DTRO碟管式反渗透统膜柱选型计算

张 恒，张晓熠，杜文娟，湛西帅

（1.山东金策环保设计院有限公司，山东 济南 250000；2. 山东清新环保科技有限公司，山东 济南 250000；3.山东飞洋环境工程有限公司，山东 济南 250000）

城镇化的进程不断前进，而城镇产生的生活垃圾日益增加。国内垃圾分类和回收领域刚刚起步，垃圾填埋技术是依然是目前处理生活垃圾的主要方法。大规模的垃圾填埋的应用，必然在转运、填埋等处理过程中产生垃圾渗滤液。垃圾渗滤液产生是一个持续过程，伴随着整个垃圾处理周期，作为一种成分复杂，污染物含量高的污水，如果不经过处理直接排放，那么对环境和人民生命安全产生重大影响[1]。在高浓度废水处理领域，垃圾渗滤液处理技术目前已经开发出多种工艺，各种技术组合也都有应用，但是多少还存在一些问题。与生活污水相比，垃圾渗滤液处理系统往往工艺复杂，设备污堵严重，处理费用高，产水率低且达标困难。而DTRO（碟管式反渗透）工艺在垃圾渗滤液处理的应用，逐渐显露出优势，经得起市场的检验。但是DTRO作为膜法技术的一个类别，其膜柱的选型还缺少一套规范的计算方法。

1 垃圾渗滤液特点

垃圾渗滤液中污染物的成分和浓度，尤其是填埋场的垃圾渗滤液，其成分和浓度取决于垃圾类别、填埋时间、填埋构造及当地气候条件等。填埋场垃圾渗滤液是一种高浓度有机废水，具有以下特点。

1）颜色发黑发暗，有很重的垃圾腐败臭味，感观极差。

2）各种污染物浓度极高，其中主要为复杂的有机污染物和无机污染物，还有各种重金属等有毒有害物质，水质成分相当复杂，其中硫化氢浓度极高，在处理渗滤液时需要格外注意通风，监测硫化氢浓度。成分含量存在短期波动和长期变化的复杂性，不同地区、不同垃圾成分、不同垃圾收集政策和方式、不同填埋工艺所产生的渗滤滤特征点均不相同。

3）成分和水量变化大，微生物营养元素比例严重失调。雨季渗滤液产生量明显高于旱季，填埋场运行初期，渗滤液的BOD5/COD较大，氨氮浓度较低，可生化性良好，当填埋场进入老龄阶段，BOD5/COD 明显降低，氨氮浓度较高，可生化性极差[2]。填埋场初期、中后期、封场后渗滤液水质波动大，详见表1。

表1 国内生活垃圾填埋场（调节池）渗滤液典型水质

4） 盐分含量高。填埋场渗滤液通常含有大量的盐分，总的含盐量通常高达10 000mg /L以上，采用生化处理会因为含盐量过高造成启动困难，运行不稳，甚至无法运行[3]。

2 DTRO工艺

2.1 DTRO原理

DTRO技术即碟管式反渗透膜技术，它的膜组件构造与传统的卷式膜有着截然不同的原液流道：碟管式膜组件具有特殊流道设计形式，采用开放式流道，料液通过入口进入压力容器中，从导流盘与外壳之间的通道流到组件的另一端，在另一端法兰处，料液通过8个通道进入导流盘中，被处理的液体以最短的距离快速流经过滤膜，然后180°逆转到另一膜面，再从导流盘中心的槽口流入到下一个导流盘，从而在膜表面形成由导流盘圆周到圆中心，再到圆周，再到圆中心的双S形路线，浓缩液最后从进料端法兰处流出[4]。如图1所示。

图1 碟管式膜柱流道示意图

DT组件两导流盘之间的距离为4 mm，导流盘表面有一定方式排列的凸点。这种特殊的水力学设计使处理液在压力作用下流经滤膜表面遇凸点碰撞时形成湍流，增加透过速率和自清洗功能，从而有效地避免了膜堵塞和浓度极化现象，成功地延长了膜片的使用寿命，清洗时也容易将膜片上的积垢洗净，保证碟管式膜组适用于处理高浑浊度和高含砂系数的废水，适应更恶劣的进水条件[5]。

