膜技術(shù)用于味精間接冷凝水處理回用

摘要：利用雙向流中空纖維微濾膜技術(shù)處理味精生產(chǎn)工藝中的間接冷凝水。實(shí)驗表明，用微孔孔徑0．1lxm PVDF微濾膜能完全去除水中各種細菌和雜質(zhì)，處理水濁度0．07NTU，達到回用要求。同時(shí)模擬實(shí)際生產(chǎn)狀況考察溫度、濃縮倍數等對通量的影響，膜通量恢復率>95%。目前已用于實(shí)際生產(chǎn)，處理規模2000m ／d。

關(guān)鍵詞：中空纖維微濾膜；聚偏氟乙烯；水回用

在味精生產(chǎn)過(guò)程中，不同工藝段產(chǎn)生不同的廢水[1、2]，第一種是高濃度有機廢水，主要為離子交換尾液，第二種是中高濃度有機廢水，為淀粉廢水和制糖廢水及其它廢水的綜合廢水，第三種是不需處理直接外排的冷卻水[3]。高濃度有機廢水采用離心、絮凝等物理濃縮或沉降法制有機肥，中高濃度廢水采用物理與生化相結合的辦法，如厭氧、好氧、SBR等生化技術(shù)處理后排放，由于味精廢水含有較高的氨氮，處理后較難達到國家排放標準，給環(huán)境帶來(lái)污染問(wèn)。某大型味精集團本著(zhù)節約水資源，減排降耗的理念，采用清濁分流的方式，改造傳統直接冷凝排放方式為間接冷凝凈化回用。該法的優(yōu)點(diǎn)是冷凝水經(jīng)膜分離除菌凈化后可以回用，節約水資源；味精結晶過(guò)程中因負壓而進(jìn)入冷凝水的少量谷氨酸鈉可以回收，濃度約0．2%o；廢水排放量減少，單位產(chǎn)品耗水量降低，經(jīng)濟和環(huán)境效益明顯。由于冷凝水中含有氨基酸等營(yíng)養物質(zhì)并且水溫較高，致使水中出現微生物污染，如不經(jīng)處理，回用后將影響味精質(zhì)量，間接冷凝水通過(guò)微濾膜處理后，能徹底去除水中各種菌類(lèi)和其它雜質(zhì)，使水質(zhì)大大提高，達到回用指標，同時(shí)能回收谷氨酸鈉，對企業(yè)來(lái)說(shuō)具有較大的綜合效益。

1 實(shí)驗部分

1．1 儀器設備

分析儀器為UV-2450紫外．可見(jiàn)分光光度計(島津)；HACH(美國)2100N濁度儀。

設備包括：聚偏氟乙烯(PVDF)膜組件，膜的孔徑0．1 m；聚砜(PS)超濾膜組件，膜截留分子量6萬(wàn)。組件外型尺寸為~50x300mm，膜面積0．2 m2；內壓過(guò)濾。膜過(guò)濾實(shí)驗裝置由膜組件、蠕動(dòng)泵、管路、閥門(mén)等組成，設備均由天津膜天膜工程技術(shù)有限公司制造。

1．2 實(shí)驗方法

1．2．1 小試

首先用截留分子量6萬(wàn)的聚砜超濾膜和孔徑0．1 μm聚偏氟乙烯中空纖維微孔濾膜實(shí)驗組件進(jìn)行味精冷凝水過(guò)濾，綜合考慮截留效果和膜通量，以選擇適當膜品種。通過(guò)分析測定產(chǎn)水濁度、電導率、微生物等指標評價(jià)產(chǎn)水水質(zhì)，考察膜對冷凝水的凈化效果。

1．2．2 中試

在小試的基礎上，采用工業(yè)化膜組件對膜產(chǎn)水水量、處理效果進(jìn)一步評價(jià)，確保膜凈化水達到工藝回用要求，考察膜通量變化并進(jìn)行清洗方法研究，為工程應用提供設計參數。

