CN105417845A - 一种垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置及方法，方法包括：(1)垃圾渗滤膜浓缩液由垃圾渗滤膜浓缩液注入口注入膜组件中；清水由清水注入口注入浓缩区，同时接通稳压电源；在阴极套管作用下，废水中的阳离子和阴离子透过膜组件进入到浓缩区；(2)膜组件出水打入氧化区，通过微生物作用去除剩余有机物，出水达标排放；浓缩区出水打入还原区，通过阴极套管作用去除重金属离子，最终出水为纯盐水。本发明将膜处理与生物电化学处理相结合，处理效果好，装置结构简单，操作方便，能在高盐的条件下更有效处理膜浓缩液中的难降解有机物以及重金属。

Description

一种垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置及方法

技术领域

本发明涉及电化学技术及生物降解技术，具体涉及一种利用微生物电化学反应器进行分离处理垃圾渗滤膜浓缩液的方法。

背景技术

随着城市化进程的加快，“垃圾围城”现象屡见不鲜。目前最常见的垃圾处理处置方法是卫生填埋。在垃圾填埋过程中会产生一种高浓度有机废水--垃圾渗滤液，如未经妥善处理，会严重污染生态环境和危害人体健康。为了满足我国2008年颁布实施《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)对渗滤液出水的更高要求，膜法(包括超滤、纳滤、反渗透等)作为渗滤液的最终处理工艺得到较为广泛的应用。垃圾渗滤液在经过多级生化处理后再经膜处理可使出水稳定达到新标准排放。然而，膜的另一面却残留着更难处理、环境危害更大的副产物——垃圾渗滤膜浓缩液，环境风险显著，亟需有效处理。膜浓缩液中含有大量的难降解有机污染物，如腐殖酸，同时还含有较高浓度的盐度与重金属浓度。过量重金属离子的存在会取代微生物细胞内结合位点的必需元素，与配位基团反应，导致核酸、蛋白质构象改变，干扰氧化磷酸化及渗透压的平衡，对微生物产生毒害作用；高盐度则会导致微生物细胞脱水而死亡。因而膜浓缩液中较高浓度重金属以及高盐度导致其难以生物降解，同时利用物理化学法来达标处理膜浓缩液成本较高。目前还没有合适的技术方法来处理膜浓缩液，若不对其进行合理、有效的处理，势必会对生态环境和人类健康产生极大的风险。

目前，针对垃圾渗滤膜浓缩液的处理，华南理工大学利用臭氧氧化的方法；上海交通大学利用电化学氧化来处理膜浓缩液；天津海普尔膜科技有限公司发明了一种通过预处理-管式膜过滤-纳滤-反渗透对膜浓缩液进行减量的处理方法；广东省工程技术研究所采用铁炭微电解-微波协同氧化技术对膜浓缩液进行预处理。

公开号为CN104591432A的中国发明专利申请公开了一种垃圾渗滤液膜浓缩液的处理方法，该处理方法包括以下步骤：(1)将所述垃圾渗滤液膜浓缩液软化后进行微滤，获得截留液和透过液；(2)将所述透过液经DTRO膜过滤后，直接排放；所述的软化包括：(a)往垃圾渗滤液膜浓缩液中添加氢氧化钙，调节pH值至10～10.5；(b)再加入氢氧化钠和镁盐，调节pH值至11～12；(c)沉降、固液分离，固相进行板框压滤，滤液返回步骤(1)；往液相添加沉淀剂，控制钙、镁离子的含量少于20mg/L，可溶性二氧化硅的含量少于10mg/L，再进行微滤。该方法可最大限度降低浓缩液中重金属离子及钙、镁离子的含量，有效控制后续膜系统结垢问题，提高垃圾渗滤液膜浓缩液的回收效率。

