超濾_反滲透雙膜技術深度處理印染廢水_圖文

1、第2卷第8期環(huán)境工程學報Chinese Journal of Envir on mental Engineering超濾/反滲透雙膜技術深度處理印染廢水曾杭成1張國亮13孟琴2陳金媛1王岐東3(1.浙江工業(yè)大學生物與環(huán)境工程學院,杭州310014;2.浙江大學材料與化學工程學院,杭州310027;3.清華大學環(huán)境科學與工程系,北京100084摘要由于印染廢水具有高鹽度,可生化性差,使常規(guī)方法難于處理完全。采用超濾和反滲透雙膜技術處理實際印染廢水,考察了不同超濾膜對廢水的預處理性能,研究了B W 30和CP A2兩種反滲透膜在不同操作條件下對印染廢水的處理效果,并分析了相關膜通量下降的原因。結(jié)果

2、表明,超濾能有效地去除廢水濁度和大分子有機物,為反滲透提供良好的進水水質(zhì)。兩種反滲透膜的產(chǎn)水化學需氧量(COD 均小于10mg/L,電導率小于80S/c m,其對有機物和鹽的去除率分別可達99%和93%以上,顯示該產(chǎn)水能回用于大部分印染工序。B W 30膜產(chǎn)水水質(zhì)稍好于CP A2,但通量低于CP A2。關鍵詞超濾反滲透印染廢水回用膜污染中圖分類號X70311文獻標識碼A 文章編號167329108(20080821021205Trea t m en t of textile wa stewa ter usi n g ultra tf iltra ti onand reverse os m os

3、is dua l m em brane systemZeng Hangcheng 1Zhang Guoliang 1Meng Q in 2Chen J inyuan 1W ang Q idong3(1.College of B i ol ogical &Envir onmental Engineering,Zhejiang University of Technol ogy,Hangzhou 310014;2.College of Material &Che m ical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027;3.Dep

4、art m ent of Envir onmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084Abstract U ltrafiltrati on and reverse os mosis combined me mbrane p r ocesses were app lied f or in the textilewaste water treat m eat and reuse .A s p retreat m ent,ultrafiltrati on had good perfor mance on re mo

5、val of turbidity and organic matterswith high molecular weight,which could guarantee g ood quality of feed water for reverse os mosis .T wo kinds of reverse os mosis me mbranes (BW 30,CP A2were tested and compared later by carrying out the lab 2test under different operating p ressures,ti m es and t

6、e mperatures .It appeared that per meate had COD value l o wer than 10mg /L and conductivity no more than 80S/c m.The rejecti on f or COD and salt could reach as high as 99%and 93%,res pectively .Per meate of both t w o me mbranes could be recycled t o most of dyeing p r ocess .Co mpared with CP A2,

7、BW 30had a little better quality of per meate,but its flux was s ome what l ower .A t last,per meate flux decrease due t o me mbrane f ouling was als o analyzed .Key words ultrafiltrati on;reverse os mosis;textile waste water;reuse;me mbrane fouling基金項目:國家自然科學基金資助項目(20776133;浙江省重點科技計劃(2006C23067收稿日期

8、:2007-12-21;修訂日期:2008-04-27作者簡介:曾杭成(1984,男,碩士研究生,主要從事環(huán)境化工研究。3通訊聯(lián)系人,E 2mail:guoliangzzjut .edu .cn印染廢水具有高COD 、高色度、高鹽度等特點,傳統(tǒng)的處理技術已經(jīng)較難達到排放要求1。生物法是目前處理印染廢水應用最廣泛的技術之一,隨著使用染料種類的增加,分子結(jié)構(gòu)復雜且穩(wěn)定,使得印染廢水可生化性較差,加大了廢水處理的難度2,3。印染廢水其他處理方法主要有Fent ons 試劑、臭氧、電化學降解和絮凝沉淀等,國內(nèi)外很多人在這方面進行了深入研究,相關結(jié)論及優(yōu)缺點的比較在文獻中有報道4,5。印染行業(yè)用水量大,

