微濾膜預(yù)處理餐廚厭氧沼液的試驗(yàn)研究＊

方國(guó)生，楊虎君，王懷江，辛舉賢，孫偉進(jìn)

（維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213125）

1 引言

餐廚垃圾主要指相關(guān)企業(yè)和公共機(jī)構(gòu)在食品加工、飲食服務(wù)、單位供餐等活動(dòng)中產(chǎn)生的食物殘?jiān)⑹称芳庸U料和廢棄食用油脂等垃圾。據(jù)報(bào)道，2020 年我國(guó)餐廚垃圾產(chǎn)生量接近1.2×108t［1］，餐廚垃圾若不能有效處理將對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境形成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。國(guó)務(wù)院批轉(zhuǎn)住建部等16 個(gè)部委聯(lián)合起草的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市生活垃圾處理工作的意見(jiàn)》中提出：到2030 年，全國(guó)城市生活垃圾基本實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理，提出“綜合利用、變廢為寶”的基本原則。目前在“雙碳”重大決策下，生活垃圾處理尤其是餐廚垃圾減量化和資源化，是碳減排的重點(diǎn)支持領(lǐng)域。

餐廚垃圾的處理，主要以“預(yù)處理+分離提油+濕式厭氧發(fā)酵”的資源化處理工藝為主，其中提取的毛油與厭氧產(chǎn)生的沼氣可以增加企業(yè)收益［2-3］。沼液是餐廚垃圾經(jīng)厭氧消化后的產(chǎn)物，其含有促進(jìn)植物生長(zhǎng)所必需的氮磷鉀、微量元素、生長(zhǎng)素及豐富的氨基酸等多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可以作為肥料使用［4-8］。但是由于沼液含水量大、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量低，同時(shí)沼液灌溉農(nóng)田受農(nóng)作物季節(jié)影響，導(dǎo)致了沼液資源化利用率較低［9］。為此，通過(guò)膜濃縮技術(shù)，可將沼液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行濃縮后作為有機(jī)肥料利用［10-11］，而產(chǎn)生的清液達(dá)標(biāo)排放或回用，這為沼液資源化利用開(kāi)辟了新的路徑。

由于沼液成分復(fù)雜，含有膠體和高濃度的懸浮物，容易造成嚴(yán)重的膜污染［12］，因此在膜濃縮前需要進(jìn)行預(yù)處理來(lái)保障膜工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)的預(yù)處理方式如多級(jí)粒料過(guò)濾、混凝沉淀等［13-14］，存在處理成本高、效率低等問(wèn)題，限制了其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。魏玉珍等［15］的研究表明，超濾系統(tǒng)可以將進(jìn)料沼液體積濃縮為原來(lái)的20%，對(duì)懸浮物截留率達(dá)99.2%。由于有機(jī)膜在受到污染后，需要對(duì)膜元件清洗，頻繁的清洗會(huì)導(dǎo)致膜元件使用壽命縮短［16-18］。而無(wú)機(jī)陶瓷膜具有抗污染能力強(qiáng)、耐酸堿、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用在許多領(lǐng)域。岳彩德等［19］使用陶瓷膜對(duì)豬場(chǎng)沼液進(jìn)行處理，濁度的去除率達(dá)99%以上，COD去除率達(dá)36.2%。Zacharof 等［20］采用膜孔徑200 nm 的陶瓷微濾膜處理牛糞與秸稈混合發(fā)酵沼液，陶瓷膜通量達(dá)140 L/（m2·h），粗顆粒物（粒徑13.97～21.17 μm）去除率為48.58%。由于餐廚垃圾中含有大量油脂，經(jīng)厭氧消化的沼液中仍有油脂殘留，且餐廚垃圾厭氧消化后的沼液懸浮物濃度比畜禽沼液更高，導(dǎo)致不同沼液對(duì)陶瓷膜通量關(guān)鍵參數(shù)的影響程度有所不同。

