【碳化硅陶瓷膜处理铬镍重金属废水工艺设计7900字（论文）】

19-20-碳化硅陶瓷膜处理铬镍重金属废水工艺设计目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 -1-1引言 -3-1.1重金属废水 -3-1.1.1重金属废水来源 -3-1.1.2重金属废水的危害 -3-1.1.3重金属废水的处理方法 -3-1.2特种陶瓷膜 -4-1.2.1材料的选择 -4-1.2.2构型的选择 -5-1.2.3孔径大小的选择 -5-1.3一体式废水处理站的设计 -6-1.3.1水质水量及处理要求 -6-1.3.2设计依据 -6-1.3.3工艺方案和工艺流程 -6-2主要结构的计算 -8-2.1反应调节室 -8-2.1.1设计参数 -8-2.1.2工艺尺寸设计 -8-2.1.3进出口及液位 -8-2.1.4调节室水泵的扬程计算 -9-2.2pH调节室 -9-2.2.1设计参数 -9-2.2.2工艺尺寸设计 -9-2.3絮凝室 -10-2.3.1设计参数 -10-2.3.2工艺尺寸设计 -10-2.4沉淀室 -10-2.4.1参数选取 -10-2.4.2工艺尺寸设计 -11-2.5SiC陶瓷膜装置 -12-2.5.1参数设计 -12-2.5.2工艺尺寸参数 -12-2.6反冲洗装置 -12-2.6.1工艺参数设计 -13-2.7废水出水室 -13-2.7.1设计参数 -13-2.7.2工艺尺寸设计 -13-2.8浓液室 -14-3本工艺设计处理站的投资概算 -15-3.1投资概算 -15-3.1.1土建费用概算 -15-3.1.2设备费用概算 -15-3.1.3工程概算总结 -16-3.2工程概算总结 -16-4总结和展望 -17-4.1总结 -17-4.2展望 -17-摘要：人类离不开水资源，重金属离子进入水体，会造成水资源的污染，直接或间接威胁到人类的健康。特种陶瓷膜技术是一项处理重金属废水的热门研究项目，在处理重金属废水方面有环保、效率高、环境适应性好、寿命长等优点，能够长期处理重金属废水，可减少重金属废水带来的污染。本设计以某含铬、镍重金属的废水工厂为研究对象，采用19通道，孔径大小0.10㎛为管式SiC陶瓷膜装置为核心工艺来处理重金属废水。工艺流程中设计了反应调节室、pH调节室、絮凝室、沉淀室辅助调节重金属废水中的酸碱度，减少了絮凝物和水生固体等物质，设计了配套的反冲洗装置接引回水清洗陶瓷膜，降低陶瓷膜膜污染，延长核心特种陶瓷膜的使用寿命。本设计是一套完善的、高效的、低成本的处理重金属废水的工艺流程，最终处理后的出水各项指标均低于我国废水排放标准（GB8978-1996)。按照本设计的工艺参数，最终能做出一套一体式重金属废水处理站，实现增加环境效益和经济效益，改善周边水域资源的目标，减少重金属废水的污染等问题。关键词：陶瓷膜；膜污染；重金属废水1引言1.1重金属废水1.1.1重金属废水来源密度大于4.5g/cm3的金属叫做重金属，现存的重金属的有金、银、铜、铁、汞、铅、钴等45种[1]。重金属废水是指在化工、电子行业、机械制造，农药喷洒和垃圾排放等过程中，排放出的含有重金属离子的废水，当其中的有毒物质无法被自然生态降解或者过滤，便会成为重金属废水污染。1.1.2重金属废水的危害重金属离子在水生生态中不能被降解破坏，只能改变其物理化学形态或者转移其在水中的位置。因此即便重金属离子的含量很低，但是在农作物或者各种水生动物体内富集，人类食用后，毒性被积累在体内，会严重破坏人体的器官，对人体造成无法挽回的损伤，严重威胁我们的健康。