采用紅曲黃納濾脫鹽濃縮工藝環(huán)保節(jié)能更高效

福建同舟縱橫（廈門）流體技術(shù)有限公司通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，可以采用膜過(guò)濾回收紅曲黃生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的溶液中的色價(jià)，同時(shí)降低濾液色度、環(huán)保處理的難度及成本，促進(jìn)清潔生產(chǎn)。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

實(shí)驗(yàn)使用的膜設(shè)備為公司自行設(shè)計(jì)開發(fā)的陶瓷膜和納濾膜設(shè)備，實(shí)驗(yàn)料液為紅曲黃發(fā)酵液板框?yàn)V渣的水提液。

二、實(shí)驗(yàn)方法

1.工藝流程。紅曲黃清液直接進(jìn)入納濾膜系統(tǒng)中濃縮，納濾后的透析液進(jìn)入后處理工序，濃縮液則通過(guò)干燥進(jìn)行處理。如圖1所示。

2.實(shí)驗(yàn)步驟。（1）膜芯選型。①在陶瓷膜實(shí)驗(yàn)設(shè)備中裝入50nm膜芯，檢查設(shè)備管路閥門無(wú)誤，測(cè)試膜芯各項(xiàng)基本性能，而后排干設(shè)備內(nèi)殘余水。取100L紅曲黃清液，經(jīng)濾袋加入到陶瓷膜實(shí)驗(yàn)設(shè)備的循環(huán)罐中，先用50nm膜芯，加滿循環(huán)罐后檢查設(shè)備管路。關(guān)閉透析液閥門，開啟設(shè)備，壓力控制在0.3Mpa，排氣后緩慢開啟透析液閥門，使透析壓降至0.05Mpa，觀察膜通量并記錄。穩(wěn)定運(yùn)行15min后對(duì)透析樣和濃縮樣分別取樣檢測(cè)。②在中試膜實(shí)驗(yàn)設(shè)備中裝入編號(hào)21G膜芯，檢查設(shè)備管路及閥門無(wú)誤，測(cè)試膜芯的各項(xiàng)基本性能，之后排干系統(tǒng)內(nèi)殘余水。取100L紅曲黃清液，經(jīng)5μm濾袋加入到中試膜實(shí)驗(yàn)設(shè)備的循環(huán)罐中，加滿循環(huán)罐后檢查設(shè)備管路。開啟設(shè)備，運(yùn)行15min后記錄壓力、溫度、頻率、流量等參數(shù)，取透析樣和濃縮樣送檢。停止設(shè)備，更換膜芯，分別將編號(hào)11G、編號(hào)11D膜芯裝入系統(tǒng)中，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

（2）三批次穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。取100L紅曲黃清液，經(jīng)5μm濾袋加入到多功能膜分離實(shí)驗(yàn)設(shè)備的循環(huán)罐中，加滿循環(huán)罐后檢查設(shè)備管路；開啟設(shè)備，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，取樣檢測(cè)，并開始接取透析液。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察膜通變化，如果通量低于10L.m-2.L-1，則根據(jù)通量變化情況在膜芯受壓范圍內(nèi)逐漸提高壓力。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中定時(shí)記錄壓力、溫度、頻率、流量等參數(shù)，定時(shí)取樣送檢，以計(jì)算準(zhǔn)確收率。濃縮過(guò)程中如果出現(xiàn)通量迅速降低的情況，或者濃縮到系統(tǒng)最小體積后，取透析樣和濃縮樣并與透析綜合樣一起送檢，同時(shí)停止設(shè)備，計(jì)算平衡收率。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，收集濃縮液，用純水將系統(tǒng)沖至濃縮液無(wú)色，取30℃-40℃熱水，加入清洗劑清洗30min后排掉清洗液，用純水將系統(tǒng)沖至pH中性及無(wú)泡沫。如無(wú)熱水，則通過(guò)系統(tǒng)循環(huán)升溫來(lái)清洗。

（3）操作條件。①陶瓷膜：操作壓力0.3MPa，回流量4.2m3/h，溫度控制在40℃以內(nèi)。②納濾膜：操作壓力2.3MPa，2540膜芯回流20L·min-1，4040膜芯回流40L·min-1，溫度控制在40℃以內(nèi)。

