電滲析和反滲透耦合深度處理制革高鹽廢水的研究
摘要：針對制革行業(yè)“雙膜法”廢水回用工藝產生的高鹽廢水的特點，通過電驅離子膜和反滲透膜的耦合，對制革高鹽廢水進行了高效深度處理研究。結果表明，在電壓25 V、進水體積流量30 L/h、脫鹽室循環(huán)體積流量500 L/h 操作條件下，經過電滲析分離，得到的濃縮鹽水TDS 的質量濃度在150 g/L 以上，滿足皮革浸漬工序段用料要求；得到的脫鹽水TDS 的質量濃度8.2 g/L、COD 為330 mg/L。脫鹽水在28℃、進水體積流量900 L/h、回收率50%條件下，經反滲透處理得到淡水TDS 的質量濃度72 mg/L、不含COD，水質達到了GB/T 19923－2005 的要求；產出濃水水質與原水水質相似，可返回電滲析工序。該工藝可有效提升系統(tǒng)的水回收利用率。
在我國社會經濟發(fā)展和城市化進程中，水資源緊缺正在逐漸成為制約我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的主要因素之一[1]。制革工業(yè)給地方經濟到來繁榮的同時，它也是耗水及廢水排放大戶，據(jù)統(tǒng)計，皮革行業(yè)每年排放廢水0.1 Gt 多，約占全國工業(yè)廢水總排放量的0.47%[2-5]。為了減少制革廢水的排放，許多制革企業(yè)采用了以“超濾+ 反滲透（RO）”為主的雙膜法處理工藝，對制革廢水進行回用，實現(xiàn)了減排[6-10]。但制革廢水中TDS 的質量濃度達到8 g/L 以上，導致制革廢水回用率一般在60%以內，尚有40%的高鹽廢水排放[11]。并且此類高鹽廢水含有大量的無機鹽（如Cl-、SO42-、Na+、Ca2+ 等），且還含有較高的COD，是難降解的廢水之一，因而高鹽廢水的合理處置是制約制革行業(yè)實現(xiàn)廢水“零排放”的瓶頸[12]。
目前，相對成熟的高濃鹽水處理技術主要有熱法濃縮技術、超高壓RO 技術、電滲析（ED）濃縮技術以及不同技術的組合。同時，膜蒸餾和正滲透等諸多新技術的研究也得到了廣泛的關注。熱法濃縮技術包括自然蒸發(fā)（蒸發(fā)塘）、多效蒸發(fā)、機械壓縮再蒸發(fā)（MVR）等[13]。其中，蒸發(fā)塘技術雖具有簡單易行等優(yōu)勢，但存在明顯地域限制，且存在可能的環(huán)境風險，現(xiàn)已逐步淘汰[14]；多效蒸發(fā)技術和MVR 技術都可以有效減少熱量損失，基本可以實現(xiàn)廢水的零排放，但是易在蒸發(fā)器中結垢并堵塞蒸發(fā)器，且對材料耐腐蝕性能要求高，多效蒸發(fā)技術仍需額外蒸汽提供熱量，對低含量濃鹽水處理成本高，而MVR 技術還消耗大量的電量，同時首次啟動時需要大量蒸汽[15]。
ED 與RO 過程相耦合，克服了熱法的缺點，并且在能耗、占地和投資等方面優(yōu)勢明顯[16-19]。因此，探究開發(fā)ED 和RO 耦合技術，符合當前制革行業(yè)對廢水減排和資源化利用的迫切需求。
本研究在福建某大型皮革廠“雙膜法”廢水處理工藝的基礎上，探究以高效電驅離子膜裝置為核心的適用于皮革行業(yè)高鹽水的高效回收利用新技術，以實現(xiàn)廢水中的水和無機鹽的資源化回收利用，為實現(xiàn)制革行業(yè)廢水零排放和資源化回收利用提供技術支撐[20]。
1 實驗部分
1.1 高鹽廢水
實驗用待處理高鹽廢水取自某皮革企業(yè)綜合廢水“雙膜”處理工藝產生的濃水，其COD 為406mg/L，pH 為8.98，Mg2+、Ca2+、Na+、SO42-、Cl-、TDS 的質量濃度分別為0.153、0.396、4.905、1.55、7.58、16.4 g/L。
1.2 膜和裝置
