膜耦合技术对沼液浓缩及净水效果的影响

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0364

摘要/Abstract

摘要：

利用超滤-纳滤膜耦合技术，探究了pH为5~9条件下膜耦合技术对沼液的浓缩效果、净化能力等。结果表明：体积浓缩倍数（VRF）分别为5倍和10倍时，在pH为5~7的条件下，沼液浓缩效果和净水效果均优于碱性条件。当pH为7，VRF为10倍时，浓缩液中总氮（TN）、总磷（TP）、总钾（TK）分别为1 760、435、2 100 mg/L，浓度浓缩倍数分别达到8.8、7.63、6.34倍，盐分去除效果最好，浓缩效果最佳。透过液中NH₄ ⁺-N、TN、TP、COD的去除率分别达到89.71%、81%、99.82%、95.77%，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）二级标准。通过扫描电镜（SEM）和X射线能量仪（EDX）分析可知，膜污染包括有机-无机协同污染，通过酸洗、碱洗能够对膜面污染物的去除起到一定的效果。

关键词: 养殖沼液, 膜耦合技术, 浓缩效果, 水质净化, 重金属去除, 膜污染

Abstract:

Ultrafiltration and nanofiltration membrane coupling technology was used to investigate the effects of membrane coupling technology on the concentration effect of biogas slurry and wastewater purification capacity under pH 5-9. The results showed that under the condition of VRF as 5 and 10 times, the concentration and nutrient removal effects under pH of 5-7 were better than those under alkaline condition. With pH of 7 and VRF of 10 times,the concentrations of TN,TP and TK in concentrated liquid were 1 760 mg/L, 435 mg/L and 2 100 mg/L, respectively,and the concentration times were 8.8, 7.63 and 6.34 times, which showed the best salt removal effect and concentration effect. The removal rates of NH₄ ⁺-N, TN, TP and COD in the filtrate reached 89.71%, 81%, 99.82% and 95.77%, respectively. The effluent quality reached the secondary standards of Pollutant Discharge Standards for Urban Sewage Treatment Plants(GB18918—2002). According to the analysis of scanning electron microscope(SEM) and X-ray energy analyzer(EDX), the membrane pollution included organic-inorganic co-pollution. The removal of pollutants on the membrane surface could be partially achieved by acid and alkali washing.

Key words: membrane coupling technique, concentration multiple, water purification, heavy metal removal, membrane pollution

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I5/156

图/表 11

表1 浓缩实验中TZ-NF膜的特点

Table 1 Characteristics of separation membranes in concentration experiment

膜规格	膜类型	截留分子质量/u	膜材料	膜面积/m²	操作条件
膜规格	膜类型	截留分子质量/u	膜材料	膜面积/m²	压力/MPa	温度/℃	耐受pH
TZ	NF	150~300	聚酰胺复合	0.36	<0.4	0~45	2~12

表2 沼液及超滤预处理液的理化性质

Table 2 Physicochemical properties of biogas slurry and ultrafiltration pretreatment solution

指标	pH	NH₄ ⁺-N	TN	TP	COD	SS
沼液	7~7.3	624~692	1 110~1 320	87~115	6 320~6 680	2 100~2 300
预处理液	6.7~6.9	155.5~177.5	205~220	57~64	1 920~2 320	218~305

图1 超滤-纳滤膜耦合工艺流程

Fig.1 Process flow of UF-NF membrane coupling technology

表3 不同pH条件下TZ-NF膜对沼液的浓缩效果

Table 3 Concentration effect of TZ-NF membrane on biogas slurry under different pH

指标	pH	原液/（mg·L^-1）	VRF=5		VRF=10
指标	pH	原液/（mg·L^-1）	浓缩液/（mg·L^-1）	浓度浓缩倍数	浓缩液/（mg·L^-1）	浓度浓缩倍数
NH₄ ⁺-N	5	155.5	600	3.86	835	5.37
	6	155.5	778.5	5.01	890	5.72
	7	155.5	801	5.15	1 010	6.50
	8	155.5	572	3.68	738	4.75
	9	155.5	252.5	1.62	367.5	2.36
TN	5	200	810	4.05	1 290	6.45
	6	200	910	4.55	1 450	7.25
	7	200	1 002	5.01	1 760	8.80
	8	200	803	4.02	1 020	5.10
	9	200	460	2.30	640	3.20
TP	5	57	285	5.00	390	6.84
	6	57	310	5.44	405	7.11
	7	57	320	5.61	435	7.63
	8	57	278	4.88	320	5.61
	9	57	95	1.67	125	2.19
COD	5	1 940	4 930	2.54	10 088	5.20
	6	1 940	5 102	2.63	10 120	5.22
	7	1 940	6 700	3.45	11 500	5.93
	8	1 940	5 300	2.73	10 080	5.20
	9	1 940	4 200	2.16	9 460	4.88

图2 不同pH条件下TZ-NF膜对TK的浓缩效果

Fig.2 Concentration effect of TZ-NF membraneon TK under different pH

图3 TZ-NF膜浓缩试验中不同pH下沼液的体积浓缩速率和养分截留率

Fig.3 Volume concentration rate and nutrient retention rate in concentration process of biogas slurry under different pHs through TZ-NF membrane concentration

图4 TZ-NF膜浓缩试验中透过液水质变化情况

Fig.4 Purification effect of water quality through TZ-NF membrane concentration

图5 不同纳滤膜浓缩试验中的电导率变化

Fig.5 Variation of EC in nanofiltration membrane concentration

图6 污染后膜面外层和内层截面在不同倍数下的电镜照片

Fig.6 The SEM pictures of the surface and their sections of the fouled membranes at different multipless

图7 HCl和NaOH洗后的膜面SEM

Fig.7 The SEM images of the membrane after HCl and NaOH washing

表4 化学清洗后膜面污染物的元素分析（EDX）

Table 4 Element analysis result on fouling membrane after chemical cleaning

元素	质量分数/%
元素	外层（酸）	外层（碱）	中间层（酸）	中间层（碱）	内层（酸）	内层（碱）
C	69.68	39.89	64.99	73.74	34.09	38.37
O	18.70	39.73	27.27	19.05	2.35	38.87
N	4.94	—	4.27	—	43.44	0.22
Na	0.17	8.60	1.44	1.38	4.81	8.07
Mg	0.73	0.73	—	—	—	1.33
P	—	—	—	—	—	4.01
Si	—	0.63	0.33	—	13.77	1.61
S	5.99	3.64	1.25	5.47	1.09	0.28
K	—	—	—	0.14	—	7.45
Cl	0.53	—	0.47	0.23	0.45	0.23
Ca	—	6.78	—	—	—	38.37

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