平板陶瓷膜在污水处理中的应用

代晋国，秦玉兰，高明河，秦建滨，陈泽凤

（广西碧清源环保投资有限公司，广西 梧州 543002）

1 引言

膜分离被认为是一种高效节能的新型分离技术，是解决人类面临的能源、资源、环境等重大问题的有效手段之一。而膜材料与膜技术一直也是国家鼓励发展和重点支持的领域，陶瓷膜（Ceramic Membrane）又称无机陶瓷膜，是以无机陶瓷材料经特殊工艺制备而形成的非对称膜。主要以不同规格的氧化铝、氧化锆、氧化钛和氧化硅等无机陶瓷材料为支撑体，经表面涂膜、高温烧制而成。陶瓷膜具有分离效率高、效果稳定、化学稳定性好、耐酸碱、耐高温、抗污染、机械强度高、分离过程简单、能耗低、操作维护简便、使用寿命长等优势，使其在分离领域和水处理领域得到广泛的关注[1]。

2 平板陶瓷膜应用在污水处理领域的优点

根据陶瓷膜结构及生产工艺特点分类，陶瓷膜可分为管式陶瓷膜和平板陶瓷膜两种。管式陶瓷膜管壁密布微孔，在压力作用下，原料液在膜管内或膜外侧流动，小分子物质透过膜、大分子物质被膜截留，从而达到分离、浓缩、纯化等目的。平板陶瓷膜板面密布微孔，在一定的膜孔径范围内，渗透的物质分子直径不同则渗透率不同，以膜两侧的压力差为驱动力，以膜为过滤介质，当料液流过膜表面时，只允许水、无机盐、小分子物质透过膜，而阻止水中的悬浮物、胶和微生物等大分子物质通过，以达到分离的目的[2]。平板陶瓷膜属于低压膜，所以比高压管式陶瓷膜更节能，并且平板陶瓷膜属于外部污染，清洗方便。因此，在应用过程中，平板陶瓷膜可替代管式陶瓷膜。

在污水处理应用领域，平板陶瓷膜的优势在于可应用于MBR工艺，代替现有的有机膜。同时可以直接应用于含有特殊污染物的废水处理过程中：如含油废水、海水淡化预处理等。由于平板陶瓷膜具有化学稳定性好、耐酸碱、耐高温、抗微生物能力强、分离精度高、机械强度高、易再生、使用寿命长等有机膜无法比拟的优点[3]， 所以也拓展了有机膜的应用领域。表1对比了平板陶瓷膜与有机膜的性能。

表1 平板陶瓷膜与有机膜性能对比表

3 平板陶瓷膜在污水处理领域应用情况

平板陶瓷膜技术在国内逐渐得到认可和接受，工程应用案例不断增加，从而使国内陶瓷膜行业得到了快速发展。但陶瓷膜技术在我国的发展历程相对较短，以陶瓷膜为核心的膜分离工艺在国内的应用还不普遍，尤其在污水处理领域，更少有报道。在国家有关政策的鼓励下，制膜企业在研发上的投入不断增加，技术瓶颈也不断突破，产业化进程也在加速。膜产业已形成相对完整的产业链，包括上游膜材料的研发和销售、中游膜组件的生产和销售及下游膜工程应用。水处理作为膜产业下游的一个重要应用领域，目前国内微滤/超滤技术相对成熟且占比较低，未来在水处理市场的份额有望提升。

我国的陶瓷超滤膜、微滤膜等已达到国际先进水平，生产规模居于世界前列，但在陶瓷纳滤膜上尚无与国外先进产品抗衡的产品。下一步我国的平板陶瓷膜发展重点是开发纳滤级平板陶瓷膜。目前，以德国ITN、日本明电舍为代表的国外公司已经实现了无机平板膜MBR的商业化应用，其中日本明电舍已进入中国市场。而巴安水务已收购了德国ITN公司67.65%的股权，在我国的平板陶瓷膜技术已应用到海水淡化领域。国内山东工业陶瓷研究设计院凭借自身在多孔陶瓷材料领域的研究优势和丰厚技术积累，通过持续高力度研发投入，完成了水处理用系列大尺寸陶瓷膜材料及组件的研究开发与市场化工作，使膜材料制造成本大幅降低，产品的开发应用受到用户的广泛好评。山东工业陶瓷研究设计院已经在纳米陶瓷平板膜的研究开发和标准化、自动化生产方面在国内具有主导地位，而江苏久吾高科股份有限公司、合肥世杰膜工程有限责任公司、厦门三达膜科技有限公司、江苏新时高温材料股份有限公司也都积极开展了国产平板陶瓷膜的制造和研发。

