張 恒，張曉熠，杜文娟，湛西帥

（1.山東金策環(huán)保設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2. 山東清新環(huán)?？萍加邢薰?，山東 濟(jì)南 250000；3.山東飛洋環(huán)境工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

城鎮(zhèn)化的進(jìn)程不斷前進(jìn)，而城鎮(zhèn)產(chǎn)生的生活垃圾日益增加。國(guó)內(nèi)垃圾分類和回收領(lǐng)域剛剛起步，垃圾填埋技術(shù)是依然是目前處理生活垃圾的主要方法。大規(guī)模的垃圾填埋的應(yīng)用，必然在轉(zhuǎn)運(yùn)、填埋等處理過(guò)程中產(chǎn)生垃圾滲濾液。垃圾滲濾液產(chǎn)生是一個(gè)持續(xù)過(guò)程，伴隨著整個(gè)垃圾處理周期，作為一種成分復(fù)雜，污染物含量高的污水，如果不經(jīng)過(guò)處理直接排放，那么對(duì)環(huán)境和人民生命安全產(chǎn)生重大影響[1]。在高濃度廢水處理領(lǐng)域，垃圾滲濾液處理技術(shù)目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種工藝，各種技術(shù)組合也都有應(yīng)用，但是多少還存在一些問(wèn)題。與生活污水相比，垃圾滲濾液處理系統(tǒng)往往工藝復(fù)雜，設(shè)備污堵嚴(yán)重，處理費(fèi)用高，產(chǎn)水率低且達(dá)標(biāo)困難。而DTRO（碟管式反滲透）工藝在垃圾滲濾液處理的應(yīng)用，逐漸顯露出優(yōu)勢(shì)，經(jīng)得起市場(chǎng)的檢驗(yàn)。但是DTRO作為膜法技術(shù)的一個(gè)類別，其膜柱的選型還缺少一套規(guī)范的計(jì)算方法。

1 垃圾滲濾液特點(diǎn)

垃圾滲濾液中污染物的成分和濃度，尤其是填埋場(chǎng)的垃圾滲濾液，其成分和濃度取決于垃圾類別、填埋時(shí)間、填埋構(gòu)造及當(dāng)?shù)貧夂驐l件等。填埋場(chǎng)垃圾滲濾液是一種高濃度有機(jī)廢水，具有以下特點(diǎn)。

1）顏色發(fā)黑發(fā)暗，有很重的垃圾腐敗臭味，感觀極差。

2）各種污染物濃度極高，其中主要為復(fù)雜的有機(jī)污染物和無(wú)機(jī)污染物，還有各種重金屬等有毒有害物質(zhì)，水質(zhì)成分相當(dāng)復(fù)雜，其中硫化氫濃度極高，在處理滲濾液時(shí)需要格外注意通風(fēng)，監(jiān)測(cè)硫化氫濃度。成分含量存在短期波動(dòng)和長(zhǎng)期變化的復(fù)雜性，不同地區(qū)、不同垃圾成分、不同垃圾收集政策和方式、不同填埋工藝所產(chǎn)生的滲濾濾特征點(diǎn)均不相同。

3）成分和水量變化大，微生物營(yíng)養(yǎng)元素比例嚴(yán)重失調(diào)。雨季滲濾液產(chǎn)生量明顯高于旱季，填埋場(chǎng)運(yùn)行初期，滲濾液的BOD5/COD較大，氨氮濃度較低，可生化性良好，當(dāng)填埋場(chǎng)進(jìn)入老齡階段，BOD5/COD 明顯降低，氨氮濃度較高，可生化性極差[2]。填埋場(chǎng)初期、中后期、封場(chǎng)后滲濾液水質(zhì)波動(dòng)大，詳見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)生活垃圾填埋場(chǎng)（調(diào)節(jié)池）滲濾液典型水質(zhì)

