淺談?wù)右禾幚砼c納濾膜技術(shù)

陸佳，徐曉秋，高德玉，劉偉，王欣

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150090）

淺談?wù)右禾幚砼c納濾膜技術(shù)

陸佳，徐曉秋，高德玉，劉偉，王欣

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150090）

沼液中含有大量的氮、磷、COD、BOD和SS等有機污染物，直接排放會污染環(huán)境，也會危害人體健康。因此要盡量減少沼液對環(huán)境造成的影響。納濾膜技術(shù)作為一種高效的污水處理技術(shù)，具有操作壓力低、省能、濃縮與分離可同時進行的特點。本研究介紹了沼液的成分、特性及各種處理方式，闡述了納濾膜技術(shù)在沼液處理當中的作用，分析了納濾膜處理沼液的關(guān)鍵問題，并簡述了納濾膜技術(shù)在沼液處理方面的研究前景。

納濾膜技術(shù)；沼液；預(yù)處理；分離與濃縮；納濾膜污染

隨著我國畜牧業(yè)規(guī)?；?、集約化程度的提高，畜禽糞污的總排放量也隨之逐年遞增。據(jù)預(yù)測，2020年排放量將會達到41億噸［1］，這將嚴重影響居民的居住環(huán)境，危害人體健康。因此，采用厭氧發(fā)酵技術(shù)來處理畜禽糞污的沼氣工程受到了人們的廣泛關(guān)注。

1　沼液的特性及處理難點

表1　不同污水類型和厭氧消化工藝所產(chǎn)生的沼液特性Tab.1 The characteristics of biogas slurry produced by different type of wastewater and anaerobic digestion process

沼液是畜禽糞便經(jīng)厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的殘余液體，通常呈中偏弱堿性，總固體含量小于1%。沼液中不僅含有氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，而且含有豐富的氨基酸、抗生素、生長激素、微量元素等營養(yǎng)物質(zhì)，它保留了原料大部分的營養(yǎng)成分。由于沼氣工程的原料和工藝不同，因此沼液中有機污染含量差別很大，如表1所示［2］。

由表1可以看出，經(jīng)過厭氧工藝處理后的沼液污水仍然含有較高的污染物，特別是氨氮含量過高，遠遠超過了排放標準。目前，國內(nèi)外對沼液的后續(xù)處理主要是還田施用、自然生物凈化、生化處理等，但每種處理方法都有一定的局限性。因此，針對沼液的特性，探索沼液無害化處理、高值化利用方案是當前的研究熱點。

2　納濾膜分離技術(shù)

納濾膜技術(shù)（NF）是20世紀80年代末發(fā)展起來的一種新型、低壓力驅(qū)動膜分離技術(shù)，其截留分子量在反滲透膜（RO）與超濾膜（UF）之間，孔徑范圍在幾個納米左右，納濾膜多數(shù)為荷電膜，能進行電性吸附，在不同價態(tài)的陰離子中存在Donann電位，基于此特點使其分離具有篩分效應(yīng)與電荷效應(yīng)［3］。通常情況下，納濾膜可以截留糖類等低分子質(zhì)量有機物和高價無機鹽（如MgSO4等），但對單價無機鹽的截留率低（僅為10%～80%），具有相當大的透過能力，由此可以實現(xiàn)不同價態(tài)離子的分離［4］。

圖1　不同種類膜的分離特性Fig.1 Separation characteristics of different kinds of membranes

根據(jù)納濾膜的孔徑和表面特性來濃縮沼液，與國內(nèi)外采用的真空濃縮和脫水等手段相比，具有系統(tǒng)簡單、操作方便、能耗低、不改變組分構(gòu)成等優(yōu)點，因此納濾膜技術(shù)成為沼液處理的首選工藝。

