1．概述
采用集成膜技術處理電鍍綜合廢水，實現水在線回用、清潔生產，以美國通用公司OEM生產汽車輪轂企業上海某電鍍廠項目為案例，該項目日處理廢水量為480M3，要求零排放設計，實現循環水85%利用，處理后水質要求理化指標與上海自來水標準相同。處理工藝主體完全采用當今世界先進的膜分離技術，利用OSMONICS一種具有半透性能的高分子合成膜材料，在外壓趨動力作用下實現廢水溶液中某些組分選擇性透過的分離技術。膜材質選型為芳香族聚酰胺，可脫除污水中的有機物、細菌、病毒、鹽類等物質，操作壓力為0.4-1.0MPa。利用這種新技術、新設備的凈化裝置其性能優良、經濟適用、效果突出、節省投資，運行成本低廉，占地面積小，在污水深度凈化處理中實現開電鍍綜合廢水處理循環利用先河。
電鍍廢水主要包括電鍍工藝的前處理廢水、鍍層漂洗廢水、后處理廢水、廢鍍液以及設備沖洗廢水、刷洗地坪和極板廢水以及由于操作或管理疏漏而引起的跑冒滴漏產生的廢水,還有:在廢水傳統的化學處理過程中導致的二次污染等。
電鍍表面處理工藝過程，常用的鍍種有鍍鎳、鍍銅、鍍鉻、鍍鋅等。電鍍工藝根據不同鍍種分類，在鍍件生產過程中，除油、酸洗和電鍍等所產生的鍍件清洗、鍍液過濾、廢液、滲漏及地面沖洗等，廢水中污染物的濃度不盡相同,其中電鍍前處理工序的除油、除銹、活化等過程產生的大量的化學藥劑、重金屬離子和有機添加劑而形成的酸堿廢水總量占50%以上。
廢水處理的目的是將廢水中的有害物質加以分離，或使有害物質改性變成無害物。電鍍廢水處理方法大體可分為物理法、物化法和生化處理法。物理處理法主要是去除或回收廢水中較大顆粒的懸浮物和油類等，包括自然沉淀、浮選、過濾、離心、蒸發等；物化法主要是去除或回收廢水中的細小懸浮物、膠體和溶解物質，或者將有毒物質改性轉化為無毒物質，包括混凝沉淀、中和、氧化還原、萃取、吸附、離子交換、反滲透、電滲析等；生化處理法主要是通過生物作用將廢水中膠體的和溶解的有機物分解破壞而加以分離去除。
以集成膜技術處理電鍍廢水就是以篩分為機理按電鍍廢水的特性分級分段或多級多段處理。集成膜過程是進幾年來在膜分離技術的發展中的又一項新技術，即：將幾種膜分離過程聯合起來，或將膜分離與其它分離方法結合起來，將它們各自用在最適合的條件下，發揮其最大的效率。隨著集成膜分離技術的不斷發展和完善，膜分離技術在工業生產領域中將發揮更大的作用。
2．項目來源與背景
上海閔行某電鍍有限公司是美國通用公司、福特、戴姆勒-克萊斯勒三大汽車制造公司的整車輪轂OEM生產廠。
項目單位概況：廠區占地面積13876平方米，建筑面積6716．7平方米，綠化面積2775．2平方米，綠化率20%。年產電鍍輪轂30萬只、銷售12240萬元、利潤3000萬元。
設計電鍍廢水總排放量184M3／D，實際電鍍廢水排放總量768M3／D（其中含有生活區26M3／D生活污水）。
該電鍍廠位于上海黃浦江上游準水源保護區、上海世博園區東南隅，新建項目要求不得向準水源排污，實現重金屬廢水閉路處理與循環水利用。
3．項目設計依據
鍍件前處理廢水：15M3／HR；
銅系漂洗廢水：3M3／HR；
鎳系漂洗廢水：6M3／HR；
鉻系漂洗廢水：3M3／HR；
鋅系漂洗廢水：4M3／HR；
含氰廢水：5M3／HR；
跑冒滴漏廢水：12M3／HR（含沖洗水）；
電鍍生產線總廢水量：768M3／D（8×2班次）；
表1 電鍍原廢水水質主要成分
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序 號 |
工 序 |
成 分 |
溫 度 |
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1 |
前處理（脫脂、脫蠟） |
碳酸鈉 |
70℃ |
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磷酸三鈉 |
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硅酸鈉 |
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2 |
陰極除油 |
碳酸鈉 |
70-80℃ |
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磷酸三鈉 |
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3 |
堿濁 |
氫氧化鈉 |
常溫 |
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4 |
沉鋅 |
氫氧化鈉 |
40-50℃ |
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氧化鋅 |
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5 |
脫鋅 |
硝酸 |
常溫 |
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6 |
預鍍鎳 |
硫酸鎳 |
55℃ |
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氯化鎳 |
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硼酸 |
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7 |
鍍銅前酸活化 |
硫酸 |
常溫 |
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8 |
光亮鍍銅 |
硫酸銅 |
50℃ |
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硫酸 |
