膜蒸馏技术用于垃圾渗滤液处理的研究进展与挑战

黎耀文 ,  李潜 ,  朱静 ,  张国伟 ,  丁丹妮 ,  李杰 ,  梅丹娅

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (1) : 62 -65.

PDF (1353KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (1) : 62-65. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.01.012
技术进展

膜蒸馏技术用于垃圾渗滤液处理的研究进展与挑战

作者信息 +

Research progress and challenges in landfill leachate treatment by membrane distillation technology

Author information +
文章历史 +
PDF (1385K)

摘要

综述了膜蒸馏(MD)技术在垃圾渗滤液反渗透浓水处理及渗滤液原液处理方面的应用研究进展,从无机、有机、生物污染3个方面系统分析了MD技术用于工业化垃圾渗滤液处理所面临的膜污染问题,并进一步从污水预处理、抗污染膜材料组件开发和膜污垢清洗方面对MD技术用于垃圾渗滤液处理的膜污染控制进行了探讨与建议。

Abstract

This review summarizes the advances in the application of membrane distillation (MD) technology for the treatment of leachate concentrates generated by reverse osmosis and raw landfill leachate.It systematically analyzes the membrane fouling challenges faced by MD technology in the industrial treatment of landfill leachate from three aspects such as inorganic,organic,and biological membrane fouling.Furthermore,it explores the strategies for membrane fouling control in using MD technology to treat with landfill leachate,focusing on wastewater pretreatment,the development of anti-fouling material components,and membrane foulant cleaning.

关键词

垃圾渗滤液原液 / 膜污染 / 废水处理 / 膜蒸馏技术 / 反渗透浓水

Key words

raw landfill leachate / membrane fouling / wastewater treatment / membrane distillation technology / reverse osmosis concentrates

Author summay

黎耀文(1998-),男,硕士生,研究方向为污水处理技术,

引用本文

引用格式 ▾
黎耀文,李潜,朱静,张国伟,丁丹妮,李杰,梅丹娅. 膜蒸馏技术用于垃圾渗滤液处理的研究进展与挑战[J]. , 2025, 45(1): 62-65 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.01.012

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

随着城市化进程的加速,需要处理的城市固体废弃物大幅增加。目前,城市固体废弃物主要采用填埋、焚烧和堆肥法进行处理。填埋法因操作简单、成本较低而被普遍采用。然而,垃圾在填埋过程中,因降水、垃圾内含水、垃圾生物分解产水和地下反渗水,不可避免地会产生高浓度有害污染渗滤液[1],被称为垃圾渗滤液。它是一种恶臭的深(黄)褐色液体,污染物浓度高且成分复杂,包括COD、氨氮、重金属离子及微塑料等[2],具有生物毒性,而且其水质还随填埋时长、季节、填埋场环境等外部因素而变化,不仅环境危害大,而且难处理。目前,垃圾渗滤液的高效低耗处理已成为垃圾填埋处理面临的最大难题。
近年来,膜分离技术作为一种绿色高效的分离技术,在废水处理领域受到越来越多的青睐,尤其是MD这个膜技术家族中的年轻成员,更是备受瞩目。MD处理废水是以疏水膜为分离介质,通过膜两侧因温差而产生的压力差推动原液侧废水中的易挥发组分以蒸气形式透过膜孔,到达膜的另一侧被冷凝收集,从而实现对废水的分离处理。根据冷侧产物的收集方式,MD分为直接接触膜蒸馏(DCMD)、气隙式膜蒸馏(AGMD)、气扫式膜蒸馏(SGMD)和真空膜蒸馏(VMD)4种形式[3]。相较于其他膜分离技术,MD具有操作简单、分离效率高、能耗低,可利用太阳能或工业废热等廉价清洁能源,能处理浓度极高的溶液等优势[4],使得MD在垃圾渗滤液处理领域成为国内外研究的热点。然而,由于垃圾渗滤液成分复杂,实现MD在垃圾渗滤液工业化回用处理还受到膜污染等问题的制约。因此,本文中拟对膜蒸馏技术在垃圾渗滤液处理中的应用、膜污染成因及其控制等方面的研究进展进行综述,为膜蒸馏在垃圾渗滤液处理领域的工业化应用提供参考和支撑。

