城鄉(xiāng)混合垃圾滲濾液中有機(jī)物顆粒的微米化處理研究

楊 林，姜 婷，鐘 欽

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，成都 610041）

目前，我國每年產(chǎn)生大量城鄉(xiāng)混合垃圾，但處理量偏低。城鄉(xiāng)混合垃圾來源廣泛，含水率高，產(chǎn)生量大，生物轉(zhuǎn)化利用率高，傳統(tǒng)的填埋和焚燒處理方式存在成本高、污染嚴(yán)重、周期長、有機(jī)質(zhì)利用率低等弊端，不是城鄉(xiāng)混合垃圾的最優(yōu)處理方式[1-3]。近年來，好氧發(fā)酵逐漸成為大批量處理城鄉(xiāng)混合垃圾的最佳選擇。好氧發(fā)酵產(chǎn)生的滲濾液含有豐富的有機(jī)物，可用于生產(chǎn)液體肥料，實(shí)現(xiàn)水肥一體化利用。相比傳統(tǒng)的固體肥料，液體肥料擁有更加靈活的配方，能夠根據(jù)實(shí)際需求實(shí)時(shí)調(diào)整不同元素的配比。相較于傳統(tǒng)化肥生產(chǎn)，液體肥料在生產(chǎn)過程中不會(huì)產(chǎn)生有害的化學(xué)物質(zhì)，更加環(huán)保，滲濾液制備液體肥料的生產(chǎn)工藝更加簡單，能量消耗更低。將液體肥料與滴灌技術(shù)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)施肥，提高肥料利用率，同時(shí)供水供肥，使用更加方便[4-6]。但是，好氧發(fā)酵滲濾液含有粒徑較大的有機(jī)物顆粒，若直接采用滴灌施肥，則可能會(huì)堵塞滴灌口。因此，本研究收集城鄉(xiāng)混合垃圾高溫堆肥處理設(shè)施產(chǎn)生的滲濾液，采用聚焦光束反射測(cè)量儀分析滲濾液中有機(jī)物顆粒分布和團(tuán)聚情況，通過過濾手段調(diào)控有機(jī)物顆粒粒徑，構(gòu)建城鄉(xiāng)混合垃圾滲濾液有機(jī)物顆粒的微米化處理技術(shù)，為進(jìn)一步生產(chǎn)液體肥料和滴灌施肥做好準(zhǔn)備。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試驗(yàn)處理對(duì)象為好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵滲濾液，采集自城鄉(xiāng)混合垃圾高溫堆肥處理設(shè)施。使用平均孔徑50 nm 的氧化鋁多孔陶瓷膜管，陶瓷膜管外徑為0.032 m，長度為0.2 m，通道數(shù)有19 個(gè)，陶瓷膜管兩端外部打磨長度為0.026 m，厚度接近0.002 m。使用濃度0.1 mol/L 的氫氧化鈉溶液。主要儀器有電子分析天平、恒溫磁力攪拌器、聚焦光束反射測(cè)量儀、烘箱、蠕動(dòng)泵、超純水儀、循環(huán)水真空泵和陶瓷膜過濾設(shè)備。陶瓷膜過濾設(shè)備由實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 陶瓷膜過濾設(shè)備的設(shè)計(jì)

陶瓷膜具有優(yōu)異的性能，是過濾膜的首選。一是結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異。具體來說，陶瓷膜組件呈管狀或?yàn)槎嗫准?，與有機(jī)膜相比，這種結(jié)構(gòu)不易引起膜堵塞；流量衰減慢，即使堵塞嚴(yán)重，也能得到滿意的流量；陶瓷膜清洗操作簡單，所需時(shí)間短，費(fèi)用低，膜組件內(nèi)積物很少。二是無機(jī)陶瓷膜使用壽命長。在水處理中，陶瓷膜具有非常長的使用壽命，它能長時(shí)間經(jīng)受各種介質(zhì)的侵蝕[7-9]。所以，本試驗(yàn)使用平均孔徑50 nm 的氧化鋁多孔陶瓷膜管，并將其組裝成陶瓷膜組件，如圖1 所示。其中，陶瓷膜管采用快裝接口，主體材料為314 鋼，關(guān)鍵部位使用316L 鋼，橡膠塞材質(zhì)為聚丙烯。