公开号为CN104496079A的中国发明专利申请公开了一种垃圾渗滤液膜浓缩液的处理方法，该方法主要包括如下步骤：将垃圾渗滤液纳滤膜浓缩液送入分离膜装置中，以去除浓缩液中的腐殖酸等难降解性有机物，其出水和反渗透浓缩液混合后，采用软化、沉淀、过滤处理，以去除浓缩液中的Ca²⁺、Mg²⁺等结垢离子以及其他无机物质，出水进入反渗透膜进一步浓缩处理，产水达标排放，最终浓水回喷至焚烧炉焚烧、蒸发结晶或外运处理。

公开号为CN104628201A的中国发明专利申请公开了一种垃圾填埋场渗滤液膜滤浓缩液的处理工艺。该垃圾填埋场渗滤液膜滤浓缩液的处理工艺包括：废水调节、混凝沉淀、pH调节、微波氧化、中和沉淀、砂滤、碳滤、排放等工艺。该处理方法工艺较为复杂、成本较高、条件不易控制，并且无法真正去除膜浓缩液中的污染物，也无法解决其中高重金属浓度的问题。

但是上述方法会存在耐盐度不高、操作复杂、成本高或处理效果不理想等问题。

发明内容

本发明提供一种垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置及方法，膜处理与生物电化学处理相结合，处理效果好，装置结构简单，操作方便，能在高盐的条件下更有效处理膜浓缩液中的难降解有机物以及重金属。

一种垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置，包括：

由外至内依次为外壳、阴极套管和阳极套管的三个同心套管，外壳与阴极套管之间的空间为还原区，阴极套管与阳极套管之间的空间为膜处理区，阳极套管内部为氧化区，氧化区内驯养微生物；

所述膜处理区填充若干膜组件，膜组件的入口连通垃圾渗滤膜浓缩液注入口，膜组件的出口连通氧化区，氧化区的出水口为净水出口；

相邻膜组件之间的空隙为浓缩区，浓缩区的进口连通清水注入口，浓缩区的出口连通还原区，还原区的出口为纯盐水出口；

所述阴极套管与阳极套管与稳压电源相连。

本发明的处理原理如下：

在反应器体系两端，即阳极和阴极两端连接稳压电源，所添加电压为1.5-2.5V。在电压作用下，阳极电极表面带正电荷，阴极电极表面带负电荷。首先，垃圾渗滤膜浓缩液进入膜组件，污水中的正电污染物即重金属、盐离子(Na⁺)在阴极负电荷作用下，透过阳离子膜进入浓缩区，废水中的阴离子(Cl^-)透过阴离子膜后同样进入浓缩区。随后，膜组件的出水进入氧化区，在微生物作用下，其中的有机污染物得到去除，使得废水出水达标；浓缩区的水打入还原区，重金属在电化学作用下被还原成低价态污染物，降低毒性，此端最终出水则为纯盐水。

本发明将膜处理与生物电化学方法有机结合，本方法中膜处理动力来源于电子流动，因此仅有正负盐离子会在牵引力下透过膜转移，相比传统压力过膜而言，有机物不会迁移到膜上从而堵塞膜孔。

本发明方法中阳极降解有机物从而产生电子并转移至阳极，从而大大降低了外加电压的功率，降低了耗电。

本发明方法中将阳极与阴极室创造性的转移到电极间外侧，从而避免了因阳极液体(脱盐后液体)低盐度而增加反应器电阻的弊端。

作为优选，阳极室微生物采用兼氧微生物，即氧化区内驯养兼氧污泥，最大限度地提高微生物降解污染物的性能。

阳极与阴极材料选用碳系、不锈钢、钛、二氧化铅等，进一步优选，阳极电极材料优选为钛基底二氧化铅镀层电极，因为其导电性能佳、化学性质稳定、耐腐蚀；进一步优选，阴极材料也选用钛基底二氧化铅镀层电极，理由同前。

阴阳极两端添加电压为1.5-2.5V，电压过低会导致离子牵引力不足，从而降低脱盐效果，而且过低的阴极电势无法实现金属还原，因此在阴极没有任何效；过高则会在阳极产生氧自由基，对微生物具有毒害作用，且消耗了大量不必要的电能。

