超濾/反滲透雙膜法在印染廢水深度處理中的應(yīng)用

安文浩，許育新，沈阿林

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

紡織印染業(yè)是我國排放廢水量較大的工業(yè)行業(yè)。印染廢水的水質(zhì)特點為高色度、高化學(xué)需氧量、高pH、高鹽度、高硬度、低可生化性等，其有機污染負荷大，是一類難處理的工業(yè)廢水[1-3]。在水資源日益匱乏、環(huán)保要求日益嚴格的形勢下，提高水回用率、減少新鮮水使用、降低廢水排放量勢在必行。常見的印染廢水處理方法主要有物理化學(xué)法、化學(xué)法和生物法。在實際應(yīng)用中，由于印染廢水水質(zhì)復(fù)雜，使用單一處理方法通常很難獲得理想的處理效果；因此，印染廢水處理常采用多種技術(shù)的組合，以取得最佳凈化效果。盡管如此，目前印染廢水的出水水質(zhì)仍難達到廢水排放標準和滿足回用要求。膜技術(shù)是新近迅速崛起的一項高新技術(shù)。先進的膜技術(shù)產(chǎn)水水質(zhì)好，能直接回用于印染環(huán)節(jié)。近年來，以膜生物反應(yīng)器(MBR)、超濾(UF)、反滲透(RO)為深度處理核心路線的膜法水處理技術(shù)日益得到推廣應(yīng)用[4-6]。

選擇UF/RO雙膜法，以印染廢水厭氧/好氧(A/O)工藝的二沉池出水為研究對象，進行膜工藝參數(shù)優(yōu)化和污染物去除研究，旨在為膜設(shè)備在印染行業(yè)的應(yīng)用與推廣提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 材料

超濾膜，聚偏氟乙烯(PVDF)材質(zhì)，1.2 m3·h-1；BW400-FR反滲透膜，美國陶氏(DOW)。

1.2 印染廢水

試驗用水系紹興某染整有限公司A/O工藝的二沉池出水。水質(zhì)指標如下：溫度23～26 ℃，pH值6.8～9.5，色度32倍，濁度5.93 NTU，全鹽量2.53×103mg·L-1，懸浮物(SS)含量12 mg·L-1，化學(xué)需氧量(CODCr)219 mg·L-1，總氮(TN)含量8.14 mg·L-1，總磷(TP)含量0.383 mg·L-1，氨氮含量2.79 mg·L-1。

1.3 膜集成設(shè)備

膜系統(tǒng)集成在一個機架當(dāng)中，分為超濾系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng)2個子體系。各子體系可以單獨運行，亦可同時連續(xù)運行。裝置處理量為2～5 m3·d-1。

超濾膜的主要運行參數(shù)如下：進水壓力，0.02～0.04 MPa；產(chǎn)水壓力，0～0.02 MPa；進水流量，1.2 m3·h-1；產(chǎn)水流量，1.1 m3·h-1；反沖壓力，0～0.04 MPa；反沖流量，1.5 m3·h-1。

反滲透膜的主要運行參數(shù)如下：進水壓力，0.99～1.05 MPa；濃水壓力，0.94～1.01 MPa；循環(huán)流量，0.85～1.10 m3·h-1；產(chǎn)水流量，0.012～0.264 m3·h-1；產(chǎn)水TDS(總?cè)芙庑怨腆w物質(zhì))，6.39 mg·L-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜集成設(shè)備通量變化

為了了解膜集成設(shè)備的通量變化，在運行初期監(jiān)測膜通量隨運行壓力的變化，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯觯ね侩S運行壓力的增加而變大，但考慮到對膜的損傷，以及對膜污染、膜生產(chǎn)參數(shù)、脫鹽率等的影響，最終確定運行壓力為1 MPa，此時膜系統(tǒng)的產(chǎn)水量為4.6 m3·d-1，可滿足試驗設(shè)計。

