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（寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院,浙江寧波315211）
摘要:用納濾-反滲透-反滲透膜組合處理方法對電鍍清洗廢水進(jìn)行處理工藝設(shè)計(jì),使電鍍清洗廢水形成閉路循環(huán);整個(gè)工藝流程無任何物料添加和損耗,水和鍍液離子全部回收利用.并用模擬配制的鍍鎳漂洗廢水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,考察操作壓力、進(jìn)水濃度和料液濃縮倍數(shù)對工藝各級膜組件分離效果影響,結(jié)果顯示與預(yù)期相符,設(shè)計(jì)工藝能實(shí)現(xiàn)電鍍清洗廢水零排放處理目標(biāo),生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用可行.
關(guān)鍵詞:電鍍廢水;膜工藝;工藝設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)研究
中圖分類號:X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1001-5132（2010）04-0092-06
據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國每年排放出的電鍍廢水約達(dá)40億m3,而電鍍廢水治理大部分是采用各廢水混合后再處理.這種電鍍混合廢水治理達(dá)標(biāo)排放的傳統(tǒng)方法雖經(jīng)有效治理能達(dá)標(biāo)排放,但仍有大量重金屬離子等污染物流進(jìn)江河湖海,或滲入土壤地層,不僅污染環(huán)境,破壞生態(tài),危害人類健康和壽命,也浪費(fèi)了寶貴資源.未來電鍍行業(yè)發(fā)展的趨勢應(yīng)是徹底消除污染,實(shí)現(xiàn)廢水處理零排放.
分析電鍍生產(chǎn)過程,電鍍廢水大體可分為前處理廢水、電鍍清洗廢水、后處理廢水以及電鍍廢液.其中,鍍件清洗廢水是電鍍廢水中的主要來源之一,幾乎要占廢水排放總量的80%以上.再加上當(dāng)前電鍍生產(chǎn)主要采用的是漂洗長流清洗工藝,其耗水量大,浪費(fèi)驚人,水環(huán)境污染更是十分嚴(yán)重.其實(shí),電鍍清洗廢水中的絕大部分污染物是由鍍件表面附著液在清洗時(shí)帶入,成分與鍍槽溶液相同,其他污染物極少,可返回鍍槽而再用.因此,將電鍍生產(chǎn)線上的清洗廢水分別收集并將其有效分離,使分離后的凈化水再作電鍍清洗水循環(huán)回用,濃水再濃縮到一定程度后返回鍍槽,從而使鍍件清洗廢水的水、鍍液離子和助劑全部回收,達(dá)到電鍍清洗廢水零排放的目標(biāo).膜分離技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了電鍍廢水有效利用和零排放處理的生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用.
1·膜法電鍍清洗廢水處理零排放工藝設(shè)計(jì)
由于電鍍清洗廢水中的主要污染物是重金屬離子,不含太多的有機(jī)物、懸浮物及雜質(zhì)等,適合于直接采用膜分離.薛莉娉報(bào)導(dǎo)了采用單一的納濾膜工藝對電鍍含鎳廢水處理進(jìn)行的研究,提出了納濾膜具有操作壓力低、水通量大、對電鍍含Ni2+廢水有去除率高等優(yōu)點(diǎn),但透過水的水質(zhì)僅能達(dá)標(biāo)排放或回用于鍍件初級的漂洗要求.而在精密電鍍生產(chǎn)中,對水的純度要求非常高,納濾透過水直接用作精密電鍍清洗則達(dá)不到純度要求.陳鋒等人則直接使用三段式反滲透膜工藝對電鍍含鎳廢水進(jìn)行處理研究,雖然可以獲得高純度的滲透水用于精密電鍍生產(chǎn),同時(shí)也能將鍍鎳漂洗水濃縮40倍后而回用.但整個(gè)系統(tǒng)存在能耗大等方面不足.如采用“納濾+反滲透”組合優(yōu)化工藝處理電鍍清洗廢水，不僅其處理產(chǎn)生的凈化水純度高可直接再用于精密電鍍生產(chǎn)，同樣能有效濃縮回收金屬離子，并使電鍍工藝成本最低化.
1.1 原理
電鍍生產(chǎn)線上的鍍件清洗工藝廢水因未加其他物質(zhì),成分與電鍍液相同,故將電鍍清洗廢水處理系統(tǒng)直接采用納濾和反滲透組合工藝就可實(shí)現(xiàn)電鍍清洗廢水處理零排放設(shè)計(jì).
