CN114477518A - 一种垃圾渗滤液纳滤浓缩液减量化系统 - Google Patents

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杨琴
李志强
王志
张代富
李骏
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Abstract

本发明涉及一种垃圾渗滤液纳滤浓缩液减量化系统,属于垃圾处理技术领域,本发明包括依次通过管道串联的膜浓缩液罐、重金属脱除罐、一级膜处理系统和二级膜处理系统;所述一级膜处理系统包括依次串联设置的一级物料膜一段、一级物料膜二段和一级浓液罐;所述二级膜处理系统包括依次串联设置的二级物料膜一段、二级物料膜二段和二级浓液罐;经重金属脱除罐脱除重金属后的垃圾渗滤液送至一级物料膜一段;本发明的系统不仅可以脱除垃圾渗滤液中重金属,且可以使纳滤浓缩液很好地减量化,减量百分比可达90%作用,且系统处理成本降低至80元/吨以下。

Description

一种垃圾渗滤液纳滤浓缩液减量化系统
技术领域
本发明属于垃圾处理技术领域,具体的说,涉及一种垃圾渗滤液纳滤浓缩液减量化系统。
背景技术
垃圾渗滤液是指垃圾填埋场中垃圾本身含有的水份、进入填埋场的雨雪水及其他水分,扣除垃圾、覆土层的饱和持水量,并经历垃圾层和覆土层而形成的一种高浓度有机废水。具有成分复杂、污染性高的特点,若不妥善处理,会对土壤、地下水及自然水体等造成严重污染。
当前的垃圾渗滤液才典型处理思路可以分为三类,第一类是转移处置,包括外运和回灌,第二类是减量化处理,包括蒸发、膜蒸馏、高压反渗透等,第三类是无害化处理,包括混凝沉淀、电絮凝、高级氧化等技术和焚烧、固化/稳定化、干燥等手段。每种方法都各有利弊及其最佳的使用范围,比如回灌,最为简便可行,我国大部分采用纳滤/反渗透技术处理垃圾渗滤液的填埋场采取的就是回灌处置浓缩液,但长期看,存在恶化填埋场渗滤液水质的风险。在德国,回灌自1986年起就被当作处理渗滤液膜浓缩液的一种有效手段而广泛使用,A.H.Robinson于1998年报道了对德国Wischhafen填埋场浓缩液回灌处置影响的研究,发现渗滤液COD,NH3-N都有所上升,电导率则在几个月内发生急剧攀升,这直接影响到膜系统的稳定运行和处理效率。外运处置的设计涉及到距离长短和相应产生的运输费用,蒸发技术,比如常见的多效蒸发和机械蒸汽再压缩技术(MVR),运行时要考虑到系统的腐蚀和结垢问题,混凝沉淀、电絮凝和高级氧化在设计时都要考虑加药和用电等处理成本问题,因此并不存在某种技术能适用于所有的纳滤浓缩液处理场景。
目前业内普遍采用“预处理+生化处理+膜深度处理”工艺处理垃圾渗滤液。反渗透是以高于溶剂渗透压的外界压力作为跨膜推动力,利用膜的选择透过性截留离子物质,实现溶液中混合物分离的技术。纳滤也是一种压力驱动型膜分离技术。反渗透和纳滤在运行过程中都会不断产生浓缩液,膜过滤浓缩液呈棕黑色,其体积约占垃圾渗滤液水量的13%-30%,并具有以下特征:(1)有机污染物浓度特别高,成分复杂;(2)无机盐组分含量高,可生化性差;(3)水质水量随时间变化较大;(4)重金属含量高。这些含有大量污染物的膜浓缩液对地表水、地下水、土壤环境等都存在严重威胁,不能直接排放到环境中,对其合理的处理处置也是应用反渗透、纳滤技术的垃圾渗滤液处理工程中必须解决的一个难题。
发明内容
为了克服背景技术中存在的问题,本发明提供了一种垃圾渗滤液纳滤浓缩液减量化系统,
为实现上述目的,本发明是通过如下技术方案实现的:
所述的垃圾渗滤液纳滤浓缩液减量化系统包括依次通过管道串联的膜浓缩液罐、重金属脱除罐、一级膜处理系统和二级膜处理系统;所述一级膜处理系统包括依次串联设置的一级物料膜一段、一级物料膜二段和一级浓液罐;所述二级膜处理系统包括依次串联设置的二级物料膜一段、二级物料膜二段和二级浓液罐;经重金属脱除罐脱除重金属后的垃圾渗滤液送至一级物料膜一段;
一级物料膜一段产生的浓液送至一级物料膜二段,清液送至二级物料膜一段;
一级物料膜二段产生的浓液送至一级浓液罐,清液返至重金属脱除罐;
二级物料膜一段的浓液送至二级物料膜二段,清液达标排放;
二级物料膜二段的浓液送至二级浓液罐,清液达标排放。
