葉興剛，李小波

(1．武漢大學 資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430000；2.湖北工業(yè)職業(yè)技術學院 環(huán)境工程系，湖北 十堰 442000)

無機陶瓷膜分離技術是基于多孔陶瓷介質的篩分效應而進行的物質分離技術，采用與傳統(tǒng)“死端過濾”、“濾餅過濾”等過濾方式截然不同的動態(tài)“錯流過濾”方式：即在壓力驅動下，原料液在膜管內(nèi)側膜層表面以一定的流速高速流動，小分子物質(液體)沿與之垂直方向透過微孔膜，大分子物質(或固體顆粒)被膜截留，使流體達到分離濃縮和純化的目的。近年來，無機陶瓷膜技術由于其獨特的優(yōu)點應用十分廣泛[1]。當前，在廢水處理中得到了廣泛的應用，如用于鈦白廢水處理、印鈔擦版廢水處理、鋼鐵廠冷軋薄板生產(chǎn)線含油廢水處理、油脂廠堿煉洗滌廢水處理、機械加工廠脫脂液廢水處理、電鍍廢水處理等。

本文針對陶瓷膜領域的新產(chǎn)品——密集多通道無機陶瓷膜開展了其在汽車發(fā)動機乳化液廢水處理的試驗研究，以便為相應工程設計提供適宜的技術參數(shù)。

1 廢水來源及試驗設備

本試驗所用的廢水來自于某合資汽車公司的發(fā)動機制造車間所產(chǎn)生的乳化廢液及其清洗廢水組成的乳化廢水(經(jīng)過紙袋過濾器進行了預處理)。其中乳化廢液約占41%，而清洗廢水約占59%，該水中的COD為27900-139000 mg/L，顏色呈乳白帶黑色，石油類為8200-1360 mg/L。

試驗所采用的設備為自行設計組裝，其核心部件——膜組件采用的是北京考特科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的密集多通道無機陶瓷膜。其基本性能指標如下：

純水通量(0.1Mpa、 25℃)L·h-1·m-2截面分子量WMCOPH操作溫度℃最高工作壓力Mpa膜通道直徑mm膜比重80010萬1～145～65*0.63.53.5mm

*取決塑料殼體

如作為水處理用，有關要求原水指標要求如下：

原水通量Lmh原水濁度NTUTSSmg/LTOC/TDCmg/L絮凝劑mg/L過濾間隔時間/h化學清洗周期/d就地清洗周期/月170-370<1500<3000<100<2001-22-46

2 試驗工藝流程說明及監(jiān)控指標

2.1 試驗工藝流程說明

本工程試驗采用了1套密集多通道無機陶瓷膜中試設備(0.2t/h)開展了試驗，工藝流程見圖1。

圖1 中試試驗工藝流程框圖

取一定量的經(jīng)預處理后的乳化液廢水加入原料罐1中，在增壓泵6的作用下被壓入膜組件2；原廢水分成濃液和濾液兩部分分別通過閥門F2、F3進入到1和3,從而利用膜的作用實現(xiàn)油水分離。

正常工作狀態(tài)可以采用錯流過濾和全流過濾兩種模式。通常同時打開F1、F2、F3、F4使得系統(tǒng)處于錯流過濾模式；如關閉F2，則屬于全流過濾模式，原水通過膜組件和F3流入清液罐。

2.2 監(jiān)控指標

本次試驗的目的是為了尋求密集多通道無機陶瓷膜處理特殊乳化液廢水時的設計參數(shù)及操作參數(shù)，即通過J-c、J-P、J-T、J-v等關系圖來尋求。主要監(jiān)測的指標為進出水的COD、出水的含油量、進出口壓差、水溫等。該過程通過循環(huán)泵進行料液循環(huán)，用截止閥來調(diào)節(jié)陶瓷膜的工作壓力和膜面流速；過濾后的料液溫度會升高，使用循環(huán)罐外的冷凝管控制溫度。

水溫、壓力在線檢測；COD的測定采用密閉消解光度法[GB/T11914-1989(A)]、石油類的測定采用紅外分光光度法[HJ637-2012]。

3 乳化液廢水處理工藝參數(shù)的試驗分析

在污水分離過程中，壓力和膜面流速是膜處理極其重要的設計參數(shù)，它對膜通量的影響很大，而且兩者的還相互影響?，F(xiàn)在通過對乳化液廢水的中試試驗來確定其相關參數(shù)。

3.1 膜面流速(v)的確定

膜面流速v是指在泵的推動作用下料液平行于膜面流動的平均速度，是與過濾速度垂直的重要膜分離參數(shù)，膜面流速較小時，膜面易形成較厚的層流底層而使液膜阻力增大，膜通量顯著下降；較高的膜面流速可以提高對流傳質系數(shù)，減少滯留層厚度，減輕濃差極化，在有效地減少膜面污染的同時提高滲透通量，但操作回流比增大必將導致能耗增加，對操作不利[2]。