4） 鹽分含量高。填埋場(chǎng)滲濾液通常含有大量的鹽分，總的含鹽量通常高達(dá)10 000mg /L以上，采用生化處理會(huì)因?yàn)楹}量過(guò)高造成啟動(dòng)困難，運(yùn)行不穩(wěn)，甚至無(wú)法運(yùn)行[3]。

2 DTRO工藝

2.1 DTRO原理

DTRO技術(shù)即碟管式反滲透膜技術(shù)，它的膜組件構(gòu)造與傳統(tǒng)的卷式膜有著截然不同的原液流道：碟管式膜組件具有特殊流道設(shè)計(jì)形式，采用開(kāi)放式流道，料液通過(guò)入口進(jìn)入壓力容器中，從導(dǎo)流盤(pán)與外殼之間的通道流到組件的另一端，在另一端法蘭處，料液通過(guò)8個(gè)通道進(jìn)入導(dǎo)流盤(pán)中，被處理的液體以最短的距離快速流經(jīng)過(guò)濾膜，然后180°逆轉(zhuǎn)到另一膜面，再?gòu)膶?dǎo)流盤(pán)中心的槽口流入到下一個(gè)導(dǎo)流盤(pán)，從而在膜表面形成由導(dǎo)流盤(pán)圓周到圓中心，再到圓周，再到圓中心的雙S形路線，濃縮液最后從進(jìn)料端法蘭處流出[4]。如圖1所示。

圖1 碟管式膜柱流道示意圖

DT組件兩導(dǎo)流盤(pán)之間的距離為4 mm，導(dǎo)流盤(pán)表面有一定方式排列的凸點(diǎn)。這種特殊的水力學(xué)設(shè)計(jì)使處理液在壓力作用下流經(jīng)濾膜表面遇凸點(diǎn)碰撞時(shí)形成湍流，增加透過(guò)速率和自清洗功能，從而有效地避免了膜堵塞和濃度極化現(xiàn)象，成功地延長(zhǎng)了膜片的使用壽命，清洗時(shí)也容易將膜片上的積垢洗凈，保證碟管式膜組適用于處理高渾濁度和高含砂系數(shù)的廢水，適應(yīng)更惡劣的進(jìn)水條件[5]。

產(chǎn)水通道：根據(jù)膜柱廠家描述，在膜柱內(nèi)部的過(guò)濾膜片，兩張相同規(guī)格的圓環(huán)狀反滲透膜片組成，兩張膜片四周焊接，內(nèi)環(huán)是開(kāi)口為出水口，在兩張膜之間加裝一層致密絲網(wǎng)支架，原水通過(guò)膜片后，過(guò)濾水通過(guò)支架層流向出口。出水口即內(nèi)環(huán)開(kāi)口，過(guò)濾水流到中心拉桿外側(cè)的產(chǎn)水通道，而膜片之間設(shè)置的導(dǎo)流盤(pán)內(nèi)環(huán)側(cè)含有“O”型密封圈，能夠防止原水通過(guò)內(nèi)環(huán)開(kāi)口進(jìn)入產(chǎn)水通道。過(guò)濾水從膜片內(nèi)部到中心拉桿產(chǎn)水通道的距離非常短，一根膜柱通常設(shè)置204膜片，205片導(dǎo)流盤(pán)，如圖2所示。