进一步的,物料膜采用CSM(Colloid Separation Membrane)胶体分离膜;一级物料膜一段的膜设计通量大于二级物料膜一段的膜设计通量;二级物料膜一段的膜设计通量大于一级物料膜二段;一级物料膜二段的膜设计通量大于二级物料膜二段,物料膜的通量范围为3-20L/(m2·h)。
进一步的,一级膜处理系统和二级膜处理系统的工作温度不超过40℃,一级物料膜最高操作压力2.8MPa,二级物料膜最高操作压力4.1MPa。
进一步的,一级物料膜一段与二级物料膜一段之间设有增压泵。
进一步的,重金属脱除罐包含硫酸镁、氟化铵添加设备和絮凝剂添加设备。
本发明的有益效果:
(1)多级物料膜对纳滤浓缩液有很好的减量化效果,减量百分比为90%左右;(2)系统二级一段和二级二段清液混合后可满足COD≤250mg/L的指标;(3)三维荧光光谱分析表明,多级物料膜对芳香性组分,尤其是类腐殖酸物质和发射波长在450nm以上的富里酸物质有很好的分离效果;(4)系统运行成本可以降至80元/吨以下;(5)重金属脱除率达80%以上。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是本发明具体实施方式中纳滤膜浓缩液COD值;
图3是本发明具体实施方式中二级一段清液COD值;
图4是本发明具体实施方式中二级二段清液COD值;
图5是本发明具体实施方式中系统进出水氨氮浓度变化图;
图6是本发明具体实施方式中个设备三维荧光图谱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,下面将对本发明的优选实施例进行详细的说明,以方便技术人员理解。
一种垃圾渗滤液纳滤浓缩液减量化系统
包括依次通过管道串联的膜浓缩液罐、重金属脱除罐、一级膜处理系统和二级膜处理系统。一级膜处理系统包括依次串联设置的一级物料膜一段、一级物料膜二段和一级浓液罐;二级膜处理系统包括依次串联设置的二级物料膜一段、二级物料膜二段和二级浓液罐;经重金属脱除罐脱除重金属后的垃圾渗滤液送至一级物料膜一段。
一级物料膜一段产生的浓液送至一级物料膜二段,清液送至二级物料膜一段。
一级物料膜二段产生的浓液送至一级浓液罐,清液返至重金属脱除罐。
二级物料膜一段的浓液送至二级物料膜二段,清液达标排放。
二级物料膜二段的浓液送至二级浓液罐,清液达标排放。
物料膜采用CSM(Colloid Separation Membrane)胶体分离膜;一级物料膜一段的膜设计通量大于二级物料膜一段的膜设计通量;二级物料膜一段的膜设计通量大于一级物料膜二段;一级物料膜二段的膜设计通量大于二级物料膜二段。具体如下:
表1膜部件参数
部件 膜面积(m<sup>2</sup>) 设计通量(L/(m<sup>2</sup>·h))
一级物料膜一段 33.8 15
一级物料膜二段 26.4 6
二级物料膜一段 37 11
二级物料膜二段 37 5
本发明的垃圾渗滤液纳滤浓缩液减量化系统工作流程,首先在膜浓缩液罐中投加水质调节剂(pH调节剂),调节浓缩液pH值至6.2-6.5,再让进水经增压泵增压后进入一级物料膜一段膜组件进行过滤,透过膜组件的液体称为一级一段清液,一级一段清液通过增压泵进入二级物料膜进一步过滤,未透过的浓缩液进入一级物料膜二段进一步减量,再减量后的浓液称为一级浓液,再减量后的清液返回膜浓缩液罐。二级一段与二级二段膜组件过滤后的清液混合后达标排放,二级一段浓液进入二级二段进一步减量,再减量后的浓液称为二级浓液。
一级膜处理系统和二级膜处理系统的工作温度不超过40℃,一级物料膜最高操作压力2.8MPa,二级物料膜最高操作压力4.1MPa。
重金属脱除罐包含硫酸镁、氟化铵添加设备和絮凝剂添加设备,氟化铵添加设备和硫酸镁添加设备需分为3个点以上分别添加,使硫酸镁水溶液与氟化铵水溶液在垃圾渗滤液中接触,不能混合后加入,通过添加硫酸镁和氟化铵可以有效脱除垃圾渗滤液中重金属,脱除原理为:氟化铵和硫酸镁发生发生,生成不溶物氟化镁,在生成氟化镁微小结晶的同时,加入絮凝剂,在絮凝过程中,氟化镁微小结晶与其他砷、铅、镉等重金属发生螯合吸附,将重金属在絮凝过程中随着氟化镁一起从垃圾渗滤液中析出。
