疏水膜脫除污泥滲濾液氨氮的工藝研究

李海明 苑輝 陳繼躍 楊濤 皇甫風(fēng)云

摘要：聚丙烯中空纖維膜屬于疏水膜，具有透氣不透水的性能，膜孔能夠允許氣體分子通過，而液體被截留在膜的一側(cè)。實驗所用污泥滲濾液的氨氮含量在600mg/L左右，通過提高污泥滲濾液的pH值，能夠把滲濾液中游離的氨離子轉(zhuǎn)換成氨分子。膜的內(nèi)側(cè)通入污泥滲濾液，膜的外側(cè)通入硫酸吸收液。當(dāng)用離心泵提供動力時，在膜兩側(cè)形成氨分子的分壓差，滲濾液中的氨分子就能夠脫離滲濾液，通過膜孔擴散到膜的外側(cè)，與外側(cè)的酸吸收液結(jié)合形成銨鹽。通過調(diào)節(jié)污泥滲濾液的不同pH值、不同溫度和不同壓力，考察滲濾液氨氮的脫除效率。

關(guān)鍵詞：聚丙烯;污泥滲濾液;氨氮;氨分子

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）05-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.05.060

Abstract：Polypropylene hollow fiber membranes belong to hydrophobic membranes，performances of air permeability and water impermeability，membrane holes allow gas molecules to pass through，while liquids are trapped on one side of the membrane.The ammonia nitrogen content of sludge leachate used in the experiment is about 600 mg/L，By increasing the pH value of sludge leachate，free ammonia ions in leachate can be converted into ammonia molecules.The inner part of the membrane is filled with sludge leachate， and the outer part of the membrane is filled with sulfuric acid absorbent.When the centrifugal pump is used to provide power，the partial pressure difference of ammonia molecules is formed on both sides of the membrane，the ammonia molecules in the leachate can be separated from the leachate， diffused to the outside of the membrane through the membrane pore，and combined with the acid absorption solution outside to form ammonium salt.The removal efficiency of ammonia nitrogen in sludge leachate was investigated by adjusting the different pH， temperature and pressure of sludge leachate.

Keywords： Polypropylene; Sludge leachate;Ammonia nitrogen; Ammonia molecule

污泥滲濾液是指污泥填埋場經(jīng)過長時間堆積存放產(chǎn)生的滲濾液，滲濾液的成分復(fù)雜，含鹽量高，氨氮含量較高，處理難度較大，生化效率低，生化時需要投加大量碳源，處理成本較高。在生化前，先將滲濾液的氨氮含量降低到一定數(shù)值，使污泥滲濾液的碳氮比達到滿足生化的要求，能夠大大降低碳源的投加量，提高生化的效率，降低污泥滲濾液的處理成本。膜分離是利用具有選擇透過性的材料制備的膜作為分離介質(zhì)，通過在膜兩邊施加一個推動力（如濃度差、溫度差、壓力差或電壓差等）時，使原料側(cè)組分選擇性地透過膜，達到對混合物的分離并實現(xiàn)產(chǎn)物的提取、純化、濃縮、分級等目的的一種新型分離過程。中空纖維膜有著廣泛應(yīng)用，膜技術(shù)在污水處理、超純水制備等領(lǐng)域的中心地位，已越來越被更多的工業(yè)行業(yè)所認識，同時純水、超純水制造技術(shù)、裝備的進步也極大地推動了現(xiàn)在高科技的發(fā)展。聚丙烯[1-2]是典型的半結(jié)晶等規(guī)聚合物，是一種優(yōu)良的通用材料[3-4]，具有耐化學(xué)穩(wěn)定性、耐細菌侵蝕性，生物相容性、疏水性和透氣性[5-6]也都比較好，具有廣泛的應(yīng)用前景。天津工業(yè)大學(xué)的皇甫風(fēng)云教授曾發(fā)表過關(guān)于聚丙烯中空纖維疏水膜制備的影響因素，天津大學(xué)的秦英杰教授在聚丙烯疏水膜應(yīng)用領(lǐng)域[7-8]有著比較深入的研究，在疏水膜的應(yīng)用上，對疏水膜的性能和膜孔的結(jié)構(gòu)有著自己獨到的見解[9]。

1 實驗部分

1.1 儀器與藥品

聚丙烯中空纖維膜組件，山東膜源水凈化科技有限公司產(chǎn)品;PP熔噴，山東膜源水凈化科技有限公司產(chǎn)品;氨氮測定儀，哈納沃德儀器（北京）有限公司產(chǎn)品;離心泵，南方泵業(yè)股份有限公司產(chǎn)品;溫度計，天津市實驗儀器廠產(chǎn)品，燒杯，天津市實驗儀器廠產(chǎn)品;電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;流量計，八星家居專營店產(chǎn)品;壓力表，天津市實驗儀器廠產(chǎn)品;硫酸溶液，天津百賽斯生物科技有限公司產(chǎn)品;氫氧化鈉，天津百賽斯生物科技有限公司產(chǎn)品;聚氯化鋁，衡陽市建衡實業(yè)有限公司產(chǎn)品;聚丙烯酰胺，衡陽市建衡實業(yè)有限公司產(chǎn)品。

