膜技术在工业污水处理中的应用

李佳琦

(国能宁夏大坝三期发电有限公司，宁夏 青铜峡 751600)

工业化进程和经济快速发展所造成的水资源短缺已成为社会经济发展的制约问题。在全球范围内，80%的废水(主要包括电厂工业废水、含油废水、再生废水等。其中，28%来自工业)未经处理或再利用就返回生态系统。传统的工业污水处理方法主要有化学氧化或还原、化学沉淀、光催化降解、过滤、离子交换等方法。这些方法可能会造成水体二次污染，或者没有很好的经济效益。例如，高级氧化工艺对于某些污染物和废水类型没有特异性，生物处理方法需要长时间关注微生物的生长和适应。利用新的可持续的解决方案来改善工业污水的水循环再利用至关重要，污水中的有机物及其他物质被回收后可被视为一种非常潜在的有价值的资源[1]。

膜分离技术是利用膜的不同特性将不同的物质有效分离出来，并且让不同物理性质的物质组合成具有筛选功能的混合体，从而有效分离出液体中的各个分子。在工业应用中，膜技术不仅可以实现废水净化，还可以进行杀菌和消毒，适用面广，成本低，并且不会造成二次污染。可以利用膜的渗透性处理水污染，例如，针对废水中可能产生的多种可回收成分(多元醇、多元酸、酯类、无机盐)，分别设计和开发了汽提-膜分离-精馏耦合、多级膜浓缩、渗透汽化-精馏等集成工艺。通过膜集成过程与生产过程的结合，可以有效地降低废水中的化学需氧量(COD)，并实现废水中可回收成分的资源化利用，降低废水处理的综合成本，对经济可持续发展具有积极意义[2]。

1 膜技术概述

膜技术是一种比较先进的污水处理技术。一般意义上来说，膜技术的主要工作原理就是一种分离技术，膜是一种选择性分离功能的材料，通过膜的分离功能实现料液不同组成成分的纯化、浓缩，从而达到污水处理的目的。当前，膜技术的应用已经极为广泛，主要应用在气体分离、物料分离，以及水处理方面。其中，在水处理方面的应用要更深一点。

膜技术一般分为4种，即低污染膜、超低压膜、带正电荷的反渗透膜、耐高温食品级反渗透膜。在当前的工业领域，膜污染是一种危害较大的污染。随着膜技术的逐渐成熟，当前已经研发出了抗污染强，以及使用寿命较长的低污染膜，基本上解决了膜污染问题。超低压膜是1999年问世的，具有节省能耗、成本较低等优势，因此在当前的膜技术领域的应用比重日益增长，特别是在大型装置中的应用。带正电荷的反渗透膜，主要应用在制备高电阻率的高纯水系统中。在普通水处理过程中，一般的反渗透膜的使用温度，在0～45 ℃ 之间，但是膜技术经常要使用在一些高温环境中，因此耐高温反渗透膜应运而生，在高温杀菌的特殊场合特别有用。

总之，膜技术的不断创新是保证污水处理有效性的重要工具。目前，膜分离技术主要包括微滤、超滤、纳滤等，这些技术均能在一定程度上提升饮用水的安全标准。

2 渗透汽化膜分离技术

渗透汽化膜分离技术是目前具有发展前景的分离技术，在石油化工、医药、电厂废水处理等领域具有广阔的应用前景。渗透汽化膜分离技术特别适合分离蒸馏法较难分离的共沸点混合物、近沸点混合物，以及同分异构体的分离。渗透汽化膜分离技术对有机溶剂的脱除具有较大的经济优势，另外，将渗透汽化膜分离技术与其他化学反应相结合，在反应过程中就可将产物脱除，使化学转化率得到提高。电厂脱硫废水、浓缩工业废水等高盐废水的处理和减量是废水处理的难题之一，渗透汽化工艺可用于高盐废水减量。高盐废水中还含有大量的重金属离子，处理难度很大。方皓[3]采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)渗透汽化膜研究了从废水中回收重金属离子的可行性。他研究了温度、重金属浓度、料液中含盐量等因素对分离性能的影响，结果表明，温度为 40 ℃ 时，可以将重金属浓缩到 470000 mg/L 以上，渗透通量为 353 g/(m2·h)，实现了重金属的资源化利用。张苹等[4]利用渗透汽化分离费托合成废水中的含氧有机物，分别在实验室和现场搭建了渗透汽化中试装置，并对操作条件进行优化，结果发现，当进料液中含氧有机物质量分数小于1%时，经过3级渗透汽化，可以将费托合成废水中的含氧有机物浓缩到40%以上，并且渗透汽化装置可以稳定运行1300以上，具有良好前景。因此，渗透汽化膜分离技术适合应用于有机溶剂中水的脱除、废水处理和溶剂回收等。