圖2 膜柱組件

2.2 工藝流程

兩級(jí)DTRO技術(shù)作為處理垃圾滲濾液技術(shù)，其工藝流程如圖3所示。

2.3 各個(gè)工藝單元說(shuō)明

2.3.1 預(yù)處理

垃圾填埋處理過(guò)程中，垃圾滲瀝液的主要來(lái)源如下。1）各種途徑的降水滲入。降水主要為降雨和降雪，具有季節(jié)性，它是滲瀝液產(chǎn)生的主要來(lái)源。2）垃圾填埋外部地表水的流入。主要為地表徑流和地表灌溉。3）垃圾填埋場(chǎng)地下水的滲入。當(dāng)填埋場(chǎng)內(nèi)滲瀝液水位低于場(chǎng)外地下水水位時(shí)，如果垃圾填埋場(chǎng)沒(méi)有設(shè)置防滲系統(tǒng)或者防滲系統(tǒng)損壞、失效，場(chǎng)外的地下水就有可能滲入填埋場(chǎng)內(nèi)。4）垃圾本身含有的水分。這包括垃圾本身攜帶的水分以及從大氣和雨水中的吸附量。5）垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)垃圾在降解過(guò)程中產(chǎn)生的水分。垃圾中的有機(jī)組分在填埋場(chǎng)內(nèi)分解時(shí)會(huì)產(chǎn)生水分。

根據(jù)對(duì)以上垃圾滲濾液的來(lái)源分析可知，垃圾滲瀝液的產(chǎn)生量和水質(zhì)受多種因素的影響，如降水、蒸發(fā)量、地面徑流、地下水水位、垃圾的特性、地下層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表層覆土和下層排水設(shè)施的設(shè)置情況等。填埋場(chǎng)垃圾滲濾液成分具有復(fù)雜性，其成分和水量會(huì)隨著多種條件的變化而變化。在使用DTRO工藝處理時(shí)，往往需要考慮幾個(gè)水質(zhì)參數(shù)，如垃圾滲濾液的pH 值、結(jié)垢離子和難溶解無(wú)機(jī)鹽的含量。鈣離子、鎂離子、硅離子等各種難溶無(wú)機(jī)鹽，在DTRO工藝設(shè)備運(yùn)行時(shí)，原水經(jīng)過(guò)濃縮后，濃水側(cè)的物質(zhì)成分均成倍增加，當(dāng)濃度超過(guò)一定條件時(shí)候，就會(huì)在濃水中形成難以溶解的顆粒物，這個(gè)時(shí)候，DTRO系統(tǒng)內(nèi)部的膜片就會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，造成膜片污堵，產(chǎn)水率下降，甚至是泵超壓報(bào)停。所以，DTRO系統(tǒng)往往在原水進(jìn)水之前對(duì)原水進(jìn)行pH 值調(diào)節(jié)，減少膜片結(jié)垢的概率。若是無(wú)機(jī)鹽中，鈣、鎂、硅等離子含量過(guò)高，往往還會(huì)設(shè)置在原水中加阻垢劑，以降低結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。

垃圾滲濾液一般會(huì)儲(chǔ)存在垃圾滲濾液調(diào)節(jié)池，調(diào)節(jié)池主要用途在于對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行儲(chǔ)存和水質(zhì)調(diào)質(zhì)，調(diào)節(jié)池內(nèi)的原水不可避免地會(huì)進(jìn)入各種雜物和未降解的垃圾等較大顆粒物，所以在前期預(yù)處理時(shí)，考慮設(shè)置籃式過(guò)濾器進(jìn)行粗過(guò)濾?；@式過(guò)濾器一般為不銹鋼材質(zhì)，濾網(wǎng)孔徑一般3~5 mm，過(guò)流截面一般為進(jìn)水管道口徑的5倍，籃式過(guò)濾器進(jìn)出口設(shè)置差壓變送器，當(dāng)籃式過(guò)濾器堵塞時(shí)，壓差升到一定數(shù)值后會(huì)報(bào)警進(jìn)行檢修清理?？紤]調(diào)節(jié)池水位變化，取水泵可選擇固定式安裝或者浮動(dòng)式安裝，浮動(dòng)式是將潛水泵固定于浮筒，取水泵出口管道需用鋼絲軟管。

根據(jù)以上可知預(yù)處理流程一般為：調(diào)節(jié)池出水泵入原水經(jīng)過(guò)籃式過(guò)濾器粗過(guò)濾后進(jìn)入原水箱，在原水箱中通過(guò)加濃硫酸，調(diào)節(jié)pH，原水箱的部分出水經(jīng)循環(huán)攪拌泵加壓后再進(jìn)入兩級(jí)DTRO系統(tǒng)，另外原水則回流至原水箱，起到原水?dāng)嚢枳饔茫约訌?qiáng)原水和濃硫酸的混合。

