CN107473481A - 超声吹脱‑膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统及方法 - Google Patents

超声吹脱‑膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声吹脱‑膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统及方法。其系统包括超声吹脱池和膜蒸馏系统，所述膜蒸馏系统包括依次连接的第一污水泵、膜蒸馏加热池、膜蒸馏反应器、冷凝器和清水池；所述超声吹脱池位于膜蒸馏加热池和膜蒸馏反应器之间，三者依次管道连接，形成循环回路；所述膜蒸馏反应器、冷凝器和清水池通过管道依次连接，形成循环回路；其方法是先将垃圾渗滤液通入膜蒸馏加热池，升温后调节pH值，再通入超声吹脱池预处理后，将垃圾渗滤液通入膜蒸馏反应器进一步净化处理。本发明对垃圾渗滤液中氨氮的去除率达到了99％以上，实现了水的高度纯化，弥补了膜蒸馏工艺在氨氮截留上的局限性。

Description

超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统及方法
技术领域
本发明属于废水处理领域，具体涉及一种超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统及方法。
背景技术
垃圾渗滤液是指在垃圾卫生填埋过程中形成的一种成分复杂的高浓度有机废水。垃圾渗滤液的组成复杂，COD和氨氮浓度很高，是一种比较难处理的有机废水。垃圾渗滤液主要包括以下几个特点：(1)水质复杂，污染物种类繁多，有机物浓度高；(2)水质、水量变化范围大；(3)氨氮浓度极高，可达几千mg/L；(4)重金属离子含量高、种类多；(5)营养元素比例失调。若垃圾渗滤液不经处理或处理不达标就排入江河湖泊，会严重威胁到水中水生生物的生长与繁殖，并且垃圾渗滤液中的高浓度氨氮排入水体会导致水体严重富营养化，最终导致整个生态系统的破坏。
目前，垃圾渗滤液的处理方法主要有：物化处理、生物处理和土地处理；利用生物法处理垃圾渗滤液存在诸多弊端：(1)渗滤液中氨氮浓度过高，会抑制硝化作用的进行；(2)渗滤液中的重金属对微生物有毒害作用；(3)垃圾渗滤液中营养元素比例失调，为实现较好的生物处理，需向废液中添加额外的药剂(磷酸盐)。而土地处理法处理渗滤液的效果随季节变化较大、处理周期较长。因此，如何利用物化处理方法经济有效地处理垃圾渗滤液已然成为目前废水处理领域亟待解决的问题。
膜蒸馏(MD)是基于气液平衡及传热传质原理的热驱动过程，以微孔疏水膜为介质，在膜两侧蒸汽压差的推动下，进水中的挥发性组分以蒸汽形式透过膜孔，在膜的低温侧冷凝为液态，而非挥发性组分则留在热侧进料液中，从而达到分离并去除污染物的目的。膜蒸馏技术应用于污水处理过程的优点在于：(1)膜蒸馏浓缩过程在常压下进行，设备简单，操作方便；(2)在非挥发性水溶液的膜蒸馏过程中，仅有水蒸气能透过疏水膜孔，因此出水水质好；(3)与反渗透相比，盐浓度以及浓差极化对膜蒸馏影响较小，因此可以处理含有高浓度无机盐的溶液，甚至可以将溶液浓缩到过饱和状态；(4)膜蒸馏工艺设备简单，操作方便，且膜蒸馏具有分离效率高，低结垢倾向，潜在能耗低等优点。
