多孔陶瓷微濾膜處理印染廢水過慮參數及效果研究

　?。|華大學環境科學與工程學院，上海201620）
 

　　【摘要】研究了多孔陶瓷微濾膜對印染廢水的過濾效果，對操作壓力、錯流速度以及運行時間等操作參數進行了探討。結果表明，操作壓力為0.275MPa，錯流速度2.5m·s-1，運行20min后COD和NH3-N的去除率分別達到了30%和20%左右。在廢水中投加0.3g·L-1的高嶺土，COD的平均去除率可達50%。

　　關鍵詞：多孔陶瓷膜；印染廢水；微濾；廢水處理

　　中圖分類號：TQ028.8；X703.1文獻標識碼：A文章編號：1000-3700(2009)02-084-03

　　用膜過濾技術處理各種工業廢水的研究很早就已開始。早在上世紀七十年代無機分離膜便開始應用于工業廢水的處理，但由于工業廢水的污染程度高、成分復雜，使得膜的使用壽命很短，且處理成本很高，因而僅限于一些特定的領域，如含油廢水的處理和乳化液廢水的處理等[1]。隨著無機膜技術的不斷發展，其所具有的化學穩定性好、機械強度大、抗酸堿及微生物腐蝕能力強、分離效率高等優點使其在廢水處理中的優勢日益明顯。

　　用無機膜處理印染廢水的研究開始于上世紀八十年代。Soma等用0.2μm的氧化鋁膜處理印染廢水取得了良好的效果[2]；NeytzelldeWilde等用氧化鋯動態膜處理羊毛洗滌廢水，實現了出水回用于洗滌工序。

　　本文應用多孔陶瓷微濾膜處理印染廢水二級出水，采用錯流方式，探討了多孔陶瓷微濾膜的操作條件，包括跨膜壓力、錯流速度和運行時間的選擇，以及多孔陶瓷微濾膜對印染廢水的處理效果。

　　1·試驗部分

　　1.1試驗材料

　　試驗中所用陶瓷膜管由廣東佛陶集團金剛新材料有限公司提供。膜管材料為α-Al2O3，通道數為19，膜管外徑30mm，通道直徑4mm，壁厚1.5～2mm，長度35cm，膜面積0.24m·2m-1，平均孔徑0.2μm。所用原水為實驗室處理某印花廢水裝置的出水。原水水質見表1。

　　1.2工藝流程

　　試驗采用自行設計的陶瓷膜分離裝置，裝置及流程如圖1所示。

　　原液罐中的廢水依靠重力從原液罐流至離心泵，之后在離心泵的作用下在試驗系統中循環流動，廢水經過陶瓷膜組件時一部分通過錯流過濾后出水，其余部分則回流至原液罐。膜組件由內部的多孔陶瓷膜管和外部的不銹鋼套筒組成，組件內設一根膜管。離心泵出水管一側開一旁路，壓力和流速的改變通過各個閥門的調節實現。原液罐內設有循環冷卻裝置使系統內溫度保持在20℃左右。

　　試驗中過濾方式為錯流過濾。廢水以切線方向流過膜表面，在壓力作用下通過膜，廢水中的顆粒則被膜截留而停留在膜表面形成一層動態膜。與死端過濾不同的是廢水流經膜表面時產生的高剪切力可使沉積在膜表面的顆粒擴散返回主體流，從而被帶出微濾膜組件，過濾導致的顆粒在膜表面的沉積速度與流體流經膜表面時由速度梯度產生的剪切力引發的顆粒返回主流體的速度達到平衡，可使該動態膜不再無限增厚而保持在一個較薄的穩定水平。試驗中跨膜壓差ΔP由精密壓力表上的讀數通過公式:

　　1.3分析方法

　　通量是反映膜管性能的一個重要指標，計算公式為：

　　式中：J為滲透液通量，L·m-2·h-1；d為通道直徑，m；l為膜管長度，m。

　　通量測量時用一臺電子天平對出水進行連續讀數，通過間隔時間Δt的出水量ΔV來計算膜管的通量。另外由于出水濁度基本為零，出水的物理性質按純水計。COD的測定采用微波消解法，色度、NH3-N采用標準分析方法[3]，電導率的測定采用DDS-307型電導率儀。

　　2·結果與討論

　　2.1通量衰減

　　圖2示出陶瓷膜過濾廢水的通量隨時間的衰減變化，其中跨膜壓差為0.075MPa，錯流速度為2.5m·s-1。裝置啟動后通量在開始的20min內急劇下降，之后變化幅度逐漸減小，隨著裝置運行時間的增加最終通量穩定在100L·m-2·h-1左右。前20min通量的急劇下降是由于廢水中的顆粒物質使陶瓷膜產生膜污染，主要為固體懸浮顆粒沉積在膜面形成凝膠極化層、小顆粒部分堵塞膜孔、顆粒在膜表面吸附而形成的。

