膜科学在水处理方面的应用

膜技术在处理工业废水方面的应用张福浩（0943084030）（四川大学化工学院四川成都610065）摘要：膜分离技术一种高效的、低能耗的液体分离技术，相对于传统废水分离方式有很大的优势。文章主要介绍了膜分离技术在处理印染废水中退浆废水、羊毛脂废水和染料废水，在冶金、电镀、钢铁行业废水处理方面的应用，给出了部分工艺流程和操作实例，并对未来在工业上应用的前景进行了展望。关键字：膜技术；退浆废水；羊毛脂废水；染料废水；电镀废水；冶金废水；钢铁废水ApplicationofMembraneTechnologyinIndustrialWastewaterTreatmentZhangfuhao（0943084030）Abstract：Membranefiltrationtechniqueisaliquidseparationtechnology,withhighefficiency,lowenergyconsumption.Comparedtotraditionalmethodsofwastewatertreatment,membranetechnologyhasgreatadvantages.Thearticleintroducesmembranefiltrationtechniquesinthetreatmentofdesizingwastewater,lanumwastewater,dyestuffwastewater,metallurgywastewater,electrofacingwastewaterandsteelwastewater,andgivessomeprocessflowchartsandexamplesofoperation，andgivesaprospectiveoftheapplicationofthetechniqueintheindustryinthefuture.Keywords:membranetechnology;desizingwastewater；lanumwastewater；dyestuffwastewater；metallurgywastewater；electrofacingwastewater；steelwastewater1引言随着工业生产的快速发展，人们的生活水平逐渐提高，但是与之而来的是人们生活环境的极度恶化，工业废水的大量排放对人们生活必须的水资源造成了严重的污染，污水中80%是工业污水，这已经是人类不得不面临的严重问题，如果不加以重视，不仅会对人们生活，身体健康有严重影响，而且还会严重阻碍国民经济的发展。膜分离技术虽然在100年前就已经出现，但近30年才在工业上大规模的应用。膜分离技术的原理是在渗透试验装置的膜两侧施加一个压力差，引起溶剂倒流，使浓度较高的溶液进一步浓缩。从1954年第一家制膜公司WillposCorp成立至今，膜研究取得的长足进步已使其深化为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、电渗析技术（ED），可将微粒、小粒子、分子、离子进行有效分离[1]。膜分离技术已经发展为一项高新技术，已在印染废水处理，冶金电镀和钢铁废水处理等工业废水处理领域发挥着极其重要的作用。2膜分离技术在印染废水处理中的应用纺织印染工业排放的废水含有大量的残留，染料、浆料、助剂、纤维屑和含氮化合物等，主要特征为：有机物浓度高、色度深、碱性强及含氮高等，采用一般的废水处理方法难度较大，且成本较高，处理效果大多不理想，与传统废水处理技术相比，膜分离技术处理印染废水是通过对废水中的污染物的分离浓缩回收而达到废水处理目的，具有不产生二次污染、能耗低、可循环使用、废水可直接回用等特点，所以膜技术在纺织印染行业中获得了广泛的关注和应用。[2]2.1超滤膜处理退浆废水超滤处理退浆废水的工艺是将含PVA的退浆废水泵入料槽中,料液在一定的压力下高流速地通过超滤膜组件,浓缩液返回料槽,超滤透过液进入超滤液储槽,以备纳滤进一步处理,当浓缩液PVA含量达到一定值时,回用或其他处理。