旋转错流式超滤膜处理石材废水的试验研究

周 博，王智鹏

(1.千月环保技术(北京)有限公司，北京 100094； 2.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

我国石材资源分布广、品种多(主要以大理石和花岗岩为主)。从2000年起，我国石材已探明的储量、实际产量、出口总量、生产加工能力和总额均跃居世界第1位。石材开采加工过程中排出的废水由于采用分散治理、偷排漏排及随意流动，影响数十公里地域内河流水质和堤岸土壤[1]，具有广泛的传播性、长期性与污染严重等特点。

石材废水主要来源于锯切过程的冷却水，石材废水中含有大量的石粉(主要的化学成分为SiO2)、少量的金刚石颗粒以及泥沙[2]。石粉的比重大约2.8 t/m3。石材废水中固体悬浮物浑浊度很高，可达25 000 mg/L，污水中颗粒粒径分布在5 μm～1.5 mm之间[3]。石材废水具有悬浮物比重大、粒度细、沉淀速度慢等特性。对石材废水的处理有2种模式[4]：一种是每家企业单独处理；另一种是集中处理。

在处理污染物方面，廖希彦[5]从石材加工污水的特性、污水处理原理及工艺流程、混助凝剂及投放量、混合设备及形式等关键问题方面进行分析，设计了一种石材加工污水综合处理设备，解决了石材加工中污水的净化和循环利用问题。在处理工艺方面，徐微等[6]采用三级混凝/沉淀工艺处理大理石加工废水，其运行结果表明，悬浮物(SS)去除率达到了96.18%～98.02%。李孟等[7]提出用一种新型陶瓷滤料对工业废水进行过滤处理，用COD、SS等参数来评价新型陶瓷滤料的去污效果，结果表明，新型陶瓷滤料明显优于传统石英砂滤料，出水水质好，显著提高处理后回用水的质量。在集中式废水处理模式上[8]，国外学者Nasserdine K等[9]建议由政府出面沿希伯伦河不同地点建设十大石材废水治理项目，以减少或消除石材废水和固体废弃物直接排放到环境，不仅提高石材加工企业的出水水质，还使出水的回收率达到44%～99%[9]，同时减少了单个企业的长期经营费用。

近年来，随着我国环境水污染治理标准的提高，对此类水的治理也越来越受到公众的关注。膜分离技术已经成为当前处理最为可行的技术方法。金珊等[10]采用孔径为0. 8 μm的陶瓷膜处理大理石生产过程中产生的废水。为了克服传统膜分离设备运行中的曝气能耗高、易堵塞、化学清洗频繁等缺点，提升膜设备工业化水平，耿安朝等[11]研发了一种主动错流式膜分离设备，该膜组件由“静态”变为“动态”操作方式，通过超/微滤膜组件在液下的程控旋转实现主动式错流过滤，无需曝气和反冲洗即可高效防止膜阻塞和延缓膜污染。徐曼等[12]用旋转错流式膜分离装置对船舶含油污水进行深度处理，含油污水的COD去除率可达91.12%。阮清波等[13]将旋转错流式超滤膜应用于农村饮水工程，无需滤清，可直接对各类水源饮水进行净化，出水水质符合饮用水卫生标准。

笔者将旋转错流式膜分离技术应用于石材废水处理，考察了膜分离装置对石材废水中CODcr、悬浮物(SS)、浊度的去除性能，同时考察了膜装置的运行状况、操作条件、防阻塞和延缓污染的能力。

1 试验部分

1.1 试验用水

试验在山东省某石业有限公司采矿区锯机循环水池边进行，抽取水池中废水至试验装置。24 h运行期间进水水质情况如表1所示。

表1 采矿区锯机循环水池中废水水质Table 1 Influent quality

1.2 试验装置

旋转错流式超滤膜装置的设计原理是将膜元件高度集成后，以水下浸没的方式，通过自动程序控制旋转运行。旋转错流能有效消除膜表面浓差极化，同时充分利用膜集成元件旋转产生的强力湍流、表面剪切力和离心力，使膜元件表面获得强力冲刷，不需曝气就能够有效防止产生滤层。试验中的膜元件采用中空腔式支撑平板膜，加载进口PES超滤膜片，平均孔径为0.4 μm。

