膜分离技术在电镀废水处理中的应用
一、 概述部分
1、 电镀工业的发展概况
电镀是一种借助电流的作用，将有关金属均匀涂覆到基底材料表面的过程。作为一种表面精湛工艺，电镀已成为机械、电子、仪器、仪表、轻工、航天等诸多领域中提升产品质量档次的一种必不可少的重要手段。它伴随着被镀产品的发展而发展，同时又对被镀产品质量的提高起着重要作用，其特有的装饰性、防护性及多功能赋予了被镀产品多种新的功能，能够更好地满足工业和人们日常生活的需要，是被镀产品在激烈竞争中占领市场的重要支撑。电镀工业已经成为我国重要的加工行业之一，在国民经济中占有举足轻重的地位。
据粗略统计，全国现有电镀生产企业约15000多家，与电镀生产企业配套的企业数百家，形成了5000多条不同规模的生产线，年生产能力达到3×109㎡以上的电镀面积。近十年来，民营电镀企业发展迅速，但企业规模普遍较小，年电镀能力超过10㎡的企业不足500家，大多数企业使用的技术和设备较为陈旧，生产线一般为半机械化和半自动化控制，少数仍然是手工操作。从行业分布上讲，电镀企业中约有33.8%分布在机器制造工业，20.2%在轻工业，5-10%在电子工业，其余主要分布在航空、航天及仪器、仪表工业。从电镀品种上讲，我国电镀加工中涉及最广的是电镀锌、铜、镍和铬，其中镀锌占45-50%，镀铜镍铬占30%，氧化铝和阳极化膜占15%，电子产品镀铅、锡和金银等贵重金属约占5%。
2、 电镀工业存在的问题
我国电镀行业目前存在的主要问题包括以下几个方面：
①工业布局欠合理，电镀工业的分布和发展缺少总体和完善的规划。由于工厂多、规模小、专业化程度低，造成生产效率低，经济效益差。
②对电镀工业和电镀技术研究投入不够，缺乏必要的技术支撑。生产工人缺乏必要的专业性训练和在岗培训，电镀企业的管理水平和技术更新能力普遍较低，适应市场变化的能力较差。
③大部分电镀企业的物耗、能耗都大大超过国外平均水平，对电镀废弃物的处置随意性较大。
上述三方面的原因使电镀行业变成了污染最大的行业之一。
电镀行业的污染状况和电镀废弃物的再生利用现状令人担忧。目前，全国电镀行业每年排放约4×108T含重金属的废水、5×108T固体废弃物和3×107m3酸性气体。尽管从统计数据显示，约70%-80%的国有电镀厂建立了污染控制设施，但其中的许多设施由于多方面原因不能正常运转，城市电镀企业的污染控制设施中只有50%能运转，农村地区只有25%，大多数民营和乡镇电镀企业采取实质性的污染控制措施较少。电镀废弃物的不当处置，一方面严重污染了日益脆弱的生态环境，另一方面也造成了资源的极大浪费。电镀废水中的有色金属，大部分是我国的紧缺资源，其潜在价值很高，21世纪将成为仅次于石油的重要战略资源。
二、 电镀废水处理方法分析
电镀生产过程中的高用水量以及排放出的重金属对水环境的污染，极大地制约了电镀工业的可持续性发展。传统的电镀废水处理工艺成本过高，重金属未经回收便排放到水体中，极易对生物造成危害。
目前常用的电镀废水处理方法有以下几种：
①传统化学法
化学处理法主要是采用酸碱中和及投加化学药剂等方法使在水中呈溶解状态的重金属转变为不溶于水的重金属化合物的方法。处理过程中产生了大量的淤泥，造成了二次污染，其处理后的水排放，造成了水资源和物料资源的极大浪费，且能耗大。
②离子交换法
离子交换法指利用离子交换树脂将废水中的阴、阳离子除去。较化学沉淀法具有能耗低，不产生污泥等优点，但它不能产生浓度较高的溶液返回电镀槽，不能除去清洗业液中的有机物，所以产水即使回用也不能满足生产补给水要求。
③电渗析法
电渗析法即利用渗透膜使废水中的阴、阳离子作定向迁移，浓缩电镀废水。电渗析法具有能耗低、浓缩液可以回用等优点，但它无法回收镀铬废液中的金属铬，产生的稀溶液只能作为清洗用水，不能回用于生产线，过剩的稀溶液在排放前需要进一步处理，形成了二次污染。