目前我國(guó)沼液處理一般使用“混凝沉淀+超濾+反滲透”的處理工藝，由于混凝沉淀需要加入大量藥劑，導(dǎo)致運(yùn)行成本偏高，同時(shí)有機(jī)超濾膜存在使用壽命短的問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，本研究采用“自然沉降+曝氣+微濾陶瓷膜”的預(yù)處理工藝，探討其在處理餐廚沼液中的可行性，并研究該處理工藝的部分關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，即首先通過(guò)預(yù)處理降低餐廚沼液中的懸浮物，再確定適宜的微濾陶瓷膜孔徑，考察影響膜通量的關(guān)鍵因素；使用不同的藥劑對(duì)陶瓷膜清洗，分析清洗后的膜通量恢復(fù)效果，為后續(xù)沼液深度膜濃縮處理提供有力支持。

2 材料與方法

2.1 供試沼液

試驗(yàn)沼液來(lái)自江蘇省常州市維爾利餐廚廢棄物處理有限公司。該企業(yè)對(duì)常州市機(jī)關(guān)單位、高校食堂、綜合商業(yè)體等餐飲服務(wù)行業(yè)的餐廚垃圾收集后進(jìn)行集中處理，處理規(guī)模為400 t/d。采用“初選+精分+油脂分離”技術(shù)提取餐廚垃圾中的油脂，提油后產(chǎn)生的有機(jī)污水進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣。厭氧單元采用全混式厭氧發(fā)酵工藝（CSTR），厭氧溫度35～40 ℃，停留時(shí)間25 d。試驗(yàn)沼液取自厭氧消化罐排放口，其主要理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 沼液水質(zhì)情況Table 1 Water quality of biogas slurry

餐廚厭氧沼液與畜禽廢水厭氧沼液理化性質(zhì)有較多不同（表1），其中餐廚沼液中總磷、鉀離子較低，而畜禽沼液中這些元素的含量較高，這是因?yàn)樾笄莸氖澄锎蟛糠謥?lái)源為植物莖葉，植物莖葉中磷、鉀含量較高；畜禽沼液懸浮物含量較低，餐廚沼液懸浮物含量較高，高濃度懸浮物嚴(yán)重降低了微濾膜通量。另外由于餐廚垃圾中含有大量的油脂，經(jīng)過(guò)油脂分離后，進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)的餐廚垃圾含油率大幅降低，但由于油脂降解緩慢，并且容易在反應(yīng)器內(nèi)與其他物質(zhì)形成黏度較大的顆粒懸浮物，導(dǎo)致油脂在厭氧罐內(nèi)不能完全降解，因此餐廚沼液中仍然含有少量油脂。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 自然沉降試驗(yàn)

取一定量的沼液，放置于容器中，敞口自然靜置。靜置一段時(shí)間后取上層液體進(jìn)行分析測(cè)試。

2.2.2 曝氣試驗(yàn)

1）試驗(yàn)中取6 份20 L 經(jīng)自然沉降后的沼液，利用氣泵將氣體打入沼液中，分別控制氣體流量為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 L/min，曝氣12 h后停止；利用陶瓷膜設(shè)備分別對(duì)上述沼液進(jìn)行測(cè)試，考察膜通量變化情況。

2）在上述最優(yōu)曝氣量下，曝氣不同時(shí)間后（連續(xù)曝氣30 h，每間隔6 h 對(duì)沼液采樣分析），利用陶瓷膜設(shè)備分別對(duì)上述沼液進(jìn)行測(cè)試，考察膜通量變化情況。

2.2.3 陶瓷膜關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

試驗(yàn)選用50、100、200、400、600、800、1 000 nm 7 種孔徑陶瓷膜進(jìn)行試驗(yàn)，考察陶瓷膜在不同溫度、運(yùn)行壓力、體積濃縮倍數(shù)下設(shè)備膜通量及沼液水質(zhì)情況。經(jīng)過(guò)連續(xù)運(yùn)行后，使用化學(xué)藥劑進(jìn)行清洗，分析膜通量恢復(fù)效果。

2.3 試驗(yàn)裝置

微濾陶瓷膜試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1、工藝流程見(jiàn)圖2。循環(huán)罐體積為25 L，沼液通過(guò)進(jìn)料泵（與循環(huán)泵共用）進(jìn)行進(jìn)料和增壓，運(yùn)行壓力通過(guò)閥門(mén)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。陶瓷膜為單支一段設(shè)計(jì)，膜材質(zhì)為氧化鋁，膜面積0.25 m2，長(zhǎng)度1 016 mm，運(yùn)行壓力0～0.4 MPa，運(yùn)行溫度低于200 ℃，采購(gòu)自南京艾宇琦膜科技有限公司。

