膜蒸餾處理垃圾滲濾液的研究進(jìn)展

膜蒸餾處理垃圾滲濾液的研究進(jìn)展

市政生活垃圾在衛(wèi)生填埋和焚燒期間產(chǎn)生大量垃圾滲透。垃圾滲濾液是一類污染物濃度高，水質(zhì)成分復(fù)雜，含有大量難降解有機(jī)物(包括腐殖酸、多環(huán)芳烴等)、重金屬離子，并伴有毒性及惡臭的難處理廢水，其水量和水質(zhì)受垃圾成分不同、季節(jié)更替、生活習(xí)慣差異等多方面因素影響而波動變化。垃圾滲濾液若未經(jīng)處理直接排放將導(dǎo)致自然水體、土壤及周邊環(huán)境的嚴(yán)重污染，因此通過組合工藝將垃圾滲濾液妥善處理至符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)是必要的，同樣也是必須的?，F(xiàn)階段我國垃圾滲濾液處理執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)由此前的《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》GB16889—1997提升至GB16889—2008，其中對于國土開發(fā)密度已經(jīng)較高，環(huán)境承載力較弱的地區(qū)，則執(zhí)行GB18669—2008中更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，由此也對垃圾滲濾液的處理工藝提出更高的要求。垃圾滲濾液處理工藝經(jīng)過較長時(shí)間的發(fā)展，形成了目前應(yīng)用廣泛、運(yùn)行較穩(wěn)定的“預(yù)處理-生化處理-膜處理”組合工藝，如有零/近零排放要求，則增加蒸發(fā)單元，如浸沒燃燒蒸發(fā)、機(jī)械式蒸汽再壓縮蒸發(fā)等1質(zhì)液/液或液/氣分離膜蒸餾(membranedistillation,MD)是一種將傳統(tǒng)蒸餾和膜技術(shù)相結(jié)合的新型分離技術(shù)，原理為:微孔疏水膜將溫度不同的2種介質(zhì)(液/液或液/氣)分隔開來，利用疏水膜兩側(cè)可透過組分(通常為水)的蒸汽分壓差作為驅(qū)動力，使得溫度較高側(cè)的液體中的可透過組分(水)以氣態(tài)形式穿過分離膜，而液體、不溶物及各種離子等則無法透過疏水膜，從而達(dá)到分離效果。膜蒸餾具有脫鹽率高、產(chǎn)水水質(zhì)好、水回收率高、可在低溫低壓下操作、能夠處理高濃度原料液、分離性能不受滲透壓限制(常規(guī)反滲透技術(shù)不適合用于處理含鹽量大于65g/L的濃水，因?yàn)樵摑舛塞}水的滲透壓將會高于8×102透技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)膜蒸餾在垃圾滲濾液處理中的應(yīng)用對象主要為反滲透濃水，用于對濃水的深度濃縮和處理。反滲透技術(shù)的主要缺點(diǎn)在于會產(chǎn)生大量的膜后濃水，鹽度、有機(jī)物及無機(jī)污染物濃度高，難以處理。而直接蒸發(fā)反滲透濃水又會因所需蒸發(fā)的水量較大而使能耗過高，運(yùn)行成本難以承受。膜蒸餾能夠濃縮反滲透濃水，使水中的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到37%(該濃度高于NaCl在水中的飽和濃度)3控制膜污染/結(jié)垢膜蒸餾過程發(fā)生膜污染/結(jié)垢的直接表現(xiàn)為產(chǎn)水水質(zhì)惡化及膜通量下降。如上節(jié)所述，通過預(yù)處理改善膜蒸餾的進(jìn)水水質(zhì)可有效減輕膜污染/結(jié)垢。另外，定期對膜進(jìn)行清洗也能有效控制膜污染/結(jié)垢。除此之外，通過對膜蒸餾技術(shù)本身進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，同樣可以實(shí)現(xiàn)控制并減輕膜污染/結(jié)垢的目標(biāo)。優(yōu)化和改進(jìn)的途徑主要包括膜表面改性、膜組件優(yōu)化和輔助設(shè)備或過程的加入。3.1膜表面接觸角膜蒸餾使用的分離膜為微孔疏水膜。