1 膜蒸馏技术在垃圾渗滤液处理中的应用研究进展

近年来,随着膜蒸馏技术的发展和垃圾渗滤液处理要求的提高,国内外关于膜蒸馏技术在垃圾渗滤液处理中的应用研究日益增多,就处理对象而言,包括垃圾渗滤液反渗透浓水和垃圾渗滤液原液2个方面的研究。

1.1 垃圾渗滤液反渗透浓水的膜蒸馏处理

最早用于垃圾渗滤液处理的膜分离技术主要是反渗透(RO),如1997年袁维芳等[5]、2002年Ushikoshi等[6]和2015年姜彦超[7]开展的研究。虽然这些研究表明了RO处理垃圾渗透液的良好性能,但普遍存在RO浓水问题。这种浓水含有高浓度的有机污染物、氨、重金属、固体颗粒物质、氯化物和硫酸盐等,被视为一种二次污染物,直接排放会严重威胁水环境安全。为了消除RO浓水的环境危害,满足排放要求,需要选择适当的深度处理工艺进行处理[8]
目前,MD技术已被研究应用于深度处理垃圾渗滤液RO浓水,以应对其排放带来的环境挑战。如Qi等[9]首次对VMD技术处理垃圾渗滤液RO浓水进行了实验研究,获得了高出水通量,表明VMD处理RO浓水是可行的。为了考察MD处理垃圾渗滤液RO浓水的效能,Shi等[10]采用DCMD对预处理后的RO浓水进行处理,发现DCMD能将RO浓水浓缩20倍,几乎可以去除所有盐分和有机污染物,显著减少了浓水的体积,为浓水减量提供了新的可行途径。为了进一步提高垃圾渗滤液RO浓水的MD处理效能,Chen等[11]将MD与电凝(EC)和电氧化(EO)相结合,用于处理垃圾渗滤液RO浓水,研究发现MD的出水通量提高了23%~42%,72 h的渗透液电导率低于15 μS/cm,有机物TOC<9.6 mg/L,表明MD联合EC和EO工艺,不仅可以提高水通量,还可以协同去除难降解有机物和结垢无机污染物,为垃圾渗滤液RO浓水处理提供了可行的方案。为了提高垃圾渗滤液RO浓水MD处理出水膜通量及运行稳定性,朱亮等[12]设计了一种新型超声波(US)增强的DCMD装置(US-DCMD),用于渗滤液RO浓水处理。结果表明,对于有US预处理的RO浓水MD处理系统,出水通量提高了19.4%,且在浓缩倍数为4的条件下,US-DCMD系统出水通量仍能达到最大相对渗透通量的77.1%;而没有US预处理的MD系统,在浓缩倍数为2时,出水通量就已下降到最大相对渗透通量的20.7%。已有研究表明MD在处理垃圾渗滤液浓缩液方面具有潜在的应用前景。