圖1 微濾陶瓷膜試驗(yàn)裝置Figure 1 Microfiltration ceramic membrane test equipment

圖2 工藝流程示意Figure 2 Schematic of process flow

2.4 數(shù)據(jù)采集與分析方法

pH 采用GB/T 6920—1986 水質(zhì)pH 值的測(cè)定 玻璃電極法，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀測(cè)定（GB/T 11007—2008 電導(dǎo)率儀試驗(yàn)方法），化學(xué)需氧量、氨氮、總氮總磷分別采用重鉻酸鉀法、水楊酸法和過(guò)硫酸鹽氧化法（DR3900，哈希），懸浮物采用GB/T 11901—1989 水質(zhì)懸浮物的測(cè)定 重量法，油類(lèi)采用HJ 637—2018 水質(zhì)石油類(lèi)和動(dòng)植物油類(lèi)的測(cè)定紅外分光光度法。

3 結(jié)果與討論

3.1 預(yù)處理研究

餐廚沼液中懸浮物濃度高達(dá)12 933 mg/L（表1），高濃度的懸浮物易造成嚴(yán)重的膜污染，降低膜通量，影響過(guò)濾效率［13］。為解決此問(wèn)題，在使用膜處理沼液前需要通過(guò)預(yù)處理降低沼液中懸浮物濃度。本試驗(yàn)采用自然沉降和曝氣的方式對(duì)沼液進(jìn)行預(yù)處理，降低沼液中懸浮物含量。

3.1.1 自然沉降

自然沉降對(duì)沼液中懸浮物的去除有一定的效果（圖3）。隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)，懸浮物含量逐漸降低；當(dāng)沉降時(shí)間達(dá)24 h 時(shí)，懸浮物含量為5 630 mg/L，此后隨著時(shí)間繼續(xù)增加，沼液中懸浮物含量變化趨于穩(wěn)定，說(shuō)明大顆粒懸浮污染物包括厭氧活性污泥等易于沉降的物質(zhì)基本沉降完全，上層沼液懸浮物含量從12 933 mg/L降至5 630 mg/L，去除率達(dá)56.5%。

圖3 沼液懸浮物隨沉降時(shí)間的變化Figure 3 Variation of biogas slurry suspended matter with settling time

由于沉降24 h 以后，沼液懸浮物含量降低不顯著，同時(shí)繼續(xù)延長(zhǎng)沉降時(shí)間會(huì)引起沉降池體積增大，占地面積和投資成本也將增加，因此沼液最佳沉降時(shí)間為24 h。

沼液自然沉降前后理化性質(zhì)見(jiàn)表2。從表2 可以看出，沉降24 h 后COD 從10 828 mg/L 降低至8 720 mg/L，降低19.5%，而氨氮和總氮變化不顯著，這是由于沉降的懸浮污染物大部分為非溶解性COD，而氨氮和總氮大部分以游離態(tài)或溶解態(tài)存留于液相中，隨著懸浮物的沉降影響很小。

表2 自然沉降前后的沼液水質(zhì)Table 2 Biogas slurry water quality before and after natural subsidence

由此可見(jiàn)，自然沉降去除了沼液中較大顆粒的懸浮物，同時(shí)有效去除了部分COD，作為其他工藝的預(yù)處理，在一定程度上減少絮凝劑的使用，對(duì)預(yù)防和減輕膜污染起到了一定的效果。

3.1.2 曝氣

曝氣時(shí)采用微米氣泡盤(pán)，產(chǎn)生微米氣泡。微米氣泡具有直徑小、比表面積大、界面電位高、能生成自由基的特點(diǎn)。這些自由基具有強(qiáng)氧化性，可以將有機(jī)物氧化降解。