以常用的PVDF中空纖維膜為例，膜內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)在經(jīng)過熔融-擠出-拉伸過程后形成，作用為支撐膜的整體結(jié)構(gòu)和提供氣態(tài)分子穿過所需的通道;而膜表面卻十分致密，接觸角通常大于90°，呈疏水性。通過對膜表面進(jìn)行改性，在保證分離效果的同時(shí)，能夠改善膜表面的抗污染/結(jié)垢特性。對膜表面的改性主要有超疏水性(superhydrophobic)膜表面、雙面膜(janusmembrane)及疏液性(omniphobic)膜表面。超疏水性膜表面要求接觸角大于150°，且膜表面有水珠滾動時(shí)能保持干燥。實(shí)現(xiàn)超疏水膜表面的方式很多，比如使用碳納米管、二氧化鈦納米顆粒等納米材料，使膜表面變得粗糙。或利用電紡絲與電噴霧法相結(jié)合制備超疏水膜，膜表面接觸角可達(dá)到170°3.2增加膜表面流體湍流動程度膜組件是構(gòu)成膜處理技術(shù)的最基本和最重要的單元。優(yōu)化膜組件的目的在于增加膜表面的流體湍動程度，進(jìn)而改善傳質(zhì)效率和熱傳導(dǎo)效率，可有效提高膜蒸餾過程的產(chǎn)水量和減少污染物在膜表面的附著。增加膜表面流體湍動程度的方式包括:通過對中空纖維膜彎曲或纏繞定型，使其在組件內(nèi)的形態(tài)由常規(guī)的直列式變?yōu)槁菪?波浪式;在組件殼程內(nèi)增加擋板或在殼程進(jìn)出口處增加液體分配器，改變液體在組件內(nèi)的流動形態(tài);針對平板膜組件可改變液體在膜兩側(cè)的流道，增加液體與膜表面的接觸時(shí)間并加強(qiáng)擾流效果。3.3餾法組件內(nèi)部曝氣為膜蒸餾增加外部輔助設(shè)備或引入其他過程，可有效控制膜污染/結(jié)垢。如，在膜蒸餾的組件內(nèi)部曝氣，利用生成的微小氣泡在上升過程中與膜表面接觸所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力沖刷膜表面，并使膜在水平方向上發(fā)生振動，增強(qiáng)擾流效果，可有效減少膜表面的結(jié)垢現(xiàn)象。有研究發(fā)現(xiàn)利用超聲裝置發(fā)出的高頻聲波能有效控制膜蒸餾過程的膜污染4膜蒸餾和加熱膜蒸餾是一種熱力學(xué)過程，需要熱源加熱原液端，使疏水微孔膜兩側(cè)產(chǎn)生溫差推動該過程的進(jìn)行。通常在實(shí)驗(yàn)室條件下多使用電加熱驅(qū)動膜蒸餾，而在中試或工程化應(yīng)用階段，使用電加熱作為熱源將使膜蒸餾的運(yùn)行成本居高不下。因此，為有效控制運(yùn)行成本，要求膜蒸餾使用的熱源應(yīng)可靠、易得且成本低廉。另一方面，通過優(yōu)化膜蒸餾過程，充分回收和利用氣/液相變的潛熱，改善膜蒸餾的熱能利用效率，同樣可以有效降低運(yùn)行費(fèi)用。4.1膜蒸餾過程的進(jìn)行太陽能膜蒸餾有2種形式，一種是使用低溫太陽能集熱裝置(即太陽能集熱管)將膜蒸餾的原料液加熱至所需溫度。另一種是基于納米光學(xué)原理，對膜表面進(jìn)行改性，通過太陽光直接照射膜表面，在納米材料的作用下，使膜表面產(chǎn)生高溫驅(qū)動膜蒸餾過程的進(jìn)行。早在1991年，科研人員就提出將膜蒸餾和太陽能加熱結(jié)合用于在干旱地區(qū)制備飲用水。之后不同形式的太陽能膜蒸餾不斷被設(shè)計(jì)建造并測試，包括在光熱技術(shù)的基礎(chǔ)上引入光伏技術(shù)，利用太陽能光伏板發(fā)電，為膜蒸餾系統(tǒng)的附屬設(shè)備提供電能。亦可利用蓄電池將電能儲存起來，在夜晚沒有陽光時(shí)利用電池儲存的電能以電加熱的方式維持膜蒸餾的不間斷運(yùn)行。在這些太陽能膜蒸餾研究中不乏有已經(jīng)做到中試規(guī)模和接近工程化應(yīng)用規(guī)模的例子，為太陽能膜蒸餾將來的商業(yè)應(yīng)用提供了重要依據(jù)和參考?