電鍍廢水的納濾膜處理工藝及案例
電鍍廢水中存在多種致癌、致畸、致突變或劇毒物質,如重金屬離子或氰化物等,對環境與人類危害極大,必須加以嚴格治理.人們開發了許多工藝和方法用于處理電鍍廢水,主要有:化學沉淀、吸附、生物、電解、離子交換和膜分離等.膜分離、離子交換或其結合工藝在電鍍廢水的處理應用中,通常可以實現在線回收,并且回用水的水質較高[1, 2].然而,由于生產規模、鍍件基材、鍍層材料、電鍍工藝、管理控制水平以及電鍍場建設歷史等諸多較為復雜的原因,許多現有電鍍企業或電鍍生產線上實行完全意義上的全循環(電鍍金屬和水)仍然是難以實現的.因此,研究開發適合于末端處理電鍍廢水的工藝技術,最大程度地處理、回用水資源,實現廢水的零排放或微量排放仍然具有實際意義.
1 交互平衡式膜分離-化學沉淀工藝
1.1 化學沉淀法處理電鍍廢水
化學沉淀法是利用廢水中的成份與某些化學成份反應生成難溶化合物,從而將廢水中的污染成份沉淀去除的方法.電鍍廢水中的重金屬通常是銅、鎳、鉻、鋅、鎘等,這些重金屬在堿性條件下形成低溶度積的氫氧化物沉淀;或者在硫離子存在時生成硫化物沉淀.然而,由于硫化物的沉淀性和毒性等問題,實際運行中,通常采用提高pH,形成重金屬氫氧化物沉淀的處理方法[3].但是,單純的化學沉淀法處理電鍍廢水存在這樣幾方面的問題:首先,當幾種重金屬共存時,pH的調節將變得復雜.如在Cu和Ni共存的廢水中,由于Cu和Ni的“沉淀完全的pH”分別為6.8和9.5,因此,為使Cu和Ni“沉淀完全”就必須梯度提升pH,并采用分步沉降分離的操作過程.這將給實際處理操作帶來不便,甚至難以滿足排放或回用標準.第二,處理后產水水質品質不高,使得回用水只能處于低質回用狀態,難以用于對水質要求高的工藝段.第三,處理水不可濃縮.當需要回用產水時,通常采用NF或RO對這部分產水進行進一步處理,以提高水質.但是由于水中的殘余離子處于溶度積的臨界狀態,因此,這種水存在造成膜系統的結垢風險,使得膜處理過程難以或不能達到較高的水回收率,即不可濃縮.
1.2交互平衡式膜分離-化學沉淀工藝
交互平衡式膜分離-化學沉淀工藝(IBMS-CP是將納濾系統嵌入化學沉淀過程中,并使化學沉淀和膜過程交互循環并達到動態平衡的工藝過程(圖1).如圖1所示,在IBMS-CP工藝中,經化學沉淀處理的廢水,經過多級沉降池去除沉淀后與含有重金屬的廢水在綜合調節池中混合,再進入膜分離單元進行濃縮分離.視回用水質的要求,膜分離單元的透過液,或直接回用,或經進一步處理而回用.而濃縮液則回到化學沉淀單元進入下一個循環處理過程.一般此處的膜分離單元采用納濾系統.其原因在于:納濾可以較好地截留濃縮二價和高價重金屬離子,同時使一價鹽進入透過液,從而避免一價鹽在IBMS-CP循環過程中的積累.
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由于納濾膜對一價鹽的透過率將隨其濃度上升而增大,因此,在IBMS-CP工藝中,進入和透出IBMS-CP系統的一價鹽將在其到達某濃度時自動達成動態平衡狀態,從而使一價鹽在表觀上“穿過”IBMS-CP循環.同時,該過程的產水被“軟化”,這是IBMS-CP工藝的特點,也是其能夠運行的關鍵.另外,由于納濾過程提高了多價離子的濃度并大幅減少了廢水總量,因此將使化學沉淀設備的容量顯著減小且反應沉淀過程更迅速、完全,IBMS-CP工藝是一個使得化學沉淀和膜過程有機結合且相互促進、強化的過程.
2 IBMS-CP的工程應用
該工程為江蘇省某大型電子產品公司的電鍍廢水回用項目,其主要從事高性能電聲產品的研制、生產和銷售,電鍍在其制造過程中是最關鍵的工藝環節.目前,該公司有自動和手動滾鍍線共五條,鍍件主要為鐵質基材,鍍種為鍍銅、鍍鎳、鍍鉻和鍍金等,其中,鍍金線已實現閉路循環;除含氰、含鉻廢水單獨收集外,其余廢水(包括地面水)全部收集于同一廢水儲池,在場內統稱銅鎳廢水.該公司的電鍍廢水原來以化學法為主進行處理,但由于生產的不規則變化和產能的擴大,使得原來的處理設施的處理能力漸顯不足并幾次發生“超標”現象.加之排放總量的定額無法增容,促使公司決定以更先進可靠的處理技術,達到廢水的“零排放”,實現水的最大程度回用.
2.1 電鍍廢水的水質、水量及回用水質要求
需要處理的電鍍廢水的水質、水量匯總于表1.經處理的水全部回用于生產線,用于制造過程工藝用水,其水質為:pH6~7;電導率<300μS/cm;總重金屬質量分數<0.1×10-6;SS<10×10-6.