9、隨著水資源日益短缺和水費不斷上漲,廢水回用技術勢必逐步推廣,膜技術的應用將越來越廣泛。雙膜技術是目前國際上研發(fā)和工程化應用的熱點之一。作為一種有效的工程預處理手段,超濾可去除廢水中大部分濁度和有機物,從而能減輕反滲透膜的污染,延長膜的使用壽命,減少膜工程的運行成本。反滲透膜不僅能有效去除有機物、降低COD,而且具有優(yōu)秀的脫鹽效果。由于COD 脫除、脫色、脫鹽能在一步完成6,其出水品質(zhì)高,能直接回用于印染環(huán)節(jié),同時濃水可回流至常規(guī)工序處理,實現(xiàn)廢水零排放和清潔生產(chǎn)。環(huán)境工程學報第2卷1實驗部分1.1實驗裝置及流程印染廢水處理總流程如圖1所示,印染廢水為浙江某印染廠實際廢水,經(jīng)過生物法處理后,雖然

10、去除了大部分COD ,但出水COD 仍有250mg/L,未達到我國紡織染整工業(yè)水污染物排放標準一級標準。 圖1實驗流程圖Fig 11Sche me of the experi m ental syste m本實驗采用雙膜法主要是對生化出水資源化回收利用,該系統(tǒng)主要包括超濾和反滲透2個組合過程。超濾裝置為自行研制的平板式錯流超濾裝置,生化出水通過增壓泵進入超濾裝置,產(chǎn)水進入反滲透儲水罐,濃縮后的濃水則回流進入生化處理前段。反滲透過程由高壓泵將超濾透過水送入膜組件增壓脫鹽。實驗中定時收集產(chǎn)水,并測定各項水質(zhì)指標。在反滲透儲水罐中設置恒溫控制器,使進水水溫保持恒定,并定期考察溫度對反滲透分離效果的影

11、響。1.2超濾和反滲透膜 實驗中采用的平板式超濾膜有P AN 2300、P AN 2700、P VDF 3種,截留分子量分別為30000,70000和140000Dalt on,反滲透膜則選擇陶氏公司生產(chǎn)的BW 30和海德能公司生產(chǎn)的CP A2系列商業(yè)化膜產(chǎn)品。1.3分析方法電導率采用上海雷磁DDS 2A 型電導率儀測定,濁度用上海精科722N 可見分光光度計在680n m 波長處測量,pH 值采用上海雷磁PHS 23D pH 計測定,COD 用重鉻酸鉀國標法測定,陰離子用瑞士萬通8612813型自動進樣離子色譜儀測定。2實驗結(jié)果與討論2.1超濾實驗中采用3種超濾膜對廢水預處理,測定了產(chǎn)水的濁

12、度和COD ,由圖2可知,超濾對濁度的去除率都很高,P AN 2300去除率達91%,產(chǎn)水濁度為4.2NT U ,而P AN 2700和P VDF 膜對濁度去除率分別為87%和90%。但超濾對COD 去除率較低,這可能是由于超濾孔徑較大,對小分子有機物不能有效截留。3種超濾膜中,P AN 2300對COD 去除率也最高,去除率為37.2%。采用超濾作預處理,不僅能去除廢水中部分COD,提高水質(zhì),更重要的是去除大部分濁度,減輕反滲透膜的污染。圖2超濾對濁度和COD 處理效果圖Fig 12Re moval of turbidity and C OD with different ultrafilt

13、rati on membranes2.2壓力對膜的通量考察膜的純水通量可以求得膜的阻力。由達西定律:2201第8期曾杭成等:超濾/反滲透雙膜技術深度處理印染廢水J w =A P (1可得: J w =PR(2式中:A 為膜的滲透系數(shù),R 為總阻力。在運行過程中,主要的阻力包括膜阻力、濃差極化和膜污染阻力3部分。若進水為純水,濃差極化和膜污染層的阻力便不存在,因此,根據(jù)純水測得的阻力即為膜阻力。實驗測定了20時,2種反滲透的膜阻力。由圖3可知,兩膜通量隨壓力的增大呈線性增加,CP A2膜的通量較大,且隨壓力變化較大,可見CP A2膜的阻力比BW 30膜的阻力小。根據(jù)(2式,可求得BW 30和CP

14、 A2膜阻力分別為45166h MPa /m 和29175h MPa /m 。在廢水實驗中,由于濃差極化和膜污染層的存在,膜的廢水通量會小于純水通量。由圖3還可知,隨著壓力增加,膜污染加劇,通量不再隨壓力增加而線性增加,而是逐漸趨向平緩。這可能是由于壓力越大,污染層被壓密,導致膜污染阻力增加而引起的。 圖3反滲透膜通量隨壓力變化關系圖Fig 13Change of me mbrane flux as a functi on of p ressure2.3時間對膜通量的影響圖4表示2種膜在不同溫度下膜通量隨時間的變化關系。由圖4可知,在初始階段,相同溫度下,BW 30膜通量小于CP A2,但系統(tǒng)

