超濾/反滲透雙膜法在印染廢水深度處理中的應用

安文浩，許育新，沈阿林

(浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

紡織印染業是我國排放廢水量較大的工業行業。印染廢水的水質特點為高色度、高化學需氧量、高pH、高鹽度、高硬度、低可生化性等，其有機污染負荷大，是一類難處理的工業廢水[1-3]。在水資源日益匱乏、環保要求日益嚴格的形勢下，提高水回用率、減少新鮮水使用、降低廢水排放量勢在必行。常見的印染廢水處理方法主要有物理化學法、化學法和生物法。在實際應用中，由于印染廢水水質復雜，使用單一處理方法通常很難獲得理想的處理效果；因此，印染廢水處理常采用多種技術的組合，以取得最佳凈化效果。盡管如此，目前印染廢水的出水水質仍難達到廢水排放標準和滿足回用要求。膜技術是新近迅速崛起的一項高新技術。先進的膜技術產水水質好，能直接回用于印染環節。近年來，以膜生物反應器(MBR)、超濾(UF)、反滲透(RO)為深度處理核心路線的膜法水處理技術日益得到推廣應用[4-6]。

選擇UF/RO雙膜法，以印染廢水厭氧/好氧(A/O)工藝的二沉池出水為研究對象，進行膜工藝參數優化和污染物去除研究，旨在為膜設備在印染行業的應用與推廣提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 材料

超濾膜，聚偏氟乙烯(PVDF)材質，1.2 m3·h-1；BW400-FR反滲透膜，美國陶氏(DOW)。

1.2 印染廢水

試驗用水系紹興某染整有限公司A/O工藝的二沉池出水。水質指標如下：溫度23～26 ℃，pH值6.8～9.5，色度32倍，濁度5.93 NTU，全鹽量2.53×103mg·L-1，懸浮物(SS)含量12 mg·L-1，化學需氧量(CODCr)219 mg·L-1，總氮(TN)含量8.14 mg·L-1，總磷(TP)含量0.383 mg·L-1，氨氮含量2.79 mg·L-1。

1.3 膜集成設備

膜系統集成在一個機架當中，分為超濾系統和反滲透系統2個子體系。各子體系可以單獨運行，亦可同時連續運行。裝置處理量為2～5 m3·d-1。

超濾膜的主要運行參數如下：進水壓力，0.02～0.04 MPa；產水壓力，0～0.02 MPa；進水流量，1.2 m3·h-1；產水流量，1.1 m3·h-1；反沖壓力，0～0.04 MPa；反沖流量，1.5 m3·h-1。

反滲透膜的主要運行參數如下：進水壓力，0.99～1.05 MPa；濃水壓力，0.94～1.01 MPa；循環流量，0.85～1.10 m3·h-1；產水流量，0.012～0.264 m3·h-1；產水TDS(總溶解性固體物質)，6.39 mg·L-1。

2 結果與分析

2.1 膜集成設備通量變化

為了了解膜集成設備的通量變化，在運行初期監測膜通量隨運行壓力的變化，結果如圖1所示。可以看出，膜通量隨運行壓力的增加而變大，但考慮到對膜的損傷，以及對膜污染、膜生產參數、脫鹽率等的影響，最終確定運行壓力為1 MPa，此時膜系統的產水量為4.6 m3·d-1，可滿足試驗設計。

圖1 滲透通量隨操作壓力的變化

2.2 膜集成設備的運行效果

2.2.1 電導率變化

如圖2所示，生化水的電導率為3.60～3.63 mS·cm-1，UF產水的電導率為4.16～4.18 mS·cm-1，RO產水的電導率為0.035～0.037 mS·cm-1。UF產水的電導率高于生化水電導率。這可能與超濾膜系統前端利用加藥系統投加了NaClO藥劑，但超濾膜系統對NaClO并沒有攔截能力有關。RO系統對生化水電導率的去除率平均達99.0%以上。

圖2 超濾-反滲透膜對電導率的影響

2.2.2 色度變化

如圖3所示，生化水的顏色為棕色，色度30～34倍；UF產水的色度為13～16倍；RO產水的色度<1倍。分析結果可知，UF工藝對色度的去除率在46.7%～56.7%，RO工藝對色度的去除率在96.9%～97.7%。超濾膜的截留分子量在10萬u，而色素分子量較小，極易通過超濾膜。RO系統對色度有比較穩定、明顯的去除效果。這是因為反滲透膜具有致密的結構，化學性質穩定，能夠高效截留色素分子。

1～5號管中分別為原水、生化水、UF產水、RO產水和RO濃水。圖3 超濾-反滲透膜對色度的影響

2.2.3 濁度變化

如圖4所示，生化水的濁度為5.86～5.95 NTU，UF產水的濁度為0.58～0.60 NTU，RO產水的濁度為0.20～0.22 NTU。UF工藝對濁度的去除率為90.1%，RO工藝對濁度的去除率為96.5%。在雙膜法處理過程中引進超濾技術，其關鍵作用體現在可以截留絕大部分的非溶解性雜質，為反滲透的常規可靠運行打下良好基礎。本設備超濾系統在運行過程中濁度維持在0.60 NTU以下，可滿足反滲透進水對濁度的要求。