装置结构原理图如图1所示。

图1 旋转错流式膜分离装置示意图Fig.1 Schematic diagram of rotary cross flow membrane separation device

1.3 试验工艺流程

试验的石材采矿废水处理工艺流程如图2所示。

图2 膜处理工艺流程Fig.2 Process flow chart of membrane treatment

各分散采矿面的污水汇集蓄水池后，经泵抽至集水池。通过集水池中抽水泵将污水抽至膜分离装置设备箱体内。然后通过自吸泵从膜组件出水到清水池。清水池处理完水回用于采矿锯机冷却。膜分离装置尺寸为2.0 m×1.5 m×1.5 m，处理水量为3 m3/h，内置旋转式错流膜元件过滤面积为50 m2。

1.4 试验仪器和设备

试验研究过程中所用到的主要仪器和设备如表2所示。

表 2 实验仪器和设备Table 2 Experimental instruments and equipment

1.5 分析方法

试验中水质测定的分析方法如表3所示。

表3 水质分析项目及方法Table 3 Water quality analysis items and methods

2 结果及分析

2.1 CODcr去除效果

膜分离装置连续稳定运行10 d内，对膜分离装置进出水中CODcr质量浓度进行取样测定，结果如图3所示。由图3中可以看出，装置进水CODcr质量浓度在20～25 mg/L之间，出水CODcr质量浓度在15 mg/L左右。试验装置对CODcr的去除作用不明显。原因在于石材采矿废水污染物主要为无机类悬浮颗粒，大部分为细小石粉，有机污染物质量浓度较低。

图3 膜分离装置进出水CODcr浓度变化Fig.3 Change of CODCr concentration in inlet and outlet water of membrane separation unit

2.2 悬浮物(SS)去除效果

膜分离装置连续稳定运行10 d内，对膜分离装置进出水中悬浮物(SS)质量浓度进行取样测定，结果如图4所示。由图4中可以看出，装置对石材废水中SS去除效果显著，去除率达99.5%，出水悬浮物趋近于0。

图4 膜分离装置对SS的去除效果Fig.4 Removal efficiency of SS by membrane separation device

2.3 浊度去除效果

膜分离装置连续稳定运行10 d内，对膜分离装置进出水浊度进行取样测定，结果如图5所示。由图5中可以看出，装置对石材废水中浊度去除效果显著，去除率达100%，出水浊度趋近于0。

图5 膜分离装置对浊度的去除效果Fig.5 Removal effect of turbidity by membrane separation device

2.4 膜分离装置操作性能

2.4.1 膜分离装置运行状况

试验运行中，膜板出水采用抽吸方式，真空表连续不间断监测膜的操作压力。考虑到数据处理的简便性，将真空表负压换算成正压。膜分离装置初始抽停比控制在7∶3(抽水7 min，停止3 min)。抽吸出水时转盘转速为36 r/min，停止抽吸时转盘转速为27 r/min，操作周期为10 min。用玻璃转子流量计记录每个周期出水量，观察同周期膜操作压力的变化，每1 h记录1次。

在试验过程对膜元件采用在线清洗方式，将膜分离装置液位降至膜元件以下，打开装置旁清洗药槽的阀门，利用1 m左右的液位差将处理完的清水回注到膜元件内部，此时膜元件保持缓慢旋转，大约1 h后，即可清除膜表面污染物，之后将装置液位提升浸没膜元件并恢复运行。

