膜技术在水处理和污水资源化应用的新进展

张军彩 谷宝累

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1 污水资源化的必要性

我国水资源的人均占有量仅为世界人均的1/4,水资源人均拥有量只有2220立方米,在全球范围内属于缺水国家,而同时,我国又是世界上污水排放量最大、污水排放增加速度最快的国家之一,近几年我国各种废水及主要污染物的排放量处于逐渐增加的趋势.这一状况加剧了水资源紧缺的危机[1].随着我国水资源短缺和污染的加剧,我们必须扩展水资源的概念和内涵,污水也是重要的水资源,对其进行充分利用,不仅可以缓解水资源的紧张,增加水资源的有效供给量,而且通过污水处理再利用,可以减少对水资源的污染,对环境治理具有重要的推动作用.提高水资源利用率,已成为我国水资源利用过程中的当务之急.

2 膜技术简介

膜分离技术是以选择性多孔薄膜为分离介质,使分离的溶液借助某种推动力(如:压力差、浓度差、电位差等)通过膜,低分子溶质透过膜,大分子溶质被截留,以此来分离溶液中不同分子量的物质,从而达到分离、浓缩、纯化目的[2].

膜分离技术被公认为是目前最有发展前途的高科技之一.近些年来,膜技术迅速发展备受瞩目.扩散定理、膜的渗析现象、渗透压原理、膜电势等研究为膜的发展打下了坚实的理论基础,而相关科学技术的突飞猛进也使得膜的实际应用成为可能.

二百多年前,No11et发现膜的渗透现象以来,膜分离技术已有巨大的成功.如30年代的微孔过滤、40年代的渗析、50年代的电渗析、60年代的反渗透、70年代的超滤、80年代的气体分离、90年代的渗透蒸发相继问世.膜分离技术日趋成熟,应用十分广泛.从环境、化工、生物到食品各行业都采用了膜分离技术[3].

目前,膜技术主要有以下几种:

(1)反渗透(RO)膜技术.反渗透(又称高滤)过程是渗透过程的逆过程,推动力为压力差,即通过在待分离液一侧加上比渗透压高的压力,使原液中的溶剂被压到半透膜的另一侧.反渗透技术的特点是无相变,能耗低、膜选择性高、装置结构紧凑,操作简便,易维修和不污染环境等.

(2)纳滤(NF)膜技术.纳滤技术是超低压具有纳米级孔径的反渗透技术.纳滤膜技术对单价离子或相对分子质量低于200的有机物截留较差,而对二价或多价离子及相对分子质量介于200-1000的有机物有较高脱除率.纳滤膜具有荷电,对不同的荷电溶质有选择性截留作用,同时它又是多孔膜,在低压下透水性高.

(3)微滤(MF)膜技术.微滤膜是以静压差为推动力,利用筛网状过滤介质膜的筛分作用进行分离.微滤膜是均匀的多孔薄膜,其技术特点是膜孔径均一、过滤精度高、滤速快、吸附量少且无介质脱落等.主要用于细菌、微粒的去除,广泛应用在食品和制药行业中饮料和制药产品的除菌和净化,半导体工业超纯水支配过程中颗粒的去除,生物技术领域发酵液中生物制品的浓缩与分离.

(4)超滤(UF)膜技术.超滤是以压差为驱动力,利用超滤膜的高精度截留性能进行固液分离或使不同相对分子质量物质分级的膜分离技术.其技术特点是:能同时进行浓缩和分离大分子或胶体物质.与反渗透相比,其操作压力低,设备投资费用和运行费用低,无相变,能耗低且膜选择性高.在食品、医药、工业废水处理、超纯水制备及生物技术工业领域应用较广泛.

(5)电渗析(ED)膜技术.电渗析是一个电化学分离过程,是在直流电场作用下以电位差为驱动力,通过荷电膜将溶液中带电离子与不带电组分分离的过程.该分离过程是在离子交换膜中完成的.主要应用于海水淡化,苦咸水脱盐,海水浓缩制盐,乳精、糖、酒、饮料等的脱盐净化,锅炉给水、冷却循环水软化,废水中高价值物质回收与水的回用,废酸、废碱液净化与回收等.

(6)双极膜(BPM)技术.双极膜是由阴离子交换膜和阳离子交换膜叠压在一起形成的新型分离膜.阴阳膜的复合可以将不同电荷密度、厚度和性能的膜材料在不同的复合条件下制成不同性能和用途的双极膜.主要应用于酸碱生产、烟道气脱硫、食盐电解等.

(7)渗透蒸发(PV)膜技术.渗透蒸发是一个压力驱动膜分离过程,它是利用液体中两种组分在膜中溶解度与扩散系数的差别,通过渗透与蒸发,达到分离目的的一个过程,其设备投资和运行费用较低.近年来,对渗透蒸发技术的研究虽然进展很快,但它单独使用的经济性并不好.

3 膜技术在水处理及污水资源化中的应用

3.1 膜技术的优势

与传统的水处理技术相比,膜技术以其占地省、使用化学添加剂少、自动化程度高、运行管理方便等明显特点,已被越来越多的人所认识到.同时膜技术可以与传统技术很好地结合,无论是物理、化学处理法、生物处理法等等都可以有最佳的组合型解决方案,而膜可以在其中发挥核心作用.特别需要指出的是,膜法水处理技术和解决方案的优势,在中国将更显突出,节省土地意义重大,大大减少添加剂的使用意味着能大大降低环境风险.

膜技术是水净化和纯化的有效手段.使用膜可以去除水中的悬浮物、细菌、有毒金属物质和有机物,大大改善水质.与传统分离技术相比,膜技术具有高效、节能、环境友好、过程容易控制、操作方便、易与其他技术集成等优点.

