关于陶瓷膜在含油、含悬浮物废水处理装置优化设计研究

关于陶瓷膜在含油、含悬浮物废水处理装置优化设计研究

王威

上海海潥建设集团有限公司

摘要：在含油、含悬浮物废水处理方面，陶瓷膜可以发挥精密过滤分离作用，改善废水处理效果。结合污水处理改造工程案例，本文对基于陶瓷膜的含油、含悬浮物废水处理装置优化设计方案展开了分析，并对优化装置详细设计问题进行了探讨。从优化设计效果来看，可以有效去除废水中的悬浮物和油类物质，使出水水质满足循环使用要求。

关键词：陶瓷膜；含油、含悬浮物废水；废水处理装置；优化设计

引言：在二十一世纪的水处理技术中，膜技术得到了广泛应用。相较于有机膜，陶瓷膜拥有分离效率高、抗污染、化学性能稳定等诸多优势，在含油、含悬浮物废水处理中逐步得到了应用。现阶段，含油、含悬浮物废水处理装置多采用有机膜，废水分离效率依然较低，因此还应利用陶瓷膜实现装置优化设计，提高废水分离效率，以推动废水处理技术的发展。

1陶瓷膜在含油、含悬浮物废水处理中的应用

含油废水指的是含较多油类物质及无机盐分等污染物质的废水，来源于石油化工、钢铁等行业，废水中存在浮油、乳化油等油类，在水中溶解度较低，难以通过静沉法分离。含悬浮物废水主要来自于工业加工和生产废水，将水当成是原料或助剂，使得悬浮物进入水中导致水质混浊，容易造成管道或设备磨损、堵塞，影响废水处理效果。针对含油、含悬浮物废水进行处理，目前多采用离心分离、破乳、混凝沉淀等传统工艺方法，但是所使用的药剂容易受到悬浮物和油类干扰，导致废水处理效率较低，难以实现达标排放^[1]。一旦将废水排入水域，将引发环境污染。作为固态膜，陶瓷膜是利用无机材料陶瓷制作而成的半透膜，能够利用“筛分”理论实现物质分离，具体无机陶瓷膜工作设备图如图1和图2所示。在一定膜孔径范围内，由于渗透物质拥有不同分子直径，所以渗透率不同。利用膜两侧压力差提供推动力，保证小分子物质顺利通过，同时截留大分子物质，能够实现物质过滤分离，膜分离原理图如图3所示。应用陶瓷膜，可以对废水中的油类物质和悬浮物进行截留，透过膜外侧产水，用于生产线回用或进入深度处理工艺，具有较高的废水处理效率，并且产水效果好。因此，应结合陶瓷膜应用需求，完成含油、含悬浮物废水处理工艺装置开发，继而使该类废水处理难题得到解决。

图1 无机陶瓷膜工作设备图 图2 无机陶瓷膜工作设备图

图3 无机陶瓷膜分离原理图

2基于陶瓷膜的含油、含悬浮物废水处理装置优化设计

2.1废水处理情况

上海惠而顺精密工具股份有限公司从事硬质合金刀具加工生产，机加工和超声波清洗等工艺将产生含油、含悬浮物废水，经废水处理装置处理后循环使用。装置每天需要处理的废水量为5t，其中包含CODcr、油类和阴离子表面活性剂等污染物。目前装置采用混凝沉淀工艺处理，每日运行10小时，悬浮物去除率在50%-68%之间，油类去除率在60%-70%之间，难以满足出水水质要求。遵循经济合理、技术先进等原则，需要进行废水处理装置优化设计，保证废水处理要求能够得到满足。