④电解回收法
电解回收法是利用电解将废水中有用的金属聚集到阴极上。电解回收法聚集的金属可以循环再利用，但电解回收法不适用于稀电镀废水，且具有电流太大，处理不彻底等缺点。
⑤蒸发法
蒸发即将电镀废水蒸发，浓缩电镀液。蒸发出的水也仅可以作为清洗，浓溶液可以补充电镀液，操作简单，维修方便，但能耗大，循环再利用的老化液难以处理，运行成本高。
三、 全膜法水处理技术—工业废水处理回用装置
利用膜分离技术对电镀废水与重金属电镀废液进行处理可实现闭路循环设计，经过膜分离技术处理的电镀废水，可以实现水的回用和重金属的“零排放”或“微排放”，使生产成本大大降低。
①原理
全膜法水处理技术的应用是基于筛分原理，其过程即从大分子的筛分到小分子和离子的筛分。
②应用说明
工业废水处理回用装置的电镀废水处理一般包含两个部分：以原样回收电镀废液中的重金属为目的的单元单质系统和以回收废水中的水资源补给到生产线的综合处理系统
I.包含综合废水、酸碱废水和行业废水的综合处理系统
综合处理系统主要以回用废水中的水资源为目的，其产水优于自来水，可以提高镀件表面结合力从而达到提高镀件质量的目的。
原水箱——原水增压泵——叠滤——多介质过滤——ACF过滤——DMF过滤——UF过滤装置——UF水箱——分离高压泵——中间水箱——RO系统——产水箱——输送泵——生产线
II.单元单质处理系统
单元单质处理系统是以回用重金属电镀废液中的重金属资源为目的的，其过程为全物理过程，对单一镀种的废液做到了原样回收。
原水箱——原水增压泵——叠滤——袋式过滤器——DMF过滤——UF过滤装置——UF水箱——分离高压泵——中间水箱——RO系统——产水箱——输送泵——生产线
③效益分析
膜分离作为一项高新技术广泛应用于电镀、化工、制药、电子、食品加工、生物技术及环保等领域，尤其是在电镀行业的镀镍、镀铬、镀铜等镀液及综合废水处理回用工艺方面有着广泛的应用前景。它改进了传统电镀废水处理工艺,且可以回收废水中有用的资源,包括水资源再利用,大大地减少了环境污染,符合国家可持续发展战略,将带来显著的经济,环境和社会效益。
相对其他技术而言，膜分离技术的应用具有能耗低、常温运行、适用范围广、装置简单、操作容易且易控制、便于维修管理、可靠性强等特点。
工业废水处理回用装置在电镀行业的废水处理上的应用实现了零排放或者微排放，水资源的回用和重金属的回收，创造了显著的经济效益，其投资一般可在三年之内回收。
四、膜分离技术在电镀废水处理的应用说明
1、电镀废水处理
（1）镀镍漂洗水处理 实践证明采用RO反渗透技术在低压条件下（2.1Mpa）具有良好的镍分离性能，镍盐中的氯化物、硫酸盐去除率为96.6%，在压力1.4Mpa，水回收率为90%时，镍的去除（回用）率在99%以上。特别是对硫酸盐和硫酸铵盐的去除率更高并证实光亮剂的存在对膜性无不良影响。
（2）镀铬废水处理 镀铬废水占电镀水总量的70%，由于废水中的pH低，并且具有氧化性，采用CA膜并调整pH4～7，对Cr3+分离率大于98%，透水性能良好。但是处理镀铬废水要比处理镀镍废水复杂得多，这需要在进入膜分离前先将镀铬废水预处理，将六价铬还原为三价铬。采用PSA膜，在4Mpa下，Cr3+分高率达95%，透水速度为0.125m3/（m2d）。目前PSA管式膜装置处理镀铬废水已在厦门一家工厂使用（其他省市16家）。在一班制运行时，不到三年时间即可回收全系统工程设备投资费用。
（3）镀铜废水处理 CA膜对硫酸铜溶液具有很高的分离效果，去除率可达99%。对氰化镀铜首先要进行破氰处理，对碱性镀铜废水采用PSA管式组件进行闭路循环处理，Cu2+的分离率大于95%， 透水速度大于0.2m3/（m2d）(3Mpa，25℃)，运行稳定，对镀件无质量影响。