优选地，所述膜组件由两层同心圆膜组成，内层为阴离子膜，外层为阳离子膜。

进一步地，所有膜组件与阳极套管相平行布置，所有膜组件同一端的开口为入口，另一端的开口为出口。

更进一步优选，所述膜组件中阴离子膜与阳离子膜的间距为2-5mm，相邻膜组件之间的间距为2-5mm。

阴离子/阳离子膜组件间距离过短会导致膜与膜直接接触，形成局部短路，致使脱盐效果不稳定；膜组件数量过多会导致电阻迅速增加，从而降低阴阳极对离子的牵引力；各组件距离过大，可能会导致阴阳极间距增大，从而也会导致电阻增加。因此作为优选，各阴离子/阳离子膜组件间距为2-5mm。同上理由，阴离子膜与阳离子膜的间距优选为2-5mm。在本发明优选范围内，处理效果更佳。

优选地，所述外壳与阴极套管间隔2-10mm，阴极套管与阳极套管间隔100-150mm，阳极套管内部管径为20-50mm。

装置外壳与阴极间隔2-10mm，若阴极与外壳距离过小可能存在导致阴极室体积过小，使得停留时间减短，从而降低金属还原效果的问题；若距离过大，可能会导致提升阴极还原区体积，但是电极面积没有改变，因此重金属难以接触电极发生还原反应。阴极与阳极间隔100-150mm，阴阳极距离过大会导致反应器内阻过大，过小会导致膜组件数量不足，处理效果受影响。阳极内部管径为20-50mm，过小会导致氧化区停留时间不足，从而影响阳极微生物降解效果。所述外壳与阴极套管间隔、阴极套管与阳极套管间隔阳极套管内部管径在本发明优选组合范围内，处理效果更佳。

本发明中三个同心套管可以为立式同心圆套管，也可以为卧式同心圆套管，优选地，所述三个同心套管为立式同心圆套管。

当三个同心套管优选为立式同心圆套管时，进一步优选地，所述膜组件由两层立式同心圆膜组成，内层为阴离子膜，外层为阳离子膜；膜组件的顶部开口连通垃圾渗滤膜浓缩液注入口，底部开口连通氧化区；所述浓缩区的底部开口连通清水注入口，顶部开口连通还原区。

更进一步地，所述膜组件中阴离子膜与阳离子膜的间距为2-5mm，相邻膜组件之间的间距为2-5mm。

当三个同心套管优选为立式同心圆套管时，进一步优选地，所述立式同心圆套管的高度为0.3-1m。

单套装置高度高度太低，可能会导致废水停留时间不足，从而污染物处理效果会变差；高度太高可能会导致反应器内部膜组件高度太大，容易发生变形。进水流速为0.1-0.2m/h，流速过快，会使得废水停留时间短，且导致氧化室污泥流失，导致处理效果不佳；流速过慢则消耗多余成本。

进一步优选地，所述氧化区的顶部出书区设置三相分离器。

一种优选的方案，本发明的装置主要由三个立式同心圆套管组成，在本发明进一步优选地装置高度、三个同心圆套管分隔的区域的进一步限定及膜组件的优选结构的组合下(即膜组件中阴离子膜与阳离子膜的间距为2-5mm，相邻膜组件之间的间距为2-5mm；同心圆套管的高度为0.3-1m；外壳与阴极套管间隔2-10mm，阴极套管与阳极套管间隔100-150mm，阳极套管内部管径为20-50mm)，本发明对垃圾渗滤液膜浓缩液的处理效果最佳，处理14个小时废水的脱盐率接近100％，重金属如六价铬全部去除。

最优选，采用立式同心圆套管方案，膜组件中阴离子膜与阳离子膜的间距为3mm，相邻膜组件之间的间距为3mm；同心圆套管的高度为0.8m；外壳与阴极套管间隔5mm，阴极套管与阳极套管间隔120mm，阳极套管内部管径为30mm。

本发明还提供一种利用所述处理装置处理垃圾渗滤膜浓缩液的方法，包括如下步骤：

(1)垃圾渗滤膜浓缩液由垃圾渗滤膜浓缩液注入口注入膜组件中；清水由清水注入口注入浓缩区，同时接通稳压电源；在阴极套管作用下，废水中的阳离子和阴离子透过膜组件进入到浓缩区；

