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(yàn)表明，用微孔孔徑0．1lxm PVDF微濾膜能完全去除水中各種細(xì)菌和雜質(zhì)，處理水濁度0．07NTU，達(dá)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(shù)等對通量的影響，膜通量恢復(fù)率>95%。目前已用于實(shí)際生產(chǎn)，處理規(guī)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(jī)廢水，主要為離子交換尾液，第二種是中高濃度有機(jī)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(jī)廢水采用離心、絮凝等物理濃縮或沉降法制有機(jī)肥，中高濃度廢水采用物理與生化相結(jié)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(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，給環(huán)境帶來污染問。某大型味精集團(tuán)本著節(jié)約水資源，減排降耗的理念，采用清濁分流的方式，改造傳統(tǒng)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(jié)約水資源；味精結(jié)晶過程中因負(fù)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(jì)和環(huán)境效益明顯。由于冷凝水中含有氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)并且水溫較高，致使水中出現(xiàn)微生物污染，如不經(jīng)處理，回用后將影響味精質(zhì)量，間接冷凝水通過微濾膜處理后，能徹底去除水中各種菌類和其它雜質(zhì)，使水質(zhì)大大提高，達(dá)到回用指標(biāo)，同時(shí)能回收谷氨酸鈉，對企業(yè)來說具有較大的綜合效益。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 儀器設(shè)備

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

設(shè)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。組件外型尺寸為~50x300mm，膜面積0．2 m2；內(nèi)壓過濾。膜過濾實(shí)驗(yàn)裝置由膜組件、蠕動泵、管路、閥門等組成，設(shè)備均由天津膜天膜工程技術(shù)有限公司制造。

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

1．2．1 小試

首先用截留分子量6萬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(yàn)組件進(jìn)行味精冷凝水過濾，綜合考慮截留效果和膜通量，以選擇適當(dāng)膜品種。通過分析測定產(chǎn)水濁度、電導(dǎo)率、微生物等指標(biāo)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(chǔ)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(dá)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(yīng)用提供設(shè)計(jì)參數(shù)。

1．2．3 設(shè)各設(shè)計(jì)及應(yīng)用

在小試和中試基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)處理量2000m3／d的膜凈化設(shè)備，設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，工藝采用雙向流工藝，確保設(shè)備出水量穩(wěn)定。

2 結(jié)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膜組件對處理液過濾速度是PS超濾膜的3～4倍。實(shí)驗(yàn)初步測定了原液和透過液中細(xì)菌總數(shù)， 原液總菌數(shù)(第一批料液)>300x10n個(gè)／mL，兩種膜透過液均未檢出細(xì)菌。在截菌效果相同的情況下，為了減少大規(guī)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(nèi)壓膜組件繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

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(jié)晶工藝中，發(fā)現(xiàn)味精產(chǎn)品雜質(zhì)量增多，有菌類污染，用PVDF膜組件進(jìn)行了5批次過濾實(shí)驗(yàn)，其中兩次對原水和膜透過水各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了分析，結(jié)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(dǎo)率、pH等無機(jī)指標(biāo)基本無變化。而透過液濁度、微生物指標(biāo)去除效果顯著，且產(chǎn)水指標(biāo)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，菌類截留率>99．9%，基本被去除。實(shí)驗(yàn)表明，用PVDF微濾膜能有效去除水中濁度、微生物，而有效的無機(jī)成分可保留在水中，完全符合水質(zhì)回用標(biāo)準(zhǔn)。由于間接冷凝水的回用可節(jié)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(jì)效益和社會效益。

