高效反滲透廢水處理工藝研究

摘 要：為了研究廢水零排放中高效反滲透廢水處理工藝。本文通過采集工業(yè)廢水水樣，并采用正滲透-反滲透的組合工藝進(jìn)行處理，測(cè)定廢水中污染物的濃度變化。利用掃描電子顯微鏡觀察了反滲透膜在處理過程中的形貌變化，并對(duì)膜表面污染物進(jìn)行處理，以恢復(fù)膜通量。此外，本文還采用電脈沖輔助Fenton法處理反滲透進(jìn)水，以穩(wěn)定COD去除率，確保廢水處理效果。研究結(jié)果表明，反滲透法能夠有效去除廢水中的COD、BOD5、TDS、SiO2、NH3-N以及K+等污染物，使處理后的廢水達(dá)到水質(zhì)二次利用的標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)零排放的目的。試驗(yàn)證明，本文的研究為工業(yè)廢水的高效處理、二次利用及零排放提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：廢水；零排放；高效；反滲透；廢水處理工藝

中圖分類號(hào)：X 703.1 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

“零排放”是指無限地減少污染物直至為零的活動(dòng)，通過生態(tài)、清潔等產(chǎn)業(yè)技術(shù)對(duì)廢水資源進(jìn)行循環(huán)利用，從而避免對(duì)大氣、水體以及土壤造成污染[1]。工業(yè)廢水“零排放”是指工業(yè)廢水不以液態(tài)排放或濃縮為固體進(jìn)行處理，以二次利用、水回收的形式防止廢水污染。廢水處理工藝已經(jīng)初步形成了一個(gè)思路，即預(yù)處理——酚氨回收——生物處理——深度處理——高鹽水處理，廢水最終會(huì)轉(zhuǎn)化成混合結(jié)晶雜鹽[2]。雜鹽長(zhǎng)期堆放可能造成結(jié)晶鹽淋融，對(duì)土壤、地下水造成一定的污染。由此可見，以往的處理工藝仍具有一定的環(huán)境隱患，亟需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化[3]。反滲透廢水處理是一種重要方法，通過分離、提純等形式，直接對(duì)廢水中的鹽、有機(jī)物進(jìn)行處理，從而避免環(huán)境污染。因此，本文研究了廢水零排放中高效反滲透廢水處理工藝。

1 試驗(yàn)材料及準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)在某水務(wù)處理廠的一級(jí)沉淀池出水中獲取水樣，廢水水樣中的懸浮物、雜質(zhì)對(duì)反滲透膜造成損傷危害較大。因此，本文在沉淀池靜置處理后，得到的廢水水樣通過反滲透膜二次處理，以滿足廢水處理的需求。試驗(yàn)試劑與設(shè)備見表1。

由表1可知，本次試驗(yàn)采用反滲透膜與反滲透裝置均來自一家公司，反滲透膜型號(hào)為RM01膜，操作溫度為5℃～45℃，pH值在2～11變化[4]。反滲透裝置為FlowMen-0021-HP設(shè)備，有效膜面積為210（70×3）cm2，過濾能力較強(qiáng)。通過低溫冷卻循環(huán)泵來控制反滲透進(jìn)水溫度，使其溫度控制在25℃左右。

FlowMen-0021-HP反滲透裝置在技術(shù)上展現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)越性。膜片設(shè)計(jì)采用螺旋卷繞式，增加了膜的工作面積，降低了水流阻力，提升了過濾效率。為確保膜的長(zhǎng)久穩(wěn)定工作，進(jìn)水預(yù)處理系統(tǒng)發(fā)揮至關(guān)重要的作用，它通過顆粒過濾器、活性炭過濾器等多重手段有效去除水中的大顆粒雜質(zhì)和有機(jī)物，為反滲透膜提供了良好的工作環(huán)境。此外，該設(shè)備還配備了先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)水溫度、壓力以及流量等關(guān)鍵參數(shù)，確保設(shè)備始終處于最佳工作狀態(tài)。在維護(hù)方面，設(shè)備具備自動(dòng)清洗功能，可定期清理膜表面的污垢，維持其過濾性能。同時(shí)，設(shè)備的維護(hù)操作簡(jiǎn)單便捷，僅需定期更換濾芯和進(jìn)行常規(guī)清洗，即可保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。反滲透平板膜裝置如圖1所示。

由圖1可知，反滲透平板膜裝置由2個(gè)不銹鋼板構(gòu)成，中央膜池磁村為110mm×200mm。按照膜池尺寸裁剪成相應(yīng)的膜片，與密封腔體形成反滲透裝置。通過濃水閥、回流閥來控制廢水進(jìn)水率，從而確保試驗(yàn)的有效性。