未曝氣的沼液膜通量為22 L/（m2·h），曝氣量和曝氣時(shí)間與膜通量的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)曝氣量為2 L/min 時(shí)，膜通量為24 L/（m2·h），當(dāng)曝氣量為5.0 L/min 時(shí)，膜通量達(dá)到32 L/（m2·h），此后繼續(xù)增加曝氣量，膜通量變化趨于平緩。沼液是厭氧反應(yīng)后的產(chǎn)物，曝氣時(shí)大量的氧氣被帶入沼液中，沼液中的厭氧微生物活性受到抑制；同時(shí)部分大分子污染物被氧化而降解為小分子，這有助于改善和提高膜通量。另外當(dāng)曝氣量過(guò)大時(shí)，單位體積內(nèi)沼液中的微米氣泡個(gè)數(shù)達(dá)到最大值，因此當(dāng)曝氣量達(dá)到一定限度后，膜通量變化趨于平緩。從節(jié)約能源角度來(lái)看，曝氣量宜選擇5.0 L/min。

圖4 曝氣量、曝氣時(shí)間與膜通量的變化關(guān)系Figure 4 Relationship between aeration amount，aeration time and membrane flux

當(dāng)曝氣時(shí)間為18 h 時(shí)，膜通量達(dá)到34 L/（m2·h），升高了54.5%，繼續(xù)增加曝氣時(shí)間至24 h 時(shí)，膜通量沒(méi)有增加，甚至出現(xiàn)略微降低。推測(cè)原因可能是，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間曝氣后，沼液中厭氧微生物大部分死亡或受到抑制，但當(dāng)曝氣時(shí)間繼續(xù)增加，沼液中的好氧細(xì)菌開(kāi)始大量復(fù)活繁殖，陶瓷膜表面開(kāi)始受到好氧微生物的污染，這從曝氣前后沼液外觀(guān)從黑色轉(zhuǎn)變?yōu)闇\褐色得到進(jìn)一步證實(shí)（圖5）。

圖5 曝氣前后沼液外觀(guān)Figure 5 Appearance of biogas slurry before and after aeration

3.2 陶瓷膜通量影響因素研究

3.2.1 膜孔徑

膜孔徑與膜通量關(guān)系見(jiàn)圖6。可以看出，隨著膜孔徑的逐漸增加，膜通量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)陶瓷膜孔徑為100 nm 時(shí)，膜通量為26 L/（m2·h），隨著膜通量升高至400 nm 時(shí)，膜通量升高至34 L/（m2·h），當(dāng)膜孔徑繼續(xù)增大至600 nm時(shí)，膜通量降低至32 L/（m2·h），800 nm 時(shí)膜通量則為29 L/（m2·h），這說(shuō)明膜孔徑為400 nm 時(shí)，膜污染程度較小。陶瓷膜過(guò)濾沼液采用錯(cuò)流過(guò)濾的方式，造成膜污染的原因主要包括膜表面污染和膜孔堵塞。

圖6 膜孔徑與膜通量的變化關(guān)系Figure 6 Relationship between membrane aperture and membrane flux

為進(jìn)一步證實(shí)上述推斷，使用GB/T 19077—2016 粒度分析激光衍射法對(duì)沼液中污染物的粒徑進(jìn)行表征，結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖7 可以初步判斷沼液中絕大多數(shù)固體顆粒懸浮物粒徑大于400 nm，導(dǎo)致在使用600、800、1 000 nm 孔徑陶瓷膜時(shí)，由于固體顆粒懸浮物粒徑小于或等于膜孔徑，因此進(jìn)入膜孔時(shí)發(fā)生堵塞造成膜通量下降。而當(dāng)膜孔徑小于400 nm 時(shí)，膜孔堵塞程度降低，但由于膜孔徑較小，截留的污染物更多，更容易在膜表面形成濾餅層，膜通量也較低。

圖7 沼液粒徑分布Figure 7 Particle size distribution of biogas slurry

從圖7 可知，沼液中污染物粒徑大小為0.4～160 μm，這也驗(yàn)證了上述解釋。綜合上述試驗(yàn)研究，當(dāng)膜孔徑為400 nm 時(shí)，膜污染程度較輕，膜通量達(dá)到最大值，因此后續(xù)試驗(yàn)以400 nm 陶瓷膜進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.2.2 運(yùn)行壓力

