反滲透膜技術在工業廢水處理中的應用研究

摘要：反滲透膜技術憑借其獨特的分離機制在工業廢水處理領域發揮重要作用。試驗研究了進水壓強、溫度、pH值等工藝參數對反滲透膜處理效果的影響，確定最佳運行條件是進水壓強為2.0 MPa、溫度為25 ℃、pH值為6.0～7.0。針對膜污染問題，建立了化學清洗方案并優化了預處理工藝。工程實踐表明，反滲透膜技術處理電鍍廢水時運行穩定，化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）和重金屬去除率分別達95%和99%以上，自動化程度高，運行成本合理，具有顯著的環境效益和經濟效益。

關鍵詞：反滲透膜；工業廢水處理；膜污染；化學清洗；預處理工藝

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）03-00-03

Research on the Application of Reverse Osmosis Membrane Technology in Industrial Wastewater Treatment

NIE Wenhao， YUAN Tingyang， DONG Hongjie

（Dingtao District Branch of Heze Ecological Environment Bureau， Heze 274100， China）

Abstract： Reverse osmosis membrane technology plays an important role in industrial wastewater treatment due to its unique separation mechanism. The experimental study explored the influence of process parameters such as inlet pressure， temperature， and pH value on the treatment effect of reverse osmosis membrane. The optimal operating conditions were determined to be inlet pressure of 2.0 MPa， temperature of 25 ℃， and pH value of 6.0～7.0. A chemical cleaning plan has been established and the pretreatment process has been optimized to address the issue of membrane fouling. Engineering practice has shown that reverse osmosis membrane technology operates stably when treating electroplating wastewater， with Chemical Oxygen Demand （COD） and heavy metal removal rates of over 95% and 99%， respectively. It has a high degree of automation， reasonable operating costs， and significant environmental and economic benefits.

Keywords： reverse osmosis membrane; industrial wastewater treatment; membrane fouling; chemical cleaning; pre treatment process

工業化進程加快導致廢水污染問題日益突出，急需開發高效處理技術。反滲透膜技術作為一種新型膜分離技術，具有能耗低、效率高、自動化程度高等優點。該技術采用聚酰胺復合材料制成的膜元件，利用獨特的微孔結構實現污染物分離。深入研究工藝參數優化和膜污染控制對提高廢水處理效果具有重要意義。目前，反滲透膜技術已在電鍍、印染、化工等行業的廢水處理中獲得成功應用，展現出巨大的發展潛力。

1 反滲透膜處理工業廢水的基本原理與特征

反滲透膜利用外加壓力克服滲透壓實現廢水分離凈化。膜元件由聚酰胺復合材料制成，表面含有微孔結構，孔徑一般在0.1～1.0 nm。處理過程中，廢水在高壓泵作用下通過膜表面，水分子滲透進入膜內，污染物被攔截在膜表面，從而實現污染物與水的分離[1]。反滲透膜對工業廢水中的懸浮物、膠體、細菌、重金屬離子以及有機物均表現出良好的去除效果，污染物去除率達95%以上。工業廢水處理系統主要包含預處理單元、高壓泵組、膜組件以及在線監測裝置等。預處理單元需配備過濾、軟化等設備去除水中懸浮物、鈣鎂離子。膜組件多采用卷式結構，具有比表面積大、通量高等特點。進水壓強通常控制在1.5～2.5 MPa，水溫在25 ℃左右，產水水質穩定。反滲透膜處理工業廢水具有無相變、低能耗、自動化程度高等顯著優勢，已廣泛應用于電鍍、印染、化工等行業廢水處理。