圖4 超濾-反滲透膜對濁度的影響

2.2.4 SS含量變化

如圖5所示，生化水的SS含量為10～12 mg·L-1，UF產水的SS含量為1.0～1.2 mg·L-1，RO產水的SS含量為0.12～0.15 mg·L-1。UF工藝對SS的去除率在89.0%～91.7%，超濾主要能截留0.05～0.2 μm的顆粒和雜質，有效阻擋膠體、蛋白質、微生物和大分子有機物。RO工藝對SS的去除率在98.6%～99.0%。

圖5 超濾-反滲透膜對SS含量的影響

2.2.5 COD變化

如圖6所示，生化水的CODCr為210～230 mg·L-1，UF產水的CODCr為200～207 mg·L-1，RO產水的CODCr為18～23 mg·L-1。UF工藝對CODCr的去除率在4.8%～10.4%，RO工藝對CODCr的去除率在89.5%～91.4%。本系統中UF對COD的截留作用不太理想，但反滲透膜可截留納米級、相對分子質量僅數百的顆粒，去除廢水中的小分子溶解性CODCr，從而使得系統對CODCr的總去除率達到90%左右，產水COD始終保持穩定，保證了產水水質。

圖6 超濾-反滲透膜對COD的去除效果

2.2.6 TN含量變化

如圖7所示，生化水的TN含量為7.96～8.05 mg·L-1，UF產水的TN含量為5.25～5.50 mg·L-1，RO產水的TN含量為4.60～4.65 mg·L-1。UF工藝對TN的去除率在31.4%～34.5%，RO工藝對TN的去除率在41.9%～43.9%。

圖7 超濾-反滲透膜對TN的影響

2.2.7 氨氮含量變化

如圖8所示，生化水的氨氮含量為2.75～2.80 mg·L-1，UF產水的氨氮含量為0.61～0.68 mg·L-1，RO產水的氨氮含量為0.32～0.37 mg·L-1。UF工藝對氨氮的去除率在75.5%～78.1%，RO工藝對氨氮的去除率在86.6%～89.2%。本研究中所用的超濾系統對氨氮這樣的小分子在理論上是沒有截留效果的，推測氨氮可能是與懸浮物一起被超濾膜去除，具體的機理有待進一步研究。

圖8 超濾-反滲透膜對氨氮的影響

2.2.8 TP含量變化

如圖9所示，生化水的TP含量為0.35～0.38 mg·L-1，UF產水的TP含量為0.23～0.28 mg·L-1，RO產水的TP含量為0.11～0.15 mg·L-1。UF工藝對TP的去除率在26.3%～39.5%，RO工藝對TP的去除率在63.2%～71.1%。

圖9 超濾-反滲透膜對TP的影響

2.2.9 鹽分含量變化

如圖10所示，生化水的鹽分含量為2.53～2.56 g·L-1，UF產水的鹽分含量為2.97～3.00 g·L-1，RO產水的鹽分含量為0.025～0.028 g·L-1。UF產水的鹽分含量高于生化水，與電導率的變化趨勢基本相同。這是因為超濾膜系統前端利用加藥系統投加了NaClO藥劑，但超濾膜系統對NaClO沒有攔截能力，氯酸鈉發生反應后生成了氯化鈉。在整個運行周期內，RO系統的脫鹽率基本維持穩定，平均脫鹽率達99.0%。脫鹽率、產水量與跨膜壓差是常用的評價RO工藝運行性能的主要指標。本試驗中，RO膜元件基本完整，未出現破損現象。脫鹽率與RO膜污堵程度不直接相關，這與Tan等[7]的研究結果一致。

圖10 超濾-反滲透膜對鹽分含量的影響

2.3 膜設備運行成本

該中試設備在運行過程中每天設備耗電24 kW·h，按每天處理量4.6 m3、電費0.70元·(kW·h)-1計，折合處理費用為3.6元·m-3。膜組件殺菌選用NaClO溶液，酸洗選用藥劑為檸檬酸，膜組件清洗費為0.2元·m-3。以設備使用年限10 a、膜更換周期3～5 a計，折合設備成本為0.5元·m-3。總運行成本4.3元·m-3。

3 小結

選擇UF/RO雙膜法集成膜設備，針對印染廢水A/O工藝的二沉池出水，進行了膜工藝參數優化和污染物去除研究。裝置處理量為4.6 m3·d-1，總運行成本為4.3 元·m-3。超濾+反滲透系統對電導率的平均去除率為99.0%，對色度的平均去除率為97.2%，對濁度的平均去除率為96.5%，對SS的平均去除率為98.8%，對CODCr的平均去除率為90.3%，對TN的平均去除率為42.6%，對氨氮的平均去除率為87.5%，對TP的平均去除率為65.0%，平均脫鹽率為99.0%。各項水質分析結果均滿足GB 4287—2012《紡織染整工業水污染物排放標準》和GB/T 19923—2005《城市污水再生利用工業用水水質》的限量要求。