微濾陶瓷膜過(guò)濾沼液需要在原水側(cè)施加一定的壓力作為驅(qū)動(dòng)力，使沼液中的液體透過(guò)膜介質(zhì)，而懸浮物被膜截留。

圖8 展示了400 nm 陶瓷膜在不同壓力下膜通量和能耗的變化情況。隨著壓力不斷升高，初始膜通量隨之升高，但膜通量衰減也越快。這表明，雖然施加的驅(qū)動(dòng)力越大，初始膜通量也越高，但沼液中的有機(jī)污染物、膠體、油脂等在膜表面形成濾餅層的速度也越快，導(dǎo)致膜通量迅速衰減。

圖8 膜通量、單位產(chǎn)水能耗與運(yùn)行壓力的變化關(guān)系Figure 8 Relationship between membrane flux，energy consumption per unit water production and operating pressure

壓力升高，單位時(shí)間產(chǎn)水量也越高，但隨著壓力的升高，增壓泵能耗也會(huì)隨之增加。從圖8可見(jiàn)，壓力增加，其單位產(chǎn)水能耗先降低后升高，當(dāng)壓力為0.3 MPa 時(shí)達(dá)到最小值；當(dāng)壓力升高至0.4 MPa 時(shí)，雖然產(chǎn)水量會(huì)有一定程度增加，但單位產(chǎn)水能耗大幅度增加，因此從節(jié)約能源考慮，最佳壓力運(yùn)行工況為0.3 MPa。

3.2.3 運(yùn)行溫度

沼液溫度對(duì)膜通量也會(huì)產(chǎn)生影響。膜通量隨溫度的變化情況如圖9 所示。沼液溫度為10 ℃時(shí)，膜通量為19 L/（m2·h），沼液溫度40 ℃，膜通量則為48 L/（m2·h）；隨著溫度的升高，膜通量呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。這是由于溫度升高，沼液黏度降低，沼液中含有的動(dòng)植物油脂以及其他污染物流動(dòng)性增強(qiáng)，不易在膜表面堆積成濾餅層，從而膜通量逐漸升高。沼液存儲(chǔ)溫度主要受季節(jié)變化的影響，冬季與春季室外氣溫較低，濃縮時(shí)的膜通量較低，而夏秋季節(jié)氣溫較高，相應(yīng)的膜通量也會(huì)提升，這些工藝參數(shù)的研究，對(duì)工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

圖9 溫度與膜通量的變化關(guān)系Figure 9 Relationship between temperature and membrane flux

3.2.4 體積濃縮倍數(shù)

沼液過(guò)濾濃縮時(shí)，回收率越高，濃縮倍數(shù)（沼液原液體積/濃縮液體積）越大，沼液體積大幅降低，減少了儲(chǔ)存與運(yùn)輸?shù)碾y度，有助于沼液減量化和后續(xù)深度處理，這也直接影響設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用。另外濃縮倍數(shù)增加，濃液中的污染物濃度增加，膜通量會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減，因此通過(guò)試驗(yàn)確定沼液體積濃縮倍數(shù)，并以此作為重要的控制參數(shù)有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

沼液濃縮倍數(shù)與膜通量的變化如圖10 所示。隨著濃縮倍數(shù)的增加，膜通量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)濃縮倍數(shù)為1 時(shí)，膜通量為31 L/（m2·h）；當(dāng)濃縮倍數(shù)升高至5 時(shí)，膜通量降低至12 L/（m2·h）。

圖10 濃縮倍數(shù)與膜通量的變化關(guān)系Figure 10 Relationship between concentration factor and membrane flux

造成這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋赫右褐心z體顆粒、懸浮物、油脂等污染物被截留在濃縮液中，并隨著濃縮倍數(shù)的增加而逐漸增加，濃差極化現(xiàn)象加劇，膜通量逐漸降低［24］。另外濃縮倍數(shù)增大使膜元件表面更快地形成濾餅層，濾餅層厚度增加，過(guò)濾阻力更大，也會(huì)造成膜通量快速降低。根據(jù)膜通量變化趨勢(shì)可以看出，當(dāng)濃縮倍數(shù)大于6 時(shí)，膜通量降至8 L/（m2·h）以下，在較低的膜通量下，處理同樣的水量需要增加設(shè)備投資；同時(shí)陶瓷膜較易被污染，清洗頻率增加導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，藥劑成本也隨之增加。根據(jù)工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，微濾膜通量一般建議不低于12 L/（m2·h）。因此可以確定餐廚沼液的最佳濃縮倍數(shù)為5～6倍，這比陸佳等［21］的研究結(jié)果“濃縮4～5 倍（0.1 MPa 下）”略高，原因是本試驗(yàn)最佳運(yùn)行壓力為0.3 MPa，大于其運(yùn)行的操作壓力。