铬主要以三价铬和六价铬的形态存在，六价铬的毒性是三价铬的100倍左右，毒性非常强烈，是一种公认的致癌金属物质，超标接触或长时间接触，会引起癌变、致畸变、致突变等病症；镍以及镍的化合物有毒性，会抑制的人体酶系统、会引起气管炎、皮炎、肺炎的病症，镍的羰基镍化合物毒性很强很强，是一种公认的致癌物。1.1.3重金属废水的处理方法目前，人们在处理重金属废水的时候，使用最常见的的方法有以下几种；化学法、生物法、物理法。其中，化学法和物理法是人们应用最为普遍的方法，但是当我们在采取具体措施时，应当根据重金属废水的来源、种类、浓度以及重金属离子的形态来采取不同的处理方法。化学方法是通过化学反应将废水中溶解的重金属离子转变为水不溶性沉淀物，然后通过各种方法（例如分离）从溶液中除去沉淀物。现有的氧化还原法，化学沉淀法和电解法都适用于处理高浓度重金属离子废水，是目前处理重金属废水的主要方法。生物方法是指借助微生物或植物吸收，絮凝，富集和积聚功能去除废水中重金属离子的一种方法。主要方法包括生物吸附，生物絮凝和植物修复。3）物理方法主要包括离子交换法，溶剂萃取分离法，吸附法和膜分离技术法。膜分离技术是指使用半透膜在外部压力的作用下分离溶剂和溶质，而不改变溶液中物质的化学形式。特殊陶瓷膜处理重金属废水的过程的核心是物理方法中的膜分离技术。1.2特种陶瓷膜陶瓷膜产品自商品化以来，出现了一些研发较早、技术较为成熟的公司。如今，随着科技的现代化，特种陶瓷膜因其优良的性能，也愈发受到人们的关注。国外陶瓷膜的历史，主要可分为三个阶段。第一阶段是军事研发阶段；第二阶段是工业和民用发展阶段；第三阶段是陶瓷膜技术的高速发展阶段[2]。中国陶瓷膜的发展起步较晚，始于1990年代初。在国家的大力扶持下，仅用了短短的十年时间，我就取得了世界领先水平的陶瓷膜技术水平。截至目前，国产陶瓷膜早已涉及到化工、食品、环保等各个领域。1.2.1材料的选择制备特种陶瓷膜的材料很多，现在主要以氧化物、非氧化物、复合物、纳米等材料制备而成。氧化物类主要以Al2O3、ZrO2、SiO2、TiO2等材料制备；非氧化物类主要以SiS2、SiN4、SiC等材料制备而成；复合类主要以金属物和金属物复合、金属物和非金属物复合、非金属物和非金属物复合而成；另外还有用比较先进的纳米材料来制备。氧化铝陶瓷膜是应用最广泛的氧化陶瓷膜的一种，其制备过程相对简单，制作工艺也比较成熟，但是耐酸碱性略有不足；复合陶瓷膜处理重金属废水的效果良好，但是制备流程较为复杂，近年来并没有突破性的发展，并且由于其市场价格较高，目前难以达到量产规格；纳米陶瓷膜处理废水的能力较好，但是纳米材料价格昂贵，其制膜成本过高，目前没有推广使用；SiC陶瓷膜是非氧化陶瓷膜的一种，近年来市场前景广阔。并且其制备工艺较为简单，制作成本也很低，相较于其他特种陶瓷膜，SiC陶瓷膜有着较高的化学稳定性、较强的亲水性、良好的抗热震性、大膜通量、孔径分布均匀且集中、耐酸碱，寿命长等比较好的特性。目前为止，特种陶瓷膜技术的应用和发展十分广泛。林铭[3]等人研究了氧化铝陶瓷膜的制备技术，姚冬旭[4]等人研究了多孔氮化硅基多孔陶瓷膜技术，黄付平[5]等人使用纳米陶瓷膜技术处理生活污水，张栋强[6]等人研究了无机复合陶瓷膜技术，ErayEsra[7]等人在国外研究出碳化硅陶瓷膜并实现量产，徐慢[6]教授科研团队在国内研究出碳化硅陶瓷膜技术并实现量产。其中，徐政威[8]制备.45㎛的管式碳化硅陶瓷膜的，处理了含铅、镉重金属离子的废水，最终重金属的残留量和出水的pH值，均达到了我国废水排放标准（GB8978-1996），其中含铅废水的残留量小于0.01㎎/L，达到我国的饮用水标准（GB5749-2006）。