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9 |
半亮鎳 |
硫酸鎳 |
60℃ |
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氯化鎳 |
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硼酸 |
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BTL |
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TL-2 |
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10 |
高硫鎳 |
硫酸鎳 |
50℃ |
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氯化鎳 |
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硼酸 |
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BTL |
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TN |
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11 |
亮鎳 |
硫酸鎳 |
60℃ |
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氯化鎳 |
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硼酸 |
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12 |
鎳封 |
硫酸鎳 |
50-60℃ |
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氯化鎳 |
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硼酸 |
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BNT-B |
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BNF-110 |
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BNF-220 |
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13 |
鍍鉻前酸活化 |
鉻酐 |
30℃ |
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14 |
鍍鉻 |
鉻酐 |
30℃ |
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硫酸 |
4．系統主體工程設計
(1)設計電鍍廢水收集槽收集來自電鍍生產線的各鍍種漂洗廢水（含沖洗、跑冒滴漏廢水），收集槽廢水停留時間8h；
(2)經提升泵進入前置預處理去除懸浮物固體；
(3)初處理廢水進入UF分子篩分子系統去除大分子物質及膠體、去除部分COD；
(4)實現NF／RO進水要求時由多級分離增壓泵送入離子篩分系統，同時在線調整pH值，使分離后水質指標達到電鍍生產工藝用水及漂洗水要求；
(5)系統產水收集備用并提升至高位水箱輸送到生產線；
(6)系統設計pH自動加藥調整、集成膜分離維護藥洗系統；
(7)系統過程控制設PLC自動報警控制系統，在線監測ORP、TDS、pH，確保循環利用水水質標準；
(8)膜分離后少量濃縮液經一步法化學處理，上清液導入原廢水池進入系統循環處理，少量殘渣取出定期處理（6個月或12個月清理一次）。
系統設備配置及運行工況分析：
膜法水處理與傳統工藝不同在于，膜處理過程是物理過程，不發生相變、在常溫下運行、選擇性強、無化學變化、適應性強。克服了傳統工藝能耗高、二次污染、占地面積大、自動化控制難和操作繁瑣的缺點。
前置預處理系統由DGF／ACF／MF裝置組成：前置預處理系統廢水來源破氰、鍍鉻及綜合廢水，經多介質濾器進入系統處理，使SS基本去除后進一步降低濁度而實現部分重金屬吸附去除。多介質過濾有效去除廢水中的生物絮體和膠體物質，去除化學絮凝過程產生的鐵鹽、鋁鹽、等沉積物，顯著降低出水的懸浮物含量和濁度，使出水安全進入下一個系統，以保證UF分子篩分系統的正常運行。活性炭過濾進一步降低出水的BOD、COD值，對重金屬、細菌、病毒有很高的去除率。
MF過濾裝置：微濾是以靜壓差為推動力，利用篩網狀過濾介質膜的“篩分”作用進行分離的膜過程，其原理與普通過濾相類似，但過濾的微粒在0.03～15μm，因此又稱其為精密過濾，是過濾技術的最新發展。在靜壓差作用下，小于膜孔的粒子通過膜，比膜孔大的粒子則被截留在膜面上，使大小不同的組分得以分離，操作壓力為0.7～7Kpa。MF膜的截留作用大體可分為以下幾種：
A、機械截留作用指膜具有截留比它孔徑大或孔徑相當的微粒等雜質的作用，即篩分作用。
B、物理作用或吸附截留作用如果過分強調篩分作用就會得不出不符合實際的結論，除了要考慮孔徑因素外，還要考慮其他因素的影響，其中包括吸附和電性能的影響。
C、架橋作用通過電鏡可以觀測到，在孔的入口處，微粒因為架橋作用也同樣可以被截留。
D、網絡型膜的網絡內部截留作用是將微粒截留在膜的內部，并非截留在膜的表面。