膜技术对我国生活污水、工业废水的处理和资源化利用有重要战略意义.当前,我国环境保护形势依然严峻,膜技术的使用,则可大幅度削减污染物排放量,尤其是难处理的印染、皮革、电镀、焦化、酿造等领域产生的工业废水,一般技术处理均难以达标.膜技术是处理这些工业废水的重要技术之一.此外,膜技术在城镇生活污水处理上已有众多成功运营典型,取得了较大进展.

3.2 膜技术应用现状

3.2.1 海水和苦咸水的淡化

目前膜在海水和苦咸水的淡化领域里的应用已达到成熟阶段.日处理量达几十万吨的膜海水淡化装置已建立,为海边缺水地区人民解决了用水问题.我国西部也建立了许多大型苦咸水淡化装置[4].海水淡化装置中反渗透膜分离应用的很广泛,大约30%的海水淡化装置是反渗透,可脱去海水中99%以上的盐离子.

3.2.1 饮用水的净化

自1984年以来,欧洲已有几十套无机膜处理装置建立运行,生产低浊度的饮用水.法国Moulin等人用无机膜与臭氧/絮凝剂结合处理地表水,出水水质达到饮用水标准.大同市成功地用有机微滤膜设备处理水库水中大颗粒物及部分细菌微生物,缓解了市民的饮水问题.

3.2.3 工业废水处理

国内的南京化工大学膜科学技术研究所与武汉钢铁集团公司能源总厂供水厂合作对轧钢乳化废水用陶瓷膜过滤法进行了中试,结果无论从经济还是从技术的角度均优于国外普遍采用的0.01 μ m有机膜过滤法.1986年,中科院生态环境中心用超滤法处理含油污水,在0.1 MPa,水通量保持在60～120 L/m3◦h的情况下,200～1000 mg/L的水处理达到环境排放标准.1994年,在北京印钞厂安装了超滤设备用于处理印钞擦版废水,处理能力为2 m3/h,迄今运转良好.

3.2.4 污水资源化

膜技术作为一门崭新的跨学科实用化技术,近年来在污水资源化利用方面渐露头角.随着我国膜工业产业化水平的提高,国产的反渗透膜、超滤膜、微滤膜的品质快速提升,使得国外的一些反渗透膜、超滤膜、微滤膜的价格也在逐步下降,这也进一步促进了膜技术在污水资源化利用工程中的大规模应用.膜技术的产业化为污水资源化利用开辟了新路,要提高水资源利用率,就必须在污水资源化利用上做文章.膜技术作为当今世界上先进的污水处理技术,以其能耗低、效率高、污染少等特点在污水资源化利用上有着独特的优势.

膜法水处理可以与其他深度水处理办法相媲美[5-8].污染物较多的污水的处理,常规办法是沉淀、曝气、过滤,深度处理用活性炭、臭氧等,其不足慢慢显示了出来,这种方法投资大、能耗高、效率低,而且,处理后的水品质不高;现在膜技术在价格上、技术上都有优势,通过膜分离能将工业污水中的有害物质脱出,作为工业新鲜水的补充水再循环回用.

我国膜技术在污水资源化领域的应用正大规模推广.再生水厂就可以采用超滤膜水处理技术.它是以污水处理厂二级处理的出水作为水源,经过深加工后达到回用要求,通过压力管线供给使用方.污水处理厂处理后的二级出水在压力的作用下,采用0.02微米超滤膜对水进行过滤净化,再经过活性炭处理,臭氧消毒,达到国家Ⅳ类水体标准,水质清澈透明,无色无味.

膜技术除了在一些大型污水处理厂和再生水厂得到应用外,近几年随着节水减排的工作力度的加大,在钢铁企业、石化企业、电力行业等先后投入和建设的很多污水回用工程中,膜技术也得到了非常广泛的应用.

4 膜技术在水处理及污水资源化应用展望

随着膜性能的不断提高,膜价格的不断降低,中国城市水厂的膜时代已经到来.可见,无论在污水领域还是供水领域,膜技术均已悄然掀起一场革命.在人类面临越来越严重的生态危机和水的需求日益高涨的今天,膜材料的迅速发展推动膜法水处理技术得到突飞猛进的发展.膜法水处理技术和工艺已经在工业、市政等所有用途的水处理过程中得到极为广泛的应用.随着膜本身制造技术的完善和大量应用,它带来的是水处理成本的大幅度下降.

膜技术在我国的水处理领域发挥着越来越重要的作用,而污水资源化,是解决我国缺水的必要途径.膜技术在城市污水回用工程中的成功应用,也进一步推动了膜技术在我国污水资源化领域的应用推广,为污水资源化利用开辟了一条新路.

[1]孙垦,石岩,韩伟锋,杨崇豪.膜技术在城市污水回用中的适用性研究.华北水利水电学院学报.2010,31(04):131～133

[2]黄维菊,魏星.膜分离技术概论.北京:国防工业出版社,2008,3

[3]彭跃莲.膜技术前沿及工程应用.北京:中国纺织出版社,2009.3

[4]周正立等.反渗透水处理应用技术及膜水处理剂.北京:化学工业出版社,2005,6

[5]刘宪秋.膜技术在中国水资源领域的应用与展望.中国水利,2006,14:64

[6]王振宇.膜技术在水处理中的应用前景[J].环境保护科学,2005,(02):21～23

[7]张安辉,游海平.超滤膜技术在水处理领域中的应用及前景[J].化工进展,2009,(S2)

[8]许丽丽.膜技术在饮用水处理中的应用与发展[J].西南给排水,2007,(04)