中空纖維膜與陶瓷平板膜在印染廢水深度處理中的應(yīng)用對(duì)比

徐錫言

(廣東新大禹環(huán)境科技股份有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

由于紡織印染工業(yè)廢水處理的成本較高，因此企業(yè)往往在其發(fā)展過(guò)程中不重視印染行業(yè)對(duì)于環(huán)境的極大影響，忽視對(duì)印染廢水的處理。而紡織印染工業(yè)又是廢水排放的主要源頭之一。

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于印染廢水的處理和重復(fù)再利用也進(jìn)行了大量的研究，同時(shí)取得了相應(yīng)成果，但由于印染廢水的量十分大，其所含有機(jī)物濃度較高、溶液堿性大等特征，導(dǎo)致污水處理難度極大。而且印染污水處理理論探究與實(shí)際應(yīng)用有一定差距，因此，印染廢水的深度處理研究仍十分重要，在一定程度上影響了印染廢水處理工藝的發(fā)展。

1 中空纖維膜與陶瓷平板膜簡(jiǎn)介

1.1 中空纖維膜

中空纖維膜指的是外表處于纖維狀，同時(shí)具有一定的支撐能力的膜。中空纖維膜是以聚砜、二甲基乙酰胺為原料加工成中間空的腔的纖維絲，再涂抹高滲透性聚合物，使其具有選擇性的滲透功能。利用水蒸氣、氫、氨和二氧化碳擴(kuò)散快，而甲烷、氮、氬、氧和一氧化碳擴(kuò)散滲透較慢的特點(diǎn)，使其分離。中空纖維絲的外徑通常為500～600 pum、內(nèi)徑為200～300 pum，構(gòu)成3～6 m的纖維束將其裝到金屬殼中，該纖維束一端密封，另一端使用環(huán)氧樹(shù)脂將其粘合。

中空纖維膜是非對(duì)稱膜中的一種，致密層可置于纖維的外表面也可置于其內(nèi)表面。對(duì)于氣體分離膜而言，致密層置于內(nèi)表面與外表面沒(méi)有差別。

1.2 陶瓷平板膜

陶瓷膜(ceramic membrane)又稱為無(wú)機(jī)陶瓷膜，是一種通過(guò)無(wú)機(jī)陶瓷材料經(jīng)特定工藝加工制造成的非對(duì)稱膜。陶瓷膜有管式陶瓷膜和平板陶瓷膜兩種。

平板陶瓷膜的表面分布著許多細(xì)小的孔，根據(jù)膜表面孔的直徑大小不同，使能通過(guò)孔徑的分子直徑不同，從而使得滲透率不同。由于膜兩側(cè)的分子濃度不同，產(chǎn)生壓力差，該壓力差即為驅(qū)動(dòng)力，膜作為過(guò)濾介質(zhì)。在一定壓力差的作用下，當(dāng)廢水流經(jīng)膜表面時(shí)，該膜僅允許水無(wú)機(jī)鹽和小分子透過(guò)，而阻礙了懸浮物微生物膠等大分子通過(guò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了分離的目的。

陶瓷膜具備分離效果好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕、耐高溫、耐細(xì)菌、抗污染、可再生、操作過(guò)程簡(jiǎn)便、使用時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，常用于工藝中的分離、提純、濃縮、凈化等過(guò)程。

1.3 平板膜與中空纖維膜對(duì)比

1)膜組件受污染程度相對(duì)較輕，在一定程度上有助于減輕曝氣對(duì)膜的污染。中空纖維膜相較而言更容易堵塞，難以進(jìn)行機(jī)械清理，很難清除膜表面的污垢。

2)中空纖維膜在頻繁沖洗的過(guò)程中反沖洗能耗大，其水動(dòng)力學(xué)控制過(guò)程極為復(fù)雜。平板膜通常不反沖洗，實(shí)際運(yùn)行中如何進(jìn)行控制工藝條件是極其重要的內(nèi)容。隨著工藝的不斷改進(jìn)，耐特爾MBR平板膜組件和新加坡世來(lái)福MBR平板陶瓷膜組件可以實(shí)現(xiàn)反沖洗。