15、經(jīng)過6h 運行后,2種膜的通量比較接近,表明此時膜污染形成的阻力已成為膜通量下降的主要因素。由于溫度越高,水的粘度越小,膜通量隨溫度的變化很大。由圖4可知,在初始狀態(tài)下,CP A2膜在溫度為20和40時,通量分別為53.3L /(m 2h ,93.3L /(m 2h ,BW 30膜通量隨溫度也有較大圖4不同溫度下反滲透膜通量和C OD 去除率隨時間變化關系圖Fig 14Change of flux and C OD rejecti on as a functi onof ti m e at different te mperatures變化。系統(tǒng)運行6h 后,同樣發(fā)現(xiàn)溫度對通量的影響也變得很小

16、,溫度越高,通量下降的速率越快。這也是由于膜污染阻力的存在,使得粘度減小對通量增加的貢獻變小,因此,即使溫度從20升高到40,通量增加也不超過5L /(m 2h 。圖4還顯示了反滲透膜對COD 的截留隨溫度變化的效果。由圖4可知,兩膜均表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性7,即隨著溫度的升高,通量有所增加,且COD 去除率隨溫度變化不大。當進水溫度為40時,COD 截留率稍有降低,這表明染料等小分子物質(zhì)在膜中擴散系數(shù)的增加會導致其透過膜的速率增加,因此,產(chǎn)水COD 有變大的趨勢。圖4中還可看出,由于污染阻力的存在,膜通量迅速減小,其中CP A2膜的減小速率大于BW 30膜,且溫度越大,通量減小速率越大。在一定

17、溫度范圍內(nèi),反滲透膜對COD 截留率受溫度影響很小,操作彈性良好。2.4膜污染阻力分析當進水為廢水時,由于膜污染層形成,式(2中總阻力R 包括膜阻力R m 和污染產(chǎn)生的凝膠層阻力R g ,因此,式(2可寫成:J w =PR m +R g (3由式(3可得:R g =PJ w-R m (4凝膠層阻力R g 即可由式(4求得。實驗測定了20、操作壓力為2.8MPa 時的凝膠層阻力R g 。圖5為凝膠層阻力R g 與運行時間t 的關系圖,由圖3201環(huán)境工程學報第2卷5可知,隨著時間的增加,凝膠層阻力越來越大,這 主要是由于反滲透對有機物完全截留導致膜面凝膠層形成,同時在2.8MPa 壓力下,膜和凝

18、膠層被壓實,導致污染阻力也越來越大。由圖5還可知,CP A2膜的阻力增加速率大于BW 30膜,特別是3h 后,CP A2膜的污染阻力明顯比BW 30大,這主要是由于CP A2膜的產(chǎn)水通量大,導致膜面積累更多的 污染物。Abbas 等8認為凝膠層阻力(R g 與產(chǎn)水體積(V 成線性關系,并且證實該模型與實驗結(jié)果較符合。由此可見,在同一時間內(nèi),CP A2的產(chǎn)水量大于BW 30,形成的污染層阻力也更大。 圖5凝膠層阻力R g 與時間關系圖(20Fig 15Change of resistance of gelatin layer vs .ti m e (202.5SE M 圖圖6為實驗后超濾和反滲透

19、膜的SE M 圖,由圖6可以清楚地看到超濾和反滲透膜結(jié)構(gòu)及污染狀況。超濾膜孔徑較大,且在膜表面有一層凝膠層,這主要是由于廢水濁度較高,均能被超濾膜截留,因此在膜表面形成了嚴重的濃差極化,甚至部分溶質(zhì)析出形成凝膠,并吸附在超濾膜上。反滲透膜屬于致密膜,在膜表面無法看到孔,其表面致密層具有選擇透過性。反滲透膜表面也有一層較薄的污染層,這主要是被截留有機物和礦物質(zhì)會吸附在膜表面,正是由于超濾去除了大部分濁度,才大大減輕了反滲透膜的污染。圖6P VDF 和B W 30膜實驗后的SE M 圖Fig 16SE M p ictures of P VDF and BW 30membrane after exp