1.2 垃圾渗滤液原液的膜蒸馏处理

虽然MD技术在垃圾渗滤液RO浓水处理方面显示出良好的性能,并取得了一定的研究进展,但垃圾渗滤液经RO处理后,再用MD处理,再加上RO对进水预处理要求高,导致工艺复杂,处理成本高。
为简化垃圾渗滤液处理工艺和降低处理成本,考虑到MD技术本身具有可以处理高浓度污水的优势,研究者们开始致力于MD技术应用于垃圾渗滤液原液的处理研究。如2015年丁闩保[13]采用自制的聚四氟乙烯(PTFE)平板膜,用SGMD技术对垃圾渗滤液处理进行了研究,结果表明,经SGMD处理后的水质能达到国家排放标准。Zoungrana等[14]研究了DCMD技术对垃圾渗滤液的处理,取得了高达95%以上的COD、硫酸盐及硬度去除率,同时获得了较大的膜通量。2021年Yan等[3]使用DCMD技术处理垃圾渗滤液的实验表明,在不同操作条件下MD对渗滤液中TOC、磷酸盐和铁离子的去除率均高达98%以上,进一步证实了MD处理垃圾渗滤液原液的可行性和有效性。2022年叶林雄[15]在研究中使用DCMD处理不同填埋年龄的垃圾渗滤液,实验结果显示,尽管不同填埋年龄的垃圾渗滤液水质有较大差异,但MD均能稳定获得高达99.5%以上的平均COD去除率,显示了MD技术在垃圾渗滤液处理方面的优良潜力。
为了进一步推进MD技术在垃圾渗滤液处理中的工业化应用,研究者们开始对MD耦合技术进行研究。如Zhou等[16]将正渗透(FO)与MD进行耦合,用于垃圾渗滤液原液处理,研究表明该耦合系统在MD阶段能去除95%以上的盐分、TOC和总氮(TN),并去除了100%的汞(Hg)、砷(As)和锑(Sb)等重金属离子。相比单独应用FO和MD技术,该耦合系统不仅具有更高的去除率,还降低了对MD组件的损害。Aftab等[17]研究了MD技术与H2O2氧化工艺相结合的方法,结果显示,在MD单元的进料侧添加适量的H2O2溶液,与不添加氧化剂的对照组相比,膜通量得到显著提高,并且获得了可回收的垃圾渗滤液浓缩物。从目前的研究结果表明,将MD技术与不同废水处理手段相结合,有助于提高MD技术在垃圾渗滤液处理中的应用能力。

2 膜蒸馏处理垃圾渗滤液面临的膜污染挑战

作为一种膜分离技术,膜蒸馏在处理废水时不可避免地会存在膜污染问题。膜污染被认为是制约膜蒸馏工业化应用的主要障碍之一。膜污染是指在膜分离过程中,废水中的有机物(溶解性有机物、固体颗粒物)、无机物以及微生物被吸附沉积在膜表面和膜孔内,导致孔隙率降低或膜孔堵塞,造成膜通量下降的现象[18],膜污垢的产生与在膜上的积累直接影响膜蒸馏装置的整体性能。Naidu等[19]将膜污染分为无机、有机和生物污染3类。

2.1 无机膜污染

MD处理废水时的无机膜污染是料液中的微溶盐类(硫酸钙、碳酸钙、磷酸镁、硅酸盐等)物质所引起。原溶液被浓缩的过程中,料液中无机盐离子逐渐形成晶体析出,随着时间延长,微溶盐在膜表面形成大块晶体,最终造成膜污染[20]。Roobavannan等[21]研究发现,渗滤液中的钙、镁离子可能在膜表面形成碳酸钙和碳酸镁的沉积,加重膜的阻塞情况。朱亮等[12]的研究也表明渗滤液中的钙离子会转化为CaCO3而在膜表面上沉积,CaCO3在膜上的沉积是影响膜透水通量的一个关键因素。由于垃圾渗滤液中所含的无机离子种类多且浓度高,在MD处理过程中无机膜污染情况不可忽视。

2.2 有机膜污染

膜的有机污染是指废水中溶解性或胶体性质的有机物,如腐殖酸、多糖、蛋白质和微塑料颗粒、悬浮物等[18]在膜表面吸附或沉积导致MD过程的传质传热阻力增大,进而导致膜渗透通量减少的现象[22]。Naidu等[19]的研究表明腐殖酸存在时,腐殖酸会通过络合作用在DCMD系统的膜表面形成致密的聚合物,造成严重的有机膜污染。Sardari等[23]的研究表明,渗滤液中的大部分悬浮固体物会引起MD处理阶段的膜污染问题。Enfrin等[24]研究发现微塑料颗粒对MD过程中膜污染的程度有显著影响。大于膜孔径的颗粒容易附着在膜表面,造成孔隙阻塞或形成滤饼层,而小于膜孔径的颗粒则可能堵塞在膜孔内部,导致不可逆转的膜污染。废水中有机固体颗粒物质的存在显著增加了可逆和不可逆膜污染发生的风险。