产水通道：根据膜柱厂家描述，在膜柱内部的过滤膜片，两张相同规格的圆环状反渗透膜片组成，两张膜片四周焊接，内环是开口为出水口，在两张膜之间加装一层致密丝网支架，原水通过膜片后，过滤水通过支架层流向出口。出水口即内环开口，过滤水流到中心拉杆外侧的产水通道，而膜片之间设置的导流盘内环侧含有“O”型密封圈，能够防止原水通过内环开口进入产水通道。过滤水从膜片内部到中心拉杆产水通道的距离非常短，一根膜柱通常设置204膜片，205片导流盘，如图2所示。

图2 膜柱组件

2.2 工艺流程

两级DTRO技术作为处理垃圾渗滤液技术，其工艺流程如图3所示。

2.3 各个工艺单元说明

2.3.1 预处理

垃圾填埋处理过程中，垃圾渗沥液的主要来源如下。1）各种途径的降水渗入。降水主要为降雨和降雪，具有季节性，它是渗沥液产生的主要来源。2）垃圾填埋外部地表水的流入。主要为地表径流和地表灌溉。3）垃圾填埋场地下水的渗入。当填埋场内渗沥液水位低于场外地下水水位时，如果垃圾填埋场没有设置防渗系统或者防渗系统损坏、失效，场外的地下水就有可能渗入填埋场内。4）垃圾本身含有的水分。这包括垃圾本身携带的水分以及从大气和雨水中的吸附量。5）垃圾填埋场内垃圾在降解过程中产生的水分。垃圾中的有机组分在填埋场内分解时会产生水分。

根据对以上垃圾渗滤液的来源分析可知，垃圾渗沥液的产生量和水质受多种因素的影响，如降水、蒸发量、地面径流、地下水水位、垃圾的特性、地下层结构设计、表层覆土和下层排水设施的设置情况等。填埋场垃圾渗滤液成分具有复杂性，其成分和水量会随着多种条件的变化而变化。在使用DTRO工艺处理时，往往需要考虑几个水质参数，如垃圾渗滤液的pH 值、结垢离子和难溶解无机盐的含量。钙离子、镁离子、硅离子等各种难溶无机盐，在DTRO工艺设备运行时，原水经过浓缩后，浓水侧的物质成分均成倍增加，当浓度超过一定条件时候，就会在浓水中形成难以溶解的颗粒物，这个时候，DTRO系统内部的膜片就会产生结垢现象，造成膜片污堵，产水率下降，甚至是泵超压报停。所以，DTRO系统往往在原水进水之前对原水进行pH 值调节，减少膜片结垢的概率。若是无机盐中，钙、镁、硅等离子含量过高，往往还会设置在原水中加阻垢剂，以降低结垢风险。

垃圾渗滤液一般会储存在垃圾渗滤液调节池，调节池主要用途在于对垃圾渗滤液进行储存和水质调质，调节池内的原水不可避免地会进入各种杂物和未降解的垃圾等较大颗粒物，所以在前期预处理时，考虑设置篮式过滤器进行粗过滤。篮式过滤器一般为不锈钢材质，滤网孔径一般3~5 mm，过流截面一般为进水管道口径的5倍，篮式过滤器进出口设置差压变送器，当篮式过滤器堵塞时，压差升到一定数值后会报警进行检修清理。考虑调节池水位变化，取水泵可选择固定式安装或者浮动式安装，浮动式是将潜水泵固定于浮筒，取水泵出口管道需用钢丝软管。

根据以上可知预处理流程一般为：调节池出水泵入原水经过篮式过滤器粗过滤后进入原水箱，在原水箱中通过加浓硫酸，调节pH，原水箱的部分出水经循环搅拌泵加压后再进入两级DTRO系统，另外原水则回流至原水箱，起到原水搅拌作用，以加强原水和浓硫酸的混合。

2.3.2 两级DTRO

1）一级DTRO。DTRO工艺处理垃圾渗滤液系统设置为两级反渗透，原水经过粗过滤即砂滤器和芯式过滤器后直接进入膜系统是为一级DTRO，经过一级DTRO处理后的产水进入的膜系统是为二级DTRO，具体如图4所示。

