膜技術在處理垃圾滲濾液生化出水中的應用

＊張新磊 溫學友 趙運濤,3*

（1.河北地質大學水資源與環境學院 河北 050031 2.河北地質大學智慧環境產業技術研究院 河北 050022 3.河北地質大學水資源可持續利用與產業結構優化協同創新中心 河北 050031）

垃圾滲濾液的處理方法主要有物理法、化學法和生物法。由于投資與運行成本較低，生物法被普遍用于垃圾滲濾液處理中。然而由于大量難降解有機物、無機鹽、重金屬等的存在，單純的生物法很難使垃圾滲濾液處理達標，仍需采用物理法或化學法對滲濾液生化出水進行深度處理。膜分離技術具有操作簡單、運行靈活、效率高等優點，其中納濾、反滲透、正滲透等膜技術具有脫鹽和去除有機物的能力，它們在垃圾滲濾液生化出水處理中的應用可以保證各項污染物穩定達標排放。本文重點就納濾、反滲透、正滲透在處理垃圾滲濾液生化出水中的應用研究進展進行綜述，并結合它們的應用特點對其未來發展趨勢進行展望。

1.垃圾滲濾液生化出水的水質特征及處理技術

垃圾滲濾液中含有高濃度的COD（化學需氧量）、BOD（生化需氧量）和NH3-N（氨氮），其具體濃度值因垃圾處理技術和時間的不同而存在很大差異。一般而言，垃圾滲濾液中的BOD 和COD 濃度在103～104mg/L數量級，氨氮濃度在102～103mg/L 數量級[1]。在垃圾填埋穩定化過程中部分有機物質得以降解，因此隨著填埋時間的延長，垃圾滲濾液的BOD 和COD 含量降低，其可生化性變差。垃圾焚燒廠滲濾液是焚燒前在貯坑中堆放垃圾時（3～7 d）產生的，它的BOD 和COD含量較垃圾填埋場滲濾液更高，但其可生化性更好[2]。垃圾滲濾液尤其是填埋場早期垃圾滲濾液和焚燒廠垃圾滲濾液中還含有相當數量的金屬離子，其中重金屬離子的濃度一般為 μg/L～mg/L 數量級。此外，近年來在垃圾滲濾液中有檢出全氟和多氟烷基化合物、環境內分泌干擾物、藥物和個人護理品、微塑料等新污染物，這些新污染物一般具有環境持久性、生物蓄積性、高毒性等特點，其濃度從ng/L 到mg/L 不等[3]。

單純依靠生物處理很難有效去除以上難降解物質，對垃圾滲濾液生化出水進行深度處理是確保各項污染物達標排放的關鍵。目前，垃圾滲濾液生化出水深度處理技術主要有高級氧化技術和膜分離技術，其中利用高級氧化技術可以實現對難降解有機物的降解和礦化，但它對氨氮、無機鹽、重金屬等的去除能力有限，因此大多數垃圾滲濾液處理項目中都使用了脫鹽膜分離技術（納濾、反滲透、正滲透等）。進水水質是影響膜處理效果的重要因素，垃圾滲濾液生化出水（即深度處理進水）的典型水質參數值如圖1 所示（水質數量）[4-9]。總體而言，經過生物處理后垃圾滲濾液中的大部分有機物和氨氮得以去除，剩余的污染物以難降解物質為主。垃圾滲濾液生化出水中的COD和BOD 濃度在102～103mg/L 數量級，BOD/COD 比值低于0.1；氨氮濃度在10～103mg/L 數量級；重金屬離子的濃度仍在μg/L～mg/L 數量級。

圖1 垃圾滲濾液常規污染物濃度（a）和重金屬濃度（b）

2.納濾技術

納濾（NF）是一種膜處理技術，其溶質截留性介于超濾和反滲透之間。該技術使用的膜具有約1～2 nm的孔徑范圍，能夠阻止分子量超過200～400 Da 的有機物通過，其截留效果具有很大的選擇性，截留率在20%到98%之間變化。如果使用壓力驅動膜進行NF 分離濃縮，則通常在較低的操作壓力下進行（0.35～1.7 MPa），而且具有比反滲透膜更高的水通量。

Brasil 等[10]采用MBR+NF+Fenton 組合處理垃圾滲濾液，能夠有效去除有機物（93%）和色度（＞99%），并促進垃圾滲濾液的濃縮。Silva 等[11]將NF 用作MBR出水后的深度處理步驟，當操作壓力為10 Pa 時，納濾膜具有最低的結垢傾向、最高的滲透通量及最高的污染物去除率。納濾膜處理垃圾滲濾液時，對有機污染物及二價和三價離子具有高截留率，但對氨、硝酸鹽或亞硝酸鹽形式的氮卻幾乎沒有截留效果，這使得NF 不適用于作為垃圾滲濾液處理的獨立工藝。