为保证脱除效果,氟化铵采用30-45%质量浓度的水溶液,硫酸镁使用浓度18-25%质量浓度的水溶液,氟化铵和硫酸镁按照2-3:1的摩尔比添加,氟化铵的添加量(折纯)为0.8-3g/L垃圾渗滤液。实验发现,氟化铵的添加量在0.8-3g/L之间变化是,重金属的脱除率随着氟化铵用量的增加而增加,单增加不明显,主要影响金属过量效率,当氟化铵添加量在1.2-2.5g/L垃圾渗滤液时,脱除后的重金属较容易过滤。
在氟化铵添加量在1.2-2.5g/L的基础上,通过增加氟化铵与硫酸镁的摩尔比,可提高重金属脱除效率,本实施例通过对砷含量进行监测具体如表2。
表2氟化铵与硫酸镁摩尔比与重金属脱除效率影响
氟化铵与硫酸镁摩尔比 1:1 1.6:1 2:1 2.5:1 3:1
砷残留(mg/L) 3.48 1.29 0.54 0.39 0.28
备注:从膜浓缩液罐输送的垃圾渗滤液中砷含量为3.9mg/L。
重金属脱除罐脱除重金属后,经过沉降或过滤后再送至一级膜处理系统。
取2021年2月至2021年7月的水样化验,对多级物料膜系统进出水量进行分析,发现渗滤液纳滤膜浓缩液可平均减量88.17%,最高可减量91.44%。系统各级进出水COD浓度如附图2-4所示,可以看出,2021年2月至7月,系统纳滤膜浓缩液COD范围在12400mg/L至4860mg/L范围内波动,二级一段出水的COD可以控制在50mg/L以下,最低至15mg/L。二级二段出水COD可以控制在110mg/L以下,最低至44mg/L。两股出水混合后的COD值可以控制在250mg/L以下。
此外,通过对系统进出水氨氮进行分析,系统出水氨氮也得到有效控制,具体见附图5。可以看出,系统出水的氨氮浓度也得到有效控制,均在5mg/L以下,满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)的排放标准。
系统出水水质情况如表3。
表3系统出水水质指标
减量化后的一级浓液COD可达20000mg/L以上,二级浓液COD可达5000mg/L以上。
腐殖酸去除效果:
用三维荧光光谱法对水样进行分析,探究多级物料膜对纳滤膜浓缩液中不同种类腐植酸类物质的去除效果。
三维荧光光谱分析采用日立(Hitachi)F-7000荧光分光光度计进行测定,三维荧光光谱的扫描波长分别为:激发波长Ex=200-500nm,发射波长Em=250-600nm,激发波长和发射波长的增量均为5nm。扫描模式为3D扫描,PMT电压为700V,扫描速率为2400nm/min,响应时间为0.5s,狭缝宽度为5nm。渗滤液NF浓缩液和一级浓液水样在扫描前根据其COD浓度稀释了50倍以去除内滤效应[9]对分析结果的影响。利用FL Solution 2.1for F-7000及Origin 9.1软件进行三维荧光图谱的绘制及相关数据分析,所绘图谱均为扣除Milli-Q超纯水后的矫正结果,以减少仪器条件和拉曼散射对荧光图谱的影响。
分析三维荧光图谱常用最大荧光强度法,即利用荧光峰值处的激发和发射波长对来表征荧光物质的类型。垃圾渗滤液中含有多种有机污染物,其中最活跃的成分是溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM),约占渗滤液总有机物的85%左右。三维荧光图谱主要目的是分析这些有机物的类型,DOM的荧光峰包括类蛋白物质和类腐殖质两类,具体又可再分为7个特征峰,代表7种不同类型的有机物,包括:类腐殖酸、紫外区类富里酸、可见区类富里酸、低激发波长类酪氨酸、高激发波长类酪氨酸、低激发波长类色氨酸、高激发波长类色氨酸,见表4。
表4DOM主要荧光峰
为进一步研究物料膜系统各阶段出水中有机质的腐殖化程度,本研究引入腐殖化指数(humification index,HIX)。根据Milori等的研究,HIX定义为240nm激发波长下发射光谱中后四分之一波段荧光强度积分面积与前四分之一波段荧光强度积分面积的比值。当HIX为10~16时,表示荧光组分的腐殖化程度较高,当HIX<4时,腐殖化程度较低。
多级物料膜系统中渗滤液NF浓缩液、一级浓液、二级浓液、二级一段清液、二级二段清液的三维荧光图谱如附图6所示