圖1 陶瓷膜組件的結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)物料的連續(xù)處理，設(shè)計(jì)陶瓷膜的過濾流程，如圖2 所示。通過泵運(yùn)輸，滲濾液以錯(cuò)流過濾的形式從進(jìn)料罐進(jìn)入膜管，由兩側(cè)的壓力差驅(qū)動(dòng)，部分溶液選擇性滲透過膜管進(jìn)入滲透罐，另一部分進(jìn)入排水罐[10]。試驗(yàn)過程中，可以通過閥門調(diào)節(jié)膜管滲透通量。

圖2 陶瓷膜過濾流程

1.3 過濾及通量恢復(fù)方法

試驗(yàn)收集城鄉(xiāng)混合垃圾高溫堆肥處理設(shè)施產(chǎn)生的厭氧發(fā)酵滲濾液和好氧發(fā)酵滲濾液，分別通過濾紙過濾和陶瓷膜過濾，再采用聚焦光束反射測(cè)量儀分析過濾前后的滲濾液中有機(jī)物顆粒分布和團(tuán)聚情況，研究顆粒數(shù)量、顆粒粒徑以及滲濾液濁度的變化，對(duì)比濾紙與陶瓷膜的處理效果。

濾紙過濾時(shí)，濾餅層過厚會(huì)導(dǎo)致通量銳減，在過濾中，由于濾紙堵塞，要多次更換濾紙，極大地降低連續(xù)生產(chǎn)效率。在陶瓷膜過濾中，濾餅層過厚也會(huì)導(dǎo)致通量銳減。過濾時(shí)，可以使用較大的錯(cuò)流速度沖刷膜表面，減少污染，但隨著使用時(shí)間的增加，陶瓷膜過濾通量不可避免地大幅減小。試驗(yàn)使用自來水和氫氧化鈉溶液分別對(duì)陶瓷膜管進(jìn)行反沖洗，并探究氫氧化鈉溶液濃度對(duì)通量恢復(fù)的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 厭氧發(fā)酵滲濾液過濾

將厭氧發(fā)酵滲濾液過濾前后的樣品進(jìn)行對(duì)比分析，其濾紙過濾和陶瓷膜過濾前后的結(jié)果如圖3 所示。分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濾紙過濾，滲濾液顆粒粒徑無明顯的降低，但是顆粒數(shù)至少降低16%。與之相比，經(jīng)陶瓷膜過濾，滲濾液顆粒粒徑降低極其明顯，其微米級(jí)顆粒數(shù)降低幅度超過99%。經(jīng)陶瓷膜分離，粒徑分布在1 ～13 μm 的顆粒降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到預(yù)期效果。懸浮物濃度達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即小于100 mg/L。

圖3 厭氧發(fā)酵滲濾液過濾前后的顆粒粒徑分布

從表1 可以得出，濾紙過濾和陶瓷膜過濾均能夠降低滲濾液顆粒的平均粒徑。經(jīng)濾紙過濾，其平均粒徑可以從20.292 μm 降到10.421 μm；經(jīng)陶瓷膜過濾，其平均粒徑可以從20.292 μm 降到9.709 μm。D50 和D90 數(shù)據(jù)顯示，膜過濾對(duì)粒徑分布具有一定的截?cái)嘧饔谩?/p>

