中空纖維膜與陶瓷平板膜在印染廢水深度處理中的應用對比

徐錫言

(廣東新大禹環境科技股份有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

由于紡織印染工業廢水處理的成本較高，因此企業往往在其發展過程中不重視印染行業對于環境的極大影響，忽視對印染廢水的處理。而紡織印染工業又是廢水排放的主要源頭之一。

隨著社會的發展，人們對于印染廢水的處理和重復再利用也進行了大量的研究，同時取得了相應成果，但由于印染廢水的量十分大，其所含有機物濃度較高、溶液堿性大等特征，導致污水處理難度極大。而且印染污水處理理論探究與實際應用有一定差距，因此，印染廢水的深度處理研究仍十分重要，在一定程度上影響了印染廢水處理工藝的發展。

1 中空纖維膜與陶瓷平板膜簡介

1.1 中空纖維膜

中空纖維膜指的是外表處于纖維狀，同時具有一定的支撐能力的膜。中空纖維膜是以聚砜、二甲基乙酰胺為原料加工成中間空的腔的纖維絲，再涂抹高滲透性聚合物，使其具有選擇性的滲透功能。利用水蒸氣、氫、氨和二氧化碳擴散快，而甲烷、氮、氬、氧和一氧化碳擴散滲透較慢的特點，使其分離。中空纖維絲的外徑通常為500～600 pum、內徑為200～300 pum，構成3～6 m的纖維束將其裝到金屬殼中，該纖維束一端密封，另一端使用環氧樹脂將其粘合。

中空纖維膜是非對稱膜中的一種，致密層可置于纖維的外表面也可置于其內表面。對于氣體分離膜而言，致密層置于內表面與外表面沒有差別。

1.2 陶瓷平板膜

陶瓷膜(ceramic membrane)又稱為無機陶瓷膜，是一種通過無機陶瓷材料經特定工藝加工制造成的非對稱膜。陶瓷膜有管式陶瓷膜和平板陶瓷膜兩種。

平板陶瓷膜的表面分布著許多細小的孔，根據膜表面孔的直徑大小不同，使能通過孔徑的分子直徑不同，從而使得滲透率不同。由于膜兩側的分子濃度不同，產生壓力差，該壓力差即為驅動力，膜作為過濾介質。在一定壓力差的作用下，當廢水流經膜表面時，該膜僅允許水無機鹽和小分子透過，而阻礙了懸浮物微生物膠等大分子通過，進而實現了分離的目的。

陶瓷膜具備分離效果好、化學性質穩定、耐腐蝕、耐高溫、耐細菌、抗污染、可再生、操作過程簡便、使用時間長的優點，常用于工藝中的分離、提純、濃縮、凈化等過程。

1.3 平板膜與中空纖維膜對比

1)膜組件受污染程度相對較輕，在一定程度上有助于減輕曝氣對膜的污染。中空纖維膜相較而言更容易堵塞，難以進行機械清理，很難清除膜表面的污垢。

2)中空纖維膜在頻繁沖洗的過程中反沖洗能耗大，其水動力學控制過程極為復雜。平板膜通常不反沖洗，實際運行中如何進行控制工藝條件是極其重要的內容。隨著工藝的不斷改進，耐特爾MBR平板膜組件和新加坡世來福MBR平板陶瓷膜組件可以實現反沖洗。

3)平板膜在實際過程中所消耗的能量比中空纖維膜低，其主要原因與膜出水時中空纖維膜管中的壓力損失相對較大有關。

4)平板膜硬度大，承受力好，通常不易出現故障，而中空纖維膜相較于平板膜而言，承受力較差，會出現斷絲的情況，進而影響出水的水質。

5)平板膜組件的生產與安裝過程相對簡單，膜的實際維護、更新也相對簡單，但由于膜裝填密度小，膜在實際制造中的成本高于中空纖維膜。隨著膜工藝的不斷進步，出現了耐特爾MBR平板膜組件，它既具備了平板膜的優點，同時兼顧了中空纖維膜裝填密度大的特點。

2 中空纖維膜與陶瓷平板膜在印染廢水深度處理中實驗對比

2.1 實驗目的

中山某印染工業園廢水處理廠深度處理工藝中使用了MBR膜深度處理，為解決MBR單元的中空纖維膜中常出現的堵塞嚴重、纖維絲易斷裂、清洗難度大等問題，研究使用納米陶瓷平板超濾膜來替換中空纖維膜。

研究廢水實際處理過程中，當納米陶瓷平板超濾膜中通過不同量的廢水時，模阻力的變化和膜清洗頻率的變化等，進而得出納米陶瓷平板超濾膜的設計通量值，使其與MBR中空纖維膜進行對比，得出結論。

