖4 FO系統(tǒng)DS側(cè)進(jìn)出水電導(dǎo)率及流量Fig.4 Conductivity and Flow Rate of Inlet and Outlet Water at the liquid side of the Forward Osmosis System

2.2 反滲透系統(tǒng)運(yùn)行情況

反滲透系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)記錄的參數(shù)主要有每級(jí)每段反滲透膜進(jìn)水、出水及濃水電導(dǎo)率，膜前進(jìn)水壓力及膜后濃水壓力。對(duì)上述運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示：一級(jí)反滲透進(jìn)膜壓力均值為72.17bar，進(jìn)水電導(dǎo)率均值為97.13ms/cm，濃水電導(dǎo)率均值為165.92ms/cm，二級(jí)反滲透進(jìn)膜壓力均值為23.11bar，進(jìn)水電導(dǎo)率均值為12.40ms/cm，濃水電導(dǎo)率均值為22.90ms/cm，產(chǎn)水電導(dǎo)率均值為0.12ms/cm，三級(jí)反滲透進(jìn)膜壓力均值為10.71bar，進(jìn)水電導(dǎo)率均值為0.15ms/cm，濃水電導(dǎo)率均值為0.61ms/cm，產(chǎn)水電導(dǎo)率均值為0.02ms/cm。三級(jí)反滲透的進(jìn)出水電導(dǎo)率逐級(jí)降低，表明水中鹽含量逐漸減少，一級(jí)反滲透濃水電導(dǎo)率達(dá)到了165.92ms/cm，作為濃DS返回DS水箱中。

由于三級(jí)反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行是相互獨(dú)立的，每級(jí)反滲透的進(jìn)水水箱中的液位達(dá)到高液位時(shí)該級(jí)反滲透自動(dòng)啟動(dòng)，液位到達(dá)低液位時(shí)反滲透系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，因此，每一級(jí)反滲透系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)稍大但又相對(duì)穩(wěn)定在各自運(yùn)行工況范圍內(nèi)，運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)圖6～圖8。

圖6 反滲透系統(tǒng)進(jìn)水及濃水壓力Fig.6 Inlet and Concentrated Water Pressure of Reverse Osmosis System

圖7 反滲透進(jìn)出水電導(dǎo)率a

圖8 反滲透進(jìn)出水電導(dǎo)率b

2.3 運(yùn)行成本

2022年1月10日～2022年4月17日，F(xiàn)O系統(tǒng)單元總計(jì)進(jìn)水3523m3，產(chǎn)水1938m3，產(chǎn)水回收率55%。以產(chǎn)水計(jì)運(yùn)行成本，除去人工，在本填埋場(chǎng)中的直接運(yùn)行成本為67.92元/m3。運(yùn)行成本核算如表4所示。

表4 FO系統(tǒng)運(yùn)行成本分析Tab.4 Operation Cost Analysis of Forward Osmosis System

2.4 討論

工藝優(yōu)點(diǎn)：本工藝在處理高鹽廢水不易結(jié)垢，待處理污水通過(guò)正滲透膜不需要高壓泵，F(xiàn)O膜廢水側(cè)運(yùn)行壓力為3.2 bar左右，汲取液側(cè)運(yùn)行壓力為0.86 bar左右，系統(tǒng)運(yùn)行壓力較低，能耗較低。

工藝缺點(diǎn)：雖然正滲透膜無(wú)需額外施加壓力而降低工藝能耗，但汲取液中溶質(zhì)與水的分離過(guò)程又需后端耦合高壓反滲透，一、二、三及反滲透系統(tǒng)運(yùn)行壓力分別為72.17bar、23.11bar、10.71bar，工藝應(yīng)用的整體能耗反而更高。FO膜的平均產(chǎn)水膜通量為1.125L/(m2/h)，相比于其他膜形式，該工藝產(chǎn)水通量過(guò)低，導(dǎo)致工程應(yīng)用上占地面積太大，很難被市場(chǎng)接受。

因此，正滲透工藝規(guī)?；袌?chǎng)應(yīng)用亟需從以下兩個(gè)方面著手：

(1)提高正滲透膜通量，降低設(shè)備占地面積。提高正滲透膜通量可采用具有更高滲透壓的汲取液，較高的自然滲透壓有利于提高正滲透膜通量，從而降低設(shè)備占地面積。

(2)降低汲取液中溶質(zhì)與水分離的能耗?？刹捎脽崦?、壓敏、光敏等材料作為溶質(zhì)溶于水中，通過(guò)低能耗改變?nèi)苜|(zhì)的環(huán)境條件，促進(jìn)汲取液再生或溶質(zhì)從汲取液中分離，或采用磁性納米材料，通過(guò)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)低成本的汲取液中水分子的提取。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

采用FO處理電導(dǎo)率高達(dá)70ms/cm的DTRO濃縮液，運(yùn)行結(jié)果表明該技術(shù)能夠在本填埋場(chǎng)垃圾滲濾液膜濾濃縮液的減量化中應(yīng)用。

(1)FO膜技術(shù)在本填埋場(chǎng)的工程應(yīng)用規(guī)模為100m3/d，建設(shè)周期為15天，占地面積為210m2。

(2)FO膜技術(shù)在本填埋場(chǎng)處理DTRO濃縮液的膜通量為1.125L/(m2/h)。

(3)FO膜技術(shù)在本填埋場(chǎng)處理DTRO濃縮液的噸水電耗為39.5kw·h，除去人工直接運(yùn)行成本為67.92元·m3。

(4)FO-RO耦合工藝整體應(yīng)用能耗較高，主要能耗在于汲取液的再生與溶質(zhì)分離過(guò)程。

3.2 展望

正滲透膜大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的主要難點(diǎn)是汲取液溶質(zhì)的分離與回收，下一步可通過(guò)以下途徑實(shí)現(xiàn)低能耗的汲取液再生與凈水的分離：

(1)采用壓敏和熱敏溶質(zhì)制取汲取液，如碳酸氨、碳酸氫銨等制取汲取液，可獲得較高的自然滲透壓，有利于提高膜通量，同時(shí)，稀汲取液可通過(guò)升溫降壓的途徑實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)的分解、分離，從而實(shí)現(xiàn)凈水排放，分離出來(lái)的溶質(zhì)再通過(guò)降溫、加壓的方式溶于濃汲取液中，實(shí)現(xiàn)汲取液的再生。

(2)研究納米磁性材料作為溶質(zhì)制取汲取液，通過(guò)永磁裝置進(jìn)行汲取液的濃縮和凈水分離目的。

(3)研究固定床催化材料，汲取液通過(guò)催化材料時(shí)溶質(zhì)發(fā)生相變，呈現(xiàn)為非極性性質(zhì)，不溶于水，從而實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)與凈水分離，再通過(guò)另外一種催化材料時(shí)，溶質(zhì)與水又可以相溶，從而實(shí)現(xiàn)汲取液的再生。