納濾膜處理含錳廢水

李 萌，朱 彤，張翔宇，宋寶華，王中原，劉 波

（1. 中節能六合天融環?？萍加邢薰?，北京 100085；2. 重慶武陵錳業有限公司，重慶 409912）

納濾膜處理含錳廢水

李 萌1，朱 彤1，張翔宇1，宋寶華1，王中原1，劉 波2

（1. 中節能六合天融環?？萍加邢薰荆本?100085；2. 重慶武陵錳業有限公司，重慶 409912）

采用納濾膜處理電解錳生產過程中產生的含錳廢水，考察了操作壓力、阻垢劑和反沖洗等因素對膜通量和各金屬離子截留率的影響。實驗結果表明：操作壓力越大，膜通量越大，且膜通量隨運行時間延長下降得越快；在操作壓力為2.0 MPa的條件下，納濾膜對Mg2+的截留率為90.69%，對Mn2+的截留率為89.72%，對Ca2+的截留率最高，達100%；加入阻垢劑后，納濾膜的膜通量比未加入阻垢劑時的膜通量略大；反沖洗4次后，膜通量均可完全恢復。

納濾膜； 錳； 膜通量；截留率；阻垢劑；反沖洗； 廢水處理

我國是世界上最大的電解錳生產、出口和消費大國［1-2］， 每年產生的電解錳生產廢水約為3.25×108t/a［3］。電解錳生產廢水中不僅含有大量的錳，還含有其他重金屬污染物如鎘、鉛和硒等，若直接排入水體會造成嚴重的環境污染。處理電解錳生產廢水的方法主要有絮凝沉淀法、鐵屑微電解法、液膜分離法、傳統化學沉淀法、過氧化鈣沉淀法和電解法等［4］。絮凝沉降法應用較廣泛，但處理成本較高，出水水質不穩定，且在處理過程中會產生大量的含錳廢渣，既形成二次污染又浪費了錳資源。鐵屑微電解法通常是在酸性條件下對廢水進行處理，處理效果不顯著且容易使大量鐵屑溶出［5］。納濾膜是一種過濾孔徑介于超濾膜和反滲透膜之間的壓力驅動膜［6-7］，因其特殊的孔徑范圍和荷電性，已在水處理、生物制藥等領域獲得了廣泛的應用［8-11］。

本工作采用納濾膜對某電解錳生產企業的含錳尾礦淋濾廢水（以下簡稱含錳廢水）進行處理，研究了操作壓力、阻垢劑、反沖洗等因素對納濾膜性能的影響。

1 實驗部分

1.1 含錳廢水水質

實驗所用含錳廢水pH為6.8，其中主要的重金屬離子的質量濃度見表1。實驗前先對含錳廢水進行超濾預處理，以截留其中的固體懸浮物。

表1 含錳廢水中主要重金屬離子的質量濃度mg/L

1.2 材料、試劑和儀器

2540型卷式納濾膜，膜面積0.25 m2。MDC-150型阻垢劑。

ICP-AESPlasm a1000型電感耦合等離子體原子發射光譜儀：北京納克分析儀器有限公司；P33A1NN型pH計：美國哈希公司。

1.3 實驗流程和實驗方法

實驗流程示意見圖1。將進水箱中的8 L含錳廢水通過高壓泵打入納濾膜系統，產生的濃縮液回到進水箱中繼續循環，產生的透過液貯存在出水箱中再進行后處理。定時取樣測定透過液中的重金屬離子質量濃度，按式（1）計算離子截留率（R，%），按式（2）計算膜通量（J，L·m-2·h-1）。式中：ρP為透過液中金屬離子的質量濃度，mg/L；ρF為進水中金屬離子的質量濃度，mg/L。式中：V為透過液體積，L；S為有效膜面積，m2；t為運行時間，h。

圖1 實驗流程示意

向8 L進水中加入0.18 g阻垢劑，其他條件不變，進行對比實驗。

將5 L質量分數為1%的檸檬酸溶液放入進水箱中，進行30 m in循環反沖洗。

1.4 分析方法

采用電感耦合等離子體原子發射光譜儀測定含錳廢水中Mn2+，Ca2+，Mg2+質量濃度；采用pH計測定廢水pH。

2 結果與討論

2.1 操作壓力對膜通量變化情況的影響

操作壓力對膜通量變化情況的影響見圖2。由圖2可見：操作壓力越大，膜通量越大，這是因為納濾膜是以壓力為驅動力，膜兩側的壓力差變大，物料分子更容易通過納濾膜孔隙，膜通量隨之增大；隨著運行時間的延長膜通量逐漸下降，這是因為隨運行時間延長濃縮液中金屬離子的質量濃度逐漸增大，濃差極化阻力增大，膜面污染加劇，導致透過液流量不斷減小，膜通量下降；操作壓力越大，膜通量隨運行時間延長下降得越快。故本實驗選擇操作壓力為2.0 MPa。

