?。|華大學環(huán)境科學與工程學院，上海201620）
 

　　【摘要】研究了多孔陶瓷微濾膜對印染廢水的過濾效果，對操作壓力、錯流速度以及運行時間等操作參數(shù)進行了探討。結(jié)果表明，操作壓力為0.275MPa，錯流速度2.5m·s-1，運行20min后COD和NH3-N的去除率分別達到了30%和20%左右。在廢水中投加0.3g·L-1的高嶺土，COD的平均去除率可達50%。

　　關(guān)鍵詞：多孔陶瓷膜；印染廢水；微濾；廢水處理

　　中圖分類號：TQ028.8；X703.1文獻標識碼：A文章編號：1000-3700(2009)02-084-03

　　用膜過濾技術(shù)處理各種工業(yè)廢水的研究很早就已開始。早在上世紀七十年代無機分離膜便開始應(yīng)用于工業(yè)廢水的處理，但由于工業(yè)廢水的污染程度高、成分復雜，使得膜的使用壽命很短，且處理成本很高，因而僅限于一些特定的領(lǐng)域，如含油廢水的處理和乳化液廢水的處理等[1]。隨著無機膜技術(shù)的不斷發(fā)展，其所具有的化學穩(wěn)定性好、機械強度大、抗酸堿及微生物腐蝕能力強、分離效率高等優(yōu)點使其在廢水處理中的優(yōu)勢日益明顯。

　　用無機膜處理印染廢水的研究開始于上世紀八十年代。Soma等用0.2μm的氧化鋁膜處理印染廢水取得了良好的效果[2]；NeytzelldeWilde等用氧化鋯動態(tài)膜處理羊毛洗滌廢水，實現(xiàn)了出水回用于洗滌工序。

　　本文應(yīng)用多孔陶瓷微濾膜處理印染廢水二級出水，采用錯流方式，探討了多孔陶瓷微濾膜的操作條件，包括跨膜壓力、錯流速度和運行時間的選擇，以及多孔陶瓷微濾膜對印染廢水的處理效果。

　　1·試驗部分

　　1.1試驗材料

　　試驗中所用陶瓷膜管由廣東佛陶集團金剛新材料有限公司提供。膜管材料為α-Al2O3，通道數(shù)為19，膜管外徑30mm，通道直徑4mm，壁厚1.5～2mm，長度35cm，膜面積0.24m·2m-1，平均孔徑0.2μm。所用原水為實驗室處理某印花廢水裝置的出水。原水水質(zhì)見表1。

　　1.2工藝流程

　　試驗采用自行設(shè)計的陶瓷膜分離裝置，裝置及流程如圖1所示。

　　原液罐中的廢水依靠重力從原液罐流至離心泵，之后在離心泵的作用下在試驗系統(tǒng)中循環(huán)流動，廢水經(jīng)過陶瓷膜組件時一部分通過錯流過濾后出水，其余部分則回流至原液罐。膜組件由內(nèi)部的多孔陶瓷膜管和外部的不銹鋼套筒組成，組件內(nèi)設(shè)一根膜管。離心泵出水管一側(cè)開一旁路，壓力和流速的改變通過各個閥門的調(diào)節(jié)實現(xiàn)。原液罐內(nèi)設(shè)有循環(huán)冷卻裝置使系統(tǒng)內(nèi)溫度保持在20℃左右。

　　試驗中過濾方式為錯流過濾。廢水以切線方向流過膜表面，在壓力作用下通過膜，廢水中的顆粒則被膜截留而停留在膜表面形成一層動態(tài)膜。與死端過濾不同的是廢水流經(jīng)膜表面時產(chǎn)生的高剪切力可使沉積在膜表面的顆粒擴散返回主體流，從而被帶出微濾膜組件，過濾導致的顆粒在膜表面的沉積速度與流體流經(jīng)膜表面時由速度梯度產(chǎn)生的剪切力引發(fā)的顆粒返回主流體的速度達到平衡，可使該動態(tài)膜不再無限增厚而保持在一個較薄的穩(wěn)定水平。試驗中跨膜壓差ΔP由精密壓力表上的讀數(shù)通過公式:

　　1.3分析方法

　　通量是反映膜管性能的一個重要指標，計算公式為：

　　式中：J為滲透液通量，L·m-2·h-1；d為通道直徑，m；l為膜管長度，m。

　　通量測量時用一臺電子天平對出水進行連續(xù)讀數(shù)，通過間隔時間Δt的出水量ΔV來計算膜管的通量。另外由于出水濁度基本為零，出水的物理性質(zhì)按純水計。COD的測定采用微波消解法，色度、NH3-N采用標準分析方法[3]，電導率的測定采用DDS-307型電導率儀。

　　2·結(jié)果與討論

　　2.1通量衰減

　　圖2示出陶瓷膜過濾廢水的通量隨時間的衰減變化，其中跨膜壓差為0.075MPa，錯流速度為2.5m·s-1。裝置啟動后通量在開始的20min內(nèi)急劇下降，之后變化幅度逐漸減小，隨著裝置運行時間的增加最終通量穩(wěn)定在100L·m-2·h-1左右。前20min通量的急劇下降是由于廢水中的顆粒物質(zhì)使陶瓷膜產(chǎn)生膜污染，主要為固體懸浮顆粒沉積在膜面形成凝膠極化層、小顆粒部分堵塞膜孔、顆粒在膜表面吸附而形成的。

