電鍍廢水中存在多種致癌、致畸、致突變或劇毒物質(zhì),如重金屬離子或氰化物等,對環(huán)境與人類危害極大,必須加以嚴格治理.人們開發(fā)了許多工藝和方法用于處理電鍍廢水,主要有:化學(xué)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(jié)合工藝在電鍍廢水的處理應(yīng)用中,通�？梢詫崿F(xiàn)在線回收,并且回用水的水質(zhì)較高[1, 2].然而,由于生產(chǎn)規(guī)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(shè)歷史等諸多較為復(fù)雜的原因,許多現(xiàn)有電鍍企業(yè)或電鍍生產(chǎn)線上實行完全意義上的全循環(huán)(電鍍金屬和水)仍然是難以實現(xiàn)的.因此,研究開發(fā)適合于末端處理電鍍廢水的工藝技術(shù),最大程度地處理、回用水資源,實現(xiàn)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(xué)沉淀工藝

1.1　化學(xué)沉淀法處理電鍍廢水

化學(xué)沉淀法是利用廢水中的成份與某些化學(xué)成份反應(yīng)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(xué)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(diào)節(jié)將變得復(fù)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(chǎn)水水質(zhì)品質(zhì)不高,使得回用水只能處于低質(zhì)回用狀態(tài),難以用于對水質(zhì)要求高的工藝段.第三,處理水不可濃縮.當需要回用產(chǎn)水時,通常采用NF或RO對這部分產(chǎn)水進行進一步處理,以提高水質(zhì).但是由于水中的殘余離子處于溶度積的臨界狀態(tài),因此,這種水存在造成膜系統(tǒng)的結(jié)垢風(fēng)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(xué)沉淀工藝

交互平衡式膜分離-化學(xué)沉淀工藝(IBMS-CP是將納濾系統(tǒng)嵌入化學(xué)沉淀過程中,并使化學(xué)沉淀和膜過程交互循環(huán)并達到動態(tài)平衡的工藝過程(圖1).如圖1所示,在IBMS-CP工藝中,經(jīng)化學(xué)沉淀處理的廢水,經(jīng)過多級沉降池去除沉淀后與含有重金屬的廢水在綜合調(diào)節(jié)池中混合,再進入膜分離單元進行濃縮分離.視回用水質(zhì)的要求,膜分離單元的透過液,或直接回用,或經(jīng)進一步處理而回用.而濃縮液則回到化學(xué)沉淀單元進入下一個循環(huán)處理過程.一般此處的膜分離單元采用納濾系統(tǒng).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(huán)過程中的積累.  

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(tǒng)的一價鹽將在其到達某濃度時自動達成動態(tài)平衡狀態(tài),從而使一價鹽在表觀上“穿過”IBMS-CP循環(huán).同時,該過程的產(chǎn)水被“軟化”,這是IBMS-CP工藝的特點,也是其能夠運行的關(guān)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(xué)沉淀設(shè)備的容量顯著減小且反應(yīng)沉淀過程更迅速、完全,IBMS-CP工藝是一個使得化學(xué)沉淀和膜過程有機結(jié)合且相互促進、強化的過程.

2　IBMS-CP的工程應(yīng)用

該工程為江蘇省某大型電子產(chǎn)品公司的電鍍廢水回用項目,其主要從事高性能電聲產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)和銷售,電鍍在其制造過程中是最關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié).目前,該公司有自動和手動滾鍍線共五條,鍍件主要為鐵質(zhì)基材,鍍種為鍍銅、鍍鎳、鍍鉻和鍍金等,其中,鍍金線已實現(xiàn)閉路循環(huán);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(nèi)統(tǒng)稱銅鎳廢水.該公司的電鍍廢水原來以化學(xué)法為主進行處理,但由于生產(chǎn)的不規(guī)則變化和產(chǎn)能的擴大,使得原來的處理設(shè)施的處理能力漸顯不足并幾次發(fā)生“超標”現(xiàn)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(shù),達到廢水的“零排放”,實現(xiàn)水的最大程度回用.

2.1　電鍍廢水的水質(zhì)、水量及回用水質(zhì)要求

需要處理的電鍍廢水的水質(zhì)、水量匯總于表1.經(jīng)處理的水全部回用于生產(chǎn)線,用于制造過程工藝用水,其水質(zhì)為:pH6~7;電導(dǎo)率<300μS/cm;總重金屬質(zhì)量分數(shù)<0.1×10-6;SS<10×10-6.