3)平板膜在實(shí)際過(guò)程中所消耗的能量比中空纖維膜低，其主要原因與膜出水時(shí)中空纖維膜管中的壓力損失相對(duì)較大有關(guān)。

4)平板膜硬度大，承受力好，通常不易出現(xiàn)故障，而中空纖維膜相較于平板膜而言，承受力較差，會(huì)出現(xiàn)斷絲的情況，進(jìn)而影響出水的水質(zhì)。

5)平板膜組件的生產(chǎn)與安裝過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，膜的實(shí)際維護(hù)、更新也相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于膜裝填密度小，膜在實(shí)際制造中的成本高于中空纖維膜。隨著膜工藝的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了耐特爾MBR平板膜組件，它既具備了平板膜的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼顧了中空纖維膜裝填密度大的特點(diǎn)。

2 中空纖維膜與陶瓷平板膜在印染廢水深度處理中實(shí)驗(yàn)對(duì)比

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

中山某印染工業(yè)園廢水處理廠深度處理工藝中使用了MBR膜深度處理，為解決MBR單元的中空纖維膜中常出現(xiàn)的堵塞嚴(yán)重、纖維絲易斷裂、清洗難度大等問(wèn)題，研究使用納米陶瓷平板超濾膜來(lái)替換中空纖維膜。

研究廢水實(shí)際處理過(guò)程中，當(dāng)納米陶瓷平板超濾膜中通過(guò)不同量的廢水時(shí)，模阻力的變化和膜清洗頻率的變化等，進(jìn)而得出納米陶瓷平板超濾膜的設(shè)計(jì)通量值，使其與MBR中空纖維膜進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

2.2.1 中空纖維膜

廠家：某環(huán)?？萍加邢薰荆恍阅軈?shù)如表1所示。

表1 中空纖維膜性能參數(shù)

2.2.2 陶瓷平板膜

廠家：某過(guò)濾技術(shù)有限公司；性能參數(shù)如表2所示。

表2 陶瓷平板膜性能參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

中試進(jìn)水采用好氧池末端的現(xiàn)有中空纖維膜膜池中的廢水，膜池中的污泥濃度為5 000～8 000 mg/L，COD在100～150 mg/L，廢水水溫為35℃～140℃。

本裝置由膜池、產(chǎn)水池、管道設(shè)備區(qū)、加藥區(qū)域、電氣柜等部分組成，膜池內(nèi)安裝兩組陶瓷平板膜塔，膜塔過(guò)濾面積為48 m2，最大設(shè)計(jì)進(jìn)水量4 m3/h。

膜池進(jìn)水泵自現(xiàn)有的中空纖維膜膜池，膜塔出水經(jīng)產(chǎn)水泵至產(chǎn)水池，膜池和產(chǎn)水池均設(shè)置排污口和溢流口。膜池內(nèi)設(shè)有穿孔曝氣管與微孔曝氣管，保證足夠的曝氣量。中試裝置如圖1所示。

圖1 中試裝置圖

2.4 試驗(yàn)方法

運(yùn)行方式采用抽吸9 min，反洗110 s(其中反洗50 s，開(kāi)、關(guān)閥和泵等60 s)，循環(huán)運(yùn)行，每隔15 min記錄一次產(chǎn)水濁度、抽吸壓力、膜池液位、跨膜壓差和產(chǎn)水流量。當(dāng)跨膜壓差達(dá)到50 kPa時(shí)，進(jìn)行膜清洗，首先在濃度為1 000 mg/L次氯酸鈉溶液中浸泡12 h，用清水沖洗，然后在濃度為2 000 mg/L的檸檬酸溶液中浸泡12 h，用清水沖洗。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.5.1 陶瓷平板膜應(yīng)用情況