（4）RO处理镀金，镀银废水需要用膜组合工艺技术，可以巧妙地回收金银，对氰化镀银漂洗水，利用“B-10”组件分离率大于80%，用PBTL膜分离率大于97%，可进行有效回收。
五、RO膜分离技术电镀废水典型工程实例
利用RO系统处理镀镍漂洗水，可在1～3年内收回全部设备投资，是一项集经济效益，环境效益最佳投资方案。电镀废水工程设计一般分为综合处理和单元处理，两种综合处理时以回用水为设计目标，单元处理时既以回用水又以回收物料为设计标准，无论设计标准如何，其回用水质都优于自来水指标。
对单一镀种废液采用RO处理具有以下优点：
1、可以实现电镀废水按镀槽液成分进行“原样”浓缩。被浓缩的电镀物料可重复回镀槽使用（必要时可作周期性补充），而透过水可作为漂洗水使用，这样即可以实现废水处理的闭路循环系统。
2、与传统投药（化学）处理方法不同，采用RO法不需向系统内添加任何化学物质，因此不产生污染和残渣，实现零排放，更不会导致二次污染。
3、与蒸发法和其它相变技术相比，膜法处理废水不会产生相变过程，因而所需能量少、能耗低。
4、对于能生成沉淀的电镀废水，采用UF膜分离法对沉淀物进行浓缩与水分离，同时可实现对其浓缩液的回收和水的回用。
5、RO处理设备占地面积小，设备紧凑，易自控，可以连续操作和使用。
但膜分离技术在处理电镀废水时，由于膜对电镀废水中各种组分的分离率不尽相同，因此浓缩液在返回镀槽前，需按电镀液浓度要求进行适当补充和调整。按电镀废水性质的不同，如酸碱性不同，有的含有强氧化剂，络合剂、光亮剂、无机物和胶体，所以按操作规程运行、 维护和保养，也是保证该系统正常工作的一个关键。
6、镀镍废水处理工艺流程及主要设备
（1）设备与配置：镀镍槽、三个逆流漂洗槽，贮存槽、过滤器、高压泵、稳压罐、RO组件及系统装置、自控阀、流量计、温度计、pH测试仪、电导率指示计、压力指示计及微机控制系统等。
（2）RO废水处理闭路循环系统工艺流程。
经济与环境效益分析
电镀漂洗水回用工程运行成本
计算依据
▼ 设计废水处理量：550 m3/d
▼ 实际处理回用量（95%）
即：550 m3×95%=522.5 m3/d
▼ 回用水按自来水单价2.5元/ m3计算
即:522.5 m3 ×2.5元=1306元/d
处理水回用量: 522.5 m3/d×300天=156750 m3/a
年回用水产生效益:1306元×300天=391800元/a.
▼ 节约排污费:
月排污费90750元,则年排污费1089000元(排污费按每吨废水5.5元计)
运行费用：
▼ 以每天处理量550 m3计,耗电30KW/H,按0.5元/KW计
即:30KW/H×0.5元×24H=360元/d
360元×300=10.8万元/年
▼ 更换膜元件(材料损耗费用),RO膜的寿命为二年,整套设备需配膜组件24 支,
6000元×24=14.4万元,
即每天损耗费为:14.4万元÷600天=240元/d (每年300天计算)
UF膜的寿命为二年，整套设备需配膜组件10支，20000元×10=200000元
即每天损耗费为:20万元÷600天=333元/d (每年300天计算)
则膜材料损耗:17.2万元/年
▼其它费用：包括易耗品、设备损耗、药剂和人工费用，约为12万元/年。
电镀废水回用工程创收费
(回用水直接效益+节约排污费)/a-(电耗+材料消耗+其他) / a
即:(39.18万元 +108.9万元) /年–(10.8万元+17.2万元+12万元)/年=108.08万元/年
设备总投资220万元（人民币）
工程投资回收期
220万元÷108.08万元/年=2年
即:二年收回投资。
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