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1外文參考文獻(xiàn)譯文
聚鋁絮凝劑及膜微濾技術(shù)在玻璃生產(chǎn)廢水回用中的應(yīng)用
摘要
試驗(yàn)性規(guī)模的微濾（MF）測(cè)試應(yīng)用于玻璃生產(chǎn)廢水的循環(huán)利用中微濾系統(tǒng)的可行性研究。相對(duì)于膜單元不斷變化的效用，電鍍和管技術(shù)同時(shí)進(jìn)入了一個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器，人們?cè)谒|(zhì)和膜滲透性方面考察其性能。處理后的水質(zhì)（以膜滲透技術(shù)），其濁度和傳導(dǎo)率均達(dá)到了回用水標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)連續(xù)和間歇的微濾操作分別應(yīng)用于一個(gè)恒定的模式時(shí)，洗氣作用在控制污垢方面的效用就被該模式的幾何和運(yùn)行條件所影響。電鍍模式性能較佳，因?yàn)闅馀輳囊欢诉M(jìn)入的時(shí)候，同時(shí)將積聚的微粒撞出。為了清潔帶有污垢的膜，各種清潔方法進(jìn)行對(duì)比，或結(jié)合超頻率，或不結(jié)合超頻率。這些方法運(yùn)用了不同的化學(xué)物質(zhì)，如酸性物質(zhì)、腐蝕性物質(zhì)、次氯酸鹽和螯合物。人們發(fā)現(xiàn)將超聲波溶解法應(yīng)用于腐蝕性溶液中最大可以恢復(fù)至少95％的流動(dòng)。該方法進(jìn)一步優(yōu)化以降低清洗溶液的量和化學(xué)藥劑沖洗時(shí)間。基于成本分析，一旦現(xiàn)有系統(tǒng)被提議的微濾系統(tǒng)所取代，那么微濾系統(tǒng)被證實(shí)是具有可觀的投資回報(bào)的。
關(guān)鍵詞：水中的微濾技術(shù)，玻璃生產(chǎn)工業(yè)，廢水回用，膜技術(shù)清潔
1. 緒論
對(duì)許多缺水的工業(yè)部門和國(guó)家來說，廢水循環(huán)利用引起了它們極大的興趣，并且是一個(gè)可行的方案。由混凝、沉淀、過濾等組成的現(xiàn)有的常規(guī)廢水處理方法，常不足以達(dá)到回用水水質(zhì)要求。因此，膜技術(shù)能去除廢水中各種物理、化學(xué)和微生物污染物，故被公認(rèn)為廢水回用中可靠的替代方案。膜技術(shù)的范圍很廣，包括從微濾到反滲透（RO）。根據(jù)要去除的目標(biāo)化合物，這些技術(shù)正應(yīng)用于廢水回用中。密集的膜如納米級(jí)的膜和反滲透甚至在高能耗的條件下可去除溶解性的離子。因此，對(duì)采用這些高能耗的技術(shù)，工廠猶豫不決。
文中，微濾或超微濾（UF）只不過由于被提及到能去除微粒污染物而顯得更加吸引。因?yàn)樗鼈兡茉谙鄬?duì)低的壓力下保證更強(qiáng)的流動(dòng)。微濾或超微濾膜已被廣泛應(yīng)用在預(yù)處理階段的脫鹽作用或生物去除作用，以取代傳統(tǒng)的澄清或砂濾作用。然而，在某些例子當(dāng)中，單獨(dú)使用微濾或超微濾技術(shù)，或?qū)煞N技術(shù)與物理化學(xué)或生物技術(shù)聯(lián)用，如混凝、吸附、膠體和活性污泥法，已經(jīng)使回用水水質(zhì)達(dá)到已有標(biāo)準(zhǔn)。例如，膜生物反應(yīng)器（MBRs），通常由活性污泥池加上隔膜組成。它在去除市政污水和工業(yè)污水的有機(jī)物方面已經(jīng)取得相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。膜技術(shù)已成功的取代了沉淀物澄清器，因此，系統(tǒng)在沒有任何生物沉淀導(dǎo)致有機(jī)物和膠體的去除效率明顯改進(jìn)的條件下運(yùn)行是有可能的。