2.3.2 兩級(jí)DTRO

1）一級(jí)DTRO。DTRO工藝處理垃圾滲濾液系統(tǒng)設(shè)置為兩級(jí)反滲透，原水經(jīng)過(guò)粗過(guò)濾即砂濾器和芯式過(guò)濾器后直接進(jìn)入膜系統(tǒng)是為一級(jí)DTRO，經(jīng)過(guò)一級(jí)DTRO處理后的產(chǎn)水進(jìn)入的膜系統(tǒng)是為二級(jí)DTRO，具體如圖4所示。

圖4 兩級(jí)DTRO流程

原水箱的出水，由供水泵將原水泵入砂濾器，砂濾器主要去除原水中的大顆粒懸浮物，砂濾器根據(jù)壓差，設(shè)置反洗。砂濾器過(guò)濾之后的原水進(jìn)入芯式過(guò)濾器，芯式過(guò)濾器又稱為保安過(guò)濾器，是進(jìn)膜的最后一道保護(hù)屏障，過(guò)濾精度5μm，根據(jù)壓差進(jìn)行定期更換濾芯。

經(jīng)過(guò)芯式過(guò)濾器的滲濾液直接進(jìn)入一級(jí)反滲透高壓柱塞泵。高壓柱塞泵設(shè)置一臺(tái)緩沖器，用于吸收高壓泵產(chǎn)生的壓力脈沖，保證膜柱壓力平穩(wěn)。經(jīng)高壓泵加壓之后的出水進(jìn)入膜組件即膜柱，膜柱型式為碟管式反滲透膜柱，碟管式反滲透膜柱擁有抗污染性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)滲瀝液的適應(yīng)性很強(qiáng)，在一般情況下，膜柱內(nèi)的膜壽命3年以上。

在一級(jí)DTRO中，原水通過(guò)高壓柱塞泵增壓后進(jìn)入膜柱，而膜柱根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每支膜柱的進(jìn)水流量和水壓必須達(dá)到一定數(shù)值才能正常運(yùn)行，尤其要求保證膜柱的進(jìn)水量，以此保證膜柱內(nèi)水流速度能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部錯(cuò)流流速，減少膜片污染，而高壓柱塞泵的增壓原水流量無(wú)法滿足所有膜柱進(jìn)水的要求，所以設(shè)置濃水回流，在濃水回流端設(shè)置循環(huán)泵，將膜柱大部分濃水回流至在循環(huán)泵入口，保證內(nèi)部水量能到達(dá)到膜柱需要。

膜柱組出水分為兩部分：一級(jí)DTRO濃水和一級(jí)DTRO產(chǎn)水。濃水出口管道設(shè)置高壓調(diào)節(jié)閥即VS閥，通過(guò)調(diào)整高壓調(diào)節(jié)閥開(kāi)合比例以此來(lái)控制膜組內(nèi)的壓力，通過(guò)提高膜柱內(nèi)的壓力以提高原水透過(guò)膜片的水量，即增加產(chǎn)水量。一級(jí)DTRO產(chǎn)水進(jìn)入二級(jí)DTRO高壓柱塞泵等待二級(jí)DTRO膜柱內(nèi)進(jìn)一步處理。一級(jí)DTRO濃水進(jìn)入濃水箱，等待后續(xù)工藝處理。

2）二級(jí)DTRO。二級(jí)DTRO用于對(duì)第一級(jí)DTRO的產(chǎn)水的進(jìn)一步處理。經(jīng)一級(jí)DTRO膜系統(tǒng)處理后的產(chǎn)水，直接送入二級(jí)DTRO膜系統(tǒng)的高壓柱塞泵，一級(jí)與二級(jí)之間無(wú)須設(shè)置緩沖罐，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)流量自動(dòng)匹配，二級(jí)高壓泵設(shè)置了變頻控制，二級(jí)高壓泵運(yùn)行頻率和輸出流量將根據(jù)一級(jí)產(chǎn)水流量傳感器反饋值自動(dòng)匹配，由于二級(jí)DTRO進(jìn)水污染物濃度已大為降低，膜表面過(guò)濾流速要求低，回收率比較高，故第二級(jí)反滲透不需要在線增壓泵，僅僅使用高壓泵就可以滿足要求[6]。