附图6中黑色箭头指向特征荧光峰中心,结合表4可得,多级物料膜系统进水及各阶段出水的特征荧光峰以A峰、C峰和I峰为主,说明渗滤液浓缩液中含有大量的紫外区类富里酸物质、可见区类富里酸物质及类腐殖酸物质,这是导致其可生化性差的主要原因。其中渗滤液NF浓缩液有两个荧光峰,包括峰A(Ex/Em=250nm/460nm)和峰C(Ex/Em=325nm/420nm);一级浓液有四个荧光峰,包括2个峰A(Ex/Em=245nm/510nm,Ex/Em=255nm/465nm),峰C(Ex/Em=315nm/455nm)和峰I(Ex/Em=365-370nm/455-460nm);二级浓液有两个荧光峰,包括峰A(Ex/Em=250nm/485nm)和峰I(Ex/Em=400-405nm/480-485nm);二级一段清液有三个荧光峰,包括2个峰A(Ex/Em=250nm/410nm,Ex/Em=280-285nm/390-395nm)和峰C(Ex/Em=320nm/400nm);二级二段清液有两个荧光峰,包括峰A(Ex/Em=250-255nm/425-435nm)和峰C(Ex/Em=340-345nm/420-425nm)。
一般认为有机质腐殖化程度越高,苯环结构含量越多,芳烃类化合物缩合程度越高,其对应腐殖质荧光峰的激发波长就越长。图中,仅在一级一段浓液和二级一段浓液中出现了高激发波长的荧光峰I峰,说明多级物料膜对以I峰为代表的类腐殖酸物质有很好的过滤效果。对于富里酸类物质,可以观察到,一级浓液和二级浓液中仅存在发射波长在450nm以上的荧光峰A峰和C峰,而二级一段和二级二段清液中仅存在发射波长在450nm以下的荧光峰,说明多级物料膜对发射波长在450nm以上的富里酸类物质有很好的过滤效果。
多级物料膜系统各阶段出水的HIX值如下表所示。
表5不同单元水质的HIX值
渗滤液NF浓缩液、二级一段清液及二级二段清液HIX值均低于4,说明有机物的腐殖化程度较低,一级浓液和二级浓液的HIX值大于10,说明有机物的腐殖化程度较高,这也体现了多级物料膜对腐殖酸类物质有良好的分离效果。考虑到一级浓液COD浓度高,且富含腐殖酸类物质,此类物质极难降解,但却是一种很好的有机肥,对其进行资源化利用是比较经济有效的处理方向。二级浓液中腐殖酸类物质虽占比大,但浓度相对较低,不宜资源化,可以考虑后续深度处理去除COD。
最后说明的是,以上优选实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制,尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种垃圾渗滤液纳滤浓缩液减量化系统,其特征在于:包括依次通过管道串联的膜浓缩液罐、重金属脱除罐、一级膜处理系统和二级膜处理系统;所述一级膜处理系统包括依次串联设置的一级物料膜一段、一级物料膜二段和一级浓液罐;所述二级膜处理系统包括依次串联设置的二级物料膜一段、二级物料膜二段和二级浓液罐;经重金属脱除罐脱除重金属后的垃圾渗滤液送至一级物料膜一段;
一级物料膜一段产生的浓液送至一级物料膜二段,清液送至二级物料膜一段;
一级物料膜二段产生的浓液送至一级浓液罐,清液返至重金属脱除罐;
二级物料膜一段的浓液送至二级物料膜二段,清液达标排放;
二级物料膜二段的浓液送至二级浓液罐,清液达标排放。
2.根据权利要求1所述的一种垃圾渗滤液纳滤浓缩液减量化系统,其特征在于:物料膜采用CSM(Colloid Separation Membrane)胶体分离膜;一级物料膜一段的膜设计通量大于二级物料膜一段的膜设计通量;二级物料膜一段的膜设计通量大于一级物料膜二段;一级物料膜二段的膜设计通量大于二级物料膜二段;物料膜的通量范围为3-20 L/(m2∙h)。
3.根据权利要求1所述的一种垃圾渗滤液纳滤浓缩液减量化系统,其特征在于:一级膜处理系统和二级膜处理系统的工作温度不超过40 ℃,一级物料膜最高操作压力2.8 MPa,二级物料膜最高操作压力4.1 MPa。
4.根据权利要求1所述的一种垃圾渗滤液纳滤浓缩液减量化系统,其特征在于:一级物料膜一段与二级物料膜一段之间设有增压泵。
5.根据权利要求1所述的一种垃圾渗滤液纳滤浓缩液减量化系统,其特征在于:重金属脱除罐包含硫酸镁、氟化铵添加设备和絮凝剂添加设备。
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