纳滤处理腈纶废水的研究

侯亚惠, 张洪林, 李长波, 马会强, 邱 峰, 佟 皓

(辽宁石油化工大学环境与生物工程学院,辽宁抚顺113001)

纳滤处理腈纶废水的研究

侯亚惠, 张洪林, 李长波, 马会强, 邱 峰, 佟 皓

(辽宁石油化工大学环境与生物工程学院,辽宁抚顺113001)

采用纳滤设备对干法腈纶废水进行深度处理,考察了纳滤膜对COD、NH3-N及盐的截留率和脱色率的影响,操作压力和运行时间对渗透通量的影响。结果表明,经过纳滤技术处理后的水质COD截留率大于96%,NH3-N截留率大于95%,盐截留率大于94.5%,脱色率高达100%。纳滤膜的渗透通量随着操作压力的增大而增大,随着时间延长而下降。当操作压力为0.6 M Pa时,纳滤膜的处理效果最好。该系统产水水质达到国家一级排放标准,并可以回用做工业用水。

纳滤; 腈纶废水; 渗透通量; 截留率

干法腈纶废水中污染物较多,主要有难以生物降解且难自然沉降的高分子聚合物,高浓度硫酸盐,有机胺和氨氮,废水中还含有ED TA和壬基酚聚氧乙烯醚,这两种物质长期以来一直被认为是难以生物降解的物质。这些污染物直接影响了腈纶废水处理的达标排放。以目前的技术水平,在生化阶段使污水COD达到小于100 mg/L的排放标准极为困难。腈纶废水的处理引起了国内许多环保工作者的注意。

纳滤(NF)是一种新型分子级膜分离技术。NF膜孔径一般在1～2 nm;对溶质的截留性能介于RO与U F膜之间,NF膜只对特定的溶质具有高脱除,它能够去除二价、三价离子,相对分子质量大于200的有机物,以及微生物、胶体、热源、病毒等。纳滤技术比起其他膜分离技术,不仅达到同样渗透量所需的操作压力较低,而且膜通量也较大,是目前国内外膜分离领域研究的热点之一,它对缓解我国日益严重的水环境污染状况将具有十分重要的意义[1-2]。

本实验采用纳滤技术对干法腈纶废水进行深度处理,从而降低出水COD、NH3-N、电导率,色度等,使水质达到工业回用标准。

1 实验部分

1.1 原水水质

实验原水来自腈纶厂经厌氧—好氧—生物活性炭处理的二沉池出水,其出水指标见表1。

表1 原水水质指标Table 1 Water quality indexes

1.2 实验内容

以经过厌氧—好氧—生物活性炭处理的腈纶废水作为实验原水,测试不同操作压力,运行时间纳滤膜的渗透通量,对处理前、后废水的COD,NH3-N、SO2-4的质量浓度,电导率,色度的变化进行分析。

纳滤膜:膜材料为聚酰胺(PA),卷式,膜面积为0.46 m2。

1.3 工艺流程

纳滤深度处理干法腈纶废水工艺流程如图1所示。

Fig.1 Process flow diagram of the experimental图1 工艺流程

1.4 水质检测方法

实验过程中,主要水质检测均按照国家环境保护局标准处提出的国家标准测定方法测定,主要检测项目及方法见表2。

表2 水质检测方法Table 2 Water quality analysis methods

2 结果与讨论

2.1 操作压力对膜性能的影响

2.1.1 对渗透通量的影响 膜的渗透通量是考察膜性能的一个重要指标。操作压力是影响膜的渗透通量的一个重要因素,膜的通量越大,处理效率越高。渗透通量与操作压力呈线性关系,且与之高度正相关。这一点可以从非平衡热力学模型来解释[3-4]:Jv=Lp(Δp-σΔπ),其中,Lp为纯水透过系数,Δp为操作压力,σ为溶质反射系数,Δπ为溶质渗透压差。渗透通量随着压力的变化如图2所示。由图2可知,当操作压力的增加,渗透通量随之增大。这是因为操作压力克服了过程中的渗透压并在膜的两侧产生净推动力,并使过程达到一定的水通量,操作压力增加,过程的净推动力增大,导致水通量增大[5]。

Fig.2 Variation of the permeate flux of NF with operating pressure图2 纳滤膜渗透通量随操作压力的变化

2.1.2 对COD和NH3-N截留率的影响 图3为纳滤膜COD、NH3-N截留率随操作压力的变化。从图3中可以看出,压力在小于0.4 M Pa时,纳滤膜对COD和NH3-N的截留率是随着压力的增大而增大的,但是当压力超过0.4 M Pa时,截留率就开始减小,这一现象可以由细孔模型解释[6-8]。研究表明,一定质量浓度范围内,膜对中性分子溶质溶液的截留率随溶液质量浓度的变化不大,可视为不变。压力升高,流速降低,质量浓度增加[4]。当压力小于0.4 M Pa时,COD和NH3-N质量浓度在细孔模型所允许的范围内,COD和NH3-N的透过量变化不大,而渗透通量增加,从而导致其截留率上升。当压力大于0.4 M Pa时,质量浓度增加到一定值,但有可能还未超过细孔模型所允许的范围。虽然有所下降,但没有持续下降的趋势。

