奚旦立，高春梅，李燕，陳季華，毛艷梅

（東華大學環境科學與工程學院，上海 200051）

　　摘  要：近來，膜技術的研究是目前廢水處理中一個熱門的話題，但是由于膜的價格較高和高的運行費用使得膜技術還不能廣泛的應用在廢水處理中。東華大學根據廢水處理及膜分離的特點設計了一套以陶瓷膜為主的具有大通量和低費用的水處理設備。處理流程包括：使污染物分子聚集到微米級以上；用混凝沉淀方法分離毫米級污染物；用多孔陶粒分離5 mm以上微粒，最后用陶瓷膜進行分離。利用該設備對經過生化處理過的垃圾滲瀝液進行處理。小試和中試的結果表明：當垃圾滲瀝液經二級生化處理且COD<1000 mg/L時，該設備處理出水COD<300 mg/L且較穩定；滲瀝液中的35種主要有機污染物質，有16種芳香烴類物質可以完全被去除，占有機污染物質總數的45.7%；7種污染物質的去除率在75% ~ 96%之間，占有機污染物質總數的20%；另外7種污染物質的去除率在6% ~ 44%之間，占有機污染物質總數的20%。結果表明：有陶粒和陶瓷膜設計的此設備能夠有效的降低有機污染物的濃度且運行廢水低。另外對其他廢水的處理也取得了很好的效果。

　　關鍵詞：亞濾；陶瓷膜；陶粒；垃圾滲瀝液；COD

　　目前，膜技術是廢水處理領域中比較熱門的話題。根據膜材料的不同可分為有機膜和無機膜。無機膜已經廣泛的應用在污水處理中并發展成一些技術，如超濾、反滲透和微濾。有很多報告利用超濾和反滲透處理生活污水和工業廢水，尤其是MBR（膜生物反應器）。試驗表明可以獲得很好的處理效果并且處理的水可以回用。但是膜在廢水處理工程應用方面還存在兩個主要問題：膜的價格和膜生物反應器的設備比較高；由于膜阻力大，因此消耗的能量也高；處理1噸廢水要消耗1.5千瓦的能量。另一方面，由于膜污染問題嚴重，膜的有效使用壽命相對就較短，因此膜要經常更換。還有膜的運行費用高。因此，開發低成本、大通量的膜及研制使用大通量膜的設備具有重要的意義。本論文介紹了設備的研制以及利用此設備對垃圾滲瀝液的研究。

　　1 膜材料

　　世界上有很多膜材料，如PVC（聚氯乙烯）、PS（聚砜）及一些有機材料，另外還有無機材料，如高嶺土、陶土等；但是，在中國，陶瓷材料發展的非常快而且原料豐富，來源廣泛，價格較低。因此，選擇陶瓷膜來進行實驗研究。

　　陶瓷膜是無機膜的一種，具有來源廣泛、價格低廉等特點，與超濾膜和反滲透膜相比具有很大的吸引力。陶瓷膜的特點如下：耐高溫，可以在低于1000℃下穩定使用，適用于處理高溫、高粘度流體（水和氣體）；機械強度高，在高壓或大的壓差下使用不會變形；化學穩定性好，能抗微生物降解，對于有機溶劑、腐蝕性氣體和微生物侵蝕，表現出良好的穩定性；使用壽命長，可使用3 ~ 5年，甚至8 ~ 10年。

　　2 亞濾技術和設備的產生

　　長時間以來，超濾和反滲透技術在廢水處理方面獨占鰲頭，但是膜孔徑限制了它們的應用范圍。這樣亞濾技術就應運而生了。

　　經多年研究，東華大學結合廢水處理和膜分離特點，提出一項綜合性技術“亞濾”。它包括：① 使污染物分子聚集到微米級及以上并分離毫米級污染物；② 用自行研制的多孔陶粒分離5 m以上微粒，以保證后續“膜分離”運行穩定，在足夠時間內不需反沖；③ 使用可根據需要調整孔徑的膜分離一定粒徑物質以達到分離污染物、凈化水質、氣體等目的。這一技術包括二類，一類是膜分離技術與物化技術（混凝、沉淀、陶粒過濾等）相結合，另一類是膜分離技術與生化技術相結合。陶瓷膜、陶粒的開發大大降低了膜處理設備成本，而降低運行成本必需加大孔徑，途徑有二：一是使分子“凝聚”，二是適當放大孔徑，使之在超濾、微濾之間。

　　下面分別介紹亞濾的重要技術和設備。

　　2.1 膜分離技術和陶瓷膜

　　在任何膜技術中，膜分離技術對于整個技術來說是非常重要的。利用膜技術可以去除一些物質并且可以凈化污水，因此可以說膜分離技術是整個技術的核心。

　　每一種膜根據它的孔徑和操作條件可以應用在一定的范圍內。不同的膜分離技術的比較結果如表1。部分微生物和膠體粒徑如表2。從表2可以看出，亞濾技術可以去除膠體、細菌、菌類、原生動物和藻類。由于陶瓷膜具有高流量和低成本，因此選擇陶瓷膜研制亞濾設備。不同的膜在廢水處理應用中的前景如表3。

　　2.2 陶粒

　　陶粒的應用近年來在國際上形成一股熱潮，它主要應用于：利用輕質陶粒（多孔）代替砂、石做建筑材料；作為油田噴井時壓井材料；作為無土栽培的多孔底質；在廢水處理中作為濾料，這在法國等國家用得非常普遍，與無煙煤相比具有很高的機械強度；使用過程中損耗少；與活性炭相比，價格遠為低廉。