其基本原理是前級采用納濾膜對鍍銅、鍍鎳、鍍鋅等電鍍清洗廢水中的多價(jià)金屬離子有較高截留率,同時(shí)可獲得較高的水回收率;后級一組反滲透膜用來處理納濾的透過水,使反滲透膜組件的出水達(dá)到去離子水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);另一組反滲透膜用來處理納濾的濃縮水,選擇部分濃縮液回流工藝設(shè)計(jì),利用回流閥門調(diào)節(jié)控制使?jié)饪s量達(dá)到配置電鍍液需要量后,返回鍍液槽再用.整個(gè)電鍍清洗廢水形成閉路循環(huán)處理系統(tǒng),并在實(shí)現(xiàn)電鍍清洗廢水零排放要求的同時(shí),保證清洗回用水水質(zhì)純凈、廢水中的金屬離子與助劑全部回收和返回鍍液的濃縮要求.
1.2 工藝流程
工藝流程設(shè)計(jì)如圖1所示.
1.3 說明
電鍍生產(chǎn)線上產(chǎn)生的鍍件清洗廢水,分別匯集到各工藝段設(shè)置的集水箱,先用石英砂和5μm微濾膜進(jìn)行預(yù)處理,以除去電鍍廢水液中大顆粒懸浮雜質(zhì)、微生物、膠體等,確保膜免受機(jī)械損傷,防止納濾膜表面污染及結(jié)垢,然后輸送到廢水箱.
把廢水箱中的預(yù)處理后電鍍清洗廢水用泵輸入納濾膜組件進(jìn)行納濾分離,由于納濾膜對多價(jià)離子的高截留性能和高透水性能,透水回收率能達(dá)到90%以上.為保證裝置的正常運(yùn)行和納濾膜的使用壽命,納濾膜應(yīng)選用抗污染納濾膜.
對納濾的濃縮液還需要用反滲透作進(jìn)一步濃縮.使?jié)饪s濃度提高至電鍍液濃度要求.同時(shí)考慮到在前級納濾膜分離時(shí),納濾透水回收率高,其濃縮廢水量遠(yuǎn)小于膜透過水的量.因此,這一級反滲透選用部分濃縮液回流工藝設(shè)計(jì),使RO的濃縮達(dá)到鍍液濃度要求,透過水因其濃度高于前級納濾膜的透過水而返回到原廢水處理箱,再用作前級納濾膜的進(jìn)水,以提高水和鍍液成分的回收率透.此級反滲透由于進(jìn)水濃度和濃縮濃度都較高,因此,需要選用高壓泵和耐高壓反滲透抗污染膜,同時(shí)還應(yīng)考慮能量回收裝置.
對于納濾膜分離后的透過水,需要的是水的凈化回用.因而本級反滲透是按鍍件清洗工藝對清洗水的水質(zhì)要求而設(shè)置.如電鍍鍍件對清洗的水質(zhì)要求不高,本級反滲透裝置不需設(shè)置,
其前級納濾透過水已能滿足清洗水質(zhì)要求,就可直接用納濾透過水返回作鍍件漂洗或淋洗水.如水質(zhì)要求很高，納濾透過水達(dá)不到清洗水的水質(zhì)要求,則要設(shè)置反滲透再作進(jìn)一步除凈化處理.為提高反滲透回收率和保證透過水的水質(zhì).選擇分段式反滲透工藝設(shè)計(jì)能同時(shí)滿足以上要求.反滲透膜透過水基本達(dá)到去離子水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),完全能滿足一般和高檔鍍件的清洗要求.濃縮液返回到原廢水處理箱,再作為前級納濾膜的進(jìn)水,以提高水和鍍液成分的回收率透.
整個(gè)工藝流程形成了閉路循環(huán)處理系統(tǒng),沒有其他物質(zhì)進(jìn)入,也沒有物質(zhì)損失,實(shí)現(xiàn)零排放設(shè)計(jì).同時(shí)使返回的濃縮液濃度達(dá)到鍍液濃度要求,回用的鍍件清洗水達(dá)到或接近去離子水標(biāo)準(zhǔn),滿足精密電鍍清洗水的水質(zhì)要求.
1.4 計(jì)算
根據(jù)膜分離技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)要求和物料平衡原理,工藝設(shè)計(jì)的膜技術(shù)參數(shù)可按分段式工藝和部分濃縮液循環(huán)工藝計(jì)算.