實驗中所用電滲析器為兩室多層式，膜組件由47 對陰陽離子交換膜組成，膜槽尺寸為130 mm×325 mm，有效膜面積為100 mm×220 mm，使用的鈦涂釕電極，隔板厚度1.0 mm，陽極室和陰極室共用1 個極水槽，組裝方式為1 級1 段。RO 膜選用的是LFC-LD-4040 低污染復合膜，實驗采用2 支100 mm膜串聯(lián)。臭氧催化實驗使用臭氧氧氣一體機。
1.3 實驗流程
實驗操作流程：將原水經過簡單微濾后泵入ED系統(tǒng)，ED 系統(tǒng)的脫鹽水引出作為RO 的進水，ED 產生的濃縮鹽水經臭氧脫COD 得到濃鹽水返回作為制革用料；通過RO 產生回用水的同時，也得到濃水；經RO 得到的產品脫鹽淡水，得到的濃水與原高鹽水混合，作為ED 系統(tǒng)的進水。
處理工藝流程如圖1 所示。
系統(tǒng)由ED 濃縮過程和RO 濃縮過程組成[21]。在ED 濃縮過程中，脫鹽室初始放置的是將原高鹽水處理至TDS 的質量濃度為8 g/L 的濃鹽水，濃縮室放置的是質量分數(shù)15%的NaCl 溶液，極室使用的質量分數(shù)是3%的Na2SO42- 溶液，脫鹽室、濃縮室和極水槽中的溶液能夠以不同流速各自循環(huán)。
1.4 分析方法
Ca2+、Mg2+ 含量的測定采用EDTA 滴定法，Cl-含量的測定采用AgNO3沉淀法，SO42- 含量的測定采用EDTA 滴定法；COD 依據(jù)GB 11914－89 測定[22]；電導率的測定采用多參數(shù)水質測定儀（DDS-11A）。
ED 電流效率η 的計算：
η =FqV（cd i -cdo ）/（NI）。
式中，F(xiàn) 為法拉第常數(shù)（96.485 kC/mol），qV為淡水的體積流量，cd i、cdo為淡水系統(tǒng)進、出ED 的濃度，I 為電流，N 為組裝膜對數(shù)。
2 結果與討論
2.1 ED 濃縮正交實驗
以ED 濃縮產水的TDS 含量和電流效率為指標，設計了電壓、進水體積流量和脫鹽室循環(huán)體積流量的3 因素4 水平正交實驗L16（43）[23-24]。為了減小壓差滲漏的影響，設置濃淡室流速比為1：1，實驗的因素水平條件見表1。
采用正交實驗考察這幾個參數(shù)對濃縮過程的影響，其具體安排和結果分析見表2，各個指標對應下的極差分析結果如表3 所示。
根據(jù)表3 正交實驗結果各指標對應下的極差R可知，各因素對脫鹽水、濃縮鹽水TDS 含量的影響依次為電壓、進水量和淡室循環(huán)流量，且后兩者的影響程度相近；而對電流效率而言，各因素的影響次序則為進水量、電壓和淡室循環(huán)流量，但在這一指標下進水量和電壓的影響程度相差不大。所以綜合比較各項指標的結果，各因素對ED 結果的總體影響次序為電壓、進水量和淡室循環(huán)流量。
再由表3 進一步分析每一因素下不同水平的實驗結果可知，電流效率沒有隨電壓變化明顯改變，而濃縮鹽水TDS 含量隨著電壓的增大而顯著增大，在25 V 時TDS 的質量濃度達到了150 g/L 以上；脫鹽水TDS 含量隨著電壓的增大而顯著減小，在25 V時TDS 的質量濃度達到8.65 g/L。對膜面積一定的裝置而言，提高電壓即增加運行電流密度，電流增大就需要從淡室往濃室遷移更多的離子電荷來維持，即遷移了更多的鹽，從而將提高濃縮效果。所以在ED 操作中，為了增強濃縮效果，可以在極限電流范圍內盡量選擇較高的操作電壓。
在不同進水量下，濃縮鹽水TDS 含量也沒有明顯變化趨勢，但脫鹽水TDS 含量隨著進水量的增大而增大，電流效率隨著進水量的增大先增大隨后維持穩(wěn)定。因為當操作電壓一定時，單位時間內由淡室向濃室遷移的鹽分是一定的，增大進水量必然會引起淡室鹽分的增加，所以穩(wěn)定后淡室TDS 也會增高，同時淡室鹽分增加也會減弱濃淡室之間的含量差，從而剛開始一定程度上會減弱濃縮操作中的濃差擴散現(xiàn)象，當?shù)躯}分增加到一定后這種減弱效果變的不再明顯，所以出現(xiàn)電流效率的先增大后穩(wěn)定。