選定工作壓力為0.3 MPa、溫度為45℃時，分別在v=2、3、4、5、6、7 m/s的條件下，研究膜穩(wěn)定通量的變化情況，并同時對出水中石油類含量進行監(jiān)測。試驗結果如圖2。

圖2 膜通量J—膜面流速v關系圖

從上圖可以看出：膜面流速v較小時因膜表面被迅速污染而致使膜通量急劇下降；隨著膜面流速的提升，膜通量會得以改善，但是膜面流速過高，膜通量反而會下降。結合J-Coil關系圖可以看出該處的膜面流速應在4-6 m/s為宜。在此流速下膜的污染較小、乳化油的截留率較高，膜通量較高且穩(wěn)定。

3.2 操作壓力的確定

工作壓力為0.3 MPa、溫度為45℃時，調(diào)節(jié)循環(huán)泵出口壓力，使其分別位于P=0.2、0.3、0.35、0.4、0.5 MPa的條件下，研究膜通量J的變化情況，并同時對出水中石油類含量進行監(jiān)測，分別繪制J-P、coil-J曲線圖，其結果參見圖3、圖4。

圖3 T—P關系圖

從J-P圖可以看出：在膜面流速一定且壓力不太高的時候，膜通量隨著壓力的增加而呈現(xiàn)近似直線的上升；但在升至一定壓力之后，濃差極化開始起作用并隨壓力升高而趨嚴重，膜通量的增速也變得緩慢；直至壓力升高到一定數(shù)值后，濃差極化使得膜表面形成污染層，污染層阻力成為了傳質的控制因素；壓力進一步提高，污染層就會被“壓實”，甚至緊貼膜孔，從而使得膜通量反而下降。從上圖可以看出：該類乳化液廢水的處理壓力以控制在0.28-0.4 Mpa之間為宜。

圖4 coil—P關系圖

從coil-P的數(shù)據(jù)關系來看：較低的壓力條件下，乳化液不易克服膜層阻力透過膜，在較高壓力作用下乳化液滴易透過膜造成滲透液中油含量較高；濾液中的含油量隨著運行壓差的升高而加大，并在壓差在達到0.35 MPa以后，含油量升高趨勢明顯增強。所以運行壓差宜控制在0.35 MPa以下。

綜合考慮濃差極化、出水水質、運行成本等因素，建議該類乳化液廢水的處理壓力以控制在0.3 Mpa左右為宜。

3.3 操作溫度的確定

工作壓力為0.3 MPa、膜面流速為5 m/s時，改變溫度的大小,研究膜通量J隨溫度T的變化情況。監(jiān)測結果見圖5。

圖5 J—T關系圖

隨著溫度的升高，乳化液廢水的粘度減小，傳質系數(shù)得到改善，從而降低了膜表面?zhèn)髻|阻力，提高了膜通量。從圖5可以看出：當溫度升高至25℃時，通量出現(xiàn)明顯上升趨勢；但在溫度升高至50℃后，通量上升趨勢明顯減弱。考慮加熱所帶來的運營成本，我們建議乳化液膜分離系統(tǒng)操作溫度控制在30～50℃之間，一般以45℃左右為宜。

4 工程實踐

根據(jù)上述工藝參數(shù)，在某汽車發(fā)動機廢水處理站進行了工程實踐，并連續(xù)監(jiān)測了相關數(shù)據(jù)，其乳化液廢水進水的平均COD為47 240 mg/L、油含量為12 780 mg/L，出水的平均COD為7 384 mg/L、油含量為15.6 mg/L，均達到了后續(xù)生化處理的水質要求。相關監(jiān)測數(shù)據(jù)參見圖6。

圖6 某乳化液廢水膜處理前后水質變化圖

5 結論

在控制膜面流速取4-6 m/s、壓力控制為0.3 MPa、溫度控制在45℃左右時，采用密集多通道無機陶瓷膜處理汽車行業(yè)發(fā)動機乳化液廢水的效果良好，通過工程實踐的檢驗可知COD和油類的去除率分別在84.4%、99.8%以上，均能達到后期廢水生化處理的要求。

[參考文獻]

[1] 王 瑛,李 夢,焦光聯(lián)．預處理+無機陶瓷膜工藝處理乳化液廢水的實驗研究[J]．工業(yè)水處理2011(6)：66-69.

[2] 吳 ?。♀n廢水處理方法的實驗研究[D].南京：南京工業(yè)大學化工學院，2001．