3　納濾膜技術(shù)處理沼液主體工藝

目前，用納濾膜處理沼液，主體工藝分為兩個部分，分別是預(yù)處理工藝與納濾膜工藝，如圖2所示。由于從沼液池中抽出的沼液會帶有大量的顆粒和雜質(zhì)，為防止大的雜質(zhì)堵塞膜孔造成污染，進行預(yù)處理過程是十分必要的。預(yù)處理過程主要包括壓濾、離心、沉降、氣浮及各種介質(zhì)過濾等工藝，還可根據(jù)沼液的性質(zhì)加入微濾、超濾等膜組件工藝。采用這樣的預(yù)處理可以使納濾膜的污染、結(jié)垢和損傷降到最低，而且這些過程均屬于物理過程，不會影響沼液的營養(yǎng)成分和活性成分。經(jīng)過預(yù)處理后的沼液進入納濾膜系統(tǒng)，可以得到濃縮液與透過液，濃縮液可以返回上級儲罐，進行再一次的納濾膜循環(huán)處理，透過液達標后可排放或直接利用［4］。

圖2　納濾膜處理沼液的主體工藝流程Fig.2 The main process of biogas slurry treated by nanofiltration membrane

4　納濾膜技術(shù)在沼液處理中的作用

沼液是一種價格低廉、全效的有機肥料，能夠部分代替化學(xué)肥料。然而，沼液中水分含量約在99%左右，營養(yǎng)成分濃度太低，導(dǎo)致包裝和運輸成本過高。由于沼液中的常規(guī)營養(yǎng)成分分子質(zhì)量較大，所以納濾膜對其有明顯的分離濃縮效果。宋成芳等［5］采用超濾膜和納濾膜聯(lián)合工藝來濃縮、分離沼液，效果明顯，沼液中的活性物質(zhì)均得到了濃縮，其中腐殖酸和蛋白質(zhì)含量提高約10倍，氨基酸含量提高約1倍。徐國銳［6］使用納濾膜處理牛糞、豬糞沼液，發(fā)現(xiàn)隨著濃縮倍數(shù)的增加，濃縮液中的氮、磷、鉀和有機質(zhì)微量元素等營養(yǎng)成分濃度均有不同程度的升高。濃縮后的沼液經(jīng)過適當調(diào)配變成高效優(yōu)質(zhì)肥料，也是無土栽培營養(yǎng)液最佳的替代品，且技術(shù)簡單可行，能夠保證植株正常生長，節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。從試驗階段的研究結(jié)果來看，經(jīng)納濾膜處理沼液的透過液重污染物含量，達到了排放標準。經(jīng)過納濾膜處理后的排放水可以用于農(nóng)田及清理糞場等方面，既節(jié)約了水資源，又達到了循環(huán)利用的目的。

5　納濾膜技術(shù)在沼液處理應(yīng)用中的主要問題

5.1納濾膜分離過程工藝參數(shù)的確定及控制

在實際的膜分離工藝操作過程中，由于膜的選擇性通常已固定，能夠改變的主要是納濾膜的通量、截留能力與納濾膜的穩(wěn)定性等［7］。因此找到合適的操作時間、工作壓力及膜面流速可有效地減少納濾膜的污染，延長其使用壽命。此外，還要考慮濃差極化現(xiàn)象導(dǎo)致的膜污染問題。納濾膜工藝過程操作壓力低，一般為0.5～1.5MPa，沿程壓力損失占操作壓力比例大，造成前面的膜元件使用過度，回收率偏大，致使膜污染加重，而后面的膜元件未發(fā)揮作用，使整個納濾膜分離系統(tǒng)前、后膜元件壽命不一致，因此要盡量選擇短流程工藝［8］。

5.2納濾膜污染的防治

由于納濾膜孔徑很小，大多為荷電膜，而沼液成分復(fù)雜，在實際處理過程中，納濾膜的表面、孔隙和孔隙內(nèi)壁由于沼液中細小的懸浮物、可溶性物質(zhì)的沉積，而造成通量變小，導(dǎo)致膜污染，形成原因如圖3所示。

