浅谈沼液处理与纳滤膜技术

陆佳，徐晓秋，高德玉，刘伟，王欣

（黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨150090）

浅谈沼液处理与纳滤膜技术

陆佳，徐晓秋，高德玉，刘伟，王欣

（黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨150090）

沼液中含有大量的氮、磷、COD、BOD和SS等有机污染物，直接排放会污染环境，也会危害人体健康。因此要尽量减少沼液对环境造成的影响。纳滤膜技术作为一种高效的污水处理技术，具有操作压力低、省能、浓缩与分离可同时进行的特点。本研究介绍了沼液的成分、特性及各种处理方式，阐述了纳滤膜技术在沼液处理当中的作用，分析了纳滤膜处理沼液的关键问题，并简述了纳滤膜技术在沼液处理方面的研究前景。

纳滤膜技术；沼液；预处理；分离与浓缩；纳滤膜污染

随着我国畜牧业规模化、集约化程度的提高，畜禽粪污的总排放量也随之逐年递增。据预测，2020年排放量将会达到41亿吨［1］，这将严重影响居民的居住环境，危害人体健康。因此，采用厌氧发酵技术来处理畜禽粪污的沼气工程受到了人们的广泛关注。

1　沼液的特性及处理难点

表1　不同污水类型和厌氧消化工艺所产生的沼液特性Tab.1 The characteristics of biogas slurry produced by different type of wastewater and anaerobic digestion process

沼液是畜禽粪便经厌氧发酵后产生的残余液体，通常呈中偏弱碱性，总固体含量小于1%。沼液中不仅含有氮、磷、钾等营养元素，而且含有丰富的氨基酸、抗生素、生长激素、微量元素等营养物质，它保留了原料大部分的营养成分。由于沼气工程的原料和工艺不同，因此沼液中有机污染含量差别很大，如表1所示［2］。

由表1可以看出，经过厌氧工艺处理后的沼液污水仍然含有较高的污染物，特别是氨氮含量过高，远远超过了排放标准。目前，国内外对沼液的后续处理主要是还田施用、自然生物净化、生化处理等，但每种处理方法都有一定的局限性。因此，针对沼液的特性，探索沼液无害化处理、高值化利用方案是当前的研究热点。

2　纳滤膜分离技术

纳滤膜技术（NF）是20世纪80年代末发展起来的一种新型、低压力驱动膜分离技术，其截留分子量在反渗透膜（RO）与超滤膜（UF）之间，孔径范围在几个纳米左右，纳滤膜多数为荷电膜，能进行电性吸附，在不同价态的阴离子中存在Donann电位，基于此特点使其分离具有筛分效应与电荷效应［3］。通常情况下，纳滤膜可以截留糖类等低分子质量有机物和高价无机盐（如MgSO4等），但对单价无机盐的截留率低（仅为10%～80%），具有相当大的透过能力，由此可以实现不同价态离子的分离［4］。

图1　不同种类膜的分离特性Fig.1 Separation characteristics of different kinds of membranes

根据纳滤膜的孔径和表面特性来浓缩沼液，与国内外采用的真空浓缩和脱水等手段相比，具有系统简单、操作方便、能耗低、不改变组分构成等优点，因此纳滤膜技术成为沼液处理的首选工艺。

3　纳滤膜技术处理沼液主体工艺

目前，用纳滤膜处理沼液，主体工艺分为两个部分，分别是预处理工艺与纳滤膜工艺，如图2所示。由于从沼液池中抽出的沼液会带有大量的颗粒和杂质，为防止大的杂质堵塞膜孔造成污染，进行预处理过程是十分必要的。预处理过程主要包括压滤、离心、沉降、气浮及各种介质过滤等工艺，还可根据沼液的性质加入微滤、超滤等膜组件工艺。采用这样的预处理可以使纳滤膜的污染、结垢和损伤降到最低，而且这些过程均属于物理过程，不会影响沼液的营养成分和活性成分。经过预处理后的沼液进入纳滤膜系统，可以得到浓缩液与透过液，浓缩液可以返回上级储罐，进行再一次的纳滤膜循环处理，透过液达标后可排放或直接利用［4］。

图2　纳滤膜处理沼液的主体工艺流程Fig.2 The main process of biogas slurry treated by nanofiltration membrane

4　纳滤膜技术在沼液处理中的作用

沼液是一种价格低廉、全效的有机肥料，能够部分代替化学肥料。然而，沼液中水分含量约在99%左右，营养成分浓度太低，导致包装和运输成本过高。由于沼液中的常规营养成分分子质量较大，所以纳滤膜对其有明显的分离浓缩效果。宋成芳等［5］采用超滤膜和纳滤膜联合工艺来浓缩、分离沼液，效果明显，沼液中的活性物质均得到了浓缩，其中腐殖酸和蛋白质含量提高约10倍，氨基酸含量提高约1倍。徐国锐［6］使用纳滤膜处理牛粪、猪粪沼液，发现随着浓缩倍数的增加，浓缩液中的氮、磷、钾和有机质微量元素等营养成分浓度均有不同程度的升高。浓缩后的沼液经过适当调配变成高效优质肥料，也是无土栽培营养液最佳的替代品，且技术简单可行，能够保证植株正常生长，节约农业生产成本。从试验阶段的研究结果来看，经纳滤膜处理沼液的透过液重污染物含量，达到了排放标准。经过纳滤膜处理后的排放水可以用于农田及清理粪场等方面，既节约了水资源，又达到了循环利用的目的。