2 試驗(yàn)方法

本文模擬了海水反滲透截留液，組成成分包括NaCl、MgCl2、Na2SO4、CaCl2、KCl、NaHCO3、KBr、H3BO3、SrCl2以及NaF。海水反滲透截留液相關(guān)參數(shù)見表2。

由表2可知，本文將海水反滲透截留液作為正滲透驅(qū)動(dòng)液，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)海水組成配方的50%反滲透水回收率計(jì)算得到，能夠滿足本次試驗(yàn)需求。整個(gè)數(shù)據(jù)由OLI Stream Analyzer 3.1 software分析軟件得到，準(zhǔn)確性較高。海水中的NaCl的成分較高，NaF的成分較少[5]。因此，在廢水處理的過程中，可以保留較多的Na+，去除F-。NaHCO3、KBr、H3BO3以及SrCl2均處于較低的水平，CO32-、K+、Sr2+以及Cl-均需要得到有效處理。在處理過程中，為確保離子得到有效去除或降低，采用先進(jìn)的離子交換、吸附和膜分離技術(shù)。同時(shí)，對(duì)處理工藝參數(shù)（例如pH值、溫度和壓力）進(jìn)行優(yōu)化，不僅提高了處理效率，而且還降低了能耗。此外，將處理前后的廢水進(jìn)行對(duì)比，涵蓋了離子種類、濃度和水質(zhì)指標(biāo)的變化，能夠準(zhǔn)確評(píng)估廢水處理效果，并為后續(xù)的優(yōu)化和改進(jìn)工作提供重要依據(jù)。正滲透實(shí)際水通量計(jì)算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：Jw為正滲透實(shí)際水通量；mt為t時(shí)刻截留液的質(zhì)量；m0為截留液的初始質(zhì)量；t為時(shí)間間隔；Am為有效膜面積；ρ為水的密度。

反向滲透量計(jì)算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：Js為反向滲透量；CF為滲透終止后廢水中的鹽濃度；C0為廢水初始鹽濃度；VF為滲透終止之后廢水體積；V0為廢水初始體積。

利用分光光度法測(cè)定氨氮、總氮、總磷、化學(xué)需氧量以及電導(dǎo)率。分光光度法基于物質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)光的吸收特性，通過測(cè)量吸光度來間接確定物質(zhì)的濃度。在此過程中，選擇合適的波長(zhǎng)、精確控制樣品與標(biāo)準(zhǔn)品的制備以及使用高精度的分光光度計(jì)都是確保測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵，pH值采用pH計(jì)直接測(cè)出。電導(dǎo)率能夠反映水中離子的濃度，對(duì)廢水通過反滲透膜前后的電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)定，能夠分析反滲透膜脫鹽率的大小。脫鹽率計(jì)算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：R為反滲透膜脫鹽率；Cp為廢水通過反滲透膜的出水電導(dǎo)率；Cf為廢水電導(dǎo)率。

在單位時(shí)間內(nèi)，通過單位反滲透膜的體積表示膜比通量，計(jì)算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：P為膜比通量；Jt為經(jīng)過t時(shí)間運(yùn)行之后的膜通量；J0為反滲透膜初始通量。

將廢水水樣置于水桶中，打開O3檢測(cè)儀，增加H2O2調(diào)節(jié)水中的pH值。在O3氧化階段，通過控制O3的投加量和氧化時(shí)間，確保廢水中的有機(jī)物得到充分氧化。在此過程中，需要定期觀察水樣顏色和氣味的變化，以判斷氧化效果。經(jīng)過O3氧化一段時(shí)間后，在廢水水樣中放置活性炭柱。1h之后，測(cè)定廢水水樣的COD，將同樣量的廢水水樣放在生化桶中，加入反滲透膜片，在曝氣管曝光6d，去除殘余臭氧，再次測(cè)定廢水水樣的COD。反滲透單元對(duì)COD的去除效果如圖2所示。

由圖2可知，反滲透進(jìn)水就是廢水水樣的COD原始值；反滲透出水就是經(jīng)過O3、反滲透膜處理后的COD值。O3氧化是通過投加適量的臭氧來完成的，利用其強(qiáng)氧化性對(duì)廢水中的有機(jī)物進(jìn)行降解。隨后，反滲透膜作為高效的分離技術(shù)，能夠進(jìn)一步去除廢水中的溶解性有機(jī)物和離子。活性炭催化臭氧氧化，時(shí)間延長(zhǎng)之后，吸附效果變差。可能是由于活性炭表面的活性位點(diǎn)被逐漸占據(jù)，導(dǎo)致其對(duì)有機(jī)物的吸附能力下降。為了克服這一問題，在處理過程中加入了反滲透膜技術(shù)。反滲透膜能夠通過物理分離的方式有效去除廢水中的有機(jī)物和離子，從而彌補(bǔ)了活性炭吸附效果下降的不足。通過對(duì)比反滲透進(jìn)水和出水的COD值可以發(fā)現(xiàn)，在加入反滲透膜后，COD去除率明顯提升。反滲透膜表面微觀形態(tài)變化如圖3所示。