2.2装置优化方案

实际在废水处理上，需要利用泵将加工生产清洗废水先排入隔油池，利用重力对大部分油类物质进行去除。首先，针对漂浮在废水表面的油类物质，可以利用膜原水箱中的浮油收集器进行截留和收集。出水进入陶瓷膜装置后，能够使废水中大部分油类和悬浮物得到去除，排出的浓水进入压滤机实现出水回流，重新进入前端隔油池进行再处理。设计隔油池，主要是由于油类物质、悬浮物和废水之间存在密度差，经过不断碰撞形成大颗粒后，会在隔油池表面或底部漂浮或沉淀^[2]；其次，陶瓷膜装置核作为核心处理环节，能够有效去除油类和悬浮物等污染物。本工程采用氧化锆、氧化铝等无机材料作为基质，同时拥有特殊结构特征，使得陶瓷膜具有耐高温、机械强度高、化学稳定性好、使用寿命长等优势，可以在高温、高粘度流体处理中应用；再者，陶瓷膜耐冲刷，能够通过高压反冲再生，耐酸碱腐蚀和抗微生物降解，使用寿命通常可以达到3-5年；最后，针对陶瓷膜出水，需要利用MVR设备进行高压蒸发，得到的冷凝水回到车间循环使用。MVR即为机械压缩蒸发器，能够将二次蒸汽压缩升温，得到能够实现循环往复利用的蒸汽，属于一种蒸汽浓缩设备。在工作过程中，设备会对蒸发器产生的二次蒸汽进行利用，经过压缩、升温后，使蒸汽热焓增加，然后传递至加热室，使料液保持沸腾，蒸汽转变为冷凝水，在实现潜热回收的同时，使热效率得到提高。具体工艺流程图如图4所示。

图4 工艺流程图

2.3装置详细设计

按照设计方案，优化设计得到的废水处理装置由循环系统、陶瓷膜系统、在线清洗系统、可移动操作平台等多个部分构成。在循环系统中，包含高压循环泵、进出水阀、膜出口在线压力表、循环水箱、放空阀门、在线温度计等部件。循环水箱采用不锈钢，包含内外两层，中间可以作为冷却循环水使用，采用下进上出形式，可以利用在线温度计进行水温控制。在陶瓷膜系统中，包含管式陶瓷膜、不锈钢膜壳、浓水放空阀、产水流量计、浓水安全阀等部件。设计在线清洗装置，配置有酸、碱液。因为陶瓷膜长期用于含油、含悬浮物废水处理，将导致膜表面吸附固体杂质、凝胶、油滴等物质，将造成膜的渗透率下降，影响废水处理效率。通过在线清洗，实施酸、碱复合清洗，利用不同浓度硝酸和氢氧化钠溶液在不同时间段对堵塞后的陶瓷膜管进行清洗，能够使陶瓷膜渗透率快速回复。设计时，可以采用1.6%的氢氧化钠溶液和2%的硝酸溶液，分别清洗15min，使膜的渗透率恢复初始值的90%

^[3]。在工作过程中，废水进入循环水箱，从底部出水口进入高压循环泵，经过进水安全阀、在线温度计和在线压力表等零部件，保证管道内压力、温度合适，使废水顺利进入陶瓷膜系统。在高压循环泵的作用下，水体温度不断增加。而陶瓷膜在产水期间，不锈钢膜壳能够提供保护，避免设备在高压下变形或开焊。经过管式陶瓷膜分离后，可以得到产水和浓水，前者经过放空阀和流量计送至系统外，后者经过在线压力表、放空阀后排放至循环水箱。装置工作期间，无需进行其他药剂投加，水质不会因物理或化学反应发生变化，因此可以实现物料回收。而运用在线清洗系统，可以保证连续进水时无需在线冲洗。机加工为间歇性生产，每次停机前可以利用自来水代替废水清洗。如果间歇时间较长，利用系统内酸、碱液进行清洗也能满足生产需求。具体设备连接关系示意图如图5所示。在图中:1、循环水箱:2、冷却循环系统;3、冷却循环水进水口;4、冷却循环水出水口:5、高压循环泵进出水阀门:6、高压循环泵:7、循环水箱放空阀:8、陶瓷膜系统进水安全阀;9、在线温度计:10、膜进口在线压力表:11、取样阀:12、不锈钢膜壳:13、管式陶瓷膜;14、不锈钢膜壳活接:15、膜出口在线压力表:16、浓水放空阀:17、产水放空阀:18、陶瓷膜系统浓水安全阀:19、浓水流量计:20、产水流量计:21、不锈钢支架:22、可移动操作平台:23、电控箱:24、在线清洗系统;25、不锈钢管配件。

