奚旦立，高春梅，李燕，陳季華，毛艷梅

（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200051）

　　摘  要：近來，膜技術(shù)的研究是目前廢水處理中一個熱門的話題，但是由于膜的價格較高和高的運行費用使得膜技術(shù)還不能廣泛的應(yīng)用在廢水處理中。東華大學(xué)根據(jù)廢水處理及膜分離的特點設(shè)計了一套以陶瓷膜為主的具有大通量和低費用的水處理設(shè)備。處理流程包括：使污染物分子聚集到微米級以上；用混凝沉淀方法分離毫米級污染物；用多孔陶粒分離5 mm以上微粒，最后用陶瓷膜進(jìn)行分離。利用該設(shè)備對經(jīng)過生化處理過的垃圾滲瀝液進(jìn)行處理。小試和中試的結(jié)果表明：當(dāng)垃圾滲瀝液經(jīng)二級生化處理且COD<1000 mg/L時，該設(shè)備處理出水COD<300 mg/L且較穩(wěn)定；滲瀝液中的35種主要有機污染物質(zhì)，有16種芳香烴類物質(zhì)可以完全被去除，占有機污染物質(zhì)總數(shù)的45.7%；7種污染物質(zhì)的去除率在75% ~ 96%之間，占有機污染物質(zhì)總數(shù)的20%；另外7種污染物質(zhì)的去除率在6% ~ 44%之間，占有機污染物質(zhì)總數(shù)的20%。結(jié)果表明：有陶粒和陶瓷膜設(shè)計的此設(shè)備能夠有效的降低有機污染物的濃度且運行廢水低。另外對其他廢水的處理也取得了很好的效果。

　　關(guān)鍵詞：亞濾；陶瓷膜；陶粒；垃圾滲瀝液；COD

　　目前，膜技術(shù)是廢水處理領(lǐng)域中比較熱門的話題。根據(jù)膜材料的不同可分為有機膜和無機膜。無機膜已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在污水處理中并發(fā)展成一些技術(shù)，如超濾、反滲透和微濾。有很多報告利用超濾和反滲透處理生活污水和工業(yè)廢水，尤其是MBR（膜生物反應(yīng)器）。試驗表明可以獲得很好的處理效果并且處理的水可以回用。但是膜在廢水處理工程應(yīng)用方面還存在兩個主要問題：膜的價格和膜生物反應(yīng)器的設(shè)備比較高；由于膜阻力大，因此消耗的能量也高；處理1噸廢水要消耗1.5千瓦的能量。另一方面，由于膜污染問題嚴(yán)重，膜的有效使用壽命相對就較短，因此膜要經(jīng)常更換。還有膜的運行費用高。因此，開發(fā)低成本、大通量的膜及研制使用大通量膜的設(shè)備具有重要的意義。本論文介紹了設(shè)備的研制以及利用此設(shè)備對垃圾滲瀝液的研究。

　　1 膜材料

　　世界上有很多膜材料，如PVC（聚氯乙烯）、PS（聚砜）及一些有機材料，另外還有無機材料，如高嶺土、陶土等；但是，在中國，陶瓷材料發(fā)展的非常快而且原料豐富，來源廣泛，價格較低。因此，選擇陶瓷膜來進(jìn)行實驗研究。

　　陶瓷膜是無機膜的一種，具有來源廣泛、價格低廉等特點，與超濾膜和反滲透膜相比具有很大的吸引力。陶瓷膜的特點如下：耐高溫，可以在低于1000℃下穩(wěn)定使用，適用于處理高溫、高粘度流體（水和氣體）；機械強度高，在高壓或大的壓差下使用不會變形；化學(xué)穩(wěn)定性好，能抗微生物降解，對于有機溶劑、腐蝕性氣體和微生物侵蝕，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；使用壽命長，可使用3 ~ 5年，甚至8 ~ 10年。

