超滤处理含油废水
作者：Gil K. Dhawan | 1978年7月
抽象的
乳化含油废水是众多金属制造和机械加工行业中一个棘手的处理难题。传统的处理方法包括化学处理、焚烧以及由废物处理公司运输。本文介绍了一种新的含油废水处理方法。
典型的系统包括预处理（例如沉淀或筛分）、超滤和一些后处理。如果油可以回收，后处理通常采用沉淀法以提高油的浓度。如果油无法回收，后处理通常采用焚烧法。回收油的浓度可高达90%（体积百分比）。
超滤系统将含油水溶液通过 Electrohome 开发的膜系统，脱水率高达 90%。每个模块都包含管道，这些管道充当支撑圆柱形膜的压力容器。每次通过管道，水都会被去除，含油废水的浓度也会随之增加。
目前，该系统已应用于众多金属行业，处理各种含油污水。本文探讨了从这些系统中收集的数据，并列举了一些实际运行的工厂案例。在大多数情况下，运输成本的节省和焚烧成本的降低，可以在不到两年的时间内收回该系统的成本。如果可以回收，回报将更具吸引力。其他优势包括能耗低、化学品用量少以及系统简单。
介绍
超滤是分子水平的过滤。其核心是孔径可控的膜，用于区分大分子和小分子。被膜截留的分子可能溶解在溶液中，也可能是可见的聚集体。超滤原理如图1和图2所示。
在受控的压力和流量条件下，待处理的液体被施加到膜表面。膜允许水和水中较小的分子组分透过膜。这部分液体被称为渗透液。较大的分子组分无法透过膜，而是浓缩在水中。这部分液体被称为浓缩液。
超滤工艺的性能由两个参数定义。它们是：
- 渗透率：这是渗透液产生的速率，通常以每平方英尺膜表面每天加仑数来测量。
- 体积减少：定义为：[去除的渗透液体积/液体的原始体积] x 100。
这些因素将在以下章节中更详细地讨论。
图1：超滤（UF）过程
图2：超滤UF系统示意图
影响超滤性能的因素
有几个因素会影响超滤系统的性能。具体如下：
-
流经膜表面
渗透速率与液体通过膜的速度成正比。提高液体速度也能减少悬浮固体对膜的污染。通常，最佳液体速度是通过泵功率和渗透速率之间的平衡来确定的。
-
工作压力
渗透率也与施加在膜上的压力成正比。然而，过高的压力会导致膜不可逆的压缩。压缩会导致渗透率永久性下降。
一般而言，超滤膜的最大建议压力约为每平方英寸 100 磅。
-
工作温度
渗透率与液体温度成正比。通常，工作温度是膜和系统能够承受的最高温度。目前，超滤膜的材料可采用蒸汽清洗。
超滤技术在乳化含油废水处理中的应用
金属加工厂会产生乳化含油废弃物，包括机械加工厂、汽车厂、轧机厂等。纺织行业也会产生乳化含油废弃物。这类废弃物的典型特征如下：
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污染物
乳化废物中必然含有其他污染物，包括未乳化的液压油和机油、金属细粉、污垢、棉绒等。
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含油量
乳化油废弃物的含油量一般在1%至10%体积之间。
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pH
乳化废弃物大多呈碱性，pH值一般在6-12之间。
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温度
废物的温度在 60° 至 140°F 之间。
乳化含油废物的处理存在问题，无法被市政处理系统接受。传统的解决方案包括：
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化学法
该工艺使用混合罐，加入酸和破乳剂。然后，液体经过沉淀，去除可焚烧的游离油。无油液体随后被中和，然后排入下水道。
对于规模较小的工厂来说，这种方法并不经济，因为储罐、化学品注入和控制系统的成本相对较高。此外，这种方法占用空间较大，运营成本也较高。
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焚化
大多数工厂常用的另一种方法是将废物运送到最近的处理公司进行焚烧处理。这种方法的处理成本在每加仑25美分到45美分之间。这是一种相当昂贵的处理乳化油问题的方法。
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超滤
超滤可用于对乳化油废液进行脱水。超滤可去除高达95%的水分。这些水可以重新用于制备新的乳化液或排入下水道。浓缩液的含量仅为原始废液的5%，可以重复使用或焚烧处理。焚烧处理的成本仅为原始成本的5%。
此外，超滤工艺简单、连续，且化学品用量相对较少。当油可重复使用时，超滤工艺可提供闭环操作。
油类废物超滤系统的运行
本文上文概述了某些操作参数对超滤系统性能的影响。通常，此类应用会采用以下操作：
| 膜（改性醋酸纤维素）平均压力： | 50 磅/平方英寸 |
| 温度 | 110°F |
| 流经直径 1 英寸的膜管 | 25 加仑/分钟 |
膜表面的高流量降低了膜的污染率。污染可以定义为悬浮固体在膜上的沉积。污染率取决于游离油和污染物的浓度、油的类型以及油中其他添加剂（例如乳化剂、防锈剂等）的类型和浓度。
因此，需要定期使用清洁剂清洗膜。清洗频率取决于系统性能监控。通常每周清洗一次即可保持令人满意的性能水平。
超滤系统的性能