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(chǎn)生的多種廢水,根據(jù)各種類廢水的水質(zhì)、水量、回用水水質(zhì)以及無廢水外排的要求,設(shè)計該項目的處理工藝.其工藝包括:預(yù)處理、IBMS-CP、RO凈化濃縮以及濃液蒸發(fā)等部分.預(yù)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(zhì)和pH初調(diào)等部分.該廢水的處理工藝流程圖如圖2所示,各類廢水經(jīng)不同的預(yù)處理單元處理后,進入IBMS-CP處理.其產(chǎn)水進入兩級RO系統(tǒng)進一步凈化濃縮.RO產(chǎn)水返回生產(chǎn)線回用,而二級RO的濃液由結(jié)晶蒸發(fā)設(shè)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(yīng)用.一級RO(RO I)系統(tǒng)選用BW 30-400反滲透元件.該元件具有99.5%的穩(wěn)定脫鹽率.二級RO(RO II)系統(tǒng)采用SW30 HR LE-400海水淡化反滲透元件.IBMS-CP的納濾膜系統(tǒng)、兩級RO系統(tǒng)采用“圣誕樹”式二段排布.三處膜系統(tǒng)均采用自動與手動控制相結(jié)合,并設(shè)有高低壓、流量自動保護、定時自動快速沖洗功能.膜系統(tǒng)均以壓差、膜通量和累積運行時間等參數(shù)為依據(jù)進行化學(xué)清洗.上述參數(shù)任意一個達到設(shè)定值時,系統(tǒng)將自動給出清洗提示信息與警報,化學(xué)清洗用人工方式進行.

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(tǒng)已投入實際運行達17個月.運行期間,根據(jù)現(xiàn)場的水質(zhì)、水量的數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)運行實際情況,對部分操作參數(shù),比如:系統(tǒng)回收率、自動快速沖洗周期和化學(xué)清洗周期設(shè)定等進行了優(yōu)化調(diào)整.目前,該項目已經(jīng)通過當?shù)厥屑壄h(huán)保質(zhì)監(jiān)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(jié)和討論.

圖3給出了自設(shè)備運行至2009年7月期間,進水壓力與進水電導(dǎo)率之間的關(guān)系.由此可見,進水電導(dǎo)率對納濾的進水壓力影響不顯著.納濾系統(tǒng)的運行壓力(進水壓力)波動較小,表明該系統(tǒng)運行非常平穩(wěn).進水電導(dǎo)率最高達6 100μS/cm,最低為2 020μS/cm,對應(yīng)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(tǒng)投入運行,循環(huán)于生產(chǎn)線與處理系統(tǒng)間的水質(zhì)得到改善,廢水的電導(dǎo)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(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)受進水水質(zhì)、形成進水水質(zhì)的各種成分的絕對和相對量、運行參數(shù)(如溫度、pH)等影響.雖然產(chǎn)水電導(dǎo)率不能完全反應(yīng)產(chǎn)水水質(zhì),但它仍然可以在一定程度上反應(yīng)納濾膜的性能和運行狀態(tài).如圖4所示,納濾系統(tǒng)對該電鍍廢水具有相對穩(wěn)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(yīng)相對減弱.對納濾產(chǎn)水進行重金屬檢測,表2匯總了幾次檢測的結(jié)果.從檢測結(jié)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.

圖5所示為納濾系統(tǒng)運行和經(jīng)化學(xué)清洗前后的系統(tǒng)壓差變化圖.圖5峰值處表明,在化學(xué)清洗后,系統(tǒng)壓差可以恢復(fù)到初始狀態(tài),該系統(tǒng)的清洗周期約為3個月.另外,運行期間對系統(tǒng)的自動快速沖洗周期也進行了進一步摸索,初步運行結(jié)果表明:每6 h進行一次自動快速沖洗有利于該納濾系統(tǒng)的污染控制.

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(tǒng)回收率處于93%~96%之間.系統(tǒng)運行非常平穩(wěn).至今,兩級RO系統(tǒng)均進行了3次化學(xué)清洗,恢復(fù)良好.RO產(chǎn)水中,重金屬含量均低于檢測下限.

3　結(jié)論

介紹了IBMS-CP工藝的設(shè)計思路和工藝路線,并結(jié)合某公司的電鍍廢水處理和回用項目取得了這一應(yīng)用領(lǐng)域的實際運行數(shù)據(jù),得出如下結(jié)論.

1) IBMS-CP工藝適用于含重金屬的廢水處理和/或回用領(lǐng)域.IBMS-CP工藝運行平穩(wěn),受來水水質(zhì)波動影響較小,產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定,系統(tǒng)易于控制且易恢復(fù).

2) IBMS-CP工藝與RO聯(lián)合應(yīng)用,可以使RO系統(tǒng)在極高的回收率下運行并得到較高的產(chǎn)水水質(zhì),可以實現(xiàn)電鍍末端廢水的零排放或微量排放.

3)處理系統(tǒng)的主要單元均為膜系統(tǒng),因此便于實現(xiàn)自動運行,減少人力需求和勞動強度,也大大改善了運行環(huán)境.

參考文獻

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[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(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2005,24(3):107-111.

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