2·實(shí)驗(yàn)研究
2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/SPAN>
根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝流程,采用模擬配制的鍍鎳漂洗廢水對各級、段分離膜組件的處理效果進(jìn)行試驗(yàn),考察設(shè)計(jì)工藝流程實(shí)際應(yīng)用的可行性.
2.2 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖2所示.
2.3 實(shí)驗(yàn)材料
膜元件分別為DuraslickNF2540;DuraslickRO2540;FILMTECSW30-2540.
用寧波某電鍍廠鍍鎳車間鍍件漂洗廢水取樣分析,并參照鍍鎳液的配方比例,用RO產(chǎn)水(電導(dǎo)率<2μs·cm-1)配制.即按硫酸鎳:氯化鎳:硼酸:光亮劑等于240:40:45:1.0的比例配制成含Ni2+濃度為135~180mg·dm-3,pH值為4.5~5.2的鍍鎳漂洗廢水,作為模擬前級納濾過程的試驗(yàn)料液;后級的反滲透凈化和反滲透濃縮分別采用納濾過程后的透過水及濃縮水.
2.4 測定方法
用原子吸收分光光度法檢測Ni2+離子濃度,Ni2+離子的濃度范圍:0.03~8mg·dm-3,用去離子水調(diào)正含Ni2樣品的濃度至儀器測量范圍.
2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
按圖2配置連接實(shí)驗(yàn)裝置,在室溫條件下以全回流和部分濃縮液回流的方式連續(xù)運(yùn)行,膜組件透水流量用TCF校正,控制進(jìn)水流速和回收率在單支膜元件使用條件限制值以內(nèi).用變換試驗(yàn)水質(zhì)、更換膜組件、改變膜分離工藝方式和調(diào)節(jié)操作壓力等步驟,完成納濾分離、反滲透凈化和反滲透濃縮模擬試驗(yàn).
納濾分離的目的是截留分離廢水中的Ni2+離子和其他膠體等雜質(zhì),獲得盡可能大的膜通量,并為后級反滲透處理廢水回用作精細(xì)預(yù)處理.操作壓力(ΔP)對納濾膜分離效果的影響如圖3所示.進(jìn)水濃度(Cf)對納濾膜分離效果的影響如圖4所示.
由圖3可見,隨著操作壓力(ΔP)提高,納濾膜的產(chǎn)水通量(Jw)幾乎呈線性增加;而Ni2+離子的截留率(R1)開始會隨著操作壓力(ΔP)升高而增大,但當(dāng)操作壓力超過1.0MPa時(shí),Ni2+離子的截留率(R1)隨著操作壓力(ΔP)升高而降低.由圖4可知,進(jìn)水的Ni2+離子濃度在400mg·dm-3以下,基本無大的變化;而Ni2+離子濃度在400mg·dm-3以上,通量和截留率都略有下降,但其變化不大.其原因主要是由于納濾過程的濃差極化和料液中含有的有機(jī)物濃縮所造成.在電鍍生產(chǎn)工藝中,電鍍清洗廢水的Ni2+離子濃度一般都在400mg·dm-3以下,雖然對實(shí)際應(yīng)用的納濾分離過程影響關(guān)系不大.但納濾分離過程不能采用太大的回收率(或濃縮倍數(shù)),否則除了會降低納濾分離效果以外,還會有嚴(yán)重的濃差極化和納濾膜污染.
工藝設(shè)計(jì)的本級反滲透處理目的是在提高水質(zhì)的同時(shí)盡可能獲得高的回收率.實(shí)驗(yàn)也采用二段式工藝設(shè)計(jì)試驗(yàn)運(yùn)行,用變換進(jìn)水濃度的方法模擬錐形排列的膜組件內(nèi)實(shí)際分離情況.實(shí)驗(yàn)開始以納濾透過水作試驗(yàn)料液,對Duraslick RO 2540于膜組件進(jìn)行試驗(yàn).然后以NiSO4等化學(xué)試劑調(diào)整進(jìn)水料液中的Ni2+離子濃度,用改變操作壓力考察壓力與濃度對反滲透膜的分離效果影響.在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi),反滲透的膜通量和脫除率性能受濃度影響很小.這是因?yàn)榻?jīng)前級納濾膜截留分離后,其他雜質(zhì)濃度大大降低,進(jìn)水水質(zhì)完全符合反滲透進(jìn)水要求,Ni2+離子濃度低濃差極化小,微量雜質(zhì)不構(gòu)成阻礙和影響反滲透膜通量與截留率.
