果蔬垃圾厭氧發酵沼液超濾預處理工藝研究

王浩，蔣穩，黃格

（1.上海嘉定再生能源有限公司，上海 201823；2.中鋼集團武漢安全環保研究院有限公司，湖北武漢 430081；3.武漢環投千子山環境產業有限公司，湖北武漢 430100）

隨著我國農村產業結構的不斷優化和調整，果蔬產業迅速發展，我國蔬菜播種面積和產量已居世界第一[1]。果蔬在生產、運輸、儲存、銷售的過程中會產生大量的果蔬垃圾。目前果蔬垃圾的處置方法有焚燒、填埋、好氧堆肥和厭氧消化等[2-3]，而解決果蔬垃圾的關鍵在于遵循“減量化、無害化、資源化”的基本原則[4]，目前厭氧消化技術被認為是最有前途的資源化技術[5-6]。

果蔬垃圾經過分選、破損、壓榨后進行厭氧發酵，最終產生的發酵沼液具有水量變化波動大、可生化性好、污染物濃度高、色度大等特點[7]。目前對于果蔬發酵后的沼液多作污水處理，沼液處理多采用常規的“預處理+生化處理+深度處理”工藝，由于沼液中的COD、SS、氨氮和總氮濃度高，預處理效果不好直接影響后續的生化系統運行。目前沼液的預處理工藝主要包括格柵、絮凝、氣浮、螺旋擠壓、疊螺、串螺、離心機等，這些工藝對SS的去除能力有限，處理后的沼液中仍然還有較高濃度的SS，這些SS對后續生化系統的影響很大。為了改善生化系統的進水水質，以經過“格柵+串螺”處理后的沼液為對象開展超濾小試試驗，考察超濾產水的水質、膜通量和膜運行穩定性，并分析超濾膜用于沼液預處理的可行性，為其實際工程應用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗水樣

本試驗對象來自云南某廢棄果蔬綜合利用項目，果蔬垃圾采用分選、破損、壓榨和厭氧發酵等生產工藝，最后產生了厭氧發酵沼液，試驗水樣為厭氧發酵沼液采用“格柵+串螺”處理后的沼液（調節池沼液）。本項目的沼液處理工藝如圖1所示，主要水質指標如表1所示。

圖1 沼液處理工藝流程圖

表1 試驗水質指標

1.2 試驗裝置

本試驗采用自制的超濾膜裝置。采用0.06 μm的PVDF中空纖維超濾膜自制成膜組件，有效膜面積為0.56 m2。超濾試驗裝置主要由產水泵、膜組件、反洗泵、膜箱、曝氣泵、流量計、電動閥、壓力表、控制箱等組成，裝置采用軟管連接。產水泵和反洗泵采用蠕動泵，其中產水泵的最大流量為160 mL/min，反洗泵的最大流量為200 mL/min。曝氣泵的功率為320 W，最大曝氣壓力35 kPa，最大曝氣量143 L/min。膜箱材質為PP，高度1.5 m，直徑0.25 m。通過PLC控制產水泵、產水閥、反洗泵、反洗閥、曝氣機的運行。超濾試驗系統如圖2所示。

圖2 超濾試驗系統

1.3 試驗方法

取60 L試驗水樣倒入膜箱中，淹沒膜組件，膜箱液位控制在1.2 m左右，保持膜箱有30 cm左右的超高。超濾膜運行流程為過濾—停歇/反洗的循環過程，設定運行周期和反洗周期，反洗時間為30 s。運行開始時，先啟動曝氣泵，再依次啟動產水閥和產水泵，調節產水泵的流量，保持合適的膜通量，記錄運行過程中的產水流量和產水壓力。當膜箱內液位低于1.1 m時，向膜箱中補充試驗水樣，維持液位在1.2 m左右，記錄水樣的體積。當膜箱內泡沫過高時，噴灑少量的超濾產水進行消泡。試驗結果后，打開排空閥，將膜箱排空。

1.4 分析方法

試驗過程中，對超濾進水和產水的COD、氨氮、總氮、SS和pH等指標進行測定。COD、氨氮、SS的測定采用《水和廢水的分析監測方法（第四版）》中規定的方法[8]，哈希DR 3900測定總氮，雷磁PHS-3C測定pH。

2 結果與分析

2.1 超濾膜對污染物的去除效果

由于沼液中的SS濃度較高，導致本項目中的IC厭氧罐出水污泥流失嚴重，厭氧出水SS濃度為5～10 g/L，厭氧罐一直未能正常運行。沼液中含有較多的短纖維，這些短纖維難以被微生物降解，對后續生化系統和MBR系統的影響較大[9]。本試驗中發酵液超濾預處理前后照片如圖3（a）所示，可以看到超濾預處理后發酵液澄清度顯著提高。在不同的進水水質條件下，超濾膜的出水COD、TN和SS含量及去除率分別如圖3（b）、（c）、（d）所示。由圖可知，超濾膜可以有效去除沼液中的SS、COD和TN，超濾產水的SS低于10 mg/L，對COD的去除率為40%～60%，對TN的去除率為30%～50%。超濾產水可以直接進入生化系統處理，省去原系統中的厭氧工藝段，同時可以改善生化系統的運行情況，降低運行成本。