2 工藝參數優化與試驗研究

2.1 試驗裝置與方法研究

試驗采用大型反滲透裝置進行參數優化研究，裝置包括進水系統、預處理單元、高壓泵組以及膜組件，配備在線監測裝置[2]。進水系統由500 L的聚丙烯（Polypropylene，PP）材質原水箱及水質穩定裝置構成。預處理包括石英砂過濾器、活性炭過濾器、精密過濾器，精度分別為30、10、5 μm。高壓泵組選用5.5 kW不銹鋼立式多級離心泵，最大工作壓強為4.0 MPa。膜組件使用美國陶氏BW30-4040反滲透膜，有效面積為7.2 m2。在線監測裝置監測壓強、溫度、流量、電導率，數據采集間隔為30 min，連續運行48 h。在1.0～3.0 MPa壓強范圍內探究處理效果，結果顯示2.0 MPa為最佳壓強，此時化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率為95%，膜通量為28 L/（m2·h），重金屬去除率為99%。壓強繼續提高效果提升不明顯，反而增加能耗和膜污染風險。

2.2 工藝參數優化分析

通過研究水溫和pH值對處理效果的影響，優化工藝參數。試驗在15～35 ℃溫度范圍內考察反滲透膜技術性能，發現溫度升高會降低廢水黏度，提高膜通量。溫度為15 ℃時，膜通量為18 L/（m2·h），溫度為25 ℃時增至28 L/（m2·h），提升55%，但溫度繼續升高，膜通量增長率明顯下降，且污染物去除率略有降低，25 ℃時COD去除率為95%，35 ℃時COD去除率降至92%。其原因是溫度升高導致膜孔徑變大，且高溫會加速膜材料老化。pH值試驗范圍為5.0～9.0，研究表明pH值過高或過低均不利于污染物去除。pH值為5.0時重金屬離子去除率高但設備易腐蝕，pH值為9.0時易形成沉淀堵塞膜孔，pH值為6.0～7.0時，COD去除率最高，達95%以上，且設備穩定性好。綜合考慮處理效果、設備壽命、運行能耗等因素，最佳工藝參數組合如下：進水壓強為2.0 MPa，溫度為25 ℃，pH值為6.0～7.0。

3 膜污染特征與控制技術

3.1 膜污染形成機理

反滲透膜在處理工業廢水過程中易發生污染現象，主要表現為膜通量下降、產水水質變差。無機污染物通過結晶生長形成硬垢，主要包括碳酸鈣、硫酸鈣、硅酸鹽等。這些結垢物在膜表面逐漸累積，堵塞膜孔。有機污染物經吸附、凝聚作用在膜表面形成膠體層，降低水分子滲透速率。廢水中，蛋白質等大分子有機物易吸附于膜表面形成污染層。生物污染則由微生物在膜表面繁殖、吸附引起，微生物分泌胞外聚合物，逐步形成生物膜。不同污染物之間存在協同作用，無機結垢為微生物提供附著場所，有機物為微生物生長提供營養，加速生物膜的形成。膜污染過程分為初始吸附、污染層生長、污染物交聯固化3個階段。污染層結構隨運行時間改變，初期為疏松可逆結構，后期轉變為致密難降解結構。反滲透膜污染形成機理如圖1所示。

3.2 化學清洗方案研究

針對不同污染類型制定清洗方案，確保清洗效果。無機垢清洗采用2%～3%的檸檬酸、鹽酸等酸性清洗劑，溫度為35 ℃，循環時間為2 h。酸洗過程中監測清洗液pH值變化，pH值穩定表明垢層溶解完全。有機污染清洗選用1%～2%的氫氧化鈉（NaOH）溶液，添加表面活性劑提高清洗效果[3]。堿洗溫度控制在30 ℃，循環時間為3 h，并監測清洗液色度變化。生物污染需添加次氯酸鈉（NaClO）消毒，濃度為500 mg/L，循環30 min后用清水沖洗。清洗效果評價采用標準化學清洗指數，計算膜通量恢復程度。試驗數據顯示，復合清洗工藝能使膜通量恢復至初始值的90%以上。清洗周期根據污染程度確定，一般2～3個月進行一次深度清洗。

