温度对超疏水膜装置处理榨菜综合废水的影响研究

郑昊天 黄健盛 谭俊峰 王 鑫 吴 杰 唐 倩 许林季

(1. 重庆科技学院 机械与动力工程学院， 重庆 401331；2. 重庆科技学院 化学化工学院， 重庆 401331；3. 重庆大学 环境与生态学院， 重庆 400030)

0 前 言

榨菜废水处理常用的方法有SBR法、CASS法、A2/O法。榨菜废水盐度高，盐离子抑制微生物生长，影响生物法处理榨菜废水的效果[1]。为了达到稳定的除磷效果，需投加大量的除磷药剂，这将加大榨菜废水处理成本，且污泥产量大[2]。膜蒸馏(MD)技术对污染物具有较好的截留作用[3-4]，在高盐废水处理中逐渐被关注[5-6]。膜蒸馏技术需对废水原液进行加热，因此温度是影响膜蒸馏技术处理的关键因素。本次研究针对榨菜废水高盐的特性，设计了一种基于超疏水膜的膜蒸馏装置，探究了不同温度下超疏水膜装置处理榨菜废水的性能，揭示了进水温度对超疏水膜装置处理榨菜废水的影响规律。

1 实验材料与实验方法

1.1 实验装置

本次研究采用的超疏水膜蒸馏装置如图1所示，该装置主要由水浴加热循环装置、超疏水膜反应器和冷却水循环装置等3部分组成。水浴加热循环装置主要包括恒温水浴箱、给水箱、恒温器和蠕动泵。超疏水膜反应器主要包括反应池和超疏水膜管，反应池有效容积为2.5 L，超疏水膜有效长度均为330 mm，膜管直径为10 mm，有效膜面积为0.008 3 m2。冷却水循环装置主要包括真空泵、冷凝紫铜盘管、冷却循环水收集箱、产水收集池和蠕动泵。

图1 超疏水膜蒸馏装置图

污水在水浴加热循环装置中被加热至一定温度后，由蠕动泵泵入超疏水膜反应器，水蒸气透过超疏水膜在循环水真空泵的负压抽吸作用下，进入冷凝器冷凝后被产水收集箱收集，浓液由超疏水膜反应器顶部流回进水箱后进行再循环处理，从而实现污水循环净化处理。

1.2 实验废水

实验废水取自重庆涪陵某榨菜园区废水处理厂调节池，pH为6.9，废水水质指标见表1。

表1 废水水质指标

1.3 膜材料

本次研究使用的超疏水膜为聚四氟乙烯为原料制备而成的管式膜，由成都百途提供，超疏水膜的净水接触角≥160°、滚动角<5°、孔隙率≥ 80%。

1.4 实验方法

1.5 测试指标与分析方法

2 实验结果与讨论

2.1 温度对超疏水膜去除污染物性能的影响

2.1.1 温度对COD去除的影响

温度对COD去除的影响如图2所示。超疏水膜装置在50～70 ℃下处理榨菜综合废水时，出水中的COD质量浓度为 115～160 mg/L，COD的去除率为96%～97%， 温度对其影响不大。温度较高时，超疏水膜表面会形成一层蒸汽膜层，水蒸气和挥发性气体透过超疏水膜管进入冷凝器冷凝产水。出水中的COD质量浓度较高的原因是挥发性有机物在较高温度下，与水蒸气一同透过膜孔进入冷凝器溶于出水中，从而导致出水中的COD浓度较高[8]。

图2 温度对COD去除的影响

图3 温度对去除的影响

2.1.3 温度对TN去除的影响

温度对TN去除的影响如图4所示。超疏水膜装置在50～70 ℃下处理榨菜综合废水时，出水中的TN质量浓度为10.7～12.2 mg/L，TN的去除率在94%以上，温度对TN去除的影响较小。与氨氮去除情况相比，出水的TN质量浓度更高，这可能是由于出水中的挥发性有机物中含有含氮的挥发性有机物[11]。

图4 温度对TN去除的影响

2.1.4 温度对TP去除的影响

温度对TP去除的影响如图5所示，超疏水膜装置在50～70 ℃下处理榨菜综合废水时，出水中TP质量浓度随温度的升高而下降。当温度为50 ℃时，TP的去除率为74.6%；当温度为60 ℃时，TP的去除率为89.0%。出水中TP质量浓度最终稳定在1.0 mg/L以下。 这是由于当温度为50～55 ℃时，出水中含有挥发性含磷有机物，随着溶液中挥发性含磷有机物的减少，当温度为60～70 ℃时，出水中挥发性含磷有机物浓度逐渐稳定。温度对水解酸化过程中正磷酸盐的溶出影响显著[11-12]。

图5 温度对TP去除的影响

2.1.5 温度对Cl-去除的影响

温度对Cl-去除的影响如图6所示，超疏水膜装置在50～70 ℃下处理榨菜综合废水时，出水中Cl-质量浓度为12.1～20.8 mg/L，Cl-的去除率稳定在99%以上。超疏水膜装置对Cl-去除效果较好。榨菜废水中的Cl-主要来源于榨菜腌制过程中产生的腌制水和榨菜清洗水中的NaCl，NaCl为非挥发性物质，不会透过超疏水膜进入出水中。出水中检测到较低浓度的Cl-可能是偏酸性条件的榨菜废水在较高温度下形成盐酸气体透过超疏水膜进入出水中所致[13]。

图6 温度对Cl-去除的影响

2.2 温度对超疏水膜装置膜通量的影响

膜通量是表征超疏水膜装置产水性能的一个重要指标。在超疏水膜装置处理榨菜废水过程中，测量不同进水温度下的冷凝液体积，根据式(1)计算膜通量[14]：

(1)

式中：Jw—— 膜蒸馏膜通量，L/(m2·h)；

ΔV—— 透过膜的水蒸气增量，L；

Sm—— 膜表面积，m2；

ΔT—— 单位时间，h。

温度对超疏水膜装置膜通量的影响如图7所示。超疏水膜装置处理榨菜综合废水时，膜通量随温度的升高而增加。这可能由3方面原因导致：一是随温度的增加，超疏水膜浓液侧水蒸气含量增加；二是超疏水膜两侧蒸汽压差随温度升高而增大，增加了传质的驱动力，使得水蒸气能快速透过超疏水膜，从而使膜通量增加[15-16]，不同温度下超疏水膜膜压差与膜通量如表2所示，膜通量与温度的关系如图8所示，表面膜通量与温度具有良好的线性相关性；三是随着温度的升高，超疏水膜浓液侧形成的蒸汽层更厚，更有利于水蒸气透过。

图7 温度对超疏水膜装置膜通量的影响

表2 不同温度下超疏水膜的膜压差与膜通量

图8 膜通量与膜压差关系图

不同温度下榨菜综合废水在超疏水膜表面形成的接触角测定结果如图9所示，接触角随温度的升高而增加。这进一步证实了浓液侧温度越高越易形成蒸汽层，越有利于膜通量的提高。

图9 不同温度下超疏水膜的接触角

3 结 语