二級(jí)DTRO濃水端同樣設(shè)置高壓調(diào)節(jié)閥，用于控制膜組內(nèi)的壓力和回收率。由于第二級(jí)DTRO濃水由于其水質(zhì)遠(yuǎn)好于原水，故排向一級(jí)DTRO系統(tǒng)的進(jìn)水端，與一級(jí)DTRO的進(jìn)水合并處理，同時(shí)提高系統(tǒng)的回收率，二級(jí)DTRO產(chǎn)水排入脫氣塔進(jìn)入產(chǎn)水箱。

2.3.3 清水脫氣及PH值調(diào)節(jié)

垃圾滲濾液中含有一定的溶解性氣體，比如二氧化碳?xì)怏w，而反滲透膜可以脫除溶解性的離子而不能脫除溶解性的氣體，這樣在經(jīng)過(guò)兩級(jí)DTRO處理后的產(chǎn)水中含有部分的溶解性氣體，比如二氧化碳，二氧化碳溶于水就可能導(dǎo)致產(chǎn)水pH值降低，顯酸性產(chǎn)水出水進(jìn)入脫氣塔，通過(guò)離心機(jī)的鼓吹，脫除產(chǎn)水中溶解的酸性氣體后pH值一般能夠達(dá)到6.0以上，針對(duì)回用水的要求，若經(jīng)脫氣塔后的清水pH值仍然無(wú)法達(dá)到要求，可在產(chǎn)水箱中加入堿液回調(diào)pH值至回用要求。

3 DTRO膜柱選型計(jì)算

3.1 關(guān)鍵參數(shù)的選擇

目前傳統(tǒng)卷式RO膜的選型各已經(jīng)有完善和成熟的配套計(jì)算軟件，而目前DTRO膜柱選型還沒(méi)有相關(guān)配套計(jì)算，本文將探討DTRO 膜柱的選型計(jì)算，其中DTRO膜柱相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 DTRO膜柱參數(shù)

兩級(jí)DTRO膜柱選型計(jì)算，首先需要明確2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

一是回收率，包括一級(jí)DTRO回收率、二級(jí)DTRO回收率和總回收率，回收率與進(jìn)水電導(dǎo)率及操作壓力相關(guān)，往往在實(shí)際選型時(shí)都需根據(jù)小試設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)以確定回收率，以7.5 MPa膜柱為例，其中兩級(jí)DTRO工藝設(shè)計(jì)時(shí)以原水電導(dǎo)率25 000~35 000μS/cm，水溫15℃為設(shè)計(jì)條件，操作壓力6 MPa時(shí)，總回收率＞75%；而一級(jí)DTRO回收率一般75%~80%，二級(jí)DTRO回收率90%以上。

二是膜通量，膜通量包括一級(jí)膜柱的膜通量和二級(jí)膜柱膜通量，膜通量往往與回收率、進(jìn)水電導(dǎo)率相關(guān)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一級(jí)DTRO膜柱膜通量8~12 LMH，二級(jí)DTRO膜柱膜通量30~35 LMH。

3.2 兩級(jí)DTRO產(chǎn)水量計(jì)算

本文以處理垃圾滲濾液200 t/d為例，按照DTRO系統(tǒng)整體運(yùn)行時(shí)間為22 h，以原水電導(dǎo)率25 000μS/cm，水溫15℃，操作壓力6 MPa，那么原水進(jìn)水水量即為一級(jí)DTRO理論處理流量為：