3.3 陶瓷膜處理沼液出水水質(zhì)效果

陶瓷膜處理沼液出水水質(zhì)效果見(jiàn)表3。

表3 沼液經(jīng)微濾陶瓷膜處理后的水質(zhì)結(jié)果Table 3 Water quality results of biogas slurry treated by microfiltration ceramic membrane

50、400、800 nm 陶瓷膜對(duì)懸浮物去除均有良好的效果，三者對(duì)懸浮物的去除率達(dá)97%以上，膜透過(guò)液懸浮物含量均能滿(mǎn)足后續(xù)膜深度處理的要求。COD 去除率分別為60.4%、59.7%、58.0%，三者差異較小，這是因?yàn)檎右褐袘腋∥锖湍z體等污染物提供的COD 占比較大，而可溶性COD 相對(duì)較低。3 種陶瓷膜對(duì)氨氮幾乎沒(méi)有截留效果，這是由于沼液中的氨氮主要以游離氨或銨鹽的形式存在于液相中，陶瓷膜的孔徑較大，無(wú)法對(duì)氨氮或銨鹽進(jìn)行截留；對(duì)總氮去除率分別為12.6%、11.2%、10.8%，這是因?yàn)檎右褐械膽腋∥锖湍z體中可能存在少量有機(jī)氮，隨著懸浮物和膠體被截留而截留。

沼液中油類(lèi)主要是餐廚垃圾在前端油脂提取工藝階段的少量殘留，進(jìn)入?yún)捬鯁卧?，由于油?lèi)不易被厭氧微生物消化，因此在厭氧沼液中仍有殘留。從表3 可以看出，沼液經(jīng)陶瓷膜處理后，油類(lèi)被有效去除，其中50、400 nm 孔徑陶瓷膜對(duì)油類(lèi)截留率達(dá)88%以上，油類(lèi)物質(zhì)的去除有效減輕了后端膜深度處理工藝中油類(lèi)對(duì)膜的污染。

陶瓷膜對(duì)沼液中的懸浮物過(guò)濾后，透過(guò)液中懸浮物含量達(dá)到后續(xù)膜深度處理進(jìn)水水質(zhì)的要求，同時(shí)氨氮、總氮等元素基本保留，為后續(xù)膜濃縮深度處理資源化利用提供了有力保障。

3.4 陶瓷膜清洗

為考察陶瓷膜通量隨時(shí)間變化的情況，通過(guò)控制進(jìn)料速度和濃液閥開(kāi)合，保持循環(huán)箱中沼液懸浮物含量穩(wěn)定，使用400 nm 孔徑陶瓷膜連續(xù)運(yùn)行。膜通量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖11所示。

圖11 膜通量隨運(yùn)行時(shí)間的變化Figure 11 Variation of membrane flux with running time

隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，膜通量逐漸降低。初始為34 L/（m2·h），2.5 h 后降低至20 L/（m2·h），膜通量降低41.2%，這主要是由于膜污染引起的。膜污染主要包括濃差極化、表面堆積和膜孔堵塞，由于試驗(yàn)過(guò)程中保持進(jìn)水懸浮物含量基本不變，因此試驗(yàn)中的膜污染主要原因是污染物在膜表面堆積。根據(jù)前文的分析，可以通過(guò)適當(dāng)提高沼液溫度，減緩污染物的堆積速度，進(jìn)而減緩膜通量的衰減。但當(dāng)污染物在膜表面堆積到一定程度時(shí)，需要對(duì)膜元件進(jìn)行清洗，以恢復(fù)和改善膜通量。

