旋轉(zhuǎn)錯流式超濾膜處理石材廢水的試驗研究

周 博，王智鵬

(1.千月環(huán)保技術(shù)(北京)有限公司，北京 100094； 2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

我國石材資源分布廣、品種多(主要以大理石和花崗巖為主)。從2000年起，我國石材已探明的儲量、實際產(chǎn)量、出口總量、生產(chǎn)加工能力和總額均躍居世界第1位。石材開采加工過程中排出的廢水由于采用分散治理、偷排漏排及隨意流動，影響數(shù)十公里地域內(nèi)河流水質(zhì)和堤岸土壤[1]，具有廣泛的傳播性、長期性與污染嚴重等特點。

石材廢水主要來源于鋸切過程的冷卻水，石材廢水中含有大量的石粉(主要的化學成分為SiO2)、少量的金剛石顆粒以及泥沙[2]。石粉的比重大約2.8 t/m3。石材廢水中固體懸浮物渾濁度很高，可達25 000 mg/L，污水中顆粒粒徑分布在5 μm～1.5 mm之間[3]。石材廢水具有懸浮物比重大、粒度細、沉淀速度慢等特性。對石材廢水的處理有2種模式[4]：一種是每家企業(yè)單獨處理；另一種是集中處理。

在處理污染物方面，廖希彥[5]從石材加工污水的特性、污水處理原理及工藝流程、混助凝劑及投放量、混合設(shè)備及形式等關(guān)鍵問題方面進行分析，設(shè)計了一種石材加工污水綜合處理設(shè)備，解決了石材加工中污水的凈化和循環(huán)利用問題。在處理工藝方面，徐微等[6]采用三級混凝/沉淀工藝處理大理石加工廢水，其運行結(jié)果表明，懸浮物(SS)去除率達到了96.18%～98.02%。李孟等[7]提出用一種新型陶瓷濾料對工業(yè)廢水進行過濾處理，用COD、SS等參數(shù)來評價新型陶瓷濾料的去污效果，結(jié)果表明，新型陶瓷濾料明顯優(yōu)于傳統(tǒng)石英砂濾料，出水水質(zhì)好，顯著提高處理后回用水的質(zhì)量。在集中式廢水處理模式上[8]，國外學者Nasserdine K等[9]建議由政府出面沿希伯倫河不同地點建設(shè)十大石材廢水治理項目，以減少或消除石材廢水和固體廢棄物直接排放到環(huán)境，不僅提高石材加工企業(yè)的出水水質(zhì)，還使出水的回收率達到44%～99%[9]，同時減少了單個企業(yè)的長期經(jīng)營費用。

近年來，隨著我國環(huán)境水污染治理標準的提高，對此類水的治理也越來越受到公眾的關(guān)注。膜分離技術(shù)已經(jīng)成為當前處理最為可行的技術(shù)方法。金珊等[10]采用孔徑為0. 8 μm的陶瓷膜處理大理石生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水。為了克服傳統(tǒng)膜分離設(shè)備運行中的曝氣能耗高、易堵塞、化學清洗頻繁等缺點，提升膜設(shè)備工業(yè)化水平，耿安朝等[11]研發(fā)了一種主動錯流式膜分離設(shè)備，該膜組件由“靜態(tài)”變?yōu)椤皠討B(tài)”操作方式，通過超/微濾膜組件在液下的程控旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)主動式錯流過濾，無需曝氣和反沖洗即可高效防止膜阻塞和延緩膜污染。徐曼等[12]用旋轉(zhuǎn)錯流式膜分離裝置對船舶含油污水進行深度處理，含油污水的COD去除率可達91.12%。阮清波等[13]將旋轉(zhuǎn)錯流式超濾膜應(yīng)用于農(nóng)村飲水工程，無需濾清，可直接對各類水源飲水進行凈化，出水水質(zhì)符合飲用水衛(wèi)生標準。

筆者將旋轉(zhuǎn)錯流式膜分離技術(shù)應(yīng)用于石材廢水處理，考察了膜分離裝置對石材廢水中CODcr、懸浮物(SS)、濁度的去除性能，同時考察了膜裝置的運行狀況、操作條件、防阻塞和延緩污染的能力。

1 試驗部分

1.1 試驗用水

試驗在山東省某石業(yè)有限公司采礦區(qū)鋸機循環(huán)水池邊進行，抽取水池中廢水至試驗裝置。24 h運行期間進水水質(zhì)情況如表1所示。

表1 采礦區(qū)鋸機循環(huán)水池中廢水水質(zhì)Table 1 Influent quality

1.2 試驗裝置

旋轉(zhuǎn)錯流式超濾膜裝置的設(shè)計原理是將膜元件高度集成后，以水下浸沒的方式，通過自動程序控制旋轉(zhuǎn)運行。旋轉(zhuǎn)錯流能有效消除膜表面濃差極化，同時充分利用膜集成元件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強力湍流、表面剪切力和離心力，使膜元件表面獲得強力沖刷，不需曝氣就能夠有效防止產(chǎn)生濾層。試驗中的膜元件采用中空腔式支撐平板膜，加載進口PES超濾膜片，平均孔徑為0.4 μm。