然而，在膜蒸馏运行过程中，热侧的高温以及逐渐上升的pH(pH＞7)，均会导致原料液中的氨氮大量转变为气态氨(NH3)(pH＞7时，NH4 ++OH-→NH3·H2O；并且当pH＞11时，主要以气态氨存在)，NH3极易通过膜蒸馏疏水膜孔，到达冷侧渗透液，从而降低了膜蒸馏膜分离过程对氨氮的去除率。前人研究发现，膜蒸馏膜分离过程对COD、蛋白质、多糖等污染物的截留率均可达到90％以上，对磷酸盐的截留率甚至高达100％，但氨氮的去除率却只有70％左右。因此，在处理垃圾渗滤液时，先预处理氨氮及挥发性有机污染物，降低废水中的氨氮浓度到一定范围后再利用膜蒸馏膜分离技术进行污染物的截留处理是一种比较经济有效的水处理方法。
超声吹脱法去除氨氮是一种新型、高效的高浓度氨氮废水处理技术，它是在传统的吹脱方法的基础上，引入超声波辐射废水处理技术，将超声波和吹脱技术联用而衍生出来的一种处理氨氮的方法。将超声波和吹脱技术两种方法联用不仅改进了超声波处理废水成本较高的问题，也弥补了传统吹脱技术去除氨氮效果不佳的缺陷。传统吹脱法对氨氮的去除率仅为40％-50％，对于中高浓度的氨氮废水，经传统吹脱法处理后尚不能达标排放；而超声吹脱技术对氨氮的去除率可达70-90％。超声吹脱法在保证氨氮去除效果的同时还能对废水中的有机污染物起到一定的降解作用，整个处理过程不要投加化学药剂，避免对环境造成二次污染，且工艺简单、基建和运行费用低，处理效果稳定。
因此，可考虑将超声吹脱法作为膜蒸馏工艺的预处理方法，先将含高浓度氨氮的垃圾渗滤液通入超声吹脱装置进行预处理，去除大部分氨氮后，再通过膜蒸馏反应器进行非挥发性污染物的截留处理。目前国内未见有公开的超声吹脱与膜蒸馏技术相结合的污水处理方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统及方法，本发明对高浓度氨氮垃圾渗滤液水中NH4+-N的去除率达到了99％以上，对磷酸盐、蛋白质、多糖、COD的去除率均可达到99％以上，实现了水的高度纯化；且工艺设备简单，处理量可以灵活调整，节省了大量人力，有利于推广应用。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统，包括超声吹脱池和膜蒸馏系统，所述膜蒸馏系统包括依次连接的第一污水泵、膜蒸馏加热池、膜蒸馏反应器、冷凝器和清水池；所述超声吹脱池位于膜蒸馏加热池和膜蒸馏反应器之间，膜蒸馏加热池、超声吹脱池和膜蒸馏反应器通过第二污水泵、第三污水泵和第一循环泵依次管道连接，形成循环回路；所述膜蒸馏反应器、冷凝器和清水池通过管道依次连接，形成循环回路。
作为本申请的一种优选技术方案，所述超声吹脱池包括曝气装置、超声波发生器、吸收瓶、超声吹脱池补水管、超声吹脱池排水管；所述曝气装置下部装有曝气头，上部与第一气泵连接，曝气头和第一气泵之间设有转子流量计，所述超声波发生器位于超声吹脱池内，所述超声吹脱池顶部设有出气口，通过管道连接吸收瓶，吸收瓶顶部设有尾气管；超声吹脱池顶部或顶部侧壁还设有超声吹脱池补水管，底部设有超声吹脱池排水管。
进一步的，所述膜蒸馏加热池通过第一投加泵和第一闸阀与pH调节池管道连接；所述膜蒸馏加热池底部的集热器外接太阳能吸收装置，利用太阳能这种清洁能源提供热能加热垃圾渗滤液，降低了能耗，减少了运行成本。
作为本申请的一种优选技术方案，所述膜蒸馏加热池内设有液位控制器、温度传感器、pH传感器，膜蒸馏加热池内的废水的pH由pH传感器在线监测，并通过计算机程序控制第一投加泵和第一闸阀的开闭从而对垃圾渗滤液废水的pH进行调节；所述超声吹脱池内设有温度传感器和pH传感器；所述液位控制器、温度传感器和pH传感器均设有接触探头并深入到池内液面以下。
作为本申请的一种优选技术方案，所述膜蒸馏反应器内的所述膜蒸馏反应器内的膜为聚四氟乙烯(PTFE)膜，膜孔径为0.1-0.4μm。
作为本申请的一种优选技术方案，所述膜蒸馏加热池和超声吹脱池内均设有机械搅拌器。