本设计最终选择使用SiC陶瓷膜来处理重金属废水。1.2.2构型的选择当前，陶瓷膜主要具有三种构造：平板，管状和多通道。其中，平板陶瓷膜主要用于工业生产和小型实验室；管状膜的形式与管状热交换器的形式相差不大，它可以增加陶瓷膜的膜填充面积，但是由于其相对较强的缺点，已逐渐退出工业应用；多通道陶瓷膜是指具有多个通道分布的圆形横截面膜表面。如今，大多数已达到大规模应用的陶瓷膜都是多通道的，通道数主要是7、19、37等。本设计选用19孔道多孔道管式型的SiC陶瓷膜。1.2.3孔径大小的选择按陶瓷膜的孔径，可分为孔径最小的微滤膜，中等孔径的超滤膜和大孔径的纳滤膜。其中，微滤膜孔径在50-500nm，主要处理10nm以上的真菌、细菌、油乳状无物、颗粒物等；超滤膜孔径在2-50nm，主要处理3nm以上的胶体颗粒、病毒、蛋白质、核酸、气体分离等；纳滤膜孔径小于2nm，可以处理抗生素、无机离子、气体分离等。近几年来，国外内的碳化硅陶瓷膜研究发展迅速，我们在研究其制备工艺的同时，也重点研究了陶瓷膜孔径大小对处理废水的影响。AVincent[10]等人使用圣戈班产的孔径为0.2㎛的碳化硅陶瓷膜，在不同的条件下处理地下水中的砷离子。最后，砷离子含量由99ug/L降至2ug/L，其去除率高达98%。国内陈俐[11]制备了0.45㎛孔径大小的多孔碳化硅陶瓷膜，在流速为2L/min、压力为2.0bar条件下，其膜通量稳定在为726L/(m2·h)，油截留率在86.5%左右，有着优异的膜分离性能。叶世威[12]等人用了CoMeTas公司生产的SiC陶瓷莫，其孔径大小为0.10㎛，在0.2MPa跨膜压差、20℃温度、死端过滤、定期反冲洗浓排的条件下，处理了大量的含油废水，且出水回收清洗膜，膜通量100%回复。因此，结合以上案列，最终选取孔径大小为0.1㎛的19通道SiC陶瓷膜。1.3一体式废水处理站的设计1.3.1水质水量及处理要求废水的处理总量为Q=200m3/d。其中，含铬废水120m3/d；含镍废水80m3/d，污水处理前的水质情况与处理后的要求见下表1-1。表1-1污染物指标应达到的处理程度Cr6+Ni2+CODBOD5SSpH进水(mg/L）40101200330805-13出水(mg/L）0.31.0100006-9去除率（%）99.2599.0091.701001001.3.2设计依据本设计依据的都是近五年左右的手册，如下；（1）《室外排水设计规范》GB50014-2019（2）《给水排水设计手册（1~11册）》（3）《污水综合排放标准》GB8978-1996（4）《水处理设备制造技术条件》JBT2932-19991.3.3工艺方案和工艺流程本设计是以陶瓷膜膜分离法为核心，辅以结合絮凝法、沉淀法的工艺。此几种方法结合，操作简单有效且可行。重金属离子的去除效率较高，并且水质可以达到国家要求的废水一级排放标准。含铬、镍的重金属废水首先经过反应调节室中来调节水量，为后续处理重金属废水提供一个稳定的运行条件。由反应调节室排出的重金属废水进入pH调节室，将废水的酸碱度调整到6-9左右，一方面减少后续陶瓷装置的损坏，另一方面调节pH使废水达标排放污染环境。经过pH调节室的中性重金属废水进入絮凝室，重金属废水中较小的悬浮物或者胶质物相互聚合形成较大的絮凝体，较大的絮凝体在沉淀室中基本被沉淀留在底部，减少絮凝物积累在陶瓷膜设备在影响膜通量。含重金属的废水由上端进入碳化硅陶瓷膜装置进行处理，经处理后排出到废水排除室进行定期溶液浓度检测，废水达标各项标准达标即可外排。