3.反滲透技術

反滲透（RO）是一種以壓力為推動力的膜分離過程，它通過施加外部壓力產生反滲透壓，并利用半透膜的截留作用將溶劑和溶質分離。

Wu 等[12]采用緊急圓盤管-反滲透（DTRO）處理老化的垃圾滲濾液，DTRO 系統可以實現83%以上的水回收率，并將出水電導率降到0.15～0.22 mS/cm，將含碳和含氮的有機物降至達標排放水平。Izabel 等[13]采用SBR（序批式活性污泥法）+RO 處理工藝處理垃圾滲濾液。經處理后BOD 去除率達到99%、N-NH4+＞99%、TN ＞99%、COD（97%）。穩定滲濾液的TOC 去除率較高，為95.2%，而年輕滲濾液為86.7%。反滲透工藝對穩定滲濾液的除鐵效率（99.8%）高于對年輕滲濾液的去除效率（80.0%）。RO 的應用顯著提高了年輕和穩定滲濾液中所有污染物的去除效率。

反滲透膜技術作為常用的垃圾滲濾液深度處理技術，具有超過90%的TDS（溶解性固體總量）去除率和超過80%的水回收率。然而，反滲透膜運行需要較高的壓力作為驅動力，這會導致膜污染嚴重，并且難以通過清洗恢復通量。此外，高壓力也導致能量消耗較大，對碳減排不友好。

4.正滲透技術

正滲透（FO）即為自然滲透的過程，指的是水從高水化學位（或低滲透壓）一側通過選擇透過性膜流向低水化學位（或高滲透壓）一側的過程。與反滲透工藝相比，正滲透可以大大降低進水要求，處理一些反滲透無法處理的高污染廢水，或者大大減少預處理工藝，實現工藝的集成整合。

Ibrar 等[14]研究了正滲透處理垃圾滲濾液生化出水的性能及清洗方案。實驗結果表明，在AL（正滲透膜活性層）-FS（汲取液）模式下與AL-DS（汲取液）模式下相比，FO 膜的水通量更高，但膜污染也更嚴重。無論是采用AL-FS 模式還是AL-DS 模式，FO 膜對廢水中的重金屬離子和污染物的截留率都在93%～99%之間，可以滿足排放標準要求。Li 等[15]研究了以碳酸氫銨作為汲取液的正滲透來處理垃圾滲濾液MBR 出水。經過FO 處理后，水回收率可以達到91.6%，處理后的出水無毒性，在稀釋后可以直接作為液肥進行灌溉。Aftab 等[16]將生物炭（BC）或粉末活性炭（PAC）應用于FO 系統中，與單一FO 系統相比，添加BC 或PAC 可以顯著提高過濾體積和通量的恢復，甚至在PAC 濃度為10 g/L 時，通量可以完全恢復。

與壓力驅動的膜分離過程相比，正滲透具有多個獨特的優點：低能耗、良好的分離效果和抗污染能力、可通過特殊溶質配制吸引液從而獲得更高的滲透驅動壓力、膜污堵自然衰減等。正滲透可以降低進水要求、處理高污染廢水或減少預處理工藝，實現工藝的整合。

5.組合膜技術

膜組合技術不僅能提高污染物去除率和水回收率，還能解決膜污染和汲取液回收的問題。例如，RO+NF 組合可以有效解決RO 系統的嚴重膜污染問題，而FO+MD（膜蒸餾）組合可以解決FO 汲取液回收問題等。

Zhou 等[17]采用FO-MD 聯合技術處理高鹽度垃圾滲濾液，通過響應面法優化了FO 工藝的操作條件。研究發現，在FO 過程中，FS 流速為0.87 L/min，DS 流速為0.31 L/min，DS 濃度為4.82 M。當FS 中鹽濃度分別為25000 mg/L 和60000 mg/L，MD 階段入口溶液溫度分別為72.5±0.5 ℃和62.5±0.5 ℃時，鹽的排斥率高于96%，TOC 和TN 的去除率高于98%，NH4+-N、Hg、As、Sb 被完全去除。

納濾、反滲透和正滲透等技術可實現較高的污染物去除率，但處理成本較高，膜污染問題也比較嚴重。膜組合技術是一種解決方案，可以提高污染物去除率和水回收率，同時解決膜污染和汲取液回收的問題。

6.結論與展望

本文綜述了近五年來垃圾滲濾液處理中納濾、反滲透、正滲透和膜組合技術的應用。先前的研究已證實，納濾、反滲透和正滲透處理垃圾滲濾液的生化出水能夠實現良好的污染物去除率和水回收率。然而，納濾和反滲透是壓力驅動的膜分離過程，而正滲透則是自然滲透過程，無需壓力驅動。因此，與前兩種膜分離過程相比，正滲透膜過程不僅污染較輕，而且能耗較低。正滲透過程的應用與國際碳中和背景相契合，具有廣闊的發展前景。