圖1 滲透通量隨操作壓力的變化

2.2 膜集成設(shè)備的運行效果

2.2.1 電導(dǎo)率變化

如圖2所示，生化水的電導(dǎo)率為3.60～3.63 mS·cm-1，UF產(chǎn)水的電導(dǎo)率為4.16～4.18 mS·cm-1，RO產(chǎn)水的電導(dǎo)率為0.035～0.037 mS·cm-1。UF產(chǎn)水的電導(dǎo)率高于生化水電導(dǎo)率。這可能與超濾膜系統(tǒng)前端利用加藥系統(tǒng)投加了NaClO藥劑，但超濾膜系統(tǒng)對NaClO并沒有攔截能力有關(guān)。RO系統(tǒng)對生化水電導(dǎo)率的去除率平均達99.0%以上。

圖2 超濾-反滲透膜對電導(dǎo)率的影響

2.2.2 色度變化

如圖3所示，生化水的顏色為棕色，色度30～34倍；UF產(chǎn)水的色度為13～16倍；RO產(chǎn)水的色度<1倍。分析結(jié)果可知，UF工藝對色度的去除率在46.7%～56.7%，RO工藝對色度的去除率在96.9%～97.7%。超濾膜的截留分子量在10萬u，而色素分子量較小，極易通過超濾膜。RO系統(tǒng)對色度有比較穩(wěn)定、明顯的去除效果。這是因為反滲透膜具有致密的結(jié)構(gòu)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能夠高效截留色素分子。

1～5號管中分別為原水、生化水、UF產(chǎn)水、RO產(chǎn)水和RO濃水。圖3 超濾-反滲透膜對色度的影響

2.2.3 濁度變化

如圖4所示，生化水的濁度為5.86～5.95 NTU，UF產(chǎn)水的濁度為0.58～0.60 NTU，RO產(chǎn)水的濁度為0.20～0.22 NTU。UF工藝對濁度的去除率為90.1%，RO工藝對濁度的去除率為96.5%。在雙膜法處理過程中引進超濾技術(shù)，其關(guān)鍵作用體現(xiàn)在可以截留絕大部分的非溶解性雜質(zhì)，為反滲透的常規(guī)可靠運行打下良好基礎(chǔ)。本設(shè)備超濾系統(tǒng)在運行過程中濁度維持在0.60 NTU以下，可滿足反滲透進水對濁度的要求。

圖4 超濾-反滲透膜對濁度的影響

2.2.4 SS含量變化

如圖5所示，生化水的SS含量為10～12 mg·L-1，UF產(chǎn)水的SS含量為1.0～1.2 mg·L-1，RO產(chǎn)水的SS含量為0.12～0.15 mg·L-1。UF工藝對SS的去除率在89.0%～91.7%，超濾主要能截留0.05～0.2 μm的顆粒和雜質(zhì)，有效阻擋膠體、蛋白質(zhì)、微生物和大分子有機物。RO工藝對SS的去除率在98.6%～99.0%。

圖5 超濾-反滲透膜對SS含量的影響

2.2.5 COD變化

如圖6所示，生化水的CODCr為210～230 mg·L-1，UF產(chǎn)水的CODCr為200～207 mg·L-1，RO產(chǎn)水的CODCr為18～23 mg·L-1。UF工藝對CODCr的去除率在4.8%～10.4%，RO工藝對CODCr的去除率在89.5%～91.4%。本系統(tǒng)中UF對COD的截留作用不太理想，但反滲透膜可截留納米級、相對分子質(zhì)量僅數(shù)百的顆粒，去除廢水中的小分子溶解性CODCr，從而使得系統(tǒng)對CODCr的總?cè)コ蔬_到90%左右，產(chǎn)水COD始終保持穩(wěn)定，保證了產(chǎn)水水質(zhì)。

圖6 超濾-反滲透膜對COD的去除效果

2.2.6 TN含量變化

如圖7所示，生化水的TN含量為7.96～8.05 mg·L-1，UF產(chǎn)水的TN含量為5.25～5.50 mg·L-1，RO產(chǎn)水的TN含量為4.60～4.65 mg·L-1。UF工藝對TN的去除率在31.4%～34.5%，RO工藝對TN的去除率在41.9%～43.9%。