一种超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统的处理方法，包括如下步骤：
(1)垃圾渗滤液调整：将垃圾渗滤液通入膜蒸馏加热池，对垃圾渗滤液进行升温后，调节pH值，促使垃圾渗滤液的氨氮转变为气态氨；
(2)超声吹脱预处理：将经步骤(1)处理的垃圾渗滤液通入超声吹脱池，进行垃圾渗滤液预处理，降低垃圾渗滤液的氨氮浓度；
(3)膜蒸馏分离处理：将步骤(2)中处理后的垃圾渗滤液通入膜蒸馏反应器(23)进一步去除垃圾渗滤液中的氨氮和其他非挥发性污染物，膜蒸馏膜组件(24)两侧的料液以错流方式流动，水蒸气透过膜孔到达清水池(28)，非挥发性污染物则被截留在膜的另一侧，通入膜蒸馏加热池(3)，循环处理。
作为本申请的一种优选技术方案，所述步骤(1)中膜蒸馏加热池内的垃圾渗滤液控制在65-75℃，pH值控制在11或11以上。
优选的，所述步骤(2)中控制超声吹脱池(11)的水温在55-65℃，超声吹脱时间为60-120min，pH值控制在11-13之间，声能密度控制在0.02W/mL或0.02W/mL以上。
作为本申请的一种优选技术方案，所述步骤(3)中冷凝器(27)的温度控制在5-10℃。
膜蒸馏加热区的水温以及垃圾渗滤液的pH值均会影响氨氮的去除效果，温度越高、pH值越大，则氨氮越容易转变为气态氨(NH3)；同时，垃圾渗滤液中的挥发性有机污染物在加热过程中也易于变成气态的污染物。因此，在将超声吹脱法与膜蒸馏工艺进行组合时，将超声吹脱池设在膜蒸馏加热池与膜蒸馏反应器之间，使得整个工艺的氨氮去除效果以及其他污染物的截留率显著提高。
与现有技术相比，本申请提供的超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统及方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的膜蒸馏系统有别于传统的膜蒸馏工艺，经膜蒸馏加热池加热后的氨氮废水并非直接进入膜蒸馏反应器进行膜分离处理，而是先经过一个超声吹脱池进行氨氮的预处理后，再进入膜蒸馏反应器进行进一步的氨氮等污染物的截留处理，形成了一个新型的一体式的超声吹脱-膜蒸馏技术组合的处理系统；
(2)本发明利用超声吹脱法预处理垃圾渗滤液等高浓度氨氮废水，降低氨氮浓度及挥发性有机污染物的浓度至一定范围内，再经过膜蒸馏分离过程进一步去除氨氮及其他非挥发性污染物，使得氨氮、COD、磷酸盐、蛋白质、多糖的去除率均达到99％以上，出水水质高度纯化；
(3)本发明组合工艺设备简单，占地面积小，维护方便，利用太阳能这一清洁能源，节约了运行成本，同时，超声吹脱预处理氨氮的过程中，不需要投加额外的化学药剂，避免了对环境造成二次污染；
(4)整个系统为全自动化控制，节省了大量的人力。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
其中，1-进水池；2-第一污水泵；3-膜蒸馏加热池；4-集热器；5-太阳能吸收装置；6-机械搅拌器；7-第一闸阀；8-第一投加泵；9-pH调节池；10-第二污水泵；11-超声吹脱池；12-第一气泵；13-转子流量计；14-曝气头；15-机械搅拌器；16-超声波发生器；17-吸收瓶；18-超声吹脱池补水管；19-超声吹脱池排水管；20-尾气管；21-第三污水泵；22-第二闸阀；23-膜蒸馏反应器；24-膜蒸馏膜组件；25-液体流量计；26-第一循环泵；27-冷凝器；28-清水池；29-液体流量计；30-第二循环泵；31-第二气泵。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征，目的和效果有更加清楚的理解，下面结合说明书附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例1：