1．2．3 設各設計及應用

在小試和中試基礎上，設計處理量2000m3／d的膜凈化設備，設備采用標準化設計，工藝采用雙向流工藝，確保設備出水量穩定。

2 結果與討論

2．1 膜組件的選擇

分別將30L味精工藝間接冷凝水用PS超濾膜和PVDF微濾膜過(guò)濾濃縮，膜通量變化如圖1所示。PVDF膜組件初始純水通量為102L／h(0．05MPa，25℃下)，PS超濾膜組件初試純水通量為26L／h(0．1MPa，25℃下)，PVDF膜組件對處理液過(guò)濾速度是PS超濾膜的3～4倍。實(shí)驗初步測定了原液和透過(guò)液中細菌總數， 原液總菌數(第一批料液)>300x10n個(gè)／mL，兩種膜透過(guò)液均未檢出細菌。在截菌效果相同的情況下，為了減少大規模使用時(shí)占地面積和資金投入，選擇高抗污染性PVDF中空纖維內壓膜組件繼續實(shí)驗。

2．2 PVDF微濾膜對味精間接冷凝水除菌效果

間接冷凝水直接回用于味精結晶工藝中，發(fā)現味精產(chǎn)品雜質(zhì)量增多，有菌類(lèi)污染，用PVDF膜組件進(jìn)行了5批次過(guò)濾實(shí)驗，其中兩次對原水和膜透過(guò)水各項指標進(jìn)行了分析，結果列于表1。最初懷疑是霉菌污染，分析表明，原液中霉菌含量不多，主要是雜菌和大腸菌污染。從表1可以看出，原液pH在9～11之間，造成溶液偏堿性的主要原因是味精在高溫真空冷凝過(guò)程中，由部分氨揮發(fā)造成的，溶液有明顯的刺激性氨味， 電導率、pH等無(wú)機指標基本無(wú)變化。而透過(guò)液濁度、微生物指標去除效果顯著(zhù)，且產(chǎn)水指標不隨原液水質(zhì)發(fā)生變化，產(chǎn)水濁度能確保降到0．1NTU以下，菌類(lèi)截留率>99．9%，基本被去除。實(shí)驗表明，用PVDF微濾膜能有效去除水中濁度、微生物，而有效的無(wú)機成分可保留在水中，完全符合水質(zhì)回用標準。由于間接冷凝水的回用可節省大量的水資源，同時(shí)回收水中少量的有效成分(味精)，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

2．3 濃縮倍數對膜通量的影響

用小型PVDF實(shí)驗型組件將14．5L間接冷凝水過(guò)濾。盡可能濃縮到較高倍數以提高水回收率，濾出14L，剩余O．5L，濃縮倍數達到29倍，膜通量變化如圖2所示。膜通量隨濃縮倍數的增加而減小，降低到一定程度，膜通量達到穩定，這主要是由于在過(guò)濾過(guò)程中，溶劑和小分子物質(zhì)透過(guò)膜微孔，大于膜孔徑的菌類(lèi)和雜質(zhì)被截留，在膜表面形成一層動(dòng)態(tài)沉積層，增加了膜的過(guò)濾阻力，隨著(zhù)濃縮倍數增加，溶液中雜質(zhì)含量增加，沉積層加厚，膜過(guò)濾阻力增加。由于中空纖維膜過(guò)濾為錯流過(guò)濾方式，濃縮液被不斷排出，當沉積速度與溶入液體中物質(zhì)量相等時(shí)，動(dòng)態(tài)沉積層達到平衡，此時(shí)膜過(guò)濾阻力不再增加。從圖2可以看出，當溶液濃縮5倍時(shí)，沉積層達到平衡，在味精冷凝水體系，膜通量能穩定在22L／h以上，是初始通量的1／3，是初始純水通量的1／5，每個(gè)工作周期結束，用超濾液進(jìn)行簡(jiǎn)單等壓清洗，膜通量即可基本恢復，通量恢復率在95%～100%。這說(shuō)明，該過(guò)濾體系基本無(wú)不可逆污染。中試實(shí)驗表明水的回收利用率可達到95%以上。