圖7 超濾-反滲透膜對TN的影響

2.2.7 氨氮含量變化

如圖8所示，生化水的氨氮含量為2.75～2.80 mg·L-1，UF產(chǎn)水的氨氮含量為0.61～0.68 mg·L-1，RO產(chǎn)水的氨氮含量為0.32～0.37 mg·L-1。UF工藝對氨氮的去除率在75.5%～78.1%，RO工藝對氨氮的去除率在86.6%～89.2%。本研究中所用的超濾系統(tǒng)對氨氮這樣的小分子在理論上是沒有截留效果的，推測氨氮可能是與懸浮物一起被超濾膜去除，具體的機理有待進一步研究。

圖8 超濾-反滲透膜對氨氮的影響

2.2.8 TP含量變化

如圖9所示，生化水的TP含量為0.35～0.38 mg·L-1，UF產(chǎn)水的TP含量為0.23～0.28 mg·L-1，RO產(chǎn)水的TP含量為0.11～0.15 mg·L-1。UF工藝對TP的去除率在26.3%～39.5%，RO工藝對TP的去除率在63.2%～71.1%。

圖9 超濾-反滲透膜對TP的影響

2.2.9 鹽分含量變化

如圖10所示，生化水的鹽分含量為2.53～2.56 g·L-1，UF產(chǎn)水的鹽分含量為2.97～3.00 g·L-1，RO產(chǎn)水的鹽分含量為0.025～0.028 g·L-1。UF產(chǎn)水的鹽分含量高于生化水，與電導(dǎo)率的變化趨勢基本相同。這是因為超濾膜系統(tǒng)前端利用加藥系統(tǒng)投加了NaClO藥劑，但超濾膜系統(tǒng)對NaClO沒有攔截能力，氯酸鈉發(fā)生反應(yīng)后生成了氯化鈉。在整個運行周期內(nèi)，RO系統(tǒng)的脫鹽率基本維持穩(wěn)定，平均脫鹽率達99.0%。脫鹽率、產(chǎn)水量與跨膜壓差是常用的評價RO工藝運行性能的主要指標。本試驗中，RO膜元件基本完整，未出現(xiàn)破損現(xiàn)象。脫鹽率與RO膜污堵程度不直接相關(guān)，這與Tan等[7]的研究結(jié)果一致。

圖10 超濾-反滲透膜對鹽分含量的影響

2.3 膜設(shè)備運行成本

該中試設(shè)備在運行過程中每天設(shè)備耗電24 kW·h，按每天處理量4.6 m3、電費0.70元·(kW·h)-1計，折合處理費用為3.6元·m-3。膜組件殺菌選用NaClO溶液，酸洗選用藥劑為檸檬酸，膜組件清洗費為0.2元·m-3。以設(shè)備使用年限10 a、膜更換周期3～5 a計，折合設(shè)備成本為0.5元·m-3?？傔\行成本4.3元·m-3。

3 小結(jié)

選擇UF/RO雙膜法集成膜設(shè)備，針對印染廢水A/O工藝的二沉池出水，進行了膜工藝參數(shù)優(yōu)化和污染物去除研究。裝置處理量為4.6 m3·d-1，總運行成本為4.3 元·m-3。超濾+反滲透系統(tǒng)對電導(dǎo)率的平均去除率為99.0%，對色度的平均去除率為97.2%，對濁度的平均去除率為96.5%，對SS的平均去除率為98.8%，對CODCr的平均去除率為90.3%，對TN的平均去除率為42.6%，對氨氮的平均去除率為87.5%，對TP的平均去除率為65.0%，平均脫鹽率為99.0%。各項水質(zhì)分析結(jié)果均滿足GB 4287—2012《紡織染整工業(yè)水污染物排放標準》和GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)》的限量要求。