浸没式中空纤维帘式膜处理造纸白水实验研究

MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYVol.28　No.2

Apr.2008

文章编号:1007-8924(2008)02-0059-04

浸没式中空纤维帘式膜处理造纸

白水实验研究

王　磊1,2,戴海平1,23,白玉臻1,2(1.天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室;2.天津膜天膜工程技术有限公司,天津300160)

摘　要:采用浸没式中空纤维帘式膜(MFS)过滤工艺对山东某造纸厂的造纸白水进行处理,考察本工艺对造纸白水中固体悬浮物的处理效果和膜的污染情况.通过30天的运行,产水水质良好,产水浊度小于0.1NTU,且系统运行稳定.用超滤水在0.06MPa下反洗,取得理想的效果,说明该工艺可以运用在实际生产中,对造纸白水进行循环回用,实现零排放.关键词:浸没式帘式膜;造纸白水;零排放;膜通量;产水浊度中图分类号:X703.1　　文献标识码:A　　造纸白水中主要含有大量细小纤维和填料,溶解性胶体等物质,其溶解COD、BOD指标较低,分别在300～800mg/L和100～300mg/L范围,悬浮物的含量较高,差异也较大,在500～3500mg/L范围[1].造纸白水虽然大部分可以用来回用冲浆等,但剩余白水的排放量也是相当大的.目前国内造纸车间单位产品所排放剩余白水量各企业间差异较大,技术与装备较先进的造纸厂,剩余白水排放量仅20～30m3/t纸,但许多造纸厂剩余白水排放量达到40～150m3/t纸[1].若要全面实现封闭循环,即废水的零排放,这就要求大大降低白水全面封闭对纸机的影响,即要求对白水的处理程度大大提高,把白水中的固体悬浮物(细小纤维、填料等)的含量降到生产过程允许再使用的范围内,(使之能够代替清水循环使用而不影响生产.目前国内外处理造纸白水主要采用气浮法、絮凝沉淀法等[2].使用气浮法时由于水中的重质纤维和填料不易浮上来,易造成气浮池底堆积纤维、填料而腐烂变臭,需经常清池,另外气浮回收纤维、填料带气泡,回收利用影响生产质量.而絮凝沉淀法不足之处则是对水中的轻质纤维、微小纤维回收效果不好,需加大投药量,而增加回收成本.如果要实现造纸白水的零排放,使用膜分　　　离技术是最有效的方法.本文采用浸没式中空纤维膜过滤工艺处理造纸白水.造纸工艺及白水回用流程如下图:

图1　造纸工艺及白水回用流程图

Fig.1　Schemeofpapermakingandwhitewaterreusing

由抄纸产生的白水先经过沉淀池沉淀,上清液

进入中空纤维膜过滤系统,白水中的剩余悬浮物颗粒被截留,使水变得澄清,膜透过液用于冲洗抄纸机,浓缩液回用于纸浆稀释或到沉淀池,短纤维回收利用,使纸机用水系统实现封闭循环,即废水零排放,具有重大的环境效益和经济效益.同时该工艺具有运行稳定、易于清洗、设备的自动化程度高,管理运行方便等优点[3,4],因此具有很强的实用性.

收稿日期:2006-10-11;修改稿收到日期:2006-10-30作者简介:王　磊(1982-),男,天津市人,硕士生.3通讯联系人〈daihaiping2004@126.com〉

　　・60・膜　科　学　与　技　术第28卷　

1　实验工艺和设备

1.1　造纸厂原水水质

2　结果与讨论

2.1　中空纤维膜对造纸白水的处理效果

表1　造纸厂原水水质

Table1　Waterqualityofthepapermill

pH7.5

电导率COD/总固含量/SS/浊度

-1-1-1

μS・/(L)(mg・L)(mg・L-1)cm)/NTU(mg・

440

236

373

761

356

为考察膜对于造纸白水的处理效果,首先取两

种原水用中空纤维膜分别进行过滤,其中一种为加钛粉的原水,另一种原水没有加钛粉,处理效果如表3.　

