多孔陶瓷微滤膜处理印染废水过虑参数及效果研究

　　（东华大学环境科学与工程学院，上海201620）
 

　　【摘要】研究了多孔陶瓷微滤膜对印染废水的过滤效果，对操作压力、错流速度以及运行时间等操作参数进行了探讨。结果表明，操作压力为0.275MPa，错流速度2.5m·s-1，运行20min后COD和NH3-N的去除率分别达到了30%和20%左右。在废水中投加0.3g·L-1的高岭土，COD的平均去除率可达50%。

　　关键词：多孔陶瓷膜；印染废水；微滤；废水处理

　　中图分类号：TQ028.8；X703.1文献标识码：A文章编号：1000-3700(2009)02-084-03

　　用膜过滤技术处理各种工业废水的研究很早就已开始。早在上世纪七十年代无机分离膜便开始应用于工业废水的处理，但由于工业废水的污染程度高、成分复杂，使得膜的使用寿命很短，且处理成本很高，因而仅限于一些特定的领域，如含油废水的处理和乳化液废水的处理等[1]。随着无机膜技术的不断发展，其所具有的化学稳定性好、机械强度大、抗酸碱及微生物腐蚀能力强、分离效率高等优点使其在废水处理中的优势日益明显。

　　用无机膜处理印染废水的研究开始于上世纪八十年代。Soma等用0.2μm的氧化铝膜处理印染废水取得了良好的效果[2]；NeytzelldeWilde等用氧化锆动态膜处理羊毛洗涤废水，实现了出水回用于洗涤工序。

　　本文应用多孔陶瓷微滤膜处理印染废水二级出水，采用错流方式，探讨了多孔陶瓷微滤膜的操作条件，包括跨膜压力、错流速度和运行时间的选择，以及多孔陶瓷微滤膜对印染废水的处理效果。

　　1·试验部分

　　1.1试验材料

　　试验中所用陶瓷膜管由广东佛陶集团金刚新材料有限公司提供。膜管材料为α-Al2O3，通道数为19，膜管外径30mm，通道直径4mm，壁厚1.5～2mm，长度35cm，膜面积0.24m·2m-1，平均孔径0.2μm。所用原水为实验室处理某印花废水装置的出水。原水水质见表1。

　　1.2工艺流程

　　试验采用自行设计的陶瓷膜分离装置，装置及流程如图1所示。

　　原液罐中的废水依靠重力从原液罐流至离心泵，之后在离心泵的作用下在试验系统中循环流动，废水经过陶瓷膜组件时一部分通过错流过滤后出水，其余部分则回流至原液罐。膜组件由内部的多孔陶瓷膜管和外部的不锈钢套筒组成，组件内设一根膜管。离心泵出水管一侧开一旁路，压力和流速的改变通过各个阀门的调节实现。原液罐内设有循环冷却装置使系统内温度保持在20℃左右。

　　试验中过滤方式为错流过滤。废水以切线方向流过膜表面，在压力作用下通过膜，废水中的颗粒则被膜截留而停留在膜表面形成一层动态膜。与死端过滤不同的是废水流经膜表面时产生的高剪切力可使沉积在膜表面的颗粒扩散返回主体流，从而被带出微滤膜组件，过滤导致的颗粒在膜表面的沉积速度与流体流经膜表面时由速度梯度产生的剪切力引发的颗粒返回主流体的速度达到平衡，可使该动态膜不再无限增厚而保持在一个较薄的稳定水平。试验中跨膜压差ΔP由精密压力表上的读数通过公式:

　　1.3分析方法

　　通量是反映膜管性能的一个重要指标，计算公式为：

　　式中：J为渗透液通量，L·m-2·h-1；d为通道直径，m；l为膜管长度，m。

　　通量测量时用一台电子天平对出水进行连续读数，通过间隔时间Δt的出水量ΔV来计算膜管的通量。另外由于出水浊度基本为零，出水的物理性质按纯水计。COD的测定采用微波消解法，色度、NH3-N采用标准分析方法[3]，电导率的测定采用DDS-307型电导率仪。

　　2·结果与讨论

　　2.1通量衰减

　　图2示出陶瓷膜过滤废水的通量随时间的衰减变化，其中跨膜压差为0.075MPa，错流速度为2.5m·s-1。装置启动后通量在开始的20min内急剧下降，之后变化幅度逐渐减小，随着装置运行时间的增加最终通量稳定在100L·m-2·h-1左右。前20min通量的急剧下降是由于废水中的颗粒物质使陶瓷膜产生膜污染，主要为固体悬浮颗粒沉积在膜面形成凝胶极化层、小颗粒部分堵塞膜孔、颗粒在膜表面吸附而形成的。