在中國(guó)，因?yàn)樗男枨罅吭黾?，人們認(rèn)為在2006年之前水資源將出現(xiàn)短缺，故當(dāng)前的水資源管理?xiàng)l例要求任何工廠或建筑物，只要每天消耗多于1500立方米的水將被勒令建造一個(gè)廢水回用設(shè)備。此外，自從一條特殊的守則最近被證實(shí)有效后，應(yīng)用于坐落在Nakdong河流域的公司的廢水處理的負(fù)荷提高了三分之一。為克服這些問題，一家相關(guān)的玻璃生產(chǎn)廠正考慮翻新或用微濾取代現(xiàn)有的混凝和流態(tài)砂濾。這間廠日排污水15000立方米，污水中含有黏膜玻璃過程中的玻璃微粒。既然現(xiàn)有處理方法引起有關(guān)已處理廢水的傳導(dǎo)率增加和微粒的不完全去除的問題，如圖1所示，微濾將對(duì)這些水的回用起重要作用。
因此，在現(xiàn)今的研究當(dāng)中，包含兩種水中膜技術(shù)，管模塊和電鍍模塊的試驗(yàn)性規(guī)模的微濾系統(tǒng)被測(cè)試過，其膜效率以已處理水水質(zhì)和膜的滲透性來衡量。此外，各種帶有酸溶液、腐蝕性溶液、螯合物、超頻或?qū)⑵渎?lián)合使用的膜清潔技術(shù)被加以應(yīng)用，與選擇和優(yōu)化有效的膜清潔技術(shù)流動(dòng)恢復(fù)加以比較。
2. 物質(zhì)與方法
2.1廢水
用于當(dāng)前研究的玻璃生產(chǎn)廢水處理工藝是由潮州新興玻璃有限公司采用的。圖1顯示的是現(xiàn)有的污水處理工藝，由混凝、沉淀和砂濾組成。因?yàn)橘|(zhì)量良好的粘土顆粒被加到工藝過程中以擦亮玻璃的表面，故廢水常帶有在生產(chǎn)CRT玻璃研磨過程中所排放的粘土混合物和玻璃微粒。原污水通過管道直接轉(zhuǎn)移到試驗(yàn)性規(guī)模的膜單元，但部分由現(xiàn)有處理方法處理的廢水中的污物就會(huì)在試驗(yàn)性規(guī)模的測(cè)試時(shí)回收到生產(chǎn)過程。玻璃生產(chǎn)廢水水質(zhì)的關(guān)鍵特點(diǎn)列于表1 。同樣，廢水水樣被送到實(shí)驗(yàn)室，用于膜技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，除污和潔凈。
2.2改性聚鋁絮凝劑和微濾膜技術(shù)與試驗(yàn)性規(guī)模系統(tǒng)的操作
圖2 說明了應(yīng)用于該研究的試驗(yàn)性規(guī)模的膜技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)池組成，該池總?cè)莘e為9.4立方米，并帶有兩組微濾單元。用于我們的試驗(yàn)性測(cè)試的膜技術(shù)是水中的過濾器，由孔徑為0.4微米的聚烯烴制成。它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上不同于一般的金屬板、框，也異于異常的里面朝外的管狀模塊。每一個(gè)膜模塊具有大約20立方米的有效過濾區(qū)域。表2 給出更多細(xì)節(jié)。如圖2 所示，它們浸沒與一組矩形池子中，以持續(xù)的流動(dòng)模式運(yùn)行，流動(dòng)水平在5.5－15范圍內(nèi)。直到膜池中的濃度增加到20才開始進(jìn)行滲透。然后，系統(tǒng)開始以二十分之一供水速度的流速進(jìn)行滲透（從試驗(yàn)性系統(tǒng)開始運(yùn)行后27日算起）。為控制膜中的污物，以0.15的速度給每一組模塊噴射空氣，以洗凈在連續(xù)微濾過程中膜表面的微粒。此外，間歇性的微濾操作也用于實(shí)際操作當(dāng)中，亦即周期性地打開和關(guān)閉抽水泵。研究得出開關(guān)時(shí)間間隔（以分鐘算）7：1和3：1 。為檢查膜的滲透性，用連接于試驗(yàn)性系統(tǒng)的壓力變頻器監(jiān)測(cè)抽水泵壓力。
2.3膜清洗方法