3.3 預處理工藝優化

預處理方面，采用絮凝沉淀去除懸浮物和膠體，聚合氯化鋁（Polyaluminum Chloride，PAC）投加劑量為25 mg/L、聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）投加劑量為3 mg/L，沉淀池表面負荷率控制在1.0 m3/（m2·h）。砂濾采用粒徑在0.4～0.8 mm的石英砂雙層結構，過濾速度為8 m/h。活性炭吸附去除有機物，柱狀活性炭碘值達到800 mg/g，接觸時間為15 min。精密過濾器采用PP濾芯，更換周期為7 d。軟化裝置選用陽離子交換樹脂，再生周期為48 h。經預處理后，反滲透系統出水濁度小于1 NTU，硬度低于0.1 mmol/L，水質達標。

4 工程應用效果與經濟性分析

4.1 反滲透膜技術運行效果評估

優化前后反滲透膜技術處理效果對比如表1所示。優化后反滲透膜技術在某電鍍廢水處理工程中運行12個月，處理規模為500 t/d。進水COD濃度在350～420 mg/L，處理后穩定在15～20 mg/L，去除率達95%。重金屬污染物去除率達99%，去除效果顯著，如銅離子進水濃度為8.5 mg/L，出水濃度低于0.05 mg/L，去除率為99.4%，鎳離子進水濃度為12.6 mg/L，出水濃度低于0.1 mg/L，去除率為99.2%。膜通量初始值為28 L/（m2·h），運行6個月后降至22L/m2·h，化學清洗后恢復至26 L/（m2·h）。產水量保持在480～520 t/d，濃水比例控制在25%左右，水回收率為75%。反滲透系統運行過程中，進水壓強維持在（2.0±0.1）MPa，壓力波動率小于5%。進水溫度通過預處理調節至25 ℃左右，pH值控制在6.5～7.0。設備完好率為98%，自動化運行率達95%，年節水量為10萬t。產水水質滿足《電鍍污染物排放標準》（GB 21900—2008）要求，水質達標率為99%。另外，懸浮物去除率達99.9%，出水濁度小于0.5 NTU。

4.2 經濟效益分析

反滲透膜技術運行成本主要包括電耗、藥劑消耗、膜更換費用。電耗占總成本45%，主要來自高壓泵運行，單位處理水電耗為1.2 kW·h/m3。藥劑費用占35%，包括絮凝劑、阻垢劑、清洗劑等，單位藥劑成本為0.8元/m3。膜組件更換費用占15%，使用壽命為3年，年更換率30%。人工成本占5%，每班需2名操作人員。單位運行成本為3.5元/m3，處于行業中等水平。工程總投資費用為380萬元，其中設備購置費為280萬元，安裝工程費用為80萬元，其他費用為20萬元。年運行費用為105萬元，折舊費用為38萬元，人工費用12萬元。廢水處理收費為2.5元/t，年處理量為18萬t，年收入為72萬元。中水回用創收為95萬元，節約排污費為28萬元。年凈收益為78萬元，投資回收期為4.8年。相比傳統處理工藝，節約占地面積40%，減少污泥產生量60%。環境效益顯著，年減少COD排放量為52 t，重金屬排放量為0.8 t。項目實現經濟效益與環境效益雙贏，具有良好推廣價值。

5 結論

研究表明，反滲透膜技術在工業廢水處理領域具有顯著優勢。通過工藝參數優化與膜污染控制，該技術在污染物去除效果、系統穩定性和運行成本等方面均表現優異。工程實踐表明，反滲透系統運行可靠，處理出水穩定達標，實現了良好的經濟效益和環境效益。隨著膜材料性能提升和工藝技術創新，反滲透膜技術將在工業廢水處理領域獲得更為廣泛的應用。

參考文獻

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2 耿芳芳.電廠化學水處理中反滲透膜技術的應用研究[J].企業科技與發展，2022（9）：103-105.

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