1.2 疏水膜實驗儀器的組裝

利用購買的聚丙烯中空纖維膜組件、離心泵、壓力表和流量計，組裝實驗裝置，膜的內(nèi)側(cè)通入污泥滲濾液，膜的外側(cè)通入酸。耐堿離心泵由污泥滲濾液桶中提取污泥滲濾液，經(jīng)過流量計，進入膜的內(nèi)測，進膜前連接壓力表，用來顯示進膜壓力，出膜后再流入污泥滲濾液桶，耐酸離心泵由酸桶中提取酸吸收液，經(jīng)過流量計，進入膜的外側(cè)，進膜前連接壓力表，用來顯示進膜壓力，出膜后再流入酸桶中，每經(jīng)過一次循環(huán)，即完成一次脫氨氮過程，如此循環(huán)，即是利用疏水膜脫除污泥滲濾液氨氮的過程。如圖1所示，即為疏水膜脫氨的工藝流程圖（見圖1）。

1.3 污泥滲濾液的預(yù)處理

由污泥填埋場提取污泥滲濾液，加堿調(diào)節(jié)滲濾液的pH值到9，先后加入一定量聚合氯化鋁PAC和聚丙烯酰胺PAM，進行絮凝沉淀處理，提取上清液，經(jīng)過PP熔噴微濾過濾后的產(chǎn)水作為脫氨氮的料液[10]。

1.4 硫酸吸收液的配制

用濃硫酸配制pH值在1左右的稀硫酸作為吸收液。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 滲濾液pH值對氨氮脫除效率的影響

氨氮廢水的pH值是影響氨氮脫除效果的一個主要參數(shù)，當(dāng)含氨氮廢水達到一定堿性時，游離的銨離子便轉(zhuǎn)化為氨分子，主要是因為當(dāng)溶液的pH值升高時，化學(xué)平衡發(fā)生了移動。當(dāng)游離的氨分子在膜的兩側(cè)形成分壓差時，氨分子就會穿越膜孔，進入吸收液，立即與酸性溶液中的H+反應(yīng)生成非揮發(fā)性的、不能逆擴散的NH4+。反應(yīng)方程是：

2NH3+H2SO4=（NH4）2SO4

NH3+HNO3=NH4NO3

該過程的實質(zhì)是膜蒸發(fā)、擴散與吸收的連續(xù)過程，解吸與吸收在膜的兩側(cè)同時完成。本實驗主要考察了氨氮廢水的pH值對氨氮脫除效率[11]的影響，用同樣的污泥滲濾液，調(diào)配成不同的pH值，在相同的操作環(huán)境下，檢測處理后污泥滲濾液氨氮的含量和氨氮脫除率，如圖2所示。

當(dāng)污泥滲濾液的pH值越高時，堿性越強，化學(xué)平衡向氨分子的方向移動，污泥滲濾液中的銨離子就會更多的像氨分子轉(zhuǎn)化。經(jīng)過疏水膜處理后，氨氮的脫除率越高，處理后污泥滲濾液氨氮的含量也就越低。當(dāng)不斷地提高pH值時，脫除率變化的越緩，可能是受膜面積與操作壓力的影響。

2.2 滲濾液溫度對氨氮脫除效率的影響

溫度是影響氨氮廢水脫除效果的一個主要因素，溫度主要是通過影響銨離子的電離平衡，從而影響氨氮的脫除效率。銨離子屬弱電解質(zhì)，其電離平衡是吸熱反應(yīng)，當(dāng)氨氮廢水的溫度升高時，銨離子的電離平衡發(fā)生移動，向正反應(yīng)方向移動，轉(zhuǎn)化的氨分子的比例增加，氨分子的分壓差增加，在其他條件不變的條件下，氨分子透過膜孔與吸收液結(jié)合的量增大，氨氮的脫除率增加，如圖3所示。

2.3 疏水膜內(nèi)外側(cè)壓差對氨氮脫除效率的影響

通過實驗數(shù)據(jù)的考察，發(fā)現(xiàn)疏水膜內(nèi)外側(cè)的壓差對氨氮的脫除效率影響很小，可能的原因是膜內(nèi)外側(cè)的壓力并不能有效作用在氨分子上，外力對氨分子的分壓影響很小，氨分子的壓差才是主要的影響因素，膜內(nèi)外側(cè)的分壓差對氨氮脫除效率的影響如圖4所示。

3 結(jié)論

以污泥滲濾液作為疏水膜脫氨氮的原液，利用疏水膜透氣不透水的性質(zhì)，通過吸收液的吸附來降低氨氮廢水的氨氮值，考察了不同pH值、溫度和膜內(nèi)外壓差對疏水膜脫氨氮效果的影響，結(jié)論如下：

（1）污泥滲濾液的pH值主要是通過影響化學(xué)平衡的移動來影響氨氮的脫除率，污泥滲濾液的pH值越高，氨氮的脫除率越高;（2）污泥滲濾液的溫度主要是通過影響化學(xué)平衡的移動來影響氨氮的脫除率，溫度越高，氨分子的分壓差越大，氨氮的脫除率越高;（3）膜內(nèi)外側(cè)的壓差對氨氮的脫除率影響不大，主要是因為膜內(nèi)外側(cè)壓差不能影響氨分子分壓差的大小，只起到外力的作用，所以對氨氮的脫除率基本不產(chǎn)生影響。

參考文獻

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[11]陳衛(wèi)文，李亞靜等.膜材質(zhì)對膜吸收法處理高氨氮廢水的影響[J].廣東化工，2016.

收稿日期：2019-02-18

作者簡介：李海明（1988-），男，漢族，研究生，中級工程師，研究方向為膜分離技術(shù)、工業(yè)污水治理、污泥處理處置。

通訊作者：苑輝（1984-），女，漢族，博士，高級工程師，研究方向為水污染治理。