表3　膜对于造纸白水的处理效果Table2　Performanceofmembraneforwhitewater

1.2　工艺流程

本实验原水取自山东某造纸厂造纸白水,将100L实验原水加入膜过滤槽中,使用中空纤维膜进行抽吸过滤,使水和小分子物质由外部透过膜,固体悬浮颗粒、胶体物质和大分子被截留在过滤槽中,从而原水得到净化.过滤得到的产水回到膜过滤槽中,形成循环.膜组件的下方安装曝气装置,曝气量为0.48m3/h,由气泵产生的空气通入膜过滤槽,由气流带动液体,使液体在膜表面产生错流过滤的效果,减轻膜的污染.产水泵由时间控制,开15min,停2min.此外为充分考察膜处理造纸白水时的抗污染性,在实验中不断向膜过滤槽中加入固体悬浮物,每隔4h搅拌一次,防止悬浮物沉降,使膜始终处于恶劣的实验环境中,增加膜的污染.实验结束后对膜进行反洗.实验装置如下图:

指标

样品原水1(钛)膜产水1原水2膜产水2

pH6.96.97.57.5

浊度/NTU

8670.072360.09

COD/(mg・L-1)116.280.2372.750.1

SS

/(mg・L-1)

170<1356<1

由检测数据看出中空纤维膜对于造纸白水的处

理效果非常理想,产水浊度和SS很低,而且对于COD也有一定的去除率.为了进一步考察膜过滤造

纸白水的稳定性,采用本系统对造纸白水进行连续30天的过滤.2.2　产水浊度

产水浊度反应出水水质情况,观察产水浊度变化可以分析出水是否稳定,考察能否可以回用,即能否代替清水用于抄纸.实验开始时测原液总固含量为702mg/L,固体百分含量为0.32%,实验开始后每天向槽水中加入少量初始原浆并搅拌一次,运行4h后再搅拌一次.从第10天起每日除了加入初始原浆外,还加入造纸添加剂,搅拌次数不变.实验结束实测槽水总固含量为1390mg/L,固体百分含量0.65%.产水浊度变化如图3:

图2　实验装置图

Fig.2　Schemeofexperimentalfacility

1.3　设备

表2　实验设备

Table2　Equipmentforexperiment

仪器名称规格及型号生产厂家

2

PVDF中空纤维膜0.2μm,1m天津膜天膜工程有限公司台式浊度仪2100NTU美国HACH蠕动泵RB-15天津膜天膜工程有限公司蠕动泵TP10-20天津膜天膜工程有限公司蠕动泵RO-98天津膜天膜工程有限公司

图3　产水浊度随运行时间变化

Fig.3　Varietyofproducingwaterturbidity

withoperatingtime

　第2期王　磊等:浸没式中空纤维帘式膜处理造纸白水实验研究　・61・　

从图3中看出,产水浊度保持在0.1NTU以下,虽然在系统开始运行的几天浊度相对变大,但从第5天开始产水浊度趋于平稳并稍有下降趋势.分析由于实验开始初期中空纤维膜表面没有吸附固体颗粒和胶体,孔径偏大,导致产水浊度偏大,随着过滤时间的增加,一些悬浮颗粒被吸附在膜表面或者膜孔内部,膜孔变小,使得产水浊度有下降.总体来看,产水浊度可以保持在0.075NTU以下,取得了很好的处理效果,完全可以替代清水继续用于抄纸.2.3　膜通量随运行时间变化

观察膜过滤通量的变化,可以了解膜受污染的情况.如果通量可以保持在一个稳定的水平,证明膜受污染程度比较低,所以膜通量保持稳定是判断本工艺能否运用到实际生产中的一个必要条件.数据如图4:

图5　负压随运行时间变化曲线

Fig.5　Variationsoftrans-membranepressure(TMP)

withoperatingtime

了-0.015MPa,在膜处理工业废水工艺中也是相

对低的数值.由于该膜操作压力可以达到-0.05MPa,所以不会对实际应用中造成困难.而且考虑到由于在本实验过程中向槽水中不断添加固体悬浮物,使膜的污染速度加快,导致了负压升高的速度加快.在实际应用过程中,压力的升高速度会比本实验还要慢一些.根据负压上升曲线,推测在实际生产中3～4个月对膜进行一次清洗可以解决膜污染问题.2.5　产水浊度和原水浊度的关系

在实验期间虽然不断向膜过滤槽中加入固体悬浮物,但槽中的曝气装置不能使原水得到充分搅拌,使得原水中的悬浮物有一定的沉降,膜过滤原水的浊度随时间呈现波动.整理实验数据,考察原水浊度由小到大时,其对应的膜出水浊度的变化.