20、eri m ent2.6反滲透出水水質(zhì)及經(jīng)濟性分析表1為20時超濾和反滲透出水水質(zhì)。由表1可知,超濾對濁度去除率達到90%,但對COD 和UV 254去除較低,對鹽分幾乎沒有脫除率。通過離子色譜測定產(chǎn)水離子濃度即可證明這點,而產(chǎn)水電導值降低可能系部分帶電荷的有機物被超濾膜截留所致。經(jīng)BW 30和CP A2反滲透膜處理后,產(chǎn)水COD幾乎完全脫除,COD 值分別為2.8mg/L 和2.9mg/L,溫度升高后,產(chǎn)水COD 略有增加,但不高于10mg/L 。反滲透膜還表現(xiàn)出較好的脫鹽能力,BW 30和CP A2產(chǎn)水電導值分別為3040S/c m 和7080S/c m ,產(chǎn)水中各項離子指標也很低,接近或

21、優(yōu)于當?shù)刈詠硭|(zhì)指標。由此可見,反滲透出水水質(zhì)已完全達到城市工業(yè)用水回用標準,能回用于大部分印染過程的高級工序。表1超濾和反滲透出水水質(zhì)Table 1Character isti cs of per m ea te trea ted by UF and R O水質(zhì)指標原水P AN 2300指標RP AN 2700指標RP VDF指標RBW30指標R CP A2指標R回用標準13COD (mg/L 25015737.221016.1220.311.9 2.899 2.999<60pHUV 2541.584 1.486 6.2 1.49 6.0 1.512 4.50.05296.70.08

22、794.5-濁度(NT U 57.3 5.2917.487 5.79001000100<5電導率(S/c m 196017709.761860 4.91850 5.33598.27596.2-Cl -(mg/L 589.3589.305890589.307.698.713.697.7<250S O 2-4(mg/L 326326032603260 1.599.5 2.999.1-NO -3(mg/L 109-注:3G B /T1992322005;R 為去除率(%4201第8期曾杭成等:超濾/反滲透雙膜技術深度處理印染廢水對超濾/反滲透聯(lián)用工藝的試驗以及根據(jù)以往工程經(jīng)驗推算,其在經(jīng)

23、濟上也是較可行的。工業(yè)放大階段若以產(chǎn)水10t/h計,運行費用中,超濾電耗為0.1元/m3,膜耗約0.18元/m3(膜壽命按2年計,超濾清洗所用藥劑及人工費合計約0.35元/ m3;反滲透過程電耗為0.5元/m3,膜耗0.35元/m3 (膜壽命按3年計,反滲透所用藥劑及操作人工費合計約0.4元/m3,因此,超濾/反滲透聯(lián)用工藝運行費用約為1.88元/m3,加上常規(guī)廢水生化處理的費用約1.35元/m3,總成本約3.23元/m3,相比目前企業(yè)自來水價格(3.5元/m3,超濾/反滲透聯(lián)用技術具有一定的優(yōu)勢。由于雙膜過程產(chǎn)水水質(zhì)明顯優(yōu)于普通自來水,加上水資源日益短缺、自來水費日漸上漲,可以預見超濾/反滲

24、透聯(lián)用技術的應用前景非常廣闊。3結(jié)論本研究采用超濾與反滲透技術聯(lián)用處理印染廢水,與傳統(tǒng)處理工藝相比,最大的優(yōu)點就是產(chǎn)水能回用于生產(chǎn)過程中。結(jié)果表明,超濾能較好地去除廢水的濁度,為反滲透提供良好的水質(zhì),同時還能去除部分COD,提高產(chǎn)水水質(zhì)。反滲透能對廢水中的COD和離子可以有效去除,在20時,BW30對COD和電導的去除率分別為99%和98%,CP A2膜對COD的去除率達到99%,對電導的去除率為96%。以上結(jié)果表明,反滲透產(chǎn)水不僅可以達到和超過城市工業(yè)用水回用標準,而且,由于水質(zhì)好,可以回用于大部分印染過程的高級工序中。此外,針對實際印染廢水,2種反滲透膜均表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性,在一定溫度范

25、圍內(nèi),進水溫度升高對產(chǎn)水水質(zhì)影響不大,產(chǎn)水仍可回用,這表明反滲透膜具有較好的操作彈性。參考文獻1Mo J.H.,Lee Y.H.,Ki m J.,et al.Treat m ent of dye a2queous s oluti ons using nanofiltrati on polya m ide composite me mbranes f or the dye waste water reuse.Dyes and Pig2 ments,2008,76:429434廢水實驗研究.環(huán)境工程學報,2007,1(2:4648 3Zhang G.,Zeng H.C.,M eng Q.W ater Recycling fr omDyeing Effluent U sing Nanofiltrati on and D iverse O s mosis Me mbranes.Annual ACS Meeting,Bost on,Sep