膜法處理精對苯二甲酸精制廢水

精對苯二甲酸(PTA)是一種重要的化工中間體，它是以對二甲苯為原料，醋酸為溶劑，醋酸鈷、醋酸錳和溴乙烷為催化劑，在一定溫度和壓力下用空氣氧化制成粗對苯二甲酸(TA)，然后進一步精制成精對苯二甲酸(PTA)。生產1噸PTA排放的廢水量一般為3.3~5.6m3，其中精制廢水占90%。經分析，廢水中主要污染物是醋酸、偏苯三酸、苯甲酸、間苯二甲酸、對苯二甲酸、對甲*苯甲酸等，廢水的BOD5/COD值為0.1~0.2，屬于難生物降解的化工廢水。廢水中的污染物以溶解態(tài)和膠體態(tài)有機物形式存在，COD為2000~3000mg/L，pH在3~5之間波動。根據(jù)調查結果，精制工序平均每噸PTA用除鹽水3.5m3，若能使精制廢水處理后達到二級除鹽水標準，回用60%~70%，則PTA生產精制工序的用水量將從3.5m3/t降至約1m3/t。按全國PTA生產企業(yè)計算，可節(jié)約幾千萬立方米可利用水資源，這對于水資源嚴重缺乏的我國，具有十分重要的意義。

　　關于工業(yè)廢水再利用，目前國內主要是廢水經生化處理后用作景觀用水、綠化用水、洗車用水等，但這部分用量有限，絕大部分工業(yè)廢水還是處理達標后排放。國外對PTA精制廢水處理及回用的相關研究報道很少，大多數(shù)生產企業(yè)都是把廢水在廠區(qū)內混合后進行統(tǒng)一處理，并沒有直接處理的案例報道。因此，直接利用一定處理工藝對廢水進行有效處理，達到一定標準回用于工業(yè)生產，是未來工業(yè)廢水再利用的主要出路及方向。

　　本工作采用“沉淀—超濾—反滲透—電去離子”工藝處理PTA精制廢水，使其水質達到二級除鹽水標準，滿足生產裝置的用水要求，即可回用于生產系統(tǒng)。

　　1、實驗部分

　　1.1 廢水組成

　　實驗所用廢水取自天津石化公司PTA裝置精制單元排水，廢水組成見表1。由表1可見，廢水中主要污染物為有機物和金屬離子，其特點為有機物含量高，重金屬含量高，無法直接排放或回用。因此對于該廢水的處理及回用，有機物和金屬離子的去除將是重點研究內容。

　　1.2 廢水處理工藝流程

　　廢水處理工藝流程見圖1。

　　PTA精制廢水直接取自精制裝置出口，水溫45~50℃，進入斜板沉淀池，冷卻沉淀一定時間，去除廢水中的懸浮物。

　　沉淀出水進入超濾(UF)單元。實驗采用的超濾裝置配有2支中空纖維超濾膜組件(高科公司GK-1型)，運行通量為40L/h，超濾溫度為常溫，操作運行控制壓力差0.2MPa，運行方式采用錯流過濾模式，超濾運行時間為30min，反洗時間為30s，沖洗時間為30s。選用不同截留分子量的超濾膜組件進行試驗。

　　超濾出水進入反滲透(RO)單元。反滲透裝置配有2支4英寸卷式反滲透膜組件(陶氏公司BW30-365FR型)。反滲透裝置膜通量為25~33L/(m2·h)，控制進水pH為6~8，電導率為2700~3000μS/cm，實驗過程中水回收率控制在75%。

　　反滲透出水進入電去離子單元，電去離子裝置采用啟源科技公司MIN-MK-2型膜堆，處理量為30~50L/h。

　　為了達到出水電阻率分別為5MΩ·cm和10MΩ·cm的運行指標，設計電去離子裝置的操作參數(shù)，見表2。

　　電去離子單元作為最終的處理單元，需保證出水達到二級除鹽水的水質標準，達到回用水要求。

　　1.3 分析方法

　　廢水中各有機物組分如對羧基苯*醛、苯甲酸、對甲*苯甲酸、對苯二甲酸、鄰苯二甲酸、間苯二甲酸、偏苯三酸等的質量濃度的測定采用美國WATERS公司Waters-600型高效液相色譜儀：717自動進樣器，2996二極管陣列檢測器，二元高壓梯度泵，0.45μm濾膜過濾流動相，抽氣20min，工作溫度20~25℃，相對濕度50%。

　　廢水中乙酸質量濃度的測定，采用美國Agilent公司6890N型氣相色譜儀：FID檢測器，進樣量1μL，檢測溫度280℃，采用程序升溫氣化進樣，升溫速率10℃/min。

　　廢水中各元素及陰離子如Co、Mn、Fe、Cu、Cr、Ca、Mg、Si、Pd、Ni、Na、Br-、Cl-、SO42-等的質量濃度的測定采用Perkin-Elmer公司Optima3000型電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)儀。