；诩{米光學(xué)原理的太陽能膜蒸餾將“異地”太陽能集熱裝置加熱過程用“就地”膜加熱替代，膜表面添加的可利用陽光產(chǎn)生光熱效應(yīng)的納米顆粒，能實(shí)現(xiàn)原液在膜表面的直接加熱，有效減少溫度極化效應(yīng)4.2發(fā)燒根據(jù)來至美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室于2016年發(fā)布的報(bào)告，地?zé)釋悄ふ麴s過程的一種理想的熱源4.3溫過程能耗廢熱通常指的是低品位熱能，是那些生產(chǎn)制造的熱能在利用結(jié)束后不容易被再利用而被排放到環(huán)境中的熱量。使用廢熱驅(qū)動膜蒸餾或降低膜蒸餾原水升溫過程的能耗被證實(shí)是可行的。在已有的文獻(xiàn)報(bào)道中，可用于膜蒸餾的廢熱來源多樣，如船舶上的發(fā)動機(jī)釋放的廢熱，柴油燃燒爐產(chǎn)生的廢熱，質(zhì)子交換膜燃料電池的廢熱，天然氣壓氣站的廢熱，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠低于40℃的廢熱，地?zé)岚l(fā)電廠的廢熱，采礦過程排出污水中的廢熱等。垃圾焚燒發(fā)電廠可提供多種形式的廢熱，包括低溫低壓蒸汽、低溫?zé)嵫h(huán)水、煙道氣等，如能夠?qū)@些廢熱進(jìn)行合理利用，將會有力推動膜蒸餾在滲濾液處理中的應(yīng)用。5提高造水比的率在探索不同熱源在膜蒸餾中應(yīng)用的同時(shí)，改善膜蒸餾過程的能量利用效率，提高造水比(gain-outratio,GOR)，對降低運(yùn)行成本同樣具有十分重要的意義。膜蒸餾伴隨相變，通過熱泵耦合膜蒸餾及多效膜蒸餾技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對相變(氣化/冷凝)潛熱的回收利用。5.1熱梨花理論上，熱泵可作為聯(lián)系膜蒸餾過程中原液的加熱和氣態(tài)水分子冷凝釋放潛熱之間的橋梁，回收氣態(tài)分子的冷凝潛熱用于加熱原液。Tan等5.2膜蒸餾系統(tǒng)的設(shè)置多效膜蒸餾用于描述多級或多效操作使膜蒸餾系統(tǒng)整體GOR大于1的膜蒸餾過程。其原理為:以膜蒸餾產(chǎn)生的水蒸汽作為次級熱源，利用水蒸汽在相變過程中釋放的潛熱加熱原料液，使原料液溫度升高。同時(shí)，水蒸汽因?yàn)榉艧峤禍?，冷凝成液態(tài)被收集為產(chǎn)水。對冷凝潛熱的回收分為外部和內(nèi)部。外部潛熱回收主要通過換熱器實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部潛熱回收通過在膜組件內(nèi)部加入熱量回收單元，使原水在被外部加熱器提升溫度前，在膜組件內(nèi)部被冷凝潛熱預(yù)熱。多效膜蒸餾主要以VMD、DCMD和AGMD為主。多效VMD大多以多級膜蒸餾形式實(shí)現(xiàn)，膜蒸餾組件已有商業(yè)化產(chǎn)品，各種中試系統(tǒng)也在不同條件和應(yīng)用場景下被測試和評價(jià)。DCMD的熱量回收研究基于多級膜蒸餾形式并結(jié)合外部換熱器，能夠顯著提高系統(tǒng)的造水比。AGMD則主要在組件內(nèi)部回收熱量，其過程也被稱為連續(xù)效膜蒸餾。6膜蒸餾在滲透濾處理中的應(yīng)用在Zoungrana等7垃圾滲濾液預(yù)處理工藝膜蒸餾由于自身的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢，可被用于垃圾滲濾液的處理過程，具有較好的應(yīng)用前景。現(xiàn)階段，相關(guān)的工作正在進(jìn)行也取得了一定的成果。從進(jìn)一步放大該過程至中試階段和將來工業(yè)化應(yīng)用的角度而言，尚需在以下幾個方面開展研究和工程實(shí)踐。(1)以經(jīng)濟(jì)可行作為重要依據(jù)，開發(fā)新型預(yù)處理藥劑或?qū)ΜF(xiàn)有的藥劑進(jìn)行復(fù)配，優(yōu)化垃圾滲濾液預(yù)處理工藝流程，使其易于操作，去除效果穩(wěn)定，產(chǎn)生污泥量可控，實(shí)現(xiàn)有效改善膜蒸餾進(jìn)水水質(zhì)的目標(biāo)。(2)開發(fā)新型抗污染/結(jié)垢膜材料和膜組件，提高膜蒸餾的抗污染/結(jié)垢性質(zhì)，使膜蒸餾能夠長