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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(chǎn)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(jīng)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(diào)查結(jié)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(chǎn)精制工序的用水量將從3.5m3/t降至約1m3/t。按全國PTA生產(chǎn)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(guān)于工業(yè)廢水再利用,目前國內(nèi)主要是廢水經(jīng)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(guān)研究報道很少,大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)都是把廢水在廠區(qū)內(nèi)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(chǎn),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(zhì)達到二級除鹽水標準,滿足生產(chǎn)裝置的用水要求,即可回用于生產(chǎn)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(nèi)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(zhì)標準,達到回用水要求。
1.3 分析方法
間苯二甲酸、偏苯三酸等的質(zhì)量濃度的測定采用美國WATERS公司W(wǎng)aters-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(zhì)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(zhì)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?cè)芙庑怨腆w質(zhì)量濃度的測定采用稱重法。
廢水中硫化物質(zhì)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(jié)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(jīng) 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(jīng)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(jīng)截留分子量為1000的超濾膜處理后,廢水的SDI值(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、間苯二甲酸類物質(zhì),小分子有機物透過膜表面進入產(chǎn)水側(cè),大分子有機物截留在膜表面從濃水側(cè)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(cè)-出膜側(cè))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(5.0~8.2μS/cm),表明此時水質(zhì)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(zhuǎn)會造成膜材料老化、變質(zhì),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(zhì)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(zhì)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(zhì)均達到回用水的水質(zhì)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(chǎn)裝置用水為二級除鹽水,主要用于精制單元產(chǎn)品洗滌工段,針對這種情況,經(jīng)處理后的廢水作為替代精制單元的產(chǎn)品洗滌水是*。
3、結(jié)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(chǎn)用水質(zhì)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(shù)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(nèi)容。
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