　　2.2不同跨膜压差和错流速度下的膜通量

　　在一个恒定的跨膜压差下改变错流速度通量的变化如图3所示。由图3可知，在一个恒定的跨膜压差下通量随着错流流速的增大而逐渐减小。一般认为错流速度越大，越能减小浓差极化的影响，降低微滤阻力，膜的通量也越大。另一方面，错流速度增大，首先带走了膜表面的大颗粒，使滤饼层细颗粒比例增高、滤饼层比阻增大，从而使通量随着错流流速的增大而逐渐减小。

　　2.3不同运行时间废水的处理效果

　　陶瓷膜直接处理废水过程中COD和NH3-N的去除率随时间的变化如图4所示。其中操作条件为跨膜压差0.275MPa，错流速度2.5m·s-1。由于陶瓷膜装置启动运行20min左右通量基本稳定，故装置从开始运行20min后取出水测量。由图4可知，装置对废水COD和NH3-N的去除率都在运行20min后达到最高，分别为30%和20%左右。之后随着装置运行时间的增长去除率略有下降。

　　废水原水为某印花废水处理装置生化处理二级出水，废水中含有大量的游离微生物，因而会产生凝胶物质包括溶解性微生物产物（SMP）和胞外多聚物（ECP）[6]。其中SMP主要为腐殖酸、富里酸、多糖、蛋白质和核酸等物质，其中不乏大分子有机物和胶体颗粒[7]；ECP主要由蛋白质和多糖组成，是污泥絮团的主要成分。两者都是产生COD的重要部分，且SMP易于与膜发生作用而被截留，因而在通量基本稳定时即陶瓷膜对废水中大部分颗粒物质截留后，污染物质的去除率达到最高。故选择陶瓷微滤膜装置处理废水的最优运行时间为20min，如无特别说明本文中对废水的处理试验都选取20min的处理时间。

　　2.4投加高岭土后的通量衰减

　　图5示出了在跨膜压差为0.275MPa，错流速度为2.5m·s-1的运行条件下，在废水原水中投加0.1g·L-1高岭土与未投加高岭土的通量随时间的变化。由图5可知，从装置开始运行投加高岭土与直接过滤的通量几乎相等，之后两者通量都迅速下降，20min后分别降到了250L·m-·2h-1和150L·m-·2h-1左右，装置运行250min后两者通量分别稳定在200L·m-2·h-1和100L·m-·2h-1左右。另外投加高岭土的废水的通量要明显大于直接过滤的废水通量，分析原因是投加在废水中的高岭土会在陶瓷膜表面形成一层动态膜，这层高岭土膜能有效地防止细小的颗粒进入陶瓷膜内部堵塞膜孔，从而增大了陶瓷膜过滤废水的通量。

　　2.5投加高岭土后COD的去除效果

　　投加不同量的高岭土COD的去除效果如图6所示，跨膜压差为0.275MPa，错流速度为2.5m·s-1。在所处理的废水中投加一定量的高岭土，随着装置的运行在陶瓷膜表面会形成一层动态膜，它不仅能在一定程度上解决传统膜处理方法中膜组件的污染问题，并且由于投加的高岭土会在膜材料表面形成动态膜从而使过滤孔径变小增强了截留能力[8]。

　　从图6中可以看出，在废水中投加了高龄土的陶瓷膜对COD的去除率要大于不投加的COD去除率，并且随着高岭土在废水中浓度的上升COD的去除率也呈现了上升的趋势。分析其原因是废水中含有一定量的游离微生物和可溶性细胞产物，投加高岭土形成动态膜能增加对分子量较大的可溶性细胞产物和游离微生物的截留[9]，从而提高了废水COD的去除率。高岭土投加量为0.5g·L-1时较投加0.3g·L-1时COD去除率增加不明显，而且随着运行时间的增加去除率还会有一定程度的下降，所以综合考虑各种因素认为在废水原液中投加0.3g·L-1的高岭土对废水COD去除效果最优，平均去除率达到50%左右。

　　3·结论

　　试验采用孔径为0.2μm的α-Al2O3多孔陶瓷微滤膜构成反应装置，并对其处理印染废水二级出水进行了研究。讨论了跨膜压差和错流速度对膜通量的影响，并选定了装置对废水的最优运行时间，装置在跨膜压差0.275MPa、错流速度2.5m·s-1下运行20min左右对废水的处理效率最高，COD和NH3-N的去除率分别达到了30%和20%左右。在废水中预投加一定量的高岭土在相同的运行条件下会产生更大的出水通量，选定了0.3g·L-1高岭土的最优投加量，其在相同的运行条件下COD的平均去除率达到了50%。多孔陶瓷微滤膜应用印染废水深度处理有着良好的发展前景。