反滲透濃縮的目的是盡可能地脫除濃縮料液中水的成份,提高濃度使其滿足返回電鍍槽液的濃度要求.本實(shí)驗(yàn)是在納濾濃縮的基礎(chǔ)上將料液再濃縮,即用前級納濾的濃縮液作試驗(yàn)料液,選擇抗污染、耐高壓的FILMTECSW30-2540反滲透膜元件,選用部分濃縮液回流式工藝流程進(jìn)行試驗(yàn).濃縮倍數(shù)(n)對反滲透分離性能的影響如圖5線所示.
由圖5可知,反滲透膜通量(Jw)和Ni2+離子截留率(R)都隨著濃縮倍數(shù)(n)的增大而降低,并有相同的變化趨勢.在試驗(yàn)條件下將料液濃縮120倍,Ni2+平均截留率大于92％,最終濃縮Ni2+離子濃度至15.00g·dm-3左右,含水量大幅降低,達(dá)到電鍍補(bǔ)充液配制量要求后返回到電鍍槽中進(jìn)行再生產(chǎn),回收了廢水中的鎳.再高的濃縮倍數(shù)需要更高的操作壓力和能耗,并且易造成膜分離過程的嚴(yán)重濃差極化和反滲透膜的污染,需要頻繁的反滲透膜清洗而損壞設(shè)備.這在實(shí)際工程中綜合權(quán)衡效果和效益等方面因素,一般不會采用.
3·結(jié)論
(1)納濾-反滲透-反滲透膜法處理電鍍清洗廢水工藝設(shè)計(jì)理論依據(jù)可靠,技術(shù)路線合理,能實(shí)現(xiàn)水和鍍液金屬離子全部回收的零排放目標(biāo).前級納濾膜處理能在較低的操作壓力下獲得較高的水通量和較高的多價(jià)離子截留率.后級反滲透對納濾透過水的處理,能使水的品質(zhì)提高到幾乎達(dá)到去離子水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).后級反滲透對納濾濃縮水的處理,采用部分濃縮液回流工藝,可根據(jù)濃縮要求調(diào)節(jié)控制閥門和流量,滿足返回鍍液槽液的濃度要求.其余水返回水箱再處理,全過程無物質(zhì)添加和損耗.
(2)實(shí)驗(yàn)研究表明:納濾膜對Ni2+離子有很好的截留效果,截留率一般都在92％以上.Ni2+離子在600mg·dm-3以下范圍內(nèi),進(jìn)水濃度對納濾過程的水通量和截留率影響都不大.反滲透對Ni2+離子具有更高的截留率,反滲透對納濾透過水中Ni2+離子的截留率一般都在99％以上.在Ni2+離子濃度240mg·dm-3試驗(yàn)范圍內(nèi),反滲透的水通量和截留率基本無變化.在反滲透濃縮過程中,隨著濃縮過程的進(jìn)行,濃度逐漸增大,濃差極化越來越明顯,分離效果也逐漸降低.因此,過度濃縮易造成分離過程的嚴(yán)重濃差極化和膜污染,為減輕濃差極化等因素對濃縮分離的效果不利影響,應(yīng)控制較大的進(jìn)水流量或循環(huán)流量.當(dāng)截留率下降趨勢明顯時(shí)，膜受污染需要及時(shí)清洗.實(shí)際工程中應(yīng)綜合權(quán)衡處理效果和效益兩方面考慮,一般將濃縮液濃縮到返回鍍槽鍍液濃度要求即可.
(3)限于實(shí)驗(yàn)室條件,設(shè)計(jì)的納濾-反滲透-反滲透組合工藝未進(jìn)行實(shí)際聯(lián)合運(yùn)行試驗(yàn).在工程實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)注意工藝各級膜組件的配置和排列方式,以保證系統(tǒng)中每個(gè)膜組件內(nèi)的各個(gè)膜元件回收率不大于使用條件的限值,進(jìn)出口流速應(yīng)控制在不小于使用條件的限值,這樣可提高膜利用率和減少污染,降低設(shè)備投資和維護(hù)成本,有利于工藝的推廣應(yīng)用.
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