　　2 亞濾技術(shù)和設(shè)備的產(chǎn)生

　　長時間以來，超濾和反滲透技術(shù)在廢水處理方面獨占鰲頭，但是膜孔徑限制了它們的應(yīng)用范圍。這樣亞濾技術(shù)就應(yīng)運而生了。

　　經(jīng)多年研究，東華大學(xué)結(jié)合廢水處理和膜分離特點，提出一項綜合性技術(shù)“亞濾”。它包括：① 使污染物分子聚集到微米級及以上并分離毫米級污染物；② 用自行研制的多孔陶粒分離5 m以上微粒，以保證后續(xù)“膜分離”運行穩(wěn)定，在足夠時間內(nèi)不需反沖；③ 使用可根據(jù)需要調(diào)整孔徑的膜分離一定粒徑物質(zhì)以達(dá)到分離污染物、凈化水質(zhì)、氣體等目的。這一技術(shù)包括二類，一類是膜分離技術(shù)與物化技術(shù)（混凝、沉淀、陶粒過濾等）相結(jié)合，另一類是膜分離技術(shù)與生化技術(shù)相結(jié)合。陶瓷膜、陶粒的開發(fā)大大降低了膜處理設(shè)備成本，而降低運行成本必需加大孔徑，途徑有二：一是使分子“凝聚”，二是適當(dāng)放大孔徑，使之在超濾、微濾之間。

　　下面分別介紹亞濾的重要技術(shù)和設(shè)備。

　　2.1 膜分離技術(shù)和陶瓷膜

　　在任何膜技術(shù)中，膜分離技術(shù)對于整個技術(shù)來說是非常重要的。利用膜技術(shù)可以去除一些物質(zhì)并且可以凈化污水，因此可以說膜分離技術(shù)是整個技術(shù)的核心。

　　每一種膜根據(jù)它的孔徑和操作條件可以應(yīng)用在一定的范圍內(nèi)。不同的膜分離技術(shù)的比較結(jié)果如表1。部分微生物和膠體粒徑如表2。從表2可以看出，亞濾技術(shù)可以去除膠體、細(xì)菌、菌類、原生動物和藻類。由于陶瓷膜具有高流量和低成本，因此選擇陶瓷膜研制亞濾設(shè)備。不同的膜在廢水處理應(yīng)用中的前景如表3。

　　2.2 陶粒

　　陶粒的應(yīng)用近年來在國際上形成一股熱潮，它主要應(yīng)用于：利用輕質(zhì)陶粒（多孔）代替砂、石做建筑材料；作為油田噴井時壓井材料；作為無土栽培的多孔底質(zhì)；在廢水處理中作為濾料，這在法國等國家用得非常普遍，與無煙煤相比具有很高的機械強度；使用過程中損耗少；與活性炭相比，價格遠(yuǎn)為低廉。

　　陶粒的原料與陶管相似，陶粒的堆積密度見表4。由于堆積密度小，可以采用水自下面進(jìn)上面出的處理流程。

表4  陶粒的堆積密度表

　　本實驗選擇東華大學(xué)自行研制的陶粒進(jìn)行研究。

　　2.3 陶瓷管和涂膜

　　自制陶管采用φ₁ 12 mm、φ₂ 7 mm、L 1100 mm，原料為焦寶石、陶土、鋁礬土、白泥及發(fā)孔劑，在一定條件下燒結(jié)而成。其大部分表面孔徑為10 ~ 200 µm，然后用特種金屬化合物超細(xì)粉末（1 µm、3 µm、5 µm等），根據(jù)使用要求分幾次涂膜而成。涂膜之后，膜孔徑在0.1 ~ 5 µm之間。涂膜包括固定膜和動態(tài)膜兩種，本研究使用動態(tài)膜。

　　動態(tài)膜是偶然發(fā)現(xiàn)的，它是在壓力作用下使微粒就地沉積在多孔載體上。多應(yīng)用在反滲透過程，現(xiàn)在也應(yīng)用在超濾過程中。

　　動態(tài)膜與超濾膜相比有以下優(yōu)點：滲透通量較高；易于再生；可根據(jù)溶液的性質(zhì)變換不同的制膜材料；制造簡單，無需干燥和燒結(jié)。

　　動態(tài)膜還處在發(fā)展階段，沒有廣泛的應(yīng)用在工業(yè)上，處于實驗階段。在實際應(yīng)用過程中，作為污水處理的一個新技術(shù)還有一些方面需要改進(jìn)。

　　2.4 亞濾設(shè)備的設(shè)計

　　亞濾設(shè)備包括：預(yù)處理設(shè)備（泵前加藥、混凝、斜管沉淀、陶粒過濾）和陶管膜過濾二部分。

　　受試水樣貯存于水槽，以泵抽吸，并在泵前加藥混凝，進(jìn)入輕質(zhì)陶粒過濾器，再進(jìn)入陶管膜進(jìn)行分離，分離后原水從底部排放，回流水仍回至水槽。