裝置結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)錯流式膜分離裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotary cross flow membrane separation device

1.3 試驗工藝流程

試驗的石材采礦廢水處理工藝流程如圖2所示。

圖2 膜處理工藝流程Fig.2 Process flow chart of membrane treatment

各分散采礦面的污水匯集蓄水池后，經(jīng)泵抽至集水池。通過集水池中抽水泵將污水抽至膜分離裝置設(shè)備箱體內(nèi)。然后通過自吸泵從膜組件出水到清水池。清水池處理完水回用于采礦鋸機冷卻。膜分離裝置尺寸為2.0 m×1.5 m×1.5 m，處理水量為3 m3/h，內(nèi)置旋轉(zhuǎn)式錯流膜元件過濾面積為50 m2。

1.4 試驗儀器和設(shè)備

試驗研究過程中所用到的主要儀器和設(shè)備如表2所示。

表 2 實驗儀器和設(shè)備Table 2 Experimental instruments and equipment

1.5 分析方法

試驗中水質(zhì)測定的分析方法如表3所示。

表3 水質(zhì)分析項目及方法Table 3 Water quality analysis items and methods

2 結(jié)果及分析

2.1 CODcr去除效果

膜分離裝置連續(xù)穩(wěn)定運行10 d內(nèi)，對膜分離裝置進出水中CODcr質(zhì)量濃度進行取樣測定，結(jié)果如圖3所示。由圖3中可以看出，裝置進水CODcr質(zhì)量濃度在20～25 mg/L之間，出水CODcr質(zhì)量濃度在15 mg/L左右。試驗裝置對CODcr的去除作用不明顯。原因在于石材采礦廢水污染物主要為無機類懸浮顆粒，大部分為細小石粉，有機污染物質(zhì)量濃度較低。

圖3 膜分離裝置進出水CODcr濃度變化Fig.3 Change of CODCr concentration in inlet and outlet water of membrane separation unit

2.2 懸浮物(SS)去除效果

膜分離裝置連續(xù)穩(wěn)定運行10 d內(nèi)，對膜分離裝置進出水中懸浮物(SS)質(zhì)量濃度進行取樣測定，結(jié)果如圖4所示。由圖4中可以看出，裝置對石材廢水中SS去除效果顯著，去除率達99.5%，出水懸浮物趨近于0。

圖4 膜分離裝置對SS的去除效果Fig.4 Removal efficiency of SS by membrane separation device

2.3 濁度去除效果

膜分離裝置連續(xù)穩(wěn)定運行10 d內(nèi)，對膜分離裝置進出水濁度進行取樣測定，結(jié)果如圖5所示。由圖5中可以看出，裝置對石材廢水中濁度去除效果顯著，去除率達100%，出水濁度趨近于0。

圖5 膜分離裝置對濁度的去除效果Fig.5 Removal effect of turbidity by membrane separation device

2.4 膜分離裝置操作性能

2.4.1 膜分離裝置運行狀況

試驗運行中，膜板出水采用抽吸方式，真空表連續(xù)不間斷監(jiān)測膜的操作壓力?？紤]到數(shù)據(jù)處理的簡便性，將真空表負壓換算成正壓。膜分離裝置初始抽停比控制在7∶3(抽水7 min，停止3 min)。抽吸出水時轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為36 r/min，停止抽吸時轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為27 r/min，操作周期為10 min。用玻璃轉(zhuǎn)子流量計記錄每個周期出水量，觀察同周期膜操作壓力的變化，每1 h記錄1次。

在試驗過程對膜元件采用在線清洗方式，將膜分離裝置液位降至膜元件以下，打開裝置旁清洗藥槽的閥門，利用1 m左右的液位差將處理完的清水回注到膜元件內(nèi)部，此時膜元件保持緩慢旋轉(zhuǎn)，大約1 h后，即可清除膜表面污染物，之后將裝置液位提升浸沒膜元件并恢復運行。

連續(xù)運行10 d后，出水量為2.1 m3/h。對膜分離裝置進行維護性反沖洗。

2.4.2 操作壓力與出水流量的變化

統(tǒng)計30 d運行期操作壓力和出水流量的變化情況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 操作壓力和出水流量隨運行時間的變化趨勢Fig.6 Variation trend of operating pressure and effluent flow with operation time