由表觀形態(tài)可見，EDTA清洗之后，反滲透膜更加干凈。對(duì)EDTA清洗后的膜比通量進(jìn)行計(jì)算，其恢復(fù)了50%；NaClO清洗之后的膜比通量恢復(fù)了80%。由此可見，NaClO清洗之后，表面殘留有小雜質(zhì)，但是內(nèi)部雜質(zhì)得到有效清除，能夠二次利用。

3 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)獲取到的廢水水樣pH值為8.5，溫度為19.0℃。在原始條件下，采用電脈沖輔助Fenton法處理反滲透進(jìn)水。脈沖頻率為7Hz，脈沖電壓為2000V，曝氣量達(dá)到0.8m3/h，處理時(shí)間設(shè)定為5min。反滲透進(jìn)水處理情況見表3。

由表3可知，脈沖電磁場(chǎng)法處理反滲透進(jìn)水后，并未經(jīng)過曝氣的步驟，COD去除率始終在22%左右變化。電脈沖輔助Fenton法處理反滲透進(jìn)水后，pH值在7.4～8.5的范圍內(nèi)變化，曝氣量式中為0.8m3/h，COD去除率≥36%，能夠在反滲透進(jìn)水的最佳時(shí)間對(duì)廢水進(jìn)行初步處理。廢水出水水質(zhì)變化情況見表4。

由表4可知，在廢水處理的過程中，經(jīng)過了循環(huán)水站、脫鹽水站以及反滲透膜等流程，提升廢水出水質(zhì)量。在循環(huán)水站完成處理的水質(zhì)中，pH值、COD、BOD5、TDS、SiO2、NH3-N、K+、Ca2+、Fe2+、Cl-以及NO3-等物質(zhì)得到了一定去除，但是仍然不滿足出水標(biāo)準(zhǔn)。在脫鹽水站完成處理的水質(zhì)中，COD、BOD5、TDS、SiO2、Cl-以及NO3-等物質(zhì)不滿足出水標(biāo)準(zhǔn)，其他物質(zhì)的含量可以滿足出水標(biāo)準(zhǔn)。在完成反滲透膜處理后，各個(gè)物質(zhì)的含量均在出水標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)。同時(shí)，污染物的濃度相對(duì)較小，能夠控制廢水廢棄物排放，并將其減少到0。從產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的角度來看，能量、能源以及資源轉(zhuǎn)化需要遵循自然規(guī)律，任何能量均無法實(shí)現(xiàn)100%的轉(zhuǎn)化。因此，本文利用反滲透法處理的廢水，在滿足出水標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，達(dá)到了廢棄物盡量少的目標(biāo)，能夠滿足廢水零排放處理的需求。

4 結(jié)果

反滲透技術(shù)具有分離性能，能夠有效地去除廢水中的溶解性鹽溶液、有機(jī)物以及重金屬等污染物，使廢水出水水質(zhì)更高。在反滲透廢水處理工藝中，經(jīng)過多次處理，達(dá)到廢水零排放的目的。通過臭氧氧化、芬頓氧化等方式，將有機(jī)污染物氧化成低毒性的物質(zhì)，減少有機(jī)污染物的排放量。由此可見，廢水零排放中高效反滲透廢水處理工藝具有較好的廢水處理效果，并且能夠回收利用廢水，具有重要的環(huán)保意義。

5 結(jié)語

工業(yè)化的進(jìn)程加快，城市廢水產(chǎn)生量較大，對(duì)環(huán)境、人類健康造成了一定的影響。眾多的廢水處理技術(shù)都存在處理效率較低、能源消耗較大以及排放污染較大的問題，無法滿足廢水零排放處理的需求。因此，本文研究了廢水零排放中高效反滲透廢水處理工藝。通過反滲透技術(shù)改變廢水水質(zhì)狀態(tài)，去除有機(jī)物、無機(jī)物以及重金屬等污染物，使水質(zhì)更健康，滿足二次利用的需求，真正意義上實(shí)現(xiàn)了廢水零排放的處理目標(biāo)。

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