长时间使用陶瓷膜，会造成膜污染，引起膜通量降低，影响到陶瓷膜处理废水的性能。因此，本设计中还提出了使用反冲洗泵将废水排出室中达标的废水反利用清洗膜，在陶瓷膜处理废水停止工作时间段，由反冲洗装置将废水排除室中废水回收利用冲洗陶瓷膜，为避免污染，回水同被冲洗的污染物一同进入沉淀室等待再次处理。由于反冲洗泵对于部分顽固污染物无法处理，每个月使用在反冲洗装置中投入化学清洗剂进行化清洗。此处使用的陶瓷膜装置对于去除含铅镉镍的效果十分优良，去除率可达95%以上，排除的水质均可以满足达标排放的标准。本设计特种陶瓷膜处理重金属废水工艺流程，见下图1-1。图1-1工艺流程图本工艺设计出一种一体式的重金属废水处理站，核心是利用特种SiC陶瓷膜处理重金属废水，陶瓷膜装置前建筑物的设计均为减少酸碱环境以及各种水体胶质物等因素，影响陶瓷膜处理废水的能力。另外本设计还搭载反冲洗装置，利用被处理后的出水循环处理陶瓷膜的膜污染，增加水资源的循环使用，并改善陶瓷膜的膜通量，增加陶瓷膜的使用寿命。2主要结构的计算2.1反应调节室2.1.1设计参数形状：方形停留时间：T=0.5h流量：Q=200m3/d2.1.2工艺尺寸设计有效容积：V=Q×T=200×0.5/24=4.16m3取V=4.5m3取有效水深h=0.9m调节室的平面面积S=v/h=4m2取平面的长度L=2.5m，宽度b=2.0m取纵向隔板间隔0.5m，则隔板数为3取调节室超高0.2m2.1.3进出口及液位调节室整体布置在底部，顶部和地面平行，调节室的废水用泵提升到反应室。工厂运行时产生的废水通过工业废水管道流到调节室中[13]，管径计算见公式2-1。（2-1）取调节室进水管和出水管的规格参数，见表2-1。出水管口在调节室底，出水用泵提升进入反应室。调节室最高液位见公式2-2。（2-2）表2-1DN50mm管道性能参数进水管类型管径规格工作压力规格外径壁厚标准硬聚氯乙烯管DN50mm10kg/cm2Φ50×2.5mm2.5mm2.1.4调节室水泵的扬程计算重金属废水总流量Q=200m3/d，取废水中流速v=0.6m/s，计算得D=49mm，取D=50mm。经查表，用DN50mm标准硬氯乙烯管，其参数见表2-1。查DN50mm塑料管水力计算表可知，流量Q＝200m3/d=8.3m3/h时，流速0.89m/s，1000i＝15.97，对于一次提升管段，废水管线水力最不利长度L＝10m，则管线沿程损失[14]Hf见公式2-3。Hf=iL=3.04×10/1000=0.160m（2-3）一次提升（从调节室用泵提升到反应室，反应室到中间室重力自流）最不利段，共有90°弯头2个，局部阻力系数0.6；有阀门2个，局部阻力系数各取0.4；逆止阀1个，局部阻力系数取8.5；转子流量计1个，局部阻力系数8；泵1台，局部阻力系数为1。则管线的总局部水力损失H局见公式2-4：H局＝ξv2/2g=（2×0.6+2×0.4+1×8.5+1×8+1×1）×0.892/（2×9.8）=0.83m（2-4）调节室最低水位和所需提升最高水位差H差＝4.0m，构筑物水头损失H构＝0，取自由水头H自=2.0m，则水泵所需扬程H见公式2-5：H＝H差+H自+Hf+h局+H构＝4+2+0.16+0.83=6.99(2-5）根据Q＝8.3m3/h，H＝6.99m，选取QWP32-12-15-1.1型不锈钢耐腐蚀潜水泵，其性能参数见表2-2。