在實(shí)驗(yàn)性規(guī)模系統(tǒng)中受污染的膜通過注射1NaOH溶液到滲入端，然后通過溶液的水頭從輸出端壓出，在指定的地方?jīng)_洗。在清洗過程中，作微濾的抽水泵停轉(zhuǎn)，但曝氣以與微濾同樣的條件繼續(xù)。用化學(xué)物在固定位置清洗在室溫下進(jìn)行兩小時(shí)。試驗(yàn)性規(guī)模測(cè)試中被污染的微濾膜薄板和框架，被帶到實(shí)驗(yàn)室，切成適合于攪拌單元的小圓板，以進(jìn)行深度的除污和清潔實(shí)驗(yàn)。各種膜的清潔技術(shù)應(yīng)用于不同的溶劑和不同的條件中，如酸性溶劑、腐蝕性溶劑、螯合物、超頻率或以上幾種的聯(lián)合使用。此前定義的污染和清潔測(cè)試過程如下。首先，用100毫升1的NaOH結(jié)合超聲波充分清洗一小塊受污染的膜1小時(shí)。然后，干凈的水流以150rpm流過膜。這些水被認(rèn)為是膜技術(shù)的起始水流，因?yàn)闊o新膜的準(zhǔn)確的起始流量數(shù)據(jù)。為使膜在實(shí)驗(yàn)室再次受到污染，另一項(xiàng)180毫升廢水的微濾技術(shù)，以流速為150rpm應(yīng)用。其后，攪拌單元立即排空，以50毫升純水，以150rpm速度清洗三次。再次，開始進(jìn)行利用特殊清潔媒介的化學(xué)物質(zhì)清洗。最后，測(cè)量純水的水流，比較清洗效率。有需要的話，微濾和清潔過程可重復(fù)。
2.4分析方法
廢水樣本的濁度用Hach濁度計(jì)測(cè)量，而傳導(dǎo)率和總?cè)芙夤腆w濃度用傳導(dǎo)率計(jì)測(cè)量。廢水中微粒的大小用激光衍射粒徑分析儀測(cè)量。
3結(jié)果與討論
3.1絮凝沉淀及微濾系統(tǒng)的處理效率
圖4和5比較了在整個(gè)試驗(yàn)性系統(tǒng)操作中處理水樣、廢水和處理后的廢水中污物的濁度和傳導(dǎo)率。微濾滲透的濁度在微濾操作初期或膜清洗之后輕微增加，但其后趨于穩(wěn)定，然后通過微濾基本上完成濁度的去除。在整個(gè)連續(xù)的操作期間，濁度明顯降低并因此達(dá)到少于0.3NTU的量級(jí)，已優(yōu)于處理水的濁度。這種情況可歸結(jié)于性能良好的膠體的附加排斥，這些膠體處于在操作過程中形成于膜表面的二次動(dòng)力層。
既然在現(xiàn)有的，包括了化學(xué)混凝的處理過程中處理后的廢水中污物部分回收到生產(chǎn)過程，那么相對(duì)于處理廢水的傳導(dǎo)率，微濾滲透的傳導(dǎo)率要高一些。然而，在滲透過程中觀察不到任何傳導(dǎo)率的增加，因?yàn)闊o化學(xué)絮凝物加到水中的微濾系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中無離子性化學(xué)物進(jìn)入，因此，如果微濾單獨(dú)用于廢水循環(huán)利用過程中，膜滲透中的鹽含量將會(huì)和處理水中的鹽含量相同。
3.2在試驗(yàn)性規(guī)模的微濾過程中膜的受污染情況
圖6在兩個(gè)月的試驗(yàn)性系統(tǒng)操作中水中微濾膜模塊的吸入壓力的變更。當(dāng)持續(xù)的微濾過程以15的流速開始時(shí)，就會(huì)在管模塊和板模塊中引起巨大的壓力，因此試驗(yàn)性的系統(tǒng)將停止數(shù)天。盡管微濾作用外的廣泛的氣體飛濺用于驅(qū)逐膜表面的微粒，但在起始的，短暫的操作階段中，一旦接觸到膜表面，那些微粒卻不能輕易地去除。當(dāng)試驗(yàn)性系統(tǒng)在以曝氣技術(shù)清洗膜后重新開始，氣壓將戲劇性地增加，標(biāo)志著廢水中的微粒過于粘連，以致一旦其沉積于膜表面，不能僅靠提供氣體去除。因此，利用pH為11的堿性溶液化學(xué)性清洗。為了在首次化學(xué)性清洗中進(jìn)一步控制膜的受污染情況，滲透流動(dòng)降低到10 ，微濾系統(tǒng)以7分鐘開啟，1分鐘關(guān)閉的時(shí)間間隔間歇操作。對(duì)于板模塊，壓力能維持在大約某個(gè)常量至少兩周。因此，在B階段中期的一段較短時(shí)間內(nèi)流量增加25％。然而，不幸的是，氣壓又會(huì)逐漸上升，故流量重新減到10 或更低。流量減少以后，抽水泵的壓力降至某一水平，但不會(huì)降至先前的水平。當(dāng)在B階段末期嘗試將流量增加至10 時(shí)，氣壓將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，故系統(tǒng)停下來作另一次的化學(xué)性清洗。