(2)膜组件出水打入氧化区，通过微生物作用去除剩余有机物，出水达标排放；浓缩区出水打入还原区，通过阴极套管作用去除重金属离子，最终出水为纯盐水。

优选地，垃圾渗滤膜浓缩液的注入流速为0.1-0.2m/h(优选0.15m/h)；阴阳极两端添加电压为1.5-2.5V(优选2V)。

所述的垃圾渗滤膜浓缩液特指：盐度高于15000mg/L，有机物高于5000mg/L，六价铬大于10mg/L。

所述的垃圾渗滤膜浓缩液中所含有的有机物需有生物可降解性能，B/C比大于0.1。

若垃圾渗滤液中的含有含卤素、苯环、高分子等难降解污染物时，可在微生物培养前期利用纯物质进行一定的驯化和筛选，以提高本发明反应器的性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1)本发明能利用生物电化学体系实现有机物、盐离子、重金属污染物的有效分离，然后以微生物和电化学作用分别处理污染物。

2)本发明操作简单，设备简易，投资极少，且效果显著。

3)一方面使得膜浓缩液出水水质达标，另一方面使得最终浓缩出水为纯盐水，能进行资源回收。

4)电力作为离子牵引力，只对离子有作用，不会导致膜堵塞，延长膜的受用寿命；

5)阳极降污产电子并转移至阳极，从而降低了电源输出功率；

6)阴阳极室靠外，从而不会因脱盐后水体盐度降低而提升反应器电阻。

附图说明

图1是本发明装置的正视图。

图2是图1沿G-G向的剖面图。

图中所示附图标记如下：

1-垃圾渗滤液膜浓缩液注入口2-三相分离器3-稳压电源

4-外壳5-还原区6-阴极套管

7-氧化区8-蠕动泵9-清水注入口

10-膜组件11-浓缩区12-阳极套管

具体实施方式

如图1和图2所示，一种处理垃圾渗滤液膜浓缩液的装置，包括三个立式同心圆套管，由外至内依次为外壳4、阴极套管6和阳极套管12，阴极套管与阴极套管连接稳压电源3。

外壳4与阴极套管6之间为还原区5，阴极套管6与阳极套管12之间为膜处理区，阳极套管12内部为氧化区7，氧化区内驯养兼氧污泥，氧化区的顶部出水区设置三相分离器2。

膜处理区内设置若干膜组件10，所有膜组件均竖向设置，膜组件10由两层立式同心圆膜组成，内层为阴离子膜，外层为阳离子膜，相邻膜组件之间的空隙为浓缩区11。

所有膜组件的顶部开口为入口，连通垃圾渗滤膜浓缩液注入口1，底部开口为出口，通过蠕动泵8连通氧化区底部，氧化区顶部为净水出水区。浓缩区11的底部为入口，连通清水注入口9，顶部为出口，连通还原区5，还原区底部为纯盐水出口。

本实施方式中，优选地，膜组件中阴离子膜与阳离子膜的间距为2-5mm，相邻膜组件之间的间距为2-5mm；同心圆套管的高度为0.3-1m；外壳与阴极套管间隔2-10mm，阴极套管与阳极套管间隔100-150mm，阳极套管内部管径为20-50mm。

最优选，膜组件中阴离子膜与阳离子膜的间距为3mm，相邻膜组件之间的间距为3mm；同心圆套管的高度为0.8m；外壳与阴极套管间隔5mm，阴极套管与阳极套管间隔120mm，阳极套管内部管径为30mm。

本发明处理垃圾渗滤膜浓缩液过程如下：

在反应器体系两端，即阳极和阴极两端连接稳压电源，所添加电压为1.5-2.5V。垃圾渗滤膜浓缩液通过进水口从上侧进入阴离子/阳离子膜组件中，同时清水从底部进水口进入浓缩区(膜组件间空隙)。在阴极作用下，废水中阳离子(Na⁺、重金属)透过阳离子膜进入到浓缩区，而废水中阴离子(Cl^-)则透过阴离子膜进入到浓缩区；随后，膜组件的出水进入氧化区，在微生物作用下去除剩余有机物，使得出水达标。最后，浓缩区从上出水往下打入还原区，通过阴极作用去除重金属离子，最终出水为纯盐水。

