密集多通道陶瓷膜處理乳化液廢水的研究

葉興剛，李小波

(1．武漢大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430000；2.湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 環(huán)境工程系，湖北 十堰 442000)

無(wú)機(jī)陶瓷膜分離技術(shù)是基于多孔陶瓷介質(zhì)的篩分效應(yīng)而進(jìn)行的物質(zhì)分離技術(shù)，采用與傳統(tǒng)“死端過(guò)濾”、“濾餅過(guò)濾”等過(guò)濾方式截然不同的動(dòng)態(tài)“錯(cuò)流過(guò)濾”方式：即在壓力驅(qū)動(dòng)下，原料液在膜管內(nèi)側(cè)膜層表面以一定的流速高速流動(dòng)，小分子物質(zhì)(液體)沿與之垂直方向透過(guò)微孔膜，大分子物質(zhì)(或固體顆粒)被膜截留，使流體達(dá)到分離濃縮和純化的目的。近年來(lái)，無(wú)機(jī)陶瓷膜技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用十分廣泛[1]。當(dāng)前，在廢水處理中得到了廣泛的應(yīng)用，如用于鈦白廢水處理、印鈔擦版廢水處理、鋼鐵廠冷軋薄板生產(chǎn)線含油廢水處理、油脂廠堿煉洗滌廢水處理、機(jī)械加工廠脫脂液廢水處理、電鍍廢水處理等。

本文針對(duì)陶瓷膜領(lǐng)域的新產(chǎn)品——密集多通道無(wú)機(jī)陶瓷膜開(kāi)展了其在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)乳化液廢水處理的試驗(yàn)研究，以便為相應(yīng)工程設(shè)計(jì)提供適宜的技術(shù)參數(shù)。

1 廢水來(lái)源及試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所用的廢水來(lái)自于某合資汽車(chē)公司的發(fā)動(dòng)機(jī)制造車(chē)間所產(chǎn)生的乳化廢液及其清洗廢水組成的乳化廢水(經(jīng)過(guò)紙袋過(guò)濾器進(jìn)行了預(yù)處理)。其中乳化廢液約占41%，而清洗廢水約占59%，該水中的COD為27900-139000 mg/L，顏色呈乳白帶黑色，石油類(lèi)為8200-1360 mg/L。

試驗(yàn)所采用的設(shè)備為自行設(shè)計(jì)組裝，其核心部件——膜組件采用的是北京考特科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的密集多通道無(wú)機(jī)陶瓷膜。其基本性能指標(biāo)如下：

純水通量(0.1Mpa、 25℃)L·h-1·m-2截面分子量WMCOPH操作溫度℃最高工作壓力Mpa膜通道直徑mm膜比重80010萬(wàn)1～145～65*0.63.53.5mm

*取決塑料殼體

如作為水處理用，有關(guān)要求原水指標(biāo)要求如下：

原水通量Lmh原水濁度NTUTSSmg/LTOC/TDCmg/L絮凝劑mg/L過(guò)濾間隔時(shí)間/h化學(xué)清洗周期/d就地清洗周期/月170-370<1500<3000<100<2001-22-46

2 試驗(yàn)工藝流程說(shuō)明及監(jiān)控指標(biāo)

2.1 試驗(yàn)工藝流程說(shuō)明

本工程試驗(yàn)采用了1套密集多通道無(wú)機(jī)陶瓷膜中試設(shè)備(0.2t/h)開(kāi)展了試驗(yàn)，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 中試試驗(yàn)工藝流程框圖

取一定量的經(jīng)預(yù)處理后的乳化液廢水加入原料罐1中，在增壓泵6的作用下被壓入膜組件2；原廢水分成濃液和濾液兩部分分別通過(guò)閥門(mén)F2、F3進(jìn)入到1和3,從而利用膜的作用實(shí)現(xiàn)油水分離。

正常工作狀態(tài)可以采用錯(cuò)流過(guò)濾和全流過(guò)濾兩種模式。通常同時(shí)打開(kāi)F1、F2、F3、F4使得系統(tǒng)處于錯(cuò)流過(guò)濾模式；如關(guān)閉F2，則屬于全流過(guò)濾模式，原水通過(guò)膜組件和F3流入清液罐。

2.2 監(jiān)控指標(biāo)

本次試驗(yàn)的目的是為了尋求密集多通道無(wú)機(jī)陶瓷膜處理特殊乳化液廢水時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)及操作參數(shù)，即通過(guò)J-c、J-P、J-T、J-v等關(guān)系圖來(lái)尋求。主要監(jiān)測(cè)的指標(biāo)為進(jìn)出水的COD、出水的含油量、進(jìn)出口壓差、水溫等。該過(guò)程通過(guò)循環(huán)泵進(jìn)行料液循環(huán)，用截止閥來(lái)調(diào)節(jié)陶瓷膜的工作壓力和膜面流速；過(guò)濾后的料液溫度會(huì)升高，使用循環(huán)罐外的冷凝管控制溫度。

水溫、壓力在線檢測(cè)；COD的測(cè)定采用密閉消解光度法[GB/T11914-1989(A)]、石油類(lèi)的測(cè)定采用紅外分光光度法[HJ637-2012]。

3 乳化液廢水處理工藝參數(shù)的試驗(yàn)分析

在污水分離過(guò)程中，壓力和膜面流速是膜處理極其重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，它對(duì)膜通量的影響很大，而且兩者的還相互影響。現(xiàn)在通過(guò)對(duì)乳化液廢水的中試試驗(yàn)來(lái)確定其相關(guān)參數(shù)。

