Al2O3陶瓷膜處理餐飲廢水
行業(yè)動態(tài)
陶瓷膜是近幾十年來膜材料中的新興力量，相對于傳說膜材料所制備的各種分離精度的膜，陶瓷膜在過濾應(yīng)用中具有化學(xué)穩(wěn)定性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、通量高和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于廢水處理、醫(yī)藥食品制造、海水蒸餾、能源工程等諸多領(lǐng)域，成為一種新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，被預(yù)言將帶來“第三次工業(yè)革命”。
隨著人們生活水平的不斷提高，餐飲行業(yè)也猶如雨后春筍般迅速發(fā)展，隨之帶來的是大量餐飲廢水的排放，而餐飲廢水中含有大量的動植物油及各種膠體、洗滌劑、蛋白質(zhì)、植物纖維、無機(jī)鹽等。成分復(fù)雜，使得其在廢水凈化處理中難度較大，每年未經(jīng)過處理直接排放的餐飲廢水能達(dá)到億噸以上。
處理餐飲廢水一般有氣浮、沙濾、混凝、好氧生物污泥法、MBR、生物轉(zhuǎn)盤等，但是這些方法各有自身的缺點(diǎn)。由于無機(jī)陶瓷膜的疏油性，使其被廣泛應(yīng)用于含油廢水的處理。其微濾膜在油水分離的研究不斷，但大多應(yīng)用在具有高附加值的石油化工領(lǐng)域，在餐飲行業(yè)中應(yīng)用較少。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 廢水來源
實(shí)驗(yàn)所用餐飲廢水取自某學(xué)校食堂洗水槽中，將收集的廢水靜置12h，以除去較大顆粒物，然后用機(jī)械攪拌器高速攪拌10h，使廢水呈穩(wěn)定的乳化狀態(tài)，并對所取廢水的含油量及COD進(jìn)行檢測，測得其油的質(zhì)量濃度為866mg/L，COD為2775mg/L。
1.2 裝置及方法
實(shí)驗(yàn)裝置為自制的膜過濾裝置，膜組件為自制的Al2O3平板陶瓷膜，膜過濾有效面積0.011㎡，平均孔徑0.3μm。
料液儲存在料液箱中，過濾實(shí)驗(yàn)開始時(shí)由離心泵輸送到膜組件中進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)。過濾時(shí)間由計(jì)時(shí)器記錄，操作壓力由進(jìn)出口壓力差計(jì)算得到，濾液由量筒收集，以此計(jì)算其膜通量情況。濾液中油的含量和COD分別通過CJ/T 51-2004的稱量法及GB 11914-1989的重鉻酸鉀法測定。
膜通量J及其油滴或COD去除率R分別由如下公式計(jì)算：
J=V/(At)
R=l-Pp/Pb
式中，V為出水體積，A為過濾膜面積，t為過濾時(shí)間，Pp為滲透液中溶質(zhì)的質(zhì)量濃度或COD，Pb為進(jìn)料液中溶質(zhì)的質(zhì)量濃度或COD。
膜體再生過程：采用自制的堿性清洗劑對過濾后陶瓷膜進(jìn)行化學(xué)清洗，化學(xué)清洗劑為：質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%的SDS+0.5%的檸檬酸鈉+0.5%的碳酸鈉+1%的氫氧化鈉，在較適條件下進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，每次運(yùn)行過濾30min后，對膜體進(jìn)行清洗操作（連續(xù)浸泡3h），連續(xù)3次，清洗后穩(wěn)態(tài)膜通量變化情況及油滴和COD去除率。
2 結(jié)果與討論
2.1 料液含量的影響
實(shí)驗(yàn)料液溫度25℃，進(jìn)料體積流量200L/h，操作壓力0.12MPa，對進(jìn)料液進(jìn)行濃縮和稀釋，考察不同料液含量對膜通量、油滴及COD去除率的影響。
同一進(jìn)料液油滴含量下，穩(wěn)態(tài)膜通量隨著時(shí)間逐漸下降；隨著進(jìn)料液油滴含量的提升，穩(wěn)態(tài)膜通量逐漸減小。主要原因有2方面：