实施例1

选用本发明装置和方法，进水污染物浓度为COD4500mg/L，盐度49g/L，总铬21mg/L(六价铬19mg/L)，进水流速为0.1m/h，所加电压为2V，通过调控停留时间为14h，最终出水COD1100mg/L(需经过后续好氧处理)，盐度210mg/L，总铬6mg/L(六价铬无)。

实施例2

选用本发明最优化反应器(膜组件中阴离子膜与阳离子膜的间距为3mm，相邻膜组件之间的间距为3mm；同心圆套管的高度为0.8m；外壳与阴极套管间隔5mm，阴极套管与阳极套管间隔120mm，阳极套管内部管径为30mm)，进水污染物浓度为COD3500mg/L，盐度88g/L，总铬43mg/L(六价铬33mg/L)，进水流速为0.15m/h，所加电压为2V，通过调控停留时间为22h，最终出水COD550mg/L(需经过后续好氧处理)，盐度330mg/L，总铬11mg/L(六价铬无)。

Claims (10)

1.一种垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置，其特征在于，包括：

由外至内依次为外壳、阴极套管和阳极套管的三个同心套管，外壳与阴极套管之间的空间为还原区，阴极套管与阳极套管之间的空间为膜处理区，阳极套管内部为氧化区，氧化区内驯养微生物；

所述膜处理区填充若干膜组件，膜组件的入口连通垃圾渗滤膜浓缩液注入口，膜组件的出口连通氧化区，氧化区的出水口为净水出口；

相邻膜组件之间的空隙为浓缩区，浓缩区的进口连通清水注入口，浓缩区的出口连通还原区，还原区的出口为纯盐水出口；

所述阴极套管与阳极套管与稳压电源相连。

2.根据权利要求1所述垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置，其特征在于，所述膜组件由两层同心圆膜组成，内层为阴离子膜，外层为阳离子膜。

3.根据权利要求2所述垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置，其特征在于，所有膜组件与阳极套管相平行布置，所有膜组件同一端的开口为入口，另一端的开口为出口。

4.根据权利要求2所述垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置，其特征在于，所述膜组件中阴离子膜与阳离子膜的间距为2-5mm，相邻膜组件之间的间距为2-5mm。

5.根据权利要求1所述垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置，其特征在于，所述外壳与阴极套管间隔2-10mm，阴极套管与阳极套管间隔100-150mm，阳极套管内部管径为20-50mm。

6.根据权利要求1所述垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置，其特征在于，所述氧化区内驯养兼氧污泥。

7.根据权利要求1所述垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置，其特征在于，所述三个同心套管为立式同心圆套管。

8.根据权利要求7所述垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置，其特征在于，所述膜组件由两层立式同心圆膜组成，内层为阴离子膜，外层为阳离子膜；膜组件的顶部开口连通垃圾渗滤膜浓缩液注入口，底部开口连通氧化区；所述浓缩区的底部开口连通清水注入口，顶部开口连通还原区。

9.根据权利要求7所述垃圾渗滤膜浓缩液的处理装置，其特征在于，所述立式同心圆套管的高度为0.3-1m。

10.一种利用权利要求1～9任一权利要求所述处理装置处理垃圾渗滤膜浓缩液的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)垃圾渗滤膜浓缩液由垃圾渗滤膜浓缩液注入口注入膜组件中；清水由清水注入口注入浓缩区，同时接通稳压电源；在阴极套管作用下，废水中的阳离子和阴离子透过膜组件进入到浓缩区；

(2)膜组件出水打入氧化区，通过微生物作用去除剩余有机物，出水达标排放；浓缩区出水打入还原区，通过阴极套管作用去除重金属离子，最终出水为纯盐水。