3.測(cè)定方法

（1）水通量的測(cè)定。水通量的測(cè)定通過(guò)膜性能檢測(cè)儀來(lái)完成，在適當(dāng)?shù)膲毫ο率鼓そM件運(yùn)行半小時(shí)，測(cè)出不同壓力下的水通量。水通量的計(jì)算公式為：

在上述公式中，JV為水通量（L·m-2·h-1），v為透過(guò)膜的純水的體積（L），A為膜的有效面積（m2），t為透過(guò)V的純水所需要的時(shí)間（h）。計(jì)算料液通量時(shí)，采用同樣的計(jì)算公式，v為透過(guò)料液的體積（L）。

（2）電導(dǎo)率測(cè)定。電導(dǎo)率是描述物質(zhì)中電荷流動(dòng)難易程度的參數(shù)，當(dāng)1A電流通過(guò)物體橫截而且存在1V電壓時(shí)，物體的電導(dǎo)為1S。電導(dǎo)率測(cè)定的主要原理是檢測(cè)兩電極板之間的電流，所以，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電解質(zhì)濃度來(lái)測(cè)定電導(dǎo)率，得到電導(dǎo)率-濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線；測(cè)定某一未知濃度電解質(zhì)的電導(dǎo)率，代入標(biāo)準(zhǔn)曲線即可得到該電解質(zhì)的濃度。根據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鍋爐用水和冷卻水分析方法純水電導(dǎo)率的測(cè)定GB12147-89》測(cè)定樣品的電導(dǎo)率，還可以通過(guò)測(cè)定得到的電導(dǎo)率，得出電極總吸附容量?？偽饺萘康挠?jì)算公式為：

在上述公式中，V為溶液體積，單位為mL；k為對(duì)應(yīng)電解質(zhì)溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率，單位為μS/（cm/mmol）；q1和q2分別為溶液吸附始末的電導(dǎo)率值，單位為μS/cm。

（3）灰分測(cè)定。采用馬弗爐焚燒法測(cè)量灰分，計(jì)算公式為：

在上述公式中，X是樣品中灰分的質(zhì)量（%）；m1是坩堝和灰分的質(zhì)量（g）；m2是坩堝的質(zhì)量（g）；m3是坩堝和樣品的質(zhì)量（g）。

除鹽干基計(jì)灰分的計(jì)算公式為：

在上述公式中，X是樣品中灰分的質(zhì)量（%）；X1是樣品中鹽分的含量（%）；X2是樣品中水分的含量（%）；m1是坩堝和灰分的質(zhì)量（g）；m2是坩堝的質(zhì)量（g）；m3是坩堝和樣品的質(zhì)量（g）。

（4）收率測(cè)定。

①色價(jià)的測(cè)定。

胞內(nèi)色素色價(jià)=胞內(nèi)黃色素色價(jià)+胞內(nèi)紅色素色價(jià)=（OD410+OD510）×稀釋倍數(shù)

胞外色素色價(jià)=胞外黃色素色價(jià)+胞外紅色素色價(jià)=（OD410+OD510）×稀釋倍數(shù)

②色價(jià)收率。

正算收率=（濃縮液色價(jià)*濃縮液體積）/（進(jìn)料液色價(jià)*進(jìn)料液體積）

反算收率=1-（透析液色價(jià)*透析液體積）/（進(jìn)料液色價(jià)*進(jìn)料液體積）

物料平衡=（透析液色價(jià)*透析液體積+濃縮液色價(jià)*濃縮液體積+沖洗液色價(jià)*沖洗液體積）/（進(jìn)料液色價(jià)*進(jìn)料液體積）

（5）清洗恢復(fù)測(cè)定。批次試驗(yàn)之后需用M120清洗劑進(jìn)行清洗，使膜通量恢復(fù)，并考察每次膜清洗后通量恢復(fù)情況。

三、結(jié)果與分析

1.選膜。由表1可知，陶瓷膜對(duì)紅曲黃的截留率僅有37.95%，編號(hào)21G超濾膜截留率只有38.22%，因此陶瓷膜芯、編號(hào)21G不適用于紅曲黃清液的濃縮。使用編號(hào)11D疏松反滲透膜對(duì)料液進(jìn)行濃縮，但由于料液的鹽分太高，導(dǎo)致膜芯幾乎沒(méi)有膜通量，故沒(méi)有檢測(cè)色價(jià)。11G納濾膜元件對(duì)料液截留率較高，截留率為99.21%，達(dá)到回收目的，為此后續(xù)實(shí)驗(yàn)選定編號(hào)11G。