PVA即聚乙烯醇,是一种重要的上浆剂,具有优良的成膜性和粘附性,且易与其它浆料相容。由于其上浆性能优于淀粉及变性淀粉,因此广泛用于纯棉高密织物及涤棉混纺织物的经纱上浆。退浆废水中一般含有1%左右的PVA浆料,若不进行处理,将会造成环境污染。但PVA浆料难以生物降解,一般的生化处理去除率很低。用超滤装置处理退浆废水,PVA大分子被膜阻拦,水分子则透过膜,调整PVA浓缩液至合适的浓度后可重新用于上浆,透过的清水可回用于退浆。据估算[3],一台车速为100m/min的织物生产装置,采用超滤膜回收PVA浆料后,每天可节约6000美元。该方法的具体流程见图1。图1超滤膜法回收PVA浆料流程图2.2超滤膜法回收羊毛脂废水的处理洗毛废水含有一定量羊毛脂、羊汗及羊粪等物质,是高浓度有机废水。洗毛时,常用非离子表面活性剂作为洗涤剂。在一定温度下,羊毛脂被表面活性剂乳化而悬浮于洗毛废水中,粒径一般为0.01～50μm[4],排放温度50～65℃。处理洗毛废水常用的方法是生物法[5、6]和化学絮凝沉淀法[7],均浪费羊毛脂和热能。而采用超滤膜法,较高温度的透过液可直接回用于洗毛装置,废水中的羊毛脂得到富集,经超滤浓缩后羊毛脂浓度成倍增加,从而大大提高了离心萃取机提取羊毛脂的效率,具体流程见图2。图2超滤膜法回收羊毛脂流程回收的羊毛脂经科学精制,可制造出一系列价值更高的产品,如液态羊毛脂、羊毛醇、羊毛酸、水溶性羊毛脂、乙酰化羊毛酯和乙氧基化羊毛醇等。这些羊毛脂产品可广泛应用于医药、护肤用品、化妆品、乳酸、纺织和皮革等行业。因此,超滤膜法在解决洗毛废水难处理的环保问题的同时,还可以创造可观的经济效益,是典型的清洁生产工艺,值得推广和应用。2.3超滤膜在染料废水处理中的应用分散染料、还原染料和硫化染料等疏水性染料,均悬浮于染液中,这给超滤膜分离提供了条件。采用超滤膜强制截留浓缩,回收染料可重新利用,滤出液经进一步脱盐脱色后回用,或者经后续处理后排放。该法不但降低了废水中的色度和COD,减少污水处理成本,还可以为企业回收资源,效益明显。早在20世纪80年代,中科院环化所就与北京光华染织厂采用超滤法处理还原染料废水[8],试验采用3.6m2的外压管式聚砜超滤器,在进口压力220～240kPa,液温40～55℃的条件下,运行超过2000h,处理染料废水617t,回收还原染料1036kg,透液速度一般在20～30L/(m2·h),染料回收率大于95%。于敏[9]等对分散染料废水进行了超滤膜处理试验,质量分数为1%～3%的分散蓝S-3BG废液经截留浓缩后,截留污水含染料12%左右,经喷雾干燥后染料得到100%回收,回收染料强度有所提高,其它性能不变。3膜分离技术在冶金和电镀废水处理中的应用电镀废水中一般主要含有铬、锌、铜、镉、铅、镍等重金属离子以及酸、碱、氰化物等具有很大毒性的杂物，有的还属于致癌和致畸变突变的剧毒物质，因此必须认真地加以处理，以免对人们造成危害。电镀废水主要来源于前处理除油酸洗、镀件的清洗、废电镀液、各种槽液的跑、冒、滴、漏等，这些废水中含有铜、镍、铬、锌等重金属离子和氰化物，对环境危害较大。目前，国内外电镀废水处理的方法主要有:离子交换法回收重金属化学法处理混合废水、铁氧体法、生物法等，但投资昂贵，技术管理要求高，难以在一些中小型电镀企业中推广应用。3.1膜分离技术在电镀废水处理中的应用将电镀废水经过相应的预处理后，采用特殊分离膜工艺(SSMC)高倍回收，可实现零排放SSMC工艺为多级多套膜系统处理的组合，将整个电镀废水形成闭路循环进行分离，在实现高倍回收的同时，保证清洗回用水水质纯净、可靠。电镀废水经分离预处理后，进入SSMC处理单元:经过一级分离膜系统浓缩分离，产水进入二级膜分离系统继续处理;部分浓水进入多级反应系统进一步去除重金属离子COD和胶体及无机盐类物质，之后进入综合废水调节池，再回到一级分离膜系统进行处理，以提高系统水的回用率;二级分离膜的产水一部分直接回用，其余浓水进入特殊浓缩膜系统处理，合格后回用至电镀生产线，余下的浓水进入末端零排放系统，由结晶蒸发设备作最终处理。