在不同淡室循環(huán)流量下，各項指標均沒有顯著變化，可見，只要在合理的操作范圍內淡室流速對ED效果影響不大。對各項數(shù)據(jù)做綜合分析，為得到TDS的質量濃度接近8 g/L 的脫鹽水和TDS 最高的濃縮鹽水，操作電壓選擇25 V，淡室循環(huán)體積流量則為500 L/h，進水體積流量為30 L/h 時即可滿足所需要求，此時脫鹽水TDS 的質量濃度為8.2 g/L，濃縮鹽水TDS 的質量濃度達到156.6 g/L，Mg2+、Ca2+、Na+、SO42-、Cl-、TDS 的質量濃度分別為0.25、1.40、58.55、9.6、86.50g /L，COD 為2.016 g/L。
2.2 臭氧催化處理ED 濃縮鹽水去除COD
考察了臭氧催化氧化對ED 濃縮鹽水COD 的去除效果，以10 g/h 的質量流量向40 L 濃縮鹽水中通入質量分數(shù)65%的臭氧。臭氧催化時間對ED 濃縮鹽水COD的去除效果如圖2所示。
由圖2 可以看出，前2 h 濃縮鹽水COD 的降低明顯，由初始2 016 mg/L 降到767.2 mg/L，2 h 之后下降趨勢開始變緩并穩(wěn)定最后330mg/L？梢，臭氧催化氧化可以去除ED 濃縮鹽水大部分COD，使其不會累積過高，但鑒于廢水中有機物的種類繁多，其反應機理和動力學過程還有待研究。
2.3 RO 過程
2.3.1 進水流量對RO 濃水TDS 含量的影響
考察了進水流量對RO 濃水TDS 的影響。為防止實驗過程中碳酸鈣的結垢，實驗之前先將進水pH調整到5 左右[25-27]。分別設定進水體積流量為800、850、900、1 000 L/h，調節(jié)回收率為50%，待其運行2 h等各參數(shù)穩(wěn)定后，開始計時取樣。圖3 為RO 濃水TDS 隨進水流量的變化趨勢（溫度為28℃）。
從圖3 可以看出，回收率一定時，濃水TDS 含量隨著進水量的增大而增大，當進水體積流量為900L/h 時，濃水TDS 的質量濃度維持在16.5 g/L，更加接近原水水質。分析原因是，受到RO 膜運行過程中的壓實效應產生的影響，且此時操作壓力為2.2MPa，淡水電導率為146 μS/cm，TDS 的質量濃度為72 mg/L，不含COD，出水水質達到了GB/T 19923－2005 的要求[28]。
2.2.2 回收率對RO 濃水TDS 含量的影響
進水體積流量900 L/h、28 ℃條件下，考察了回收率對RO 濃水TDS 含量的影響以及與回收率對應的壓力變化，結果見圖4 和表4。
從圖4 可以看出，能使RO 濃水最接近要高鹽水水質的最大回收率為50%，此時的濃水TDS 的質量濃度維持在16.5 g/L。從表4 可以看出，回收率隨著壓力的增大而增大，當回收率為50%時的操作壓力達到2.2 MPa。
3 結論
平均原水TDS 的質量濃度為16.4g/L、COD 為406 mg/L 時，在電壓25 V、進水體積流量30 L/h、脫鹽室循環(huán)體積流量500 L/h 操作條件下，經過ED 分離，得到的濃縮鹽水TDS 的質量濃度在150 g/L 以上，主要成分為硫酸鈉和氯化鈉，滿足皮革浸漬工序段用料要求。
濃縮鹽水經臭氧催化氧化或活性炭吸附深度處理系統(tǒng)脫色、脫COD 后送皮革浸漬工序段使用，脫鹽水TDS 的質量濃度達8.2 g/L、COD 達330 mg/L。
脫鹽水在28 ℃、進水體積流量900 L/h、回收率50%條件下，經RO 處理得到淡水TDS 的質量濃度72 mg/L，水質GB/T 19923－2005 的要求，可以回用于生產；產出濃水水質與原水相似，其中TDS 的質量濃度16.5 g/L，可與原高鹽水混合一起進入電驅離子膜工序。整個工藝能有效提升系統(tǒng)的回用水品質和水回收利用率。
本文轉自“乾來環(huán)保”
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