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摘 要 以规模化养殖场沼液为研究对象，采用纳滤膜分离技术，研究了在不破坏沼液中有效物质的前提下，设置不同外界因素对纳滤膜浓缩沼液的影响。试验结果表明，随着操作压力的升高，沼液的浓缩速度呈升高趋势，沼液的浓缩效果也呈上升趋势，但上升趋势逐渐变缓；随着沼液pH的升高，沼液的浓缩速度变小，浓缩效果变差；随着温度的升高，沼液的浓缩速度上升，浓缩效果从25～30℃升高明显，从30～40℃出现波动；浓缩速率和浓缩效果均随沼液浓度的升高而下降，因此纳滤膜浓缩不适用于浓度很高的沼液。
关键词 纳滤膜；浓缩沼液；外界因素
中图分类号：X713 文献标志码：A 文章编号：1673-890X（2014）12-0131-04
沼液是畜禽养殖废弃物经过厌氧发酵后的沼气池残余液[1]。近年来，通过在农业生产上的应用，证明沼气发酵所产生的渣、液，含有丰富的大量元素和微量元素，具备作为优质有机肥的条件，具有广泛的利用前景[2，3]。沼液的利用既是循环农业产业链中的一个重要环节，也是将农业产业体系循环起来的一个节点产业[4]。传统的沼液施肥受沼液储存、运输的影响，服务半径不可能很大，且沼液施肥还存在着季节限制，长期大容量灌溉又会导致土壤、地表水、地下水的污染风险，因此，研发沼液的高值化综合利用技术，扩大沼液的利用半径，提升沼液的增效价值，显得尤为重要[5]。
纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时具有Donnan效应，可以较好地截留有机物而允许无机物通过[6]。对低分子量有机物和盐的分离有很好的效果，并具有不发生相变、节能、无公害和不影响分离物质生物活性等特点，在食品、发酵、制药、乳制品等行业得到广泛的运用[7]。但纳滤膜技术用于沼液分离浓缩的报道极少，本研究通过纳滤膜技术对养殖场沼液进行浓缩，控制膜前操作压力、沼液pH、环境温度等条件，分析其对沼液浓缩的影响，并在最适宜条件的基础上进行试验，找到浓缩原液浓度与浓缩效果之间的关系，同时验证透过液是否达到畜禽养殖行业废水排放标准。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试沼液取自重庆市天友集团奶牛养殖场，基本理化性质见表1。
1.2 试验装置
纳滤膜浓缩的实验装置主要由预处理设备、隔膜泵（32W）和纳滤膜（50GPD）构成（图1）。膜前设置高压表，膜后设置水量调节阀，通过控制浓缩液的出水量来控制膜前压力。在隔膜泵的作用下沼液从料罐内经过格栅、石英砂过滤器和保安过滤器到达储液罐，再由隔膜泵的作用下经过预处理的沼液由储液罐进入纳滤膜，透过液由承水瓶收集，浓缩液进入储液罐以便继续浓缩。
图1 纳滤膜浓缩工艺流程
1.3 分析方法
图2 各个操作压力下沼液的浓缩效果
pH对纳滤膜的影响：图3a表示在操作压力设定为0.6 mPa，pH分别为3-9时沼液浓缩10 min后透过液的体积，可以看出随着pH的升高，透过量减少。特别当pH从酸性提高到偏中性时，透过量骤减。当透过液体积达到500 mL，即体积浓缩倍数达到2。不同pH条件下沼液浓缩效果的变化趋势如图3，在操作压力为0.6 mPa时，随着pH的升高，沼液透过量逐渐减少，浓缩效果逐渐降低。Pouliot等用纳滤膜处理纸厂废水的研究表明，pH值能显著影响纳滤膜对各种物质截留能力，增大pH值可提高膜的截留能力[8]。说明在酸性条件下，纳滤膜对COD、TN、TP、NH4+-N截留效果较好，浓缩效果均在1.8以上；而在偏碱条件下，浓缩效果降至1.7
温度对纳滤膜的影响：如图4所示，各温度下纳滤膜对沼液的浓缩效果不同，当温度从25℃升高到30℃时，沼液浓缩效果好，继续升温对沼液的浓缩效果影响不大。这是由于溶液的渗透压在膜过滤过程中有减小有效驱动力的作用，而溶液渗透压又是温度、盐度和水化学组成的函数[9]，在一定条件下，提高温度能增加沼液浓缩效果。
图4 不同温度下沼液的浓缩效果
2.2 沼液浓度对纳滤膜浓缩的影响