（1）油滴含量的提升，使膜表面的動態(tài)膜層（濾餅層）增厚，增加了過濾阻力，使膜通量下降。
（2）油滴含量的提升，增加了溶液滲透壓，而在操作壓力不變的情況下，溶劑透過膜面的驅(qū)動力減弱，導(dǎo)致水通量減小。
隨著進(jìn)料液油滴含量的提升，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)膜通量所需的時(shí)間不斷減少。原因是進(jìn)料液油滴含量的提升，單位時(shí)間內(nèi)流動到膜表面的溶質(zhì)增加，使動態(tài)膜層（濾餅層）厚度增加速率變快，快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，同時(shí)料液油滴含量對態(tài)膜層（濾餅層）厚度有直接影響，確定油滴含量后能大概確定進(jìn)入穩(wěn)態(tài)膜通量所需時(shí)間。
隨著進(jìn)料液油滴含量降低，油滴和COD截留率均為下降趨勢，但濃縮2倍及原料液的截留率較高。
綜合考慮穩(wěn)態(tài)膜通量、截留率、能耗等因素，確定料液油滴的質(zhì)量濃度在～866mg/L較為合理，并確定20min為進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間。
2.2 料液流量的影響
實(shí)驗(yàn)料液溫度25℃、進(jìn)料液為原料液、操作壓力0.12MPa，考察了不同料液流量對膜通量、油滴及COD去除率的影響。隨著進(jìn)料體積流量的增加，穩(wěn)態(tài)膜通量呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，在體積流量200L/h之前，隨著進(jìn)料流量的增加，膜面流速加快，減小了濃差極化，使膜通量上升；在200L/h之后，隨著進(jìn)料流量的增加，膜通量迅速減小。原因是膜面流速的增加，將會帶走附于膜面的大顆粒，使動態(tài)膜層的細(xì)顆粒比例上升，從而引起動態(tài)膜層阻力升高，膜通量迅速減?。涣硪环矫婺っ媪魉俚脑黾訒哟竽っ鎵毫?、使動態(tài)膜層更加緊實(shí)，增大了過濾阻力。隨著料液流量的增加，油滴及COD去除率呈升高趨勢，但變化不大。
綜上，體積流量200L/h具有相對較高的膜通量及油滴和COD去除率，因此選取200L/h為實(shí)驗(yàn)中優(yōu)化的進(jìn)料體積流量。
2.3 操作壓力的影響
實(shí)驗(yàn)料液溫度25℃、進(jìn)料液為原料液、料液體積流量200L/h考察不同操作壓力對膜通量、油滴及COD去除率的影響。
隨著操作壓力的增大，穩(wěn)態(tài)膜通量逐漸提升。操作壓力的增大給廢液中的水分及微小顆粒提供更大的驅(qū)動力，使得這些水分和微小顆粒更快速的穿過陶瓷膜，從而使膜通量大大增加。
隨著操作壓力的增加，油滴及COD去除率先升高后減少。壓力從80kPa增加到120kPa時(shí)，油滴及COD去除率增加較快，原因是操作壓力的增加，使動態(tài)膜層（濾餅層）致密化，一定程度上減小膜孔徑，從而使得截留率提升；壓力從120kPa增加到160kPa時(shí)，油滴及COD去除率增加緩慢，原因是雖然動態(tài)膜層致密化程度更高，但是廢液中的超小顆粒和水分子仍能通過過濾層，使得去除率增加緩慢；壓力從160kPa增加到0.20kPa時(shí)，油滴及COD去除率逐漸減小，這是操作壓力的增加使得更多的油滴變形通過膜層所造成的。
綜合考慮成本、截留效果、水通量，選取160kPa為優(yōu)化的操作壓力。
2.4 料液溫度的影響
實(shí)驗(yàn)進(jìn)料液為原料液、料液體積流量200L/h、操作壓力為160kPa，考察料液溫度對膜通量、油滴及COD去除率的變化影響。