式中：Q2為一級(jí)DTRO理論處理流量；Q1為處理每天垃圾滲濾液總量；T為系統(tǒng)整體運(yùn)行時(shí)間。

則一級(jí)DTRO理論處理流量Q2取值為9.09 t/h，以一級(jí)DTRO回收率78%，那么一級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量為：

式中：Q3為一級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量；Q2為DTRO系統(tǒng)理論處理流量；η1為一級(jí)DTRO回收率。

則一級(jí)DTRO理論濃水產(chǎn)量：

式中：Q4為一級(jí)DTRO理論濃水量；Q2為DTRO系統(tǒng)理論處理流量；Q3為一級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量。

一級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量進(jìn)入二級(jí)DTRO，以二級(jí)DTRO回收率90%， 那么最終產(chǎn)水量即二級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量為：

式中：Q5為二級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量；Q3為一級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量；η2為二級(jí)DTRO回收率。

則二級(jí)DTRO理論濃水量為：

式中：Q6為二級(jí)DTRO理論濃水量；Q3為一級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量；Q5為二級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量。

二級(jí)DTRO的濃水回流至一級(jí)DTRO系統(tǒng)進(jìn)行處理，那么一級(jí)DTRO理論處理流量需增加二級(jí)DTRO的濃水回流量，然后依次按照公式（2）、公式（3）、公式（4）、公式（5）進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 兩級(jí)DTRO處理水量計(jì)算表

根據(jù)表3可知，原水進(jìn)水水量9.09 t/h時(shí)，兩級(jí)DTRO實(shí)際設(shè)計(jì)處理水量為9.86 t/h，兩級(jí)DTRO理論濃水量即一級(jí)DTRO理論濃水量2.17 t/h，則最終產(chǎn)水量即二級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量為6.92 t/h，那么總回收率：

式中：η為總回收率；Q7為最終產(chǎn)水量即二級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量；Q2為原水進(jìn)水水量。

3.3 兩級(jí)DTRO膜柱數(shù)量計(jì)算

根據(jù)表3可知，一級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量7.69 t/h，以一級(jí)DTRO膜柱膜通量10 LMH，根據(jù)表2可知，膜組件面積為9.405 m2/支，那么一級(jí)DTRO需要膜柱數(shù)量:

式中：N1為一級(jí)DTRO需要膜柱數(shù)量；Q8為一級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量；A為膜組件面積；L1為一級(jí)DTRO膜柱膜通量。

根據(jù)表3可知，二級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量6.92 t/h，以二級(jí)DTRO膜柱膜通量33 LMH，根據(jù)表2可知，膜組件面積為9.405 m2/支，那么二級(jí)DTRO需要膜柱數(shù)量:

式中：N2為二級(jí)DTRO需要膜柱數(shù)量；Q7為二級(jí)DTRO理論產(chǎn)水量；A為膜組件面積；L2為二級(jí)DTRO膜柱膜通量。

由此可知，一級(jí)DTRO膜柱數(shù)量為82支，二級(jí)DTRO膜柱數(shù)量為23支，總膜柱數(shù)量為105支。

4 結(jié)論

兩級(jí)DTRO處理垃圾滲濾液技術(shù)是目前已經(jīng)十分成熟的垃圾滲濾液處理技術(shù)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，以原水進(jìn)水200 t/d為例，在原水電導(dǎo)率25000 μs/cm，水溫15℃，操作壓力6 MPa時(shí)，一級(jí)DTRO回收率78%，二級(jí)DTRO回收率90%，兩級(jí)DTRO原水進(jìn)水水量為9.09 t/h，產(chǎn)水量6.92 t/h，濃水量為2.17 t，總回收率為76.13%。由于二級(jí)DTRO濃水回流至一級(jí)DTRO進(jìn)水，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)兩級(jí)DTRO實(shí)際處理水量為9.86 t/h。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)原水進(jìn)水200 t/d時(shí)，一級(jí)DTRO膜柱數(shù)量為82支，二級(jí)DTRO膜柱數(shù)量為23支。