设置操作压力为0.6 mPa、沼液pH为5、环境温度为40℃，继续试验。为了不影响整个试验操作，选择研究透过液与沼液原液的关系。试验结果表明，透过液流速随沼液浓度的升高而降低，当沼液浓度极高时，升高趋势变缓，表明低浓度的沼液有利于纳滤膜处理沼液。从图5可知，透过液pH在整个过程中变化不大，在6.7～7.5之间，其中高浓度和低浓度的pH偏低，一般在7以下。透过液浓度随沼液原液浓度的降低而降低，COD和TP随着沼液浓度的升高呈升高趋势，NH4+-N和TN随着沼液浓度的升高呈波动变化，这说明COD和TP的浓缩效果随沼液浓度的升高而下降，而NH4+-N和TN的浓缩效果随沼液浓度的升高呈波动变化。总之，随着沼液原液浓度的升高浓缩效果呈下降趋势。
图5 沼液浓度与透过液的关系
3 结语
采用纳滤膜技术对养殖场沼液进行浓缩，随着操作压力的升高，沼液的浓缩速度呈升高趋势，沼液的浓缩效果也呈上升趋势，但上升趋势逐渐变缓；随着沼液pH的升高，沼液的浓缩速度变小，浓缩效果变差；随着操作温度的升高，沼液的浓缩速度上升，浓缩效果从25～30℃升高明显，从30～40℃出现波动，但变化不大。纳滤膜浓缩沼液初期效果较好，随着沼液浓度的升高，浓缩速率下降，浓缩效果整体下降。鉴于纳滤膜的以上特点，在实际操作中，浓缩原液的浓度不可太高，这也就导致纳滤膜的浓缩体积倍数不可能很大。
参考文献
[1] 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，（2），27（3）：84-86.
[2] 刘银秀，赵光桦，王志荣，等，能源生态环保型猪场粪污处理模式的应用[J].中国沼气，2008，26（4）：30-34.
[3] 倪亮，孙广辉，罗光恩，等.沼液灌溉对土壤质量的影响[J].土壤，2008，40（4）：608-611.
[4] 孙振钧，孙永明.我国农业废弃物资源化利用的现状与发展[J].中国农业科技导报，2006，8（1）：6-13.
[5] 鄂佐星，金城，潘丽娜，北方高寒地区能源生态模式适用技术探索[J].中国沼气，2001，（1）：40-42.
[6] 岳鹏翔，王继先.纳滤膜浓缩绿茶提取液的研究[J].农业工程学报，2001，（7），17（4）：107-110.
[7] 松本木，岑运华.日本NF膜低压超低压RO膜及应用技术的发展.膜科学与技术[J].1998，（05）：14-20.
[8] 彭辉.操作因素对纳滤膜分离性能的影响[D].四川大学，2005.
[9] 吴麟华.分离膜中的新成员-纳滤膜及其在制药工业中的应用[J].膜科学与技术，1997，7（5）：11-15.
（责任编辑：赵中正）
关键词 纳滤膜；浓缩沼液；外界因素
中图分类号：X713 文献标志码：A 文章编号：1673-890X（2014）12-0131-04
沼液是畜禽养殖废弃物经过厌氧发酵后的沼气池残余液[1]。近年来，通过在农业生产上的应用，证明沼气发酵所产生的渣、液，含有丰富的大量元素和微量元素，具备作为优质有机肥的条件，具有广泛的利用前景[2，3]。沼液的利用既是循环农业产业链中的一个重要环节，也是将农业产业体系循环起来的一个节点产业[4]。传统的沼液施肥受沼液储存、运输的影响，服务半径不可能很大，且沼液施肥还存在着季节限制，长期大容量灌溉又会导致土壤、地表水、地下水的污染风险，因此，研发沼液的高值化综合利用技术，扩大沼液的利用半径，提升沼液的增效价值，显得尤为重要[5]。
纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时具有Donnan效应，可以较好地截留有机物而允许无机物通过[6]。对低分子量有机物和盐的分离有很好的效果，并具有不发生相变、节能、无公害和不影响分离物质生物活性等特点，在食品、发酵、制药、乳制品等行业得到广泛的运用[7]。但纳滤膜技术用于沼液分离浓缩的报道极少，本研究通过纳滤膜技术对养殖场沼液进行浓缩，控制膜前操作压力、沼液pH、环境温度等条件，分析其对沼液浓缩的影响，并在最适宜条件的基础上进行试验，找到浓缩原液浓度与浓缩效果之间的关系，同时验证透过液是否达到畜禽养殖行业废水排放标准。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试沼液取自重庆市天友集团奶牛养殖场，基本理化性质见表1。
1.2 试验装置