　　2.2不同跨膜壓差和錯流速度下的膜通量

　　在一個恒定的跨膜壓差下改變錯流速度通量的變化如圖3所示。由圖3可知，在一個恒定的跨膜壓差下通量隨著錯流流速的增大而逐漸減小。一般認為錯流速度越大，越能減小濃差極化的影響，降低微濾阻力，膜的通量也越大。另一方面，錯流速度增大，首先帶走了膜表面的大顆粒，使濾餅層細顆粒比例增高、濾餅層比阻增大，從而使通量隨著錯流流速的增大而逐漸減小。

　　2.3不同運行時間廢水的處理效果

　　陶瓷膜直接處理廢水過程中COD和NH3-N的去除率隨時間的變化如圖4所示。其中操作條件為跨膜壓差0.275MPa，錯流速度2.5m·s-1。由于陶瓷膜裝置啟動運行20min左右通量基本穩定，故裝置從開始運行20min后取出水測量。由圖4可知，裝置對廢水COD和NH3-N的去除率都在運行20min后達到最高，分別為30%和20%左右。之后隨著裝置運行時間的增長去除率略有下降。

　　廢水原水為某印花廢水處理裝置生化處理二級出水，廢水中含有大量的游離微生物，因而會產生凝膠物質包括溶解性微生物產物（SMP）和胞外多聚物（ECP）[6]。其中SMP主要為腐殖酸、富里酸、多糖、蛋白質和核酸等物質，其中不乏大分子有機物和膠體顆粒[7]；ECP主要由蛋白質和多糖組成，是污泥絮團的主要成分。兩者都是產生COD的重要部分，且SMP易于與膜發生作用而被截留，因而在通量基本穩定時即陶瓷膜對廢水中大部分顆粒物質截留后，污染物質的去除率達到最高。故選擇陶瓷微濾膜裝置處理廢水的最優運行時間為20min，如無特別說明本文中對廢水的處理試驗都選取20min的處理時間。

　　2.4投加高嶺土后的通量衰減

　　圖5示出了在跨膜壓差為0.275MPa，錯流速度為2.5m·s-1的運行條件下，在廢水原水中投加0.1g·L-1高嶺土與未投加高嶺土的通量隨時間的變化。由圖5可知，從裝置開始運行投加高嶺土與直接過濾的通量幾乎相等，之后兩者通量都迅速下降，20min后分別降到了250L·m-·2h-1和150L·m-·2h-1左右，裝置運行250min后兩者通量分別穩定在200L·m-2·h-1和100L·m-·2h-1左右。另外投加高嶺土的廢水的通量要明顯大于直接過濾的廢水通量，分析原因是投加在廢水中的高嶺土會在陶瓷膜表面形成一層動態膜，這層高嶺土膜能有效地防止細小的顆粒進入陶瓷膜內部堵塞膜孔，從而增大了陶瓷膜過濾廢水的通量。

　　2.5投加高嶺土后COD的去除效果

　　投加不同量的高嶺土COD的去除效果如圖6所示，跨膜壓差為0.275MPa，錯流速度為2.5m·s-1。在所處理的廢水中投加一定量的高嶺土，隨著裝置的運行在陶瓷膜表面會形成一層動態膜，它不僅能在一定程度上解決傳統膜處理方法中膜組件的污染問題，并且由于投加的高嶺土會在膜材料表面形成動態膜從而使過濾孔徑變小增強了截留能力[8]。

　　從圖6中可以看出，在廢水中投加了高齡土的陶瓷膜對COD的去除率要大于不投加的COD去除率，并且隨著高嶺土在廢水中濃度的上升COD的去除率也呈現了上升的趨勢。分析其原因是廢水中含有一定量的游離微生物和可溶性細胞產物，投加高嶺土形成動態膜能增加對分子量較大的可溶性細胞產物和游離微生物的截留[9]，從而提高了廢水COD的去除率。高嶺土投加量為0.5g·L-1時較投加0.3g·L-1時COD去除率增加不明顯，而且隨著運行時間的增加去除率還會有一定程度的下降，所以綜合考慮各種因素認為在廢水原液中投加0.3g·L-1的高嶺土對廢水COD去除效果最優，平均去除率達到50%左右。

　　3·結論

　　試驗采用孔徑為0.2μm的α-Al2O3多孔陶瓷微濾膜構成反應裝置，并對其處理印染廢水二級出水進行了研究。討論了跨膜壓差和錯流速度對膜通量的影響，并選定了裝置對廢水的最優運行時間，裝置在跨膜壓差0.275MPa、錯流速度2.5m·s-1下運行20min左右對廢水的處理效率最高，COD和NH3-N的去除率分別達到了30%和20%左右。在廢水中預投加一定量的高嶺土在相同的運行條件下會產生更大的出水通量，選定了0.3g·L-1高嶺土的最優投加量，其在相同的運行條件下COD的平均去除率達到了50%。多孔陶瓷微濾膜應用印染廢水深度處理有著良好的發展前景。