3.1 膜面流速(v)的確定

膜面流速v是指在泵的推動(dòng)作用下料液平行于膜面流動(dòng)的平均速度，是與過(guò)濾速度垂直的重要膜分離參數(shù)，膜面流速較小時(shí)，膜面易形成較厚的層流底層而使液膜阻力增大，膜通量顯著下降；較高的膜面流速可以提高對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，減少滯留層厚度，減輕濃差極化，在有效地減少膜面污染的同時(shí)提高滲透通量，但操作回流比增大必將導(dǎo)致能耗增加，對(duì)操作不利[2]。

選定工作壓力為0.3 MPa、溫度為45℃時(shí)，分別在v=2、3、4、5、6、7 m/s的條件下，研究膜穩(wěn)定通量的變化情況，并同時(shí)對(duì)出水中石油類(lèi)含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖2 膜通量J—膜面流速v關(guān)系圖

從上圖可以看出：膜面流速v較小時(shí)因膜表面被迅速污染而致使膜通量急劇下降；隨著膜面流速的提升，膜通量會(huì)得以改善，但是膜面流速過(guò)高，膜通量反而會(huì)下降。結(jié)合J-Coil關(guān)系圖可以看出該處的膜面流速應(yīng)在4-6 m/s為宜。在此流速下膜的污染較小、乳化油的截留率較高，膜通量較高且穩(wěn)定。

3.2 操作壓力的確定

工作壓力為0.3 MPa、溫度為45℃時(shí)，調(diào)節(jié)循環(huán)泵出口壓力，使其分別位于P=0.2、0.3、0.35、0.4、0.5 MPa的條件下，研究膜通量J的變化情況，并同時(shí)對(duì)出水中石油類(lèi)含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別繪制J-P、coil-J曲線圖，其結(jié)果參見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 T—P關(guān)系圖

從J-P圖可以看出：在膜面流速一定且壓力不太高的時(shí)候，膜通量隨著壓力的增加而呈現(xiàn)近似直線的上升；但在升至一定壓力之后，濃差極化開(kāi)始起作用并隨壓力升高而趨嚴(yán)重，膜通量的增速也變得緩慢；直至壓力升高到一定數(shù)值后，濃差極化使得膜表面形成污染層，污染層阻力成為了傳質(zhì)的控制因素；壓力進(jìn)一步提高，污染層就會(huì)被“壓實(shí)”，甚至緊貼膜孔，從而使得膜通量反而下降。從上圖可以看出：該類(lèi)乳化液廢水的處理壓力以控制在0.28-0.4 Mpa之間為宜。

圖4 coil—P關(guān)系圖

從coil-P的數(shù)據(jù)關(guān)系來(lái)看：較低的壓力條件下，乳化液不易克服膜層阻力透過(guò)膜，在較高壓力作用下乳化液滴易透過(guò)膜造成滲透液中油含量較高；濾液中的含油量隨著運(yùn)行壓差的升高而加大，并在壓差在達(dá)到0.35 MPa以后，含油量升高趨勢(shì)明顯增強(qiáng)。所以運(yùn)行壓差宜控制在0.35 MPa以下。

綜合考慮濃差極化、出水水質(zhì)、運(yùn)行成本等因素，建議該類(lèi)乳化液廢水的處理壓力以控制在0.3 Mpa左右為宜。

3.3 操作溫度的確定

工作壓力為0.3 MPa、膜面流速為5 m/s時(shí)，改變溫度的大小,研究膜通量J隨溫度T的變化情況。監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 J—T關(guān)系圖

隨著溫度的升高，乳化液廢水的粘度減小，傳質(zhì)系數(shù)得到改善，從而降低了膜表面?zhèn)髻|(zhì)阻力，提高了膜通量。從圖5可以看出：當(dāng)溫度升高至25℃時(shí)，通量出現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)；但在溫度升高至50℃后，通量上升趨勢(shì)明顯減弱。考慮加熱所帶來(lái)的運(yùn)營(yíng)成本，我們建議乳化液膜分離系統(tǒng)操作溫度控制在30～50℃之間，一般以45℃左右為宜。

4 工程實(shí)踐

根據(jù)上述工藝參數(shù)，在某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)廢水處理站進(jìn)行了工程實(shí)踐，并連續(xù)監(jiān)測(cè)了相關(guān)數(shù)據(jù)，其乳化液廢水進(jìn)水的平均COD為47 240 mg/L、油含量為12 780 mg/L，出水的平均COD為7 384 mg/L、油含量為15.6 mg/L，均達(dá)到了后續(xù)生化處理的水質(zhì)要求。相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)參見(jiàn)圖6。

圖6 某乳化液廢水膜處理前后水質(zhì)變化圖

5 結(jié)論

在控制膜面流速取4-6 m/s、壓力控制為0.3 MPa、溫度控制在45℃左右時(shí)，采用密集多通道無(wú)機(jī)陶瓷膜處理汽車(chē)行業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)乳化液廢水的效果良好，通過(guò)工程實(shí)踐的檢驗(yàn)可知COD和油類(lèi)的去除率分別在84.4%、99.8%以上，均能達(dá)到后期廢水生化處理的要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王 瑛,李 夢(mèng),焦光聯(lián)．預(yù)處理+無(wú)機(jī)陶瓷膜工藝處理乳化液廢水的實(shí)驗(yàn)研究[J]．工業(yè)水處理2011(6)：66-69.

[2] 吳 ?。♀n廢水處理方法的實(shí)驗(yàn)研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，2001．