表2-2QWP32-12-15-1.1型不锈钢耐腐蚀潜水泵性能参数规格型号流量m3/h扬程m入口直径mm配用功率kw转速r/min效率%QWP32-12-15-1.11215321.12825402.2pH调节室2.2.1设计参数形状：方形停留时间：T=20min流量：Q=200m3/d2.2.2工艺尺寸设计有效容积：V=Q×T=200×1/3/24=2.78m3取v=2.8m3取反应室的有效水深h=1.0m则絮凝池的平面面积为S=V/h=2.8m2取宽b=1.4m，则长L=2m取絮凝池超高为0.15m管径计算见公式2-1。取pH调节室进水管和出水管的规格参数，见表2-1。pH调节室的最高液位：Hmax=2.8/2.8=1m=1000mm2.3絮凝室2.3.1设计参数形状：方形停留时间：T=30min流量：Q=200m3/d2.3.2工艺尺寸设计有效容积V=Q×T=300/24×0.5=6.25m3，取V=6m3取反应室的有效水深h=1.0m则絮凝室的平面面积为S=V/h=6m2取宽b=2m则长L=3m取絮凝室的超高为0.20m管径计算见公式2-1。取絮凝室进水管和出水管的规格参数，见表2-1。絮凝室的最高液位：Hmax=6/6=1m=1000mm2.4沉淀室斜板沉淀池由絮凝室流进的出水，从斜板室的下端部分进入。悬浮颗粒由下端向上端排出，流同经经斜板沉降在斜板底面。在积累到一段时间后，自动下滑到集泥斗，然后由管道储存等待排放，上部分液体在沉淀室的水面等待收集进入SiC陶瓷膜装置。2.4.1参数选取斜板长度：L=1.0m斜板厚：b=5mm水力表面负荷：q=5m3/（m2·h）斜板有效系数η取0.8，η一般取0.6~0.8斜板水平倾角θ=60°斜板净板距P=0.15m=150mm，一般取50~150mm颗粒沉降速度μ=4mm/s=0.004m/s各参数均按照斜板沉淀池的规范来选取。其中，斜板沉淀室的表面负荷一般为3～6m3/(m2·h)，比普通沉淀池的设计表面负荷高约一倍，pH调节室水力停留时间一般为0-30min[15]。2.4.2工艺尺寸设计1)沉淀室面积A，见公式2-6。m2（2-6）2）斜板面积Af，见公式2-7。Af=Q/ημ=200/（0.8×24×3600×0.004）=7.23m2（2-7）3）池长L，见公式2-8。L=S=1.83=1.35m（2-8此时池长L取1.7m。5）核算水中的表面负荷q，见公式2-9。m3/（m2·h)(2-9)满足参数选取3-6m3/（m2·h)，选取q符合工艺。6）斜板个数N，见公式2-10：（2-10）7)斜板区高度h3，见公式2-11；H3=L×Sin60°=1.35×Sin60°=1.17m（2-11）8）取水面超高H1=0.2m，取斜板的上部清水区高度H2=0.5m，取斜板下端与排泥斗之间的缓冲层高度H4=0.5m，设有4个污泥斗，污泥斗斗底是正方形，泥斗底边长为b1=0.150m，泥斗倾角=60°，上底边长为b=0.5m。计算得泥斗高H5，见公式2-12。（2-12）污泥斗容积V，见公式2-13。m3（2-13）沉淀区总高度H，见公式2-14。H=H5+H4+H3+H2+H1=0.5+0.5+1.17+0.5+0.2=2.87m（2-14）池内停留时间T，见公式2-15。（2-15）管径计算见公式2-1。取沉淀室进水管和出水管的规格参数，见表2-1。沉淀室的最高液位：Hmax=2780mm2.5SiC陶瓷膜装置2.5.1参数设计形状：19通道孔径为100nm的多通道型材料：SiC陶瓷膜数量：4支每天运行时间：T=10h其中，陶瓷膜通过废水流量Q=200m3/d=8.34m3/h陶瓷膜装置前装一个水环式真空泵，为陶瓷膜处理重金属废水提供压力。通过查阅文献，RL136266型2BV2061水环式真空泵，比较适合本设计处理重金属废水的工艺，可提供压差∆P=0.2~0.6MPa。