2．3 濃縮倍數(shù)對膜通量的影響

用小型PVDF實(shí)驗(yàn)型組件將14．5L間接冷凝水過濾。盡可能濃縮到較高倍數(shù)以提高水回收率，濾出14L，剩余O．5L，濃縮倍數(shù)達(dá)到29倍，膜通量變化如圖2所示。膜通量隨濃縮倍數(shù)的增加而減小，降低到一定程度，膜通量達(dá)到穩(wěn)定，這主要是由于在過濾過程中，溶劑和小分子物質(zhì)透過膜微孔，大于膜孔徑的菌類和雜質(zhì)被截留，在膜表面形成一層動態(tài)沉積層，增加了膜的過濾阻力，隨著濃縮倍數(shù)增加，溶液中雜質(zhì)含量增加，沉積層加厚，膜過濾阻力增加。由于中空纖維膜過濾為錯(cuò)流過濾方式，濃縮液被不斷排出，當(dāng)沉積速度與溶入液體中物質(zhì)量相等時(shí)，動態(tài)沉積層達(dá)到平衡，此時(shí)膜過濾阻力不再增加。從圖2可以看出，當(dāng)溶液濃縮5倍時(shí)，沉積層達(dá)到平衡，在味精冷凝水體系，膜通量能穩(wěn)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(jié)束，用超濾液進(jìn)行簡單等壓清洗，膜通量即可基本恢復(fù)，通量恢復(fù)率在95%～100%。這說明，該過濾體系基本無不可逆污染。中試實(shí)驗(yàn)表明水的回收利用率可達(dá)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(yàn)室測試通常在室溫，工程設(shè)計(jì)需要膜通量隨溫度的變化系數(shù)作為參考，以便針對一定的水處理量配備適當(dāng)?shù)哪そM件，圖3是以水為介質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)PVDF膜組件(4m2／支)在不同溫度下，膜通量隨運(yùn)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(yùn)行時(shí)間變化略有降低，到40min后趨于穩(wěn)定，初始通量的降低可能是由于膜的壓密造成的，實(shí)驗(yàn)證明膜的通量隨溫度、時(shí)間變化是可重復(fù)的，因此這種壓密是可恢復(fù)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(shè)備設(shè)計(jì)

雙向流工藝即在膜過濾過程中，通過對料液進(jìn)出口閥門的定時(shí)切換，實(shí)現(xiàn)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(shè)備處理量穩(wěn)定在設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)，此工藝可延長設(shè)備的化學(xué)清洗周期，從而延長膜的使用壽命。中試試驗(yàn)表明，一支膜組件處理料液可產(chǎn)水300～500L／h，一臺標(biāo)準(zhǔn)化膜過濾設(shè)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(biāo)準(zhǔn)工作單元。

2．6 工程運(yùn)行情況

設(shè)備運(yùn)行過程中，根據(jù)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(fù)90%左右。該設(shè)備于2005年7月開始運(yùn)轉(zhuǎn)，單臺設(shè)備處理能力穩(wěn)定在l0～l5 m3／h，產(chǎn)水量受溫度和TMP影響，設(shè)備年產(chǎn)水量衰減率在15%左右。通過跟蹤運(yùn)轉(zhuǎn)情況發(fā)現(xiàn)。最大問題是處理液溫度較高，有超溫現(xiàn)象發(fā)生，一般中空纖維膜組件使用最高溫度為45℃。當(dāng)溶液溫度超過使用溫度上限時(shí)，由于環(huán)氧樹脂與組件的ABS端殼材質(zhì)的膨脹系數(shù)不同，個(gè)別組件有脫殼現(xiàn)象發(fā)生，為此，廠家采取了冷卻降溫措施，確保溶液溫度在40℃ 以下。

3 結(jié)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和雜質(zhì)，濁度降到0．07NTU，能實(shí)現(xiàn)水的回用。在味精冷凝水過濾系統(tǒng)中，膜通量可穩(wěn)定在初始純水通量的1／5左右，膜通量恢復(fù)率和水回收利用率均達(dá)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率高，但到較高溫度時(shí)，膜通量隨溫度變化的增長速度下降。用雙向流工藝處理味精間接冷凝水，單臺標(biāo)準(zhǔn)膜設(shè)備初期產(chǎn)水15~20m3／h。年衰減率在l5%左右。膜設(shè)備有效的清洗劑可用0．1%～ 0．5%NaOH溶液，膜通量可恢復(fù)率到90%以上。

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