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2.2 電鍍廢水的處理、回用工藝
本項目中涉及不同電鍍工藝產生的多種廢水,根據各種類廢水的水質、水量、回用水水質以及無廢水外排的要求,設計該項目的處理工藝.其工藝包括:預處理、IBMS-CP、RO凈化濃縮以及濃液蒸發等部分.預處理包括:含氰廢水的氧化破氰,含鉻廢水的還原破鉻,各部分廢水的匯聚均質和pH初調等部分.該廢水的處理工藝流程圖如圖2所示,各類廢水經不同的預處理單元處理后,進入IBMS-CP處理.其產水進入兩級RO系統進一步凈化濃縮.RO產水返回生產線回用,而二級RO的濃液由結晶蒸發設備作最終處理.
IBMS-CP工藝的納濾膜選用DL-8040C,該元件具有較高的一價鹽透過率,適用于有機物脫鹽、廢水金屬的應用.一級RO(RO I)系統選用BW 30-400反滲透元件.該元件具有99.5%的穩定脫鹽率.二級RO(RO II)系統采用SW30 HR LE-400海水淡化反滲透元件.IBMS-CP的納濾膜系統、兩級RO系統采用“圣誕樹”式二段排布.三處膜系統均采用自動與手動控制相結合,并設有高低壓、流量自動保護、定時自動快速沖洗功能.膜系統均以壓差、膜通量和累積運行時間等參數為依據進行化學清洗.上述參數任意一個達到設定值時,系統將自動給出清洗提示信息與警報,化學清洗用人工方式進行.
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2.3 IBMS-CP工藝單元的運行狀況與討論
該項目的電鍍廢水處理與回用系統已投入實際運行達17個月.運行期間,根據現場的水質、水量的數據以及系統運行實際情況,對部分操作參數,比如:系統回收率、自動快速沖洗周期和化學清洗周期設定等進行了優化調整.目前,該項目已經通過當地市級環保質監部門和用戶單位的驗收,本文著重對IBMS-CP工藝單元的情況進行總結和討論.
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圖3給出了自設備運行至2009年7月期間,進水壓力與進水電導率之間的關系.由此可見,進水電導率對納濾的進水壓力影響不顯著.納濾系統的運行壓力(進水壓力)波動較小,表明該系統運行非常平穩.進水電導率最高達6 100μS/cm,最低為2 020μS/cm,對應的運行壓力(進水壓力)分別為9.2和5.9 kg/cm2.隨著回用水系統投入運行,循環于生產線與處理系統間的水質得到改善,廢水的電導率明顯下降至4 000μS/cm以下,這與原來的5 300μS/cm相比,差異顯著.由此,處理能耗得到降低.納濾系統的產水水質受進水水質、形成進水水質的各種成分的絕對和相對量、運行參數(如溫度、pH)等影響.雖然產水電導率不能完全反應產水水質,但它仍然可以在一定程度上反應納濾膜的性能和運行狀態.如圖4所示,納濾系統對該電鍍廢水具有相對穩定的脫鹽率,且其對總鹽的表觀截留率隨進水含鹽量的降低有小幅上升.這與納濾本身的特性是相符的,但由于進水中多價離子的含量較高,因此,一價鹽效應相對減弱.對納濾產水進行重金屬檢測,表2匯總了幾次檢測的結果.從檢測結果可知,納濾對廢水中的重金屬離子的截留率較高,但殘余離子仍不能達到回用要求,這是需要進一步采用RO處理的主要原因.
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圖5所示為納濾系統運行和經化學清洗前后的系統壓差變化圖.圖5峰值處表明,在化學清洗后,系統壓差可以恢復到初始狀態,該系統的清洗周期約為3個月.另外,運行期間對系統的自動快速沖洗周期也進行了進一步摸索,初步運行結果表明:每6 h進行一次自動快速沖洗有利于該納濾系統的污染控制.
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ROⅠ與ROⅡ分別運行于72%~80%與75%~82%的回收率之間,因此總的系統回收率處于93%~96%之間.系統運行非常平穩.至今,兩級RO系統均進行了3次化學清洗,恢復良好.RO產水中,重金屬含量均低于檢測下限.
3 結論
介紹了IBMS-CP工藝的設計思路和工藝路線,并結合某公司的電鍍廢水處理和回用項目取得了這一應用領域的實際運行數據,得出如下結論.
1) IBMS-CP工藝適用于含重金屬的廢水處理和/或回用領域.IBMS-CP工藝運行平穩,受來水水質波動影響較小,產水水質穩定,系統易于控制且易恢復.
2) IBMS-CP工藝與RO聯合應用,可以使RO系統在極高的回收率下運行并得到較高的產水水質,可以實現電鍍末端廢水的零排放或微量排放.
3)處理系統的主要單元均為膜系統,因此便于實現自動運行,減少人力需求和勞動強度,也大大改善了運行環境.
參考文獻
[1] Castelblanqe J, Salimbeny F. NF and RO membranesfor the recovery and reuse of water and concentratedmetallic salts from waste water produced in the electro-plating process[J].Desalination,2004,167:65-73.
[2] Frenzel I, Stamatialis D F, Wessling M. Water recyclingfrom mixed chromic acid waste effluents by membranetechnology [J].Sep Purif
Technol, 2006, 49:76-83.
[3]馬小隆,劉曉東,周廣柱.電鍍廢水處理存在的問題及解決方案[J].山東科技大學學報(自然科學版), 2005,24(3):107-111.
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