圖3　納濾膜污染類型示意圖Fig.3 Schematic diagram of polluted nanofiltration membrane

納濾膜污染是納濾膜技術(shù)在沼液處理中受限的主要原因。納濾膜的污染與所用膜本身的性質(zhì)有關(guān)，如疏水性膜與親水性膜相比，不利于除有機物，易堵塞，但更有利于去除沼液中的鹽。膜面越粗糙，越易吸附污染物形成污垢［9］，如圖4所示。此外，還與膜組件的形式有很大關(guān)系，板框式、圓管式、螺旋卷式、中空纖維式抗污染能力依次減弱［10］。待分離沼液的性質(zhì)（濃度、pH值）對納濾膜的影響也很大。因此，為了防止和減緩納濾膜污染，減少清洗頻率和運行費用，在實際操作中，應(yīng)根據(jù)沼液所含成分來選擇預(yù)處理工藝，正確選擇納濾膜種類和組器構(gòu)型，優(yōu)化工藝設(shè)計，最終選擇正確、高效的膜清洗工藝。

圖4　新膜與污染膜對比圖Fig.4 Comparison chart of new membrane and polluted membrane

6　結(jié)論和展望

第一，利用納濾膜處理沼液，可以使沼液中的營養(yǎng)物質(zhì)濃縮，還能使排放水凈化，既可達標排放，也可重新利用，有助于減少環(huán)境污染，擴大沼液的利用，實現(xiàn)沼液資源化利用，應(yīng)用前景廣闊。第二，膜污染是膜分離技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，因此，研發(fā)滿足沼液濃縮分離要求的納濾膜材料，確定合適的納濾膜分離操作工藝參數(shù)，掌握控制技術(shù)是今后納濾膜技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。第三，基于變廢為寶的理念，納濾膜技術(shù)處理不僅具有良好的經(jīng)濟效益還具有環(huán)境效益，必將未來發(fā)展的重要方向。

［1］FISCHER G,T ERMOLIRVA,Y ERMOLIEV,et al.Livestock Production Planning under Environmental Risks and Uncertainties［J］.Journal of Systems Science and Systems Engineering,2006,15(4):399-418.

［2］隋倩雯，董紅敏，朱志平，等.沼液深度處理技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報，2011，13（1）：83-87．

［3］曹明.納濾膜分離技術(shù)的研究及應(yīng)用［J］.廣州化工，2011，39（18）：13-14．

［5］宋成芳，單勝道，張妙仙，等.畜禽養(yǎng)殖廢棄物沼液的膜過濾濃縮試驗研究［J］.中國給水排水，2011，27（3）：84-86．

［6］徐國銳.沼液納濾膜濃縮技術(shù)及其液體有機肥開發(fā)研究［D］.浙江：浙江大學(xué)，2012．

［7］趙麗霞.納濾(NF)技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用研究［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2010，（8）：42-43．

［9］W.PENG,I.C ESCOBAR,D.B WHITE.Effects of water chenistries and properties of membrane on the performance and fouling-a model development study［J］.Journal of Menbrane Science,2004,238(1-2):33-46.

［10］劉金武.反滲透膜污染影響因素與防治［J］.石油化工應(yīng)用，2010，29（5）：11-13.

Biogas Slurry Treatment and Nanofiltration Membrane Technology

LUJia,XUXiao-qiu,GAODe-yu,LIUWei,WANGXin
(Energyand Environmental Research Institute ofHeilongjiangProvince,Harbin 150090,China)

The direct discharge of high content of organic pollutants containing nitrogen,phosphorus,COD,BOD and SS in biogas slurry will pollute the environment and endanger the human health.To reduce the pressure of biogas slurry on the environment is particularly an important task.The nanofiltration membrane technology is a high-efficiency wastewater treatment technology with merits of low operation pressure, enegy-saving and finishing the concentration and separation in one step.In this paper,the composition,characteristics and various treatment methods about biogas slurry were reviewed.The role of nanofiltration membrane technology in the biogas slurry treatment process was introduced, the key problems ofbiogas slurry treatment usingnanofiltration membrane were analyzed,and the future prospect of the utilization of nanofiltration technologyin biogas slurrytreatment was alsointroduced.

NanofiltrationMembraneTechnology；BiogasSlurry；Pretreatment；SeparationandConcentration；NanofiltrationMembranePollution

X501

A

1674-8646（2015）09-0058-03

2015-07-08