由圖6中可以看出，操作壓力的變化呈現(xiàn)與出水流量負相關(guān)的趨勢。

在線清洗初期，穩(wěn)定時的操作壓力都達到最小，平均為10 kPa左右，出水流量恢復到最大，平均為3.0 m3/h左右。隨著運行時間變長，膜操作壓力逐漸增加，呈現(xiàn)緩慢升高的趨勢，伴隨著一定的波動性。在反沖洗初期，膜元件的出水流量可以恢復到3 m3/h左右，并保持一定的穩(wěn)定期，出水流量呈現(xiàn)緩慢的下降速率，直到再次清洗。這主要得益于旋轉(zhuǎn)錯流式膜裝置通過膜元件表面與液體間的剪切力和轉(zhuǎn)動帶來的強力湍流，有效防止了濾餅層的生成，大大提高了膜元件表面的“自清潔”能力，顯著降低了膜污染速度，使膜裝置能夠長期高通量運行。當裝置運行到10 d左右，穩(wěn)定時膜操作壓力增加到30 kPa左右，增幅為20 kPa，膜裝置進行第2次在線清洗。第2次清洗后，膜操作壓力的變化趨勢與第1次清洗后的變化相類似。從運行周期整體看，膜操作壓力能長時間保持在膜允許操作范圍內(nèi)，增長趨勢緩慢。

2.4.3 在線清洗周期和方式

由圖6中可以看出，在線清洗后出水流量能夠較長時間保持穩(wěn)定，同時操作壓力在膜允許操作壓力范圍內(nèi)，直至運行第30 d出水流量依然能保持在2.5 m3/h以上。在此情況下，膜裝置的在線清洗周期應(yīng)設(shè)置為10 d。膜裝置每運行10 d進行1次在線維護性清洗，無需化學清洗。試驗結(jié)果表明，在線清洗后出水流量可以恢復到3.2 m3/h左右，在線清洗效果顯著。

2.4.4 運行處理能耗

旋轉(zhuǎn)錯流超濾膜裝置主要依靠驅(qū)動電機自動程序控制旋轉(zhuǎn)運行，試驗所用膜裝置設(shè)備的驅(qū)動電機僅為450 W，而采用曝氣擦洗方式的中空纖維膜或板框式平板膜設(shè)備[17]，其曝氣沖刷膜表面的空氣量一般設(shè)定氣水比為20∶1，在處理3.0 m3/h進水的情況下，曝氣量需要60 m3/h，風機額定功率為1.5 kW。因此，旋轉(zhuǎn)錯流運行與曝氣擦洗運行方式相比，能耗節(jié)約70%左右。

2.5 與常規(guī)膜分離設(shè)備的應(yīng)用對比

在處理水量為3 m3/h下，將旋轉(zhuǎn)錯流超濾膜設(shè)備與常規(guī)中空纖維超濾膜設(shè)備進行對比，如表4所示。

表4 相關(guān)參數(shù)及應(yīng)用效果比較Table 4 Comparison of related parameters and application effects

旋轉(zhuǎn)錯流式運行方式提高了膜組件的“自清潔”抗污染能力，不需要提供曝氣，有效地防止堵塞濾層，同時延緩了膜污染速度。運行處理能耗只占常規(guī)曝氣膜設(shè)備的30%左右，節(jié)能效益顯著，工業(yè)化應(yīng)用推廣具有良好前景。

3 結(jié)論

(1)將旋轉(zhuǎn)錯流式超濾設(shè)備應(yīng)用于石材采礦污水處理，出水流量較長時間穩(wěn)定在2.5 m3/h以上，操作壓力維持在小于0.04 MPa的低壓水平，其中懸浮物去除率達99.5%，濁度去除率達100%，出水CODcr質(zhì)量濃度在15 mg/L左右，滿足廠區(qū)回用水標準。相對于傳統(tǒng)的膜設(shè)備，旋轉(zhuǎn)錯流式膜設(shè)備在處理石材廢水時僅需周期的維護性清洗，基本不需要化學清洗，抗污染能力突出。

(2)針對石材(花崗巖類)采礦廢水的處理，旋轉(zhuǎn)錯流式超濾設(shè)備相對傳統(tǒng)的絮凝沉淀工藝具有去除效率高、占地面積小、運行成本低等優(yōu)點。

(3)旋轉(zhuǎn)錯流式運行方式提高了膜組件的“自清潔”抗污染能力，不需要提供曝氣，有效地防止堵塞濾層，同時延緩了膜污染速度。運行處理能耗只占常規(guī)曝氣膜設(shè)備的30%左右，節(jié)能效益顯著，工業(yè)化應(yīng)用推廣具有良好前景。