　　廢水COD的測定采用重鉻酸鉀法。

　　廢水中總溶解性固體質量濃度的測定采用稱重法。

　　廢水中硫化物質量濃度的測定采用亞甲基藍分光光度法。

　　廢水電導率的測定采用德國WTW公司330i型電導率儀。

　　2、結果與討論

　　2.1 沉淀單元

　　沉淀時間對廢水SS及濁度去除效果的影響分別見圖2、圖3。由圖2、圖3可見，在沉淀時間為4h的條件下，出水SS和濁度分別為15mg/L和6NTU，廢水SS和濁度的去除率均達到最大值。因此，確定適宜沉淀時間為4h。

　　2.2 超濾單元

　　超濾的目的是去除PTA精制廢水中剩余少量懸浮物以及溶解于水中的大分子化合物和膠體，降低廢水的濁度及淤泥密度指數(shù)(SDI)。反滲透膜對進水有較嚴格要求，一般都要求進水SDI<5，而經 過沉淀池后出水SDI值仍很高，正常情況下大于 10，因此，需要脫除廢水中的少量懸浮物、大分 子化合物、膠體，才能保證廢水可以進入后續(xù)反 滲透工藝。><5，而經過沉淀池后出水SDI值仍很高，正常情況下大于10，因此，需要脫除廢水中的少量懸浮物、大分子化合物、膠體，才能保證廢水可以進入后續(xù)反滲透工藝。

　　超濾膜截留分子量對廢水SDI及COD去除率的影響見表4。由表4可見，經截留分子量為1000的超濾膜處理后，廢水的SDI值*低(小于1)，出水COD去除率達65%。因此將截留分子量為1000的超濾膜作為本單元膜組件的*。

　　超濾膜可以有效去除廢水中的懸浮微粒及大分子有機物，對苯二甲酸廢水中主要的有機污染物是對苯二甲酸、對甲*苯甲酸、對羧基苯*醛、間苯二甲酸類物質，小分子有機物透過膜表面進入產水側，大分子有機物截留在膜表面從濃水側排出。為防止超濾膜堵塞，超濾系統(tǒng)采用濃水大流量循環(huán)模式運行，循環(huán)量為進水量的3~5倍，當系統(tǒng)壓差(進膜側-出膜側)達到0.2MPa時進行化學清洗，可使超濾系統(tǒng)達到長期穩(wěn)定運行。

　　2.3 反滲透單元

　　2.3.1 運行壓力

　　在25℃條件下，運行壓力對膜通量和滲透液電導率的影響見圖4。

　　由圖4可見：膜通量隨運行壓力升高而明顯增加，運行壓力從1.0MPa提高至2.8MPa時，膜通量從10L/(m2·h)增加至33L/(m2·h);滲透液電導率則出現(xiàn)先下降后上升的趨勢，運行壓力為1.8~2.2MPa滲透液電導率*低(5.0~8.2μS/cm)，表明此時水質最好。因此，反滲透運行壓力選擇1.8~2.2MPa為宜。

　　2.3.2 進水溫度

　　在運行壓力2.2MPa條件下，進水溫度對膜通量和滲透液電導率的影響見圖5。由圖5可見，隨著進水溫度升高，膜通量及滲透液電導率均大幅增加。有機膜最高耐受溫度不超過45℃，長時間溫度接近45℃運轉會造成膜材料老化、變質，縮短膜的使用壽命。另一方面，進水溫度較高時滲透液電導率增大，即滲透液水質變差，將增加深度處理的難度和成本。使用電去離子法進行深度處理時對進水有一定要求，即進水電導率應在5.0μS/cm左右，過高會影響電去離子裝置的使用壽命。綜合上述考慮，反滲透單元的最佳進水溫度為25~30℃。

　　2.4 電去離子單元

　　在進水電導率為5.5μS/cm、出水電阻率分別為5MΩ·cm和10MΩ·cm的條件下，電去離子出水水質指標見表5。

　　由表5可見，出水電阻率為5MΩ·cm和10MΩ·cm時，電去離子出水的水質均達到回用水的水質標準。出水電阻率為5MΩ·cm時，單程水收率達95%，循環(huán)水收率達98.56%;出水電導率為10MΩ·cm時，單程水收率達85%，循環(huán)水收率達95.68%。從能耗及水回收率等因素考慮采用出水電阻率達到5MΩ·cm的工藝參數(shù)即可。

　　現(xiàn)有PTA生產裝置用水為二級除鹽水，主要用于精制單元產品洗滌工段，針對這種情況，經處理后的廢水作為替代精制單元的產品洗滌水是*。

　　3、結論

　　a)采用“沉淀—超濾—反滲透—電去離子”工藝處理PTA精制廢水，出水指標達到了生產用水質量標準即二級除鹽水的標準(GB/T50109—2014)，*回用要求。

　　b)各單元具體工藝條件為：沉淀單元——沉淀時間4h;超濾單元——采用截留分子量1000的超濾膜組件，并且采用大循環(huán)錯流運行模式;反滲透單元——進水pH6~8，電導率2700~3000μS/cm，水回收率75%，運行壓力1.8~2.2MPa，進水溫度25~30℃;電去離子單元——出水電阻率5MΩ·cm，單程水收率95%，水總收率98.56%。

　　c)本項技術可有效解決PTA精制廢水部分回用的問題，但濃水的處理及達標排放仍是需要進一步研究的內容。