简谈纳滤与低压反渗透在冶炼废水处理中的试验

　　铅锌冶炼行业在生产过程中会产生大量含重金属的废水。废水中重金属离子的种类、含量及其存在形态随不同生产情况差异很大。重金属离子污染成分在环境中只能改变其形态或被转移、稀释、积累，但不能去除或降解，危害大。这些废水排放到环境中，不仅浪费了资源还严重污染环境，对此国家制定了严格的排放标准，含重金属的废水必须进行处理。
　　1 深度处理膜工艺的确定
　　1.1 中试前运行状况
　　西北某冶炼厂建成了1.4万m3/d规模的工业废水处理站，工业废水处理工艺流程为调节-初沉-混凝-沉淀-混凝-沉淀，其核心技术是采用两级絮凝沉淀的方法。
　　近年来我国对废水的排放标准日益严格，西北某冶炼厂废水经常规物化处理后，排放水质已不能达到2012年1月1日起最新执行的《铅、锌工业污染物排放标准》(GB 25466-2010)中重金属的排放要求，要想达标排放和满足当地环保要求，冶炼废水还需进一步进行深度处理，水质达到再生水水质标准后可回用，实现废水资源化。
　　1.2 中试方案
　　目前，膜技术应用于冶炼废水的深度处理成为一种趋势。西北某冶炼厂为使预处理后的废水达标并回用，经过仔细研讨后，拟定了MMF(多介质过滤)+UF(超滤)+RO(低压反渗透)和MMF(多介质过滤)+UF(超滤)+NF(纳滤)两种废水深度处理方案，为筛选最优方案，开展了3个月的中试研究。
　　1.3 中试规模及其进水水质
　　中试采用西北某冶炼厂两级絮凝沉淀处理后的废水进行深度处理。废水先经过MMF+UF处理后，其出水分成两等份分别作为纳滤和低压反渗透的进水。两者的进水量均为3.2m3/h，进水水质、《铅、锌工业污染物排放标准》(GB 25466-2010)和《工业循环冷却水处理设计规范》(GB 50050-2007)。
　　1.4 中试材料及操作条件
　　1.4.1 预处理
　　预处理工艺在膜工艺应用中非常关键，良好的预处理效果不但可确保达到膜进水水质要求，还可减少膜元件的通量衰减速度，延长系统化学清洗周期及元件使用寿命，降低运行成本。
　　根据原水的水质特点及工艺系统的经济性，本中试的预处理采用MMF+UF，其中超滤选用德国曼胡默尔低压超滤膜元件，膜材质为外压式中空纤维膜，膜表面空隙率高，支撑层为海绵状网络结构，外压过滤形式。
　　根据中试水质特点确定的超滤反洗周期为30min，每次反洗60s左右，同时1 2d进行一次通量维护，清洗历时1h，可以有效控制膜污染，延长化学清洗周期，对膜稳定运行具有重要意义。
　　预处理工艺主要去除对象一般为悬浮物、胶体、有机物、微生物等物质，同时可对工艺进水pH 进行适度调节，以此确保后续膜处理系统对废水中的重金属离子、COD及总硬度的去除。
　　1.4.2 纳滤膜
　　纳滤膜特有的功能是反渗透膜和超滤膜无法取代的，它兼有反渗透和超滤的工作原理，具有纳米级的膜孔径，膜上多带电荷等结构特点，其行为与其荷电性能以及溶质的荷电状态和相互作用有密切关系。纳滤膜虽对重金属离子的去除具有显著效果，但它运用于铅锌工业废水处理时，其产水的总硬度偏高。
　　考虑到冶炼废水水质特点，选用陶氏FILMTECTMNF90-400 型纳滤膜元件，设计膜通量为27L/(mh)。系统回收率为75%左右，脱盐率为86%，操作压力为0.75 MPa，操作温度为30 36 。
　　1.4.3 低压反渗透膜
　　反渗透是与自然渗透过程相反的膜分离过程，渗透和反渗透两者都是通过半透膜来实现的。渗透压的大小与溶液的性质有关而与膜无关。反渗透膜及其表面特性在分离过程中起着主导作用。近些年发展起来的低压反渗透是反渗透中的一类，其运行能耗较普通反渗透低。
　　选用陶氏FILMTECTM XFRLE-400/34i低压反渗透膜，即复合式聚酰胺薄膜;允许pH 范围2 11;操作压力为0.63MPa;最大污染指数SDI为5;最大操作温度为45 ;最小脱盐率为98%，平均脱盐率为99.5%。
　　2 处理效果及结果分析
　　2.1 纳滤膜和低压反渗透膜出水水质
　　2.2 去除效果比较
　　进出水中铜离子、镉离子、铅离子、锌离子、铁离子、COD及总硬度的变化情况分析如图1所示。
　　2.3 中试结果分析
　　对于等量同质的超滤出水，分别通过纳滤和低压反渗透两种不同的膜工艺处理，其中纳滤对Pb2+ 的去除率明显高于低压反渗透，而对于Cd2+、Cu2+、Zn2+ 和铁等金属离子的去除率略逊于低压反渗透，总的来说，二者出水均能达到西北某冶炼厂的排放标准。
　　纳滤和低压反渗透对超滤出水中的COD有同等的去除效果，且去除率几乎达到100%，而纳滤对总硬度的去除率为96%，低压反渗透对超滤出水的总硬度去除率在99%以上。纳滤对总硬度的去除效果明显逊于低压反渗透。
　　中试期间，对纳滤单元和低压反渗透单元运行成本进行了对比分析。鉴于两者药剂消耗及膜损耗费用相当，两者的运行成本差异主要体现在能耗方面。纳滤单位水量电耗约0.21kWh，低压反渗透单位水量电耗约0.18kWh，电费按照0.51元/(kWh)计算，前者单位水量电耗成本约为：0.210.51=0.11(元/m3)，后者单位水量电耗成本约为0.180.51=0.09(元/m3)。因此，低压反渗透直接动力能耗方面要比纳滤节省18%。低压反渗透脱盐率远高于纳滤，其出水水质也优于再生水水水质指标，作为工业新水补充到循环水系统中，可大大提高循环水系统的浓缩倍数，减少循环水系统补水量，即实现了污水资源化利用，节约了工业新水资源。因此，低压反渗透出水较纳滤出水具有更好的回用价值。
　　综上所述，低压反渗透和纳滤出水均达到了《工业循环冷却水处理设计规范》(GB 50050-2007)中规定的再生水水水质指标。但基于低压反渗透膜在动力能耗方面低于纳滤膜，出水水质优于纳滤膜，且纳滤膜一次性投资高于低压反渗透膜，因此西北某冶炼厂选择低压反渗透作为深度处理工艺，具有可行性和经济性。
　　3 结论
　　(1)低压反渗透对总硬度的去除效果明显高于纳滤，且低压反渗透对超滤出水的总硬度去除率在99%以上。
　　(2)低压反渗透对Pb2+ 的去除率明显低于纳滤，而对于Cd2+、Cu2+、Zn2+ 和铁的去除率略高于纳滤。
　　(3)纳滤和低压反渗透对超滤出水中的COD有同等的去除效果，且去除率可达到100%。
　　(4)低压反渗透运行能耗要低于纳滤。
　　(5)试验证明，西北某冶炼厂两级絮凝沉淀处理后的废水采用MMF+UF+RO的深度处理工艺，其出水完全可达到《工业循环冷却水处理设计规范》(GB 50050-2007)中规定的再生水水质指标要求。