　　3 亞濾設(shè)備處理垃圾滲瀝液的研究

　　東華大學(xué)利用這一技術(shù)對垃圾滲瀝液及一些廢水進(jìn)行了實驗研究。從實驗結(jié)果可以看出，亞濾技術(shù)可以有效的處理工業(yè)廢水，并取得很好的效果。

　　3.1 利用亞濾技術(shù)處理垃圾滲瀝液

　　生活垃圾在處置過程中，不論在填埋場、中轉(zhuǎn)站，還是焚燒場等，都會產(chǎn)生滲瀝液。根據(jù)產(chǎn)生的條件不同其COD可在4000 ~ 60000 mg/L之間。垃圾填埋場通常采用二級生化處理，出水COD只能處理到1000 mg/L左右，進(jìn)一步深度處理，不論是物化或生化處理，處理效果都較差（COD去除率低于30%），難以達(dá)到中國《生活垃圾填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889-1997）規(guī)定的指標(biāo)：SS≤200 mg/L；BOD≤150 mg/L；COD≤300 mg/L；NH₃-N≤25 mg/L。

　　2001年2月19日到3月30日，利用亞濾設(shè)備，在上海老港對經(jīng)過二級生化處理的垃圾滲瀝液進(jìn)行了處理并對處理后的水進(jìn)行了研究，結(jié)果見表5。各個組件對垃圾滲瀝液的去除率見表6。

　　中試2001年在老港廢棄物處置場進(jìn)行，運行63天，水樣是COD_Cr為1139.1 mg/L的垃圾填埋場生化處理出水。

　　腐殖質(zhì)是垃圾滲瀝液中有機物的主要組成，其分子量分布范圍為102 ~ 106。腐殖質(zhì)中50% ~ 60%是碳水化合物及其關(guān)聯(lián)物質(zhì)，10% ~ 30%是木質(zhì)素及其衍生物，1% ~ 3%是蛋白質(zhì)及其衍生物。由此可見，去除垃圾滲瀝液中的有機物質(zhì)，尤其是腐殖酸類物質(zhì)具有十分重要的意義。有機污染物的去除情況如表7。

　　由表7可知，其中的35種主要有機污染物質(zhì)，有16種可以完全被去除，占有機污染物質(zhì)總數(shù)的45.71%，這16種污染物質(zhì)主要是芳香烴類物質(zhì)；7種污染物質(zhì)的去除率在75% ~ 96%之間，占有機污染物質(zhì)總數(shù)的20%；另外7種污染物質(zhì)的去除率在6% ~ 44%之間，亦占有機污染物質(zhì)總數(shù)的20%。以上說明陶粒－陶瓷管過濾組件可以有效的去除垃圾填埋滲瀝液中有機污染物質(zhì)。

　　3.2 亞濾技術(shù)對其他廢水的處理

　　另外，亞濾技術(shù)還可處理其他廢水，如造紙廢水、印染廢水、化工廢水等。這些廢水的處理結(jié)果如表8。

　　從表7可以看出，直接陶管膜處理廢水COD的去除率在20% ~ 35%之間，而實際上分離的只是水中肉眼無法看到的膠體顆粒。但是亞濾處理廢水COD的去除率高達(dá)60% ~ 95%。另外，亞濾的能量消耗低于1 kW·h/t廢水，因此應(yīng)用前景十分廣闊。

　　4 結(jié)論

　　通過上述介紹，亞濾技術(shù)具有以下特點：它是一項集混凝、陶粒和陶瓷膜優(yōu)化組合的高科技產(chǎn)品；它利用陶瓷膜過濾，孔徑在超濾與微濾之間，大大擴大了水處理的范圍；亞濾設(shè)備的價格只是使用超濾膜設(shè)備價格的1/4 ~ 1/3；它具有很高的流量，這是其他技術(shù)不能達(dá)到的；亞濾的能量消耗小于1 kW·h/t廢水，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　雖然亞濾技術(shù)與其他膜處理技術(shù)相比有一些優(yōu)點，但還存在一些缺點：易脆，需要特殊的處理程序和支撐體系；高溫下很難密封組件困難；陶瓷膜內(nèi)單位體積有效分離面積較有機高聚物膜低。

　　亞濾作為一項新的處理廢水工藝具有它的局限性，因此在實際應(yīng)用過程中，要根據(jù)實際情況改善這一技術(shù)。