2.實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)分析。由表2可知，3個(gè)批次的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行壓力2.3MPa，溫度控制在40℃以下，都只能濃縮5倍，平均通量在8.00-8.24L.m-2.L-1，膜通量的重現(xiàn)性比較好，說(shuō)明生產(chǎn)出的料液性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，工業(yè)化可行性較高。

3.通量分析。紅曲黃濃縮實(shí)驗(yàn)?zāi)ね颗c時(shí)間的關(guān)系見圖2；把膜通量與時(shí)間關(guān)系圖轉(zhuǎn)化為膜通量與濃縮倍數(shù)關(guān)系圖，見圖3。

由圖2、3可知，隨著濃縮時(shí)間的加長(zhǎng)，料液色價(jià)以及雜質(zhì)濃度都在升高，固含量也隨即升高，導(dǎo)致膜通量下降，這屬于正常情況，也符合膜芯性能。初始部分由于膜芯初始時(shí)未受污染，在接觸料液后料液迅速在膜表面形成污染層，因此通量也迅速下降，濃縮只能達(dá)到5倍，3倍之后的膜通量<5L.m-2.L-1，故在工業(yè)化設(shè)計(jì)時(shí)只設(shè)計(jì)到3倍濃縮。

4.收率分析。表3為各批次走料收率比較，其中正算收率超過(guò)了100%，是由于測(cè)量誤差而引起的，但說(shuō)明正算收率非常高；反算收率接近100%，說(shuō)明紅曲黃損失很少，膜芯適用于濃縮紅曲黃。

5.脫鹽效果分析。從表4可見，結(jié)合電導(dǎo)率和灰分檢測(cè)，通過(guò)納濾膜脫鹽濃縮，灰分可以降低到1%以下；正算和反算收率基本平衡，脫鹽率在80%以上。

6.膜芯清洗恢復(fù)性能分析。由圖4可知，膜芯實(shí)驗(yàn)前后通量變化不大，實(shí)驗(yàn)之后用水清洗即可恢復(fù)大部分的通量。但是為了防止下批走料時(shí)通量較低，每批次試驗(yàn)之后需用M120清洗劑進(jìn)行清洗，使膜通量完全恢復(fù)。

7.紅曲黃檢測(cè)數(shù)據(jù)分析。如表5所示，透析液COD仍然相對(duì)較高，在1萬(wàn)-2萬(wàn)之間。COD主要是料液中的紅曲黃色素產(chǎn)生，進(jìn)料色價(jià)高，透析色價(jià)高，從而導(dǎo)致透析液中COD相對(duì)較高。從透析液和進(jìn)料液COD對(duì)比看，COD脫除率在95%以上，降低了后續(xù)污水處理負(fù)荷。

四、結(jié)論

1.使用編號(hào)11G可將紅曲黃清夜?jié)饪s5倍，濾液色價(jià)控制在2.5u/ml-1以下，運(yùn)行通量穩(wěn)定，透析液COD在2萬(wàn)以下。如紅曲黃考慮脫鹽到0.5%以下，則可嘗試濃縮到5倍之后再加水洗濾使鹽分透過(guò)膜芯，從而降低產(chǎn)品中的鹽分。

2.紅曲黃納濾脫鹽濃縮量為每天30t，濃縮5倍，納濾濃縮液為6t/d，納濾透析液為24t/d?？梢?，納濾膜系統(tǒng)在節(jié)能降耗上確實(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)（為液液分離，不涉及相變），取代部分蒸發(fā)濃縮工藝已成為發(fā)展趨勢(shì)。

3.單效蒸發(fā)器去除1t水的費(fèi)用是150元，納濾膜濃縮去除1t水的費(fèi)用是21元，每天節(jié)約的蒸汽費(fèi)用為24t/d*（150-21）元/t=3096元/d，1年按照330d計(jì)算，則能耗方面的節(jié)約費(fèi)用是102.16萬(wàn)元/年。

作者簡(jiǎn)介：林楚潮（1979.12-），男，漢族，廣東潮陽(yáng)，藥劑師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：膜技術(shù)應(yīng)用及環(huán)境工程。