2.2 實驗材料

2.2.1 中空纖維膜

廠家：某環保科技有限公司；性能參數如表1所示。

表1 中空纖維膜性能參數

2.2.2 陶瓷平板膜

廠家：某過濾技術有限公司；性能參數如表2所示。

表2 陶瓷平板膜性能參數

2.3 實驗裝置

中試進水采用好氧池末端的現有中空纖維膜膜池中的廢水，膜池中的污泥濃度為5 000～8 000 mg/L，COD在100～150 mg/L，廢水水溫為35℃～140℃。

本裝置由膜池、產水池、管道設備區、加藥區域、電氣柜等部分組成，膜池內安裝兩組陶瓷平板膜塔，膜塔過濾面積為48 m2，最大設計進水量4 m3/h。

膜池進水泵自現有的中空纖維膜膜池，膜塔出水經產水泵至產水池，膜池和產水池均設置排污口和溢流口。膜池內設有穿孔曝氣管與微孔曝氣管，保證足夠的曝氣量。中試裝置如圖1所示。

圖1 中試裝置圖

2.4 試驗方法

運行方式采用抽吸9 min，反洗110 s(其中反洗50 s，開、關閥和泵等60 s)，循環運行，每隔15 min記錄一次產水濁度、抽吸壓力、膜池液位、跨膜壓差和產水流量。當跨膜壓差達到50 kPa時，進行膜清洗，首先在濃度為1 000 mg/L次氯酸鈉溶液中浸泡12 h，用清水沖洗，然后在濃度為2 000 mg/L的檸檬酸溶液中浸泡12 h，用清水沖洗。

2.5 實驗結果與分析

2.5.1 陶瓷平板膜應用情況

陶瓷平板膜分別選取了4個膜通量進行中試，分別為：20 LMH、22.5 LMH、25 LMH、30 LMH。

1)通量為30 LMH的中試，分為二個階段。

階段一：由于當時設備故障，部分時間手動運行，2021年12月9日運行2 h(手動)、10～11日運行5 h(手動)，設備停止，晚上使用500～800 mg/L的次氯酸鈉浸泡。運行曲線如圖2所示。

圖2 30 LMH階段一運行曲線

階段二： 13日起，自動運行狀態，連續運行30h，跨膜壓差從4.6 kPa增至50 kPa。運行曲線如圖3所示。

圖3 30 LMH階段二運行曲線

連續運行30 h后，跨膜壓差達到50 kPa，需要進行恢復性清洗。清洗完成后，跨膜壓差恢復至3.49 kPa。

2)通量為25 LMH的中試。25 LMH通量下，產水濁度穩定在0.2～0.5 NTU，膜連續運行10 h左右，跨膜壓差達到50 kPa，進行了一次恢復性清洗。恢復通量后，又運行了10 h。膜清洗后跨膜壓差恢復至3.29 kPa。

3)通量為20 LMH的中試。在此通量下，共連續運行155.5 h，跨膜壓差從2.95 kPa增至39.37 kPa，產水濁度穩定在0.2 NTU左右。清洗完成，跨膜壓差恢復至3.1 kPa。

4)通量為22.5 LMH的中試。在此通量下，共連續運行了144 h，跨膜壓差從3.1 kPa增至24.15 kPa，產水濁度穩定在0.2 NTU左右。此階段，反洗通量為155 LMH(即7.4 m3/h)。

2.5.2 中空纖維膜應用情況

中空纖維膜分別選取了4個膜通量進行中試，分別為：10 LMH、15 LMH、20 LMH、25 LMH。

1)通量為10 LMH的中試。在此通量下，共運行122 h，跨膜壓差從2.55 kPa增至52.45 kPa，產水濁度穩定在0.2 NTU左右。清洗完成，跨膜壓差恢復至2.45 kPa。

2)通量為15 LMH的中試。在此通量下，共運行86 h，跨膜壓差從2.45 kPa增至55.45 kPa，產水濁度穩定在0.2 NTU左右。清洗完成，跨膜壓差恢復至2.65 kPa。

3)通量為20 LMH的中試。在此通量下，共運行39 h，跨膜壓差從2.65 kPa增至51.65 kPa，產水濁度穩定在0.2 NTU左右。清洗完成，跨膜壓差恢復至2.55 kPa。

4)通量為25 LMH的中試。在此通量下，共運行16 h，跨膜壓差從2.55 kPa增至57.05 kPa，產水濁度穩定在0.2 NTU左右。清洗完成，跨膜壓差恢復至2.45 kPa。

2.5.3 應用情況

具體應用情況見表3。

表3 應用情況匯總

3 結論

1)與中空纖維膜相比較，陶瓷膜的膜通量更大，約為中空纖維膜的2倍。

2)當具有相同的膜面積時，陶瓷膜的體積比中空纖維膜大得多，因此，中空纖維膜的單位膜面積產水率約為陶瓷膜的2倍多。

3)陶瓷膜相較于中空纖維膜而言更不易堵塞，因此，清洗周期較短。這在一定程度上能夠大大降低清洗難度與維護成本，有利于后期的使用。

4)通過研究發現，在產出相同量的水的情況下，陶瓷膜的成本更高。