2.2 運行方式對膜污染的影響

本試驗對比了2種運行周期對膜污染的影響：運行5 min停歇1 min（代號“5+1”）和運行9 min停歇1 min（代號 “9+1”）。調節產水泵的轉速，控制初始產水流量為136 mL/min，初始產水負壓為-20 kPa。試驗結果如圖4所示。

圖4 兩種運行周期的產水流量變化

可以看出，初始產水流量為136 mL/min，換算成膜通量為14.571 L/（m2·h）。在“9+1”運行方式中，運行10 min后，第2個周期的初始流量降為128 mL/min，膜通量為13.714 L/（m2·h），增加一個周期內產水流量記錄的頻次，發現在一個運行周期內（10 min），產水流量穩定下降。每個周期內運行結束停歇1 min后，隨著曝氣作用對膜表面污染物的抖動，膜產水流量可以恢復一部分，例如第3周期和第4周期開始時，產水流量從上個周期結束時的104 mL/min恢復至112 mL/min。整個過程中，產水流量逐級衰減，“5+1”運行方式產水流量的衰減速度比“9+1”運行方式慢。產水流量的階梯型衰減，可能是由于膜表面被污染物覆蓋，影響了膜的產水過程。

2.3 初始膜通量對膜污染的影響

從預試驗可知，初始產水流量會影響膜的污堵速度，初始產水流量在120～136 mL/min時，運行中的產水流量無法維持穩定，會急劇下降；當初始產水流量在104 mL/min和88 mL/min時，產水流量的變化會出現穩定階段。為了延長穩定運行時間，選擇了88 mL/min作為初始產水流量，換算成膜通量為9.428 L/（m2·h），運行方式為“5+1”，初始負壓為-12 kPa，產水流量的變化如圖5所示。

圖5 產水流量的變化

可以看出，在“5+1”運行方式下，初始產水流量為88 mL/min時，連續運行20 min，產水流量沒有發生衰減，在20～60 min運行時間內，產水流量連續緩慢下降，衰減了18%。相比于圖4中的產水流量變化趨勢，圖5中產水流量的衰減比較平緩，沒有出現逐級衰減情況，表明降低初始膜通量有助于減緩膜的污染速度。

2.4 超濾膜污染及清洗效果

超濾膜的膜通量衰減速度比較快，分析原因可能是膜絲表面的懸浮物阻礙了膜的正常產水，清洗后膜表面的懸浮物會被清理掉，如圖6所示。因此本試驗中引入了反洗和沖洗措施來減緩膜污染，設定每運行3個周期后，進行一次反洗，反洗時間為30 s。引入反洗程序后，超濾膜產水流量變化情況如圖7（a）所示。

圖6 中空纖維膜污染及清洗效果圖

圖7 增加清洗措施后的超濾產水流量變化

增加反洗后，膜污染速度明顯降低，主要原因是反洗可以減少膜絲表面附著的懸浮物，減緩膜通量的衰減速度，但是連續運行2 h后，膜通量仍然會有明顯的衰減，主要原因是反洗不能將膜絲表面的懸浮物沖洗干凈。因此，本試驗增加了沖洗措施：將膜組件取出，用自來水將膜絲表面的懸浮物沖洗干凈后放入膜箱中繼續運行。引入沖洗后的超濾膜表面及產水流量變化情況分別如圖6（c）和圖7（b）所示，結果表明，連續運行12 h，膜污染可以通過沖洗得到解決。為了保證超濾膜的穩定運行，采用中空纖維超濾膜處理沼液時，需要增加沖洗措施，定時對膜絲進行沖洗，保證膜絲表面的干凈，減緩膜通量的衰減。

3 結論

果蔬垃圾厭氧發酵沼液經過“格柵+串螺”處理后，繼續采用PVDF中空纖維膜處理沼液，試驗主要得出以下結論：

（1）超濾膜可以有效去除沼液中的COD、TN和SS，其中超濾產水的SS低于10 mg/L，超濾膜對COD和TN的去除率在40%以上?？梢詫ⅰ案駯?串螺+超濾”作為果蔬垃圾厭氧發酵沼液的預處理工藝，能夠省去原有的厭氧工藝，同時改善生化系統的進水水質。

（2）為了提高超濾膜的運行穩定性，可以增加反洗和沖洗程序。根據試驗結果，超濾膜污染的主要原因是懸浮物附著在膜絲表面阻礙了膜的正常產水，經過反洗和沖洗可以有效恢復膜的處理能力。本試驗中超濾膜的反洗頻次為18 min一次、沖洗頻次為2 h一次，超濾膜連續運行12 h，膜污染可以得到有效控制。為了提高超濾膜的適用性，可以設計專門的膜組件用來處理果蔬垃圾厭氧發酵沼液，實現超濾膜的自動沖洗恢復。

（3）超濾膜的運行周期和初始膜通量都會影響超濾膜的運行狀況，超濾膜連續抽吸時間不宜過長，停止運行時的曝氣作用可以改善超濾膜的污染情況，本試驗中，超濾膜的最佳膜通量為10 L/（m2·h）左右。