UF-RO集成装置处理电镀废水回用研究

2020-04-30张斌阁

哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 2020年2期

张斌阁

(黑龙江建筑职业技术学院，哈尔滨150025)

电镀废水是一种常见的含重金属离子的工业废水，含有第一类重金属离子,毒性很大，需要在车间排放口达到国家相关排放标准[1-3].近年来，随着国家环保要求的提高及政策支持，电镀废水开始进行回用处理，其产水可用于厂区循环补充水[4-6].而目前有关电镀废水回用的报道及其运行案例相对较少.废水回用于循环补充水常用的工艺为膜法(超滤、反渗透)[7-9]，但电镀废水中污染物复杂、重金属离子含量多对废水回用及膜的稳定运行造成一定的难度.因此，应某电镀厂电镀废水回用于循环水补水要求，本研究以预处理后的电镀废水为水源，通过建立超滤(UF)及反渗透(RO)集成装置进行电镀废水回用试验研究，考察膜的运行性能及提出应对的清洗策略，为以后的工程实践提供基础技术支持.

1 材料与方法

1.1 废水来源及水质

实验用电镀废水取自哈尔滨市某轴承加工厂，目前该废水经投加化学药剂沉淀并进行过滤处理，处理后的水质情况如表1所示.预处理后的水经泵输送至UF-RO集成装置进行回用处理，要求产水《城市污水再生利用-工业用水水质》(GB19923-2005)中敞开式循环水系统补充水水质标准，具体为：电导率≤200 μs·cm-1，产水COD≤10 mg·L-1，pH 为6～9.

表1 实验废水水质

1.2 处理规模及流程

电镀废水总处理量为480 m3/d，即20 m3/h，设计产水率为65%，即产水13.5 m3/h.产水用于厂区循环水补充水，剩余浓水外排.

装置流程图如图1所示，预处理来水首先经过超滤(UF)进行处理，UF产水进入UF水箱，UF反洗水采用UF产水，反洗后水回至预处理进行重新处理.UF产水经泵提升进入RO装置进行处理，RO产水进入产水箱进行回用，其浓水进行外排.实验装置进行集装箱式设计，UF装置、RO装置及配套设备均布置在集装箱内.

1.3 装置参数

1.3.1 UF装置

UF装置设计2套，1用1备，单套设计处理量22 m3/h，自用水率≤10%.UF采用错流过滤方式，进水压力通过变频器进行调节，装置进出水设在线差压变送器及流量表，出水设浊度表以进行数据采集.UF膜采用陶氏化学SFP-2860型号，单支膜面积50 m2，PVDF材质，单套UF装置配备4只膜，设计通量110 L/h.

1.3.2 RO装置

RO装置设计2套，1用1备，单套设计产水量13.5 m3/h，设计回收率68%.经陶氏膜设计软件(Rosa)计算，每套反渗透配置24支膜，膜壳6芯装，一级两段3∶1排列，设计通量为15.2 L/h.高压泵变频运行以保证恒定的产水量.反渗透装置进水设温度变送器、ORP表、pH表及电导表，产水设电导表和流量表，浓水设流量表，进水、段间、浓水之间设差压变送器，以方便采集运行数据.反渗透膜采用陶氏抗污染BW30FR-400/34膜，单支膜面积37.2 m2.

图1 装置流程图

1.3.3 加药装置

系统设计盐酸(HCl)加药装置1套，主要用于UF膜的化学加强反洗，以定期恢复膜的过滤性能.装置包含计量箱1台及加药泵2台.

系统设计氢氧化钠(NaOH)加药装置1套，一方面用于UF膜的化学加强反洗以定期恢复膜的过滤性能，另一方面用于反渗透产水pH调节以满足外供水pH要求.装置包含计量箱1台及加药泵4台.

系统设计次氯酸钠(NaClO)加药装置1套，主要用于UF膜的化学加强反洗，以定期恢复膜的过滤性能.装置包含计量箱1台及加药泵2台.

系统设计还原剂(NaHSO3)加药装置1套，主要作用为去除RO装置进水中的余氯，以防止RO膜被氧化.装置包含带搅拌机计量箱2台及加药泵2台.

设阻垢剂加药装置一套，主要作用为减缓RO膜表面无机结垢倾向.装置包含带搅拌机计量箱2台及加药泵2台.

1.3.4 清洗装置

当UF和RO膜达到清洗条件时需要进行化学清洗，以恢复膜运行性能.系统设化学清洗装置1套，包含清洗箱、UF清洗泵、RO清洗泵及清洗保安过滤各1台.

1.4 检测方法

COD、BOD5、电导率和浊度采用国家标准方法进行分析[10]，F-、Cl-和SO2-4采用离子色谱法(HJ84-2016)进行测定，重金属离子采用电感耦合等离子体发射光谱法(HJ776-2015)进行测定.