表1 厭氧發(fā)酵滲濾液過濾前后的顆粒粒徑變化

2.2 好氧發(fā)酵滲濾液過濾

將好氧發(fā)酵滲濾液過濾前后的樣品進(jìn)行對(duì)比分析，其濾紙過濾和陶瓷膜過濾前后的結(jié)果如圖4 所示。由于有氧分解比較完全，與厭氧發(fā)酵滲濾液相比，好氧發(fā)酵滲濾液懸浮物濃度較低，濾紙過濾對(duì)滲濾液顆粒數(shù)的變化無影響。而陶瓷膜過濾對(duì)好氧發(fā)酵滲濾液顆粒的脫除率超過60%。無論是采用濾紙過濾還是陶瓷膜過濾，好氧發(fā)酵滲濾液分解比較完全，在與厭氧發(fā)酵滲濾液相同的處理?xiàng)l件下，其懸浮物濃度可以達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 好氧發(fā)酵滲濾液過濾前后的顆粒粒徑分布

從表2 可以看出，過濾對(duì)于好氧發(fā)酵滲濾液沒有截?cái)嘧饔?。?jīng)分析，主要原因是好氧發(fā)酵有機(jī)物分解比較完全。厭氧發(fā)酵滲濾液D90 為14.289 μm，與前者相比，好氧發(fā)酵滲濾液的D90 只有4.121 μm。

表2 好氧發(fā)酵滲濾液分離前后的顆粒粒徑變化

2.3 通量恢復(fù)

使用濾紙過濾時(shí)，在負(fù)壓0.08 MPa 的條件下進(jìn)行抽濾，其處理量為0.2 L/h。隨著過濾的進(jìn)行，濾餅層加厚導(dǎo)致通量急劇下降甚至堵塞，要不斷更換濾紙，連續(xù)生產(chǎn)效率極大地降低。與之相比，使用陶瓷膜過濾，錯(cuò)流速度為1.2 L/h 時(shí)，其通量為4 L/h，遠(yuǎn)大于濾紙過濾的效率。過濾2 h 后，陶瓷膜過濾通量降低，錯(cuò)流速度越大，通量隨時(shí)間的降低幅度越大。使用自來水和氫氧化鈉溶液分別對(duì)陶瓷膜管進(jìn)行反沖洗，在相同時(shí)間內(nèi)，使用氫氧化鈉溶液的效果更加明顯。經(jīng)分析，有機(jī)物堵塞膜孔可能是膜污染的主要原因，而氫氧化鈉溶液容易去除膜中的污垢。氫氧化鈉溶液的濃度要保持在一定范圍，陶瓷膜的主體材料為氧化鋁，過高濃度的氫氧化鈉容易和氧化鋁生成偏鋁酸鈉，降低陶瓷膜的使用壽命，一般使用濃度0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液作為反洗液。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用濃度0.1 mol/L 的氫氧化鈉溶液沖洗10 min，即可完成陶瓷膜的通量恢復(fù)。

3 結(jié)論

城鄉(xiāng)混合垃圾高溫堆肥處理會(huì)產(chǎn)生很多滲濾液，其中含有大量有機(jī)物顆粒。經(jīng)濾紙過濾，滲濾液顆粒粒徑和濁度均明顯降低，其中，厭氧發(fā)酵滲濾液顆粒脫除率大于16%，好氧發(fā)酵滲濾液發(fā)酵較為完全，濾紙過濾對(duì)顆粒數(shù)的變化無影響。經(jīng)陶瓷膜過濾，厭氧發(fā)酵滲濾液顆粒脫除率大于99%，好氧發(fā)酵滲濾液顆粒脫除率可達(dá)60%，過濾后滲濾液懸浮物濃度可以達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。陶瓷膜處理滲濾液2 h 后，使用濃度0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液作為反洗液對(duì)膜進(jìn)行處理，使陶瓷膜通量得到有效恢復(fù)。隨著時(shí)間的變化，陶瓷膜堵塞可能導(dǎo)致過濾效果降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，陶瓷膜通量隨著時(shí)間的增加而逐漸降低，錯(cuò)流速度越大，通量隨時(shí)間的降低幅度越大。