2.3 生物膜污染

在MD处理过程中,膜生物污染是指微生物在膜材料的表面附着以及在膜孔隙内生长,导致膜通道堵塞并对膜渗透性能产生不利影响[18]。生物污染的负面影响可能比无机或有机污染更为严重,因为微生物分泌的代谢产物能够牢固地黏附在膜表面,使得常规的清洗方式很难将其完全去除[20]。MD操作过程中需要一定的温度,较高温会抑制部分微生物的生长,降低生物膜污染的可能性。然而,成分复杂的垃圾渗滤液中也有大量耐热细菌的存在,如厌氧菌和真菌等在高温下也可存活,这些微生物在MD环境中可能得到有利于生长的条件[25]。由此可以看出,MD技术在处理垃圾渗滤液时,仍需考虑并重视微生物造成的膜污染问题。
膜污染类型虽被划分为3类,但在实际MD处理过程中,由于垃圾渗滤液成分复杂,料液中不同的污染物会通过化学亲和力、静电力等吸附在膜表面,造成较为复杂且严重的混合膜污染。因此,在实际应用中,膜污染的控制难度极大,是垃圾渗滤液MD处理走向工业化应用面临的最大挑战。

3 膜蒸馏处理垃圾渗滤液的膜污染控制策略

若使MD技术在垃圾渗滤液处理领域中走向工业化,膜污染控制至关重要,因此,垃圾渗滤液MD处理过程中的膜污染策略研究已成为一个关键性课题。目前,膜污染控制策略研究主要集中在以下3个方面。

3.1 垃圾渗滤液的预处理

由于膜污染与垃圾渗滤液中所含的各类污染物(无机盐类、有机化合物及微生物等)密切相关,如朱亮等[12]的研究发现膜污染主要是膜面沉积的 CaCO3和腐殖酸污染物造成的,而且CaCO3的沉积是导致膜通量下降的主要因素,因此,垃圾渗滤液预处理是MD处理过程中膜污染控制的一个重要策略。在垃圾渗滤液进行MD处理之前,通常采用物理化学方法预先去除渗滤液中大部分无机离子、固体悬浮物及部分溶解性有机污染物,以降低膜污染,增强MD处理性能。研究亦表明,通过正渗透[22]、电化学氧化[11]及高级氧化[23]等方法来预先去除垃圾渗滤液中的钙、镁离子,溶解性有机物和固体悬浮物,可以有效减轻垃圾渗滤液MD处理过程中的膜污染。因此,加强高效低耗的垃圾渗滤液预处理技术的研发,对于垃圾渗滤液MD处理走向工业化应用将起着重要的作用。

3.2 新型抗污染MD膜的研发

膜是MD技术单元的核心,其固有性能对膜污染的形成具有重要影响,尤其是膜结构和膜材质[26]。在实际垃圾渗滤液废水处理中,由于料液所含污染物成分复杂,传统使用的MD微孔疏水膜,如聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF)膜,表面易与污染物相互作用,造成污染物在膜上吸附并累积从而导致膜的效率降低,甚至失去分离污染物的能力。因此,需要开发抗污染的新型MD膜。当前研发的新型抗污染MD膜主要包括超疏水膜、全疏水膜及Janus膜等。这些新型膜通过改良膜面性质与结构,减轻了污染物在膜上的附着及沉积。如Su等[27]的研究表明,超疏水膜通过减少晶体与膜接触面积和减少无机离子与膜接触时间,有效抑制了膜面的无机结垢,减少了膜面污染物的集聚,并提高了膜分离效率。Meng等[28]在研究中指出,全疏水改性膜通过优化膜面疏水性来减轻有机污染物引起的膜润湿现象,同时增强膜对结垢的抗力。Huang等[29]研制出了抗膜堵塞和润湿的Janus膜,该膜用于MD处理高浓废水时能保持稳定的性能。因此,新型MD膜材料的研发及其膜组件的设计与制备是膜污染控制、膜性能改善和膜工艺优化的核心。因而,未来对新型MD膜材料的深入研究及其在膜组件设计方面的创新不仅对提升膜耐污染性至关重要,亦对推动MD技术在处理垃圾渗滤液的广泛应用和经济效益的优化持续发挥着核心作用。