2 实验结果与讨论

2.1 膜表面沉积物分析

在UF和RO膜清洗之前，采用扫描电子显微镜和X-射线荧光分光法进行膜表面沉积污染物分析.图2为UF和RO膜清洗前的膜表面污染物组分及沉积量分析.从图2中可以看，UF膜表面的主要沉积物为无机悬浮颗粒，沉积量高达0.86 mg·cm-2，是污堵UF膜的主要因素.其次，有机污堵也是UF膜污堵的另一个原因，但有机物沉积量较小，为0.11 mg·cm-2，有机污堵速率相对较慢.RO膜表面的主要沉积物为有机物、Fe胶体和Al胶体，其中有机污堵是影响RO运行的主要风险，膜表面有机物沉积量为0.79 mg·cm-2，远高于UF膜，这与膜的特性及过滤孔径有关.Fe胶体和Al胶体是RO膜发生污堵的次要因素，在RO进水存在Fe、Al离子的情况下，容易发生胶体污堵，其沉积量分别为0.17 mg·cm-2和0.15 mg·cm-2.本研究UF膜表面污堵因素与其他研究结果类似，Petrinic et al[11]曾建立UF-RO装置进行电镀废水回用研究，发现UF膜的主要污堵因素为无机悬浮物，其次为有机物.而RO膜的污堵因素为有机污堵和无机结垢，本研究来水中Ca2+几乎检测不出，因此不存在无机结垢的风险.

图2 UF和RO膜表面沉积物组分及沉积量分析

2.2 膜清洗策略

针对UF和RO膜表面的沉积物分析结果，UF膜主要发生无机悬浮物物和有机物污堵风险，RO膜主要会发生金属胶体(Fe、Al)和有机物污堵风险，由此确定的UF和RO膜清洗策略如表2所示.

表2 UF和RO膜清洗策略

注：w为质量分数

针对UF膜污堵，拟采用质量分数为0.2%HCl在pH 为2条件下进行酸洗去除无机污堵，采用质量分数为0.2%NaClO和质量分数为0.1%NaOH在pH 为12条件下进行碱洗以去除有机污堵并防止细菌大量滋生.而针对RO膜有机污堵，由于NaClO会氧化RO膜并造成不可逆的损伤[12-15]，拟采用质量分数为0.1%NaOH和质量分数为0.025%Na-SDS在pH 为13条件下进行碱洗.至于金属胶体，采用质量分数为1.0%Na2S2O4进行清洗.

2.3 UF-RO装置运行参数

UF-RO装置在整个实验期间连续运行60 d，每天监测UF和RO的产水通量和运行扩膜压差(TMP).当UF和RO的产水通量进行标准化后下降30%时，根据表2的方法启动化学清洗程序对膜进行清洗.图3、4分别为UF和RO在整个实验期间的连续运行数据变化情况.由图3可知，UF膜在错流过滤模式下运行时，产水通量随着膜的污堵会下降，而膜一旦发生污堵，过滤流道会减小，从而导致TMP会升高.正常运行时，UF膜的产水通量在100～120 L/h之间变化，TMP在0.05～0.07 MPa之间变化，每次化学清洗后，产水通量和TMP均能恢复到化学清洗前的正常运行值.UF膜清洗周期在12 d左右，通过酸洗和碱洗的联合化学清洗均能有效恢复膜的过滤性能.从图4中可以看出，RO膜在固定回收率下运行时，产水通量的一直在波动状态，这与进水电导率的变化有关.正常运行时，RO膜的产水通量在11～15 L/h之间变化，TMP在0.03～0.06 MPa之间变化.随着时间的推进，膜表面发生污堵，过滤阻力逐渐增大，从而导致产水通量的下降.相应的，TMP会因过滤阻力的增大逐渐升高.当RO膜分别进行碱洗和Na2S2O4清洗后，产水通量和TMP均能恢复到正常运行值.整个运行期间，RO膜进行过3次化学清洗，化学清洗周期在20 d左右.运行结果表明，表2 的清洗策略能够有效恢复UF和RO的运行性能.

图3 实验期间UF膜的运行参数变化

图4 实验期间RO膜的运行参数变化

2.4 UF-RO装置产水性能

表3为实验期间UF和RO装置的产水水质平均值统计.由表3可知，UF装置对浊度具有很高的去除率，在进水平均浊度(10.9±0.9)ntu下，产水平均浊度可达到(0.12±0.01)ntu，浊度去除率在99%以上，这也是膜表面无机悬浮物沉积量最高的原因(图2).UF产水能够有效保证反渗透进水的水质要求，避免反渗透发生无机悬浮物污堵.由于UF膜孔径较反渗透大，对离子几乎无去除作用.经UF处理后，水中的电导率、Al3+、Cd2+、SO2-4等指标基本没有变化.UF对COD和BOD5的去除率也很低，经计算，COD和BOD5去除率仅为8.6%和3.8%，这说明水中的有机物几乎为溶解性状态，分子量小于UF膜可截留范围.UF产水经RO处理后，可以发现，水中的绝大部分盐分和有机物均被去除，电导率由进水的(2550±125)μs·cm-1降低至(75±12.6)μs·cm-1，去除率在97%以上，远优于产水电导率要求.产水重金属离子平均质量浓度均低于0.01 mg·L-1，且对Cl-和SO2-4分别保持在97%和98%以上的去除率，这表明RO膜对离子的截留率很高.另外，产水中的COD和BOD5平均质量浓度分别为(3.6±0.8)mg·L-1和(1.6±0.4)mg·L-1，去除率均在95%以上，这也说明了RO膜表面有机物沉积量远高于UF膜的主要原因.