而對(duì)于管模塊，膜污染在B階段起始相對(duì)嚴(yán)重，盡管間歇性的操作以10 的流量運(yùn)行。這可能由于模塊的幾何學(xué)差異。氣泡幾乎不能進(jìn)入管道，故某些微?？赡軙?huì)聚集并阻塞膜管道的內(nèi)部，導(dǎo)致微濾過程中更嚴(yán)重的污染。因此，有必要對(duì)管模塊進(jìn)行另一次的化學(xué)性清洗。第二次化學(xué)性清洗結(jié)束后，時(shí)間間隔變短，引起污染的減少，但仍有一緩慢的污染過程。當(dāng)系統(tǒng)在B階段末期增加流量到12.5，受到更大的壓力時(shí)，壓力就會(huì)激烈地上升，過濾停止。
在C階段，在化學(xué)性清洗之后，微濾中的管模塊與板模塊都將以更短的間歇性過濾頻率運(yùn)行（亦即3分鐘開啟，1分鐘關(guān)閉），和以更低的流量：5.5估量膜的狀態(tài)。板模塊比管模塊運(yùn)行得較佳。結(jié)果，隨著化學(xué)性清洗和間歇性過濾、曝氣，板模塊的流量更易恢復(fù)，更好地控制膜污染。
3.3各種膜清洗方法的比較
在長(zhǎng)期的操作過程中，膜的污染不能避免，故有必要確立一個(gè)有效的清洗方法以應(yīng)用微濾技術(shù)與廢水回用。因此，用各種不同的化學(xué)物和技術(shù)的清洗方法應(yīng)用于試驗(yàn)性測(cè)試中的受污染的膜，其有效性以清洗后流量恢復(fù)為條件來評(píng)估。水的沖洗僅使20％的起始流量恢復(fù)。在一個(gè)較寬的pH范圍內(nèi)，從酸性（pH＝4）到弱堿性（pH＝8.4）添加螯合物和氧化劑，流量的恢復(fù)沒有深層的改進(jìn)。然而，在相對(duì)強(qiáng)堿的條件下（pH＝11），不管加入的化學(xué)物質(zhì)是什么，流量的恢復(fù)都會(huì)達(dá)到至少50％的水平。在超聲波的條件下，流量的恢復(fù)更加可觀（超過了90％），進(jìn)一步的增加發(fā)生在一個(gè)更高的pH值上。超聲波降解法在去除粘附在膜上的粘性硅土微粒方面十分有效。此外，對(duì)在高pH值下產(chǎn)生更有效的清洗頻率的可能解釋是，出現(xiàn)在廢水中的粘土和玻璃微粒主要由硅土組成，這些硅土的溶解性在堿性條件下會(huì)增加。結(jié)果，推斷出結(jié)合發(fā)生在固定點(diǎn)的超聲波降解法的微濾技術(shù)是一種有前途的替代方案，能使微濾系統(tǒng)適用于廢水回用中。
3.4膜清洗過程的優(yōu)化
當(dāng)重復(fù)地進(jìn)行微濾和清洗的攪拌單元的時(shí)候，利用一種帶有超聲波的NaOH溶液來檢測(cè)清洗效率的變更。隨著一批批重復(fù)的微濾工序，清洗的效率逐漸降低，但通過多種清洗方法有所恢復(fù)。此外，對(duì)流量恢復(fù)來說，清洗溶液的容積似乎比清洗的持續(xù)時(shí)間更可靠?？紤]到清洗要求的時(shí)間和溶液體積，需要對(duì)清洗方法進(jìn)一步優(yōu)化。
圖8所示的是在膜清洗過程中，時(shí)間和體積的不同聯(lián)合情況。條件A和B基本能恢復(fù)到起始的水平，而在重復(fù)微濾的過程中，條件C卻不足以恢復(fù)流量。具有更多清洗數(shù)目，且伴隨著更少容積的清洗溶液的條件D，在膜清洗方面最有效。這些結(jié)果說明一個(gè)事實(shí)，比起清洗的持續(xù)時(shí)間，清洗溶液的體積在清洗中發(fā)揮更重要的作用。此外，只要膜能夠多次沖洗，甚至用更少體積的溶液，都能滿足清洗效率。這些結(jié)論幫助人們最小化利用清潔溶液，同時(shí)對(duì)化學(xué)性清洗作出一個(gè)更佳的策略。同樣，考慮到廢水的基本要求，每單位膜化學(xué)物質(zhì)劑量的規(guī)格化，可應(yīng)用于試驗(yàn)性或?qū)嶋H性清洗當(dāng)中去。
3.5對(duì)廢水回用中應(yīng)用絮凝和微濾系統(tǒng)的成本估計(jì)
為比較各種廢水回用方法的成本，現(xiàn)定義所用時(shí)間（POT）如下：