如图1所示，一种超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统，包括进水池1、超声吹脱池11和膜蒸馏系统，所述膜蒸馏系统包括依次连接的第一污水泵2、膜蒸馏加热池3、膜蒸馏反应器23、冷凝器27和清水池28；所述进水池1与第一污水泵2管道连接，所述超声吹脱池11位于膜蒸馏加热池3和膜蒸馏反应器23之间；膜蒸馏加热池3、超声吹脱池11和膜蒸馏反应器23通过管道依次连接，且形成循环回路，其中膜蒸馏加热池3与超声吹脱池11连接的管道上设有第二污水泵10，超声吹脱池11与膜蒸馏反应器23连接的管道上设有第三污水泵21和第二闸阀22，膜蒸馏反应器23与膜蒸馏加热池3连接的管道上设有第一循环泵26和液体流量计25；所述膜蒸馏反应器23、冷凝器27和清水池28通过管道依次连接，形成循环回路，其中，膜蒸馏反应器23和清水池28连接的管道上设有第二循环泵30和液体流量计29。
本实施例中，所述超声吹脱池11包括曝气装置、超声波发生器16、吸收瓶17、超声吹脱池补水管18、超声吹脱池排水管19；所述曝气装置下部装有曝气头14，上部与第一气泵12连接，曝气头14和第一气泵12之间设有转子流量计13，所述超声波发生器16位于超声吹脱池11内，所述超声吹脱池11顶部设有出气口，通过管道连接吸收瓶17，吸收瓶17顶部设有尾气管20，尾气管20后接第二气泵31，由第二气泵31控制往外抽气，加快超声吹脱池11内的气体流通，从而将氨气及其它气态的挥发性有机污染物快速地排入吸收瓶17或排出超声吹脱池11；超声吹脱池11顶部还设有超声吹脱池补水管18，底部设有超声吹脱池排水管19。
本实施例中，膜蒸馏加热池3通过第一投加泵8和第一闸阀7与pH调节池9管道连接，其中，pH调节池9内装有30％氢氧化钠溶液，第一投加泵8和第一闸阀7的开闭由计算机程序控制，所述膜蒸馏加热池3内还设有液位控制器、温度传感器和pH传感器；所述超声吹脱池11内还设有温度传感器和pH传感器；所述液位控制器、温度传感器和pH传感器均设有接触探头并深入到池内液面以下。
所述膜蒸馏加热池3底部的集热器4外接太阳能吸收装置5，用于加热垃圾渗滤液，本实施例采用温差控制集热原理，当太阳能吸收装置5吸收太能能辐射后，集热管温度上升，达到集热器4和膜蒸馏加热池3温差△T设定值时，监测系统发出指定，中央热水器中的冷水输入集热器4中，水被加热后再回到膜蒸馏加热池3中，使得池内垃圾渗滤液的温度达到设定的温度，控制膜蒸馏加热池3内水温为65-75℃。
本实施例中，膜蒸馏反应器23内的膜蒸馏膜组件24为PTFE膜，膜孔径为0.1-0.4μm。
为加强超声吹脱-膜蒸馏技术这一组合工艺对垃圾渗滤液的去除效果，膜蒸馏加热池3设有机械搅拌器6，加快氨气及气态的挥发性有机污染物从垃圾渗滤液中排出；超声吹脱池11内设有机械搅拌器15，加速氨气排出垃圾渗滤液。
实施例2
基于实施例1的超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统，其处理原理和方法如下：
(1)垃圾渗滤液调整：打开第一污水泵2将进水池1内的垃圾渗滤液通入膜蒸馏加热池进行加热处理，加热池内的热量由太阳能提供，待池内垃圾渗滤液的温度达到设定温度范围65-75℃后，调节垃圾渗滤液的pH值到达设定范围11-13；
