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元器件加工废水零排放中的反渗透膜污染分析

2025-05-20 44 上传者：管理员

摘要：为掌握某元器件加工企业重金属废水零排放系统中反渗透系统的污染有关因素，探究反渗透系统产水通量、脱盐率与其进水COD、进水电导率之间的影响关联，结果表明较高的进水电导率对膜产水通量影响较大。解剖元件进行污染物表征分析，发现膜表面主要存在明显的黑色污染物，二段最后一支的膜有0.53 g/m2干态污染物，其中有机污染物的比例较高，占比86.79%。有机成分主要包含苯甲醇类、1,1'-（1-甲基亚乙基）双（4-甲氧基）-苯类，其中后者的响应更加明显，且常规化学清洗恢复效果有限。

关键词：
反渗透膜污染
环保要求
膜解剖
苯系有机物污染
零排放系统
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随着国家及各级政府对环保要求的提高,大量地区都要求新建及改扩建的涉重项目废水实现零排放[1]｡元器件加工废水中涉及重金属废水,目前其最常见的处理工艺为预处理+生化处理+反渗透膜处理+蒸发结晶[2]｡其中,反渗透膜技术在零排放工艺中发挥着重要作用,但其膜污染在一定程度上制约了零排工艺的持续稳定运行[3]｡本文以某元器件加工重金属废水的零排放系统为例,跟踪分析反渗透系统的中压膜组的运行数据;并对膜元件进行解剖污染分析,探究膜污染的主要影响因素,为反渗透膜分离技术在元器件加工重金属废水零排放工艺的应用提供工程案例参考｡

1、反渗透膜系统及其污染分析方法介绍

某元器件加工生产工艺中产生重金属废水,其水质特点为:COD高,可生化性差,重金属浓度高,采用零排放工艺处理,具体为:芬顿+物化沉淀+双碱除硬+生化MBR+中高压RO+二级纯水RO+EDI+三效蒸发,产生的纯水回用于生产｡系统调试完成后运行近两年时间,其中二级纯水RO运行情况良好,中高压RO有一定的膜性能衰减情况出现,由于中压RO为第一道膜分离工序,因此本文对中压反渗透的相关运行数据及其膜元件进行总结分析｡

产水通量和脱盐率是反渗透膜性能的关键参数,而其主要受压力､温度､进水含盐量和pH值等影响[4]｡在本零排放处理系统,压力､温度和pH也均有措施可控,因此本文探究进水含盐量(具体以电导率数据替代)对膜性能的影响情况｡此外,结垢､胶体和颗粒､膜生物污染[5]､余氯氧化[6]也均对膜性能有较大影响,而系统不涉及钙､镁等硬度和余氯的引入,胶体和颗粒可通过系统去除,上述因素对本系统膜性能影响较小,因此本文主要探究了膜进水COD浓度对其性能的影响情况｡

除此之外,为了进一步探究膜污染的具体成因,再对膜元件进行解剖分析,以相关检测方法对膜元件污染进行表征测试,探究具体污染情况,从而为系统预处理工艺和膜清洗修复作出指导和优化建议,也为相关工程提供案例参考｡

2、进水COD､进水电导率对膜产水通量和脱盐率的影响分析

2.1进水COD影响分析

为排除膜进水电导率波动､膜持续运行时间对进水COD影响分析的干扰,在某30d内,进水电导率相差不大(为6000~8000us/cm之间)的条件下进行数据分析,进水COD与中压反渗透产水通量和脱盐率的关联分别如图1､图2所示｡

图1进水COD浓度对中压反渗透产水通量的影响

图2进水COD浓度对中压反渗透脱盐量的影响率的影响

由图1可知,中压反渗透产水通量受其进水COD浓度影响不大,仅在COD超过450mg/L,稍有衰减｡由图2可知,中压反渗透脱盐率基本不受其进水COD浓度影响,基本均保持在96%以上｡关于进水COD在较长时间积累时,是否会引起本反渗透系统的生物污染,本文在后续膜元件解剖章节进行分析｡

2.2进水电导率的影响分析

本文总结分析某短期内的进水电导率变化及膜运行情况,以排除膜持续运行时间对影响分析的干扰,具体数据分别如图3､图4所示｡

图3进水电导率对中压反渗透产水量的影响

图4进水电导率对中压反渗透脱盐率的影响

如图3和图4可知,进水电导率在≤8000us/cm时,膜产水通量及脱盐率不受影响,从8000us/cm开始升高时,膜产水量及脱盐率均开始下降;当进水电导率达到15000us/cm时,产水通量较≤8000us/cm时减少了17.8%,脱盐率由96%~97%下降到了88.5%｡

为探究膜是否受到了污染影响导致性能下降,本文第三章节对膜元件进行解剖分析,探究其具体污染情况｡

3、膜元件污染分析

3.1膜元件物理外观检测和其标准性能测试

分别在膜通量衰减最严重时,取中压反渗透膜的一段第一支和二段最后一支进行污染分析｡分别编号为RO1､RO2｡根据膜物理外观检测结果,两支膜表面均完好,无外力损伤,无配件磨损,但进水端及浓水端均存在明显的黑色污染物｡

对两支膜元件进行标准性能测试,标准测试条件为2000ppmNaCl,225psi(15.5bar),77°F(25°C),pH值为8以及15%的回收率;膜元件的标准性能为11500±15%GPD产水量,99.4%~99.7%脱盐率｡性能测试结果表明,相比于膜的出厂标准性能,RO1膜元件的产水量为6714GPD,下降约34.3%,脱盐率基本正常｡RO2膜元件的产水量为7556GPD,下降约41.6%,脱盐率基本正常;此外,两个膜元件的压差及重量在正常范围内｡