5　纳滤膜技术在沼液处理应用中的主要问题

5.1纳滤膜分离过程工艺参数的确定及控制

在实际的膜分离工艺操作过程中，由于膜的选择性通常已固定，能够改变的主要是纳滤膜的通量、截留能力与纳滤膜的稳定性等［7］。因此找到合适的操作时间、工作压力及膜面流速可有效地减少纳滤膜的污染，延长其使用寿命。此外，还要考虑浓差极化现象导致的膜污染问题。纳滤膜工艺过程操作压力低，一般为0.5～1.5MPa，沿程压力损失占操作压力比例大，造成前面的膜元件使用过度，回收率偏大，致使膜污染加重，而后面的膜元件未发挥作用，使整个纳滤膜分离系统前、后膜元件寿命不一致，因此要尽量选择短流程工艺［8］。

5.2纳滤膜污染的防治

由于纳滤膜孔径很小，大多为荷电膜，而沼液成分复杂，在实际处理过程中，纳滤膜的表面、孔隙和孔隙内壁由于沼液中细小的悬浮物、可溶性物质的沉积，而造成通量变小，导致膜污染，形成原因如图3所示。

图3　纳滤膜污染类型示意图Fig.3 Schematic diagram of polluted nanofiltration membrane

纳滤膜污染是纳滤膜技术在沼液处理中受限的主要原因。纳滤膜的污染与所用膜本身的性质有关，如疏水性膜与亲水性膜相比，不利于除有机物，易堵塞，但更有利于去除沼液中的盐。膜面越粗糙，越易吸附污染物形成污垢［9］，如图4所示。此外，还与膜组件的形式有很大关系，板框式、圆管式、螺旋卷式、中空纤维式抗污染能力依次减弱［10］。待分离沼液的性质（浓度、pH值）对纳滤膜的影响也很大。因此，为了防止和减缓纳滤膜污染，减少清洗频率和运行费用，在实际操作中，应根据沼液所含成分来选择预处理工艺，正确选择纳滤膜种类和组器构型，优化工艺设计，最终选择正确、高效的膜清洗工艺。

图4　新膜与污染膜对比图Fig.4 Comparison chart of new membrane and polluted membrane

6　结论和展望

第一，利用纳滤膜处理沼液，可以使沼液中的营养物质浓缩，还能使排放水净化，既可达标排放，也可重新利用，有助于减少环境污染，扩大沼液的利用，实现沼液资源化利用，应用前景广阔。第二，膜污染是膜分离技术发展的瓶颈问题，因此，研发满足沼液浓缩分离要求的纳滤膜材料，确定合适的纳滤膜分离操作工艺参数，掌握控制技术是今后纳滤膜技术发展的关键问题。第三，基于变废为宝的理念，纳滤膜技术处理不仅具有良好的经济效益还具有环境效益，必将未来发展的重要方向。

［1］FISCHER G,T ERMOLIRVA,Y ERMOLIEV,et al.Livestock Production Planning under Environmental Risks and Uncertainties［J］.Journal of Systems Science and Systems Engineering,2006,15(4):399-418.

［2］隋倩雯，董红敏，朱志平，等.沼液深度处理技术研究与应用现状［J］.中国农业科技导报，2011，13（1）：83-87．

［3］曹明.纳滤膜分离技术的研究及应用［J］.广州化工，2011，39（18）：13-14．

［5］宋成芳，单胜道，张妙仙，等.畜禽养殖废弃物沼液的膜过滤浓缩试验研究［J］.中国给水排水，2011，27（3）：84-86．

［6］徐国锐.沼液纳滤膜浓缩技术及其液体有机肥开发研究［D］.浙江：浙江大学，2012．

［7］赵丽霞.纳滤(NF)技术在废水处理中的应用研究［J］.内蒙古石油化工，2010，（8）：42-43．

［9］W.PENG,I.C ESCOBAR,D.B WHITE.Effects of water chenistries and properties of membrane on the performance and fouling-a model development study［J］.Journal of Menbrane Science,2004,238(1-2):33-46.

［10］刘金武.反渗透膜污染影响因素与防治［J］.石油化工应用，2010，29（5）：11-13.

Biogas Slurry Treatment and Nanofiltration Membrane Technology

LUJia,XUXiao-qiu,GAODe-yu,LIUWei,WANGXin
(Energyand Environmental Research Institute ofHeilongjiangProvince,Harbin 150090,China)

The direct discharge of high content of organic pollutants containing nitrogen,phosphorus,COD,BOD and SS in biogas slurry will pollute the environment and endanger the human health.To reduce the pressure of biogas slurry on the environment is particularly an important task.The nanofiltration membrane technology is a high-efficiency wastewater treatment technology with merits of low operation pressure, enegy-saving and finishing the concentration and separation in one step.In this paper,the composition,characteristics and various treatment methods about biogas slurry were reviewed.The role of nanofiltration membrane technology in the biogas slurry treatment process was introduced, the key problems ofbiogas slurry treatment usingnanofiltration membrane were analyzed,and the future prospect of the utilization of nanofiltration technologyin biogas slurrytreatment was alsointroduced.

NanofiltrationMembraneTechnology；BiogasSlurry；Pretreatment；SeparationandConcentration；NanofiltrationMembranePollution

X501

A

1674-8646（2015）09-0058-03

2015-07-08