微滤膜技术处理构树全树制浆废水的研究

李锦刚， 刘 智， 聂 青， 万端极

(1 湖北工业大学材料与化学工程学院， 湖北 武汉 430068，2 湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

微滤膜技术处理构树全树制浆废水的研究

李锦刚1， 刘 智1， 聂 青1， 万端极2

(1 湖北工业大学材料与化学工程学院， 湖北 武汉 430068，2 湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

对以构树为原料，经过亚硫酸盐法全树制浆，得到的制浆废水经过微滤膜(MF)进行污水处理。通过系列单因素试验，探索制浆废水处理的最佳工艺条件。结果表明试验最佳条件为： 2×10-6的PAM预处理，选用N130型微滤膜，过膜温度25℃、过膜压力0.3 MPa。在此工艺条件下，对构树全树亚硫酸盐法制浆废水中COD的去除率达95.14%，BOD的去除率达87.86%，电导率的去除率达94%。

构树制浆； 制浆废水； 微滤膜； 污水处理

构树(Broussonetia Papyrifera)是一种野生麻类植物，其原麻中韧皮部含有大量优质纤维，纤维含量近60%，果胶及水溶物14.02%，半纤维13.49%，木质素13.3%，纤维平均长度16.0 mm，主体长度18.0 mm，离散率25%，平均强度115.15 Nm，平均伸长6%[1]。与亚麻、大麻等麻类比较相似，但细度上较细，与细棉短绒接近，强度低于苎麻、亚麻纤维，伸长却比苎麻、亚麻大，手感柔软[2]。

构树全树制浆废水来源于除渣、蒸煮、洗浆、漂洗等过程中产生的洗涤废水及含有纤维、助剂、填料和化学药品的白水、中段水和黑液[3]。制浆黑液是碱法蒸煮制浆后产生的废水，颜色为黑褐色，污染物浓度高，含有大量木素及其衍生物和蒸煮残留试剂。制浆黑液一般集中了制浆造纸过程90%的污染物，对环境污染非常大，所以要进行处理达标后排放[4]。

膜是具有选择性分离功能的材料。利用膜的选择性实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离[5]。与传统过滤不同，膜可以在分子范围内进行分离，并且是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂[5]。膜依据其孔径的不同(或称为截留分子量)，可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜[6]。微滤(MF)又称微孔过滤，属于精密过滤，其基本原理是筛孔分离过程。膜的截留特性以膜的孔径来表征，通常孔径范围在微米，故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离[6]。

本实验拟采用微滤膜技术对构树全树制浆产生的废水进行处理研究。膜分离的基本工艺原理较为简单。在过滤过程中料液通过泵的加压，料液以一定流速沿着滤膜的表面流过，大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐，小于膜截留分子量的物质或分子透过膜，形成透析液[7]。故膜系统都有两个出口：一是回流液(浓缩液)出口，另一是透析液(滤液)出口。在单位时间(h)单位膜面积(m2)透析液流出的量(L)称为膜通量(L/(m2·h)，即过滤速度，影响膜通量的因素有：温度、压力、固含量(TDS)、离子浓度、黏度等[8]。

1 材料与方法

1.1实验原料

构树原料来自武汉洪山武南社区附近，经盘磨削片机削片，在PL1-00型电热蒸煮锅中经0.8 MPa、170℃的高温高压，采用亚硫酸盐蒽醌法制浆得到构树全树制浆废水。

1.2实验药品

微孔滤膜(0.45 μm)、具塞比色管(50 mL、25 mL、10 mL)、移液枪(5 mL、1 mL、200 μL和100 μL)。浓硫酸、硝酸、高氯酸、氢氧化钠、硫酸银、重铬酸钾、硫酸亚铁铵、过硫酸钾、抗坏血酸、磷酸二氢钾、酚酞、过硫酸钾、硝酸钾、碘化钾、碘化汞、氯化铵、酒石酸钾钠、硫酸铝、乙酸锌、PAM，所用试剂均为分析纯。

1.3实验仪器和设备

PL1-00型电热蒸煮锅；KDC-40台式离心机；DDS-11A 数显电导分析仪；PHS-3C型pH计；HYP-308 马弗炉；XMA-600型电热鼓风恒温干燥箱；微孔滤膜(0.45 μm)过滤器；FA2004N分析天平；微滤膜(N130、N58、N150)。