2．4 溫度對PⅦ F膜通量的影響

味精間接冷凝水的溫度在40~45℃，而實(shí)驗室測試通常在室溫，工程設計需要膜通量隨溫度的變化系數作為參考，以便針對一定的水處理量配備適當的膜組件，圖3是以水為介質(zhì)，標準PVDF膜組件(4m2／支)在不同溫度下，膜通量隨運行時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出，保持溫度和跨膜壓差不變時(shí)，膜通量隨運行時(shí)間變化略有降低，到40min后趨于穩定，初始通量的降低可能是由于膜的壓密造成的，實(shí)驗證明膜的通量隨溫度、時(shí)間變化是可重復的，因此這種壓密是可恢復的。溫度上升，膜組件通量上升，在較低溫度下通量上升較快，溫度越高通量上升趨于緩慢。每升高1℃，膜通量增長(cháng)率由25℃時(shí)的1．9%降低到50℃ 時(shí)的0．9%。

2．5 雙向流工藝設備設計

雙向流工藝即在膜過(guò)濾過(guò)程中，通過(guò)對料液進(jìn)出口閥門(mén)的定時(shí)切換，實(shí)現進(jìn)料液流向的改變，使膜表面沉積的污染物得到及時(shí)沖刷，有效緩解膜污染，使設備處理量穩定在設計流量范圍內，此工藝可延長(cháng)設備的化學(xué)清洗周期，從而延長(cháng)膜的使用壽命。中試試驗表明，一支膜組件處理料液可產(chǎn)水300～500L／h，一臺標準化膜過(guò)濾設備單元可產(chǎn)水15～20m3／h，處理2000 m3／d的味精冷凝水需采用5臺膜標準工作單元。

2．6 工程運行情況

設備運行過(guò)程中，根據跨膜壓差(TMP)的變化和產(chǎn)水量衰減情況，定期進(jìn)行化學(xué)清洗，清洗液主要以稀堿液(0．1%～0．5%NaOH溶液)為主，通常每天等壓循環(huán)清洗一次，可使膜通量恢復90%左右。該設備于2005年7月開(kāi)始運轉，單臺設備處理能力穩定在l0～l5 m3／h，產(chǎn)水量受溫度和TMP影響，設備年產(chǎn)水量衰減率在15%左右。通過(guò)跟蹤運轉情況發(fā)現。最大問(wèn)題是處理液溫度較高，有超溫現象發(fā)生，一般中空纖維膜組件使用最高溫度為45℃。當溶液溫度超過(guò)使用溫度上限時(shí)，由于環(huán)氧樹(shù)脂與組件的ABS端殼材質(zhì)的膨脹系數不同，個(gè)別組件有脫殼現象發(fā)生，為此，廠(chǎng)家采取了冷卻降溫措施，確保溶液溫度在40℃ 以下。

3 結論

采用孔徑0．1 μm聚偏氟乙烯中空纖維微孔濾膜能有效去除味精間接冷凝水中各種菌類(lèi)和雜質(zhì)，濁度降到0．07NTU，能實(shí)現水的回用。在味精冷凝水過(guò)濾系統中，膜通量可穩定在初始純水通量的1／5左右，膜通量恢復率和水回收利用率均達到95%以上。

PVDF膜組件通量隨溶液溫度升高而增加，在較低溫度下通量增長(cháng)率高，但到較高溫度時(shí)，膜通量隨溫度變化的增長(cháng)速度下降。用雙向流工藝處理味精間接冷凝水，單臺標準膜設備初期產(chǎn)水15~20m3／h。年衰減率在l5%左右。膜設備有效的清洗劑可用0．1%～ 0．5%NaOH溶液，膜通量可恢復率到90%以上。

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