广西某环保投资有限公司在平板陶瓷膜污水处理领域应用方面，已有每天处理近十万吨的工程项目在运行。涉及领域包括工业废水、生活污水、农村城镇污水以及屠宰废水等行业。该公司以第五代纳米陶瓷技术为基础，自主研发的纳米陶瓷膜污水处理技术（Nano Ceramic Membrane Wastewater Treatment Technique，简称NCMT）和一体化纳米陶瓷膜高效水质净化器（Nano Ceramic Membrane High-efficiency Water Purifier，简称NCMWP），在工业废水和城镇污水处理领域开拓了新的途径，建设了亚洲首例万吨级规模的纳米陶瓷膜技术污水处理厂—贺州市旺高工业园区污水处理厂（2万t/d）。公司拥有国内第一个全指标达到地表Ⅲ类水质的纳米陶瓷膜技术污水回用工程案例—粤桂合作特别试验区塘源污水处理厂，应用一体化纳米陶瓷膜高效水质净化器设备治理村镇污水数十个示范工程。在陶瓷膜工程应用方面积累了丰富的工程经验。

4 平板陶瓷膜在污水处理领域应用工程案例

4.1 旺高工业园区污水处理厂应用工程（见图1）

贺州市旺高工业区污水处理厂升级改造工程项目位于贺州市钟山县贺州旺高工业区内西南兴旺大道与富业路交叉点，占地36亩。污水处理厂的污水收集范围主要是园区工业废水和生活污水。旺高工业区污水处理厂处理规模为2万t/d。污水处理厂升级改造工程项目主要对现有污水系统进行升级改造，采用“水力澄清池+NCMT生化池”工艺，设计进、出水水质指标见表2。该厂升级改造后能满足地方及园区的环保要求。污水处理厂出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级A标准。

图1 改造后旺高污水处理厂现场

表2 工程项目设计进出水水质指标

2016年7月到2017年7月，第三方监测数据统计（见图2），旺高工业区污水处理出水年CODCr平均值18.54mg/L、悬浮物7.62mg/L、氨氮1.04mg/L、BOD53.51mg/L、总磷0.30m/L、总氮6.96mg/L，系统出水水质远优于排放标准要求。

图2 污水处理厂一年运行第三方监测数据

4.2 平浪污水处理厂应用工程（见图3）

梧州市平浪污水处理厂位于梧州市长洲区平浪村上平七组平浪哈冲，总征地面积为1.9公顷，近期占地为1.5公顷。梧州市平浪污水处理厂采取分期建设的原则，近期建设规模为5000m3/d，远期建设规模为1万m3/d。近期服务人口为2.22万人，主要收集和处理梧州市长洲区平浪片区（环城高速路以东的区域）的生活污水以及梧州市不锈钢制品产业园区企业自行处理后的工业废水和职工生活污水。污水处理厂采用新型纳米陶瓷膜污水处理技术处理后水质指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。平浪污水处理厂工程的设计进出水水质见表3。

图3 平浪污水处理厂现场

表3 平浪污水处理厂工程的设计进出水水质指标

2016年7月到2017年7月，第三方监测数据统计（见图4），平浪污水处理出水年CODCr平均值16.31mg/L、悬浮物8.00mg/L、氨氮0.70mg/L、BOD53.44mg/L、总磷0.23m/L、总氮11.45mg/L。

图4 污水处理厂一年运行第三方监测数据

4.3 在陶瓷膜应用领域典型工程案例

某公司在平板陶瓷膜方面近几年积累了丰富的工程经验，总处理规模已接近每天处理各种污水近10万t。表4为该公司近两年采用纳米陶瓷膜的典型工程案例。

表4 基于纳米陶瓷膜技术部分典型案例

5 展望

随着我国环保市场需求增强，膜行业下一步的需求量将会很高，膜技术在环保领域和水务领域必然将大显身手。而作为21世纪最卓越的材料之一，平板陶瓷膜的应用才刚刚起步，提高其分离精度，拓展应用领域，在污水处理领域势必大有前途[4]。

未来陶瓷膜在污水处理领域的发展趋势有：1）陶瓷膜与先进的污水处理技术耦合，开发先进的陶瓷膜污水处理技术；2）优化平板陶瓷膜的工艺运行参数，进一步提高其对污染物的去除效率，实现节能减排的目的；3）规范陶瓷膜污水处理设计建造运行规范；4）积极拓宽陶瓷膜水处理行业应用领域，如在海水淡化、工业废水处理、难生物处理工业污水、含油污水处理及饮用水处理等方面的应用。

参考文献：

[1] 崔佳，王鹤立，龙佳．无机陶瓷膜在水处理中的研究进展[J]．工业水处理，2011，31（2）：13-16．

[2] 黄仲涛．无机膜技术及其应用[M]．北京：中国石化出版社，2002：200-201．

[3] 曹义鸣，徐恒泳，王金渠．我国无机陶瓷膜发展现状及展望[J]．膜科学与技术，2013 ， 33（2）：1-5．

[4] 徐南平，邢卫红，赵宜江．无机膜分离技术与应用[M]．北京：化学工业出版社，2003．