指用一種新方法回用污水所需的凈投資。指新方法的凈節(jié)省，而指新方法的凈操作成本。表4比較了兩種方案的POT值，一種是現(xiàn)有的處理方法以小規(guī)模改進(jìn)的方式重建，另一種是完全用一種新的系統(tǒng)來取代（微濾系統(tǒng)）。新的微濾系統(tǒng)在投資與用電量方面具有更高的成本，但清洗化學(xué)物質(zhì)的成本可以忽略，因?yàn)橹挥猩倭康幕瘜W(xué)物質(zhì)用于膜的清洗過程中。例如，1立方米12.5mol的NaOH價(jià)格為128美元，假設(shè)每1平方米膜每月大約用130L1.0mmolNaOH，故總的年清洗成本估計(jì)為100美元。假設(shè)75％的處理后的水能回用，那么，通過微濾，水的節(jié)省費(fèi)用將是可觀的。深度回用會(huì)增加節(jié)省，因此減少POT值。如果當(dāng)前的系統(tǒng)被同樣的廢水處理設(shè)備和處理方法取代（可選方案1），水的回用將很有限。因此，預(yù)計(jì)POT值將會(huì)極長(zhǎng)（20年），這意味著可選方案1不可能出現(xiàn)投資回報(bào)。然而，如果應(yīng)用微濾系統(tǒng)的話（可選方案2），POT值會(huì)變短（大約3.75年）。在3.75年中75％回用的投資回報(bào)亦相對(duì)合理，而做到100％回用會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)趨于更切實(shí)可行。因此，判斷出將微濾系統(tǒng)考慮在內(nèi)的可選方案2，只要當(dāng)前的系統(tǒng)作出任何形式的改進(jìn)，在玻璃生產(chǎn)廢水回用方面將比可選方案1更具吸引力。盡管可選方案2的優(yōu)點(diǎn)明顯，但在作出這樣一種決策的時(shí)候，還是要考慮投資方面的深層工夫。例如，需要用帶有至少每天好幾百頓廢水的處理容量的微濾系統(tǒng)作更為長(zhǎng)期的（大于6個(gè)月）試驗(yàn)性測(cè)試，并作出深層的成本分析。如果單單是部分現(xiàn)有的處理設(shè)備用微濾來代替或翻新，同樣需要作出修正后的成本估計(jì)。然而，總的來說，上述作出的結(jié)論將是有根據(jù)的，盡管詳細(xì)的結(jié)果，如投資和POT，會(huì)根據(jù)處理設(shè)備的不同而異。
4.結(jié)論
用水中的微濾膜，以試驗(yàn)性規(guī)模的板和管模式進(jìn)行玻璃生產(chǎn)廢水的回用。該系統(tǒng)的性能以兩個(gè)月內(nèi)試驗(yàn)性規(guī)模的操作處理后的水質(zhì)和膜的滲透性來衡量。有關(guān)流量恢復(fù)的各種不同的化學(xué)性清洗方法的效用同樣以化學(xué)物和超聲波的不同組合方式在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的試驗(yàn)中被檢驗(yàn)。試驗(yàn)性規(guī)模的微濾系統(tǒng)能給處理后的廢水帶來良好的水質(zhì)，故其能滿足生產(chǎn)過程中所需的水質(zhì)要求。微濾應(yīng)在低于10 的流速下進(jìn)行，以穩(wěn)定地維持橫跨膜的壓力。流速相對(duì)較低但仍是合理的。盡管廣度曝氣在去除粘連的微粒方面無效，相比于管模式，板模式運(yùn)作得較佳，因?yàn)闅馀菽軌蚋椎剡M(jìn)入流入端。根據(jù)測(cè)試的模塊，較低流量下的間歇性操作能避免膜的污染。為對(duì)受污染的膜進(jìn)行有效的清洗，應(yīng)在堿性溶液下（pH）10）結(jié)合超聲波進(jìn)行清洗，這樣，硅土微粒就會(huì)更易溶解。溶液的體積和每次微濾后化學(xué)性清洗的的重復(fù)次數(shù)都比每次清洗的持續(xù)時(shí)間更重要。為廢水回用安裝微濾系統(tǒng)會(huì)開來可觀的投資回報(bào)，且如果當(dāng)前的系統(tǒng)應(yīng)予取代的時(shí)候，值得考慮。然而，在根據(jù)實(shí)際情況作出最終決定前，關(guān)于在更長(zhǎng)的操作時(shí)間內(nèi)利用更大規(guī)模的微濾系統(tǒng)的深層研究是必要的。
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2外文參考文獻(xiàn)原文