試驗(yàn)中清洗藥劑有次氯酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%）、氫氧化鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%）、檸檬酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%）、硝酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%）等，藥劑的組合分別為：A 次氯酸鈉+氫氧化鈉，B 檸檬酸，C硝酸，D 次氯酸鈉+氫氧化鈉+檸檬酸，E 次氯酸鈉+ 氫氧化鈉+ 硝酸。為避免藥劑殘留對(duì)后續(xù)清洗藥劑的干擾，每種藥劑清洗后使用清水沖洗。以A藥劑組合為例，首先對(duì)膜元件使用次氯酸鈉清洗，然后使用清水清洗，去除次氯酸鈉在膜元件內(nèi)的殘留，接著再使用氫氧化鈉清洗，最后再用清水清洗，去除氫氧化鈉在膜元件內(nèi)的殘留。清洗效果和膜通量恢復(fù)率（膜清洗后的膜通量/初始膜通量）見(jiàn)圖12。

圖12 藥劑清洗后對(duì)膜通量的恢復(fù)率Figure 12 Recovery rate of membrane flux after chemical cleaning

A、B、C 組清洗藥劑膜通量恢復(fù)率分別為76%、69%、71%，這表明膜表面主要是有機(jī)物以及微生物類(lèi)物質(zhì)，而氫氧化鈉可以將油脂等有機(jī)物水解、次氯酸鈉可以氧化蛋白質(zhì)和微生物等物質(zhì)，從而使這些污染物松動(dòng)，最終達(dá)到將污染物去除的效果。酸對(duì)微生物細(xì)胞壁有一定的破壞作用，同時(shí)也可以溶解膜表面鈣鎂離子形成的難溶性無(wú)機(jī)鹽垢，提升膜通量。使用D、E 兩種組合藥劑后，膜通量恢復(fù)率分別為96%、99%，因此這兩種組合藥劑可以有效恢復(fù)陶瓷膜通量。

3.5 運(yùn)行費(fèi)用

本研究小試系統(tǒng)處理沼液量為50 L/h，基于前文所述“自然沉降+曝氣+微濾膜過(guò)濾”的預(yù)處理工藝，直接運(yùn)行費(fèi)用主要由電費(fèi)和清洗藥劑費(fèi)用組成。小試系統(tǒng)中用電設(shè)備主要包括進(jìn)料泵、風(fēng)機(jī)及自動(dòng)控制裝置等設(shè)備，清洗藥劑包括次氯酸鈉、氫氧化鈉、檸檬酸等。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，在曝氣量5 L/min、曝氣18 h、運(yùn)行壓力0.3 MPa、溫度20 ℃、濃縮體積倍數(shù)為5 的條件下，預(yù)處理沼液的耗電量為5.2 kWh/t，清洗藥劑每次消耗25 L，按照一般市場(chǎng)價(jià)格折算沼液預(yù)處理直接運(yùn)行費(fèi)用約為4.16元/t。

4 結(jié)論

針對(duì)餐廚沼液高懸浮物濃度的特征，使用預(yù)處理、陶瓷膜過(guò)濾濃縮的方式進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1）沼液經(jīng)自然沉降24 h 后，懸浮物濃度可降低56.5%，從經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，最佳沉降時(shí)間為24 h；沼液中懸浮物濃度的降低，有效地降低了膜元件膜孔堵塞幾率，延緩了在過(guò)濾時(shí)膜元件表面濾餅層的形成，提高了膜通量。在對(duì)沼液以曝氣量5.0 L/min、曝氣18 h 后，膜通量由22 L/（m2·h）提高至34 L/（m2·h），升高了54.5%。

2）通過(guò)多種陶瓷膜孔徑的比較，400 nm 孔徑陶瓷膜可以有效去除沼液中的懸浮物，且陶瓷膜污染程度較低，膜通量最大；溫度升高，有助于提高膜通量；在0.3 MPa 下，膜通量達(dá)到最大值34 L/（m2·h）；濃縮體積增加，膜通量逐漸降低，400 nm孔徑陶瓷膜最優(yōu)濃縮倍數(shù)為5～6倍。

3）陶瓷膜有效去除沼液懸浮物的同時(shí)，沼液中的溶解性有機(jī)質(zhì)、氨氮、總氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)基本被保留在透過(guò)液中，為后續(xù)深度濃縮資源化利用提供了保障。

4）經(jīng)“次氯酸鈉+氫氧化鈉+檸檬酸”“次氯酸鈉+氫氧化鈉+硝酸”兩種組合藥劑清洗后，陶瓷膜膜通量恢復(fù)率均可達(dá)到96%以上。