图5 设备连接关系示意图

2.4方案实现分析

结合废水处理方案及需要处理的废水量，设计的隔油池规模为0.5m³/h，采用碳钢防腐结构，总容积为2.88m³，水力停留时间为260min，工艺尺寸为2.4m×0.6m×2m，配备有提升泵、撇油设备等。为保证水质均衡，实现水量总和，需要设计0.5m³/h的调节池，同样采用碳钢防腐结构，水力停留时间为600min，总容积6m³，为标准PE桶，配备排泥泵、液位计等设备。膜原水箱用于对上一单元出水进行收集，规模为0.55m³/h，结构为PE，水力停留时间为120min，总容积2m³，配有液位计。在陶瓷膜组件设计上，采用不锈钢一体化装置，规模为0.55m³/h，工艺尺寸为4.5m×2m×2m，产水箱为PE结构，水量为0.53m³/h，有效容积2m³，水力停留时间为120min，配有提升泵和液位计。在陶瓷膜废水处理装置运行期间，高压循环泵能够实现废水输送，为整个装置提供动能，可以降低装置运行费用。而循环泵将产生电能消耗，需要利用废水处理站的低压配电系统供电。为实现装置自动化控制，需要完成装置总控柜的安装，并设置现场操作箱，实现装置的启停控制。利用现场计量泵等设备，可以获得中间水池流量、液位等参数，通过设定阈值自动提供低液位保护，保证装置运行的安全性。根据控制需求，可以采用自动或手动模式进行装置运行控制。

2.5优化设计效果

上海惠而顺精密工具股份有限公司利用优化设计的陶瓷膜废水处理装置进行废水处理，配合采用调节池等装置，处理后出水中COD浓度≤40mg/L，油类物质浓度为6mg/L，悬浮物浓度为18mg/L，氨氮浓度为5mg/L，能够满足出水回用要求。此外，与传统形式废水处理装置相比较，应用陶瓷膜优化设计得到的装置具有较大膜通量，同时压差较小，可以获得较好亲水疏油性，并耐酸、碱腐蚀，能够保证装置长期稳定运行。再加上本装置不仅占地面积较小，配备移动工作平台，可实现灵活操作，为废水处理提供便利条件，而且装置操作简单，可以自动运行，设备安装、运行无需过多费用，可以降低废水处理成本。所以，运用此装置进行废水处理，可以获得稳定处理效果，并且处理效率较高，产水不仅可以作为物料回用，也可以进入深度处理工艺或实现达标排放。根据出水情况，在装置运行过程中，压力损失不超过0.06MPa，悬浮物去除率能够达到85%以上，油类物质去除率可以达到80%以上。最终分析装置废水处理效果可以发现，产水中的油类物质浓度不超过10mg/L，悬浮物不超过50mg/L，能够作为加工用水回用于生产线。

结论：综上所述，为加强陶瓷膜在废水处理中的应用，提高分离效率，还要结合陶瓷膜分离过滤原理实现含油、含悬浮物废水处理装置优化设计，使陶瓷膜分离性能得到充分发挥，推动废水处理工艺的创新。最终，从优化装置出水情况来看，油类物质和悬浮物去除率均能达到80%以上，因此本次优化可以满足废水处理要求。

参考文献：

[1]李永铭,谢水波,陈子庚,等.炭黑-陶瓷膜电极的制备及其处理含柴油废水的研究[J].功能材料,2019,50(08):8116-8122.

[2]李建勇.粉末活性炭-陶瓷膜臭氧深度处理煤化工废水[J].山西化工,2019,39(04):131-133.

[3]武睿,孙国胜,范小江,等.陶瓷膜在水处理中的应用现状及展望[J].城镇供水,2019(04):19-25+58.