隨著進(jìn)料液溫度從20℃升高30℃，穩(wěn)態(tài)膜通量呈上升趨勢；而超過30℃后，膜通量隨進(jìn)料液溫度的增加速度變緩，35℃時(shí)膜通量達(dá)到1.196m3/(㎡·h)；之后膜通量逐漸下降。原因是進(jìn)料液溫度的提升，會使其液體黏度變小，傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)變大，布朗運(yùn)動加劇，濃差極化現(xiàn)象減弱，從而促進(jìn)膜通量的增加，但同時(shí)膜通量的增加又加劇濃差極化，污染速率加快，動態(tài)膜層增厚，減小膜通量，這2方面的相互作用，使得料液溫度的增加與膜通量出現(xiàn)非線性關(guān)系。
隨著料液溫度的提升，油滴及COD去除率均出現(xiàn)減少趨勢，但在35℃后，減小十分緩慢。原因是料液溫度在35℃前，隨著溫度升高，液體黏度變小，傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)變大，布朗運(yùn)動加劇，導(dǎo)致了油滴及COD去除率下降，35℃以后，雖然料液黏度變小，但膜通量的增加，導(dǎo)致膜污染增加，動態(tài)膜層（濾餅層）增厚，使得油滴及COD去除率增加，兩者相互作用抵消，使得35℃后下降趨勢十分緩慢。
綜合穩(wěn)態(tài)膜通量、油滴及COD去除率、成本等因素，料液在25℃下?lián)碛休^為理想的過濾參數(shù)。
2.5 膜體再生性能分析
清洗后穩(wěn)態(tài)膜通量變化情況及油滴截留率和COD去除率如下表所示：
清洗方式 | J（m3/(㎡·h)） | R（%） | |
油滴 | COD | ||
新膜 | 1.161 | 94.61 | 89.24 |
清水 | 0.927 | 94.64 | 89.31 |
清洗劑1次 | 1.109 | 94.63 | 89.28 |
清洗劑2次 | 1.113 | 94.65 | 89.30 |
清洗劑3次 | 1.105 | 94.63 | 89.18 |
清洗劑4次 | 1.110 | 94.52 | 89.23 |
與只用清水清洗比較，化學(xué)清洗的穩(wěn)態(tài)膜通量明顯更大；經(jīng)過連續(xù)4次化學(xué)清洗，膜體再生性能非常良好，穩(wěn)態(tài)膜通量衰減緩慢，十分穩(wěn)定，與此同時(shí)油滴及COD去除率效果理想，與原始膜體基本相同，膜體性能再生率在95%以上。
3 結(jié)論
隨著料液油滴含量的增加，膜穩(wěn)態(tài)通量下降，同時(shí)到達(dá)膜穩(wěn)態(tài)通量所需的時(shí)間也減少，確定20min為進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間；隨著料液含量的增加，膜體對油滴及COD去除率逐漸上升，但上升趨勢逐漸減緩。
隨著進(jìn)料流量的增加，膜穩(wěn)態(tài)通量呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，同時(shí)，隨著料液油滴含量的增加，膜體對油滴及COD去除率呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢，但變化范圍不大。
隨著操作壓力的提升，膜穩(wěn)態(tài)通量增加，且增加幅度較大；同時(shí)，隨著操作壓力的增加，膜體對油滴及COD去除率呈先增加后減少的趨勢，但是120kPa之后，兩者的去除率增加幅度非常小，基本保持不變狀態(tài)。
當(dāng)料液溫度升高時(shí)，膜穩(wěn)態(tài)通量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，且從20℃到30℃的增加較為明顯；同時(shí)，隨著料液溫度的增加，膜體對油滴及COD去除率呈下降趨勢。
綜合考慮穩(wěn)態(tài)膜通量、截留率、能耗等因素，確定優(yōu)化過濾條件為：料液溫度25℃、進(jìn)料液體積流量為200L/h、操作壓力為160kPa、進(jìn)料液含量在原料液。
在優(yōu)化的過濾條件下，采用自制堿性化學(xué)清洗劑清洗膜體，其再生性能良好，達(dá)到95%以上。