　　2.2不同跨膜壓差和錯流速度下的膜通量

　　在一個恒定的跨膜壓差下改變錯流速度通量的變化如圖3所示。由圖3可知，在一個恒定的跨膜壓差下通量隨著錯流流速的增大而逐漸減小。一般認為錯流速度越大，越能減小濃差極化的影響，降低微濾阻力，膜的通量也越大。另一方面，錯流速度增大，首先帶走了膜表面的大顆粒，使濾餅層細顆粒比例增高、濾餅層比阻增大，從而使通量隨著錯流流速的增大而逐漸減小。

　　2.3不同運行時間廢水的處理效果

　　陶瓷膜直接處理廢水過程中COD和NH3-N的去除率隨時間的變化如圖4所示。其中操作條件為跨膜壓差0.275MPa，錯流速度2.5m·s-1。由于陶瓷膜裝置啟動運行20min左右通量基本穩(wěn)定，故裝置從開始運行20min后取出水測量。由圖4可知，裝置對廢水COD和NH3-N的去除率都在運行20min后達到最高，分別為30%和20%左右。之后隨著裝置運行時間的增長去除率略有下降。

　　廢水原水為某印花廢水處理裝置生化處理二級出水，廢水中含有大量的游離微生物，因而會產(chǎn)生凝膠物質(zhì)包括溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）和胞外多聚物（ECP）[6]。其中SMP主要為腐殖酸、富里酸、多糖、蛋白質(zhì)和核酸等物質(zhì)，其中不乏大分子有機物和膠體顆粒[7]；ECP主要由蛋白質(zhì)和多糖組成，是污泥絮團的主要成分。兩者都是產(chǎn)生COD的重要部分，且SMP易于與膜發(fā)生作用而被截留，因而在通量基本穩(wěn)定時即陶瓷膜對廢水中大部分顆粒物質(zhì)截留后，污染物質(zhì)的去除率達到最高。故選擇陶瓷微濾膜裝置處理廢水的最優(yōu)運行時間為20min，如無特別說明本文中對廢水的處理試驗都選取20min的處理時間。

　　2.4投加高嶺土后的通量衰減

　　圖5示出了在跨膜壓差為0.275MPa，錯流速度為2.5m·s-1的運行條件下，在廢水原水中投加0.1g·L-1高嶺土與未投加高嶺土的通量隨時間的變化。由圖5可知，從裝置開始運行投加高嶺土與直接過濾的通量幾乎相等，之后兩者通量都迅速下降，20min后分別降到了250L·m-·2h-1和150L·m-·2h-1左右，裝置運行250min后兩者通量分別穩(wěn)定在200L·m-2·h-1和100L·m-·2h-1左右。另外投加高嶺土的廢水的通量要明顯大于直接過濾的廢水通量，分析原因是投加在廢水中的高嶺土會在陶瓷膜表面形成一層動態(tài)膜，這層高嶺土膜能有效地防止細小的顆粒進入陶瓷膜內(nèi)部堵塞膜孔，從而增大了陶瓷膜過濾廢水的通量。

　　2.5投加高嶺土后COD的去除效果

　　投加不同量的高嶺土COD的去除效果如圖6所示，跨膜壓差為0.275MPa，錯流速度為2.5m·s-1。在所處理的廢水中投加一定量的高嶺土，隨著裝置的運行在陶瓷膜表面會形成一層動態(tài)膜，它不僅能在一定程度上解決傳統(tǒng)膜處理方法中膜組件的污染問題，并且由于投加的高嶺土會在膜材料表面形成動態(tài)膜從而使過濾孔徑變小增強了截留能力[8]。

　　從圖6中可以看出，在廢水中投加了高齡土的陶瓷膜對COD的去除率要大于不投加的COD去除率，并且隨著高嶺土在廢水中濃度的上升COD的去除率也呈現(xiàn)了上升的趨勢。分析其原因是廢水中含有一定量的游離微生物和可溶性細胞產(chǎn)物，投加高嶺土形成動態(tài)膜能增加對分子量較大的可溶性細胞產(chǎn)物和游離微生物的截留[9]，從而提高了廢水COD的去除率。高嶺土投加量為0.5g·L-1時較投加0.3g·L-1時COD去除率增加不明顯，而且隨著運行時間的增加去除率還會有一定程度的下降，所以綜合考慮各種因素認為在廢水原液中投加0.3g·L-1的高嶺土對廢水COD去除效果最優(yōu)，平均去除率達到50%左右。

　　3·結(jié)論

　　試驗采用孔徑為0.2μm的α-Al2O3多孔陶瓷微濾膜構(gòu)成反應(yīng)裝置，并對其處理印染廢水二級出水進行了研究。討論了跨膜壓差和錯流速度對膜通量的影響，并選定了裝置對廢水的最優(yōu)運行時間，裝置在跨膜壓差0.275MPa、錯流速度2.5m·s-1下運行20min左右對廢水的處理效率最高，COD和NH3-N的去除率分別達到了30%和20%左右。在廢水中預(yù)投加一定量的高嶺土在相同的運行條件下會產(chǎn)生更大的出水通量，選定了0.3g·L-1高嶺土的最優(yōu)投加量，其在相同的運行條件下COD的平均去除率達到了50%。多孔陶瓷微濾膜應(yīng)用印染廢水深度處理有著良好的發(fā)展前景。