1.4构树全树制浆废水水质指标测定

1)pH值的测定：按GB/T6920-86中的方法，采用玻璃电极法对制浆废水pH进行测定。

2)色度的测定：按GB11903-89中的方法，采用稀释倍数法对制浆废水的色度进行测定。

3)残碱的测定：按《制浆造纸分析与检测》中的方法，采用碘量法对制浆废水中的残碱进行测定。

4)化学需氧量(CODCr)的测定：按HJ828-2017中的方法，采用重铬酸盐法对制浆废水中的COD进行测定。

5)生化需氧量(BOD5)的测定：按HJ505-2009中的方法，用稀释与接种法对制浆废水中的 BOD5进行测定。

6)电导率的测定：按GB/T6682-2008中的方法，用电导率自动分析仪法对制浆废水中的电导率进行测定。

7)悬浮物(SS)的测定：按GB 11901-89中的方法，用重量法对制浆废水中的悬浮物进行测定。

1.5构树全树制浆废水的预处理

试验中制浆废水过膜前投加2×10-6PAM对构树全树制浆废水进行絮凝沉淀处理，絮凝沉淀后分离出上清液。

1.6微滤(MF)膜技术处理构树全树制浆废水

在不同温度T(25℃，35℃，45℃，55℃，65℃)、压力P(0.1 MPa，0.2 MPa，0.3 MPa，0.4 MPa，0.5 MPa)等条件下，采用不同型号微滤膜(N58，N130，N150)处理构树制浆废水，分别对微滤膜处理前后水质指标进行测定，分析各条件对膜通量及水质处理的影响。

2 实验结果分析讨论

2.1预处理对水质影响分析

因构树全树制浆得到的废水含有大量大颗粒构树黑皮及其他不溶物，故要对废水进行预处理以得到后续过膜废水。聚丙烯酰胺(PAM)是目前较常用的絮凝效果较好的絮凝剂，因此在过膜前投加2×10-6的PAM进行预处理，得到的上清液进行微滤膜处理。预处理前后的水质指标见表1。

表1 预处理前后废水水质分析

由表1可知，经过聚丙烯酰胺(PAM)预处理，废水水质各指标都得到了不同程度的改善，残碱的降低导致pH值也略微降低，色度和悬浮物经PAM的絮凝沉淀降低较快，色度去除率可达50%左右，故电导率也跟着下降；但CODcr和BOD5降低不大，可见PAM对小分子量物质和离子的去除效果不大。

2.2微滤膜(MF)型号对水质影响分析

为实验得到最佳微滤膜型号，在废水温度25℃、压力0.3 MPa下，采用不同型号微滤膜N58、N130、N150分别处理构树制浆废水，实时测定过膜2 h处理过程中通量变化情况见图1。

图 1 微滤膜(MF)型号对膜通量J的影响

由图1可以看出，膜通量的变化随时间变化呈降低趋势，且在1 h后膜通量的降低速率加快，这表明膜表层已有大量附着物起到了阻碍作用；但在相同废水温度25℃、过膜压力0.3 MPa下，N130的微滤膜的膜通量总是大于其他两种型号的微滤膜，表明其处理效果好于N58和N150两种微滤膜。

在废水温度25℃、过膜压力0.3 MPa下经过N58、N130、N150分别处理后，分析水质指标分析见表2。

表2 不同型号微滤膜处理后水质分析

由表2可知，不同型号的微滤膜对制浆废水有显著处理效果，CODcr的处理率最大，可达92.04%～96.90%，BOD5的去除率可达81.43%～92.10%，电导率也有显著下降，处理后水质色度基本为零，没有悬浮物，但不同孔径的微滤膜对不同大小的分子的截留率有差异，N58型微滤膜孔径相对小，可以截留较大分子量污染物，处理效果是最好的。

2.3过膜温度(T)对水质影响分析

为实验得到最佳过膜温度，在0.3 MPa压力下，分别在25℃、35℃、45℃、55℃、65℃条件下通过N130型微滤膜，得到膜通量变化如图2所示。

图 2 废水过膜温度(T)对膜通量J的影响

由图2可以看出，随着过膜温度的升高，膜通量不断提高，因为温度升高导致废水粘度降低，废水中的溶质扩散运动变得剧烈，溶质透过微滤膜更加容易，使得膜通量升高，升高温度可以减轻污染物附着，降低浓差极化现象。但是升高温度会增加处理难度和经济成本，温度升高40℃，膜通量只升高10%左右，效果并不十分显著，故采用常温25℃为最宜处理温度。

