一种新型废水处理技术－亚滤

奚旦立，高春梅，李燕，陈季华，毛艳梅

（东华大学环境科学与工程学院，上海 200051）

　　摘  要：近来，膜技术的研究是目前废水处理中一个热门的话题，但是由于膜的价格较高和高的运行费用使得膜技术还不能广泛的应用在废水处理中。东华大学根据废水处理及膜分离的特点设计了一套以陶瓷膜为主的具有大通量和低费用的水处理设备。处理流程包括：使污染物分子聚集到微米级以上；用混凝沉淀方法分离毫米级污染物；用多孔陶粒分离5 mm以上微粒，最后用陶瓷膜进行分离。利用该设备对经过生化处理过的垃圾渗沥液进行处理。小试和中试的结果表明：当垃圾渗沥液经二级生化处理且COD<1000 mg/L时，该设备处理出水COD<300 mg/L且较稳定；渗沥液中的35种主要有机污染物质，有16种芳香烃类物质可以完全被去除，占有机污染物质总数的45.7%；7种污染物质的去除率在75% ~ 96%之间，占有机污染物质总数的20%；另外7种污染物质的去除率在6% ~ 44%之间，占有机污染物质总数的20%。结果表明：有陶粒和陶瓷膜设计的此设备能够有效的降低有机污染物的浓度且运行废水低。另外对其他废水的处理也取得了很好的效果。

　　关键词：亚滤；陶瓷膜；陶粒；垃圾渗沥液；COD

　　目前，膜技术是废水处理领域中比较热门的话题。根据膜材料的不同可分为有机膜和无机膜。无机膜已经广泛的应用在污水处理中并发展成一些技术，如超滤、反渗透和微滤。有很多报告利用超滤和反渗透处理生活污水和工业废水，尤其是MBR（膜生物反应器）。试验表明可以获得很好的处理效果并且处理的水可以回用。但是膜在废水处理工程应用方面还存在两个主要问题：膜的价格和膜生物反应器的设备比较高；由于膜阻力大，因此消耗的能量也高；处理1吨废水要消耗1.5千瓦的能量。另一方面，由于膜污染问题严重，膜的有效使用寿命相对就较短，因此膜要经常更换。还有膜的运行费用高。因此，开发低成本、大通量的膜及研制使用大通量膜的设备具有重要的意义。本论文介绍了设备的研制以及利用此设备对垃圾渗沥液的研究。

　　1 膜材料

　　世界上有很多膜材料，如PVC（聚氯乙烯）、PS（聚砜）及一些有机材料，另外还有无机材料，如高岭土、陶土等；但是，在中国，陶瓷材料发展的非常快而且原料丰富，来源广泛，价格较低。因此，选择陶瓷膜来进行实验研究。

　　陶瓷膜是无机膜的一种，具有来源广泛、价格低廉等特点，与超滤膜和反渗透膜相比具有很大的吸引力。陶瓷膜的特点如下：耐高温，可以在低于1000℃下稳定使用，适用于处理高温、高粘度流体（水和气体）；机械强度高，在高压或大的压差下使用不会变形；化学稳定性好，能抗微生物降解，对于有机溶剂、腐蚀性气体和微生物侵蚀，表现出良好的稳定性；使用寿命长，可使用3 ~ 5年，甚至8 ~ 10年。

　　2 亚滤技术和设备的产生

　　长时间以来，超滤和反渗透技术在废水处理方面独占鳌头，但是膜孔径限制了它们的应用范围。这样亚滤技术就应运而生了。

　　经多年研究，东华大学结合废水处理和膜分离特点，提出一项综合性技术“亚滤”。它包括：① 使污染物分子聚集到微米级及以上并分离毫米级污染物；② 用自行研制的多孔陶粒分离5 m以上微粒，以保证后续“膜分离”运行稳定，在足够时间内不需反冲；③ 使用可根据需要调整孔径的膜分离一定粒径物质以达到分离污染物、净化水质、气体等目的。这一技术包括二类，一类是膜分离技术与物化技术（混凝、沉淀、陶粒过滤等）相结合，另一类是膜分离技术与生化技术相结合。陶瓷膜、陶粒的开发大大降低了膜处理设备成本，而降低运行成本必需加大孔径，途径有二：一是使分子“凝聚”，二是适当放大孔径，使之在超滤、微滤之间。

　　下面分别介绍亚滤的重要技术和设备。

　　2.1 膜分离技术和陶瓷膜

　　在任何膜技术中，膜分离技术对于整个技术来说是非常重要的。利用膜技术可以去除一些物质并且可以净化污水，因此可以说膜分离技术是整个技术的核心。

　　每一种膜根据它的孔径和操作条件可以应用在一定的范围内。不同的膜分离技术的比较结果如表1。部分微生物和胶体粒径如表2。从表2可以看出，亚滤技术可以去除胶体、细菌、菌类、原生动物和藻类。由于陶瓷膜具有高流量和低成本，因此选择陶瓷膜研制亚滤设备。不同的膜在废水处理应用中的前景如表3。

　　2.2 陶粒

　　陶粒的应用近年来在国际上形成一股热潮，它主要应用于：利用轻质陶粒（多孔）代替砂、石做建筑材料；作为油田喷井时压井材料；作为无土栽培的多孔底质；在废水处理中作为滤料，这在法国等国家用得非常普遍，与无烟煤相比具有很高的机械强度；使用过程中损耗少；与活性炭相比，价格远为低廉。