陶瓷膜装置内需置放温度计，检测废水温度。取SiC陶瓷膜装置进水管和出水管的规格参数，见表2-1。2.5.2工艺尺寸参数SiC陶瓷膜装置具体选取参数见表2-3。表2-3SiC陶瓷膜元件参数型号膜元件外径（mm）端面几何图单个通道直径（mm）通道数量长度（mm）单只膜面积（m2)过滤精度（nm）JMtech-SICT-30-4-19-1016φ3041910160.21002.6反冲洗装置反冲洗过程中对反冲洗效果的影响条件有反冲洗压力，反冲洗时间和反冲洗周期。其中，反冲时间的延长对于增加膜恢复通量基本无效果，在不同反冲周期下反冲后最高膜恢复通量变化不大，过滤系统膜通量的恢复仅与反冲压力关系密切[16]。过高的反冲压力和过低的反冲压力均不利于反冲洗，因此选择适中的反冲压力十分必要。2.6.1工艺参数设计形状：圆柱型流量：Q1=5m3/h反冲洗时间：T=4h反冲洗周期：8次反冲压力：P=0.4,MPa反冲洗泵具体参数详见表2-4。表2-4反冲洗泵工艺参数型号比重进出口径（mm）功率HP级数全扬程（m）全流量（m3/d）重量（kg）TD-40VK-11:150*4012111529管径计算见公式2-1，取反冲洗装置进水管的规格参数，见表2-1；出水口管规格参数，见表2-5。表2-5DN40mm管道性能参数进水管类型管径规格工作压力规格外径壁厚标准硬聚氯乙烯管DN50mm10kg/cm2Φ50×2.5mm2.5mm2.7废水出水室2.7.1设计参数形状：方形停留时间：T=30min流量：Q=2000m3/d2.7.2工艺尺寸设计有效容积V=Q×T=200×0.5/24=4.17m3，取V=4.2m3取废水排出室有效水深H=0.7m则出水室平面面积为：S=V/H=4.2/0.6=6m2取平面长度L=3.0m，宽度为b=2.0m取最大超高为0.20m管径计算见公式2-1，取废水出水室进水管和出水管的规格参数，见表2-1。废水出水室的最高液位：Hmax=6/6=1m=1000mm。2.8浓液室工艺尺寸设计参数如下形状：方形取有效容积V=3m取废水排出室有效水深H=1.5m则出水室平面面积为：S=V/H=5/2.5=2m2取平面长度L=2m，宽度为b=1m取最大超高为0.20m管径计算见公式2-1，取浓液室进水管和出水管的规格参数，见表2-1。废浓液室的最高液位：Hmax=3/1.5=2m=2000mm。3本工艺设计处理站的投资概算3.1投资概算3.1.1土建费用概算建筑物费用概算，见表3-1。表3-1建筑物费用概算序号建筑物名称尺寸（m3）容积（m3）单位造价（元/m3）量数投资（元）备注1反应调节室2.5×2×0.94.550012250混钢2pH调节室2×1.4×12.850011400混钢3絮凝室3×2×16.055013300混钢4沉淀室1.4×1.4×2.95.755013135混钢5废水出水室3×2×0.74.250012100混钢6浓液室2×1×1.53.050011500混钢3.1.2设备费用概算设备费用概算，见表3-2。表3-2设备费用概算序号设备名称型号产地单价（万元)数量金额小计（万元）1不锈钢耐腐蚀潜水泵QWP32-12-15-1.1上海升森科技有限公司0.1920.382反冲洗泵TD-40VK-1台风泵业有限公司0.420.832BV2061水环式真空泵RL136266邢台润联科技有限公司0.3420.684SiC陶瓷膜JMtech-SICT-30-4-19-1016坚膜科技有限公司0.2541.005管材配件等1.01.06电线电缆等2.02.0总金额5.863.1.3