图4 两级DTRO流程

原水箱的出水，由供水泵将原水泵入砂滤器，砂滤器主要去除原水中的大颗粒悬浮物，砂滤器根据压差，设置反洗。砂滤器过滤之后的原水进入芯式过滤器，芯式过滤器又称为保安过滤器，是进膜的最后一道保护屏障，过滤精度5μm，根据压差进行定期更换滤芯。

经过芯式过滤器的渗滤液直接进入一级反渗透高压柱塞泵。高压柱塞泵设置一台缓冲器，用于吸收高压泵产生的压力脉冲，保证膜柱压力平稳。经高压泵加压之后的出水进入膜组件即膜柱，膜柱型式为碟管式反渗透膜柱，碟管式反渗透膜柱拥有抗污染性强的优点，对渗沥液的适应性很强，在一般情况下，膜柱内的膜寿命3年以上。

在一级DTRO中，原水通过高压柱塞泵增压后进入膜柱，而膜柱根据设计要求，每支膜柱的进水流量和水压必须达到一定数值才能正常运行，尤其要求保证膜柱的进水量，以此保证膜柱内水流速度能够实现内部错流流速，减少膜片污染，而高压柱塞泵的增压原水流量无法满足所有膜柱进水的要求，所以设置浓水回流，在浓水回流端设置循环泵，将膜柱大部分浓水回流至在循环泵入口，保证内部水量能到达到膜柱需要。

膜柱组出水分为两部分：一级DTRO浓水和一级DTRO产水。浓水出口管道设置高压调节阀即VS阀，通过调整高压调节阀开合比例以此来控制膜组内的压力，通过提高膜柱内的压力以提高原水透过膜片的水量，即增加产水量。一级DTRO产水进入二级DTRO高压柱塞泵等待二级DTRO膜柱内进一步处理。一级DTRO浓水进入浓水箱，等待后续工艺处理。

2）二级DTRO。二级DTRO用于对第一级DTRO的产水的进一步处理。经一级DTRO膜系统处理后的产水，直接送入二级DTRO膜系统的高压柱塞泵，一级与二级之间无须设置缓冲罐，系统运行时流量自动匹配，二级高压泵设置了变频控制，二级高压泵运行频率和输出流量将根据一级产水流量传感器反馈值自动匹配，由于二级DTRO进水污染物浓度已大为降低，膜表面过滤流速要求低，回收率比较高，故第二级反渗透不需要在线增压泵，仅仅使用高压泵就可以满足要求[6]。

二级DTRO浓水端同样设置高压调节阀，用于控制膜组内的压力和回收率。由于第二级DTRO浓水由于其水质远好于原水，故排向一级DTRO系统的进水端，与一级DTRO的进水合并处理，同时提高系统的回收率，二级DTRO产水排入脱气塔进入产水箱。

2.3.3 清水脱气及PH值调节

垃圾渗滤液中含有一定的溶解性气体，比如二氧化碳气体，而反渗透膜可以脱除溶解性的离子而不能脱除溶解性的气体，这样在经过两级DTRO处理后的产水中含有部分的溶解性气体，比如二氧化碳，二氧化碳溶于水就可能导致产水pH值降低，显酸性产水出水进入脱气塔，通过离心机的鼓吹，脱除产水中溶解的酸性气体后pH值一般能够达到6.0以上，针对回用水的要求，若经脱气塔后的清水pH值仍然无法达到要求，可在产水箱中加入碱液回调pH值至回用要求。

3 DTRO膜柱选型计算

3.1 关键参数的选择

目前传统卷式RO膜的选型各已经有完善和成熟的配套计算软件，而目前DTRO膜柱选型还没有相关配套计算，本文将探讨DTRO 膜柱的选型计算，其中DTRO膜柱相关参数见表2。

表2 DTRO膜柱参数

两级DTRO膜柱选型计算，首先需要明确2个关键参数。

一是回收率，包括一级DTRO回收率、二级DTRO回收率和总回收率，回收率与进水电导率及操作压力相关，往往在实际选型时都需根据小试设备进行试验以确定回收率，以7.5 MPa膜柱为例，其中两级DTRO工艺设计时以原水电导率25 000~35 000μS/cm，水温15℃为设计条件，操作压力6 MPa时，总回收率＞75%；而一级DTRO回收率一般75%~80%，二级DTRO回收率90%以上。