Fig.3 Variation of the COD and NH3-N of NF with operating pressure图3 纳滤膜COD、NH3-N截留率随操作压力的变化

2.1.3 对盐截留率的影响 纳滤膜对二沉池出水的盐截留率的大小直接决定着渗水的含盐量,进一步决定着产水是否达到工业回用的标准。盐截留率随操作压力的变化如图4所示。

Fig.4 Variation of salt rejection of NF with operating pressure图4 纳滤膜盐截留率随操作压力的变化

由图4可知,随着压力的升高,纳滤膜的盐截留率升高的趋势比较明显,当压力从0.5 M Pa到0.7 M Pa时,增加的趋势有所减缓。这是因为随着压力的增加,透过膜的水量增大而盐量不变,故盐截留率增大,但同时膜两侧的盐浓度差增大,又有降低盐截留率的趋势,这两方面的共同作用使盐截留率增加逐渐变缓[9-10]。

2.2 运行时间对膜性能的影响

在操作压力为0.6M Pa,p H为7.58,流量为56 L/h,循环进水条件下,连续运行16 d。在设定的各个时间段取样,分析运行时间对膜性能的影响。

2.2.1 对渗透通量的影响 纳滤膜渗透通量随时间的变化如图5所示。

Fig.5 Variation of the permeate flux of NF with time图5 纳滤膜渗透通量随时间的变化

由图5可知,随着时间的延长,渗透通量逐渐降低,在运行初期,渗透通量下降较快,此后逐渐稳定,一段时间后又继续下降。在膜操作过程中,膜的渗透通量减小的主要原因是浓差极化和膜污染,其中膜的污染是最主要的原因。在运行初期,膜面最松弛,渗透通量初始值最大,后来由于浓差极化层的形成,造成膜透过通量的迅速下降。由于溶质在膜面上的沉积或污染层的凝胶化或固化,透过通量的减小趋于稳定,呈现一个准稳态的过程。随着膜面的进一步污染,膜的渗透通量继续下降[11]。

2.2.2 运行时间对膜截留率的影响 纳滤膜截留率随时间的变化如图6所示。纳滤出水水质指标如表3所示。

Fig.6 Variation of NF with time图6 纳滤膜截留率随时间的变化

由图6和表3可知,随着运行时间的延长,纳滤膜的截留率不断增加,COD平均截留率约96%,出水COD小于13 mg/L;NH3-N平均截留率约95%,出水NH3-N的质量浓度小于8 mg/L,平均盐截留率约94.5%,出水电导率小于160μS·cm-1,SO2-4平均截留率约95.2%,出水SO2-4的质量浓度小于50 mg/L,脱色率高达100%。出水水质达到了国家一级排放标准,又可以回用做工业用水。

表3 纳滤出水水质指标Table 3 The effluent quality of NFmembrane

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(Ed.:SGL,Z)

Treatment of Acrylic Fiber Wastewater U sing Nanofiltration

HOU Ya-hui,ZHANG Hong-lin,L IChang-bo,MA Hui-qiang,Q IU Feng,TONG Hao
(School of Environmental and Biology Engineering,L iaoning Shihua University,Fushun L iaoning113001,P.R.China)

The nanofiltration(NF)membrane was used in the advanced treatment of acrylic fiber wastewater.The COD and NH3-N removal efficiency,salt rejection and color removal ratio of the further treatment by NF were investigated.The influences of different operating pressures and operating time on permeate flux were also examined experimentally.The results indicate that the rejection ratio of COD and NH3-N are higher than 96%and 95%respectively.The salt rejection ratio is higher than 94.5%and color removal efficiency is up to 100%.The experimental results p rove that the permeate flux of NF increases with operating pressure and decreases with operating time.The efficiency of NF is best w hen the operating pressure was 0.6 M Pa.The effluent quality comp lies to national discharge standard and meets recovery criteria.

Nanofiltration;Acrylic fiber wastewater;Permeate flux;Rejection ratio

.Tel.:+86-13942385446;e-mail:411_acd@163.com

TE992.2;X703.1

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.006

2011-03-01

侯亚惠(1986-),女,辽宁锦州市,在读硕士。

国家重大水专项(2008ZX07208-003-001-02)。

1006-396X(2011)02-0022-04

Received1M arch2011;revised16M arch2011;accepted21M arch2011