针对多种乳化油情况，已获取超滤系统的性能数据。这些情况包括机械加工产生的切削油、汽车厂的清洗水以及轧机冷却液。这些信息来自实验室测试、中试工厂和操作系统。尽管大多数乳化油处理方法可能存在差异，但具体方法如下：
- 超滤可用于去除乳液中 90-95％ 的水分（典型测试结果见表 1）。
- 在达到一定的油浓度之前，渗透率与油浓度无关。每种乳液的浓度都不同，通常表示乳液分解的点（见图 3 和图 4）。
在乳化油水浓缩过程中，渗透液中一定量的乳化剂被去除。这导致乳化液分解并释放出一些游离油。这些游离油在膜上形成一层油膜。正是这层油膜导致渗透率急剧下降（见图3和图4）。
- 在某些情况下，渗透液可以重复使用。如果对渗透液质量有更高的要求，可以通过反渗透或碳吸收系统进一步处理。
- 乳化油的最终浓缩物可以焚烧或回收利用。通常，当合并污水中仅使用一种油乳化剂组合时，浓缩物可以重复使用。表2给出了一个回收油的示例，其中每天回收200加仑乳化油，每天可节省约500美元。
- 渗透率会随时间推移而降低，但可以通过定期清洗膜恢复到初始值（图5）。清洗液可去除膜表面的油性沉积物，通常需要在系统中循环约两小时。清洗周期的频率因应用而异。
表 1 - 乳化油应用的典型测试数据
| 温度（°F） | pH | 体积减少百分比* | 汇率 USGPD | 总固体（毫克/升） | 去除%分离固体 | 总油量（毫克/升） | 9月石油产量百分比 | ||
| 渗透 | 喂养 | 渗透 | 喂养 | ||||||
| 930 | 6,603 | 85.9 | |||||||
| 118 | - | - | 264.5 | - | |||||
| 118 | - | 0 | 264.5 | 842 | 8,091 | 89.6 | 74 | 5,522 | 98.7 |
| 118 | 6.7 | 13.6 | 273.6 | - | - | - | |||
| 118 | - | 25.0 | 273.6 | - | - | ||||
| 118 | 6.5 | 50.0 | 273.6 | 858 | 14,817 | 94.2 | 78 | 10,060 | 99.2 |
| 118 | - | 50.0 | 273.6 | - | - | - | |||
| 118 | - | 61.2 | 273.6 | - | - | - | |||
| 118 | 6.7 | 75.0 | 262.2 | - | - | - | |||
| 118 | - | 90.0 | 250.08 | 800 | 67,088 | 98.8 | 84 | 49,595 | 99.8 |
*注：体积减少百分比等于[去除的水量/原始液体量] x 100
表 2 - 浓缩物与原油的质量对比
| 财产 | 原厂油 | 回收油/水浓缩物 |
| 外貌 | 黑暗的 | 深色不透明 |
| 铜腐蚀 | 零 | 零 |
| 粘度 SUS（100°F） | 2250 | 850 |
| 防锈保护（小时） | 200 | 50 |
| 比重（60°F） | 1.07 | 0.965 |
| 污泥、金属细粉（百分比、重量） | 0.0 | 小于0.1 |
图 3 - 膜通量与总固体
32°；30 GPM；50 psig；4-5% 油初始进料
图4-超滤系统使用含油废水的性能
测试 5；50 psig；30 GPM；pH 值 6-7
图 5 - 巴德汽车公司基奇纳工厂超滤系统的性能
超滤系统的经济性
以下示例将说明使用超滤系统的诱人回报：
设计条件
| 待处理液体： | 1,200 英镑 |
| 存在乳化油 | 2.5%（权重） |
| 通过超滤实现的体积减少： | 90% |
资本成本
用于处理 2,000 加仑/天乳化油废水的超滤系统的资本成本为 40,680 美元。
运营成本
| 运营成本 | 每年费用 |
| 膜更换（基于 1 年寿命） | 2,7000 美元 |
| 电费（2¢/KWH） | 783美元 |
| 化学 - pH 值调节（硫酸，价格为 6¢/磅） | 648美元 |
| 清洁液（5美元/磅） | 675美元 |
| 其他维护：O 形圈和泵密封件 | 834美元 |
| 人工（1 小时/天，8 美元/天） | 2,920 美元 |
| 每年总运营成本： | 8,630 美元 |
回报计算
安大略省汽车厂的一项调查显示，含油废水的处理成本平均约为每加仑0.25美元。超滤系统的投资回报计算总结如下：
|
1. 待治疗的体积
|
每天1200加仑 |
|
2. 系统资本成本
|
40,680美元 |
| 3. 通过超滤减少体积 | 90% |
| 4. 废弃物的最终体积 | 每天120加仑 |
| 5. 处理成本节省（每加仑 25 美分） | 51,840美元 |
| 6. 年度运营成本 | 8,630 美元 |
| 7. 年度净节省 (5) - (6) | 43,644美元 |
| 8. 资本成本津贴（每年50%，假设2年注销） | 20,340美元 |
| 9.应税储蓄（7）-（8） | 22,870美元 |
| 10. 应付企业所得税（45%） | 10,292美元 |
| 11. 税后节省金额 (7) - (10) | 32,918美元 |
| 12.税后回收期 | 1.24年 |
结论
超滤是一种高效且经济的乳化油废水处理解决方案。该工艺简单，无需任何化学品。在油可重复利用的情况下，超滤可实现闭环系统。即使不回收油，该系统的回报也非常可观。