3.3 膜污垢的清洗

在MD处理垃圾渗滤液过程中,膜污染将不可避免地发生,且随操作时间的延长,膜污染也会加剧,最终会导致膜通量急剧下降、膜润湿等严重阻碍生产进行的问题,因此,在MD垃圾渗滤液处理系统运行当中,对膜表面污垢进行周期的清洗,是恢复膜性能、减缓膜污染、维护MD系统运行稳定性的一个重要策略。目前,常用的膜清洗方法主要分为物理清洗和化学清洗2大类[30]。物理清洗常指利用水力冲刷去除膜面及孔隙中污染物的方法,适用于膜污染初期阶段。当膜面污染加剧,单纯的物理清洗难以满足清洗效果的要求[31],需进行污染膜的化学清洗。化学清洗指利用酸、碱和氧化剂等清洗剂将污染物从膜上去除的方法。如叶林雄[15]使用碱液清洗污染膜,实现了50%~80%的膜通量恢复效果。张新妙等[32]利用盐酸和去离子水的动态清洗方法处理膜污染,发现清洗后的MD膜的通量及脱盐率均能100%恢复。尽管酸碱清洗等化学清洗方法在缓解膜污染方面效果显著,但过度清洗可能会引发膜润湿问题[15],且化学试剂使用不当可能会引起新的环境问题。因此,未来需要重点研发高效绿色的清洗剂和清洗技术,以有效控制膜污染,提高MD系统的运行稳定性。

4 结语

膜蒸馏技术因在处理高浓度废水方面具有的独特优势,在垃圾渗滤液处理领域受到广泛关注,目前的研究在垃圾渗滤液RO浓水和垃圾渗滤液原液处理方面均取得了较好的进展,显示出了MD技术在垃圾渗滤液处理领域良好的应用潜力和应用价值。然而,目前的研究基本上还处于实验室研究阶段,走向工业化应用还面临膜污染这个严峻的挑战,同时也需进一步提高膜通量,增加膜材料种类,降低膜成本,提高系统的运行稳定性。因此,未来需要进一步加强垃圾渗滤液预处理技术和膜污垢清洗技术的研究,以及新型抗污染膜及膜组件的研发。

参考文献

[1]

Luo H, Zeng Y, Cheng Y, et al. Recent advances in municipal landfill leachate:A review focusing on its characteristics,treatment,and toxicity assessment[J]. Science of the Total Environment, 2020,703:135468.

[2]

Kabir M S, Wang H, Luster-Teasley S, et al. Microplastics in landfill leachate:Sources,detection,occurrence,and removal[J]. Environmental Science and Ecotechnology, 2023,16:100256.

[3]

Yan Z, Jiang Y, Chen X, et al. Evaluation of applying membrane distillation for landfill leachate treatment[J]. Desalination, 2021,520:115358.

[4]

Alkhudhiri A, Darwish N, Hilal N. Membrane distillation:A comprehensive review[J]. Desalination, 2012,287:2-18.

[5]

袁维芳, 王国生, 汤克敏. 反渗透法处理城市垃圾填埋场渗滤液[J]. 水处理技术, 1997, 23(6):25-28.

[6]

Ushikoshi K, Kobayashi T, Uematsu K, et al. Leachate treatment by the reverse osmosis system[J]. Desalination, 2002,10:121-129.

[7]

姜彦超. MBR+NF+RO工艺处理垃圾渗滤液的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015.

[8]

Keyikoglu R, Karatas O, Rezania H, et al. A review on treatment of membrane concentrates generated from landfill leachate treatment processes[J]. Separation and Purification Technology, 2021,259:118182.

[9]

Qi X X, Zhang C J, Zhang Y. Treatment of landfill leachate RO concentrate by VMD[J]. Advances in Computer Science Research, 2015,9:13-17.

[10]

Shi J, Dang Y, Qu D, et al. Effective treatment of reverse osmosis concentrate from incineration leachate using direct contact membrane distillation coupled with a NaOH/PAM pre-treatment process[J]. Chemosphere, 2019,220:195-203.

[11]

Chen L, Li F Q, He F D, et al. Membrane distillation combined with electrocoagulation and electrooxidation for the treatment of landfill leachate concentrate[J]. Separation and Purification Technology, 2022,291:120936.

[12]

朱亮, 吴彬, 经欢欢, . 垃圾渗滤液膜浓缩液超声强化直接接触膜蒸馏处理工艺[J]. 水资源保护, 2022, 38(3):161-167.