UF分子篩分裝置：超濾是介于微濾和納濾之間的一種膜過程，膜孔徑范圍為0.05μm（接近MF）至1nm（接近NF），超濾的典型應用是從溶液中分離大分子物質和膠體，所分離的溶質分子量下限為幾千Dalton(1Dalton即1Da,1Da=1.66054×10-27kg)。超濾膜對溶質的分離過程主要有：
A、在膜表面及微孔內吸附；
B、在孔中停留而被去除；
C、在膜面的機械截留。
超濾對于水中懸浮物、固體、膠體、大分子、細菌有較高的去除率，對BOD和COD有部分的去除率。超濾膜可通過定期反洗和化學清洗，保持長期使用。
NF(RO)離子篩分裝置：RO系統原理：在濃液的一邊加上比自然滲透壓更高的壓力，扭轉自然滲透方向，把濃溶液中的溶劑（水）壓到半透膜的另一邊稀溶液中，這是和自然滲透過程相反的。這種現象表明，當對鹽水一側施加的壓力超過水的滲透壓時，可以利用半透膜裝置從鹽水中獲得淡水。反滲透對于水中溶質、鹽（懸浮物、大分子、離子、二價和多價陽離子鹽）有很高的脫除率。采用進口超低壓膜進行除鹽，脫鹽率可達到99.5%以上，使產水電導率下降到200μs/cm以下。
PLC在線控制系統及相關輔助設備：RO系統的控制（集中控制）方式采用手動控制（按鈕操作）和全自動控制（PLC運行）方式兩種。在全自動控制方式無故障情況下不采用手動控制方式，確保反滲透系統正常運行，避免在操作失誤的情況下造成不必要損失。
RO控制系統采用模擬屏顯示，各種運行參數、狀態及水質情況直觀明了；整套控制系統配有在線ORP／TDS／pH監測儀、高壓泵低壓保護裝置、在線壓力傳感器、水箱液位傳感器、在線溫度傳感器、在線流量傳感器等全套在線儀表，確保各種運行參數都能在模擬顯示屏上反應出來。同時具有運行狀態及故障報警遠傳功能。系統運行工況受進水及預處理水箱的液位自動控制，高位運行，低位停止。
表2 系統處理后水質情況
|
序號 |
項 目 |
原水水質指標 |
中水水質指標 |
系統產水水質 |
|
1 |
pH值 |
1.82 |
9.03 |
6.5-7.5 |
|
2 |
CN- (mg/L) |
79 |
0.7 |
<0.05 |
|
3 |
Cr6+ (mg/L) |
256 |
0.78 |
<0.05 |
|
4 |
總鉻(mg/L) |
284 |
0.84 |
<0.1 |
|
5 |
Ni2+ (mg/L) |
35.5 |
0.672 |
<0.02 |
|
6 |
Cu2+ (mg/L) |
52 |
4.3 |
<0.5 |
|
7 |
電導(μs/cm) |
-- |
-- |
<150 |
表3 膜對不同價離子的截留性能
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化合物/無機鹽 |
膜A |
膜B |
膜C |
膜D |
|
NaCl |
15.81 |
33.15 |
35.15 |
40.81 |
|
Na2CO3 |
62.26 |
72.53 |
75.51 |
78.18 |
|
Na2SO4 |
85.87 |
91.02 |
92.60 |
96.21 |
|
MgSO4 |
80.70 |
87.37 |
93.09 |
98.48 |
|
KCl |
20.57 |
40.57 |
42.21 |
42.71 |
|
CaCl2 |
47.36 |
52.80 |
68.51 |
73.63 |
|
BaCl2 |
38.22 |
46.66 |
62.32 |
76.17 |
7．經濟效益分析
設計每天電鍍綜合廢水進水處理量：Q進＝768m3/d；
即：768m/d3×75%=576m3/d；
設計每天系統產水回用量（75%）：Q出＝576m3/d；（不含系統回流）
回用水按自來水單價2.5元/m3計算
即：576m3×2.5元=1440元/d；
年直接水回用量：576m3/d×300天=172,800m3/a；
年直接回用水產生效益：172，800m3/a×2.5=432,000元/a；
年節約排污費用：排污費按3．0元/m3計算
即：768m3/d×3．0元/m3×300天＝691,200元/a；
運行費用：以處理量768m3/d計,耗電45kw/h,按0.5元/kw·h計
即：45kw/h×0.5元×16h＝360元/d；
則年用電費用：360元×300＝108000元/年；
材料損耗費用：
更換UF／RO膜元件,設膜壽命三年,整套設備需配膜組件108支，單支膜平均單價按2，500元／支計
即：2，500元×108＝270，000元（平均每三年間歇更換一次）；
則每年損耗費為：270，000元÷3＝90，000元/a；
電鍍廢水回用工程實際創造效益：
年節水：140,400m3/a；
年節水產生效益：432,000元/a；
年節約排污費用：691,200元
年水回用直接效益+節約補給水效益+節約排污費-(用電費用+材料費用)
即：(432，000＋691，200元)/年
–(108000元+90，000元)/年=925，200元/年
則：年實現效益925，200元。
工程及設備總投資2，500，000萬元（人民幣）
工程投資回收期
2，500，000萬元÷925，200元/年≈3年
即:不到三年收回投資。
結論
采用集成膜分離技術處理電鍍廢水，根據上海、惠州、廈門、湖州、江陰等幾家電鍍企業的工程實例的運行結果，技術可行、工程設計方案愈來愈科學合理。本文著重工程技術應用領域的電鍍廢水處理與再利用，它還涉及到電鍍漂洗水在線濃縮回收貴重金屬。以膜分離技術為核心的廢水處理工程，是必先解決廢水處理系統問題；是必先解決膜分離系統進水pH、SS、SDI、游離氯等諸多問題；是必先考慮過濾分離介質技術選型要求。總而言之，集成膜技術首要問題是如何解決工藝技術組合和設備選型配套等問題，因此，經改良的多介質電鍍廢水前置預處理器與膜分離后濃縮水的一體化處理技術相結合，可以大大消減污泥量。不僅僅只能處理電鍍廢水，同樣可以在其它工業領域廣泛應用，在城市污水深度處理中應用。來源：谷騰水網