垃圾渗滤液调整的目的一方面是促使垃圾渗滤液的氨氮转变为气态氨，强化后续的超声吹脱法对氨氮的去除效果，另一方面膜蒸馏加热池(3)的高温条件，使得废水中的挥发性有机污染物转变成气态，经后续的吹脱作用从废水中大量去除，减少了挥发性有机物在膜蒸馏反应器(23)中透过膜孔的几率，使出水水质高度纯化；
(2)超声吹脱预处理：通过第二污水泵10将步骤(1)处理后的垃圾渗滤液通入超声吹脱池11进行预处理；
由于超声吹脱去除氨氮的反应速率与温度有关，在达到临界温度(60-65℃)之前，温度越高，超声吹脱法去除氨氮的效果越好，但当温度达到临界温度时，继续增加温度反而会减缓超声吹脱去除氨氮的反应速率。因此，本实施例将超声吹脱池11的温度控制在55-65℃，稍低于加热池的温度。根据实验研究结果，本实施例控制超声吹脱池11内垃圾渗滤液的pH在11-13之间，超声吹脱时间为120min，声能密度为0.02-0.05W/mL。
(3)膜蒸馏分离处理：超声吹脱完毕后，由第三污水泵21将经超声吹脱预处理后的垃圾渗滤液通入膜蒸馏反应器23，进一步去除垃圾渗滤液中的氨氮及其它非挥发性污染物。膜蒸馏反应器23冷侧的蒸汽液化过程由冷凝器27实现，冷凝区温度控制为5-10℃。在第一循环泵26和第二循环泵30的驱动下，膜两侧的料液以错流方式流动，从而使得水蒸汽透过膜孔到达清水池28，非挥发性污染物则被截留在膜的另一侧，通入膜蒸馏加热池3，循环处理。
实施例3
采用以上装置和方法处理江苏某垃圾填埋场产生的垃圾渗滤液，步骤如下：(1)将垃圾填埋场场产生的渗滤液放入膜蒸馏加热池3内，进行加热处理，待渗滤液的温度上升至70℃后，通过pH传感器、计算机程序以及pH调节池9调节渗滤液的pH值在11左右；
(2)待水温、pH调节完毕后，垃圾渗滤液经第二污水泵10进入超声吹脱池11进行预处理，水温控制在55-65℃，pH在11-13之间，超声吹脱时间为120min，声能密度为0.05W/mL。超声吹脱出来的气体(包括氨气和气态的挥发性有机物)经吸收瓶17吸收或排出池外；而预处理后渗滤液则通过第三污水泵21排入膜蒸馏反应器23中进行膜分离处理，进一步去除氨氮及其他非挥发性污染物。
(3)膜蒸馏反应器23的热侧及冷侧分别通过第一循环泵26和第二循环泵30构成两个循环系统。冷凝区的温度控制为10℃左右，膜蒸馏反应器23内的膜蒸馏膜组件24采用孔径为0.22μm的疏水PTFE膜。
按照上述方式进行操作，垃圾填埋场产生的渗滤液垃圾渗滤液COD浓度为200～54000mg/L，氨氮浓度为50～6700mg/L，pH为5.5～8.5，有机酸60～24600mg/L，经超声吹脱预处理后，氨氮去除率可达89％，再经过膜蒸馏分离处理后，氨氮去除率可达99％以上，COD、对蛋白质、多糖和磷酸盐等污染物的去除率均可达99％以上。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求为保护范围。

Claims (10)

1.一种超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统，其特征在于，包括超声吹脱池(11)和膜蒸馏系统，所述膜蒸馏系统包括依次连接的第一污水泵(2)、膜蒸馏加热池(3)、膜蒸馏反应器(23)、冷凝器(27)和清水池(28)；所述超声吹脱池(11)位于膜蒸馏加热池(3)和膜蒸馏反应器(23)之间，膜蒸馏加热池(3)、超声吹脱池(11)和膜蒸馏反应器(23)通过第二污水泵(10)、第三污水泵(21)和第一循环泵(26)依次管道连接，形成循环回路；所述膜蒸馏反应器(23)、冷凝器(27)和清水池(28)通过管道依次连接，形成循环回路。