圖2 操作壓力對膜通量變化情況的影響

2.2 濃縮液中ρ（M n2+）對膜通量的影響

在操作壓力為2.0 MPa的條件下，濃縮液中ρ（Mn2+）對膜通量的影響見圖3。

圖3 濃縮液中ρ（Mn2+）對膜通量的影響

由圖3可見：隨著濃縮液中ρ（Mn2+）的不斷升高，膜通量近似呈線性下降；ρ（Mn2+）由3 650 mg/L升高至12 084 mg/L時，膜通量由15.04 L/（m2·h）下降至1.08 L/（m2·h）。這是因為隨著ρ（Mn2+）的升高，溶液的滲透壓升高，膜面的濃差極化也隨之加劇，在操作壓力恒定的條件下，膜的滲透性降低，故膜通量下降。由圖3中的擬合直線可求得濃縮液中ρ（Mn2+）極限值為13 052 mg/L。

2.3 納濾膜對含錳廢水中各金屬離子的截留率

在操作壓力為2.0 MPa的條件下，納濾膜的膜通量趨近于零時，納濾膜對含錳廢水中各金屬離子的截留率見表2。由表2可見，濃縮液中ρ（Mn2+）與圖3得出的極限值基本吻合。

表2 納濾膜對含錳廢水中各金屬離子的截留率

納濾膜對M g2+的截留率為90.69%，對M n2+的截留率為89.72%，對Ca2+的截留率最高，達100%，可以有效避免下一級膜組件的結垢問題。

2.4 阻垢劑對膜通量和溶液中各金屬離子濃度的影響

阻垢劑對膜通量的影響見圖4。由圖4可見，加入阻垢劑后，納濾膜的膜通量比未加入阻垢劑時的膜通量稍大。

圖4 阻垢劑對膜通量的影響

加入阻垢劑和未加阻垢劑時溶液中的金屬離子質量濃度見表3。由表3可見：未加阻垢劑濃縮液中Mg2+和Mn2+的質量濃度均大于加入阻垢劑濃縮液中Mg2+和Mn2+的質量濃度；而未加阻垢劑濃縮液中的Ca2+質量濃度卻小于加入阻垢劑濃縮液中的Ca2+質量濃度，說明未加阻垢劑時有更多的Ca2+形成了沉淀而脫離液相體系。

表3 加入阻垢劑和未加阻垢劑時溶液中的金屬離子質量濃度 mg/L

2.5 反沖洗次數對膜通量的影響

隨著運行時間的增加，含錳廢水中的Ca2+等會對膜產生污染，導致膜通量下降。反沖洗次數對膜通量的影響見表4。由表4可見，反沖洗4次后，膜通量均可完全恢復。

表4 反沖洗次數對膜通量的影響

3 結論

采用納濾膜處理含錳廢水，處理時操作壓力越大，膜通量越大，且膜通量隨運行時間延長下降得越快。在操作壓力為2.0 MPa的條件下，納濾膜對Mg2+的截留率為90.69%，對Mn2+的截留率為89.72%，對Ca2+的截留率最高，達100%。加入阻垢劑后，納濾膜的膜通量比未加入阻垢劑時的膜通量略大。反沖洗4次后，膜通量均可完全恢復。

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Treatment of M anganese-containing W astewater Using Nanofiltration M embrane

Li Meng1，Zhu Tong1，Zhang Xiangyu1，Song Baohua1，Wang Zhongyuan1，Liu Bo2

（1. Liuhe Talroad Environmental Technology Co. Ltd.，CECIC，Beijing 100085，China；2. Chongqing Wuling Mn-industry Co. Ltd.，Chongqing 409912，China）

The M n2+-containing wastewater in electrolytic manganese production was treated using nanofi ltration membrane. The factors affecting membrane flux and metal ion retention rates were studied. The experimental results show that：The greater the operating pressure is，the greater the membrane flux is，and the faster the membrane flux decreases with the extending of running time；When the operating pressure is 2.0 MPa，the retention rates of Mg2+，Mn2+and Ca2+can reach 90.69%，89.72% and 100% respectively；With the addition of scale inhibitor，the membrane flux is slightly larger；A fter 4 times of backwashing，the membrane flux can be renewed completely.

nanofiltration membrane；manganese；membrane flux；retention rate；scale inhibitor；backwashing；wastewater treatment

X703

A

1006-1878（2012）03 - 0260 - 04

2012 - 01 - 10；

2012 - 02 - 14。

李萌（1984—），女，河北省秦皇島市人，碩士，工程師，主要從事水污染治理技術研究工作。電話18618452894，電郵 meng.li@ talroad.com.cn。聯系人：張翔宇，電話 15210647955，電郵 xiangyu.zhang@talroad.com.cn。

（編輯 祖國紅）