3.2膜元件解剖分析

3.2.1外观解剖分析

对RO1膜元件进行解剖分析,分别取下膜元件的玻璃钢外壳､进水和浓水端盖｡检查膜袋､膜叶表面､胶水线和进水网格等,检查完毕后对膜元件进行解剖,检查结果表明,膜元件表面存在较多的黑色污染物,无杂质､碎片,膜面无损伤､剥离､褶皱､微生物,产水格网无凸出,各方面情况均良好,对表面进行滴酸滴碱,均无反应现象｡综上,膜表面主要存在黑色污染物,其它情况均良好｡

3.2.2污染物组成分析(燃烧损失法)

对解剖的RO1膜元件表面黑色污染物进行收集,采用燃烧损失法进行污染物组成分析,结果为:总污染物含量4.09g/m2,其中干物质含量分布0.53g/m2;干物质中无机物含量0.07g/m2,占比13.21%;有机物含量0.46g/m2,占比86.79%,表明膜表面污染以有机污染物为主

采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)[7]对膜表面污染物进行无机污染物组成分析,采用气相色谱质谱联用(GC-MS)[8]对膜表面污染物进行有机污染物组成分析,检测结果分别如表1和图5所示｡

表1RO1膜元件无机污染物组成分析表(单位:mg/m2)

图5RO1膜元件有机污染物组成分析GC-MS检测

ICP-OES检测结果发现膜表面污染物中存在多种无机成分,但含量均较低,特别是对膜有表面结垢风险的钙､镁离子含量均较低,表明膜表面没有无机污染发生｡GC-MS的测试结果表明,膜表面污染物的有机成分主要包含苯甲醇类､1,1'-(1-甲基亚乙基)双(4-甲氧基)-苯类,其中后者的响应更加明显｡

综上,膜元件解剖结果表明,本系统膜污染主要原因为膜表面的苯类有机物污染,没有无机物污染､微生物污染和结垢污染等其它污染情况｡

3.3膜元件清洗恢复分析

在反渗透系统正常运行过程中,污染物沉积在膜表面,导致标准化的产水流量和系统脱盐率分别下降或同时恶化,此时就需要清洗膜元件｡常用的清洗方式包括酸清洗和碱清洗｡本研究根据膜的耐酸碱特点,分别采用如下两种清洗方式对RO2膜元件进行清洗,以探究膜元件的性能恢复情况｡(1)NaOH清洗:pH=13,35℃低流量清洗60min-浸泡24h-低流量清洗60min-浸泡24h-除盐水冲洗至中性｡(2)HCl清洗,pH=2,低流量清洗60min-除盐水冲洗至中性｡

实验结果表明,方案1清洗后产水通量提高4.9%,方案2清洗后产水通量提高3.3%,碱洗及酸洗对通量的恢复效果都比较有限｡分析其原因,可能是因为膜元件表面的污染为苯类有机物污染,苯甲醇类微溶于水,1,1'-(1-甲基亚乙基)双(4-甲氧基)-苯类难溶于水,且二者均不与酸碱产生化学反应,酸碱清洗均无法去除;且上述两种物质可生化性差,系统前端的芬顿工艺对其处理效率也无法达到100%,因此其会进入后端在膜表面产生污染｡

结合现场长时间的运行数据,考虑解决该苯系有机物污染的方法如下:(1)在有条件的情况下,含上述两种有机物的废水单独收集处理,采用针对性高级氧化工艺[9]提高其去除率,该股废水预处理后再并入系统｡(2)提高调节池停留时间,均质均量,降低上述两种有机物的冲击负荷｡(3)上述两种有机物微或难溶于水,会在膜表面形成富集污染,膜系统可提高日常清洗频率,特别在发生通量衰减时要及时清洗恢复,避免长时间污染累积｡除此之外,上述两种物质均溶于有机溶剂,是否可用水溶性有机溶剂清洗膜后,再用水洗,有待后续探索研究｡

4、结论与展望

某元器件加工重金属水零排系统在正常运行时,其反渗透系统脱盐率基本不受其进水COD浓度､进水电导率影响;当其进水COD≤450mg/L､进水电导率≤8000us/cm时,反渗透的产水通量基本不受影响;进水电导率>8000us/cm时,进水电导率越高,产水通量越低｡对反渗透系统第一道中压膜一段的第一支和二段的最后一支进行膜性能检测及膜元件解剖,结果表明两支膜表面均存在黑色的污染物,除此之外,无其它污染或损伤情况｡经组分分析,该污染物水分含量较高,每平方米膜上有0.53g干态污染物;其中无机污染物的比例较低,而有机污染物的比例较高,占比86.79%｡有机成分主要包含苯甲醇类､1,1'-(1-甲基亚乙基)双(4-甲氧基)-苯类,其中后者的响应更加明显｡对膜元件进行化学清洗恢复测试,发现碱洗及酸洗对通量的恢复效果都比较有限｡发生该污染问题的原因分析是系统对可生化性差的上述两种物质无法100%去除,导致发生污染,在类似工程中,可采取分质分流预处理､均质均量调节､提高膜冲洗频率等措施缓解或消除该污染;此外,采用有机溶剂进行恢复性清洗,有待进一步探索研究｡

参考文献:

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文章来源:吴俊.元器件加工废水零排放中的反渗透膜污染分析[J].科学技术创新,2025,(12):13-16.