二是膜通量，膜通量包括一级膜柱的膜通量和二级膜柱膜通量，膜通量往往与回收率、进水电导率相关，根据工程经验，一级DTRO膜柱膜通量8~12 LMH，二级DTRO膜柱膜通量30~35 LMH。

3.2 两级DTRO产水量计算

本文以处理垃圾渗滤液200 t/d为例，按照DTRO系统整体运行时间为22 h，以原水电导率25 000μS/cm，水温15℃，操作压力6 MPa，那么原水进水水量即为一级DTRO理论处理流量为：

式中：Q2为一级DTRO理论处理流量；Q1为处理每天垃圾渗滤液总量；T为系统整体运行时间。

则一级DTRO理论处理流量Q2取值为9.09 t/h，以一级DTRO回收率78%，那么一级DTRO理论产水量为：

式中：Q3为一级DTRO理论产水量；Q2为DTRO系统理论处理流量；η1为一级DTRO回收率。

则一级DTRO理论浓水产量：

式中：Q4为一级DTRO理论浓水量；Q2为DTRO系统理论处理流量；Q3为一级DTRO理论产水量。

一级DTRO理论产水量进入二级DTRO，以二级DTRO回收率90%， 那么最终产水量即二级DTRO理论产水量为：

式中：Q5为二级DTRO理论产水量；Q3为一级DTRO理论产水量；η2为二级DTRO回收率。

则二级DTRO理论浓水量为：

式中：Q6为二级DTRO理论浓水量；Q3为一级DTRO理论产水量；Q5为二级DTRO理论产水量。

二级DTRO的浓水回流至一级DTRO系统进行处理，那么一级DTRO理论处理流量需增加二级DTRO的浓水回流量，然后依次按照公式（2）、公式（3）、公式（4）、公式（5）进行迭代计算，计算结果见表3。

表3 两级DTRO处理水量计算表

根据表3可知，原水进水水量9.09 t/h时，两级DTRO实际设计处理水量为9.86 t/h，两级DTRO理论浓水量即一级DTRO理论浓水量2.17 t/h，则最终产水量即二级DTRO理论产水量为6.92 t/h，那么总回收率：

式中：η为总回收率；Q7为最终产水量即二级DTRO理论产水量；Q2为原水进水水量。

3.3 两级DTRO膜柱数量计算

根据表3可知，一级DTRO理论产水量7.69 t/h，以一级DTRO膜柱膜通量10 LMH，根据表2可知，膜组件面积为9.405 m2/支，那么一级DTRO需要膜柱数量:

式中：N1为一级DTRO需要膜柱数量；Q8为一级DTRO理论产水量；A为膜组件面积；L1为一级DTRO膜柱膜通量。

根据表3可知，二级DTRO理论产水量6.92 t/h，以二级DTRO膜柱膜通量33 LMH，根据表2可知，膜组件面积为9.405 m2/支，那么二级DTRO需要膜柱数量:

式中：N2为二级DTRO需要膜柱数量；Q7为二级DTRO理论产水量；A为膜组件面积；L2为二级DTRO膜柱膜通量。

由此可知，一级DTRO膜柱数量为82支，二级DTRO膜柱数量为23支，总膜柱数量为105支。

4 结论

两级DTRO处理垃圾渗滤液技术是目前已经十分成熟的垃圾渗滤液处理技术，系统简单，运行稳定，以原水进水200 t/d为例，在原水电导率25000 μs/cm，水温15℃，操作压力6 MPa时，一级DTRO回收率78%，二级DTRO回收率90%，两级DTRO原水进水水量为9.09 t/h，产水量6.92 t/h，浓水量为2.17 t，总回收率为76.13%。由于二级DTRO浓水回流至一级DTRO进水，在实际设计时两级DTRO实际处理水量为9.86 t/h。根据计算，当原水进水200 t/d时，一级DTRO膜柱数量为82支，二级DTRO膜柱数量为23支。