图4　膜通量随运行时间变化

Fig.4　Varietyofmembranefluxwithoperatingtime

从图4看出膜的通量比较稳定,说明在处理造纸白水的时候,本实验用的中空纤维膜受到的污染

并没有导致膜通量下降,分析由于白水中的污染物吸附在膜表面后形成的污染层颗粒间间隙小,厚度并不大,相对疏松,渗透性相对较好,所以通量不随运行时间减小,即造纸白水中悬浮物不会对膜表面微孔起到明显阻塞作用.此外由于本实验通过曝气形成错流过滤,滤液沿膜面流动阻止了悬浮颗粒在膜表面的沉积,所产生的流体剪切力和惯性升力能促进膜表面被截留物质向流体主体的反向运动,从而克服浓差极化,减缓了由膜污染造成的膜通量下降.2.4　负压随运行时间变化

在系统运行的30天中观察负压的变化和系统的运行情况,负压变化曲线如图5:

由图5看出负压随运行时间呈缓慢上升趋势,由最初的-0.0088MPa增加到-0.015MPa,说明膜受到了轻微的污染.这是由于膜表面污染层的存在使水流过膜的阻力增加,导致负压上升.但即使到

图6　产水浊度和原水浊度的关系

Fig.6　Relationshipbetweenofproducingwater

turbidityandrawwaterturbidity

由图6可以看出:在原水浊度在增加时,膜产水

的浊度没有增大的趋势,且保持在0.1NTU以下,说明原水浊度的增加不会影响膜产水的水质.2.6　反洗在系统运行30天后,用超滤水在0.06MPa压力下反洗帘式膜,反洗时间40min.由于在实验前

　　・62・膜　科　学　与　技　术第28卷　

后膜通量衰减不明显,所以用跨膜压差的变化来考察反冲洗的效果.反洗前后的负压变化如图7所示:

NTU以下,水质比较理想,并且产水浊度不受原水

浊度的影响.

2)系统运行期间保持稳定,膜通量稳定在41L/h左右;负压随运行时间缓慢上升,但还是保持在比较低的范围内,在实际应用过程中,应选定适当的时间定期清洗膜,以保证污水处理效率.

3)膜被污染后用超滤水反洗,清洗效果明显.4)MFS膜用于造纸白水净化,不但能实现较好的处理效果,而且不易被污染,污染后用超滤水反洗易于恢复,运用方法简单.

本实验用MFS膜处理造纸白水,可用于造纸白水净化及回用,能取得较好的处理效果和零排放.

参

考

文

献

图7　反洗效果Fig.7　Effectofbackwashing从图7看出,经过反洗,污染物被从膜孔内部和

膜表面逐渐冲洗下来,产水负压恢复到-0.009MPa,基本和实验开始时相同.反洗后重新运行系

统,并继续运行两天,观察表明负压在两天内没有很快上涨.实验结束后测纯水通量为43L/h和实验开始时测得的纯水通量完全一样,说明反洗确实达到了清洁膜的目的.如果运用到实际生产中可以选择适当的时间进行反洗,完全可以解决由膜污染导致的负压上升的问题.

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3　结论

1)用MFS膜处理造纸白水时,产水浊度在011

Thewhitewatertreatmentfrompapermillbysubmerged

hollow-fibermembranefiltrationtechnology

WANGLei

1,2

,DAIHaiping

1,2

,BAIYuzhen

1,2

(1.KeyLaboratoryofHollowFiberMembraneMaterialandMembraneProcessofMinistryofEducation;

2.TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300160,China)Abstract:Submergedhollow-fibermembrane(MFS)filtrationtechnologywasusedfortreatmentofwhitewa2terfromapapermillinShandong.Theremovalefficiencyofsuspendedsolidandmembranefoulingwerestud2ied.Duringtheperiodoperationof30daysoperation,turbidityofproducingwaterwaslessthan0.1NTU,andthemembranefluxisstable.Thefluxofthemembranecanberecoveriedwithbackwashbyultrafiltrationper2meateinthe-0.06MPa.Theprocesscanbeusedintreatementandreuseofthewhitewaterfrompapermill.Keywords:submergedhollow-fibermembrane;whitewaterofpapermaking;membranefiltrationflux;tur2bidityofproducingwater