[13]

丁闩保. 基于PTFE平板膜的膜蒸馏技术处理垃圾渗滤液的研究[D]. 杭州: 浙江理工大学, 2015.

[14]

Zoungrana A, Zengin İH, Elcik H, et al. The treatability of landfill leachate by direct contact membrane distillation and factors influencing the efficiency of the process[J]. Desalination and Water Treatment, 2017,71:233-243.

[15]

叶林雄. 膜蒸馏处理垃圾渗滤液的效能和膜污染特性及其控制[D]. 广州: 广州大学, 2022.

[16]

Zhou Y, Huang M, Deng Q, et al. Combination and performance of forward osmosis and membrane distillation (FO-MD) for treatment of high salinity landfill leachate[J]. Desalination, 2017,420:99-105.

[17]

Aftab B, Truong H B, Cho J, et al. Enhanced performance of a direct contact membrane distillation system via in-situ thermally activated H2O2 oxidation for the treatment of landfill leachate[J]. Journal of Membrane Science, 2022,652:120478.

[18]

Tijing L D, Woo Y C, Choi J S, et al. Fouling and its control in membrane distillation—a review[J]. Journal of Membrane Science, 2015,475:215-244.

[19]

Naidu G, Jeong S, Kim S J, et al. Organic fouling behavior in direct contact membrane distillation[J]. Desalination, 2014,347:230-239.

[20]

张娇娇. 正渗透-膜蒸馏耦合处理垃圾渗滤液的膜污染控制研究[D]. 济南: 山东大学, 2022.

[21]

Roobavannan S, Vigneswaran S, Naidu G. Enhancing the performance of membrane distillation and ion-exchange manganese oxide for recovery of water and lithium from seawater[J]. Chemical Engineering Journal, 2020,396:125386.

[22]

Zhou Y, Huang M, Deng Q, et al. Combination and performance of forward osmosis and membrane distillation (FO-MD) for treatment of high salinity landfill leachate[J]. Desalination, 2017,420:99-105.

[23]

Sardari K, Fyfe P, Lincicome D, et al. Combined electrocoagulation and membrane distillation for treating high salinity produced waters[J]. Journal of Membrane Science, 2018,564:82-96.

[24]

Enfrin M, Dumée L F, Lee J. Nano/microplastics in water and wastewater treatment processes-origin,impact and potential solutions[J]. Water Research, 2019,161:621-638.

[25]

Gryta M. The assessment of microorganism growth in the membrane distillation system[J]. Desalination, 2002, 142(1):79-88.

[26]

王超, 赵一, Muhammad Mujahid, . 面向膜蒸馏的抗润湿、抗污染、抗结垢新型膜研究进展[J]. 膜科学与技术, 2024, 44(1):157-167.

[27]

Su C, Horseman T, Cao H, et al. Robust superhydrophobic membrane for membrane distillation with excellent scaling resistance[J]. Environmental Science and Technology, 2019, 53(20):11801-11809.

[28]

Meng L, Mansouri J, Li X, et al. Omniphobic membrane via bioinspired silicification for the treatment of RO concentrate by membrane distillation[J]. Journal of Membrane Science, 2022,647:120267.

[29]

Huang Y X, Wang Z, Jin J, et al. Novel Janus membrane for membrane distillation with simultaneous fouling and wetting resistance[J]. Environmental Science and Technology, 2017,51:13304-13310.

[30]

Li L, Liu D, Song K, et al. Performance evaluation of MBR in treating microplastics polyvinylchloride contaminated polluted surface water[J]. Marine Pollution Bulletin, 2020,150:110724.

[31]

申静, 毛鑫, 张冰, . 膜蒸馏过程中膜污染问题及其缓解策略研究[J/OL]. 中国给水排水, 2023:1-15.[2024-03-14]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1073.TU.20230710.1706.002.html.

[32]

张新妙, 谢梓峰, 王玉杰. 膜蒸馏过程中污染膜的清洗[J]. 化工环保, 2015, 35(1):39-43.

AI Summary AI Mindmap
PDF (1353KB)

489

访问

0

被引

导航
相关文章

AI思维导图

/