纳滤膜浓缩的实验装置主要由预处理设备、隔膜泵（32W）和纳滤膜（50GPD）构成（图1）。膜前设置高压表，膜后设置水量调节阀，通过控制浓缩液的出水量来控制膜前压力。在隔膜泵的作用下沼液从料罐内经过格栅、石英砂过滤器和保安过滤器到达储液罐，再由隔膜泵的作用下经过预处理的沼液由储液罐进入纳滤膜，透过液由承水瓶收集，浓缩液进入储液罐以便继续浓缩。
图1 纳滤膜浓缩工艺流程
1.3 分析方法
图2 各个操作压力下沼液的浓缩效果
pH对纳滤膜的影响：图3a表示在操作压力设定为0.6 mPa，pH分别为3-9时沼液浓缩10 min后透过液的体积，可以看出随着pH的升高，透过量减少。特别当pH从酸性提高到偏中性时，透过量骤减。当透过液体积达到500 mL，即体积浓缩倍数达到2。不同pH条件下沼液浓缩效果的变化趋势如图3，在操作压力为0.6 mPa时，随着pH的升高，沼液透过量逐渐减少，浓缩效果逐渐降低。Pouliot等用纳滤膜处理纸厂废水的研究表明，pH值能显著影响纳滤膜对各种物质截留能力，增大pH值可提高膜的截留能力[8]。说明在酸性条件下，纳滤膜对COD、TN、TP、NH4+-N截留效果较好，浓缩效果均在1.8以上；而在偏碱条件下，浓缩效果降至1.7
温度对纳滤膜的影响：如图4所示，各温度下纳滤膜对沼液的浓缩效果不同，当温度从25℃升高到30℃时，沼液浓缩效果好，继续升温对沼液的浓缩效果影响不大。这是由于溶液的渗透压在膜过滤过程中有减小有效驱动力的作用，而溶液渗透压又是温度、盐度和水化学组成的函数[9]，在一定条件下，提高温度能增加沼液浓缩效果。
图4 不同温度下沼液的浓缩效果
2.2 沼液浓度对纳滤膜浓缩的影响
设置操作压力为0.6 mPa、沼液pH为5、环境温度为40℃，继续试验。为了不影响整个试验操作，选择研究透过液与沼液原液的关系。试验结果表明，透过液流速随沼液浓度的升高而降低，当沼液浓度极高时，升高趋势变缓，表明低浓度的沼液有利于纳滤膜处理沼液。从图5可知，透过液pH在整个过程中变化不大，在6.7～7.5之间，其中高浓度和低浓度的pH偏低，一般在7以下。透过液浓度随沼液原液浓度的降低而降低，COD和TP随着沼液浓度的升高呈升高趋势，NH4+-N和TN随着沼液浓度的升高呈波动变化，这说明COD和TP的浓缩效果随沼液浓度的升高而下降，而NH4+-N和TN的浓缩效果随沼液浓度的升高呈波动变化。总之，随着沼液原液浓度的升高浓缩效果呈下降趋势。
图5 沼液浓度与透过液的关系
3 结语
采用纳滤膜技术对养殖场沼液进行浓缩，随着操作压力的升高，沼液的浓缩速度呈升高趋势，沼液的浓缩效果也呈上升趋势，但上升趋势逐渐变缓；随着沼液pH的升高，沼液的浓缩速度变小，浓缩效果变差；随着操作温度的升高，沼液的浓缩速度上升，浓缩效果从25～30℃升高明显，从30～40℃出现波动，但变化不大。纳滤膜浓缩沼液初期效果较好，随着沼液浓度的升高，浓缩速率下降，浓缩效果整体下降。鉴于纳滤膜的以上特点，在实际操作中，浓缩原液的浓度不可太高，这也就导致纳滤膜的浓缩体积倍数不可能很大。
参考文献
[1] 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，（2），27（3）：84-86.
[2] 刘银秀，赵光桦，王志荣，等，能源生态环保型猪场粪污处理模式的应用[J].中国沼气，2008，26（4）：30-34.
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[4] 孙振钧，孙永明.我国农业废弃物资源化利用的现状与发展[J].中国农业科技导报，2006，8（1）：6-13.
[5] 鄂佐星，金城，潘丽娜，北方高寒地区能源生态模式适用技术探索[J].中国沼气，2001，（1）：40-42.
[6] 岳鹏翔，王继先.纳滤膜浓缩绿茶提取液的研究[J].农业工程学报，2001，（7），17（4）：107-110.
[7] 松本木，岑运华.日本NF膜低压超低压RO膜及应用技术的发展.膜科学与技术[J].1998，（05）：14-20.
[8] 彭辉.操作因素对纳滤膜分离性能的影响[D].四川大学，2005.
[9] 吴麟华.分离膜中的新成员-纳滤膜及其在制药工业中的应用[J].膜科学与技术，1997，7（5）：11-15.
（责任编辑：赵中正）