　　陶粒的原料与陶管相似，陶粒的堆积密度见表4。由于堆积密度小，可以采用水自下面进上面出的处理流程。

表4  陶粒的堆积密度表

　　本实验选择东华大学自行研制的陶粒进行研究。

　　2.3 陶瓷管和涂膜

　　自制陶管采用φ₁ 12 mm、φ₂ 7 mm、L 1100 mm，原料为焦宝石、陶土、铝矾土、白泥及发孔剂，在一定条件下烧结而成。其大部分表面孔径为10 ~ 200 µm，然后用特种金属化合物超细粉末（1 µm、3 µm、5 µm等），根据使用要求分几次涂膜而成。涂膜之后，膜孔径在0.1 ~ 5 µm之间。涂膜包括固定膜和动态膜两种，本研究使用动态膜。

　　动态膜是偶然发现的，它是在压力作用下使微粒就地沉积在多孔载体上。多应用在反渗透过程，现在也应用在超滤过程中。

　　动态膜与超滤膜相比有以下优点：渗透通量较高；易于再生；可根据溶液的性质变换不同的制膜材料；制造简单，无需干燥和烧结。

　　动态膜还处在发展阶段，没有广泛的应用在工业上，处于实验阶段。在实际应用过程中，作为污水处理的一个新技术还有一些方面需要改进。

　　2.4 亚滤设备的设计

　　亚滤设备包括：预处理设备（泵前加药、混凝、斜管沉淀、陶粒过滤）和陶管膜过滤二部分。

　　受试水样贮存于水槽，以泵抽吸，并在泵前加药混凝，进入轻质陶粒过滤器，再进入陶管膜进行分离，分离后原水从底部排放，回流水仍回至水槽。

　　3 亚滤设备处理垃圾渗沥液的研究

　　东华大学利用这一技术对垃圾渗沥液及一些废水进行了实验研究。从实验结果可以看出，亚滤技术可以有效的处理工业废水，并取得很好的效果。

　　3.1 利用亚滤技术处理垃圾渗沥液

　　生活垃圾在处置过程中，不论在填埋场、中转站，还是焚烧场等，都会产生渗沥液。根据产生的条件不同其COD可在4000 ~ 60000 mg/L之间。垃圾填埋场通常采用二级生化处理，出水COD只能处理到1000 mg/L左右，进一步深度处理，不论是物化或生化处理，处理效果都较差（COD去除率低于30%），难以达到中国《生活垃圾填埋污染控制标准》（GB16889-1997）规定的指标：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，利用亚滤设备，在上海老港对经过二级生化处理的垃圾渗沥液进行了处理并对处理后的水进行了研究，结果见表5。各个组件对垃圾渗沥液的去除率见表6。

　　中试2001年在老港废弃物处置场进行，运行63天，水样是COD_Cr为1139.1 mg/L的垃圾填埋场生化处理出水。

　　腐殖质是垃圾渗沥液中有机物的主要组成，其分子量分布范围为102 ~ 106。腐殖质中50% ~ 60%是碳水化合物及其关联物质，10% ~ 30%是木质素及其衍生物，1% ~ 3%是蛋白质及其衍生物。由此可见，去除垃圾渗沥液中的有机物质，尤其是腐殖酸类物质具有十分重要的意义。有机污染物的去除情况如表7。

　　由表7可知，其中的35种主要有机污染物质，有16种可以完全被去除，占有机污染物质总数的45.71%，这16种污染物质主要是芳香烃类物质；7种污染物质的去除率在75% ~ 96%之间，占有机污染物质总数的20%；另外7种污染物质的去除率在6% ~ 44%之间，亦占有机污染物质总数的20%。以上说明陶粒－陶瓷管过滤组件可以有效的去除垃圾填埋渗沥液中有机污染物质。

　　3.2 亚滤技术对其他废水的处理

　　另外，亚滤技术还可处理其他废水，如造纸废水、印染废水、化工废水等。这些废水的处理结果如表8。

　　从表7可以看出，直接陶管膜处理废水COD的去除率在20% ~ 35%之间，而实际上分离的只是水中肉眼无法看到的胶体颗粒。但是亚滤处理废水COD的去除率高达60% ~ 95%。另外，亚滤的能量消耗低于1 kW·h/t废水，因此应用前景十分广阔。

　　4 结论

　　通过上述介绍，亚滤技术具有以下特点：它是一项集混凝、陶粒和陶瓷膜优化组合的高科技产品；它利用陶瓷膜过滤，孔径在超滤与微滤之间，大大扩大了水处理的范围；亚滤设备的价格只是使用超滤膜设备价格的1/4 ~ 1/3；它具有很高的流量，这是其他技术不能达到的；亚滤的能量消耗小于1 kW·h/t废水，具有广阔的应用前景。

　　虽然亚滤技术与其他膜处理技术相比有一些优点，但还存在一些缺点：易脆，需要特殊的处理程序和支撑体系；高温下很难密封组件困难；陶瓷膜内单位体积有效分离面积较有机高聚物膜低。

　　亚滤作为一项新的处理废水工艺具有它的局限性，因此在实际应用过程中，要根据实际情况改善这一技术。