连续运行10 d后，出水量为2.1 m3/h。对膜分离装置进行维护性反冲洗。

2.4.2 操作压力与出水流量的变化

统计30 d运行期操作压力和出水流量的变化情况，结果如图6所示。

图6 操作压力和出水流量随运行时间的变化趋势Fig.6 Variation trend of operating pressure and effluent flow with operation time

由图6中可以看出，操作压力的变化呈现与出水流量负相关的趋势。

在线清洗初期，稳定时的操作压力都达到最小，平均为10 kPa左右，出水流量恢复到最大，平均为3.0 m3/h左右。随着运行时间变长，膜操作压力逐渐增加，呈现缓慢升高的趋势，伴随着一定的波动性。在反冲洗初期，膜元件的出水流量可以恢复到3 m3/h左右，并保持一定的稳定期，出水流量呈现缓慢的下降速率，直到再次清洗。这主要得益于旋转错流式膜装置通过膜元件表面与液体间的剪切力和转动带来的强力湍流，有效防止了滤饼层的生成，大大提高了膜元件表面的“自清洁”能力，显著降低了膜污染速度，使膜装置能够长期高通量运行。当装置运行到10 d左右，稳定时膜操作压力增加到30 kPa左右，增幅为20 kPa，膜装置进行第2次在线清洗。第2次清洗后，膜操作压力的变化趋势与第1次清洗后的变化相类似。从运行周期整体看，膜操作压力能长时间保持在膜允许操作范围内，增长趋势缓慢。

2.4.3 在线清洗周期和方式

由图6中可以看出，在线清洗后出水流量能够较长时间保持稳定，同时操作压力在膜允许操作压力范围内，直至运行第30 d出水流量依然能保持在2.5 m3/h以上。在此情况下，膜装置的在线清洗周期应设置为10 d。膜装置每运行10 d进行1次在线维护性清洗，无需化学清洗。试验结果表明，在线清洗后出水流量可以恢复到3.2 m3/h左右，在线清洗效果显著。

2.4.4 运行处理能耗

旋转错流超滤膜装置主要依靠驱动电机自动程序控制旋转运行，试验所用膜装置设备的驱动电机仅为450 W，而采用曝气擦洗方式的中空纤维膜或板框式平板膜设备[17]，其曝气冲刷膜表面的空气量一般设定气水比为20∶1，在处理3.0 m3/h进水的情况下，曝气量需要60 m3/h，风机额定功率为1.5 kW。因此，旋转错流运行与曝气擦洗运行方式相比，能耗节约70%左右。

2.5 与常规膜分离设备的应用对比

在处理水量为3 m3/h下，将旋转错流超滤膜设备与常规中空纤维超滤膜设备进行对比，如表4所示。

表4 相关参数及应用效果比较Table 4 Comparison of related parameters and application effects

旋转错流式运行方式提高了膜组件的“自清洁”抗污染能力，不需要提供曝气，有效地防止堵塞滤层，同时延缓了膜污染速度。运行处理能耗只占常规曝气膜设备的30%左右，节能效益显著，工业化应用推广具有良好前景。

3 结论

(1)将旋转错流式超滤设备应用于石材采矿污水处理，出水流量较长时间稳定在2.5 m3/h以上，操作压力维持在小于0.04 MPa的低压水平，其中悬浮物去除率达99.5%，浊度去除率达100%，出水CODcr质量浓度在15 mg/L左右，满足厂区回用水标准。相对于传统的膜设备，旋转错流式膜设备在处理石材废水时仅需周期的维护性清洗，基本不需要化学清洗，抗污染能力突出。

(2)针对石材(花岗岩类)采矿废水的处理，旋转错流式超滤设备相对传统的絮凝沉淀工艺具有去除效率高、占地面积小、运行成本低等优点。

(3)旋转错流式运行方式提高了膜组件的“自清洁”抗污染能力，不需要提供曝气，有效地防止堵塞滤层，同时延缓了膜污染速度。运行处理能耗只占常规曝气膜设备的30%左右，节能效益显著，工业化应用推广具有良好前景。