　　陶粒的原料與陶管相似，陶粒的堆積密度見表4。由于堆積密度小，可以采用水自下面進上面出的處理流程。

表4  陶粒的堆積密度表

　　本實驗選擇東華大學自行研制的陶粒進行研究。

　　2.3 陶瓷管和涂膜

　　自制陶管采用φ₁ 12 mm、φ₂ 7 mm、L 1100 mm，原料為焦寶石、陶土、鋁礬土、白泥及發孔劑，在一定條件下燒結而成。其大部分表面孔徑為10 ~ 200 µm，然后用特種金屬化合物超細粉末（1 µm、3 µm、5 µm等），根據使用要求分幾次涂膜而成。涂膜之后，膜孔徑在0.1 ~ 5 µm之間。涂膜包括固定膜和動態膜兩種，本研究使用動態膜。

　　動態膜是偶然發現的，它是在壓力作用下使微粒就地沉積在多孔載體上。多應用在反滲透過程，現在也應用在超濾過程中。

　　動態膜與超濾膜相比有以下優點：滲透通量較高；易于再生；可根據溶液的性質變換不同的制膜材料；制造簡單，無需干燥和燒結。

　　動態膜還處在發展階段，沒有廣泛的應用在工業上，處于實驗階段。在實際應用過程中，作為污水處理的一個新技術還有一些方面需要改進。

　　2.4 亞濾設備的設計

　　亞濾設備包括：預處理設備（泵前加藥、混凝、斜管沉淀、陶粒過濾）和陶管膜過濾二部分。

　　受試水樣貯存于水槽，以泵抽吸，并在泵前加藥混凝，進入輕質陶粒過濾器，再進入陶管膜進行分離，分離后原水從底部排放，回流水仍回至水槽。

　　3 亞濾設備處理垃圾滲瀝液的研究

　　東華大學利用這一技術對垃圾滲瀝液及一些廢水進行了實驗研究。從實驗結果可以看出，亞濾技術可以有效的處理工業廢水，并取得很好的效果。

　　3.1 利用亞濾技術處理垃圾滲瀝液

　　生活垃圾在處置過程中，不論在填埋場、中轉站，還是焚燒場等，都會產生滲瀝液。根據產生的條件不同其COD可在4000 ~ 60000 mg/L之間。垃圾填埋場通常采用二級生化處理，出水COD只能處理到1000 mg/L左右，進一步深度處理，不論是物化或生化處理，處理效果都較差（COD去除率低于30%），難以達到中國《生活垃圾填埋污染控制標準》（GB16889-1997）規定的指標：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，利用亞濾設備，在上海老港對經過二級生化處理的垃圾滲瀝液進行了處理并對處理后的水進行了研究，結果見表5。各個組件對垃圾滲瀝液的去除率見表6。

　　中試2001年在老港廢棄物處置場進行，運行63天，水樣是COD_Cr為1139.1 mg/L的垃圾填埋場生化處理出水。

　　腐殖質是垃圾滲瀝液中有機物的主要組成，其分子量分布范圍為102 ~ 106。腐殖質中50% ~ 60%是碳水化合物及其關聯物質，10% ~ 30%是木質素及其衍生物，1% ~ 3%是蛋白質及其衍生物。由此可見，去除垃圾滲瀝液中的有機物質，尤其是腐殖酸類物質具有十分重要的意義。有機污染物的去除情況如表7。

　　由表7可知，其中的35種主要有機污染物質，有16種可以完全被去除，占有機污染物質總數的45.71%，這16種污染物質主要是芳香烴類物質；7種污染物質的去除率在75% ~ 96%之間，占有機污染物質總數的20%；另外7種污染物質的去除率在6% ~ 44%之間，亦占有機污染物質總數的20%。以上說明陶粒－陶瓷管過濾組件可以有效的去除垃圾填埋滲瀝液中有機污染物質。

　　3.2 亞濾技術對其他廢水的處理

　　另外，亞濾技術還可處理其他廢水，如造紙廢水、印染廢水、化工廢水等。這些廢水的處理結果如表8。

　　從表7可以看出，直接陶管膜處理廢水COD的去除率在20% ~ 35%之間，而實際上分離的只是水中肉眼無法看到的膠體顆粒。但是亞濾處理廢水COD的去除率高達60% ~ 95%。另外，亞濾的能量消耗低于1 kW·h/t廢水，因此應用前景十分廣闊。

　　4 結論

　　通過上述介紹，亞濾技術具有以下特點：它是一項集混凝、陶粒和陶瓷膜優化組合的高科技產品；它利用陶瓷膜過濾，孔徑在超濾與微濾之間，大大擴大了水處理的范圍；亞濾設備的價格只是使用超濾膜設備價格的1/4 ~ 1/3；它具有很高的流量，這是其他技術不能達到的；亞濾的能量消耗小于1 kW·h/t廢水，具有廣闊的應用前景。

　　雖然亞濾技術與其他膜處理技術相比有一些優點，但還存在一些缺點：易脆，需要特殊的處理程序和支撐體系；高溫下很難密封組件困難；陶瓷膜內單位體積有效分離面積較有機高聚物膜低。

　　亞濾作為一項新的處理廢水工藝具有它的局限性，因此在實際應用過程中，要根據實際情況改善這一技術。