[10]例如江苏省某大型电子产品公司电镀废水进行了处理回收，具体情况如下:膜系统的回收率均为70%～80%;一级膜以P=0.5MPa，t=15～25℃条件运行，浓水经过多级反应系统处理后，全部回流至综合废水调节池再进入一级膜系统进行回收，以提高水的回用率;二级膜以P=0.6MPa，t=15～25℃条件运行，产水回用，浓水进入特殊浓缩膜系统再浓缩，以提高水的回用率;特殊浓缩膜以P=1.0MPa，t=15～25℃条件运行；SSMC工艺处理后，系统进水，产水电导率和表观脱盐率之间的关系:水的总回收率＞95%;产水电导率保持在150S/cm以下，对电镀废水具有稳定的脱盐率，当进水电导率在较大范围内波动时，产水水质依旧相对稳定，废水处理后系统进出水金属离子含量，Cu2+和Cr3+的截留率99.5%，Ni2+的截留率96．4%。3.2膜分离技术在冶金废水处理中的应用冶金工业废水又称钢铁厂废水。按生产性质可分为焦炭厂废水、高炉废水、炼钢及轧钢废水。是钢铁厂从熔炼到轧制整个过程中排出的废水,排放废水的突出特点是浊度较高，COD、矿物油均偏高、水的硬度、含盐量较高等。废水处理工艺流程及说明:根据该种废水的特点以及处理后达到电厂中压锅炉补给水对水质、水量的要求采用“盘式过滤器+超滤技术+反渗透膜技术”集成的工艺处理该种废水。工艺流程示意如下图3冶金废水处理的工艺流程图（1）预处理工序由综合污水处理站中水池送来的原水通过余氯在线检测合格后，经原水泵变频调节流量后进入盘式过滤器过滤以除去悬浮物，再经超滤膜组进一步除去胶体、颗粒、部分有机物和细菌等杂质后自流进入超滤产水池，由第一级反渗透低压泵加压后送入预脱盐工序。超滤系统由循环泵采用循环模式过滤超滤通过反洗水泵进行反洗，反洗时间间隔为30min，反洗过程由次氯酸钠计量泵适当加入次氯酸钠进行杀菌。（2）预脱盐工序从预脱盐工序送来的水进入精密过滤器，同时由还原剂计量泵加入还原剂阻垢剂计量泵加入阻垢剂于精密过滤器进水总管上，过滤后，控制出水SDI值小于3，再由一级反渗,透高压泵加压后送入一级反渗透系统，淡水汇集进入产水总管自流入一级反渗透产水池，一级反渗透系统的浓水由浓水管道外排，直接去高盐水池回收。从一级反渗透产出池来的脱盐水由碱计量泵加入氢氧化钠将pH值调节到一定的值后，再经二级反渗透高压泵加压后进入二级反渗透系统进一步脱盐，淡水汇集进入产水总管自流入二级RO产水池，二级反渗透系统的浓水汇集后直接返回到超滤产水池，全部循环利用。从二级RO产水池送来的水，再由混床进水泵送至精脱盐工序。反渗透系统的冲洗水来自脱盐水总管，经清（冲）洗水泵自动进行大水量冲洗，再由清洗水泵定期进行循环清洗。（3）精脱盐工序从预脱盐工序送来的脱盐水送入混合离子交换器进一步除盐，混床出水经树脂捕集器后得到合格的中温中压锅炉补水，并流入除盐水池，经氨计量泵调pH值后由除盐水泵送至用水点——锅炉房作为锅炉补充水，混床擦洗空气来自罗茨鼓风机，气动执行机构用气来自空气压缩机。[11]3.3膜组合工艺在钢铁废水中的应用钢铁废水是钢铁厂在生产过程中产生的冶炼废水和轧钢废水，废水中主要含有含悬浮物、油、铁。冶炼和轧钢废水。目前我国钢铁企业的吨钢取水量、水重复利用率与国外相比，整体水平还存在着相当大的差距。因此，钢铁企业除了要做到合理用水和节约用水外，还应对外排废水进行合理回用，既能减少钢铁工业对水体环境污染，又能降低吨钢耗新水量和生产成本，是减少企业新鲜水用量以及缓解我国用水资源紧张，水环境污染和实现行业健康可持续发展的有效途径。膜组合工艺是指膜与物理、化学、生物等处理方法组合的工艺，于废水处理的膜组合工艺很多，典型的有超滤-渗透的双膜法处理工艺和膜-物组合的膜生物反应器（MBR）处理工艺。包钢给水厂五车间用超滤-反渗透双膜法工艺代替原热轧供水系统采用的砂滤-