2.根据权利要求1所述的超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗透液处理系统，其特征在于，所述超声吹脱池(11)包括曝气装置、超声波发生器(16)、吸收瓶(17)、超声吹脱池补水管(18)、超声吹脱池排水管(19)；所述曝气装置下部装有曝气头(14)，上部与第一气泵(12)连接，曝气头(14)和第一气泵(12)之间设有转子流量计(13)，所述超声波发生器(16)位于超声吹脱池(11)内，所述超声吹脱池(11)顶部设有出气口，通过管道连接吸收瓶(17)，吸收瓶(17)顶部设有尾气管(20)；超声吹脱池(11)顶部或顶部侧壁还设有超声吹脱池补水管(18)，底部设有超声吹脱池排水管(19)。
3.根据权利要求1或2所述的超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统，其特征在于，所述膜蒸馏加热池(3)通过第一投加泵(8)和第一闸阀(7)与pH调节池(9)管道连接；所述膜蒸馏加热池(3)底部的集热器(4)外接太阳能吸收装置(5)。
4.根据权利要求3所述的超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统，其特征在于，所述膜蒸馏加热池(3)内设有液位控制器、温度传感器、pH传感器；所述超声吹脱池(11)内设有温度传感器和pH传感器，所述液位控制器、温度传感器和pH传感器均设有接触探头并深入到池内液面以下。
5.根据权利要求3所述的超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统，其特征在于，所述膜蒸馏反应器(23)内的膜为聚四氟乙烯膜，膜孔径为0.1-0.4μm。
6.根据权利要求1所述的超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统，其特征在于，所述膜蒸馏加热池(3)和超声吹脱池(11)内分别设有机械搅拌器(6)和机械搅拌器(15)。
7.基于权利要求1所述的超声吹脱-膜蒸馏技术组合的垃圾渗滤液处理系统的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)垃圾渗滤液调整：将垃圾渗滤液通入膜蒸馏加热池(3)，对垃圾渗滤液进行升温后，调节pH值，促使垃圾渗滤液的氨氮转变为气态氨；
(2)超声吹脱预处理：将经步骤(1)处理的垃圾渗滤液通入超声吹脱池，进行垃圾渗滤液预处理，降低垃圾渗滤液的氨氮浓度；
(3)膜蒸馏分离处理：将步骤(2)中处理后的垃圾渗滤液通入膜蒸馏反应器(23)进一步去除垃圾渗滤液中的氨氮和其他非挥发性污染物，膜蒸馏膜组件(24)两侧的料液以错流方式流动，水蒸气透过膜孔到达清水池(28)，非挥发性污染物则被截留在膜的另一侧，通入膜蒸馏加热池(3)，循环处理。
8.根据权利要求7所述的垃圾渗滤液的处理方法，其特征在于，所述步骤(1)中膜蒸馏加热池内的垃圾渗滤液控制在65-75℃，pH值控制在11或11以上。
9.根据权利要求8所述的垃圾渗滤液的处理方法，其特征在于，所述步骤(2)中控制超声吹脱池(11)的水温在55-65℃，超声吹脱时间为60-120min，pH值控制在11-13之间，声能密度控制在0.02W/mL或0.02W/mL以上。
10.根据权利要求7所述的垃圾渗滤液的处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中冷凝器(27)的温度控制在5-10℃。
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