表3 不同过膜温度处理后水质分析

在0.3 MPa压力下，分别在25℃、35℃、45℃、55℃、65℃条件下通过N130型微滤膜，处理后出水水质指标分析见表3。由表3可知，升高温度对水质的处理效果并不显著，升高20℃，CODcr和BOD5分别只降低了0.67%和1.90%，继续升温处理效果相对有升高趋势，因为升高温度会加剧浓差极化，滤饼层形成较快，对大分子物质截留较多。考虑升温会增加处理工序和成本，故选择室温25℃为实验最佳过膜温度。

2.4过膜压力(P)对水质影响分析

由图3可以看出，过膜压力越大，膜通量越高，且过膜压力对膜通量影响较为显著，但不同过膜压力下的膜通量整体变化趋势是一致的，都是呈下降趋势，在40～100 min下降较为明显，之后下降趋势变缓。这是随时间增加，废水中的污染物会附着于膜上形成滤饼层，从而导致浓差极化现象越来越严重，膜孔流道堵塞致使膜污染，膜通量下降。综合考虑使用效率和经济成本，选用0.3 MPa为最宜过膜压力。

图 3 过膜压力(P)对膜通量J的影响

在过膜温度25℃下，分别在过膜压力为0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa条件下通过N130型微滤膜，处理后出水水质指标分析见表4。

表4 不同过膜压力处理后水质分析

由表4可知，过膜压力对出水的pH值影响不大，随着过膜压力的增大，BODcr和COD5的去除率呈增大趋势，但在压力0.3 MPa后趋势变缓，压力增加0.1 MPa，去除率增加0.44%，因为随着时间延长，压力越大，膜通量会逐渐降低，对水中的溶质去除效果减弱。

3 实验小结

1)本课题实验主要对构树全树制浆废水进行微滤膜技术处理研究，实验前进行了PAM的预处理，有效去除一部分废水中的大颗粒及悬浮物质，提高了后续微滤膜的处理效率，同时也降低了浓差极化现象，减轻了膜污染。

2)本实验研究了微滤膜的型号、过膜温度及过膜压力对膜通量的影响。因为膜通量是膜技术处理污水中一个重要的工艺运行参数，也是一个较为准确反映膜处理效率的指标。实验表明，选用N130型微滤膜，在过膜温度25℃、过膜压力0.3 MPa，对构树全树制浆废水中CODcr的去除率达95.14%，BOD5的去除率达87.86%，电导率的去除率达94%。

3)本实验微滤膜所处理的制浆废水由实验构树制浆所得到，所以污染物成分全部来自构树，污水处理相对简单，因此实验室微滤膜处理效率较高，但对于污水厂废水等应用上还有待试验，对于膜型号还有过膜温度和压力还需根据实际作出相应调整。

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[责任编校：张众]

StudyontheTreatmentofWholeTreePulpWastewaterbyMicrofiltrationMembraneTechnology

LI Jingang1， LIU Zhi1， NIE Qing1， WAN Duanji2

(1SchoolofMaterialsandChemicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 2SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

The slurry wastewater was treated by the microfiltration membrane (MF).Through the series of single-factor test, the optimum technological conditions for the treatment of wastewater treatment were preliminarily explored. Results show that the best conditions for the experiment are 2ppm PAM pretreatment, choosing type N130 microfiltration membrane, membrane temperature 25℃, and membrane pressure 0.3 MPa. In this process, the removal rate of COD is 95.14%, the removal rate of BOD 87.86%, and the removal rate of the conductivity 94%.

broussonetia papyrifera pulping; puiping wastewater; microfiltration membrane, wastewater treatment

2017-07-18

李锦刚(1991-)， 男， 湖北武汉人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为制浆造纸，废水处理

刘 智(1962-)，男，湖北武汉人，湖北工业大学副教授，主要研究方向为高得率制浆新技术

1003-4684(2017)05-0117-04

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