陶瓷平板膜分別選取了4個(gè)膜通量進(jìn)行中試，分別為：20 LMH、22.5 LMH、25 LMH、30 LMH。

1)通量為30 LMH的中試，分為二個(gè)階段。

階段一：由于當(dāng)時(shí)設(shè)備故障，部分時(shí)間手動(dòng)運(yùn)行，2021年12月9日運(yùn)行2 h(手動(dòng))、10～11日運(yùn)行5 h(手動(dòng))，設(shè)備停止，晚上使用500～800 mg/L的次氯酸鈉浸泡。運(yùn)行曲線如圖2所示。

圖2 30 LMH階段一運(yùn)行曲線

階段二： 13日起，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，連續(xù)運(yùn)行30h，跨膜壓差從4.6 kPa增至50 kPa。運(yùn)行曲線如圖3所示。

圖3 30 LMH階段二運(yùn)行曲線

連續(xù)運(yùn)行30 h后，跨膜壓差達(dá)到50 kPa，需要進(jìn)行恢復(fù)性清洗。清洗完成后，跨膜壓差恢復(fù)至3.49 kPa。

2)通量為25 LMH的中試。25 LMH通量下，產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在0.2～0.5 NTU，膜連續(xù)運(yùn)行10 h左右，跨膜壓差達(dá)到50 kPa，進(jìn)行了一次恢復(fù)性清洗。恢復(fù)通量后，又運(yùn)行了10 h。膜清洗后跨膜壓差恢復(fù)至3.29 kPa。

3)通量為20 LMH的中試。在此通量下，共連續(xù)運(yùn)行155.5 h，跨膜壓差從2.95 kPa增至39.37 kPa，產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在0.2 NTU左右。清洗完成，跨膜壓差恢復(fù)至3.1 kPa。

4)通量為22.5 LMH的中試。在此通量下，共連續(xù)運(yùn)行了144 h，跨膜壓差從3.1 kPa增至24.15 kPa，產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在0.2 NTU左右。此階段，反洗通量為155 LMH(即7.4 m3/h)。

2.5.2 中空纖維膜應(yīng)用情況

中空纖維膜分別選取了4個(gè)膜通量進(jìn)行中試，分別為：10 LMH、15 LMH、20 LMH、25 LMH。

1)通量為10 LMH的中試。在此通量下，共運(yùn)行122 h，跨膜壓差從2.55 kPa增至52.45 kPa，產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在0.2 NTU左右。清洗完成，跨膜壓差恢復(fù)至2.45 kPa。

2)通量為15 LMH的中試。在此通量下，共運(yùn)行86 h，跨膜壓差從2.45 kPa增至55.45 kPa，產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在0.2 NTU左右。清洗完成，跨膜壓差恢復(fù)至2.65 kPa。

3)通量為20 LMH的中試。在此通量下，共運(yùn)行39 h，跨膜壓差從2.65 kPa增至51.65 kPa，產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在0.2 NTU左右。清洗完成，跨膜壓差恢復(fù)至2.55 kPa。

4)通量為25 LMH的中試。在此通量下，共運(yùn)行16 h，跨膜壓差從2.55 kPa增至57.05 kPa，產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在0.2 NTU左右。清洗完成，跨膜壓差恢復(fù)至2.45 kPa。

2.5.3 應(yīng)用情況

具體應(yīng)用情況見(jiàn)表3。

表3 應(yīng)用情況匯總

3 結(jié)論

1)與中空纖維膜相比較，陶瓷膜的膜通量更大，約為中空纖維膜的2倍。

2)當(dāng)具有相同的膜面積時(shí)，陶瓷膜的體積比中空纖維膜大得多，因此，中空纖維膜的單位膜面積產(chǎn)水率約為陶瓷膜的2倍多。

3)陶瓷膜相較于中空纖維膜而言更不易堵塞，因此，清洗周期較短。這在一定程度上能夠大大降低清洗難度與維護(hù)成本，有利于后期的使用。

4)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)出相同量的水的情況下，陶瓷膜的成本更高。