用渗透汽化研究高盐废水减量，结论是：1)通过配制模拟废水，验证了渗透汽化技术用于废水的浓缩具有一定的可行性。影响该工艺运行效率的主要参数依次为废水温度、渗透侧真空度，以及膜表面的紊流程度，并且会受到废水盐浓度的影响。研究表明，随着进水温度的升高，膜渗透通量也会随之上升；渗透侧真空度的升高也会使得膜渗透通量上升；表面紊流程度的增加，有助于膜渗透通量的增加；盐浓度的升高会使得膜渗透通量降低。2)在废水温度为70 ℃、渗透侧真空度为 5 kPa、曝气速率为 4 L/min时，膜渗透通量高达 19.6 L/(m2·h)。说明渗透汽化工艺能够起到较好的浓缩效果，对于废水减量化有较大的潜力。在盐浓度高达 100 g/L 的情况下，膜渗透通量仍然有 16.8 L/(m2·h)。3)工艺出水水质良好。在废水进水盐质量浓度达 100 g/L，COD 2000 mg/L，氨氮 10 mg/L 的情况下，出水电导率仍能保持在20μS/cm以下，出水COD低于40mg/L，出水氨氮低于 0.4 mg/L。4)在实际垃圾渗滤液反渗透浓水的实验中，渗透汽化技术仍表现出良好的浓缩效率及分离性能，膜渗透通量最高达到了 15.28 L/(m2·h)，出水水质也能满足再生水用作工业用水的相关标准。

3 渗透与反渗透

一个完整的正渗透过程由半透膜、汲取液、原料液构成。汲取液和原料液分别置于被半透膜隔开的容器两侧，汲取液侧具有较低的水化学势(高渗透压)，原料液侧具有较高水化学势(低渗透压)，过程推动力为膜两侧的渗透压差。在无外界压力存在时，水分自发地从原料液一侧向汲取液一侧迁移，使原料液浓缩，汲取液稀释，汲取液液位升高，直至膜两侧液位压力差与膜两侧渗透压差相等，正渗透过程才会停止。被稀释后的汲取液可以通过加热、蒸馏、磁场、电场、纳滤、反渗透等方式加以再生。正渗透技术在生活污水处理、高COD有机污水处理等方面均得到了一定规模的应用。应用厌氧正渗透膜生物反应器(An OMBR)处理COD为3～9 g/L 的有机污水时，An OMBR实验装置是将CTA-ES型FO膜组件浸入到厌氧活性污泥之中，FO膜活性层朝向污泥混合液，以 2 mol/L 的乙酸镁作汲取液，且以 0.4 L/min 的流量进行循环。通过汲取液循环，可以减轻外部浓差极化的影响。正渗透膜初始水通量为 6 L/(m2·h)，运行 10 d 后，水通量下降到 1.66 L/(m2·h) 左右。后经物理和化学清洗，膜水通量恢复到95%左右。反应器内电导率从 1.58 m S/cm 增加到 9.98 m S/cm。An OMBR对COD的去除率高达93%以上[5]。正渗透技术在工业废水处理领域应用较广，主要应用实例有电厂脱硫废水处理、煤化工废水处理等。

反渗透水处理设备主要通过过滤系统来隔离与处理工业污水中所存在的各类杂质。反渗透水处理设备的应用现状主要有以下几个方面：第一，反渗透水处理设备所采取的过滤装置具备较高的精确性，能够收获良好的过滤质量。当前主要应用于悬浮粒处理以及大颗粒污染物的处理之中。第二，超级过滤装置。在这一装置中存在着真空纤维膜这一特殊成分，通过这一成分能够有效隔离与过滤污水中极为微小的杂质和颗粒。第三，药水过滤系统的应用。由于工业污水中存在着部分粒径较小的废弃物，即使是超级过滤装置，也不能够完全保障过滤成效，无法完成对污水中各类污染源的有效隔离，因此通过药水过滤系统的应用，可以让药水在工业中充分发挥效果，提升微小杂质与颗粒的粒径，这样就能够利用砂网来达成过滤效果。第四，砂网过滤系统的应用。这一系统主要是通过絮凝装置、过滤装置，以及两极压力过滤管来有效过滤工业污水中所悬浮的大颗粒杂质，并且利用絮凝装置有效防止装置的堵塞。

4 纳滤与超滤

纳滤膜(NF)以其较高水渗透性能、良好水/盐选择性和相较于反渗透膜(RO)低工作压力等优势被广泛应用于水处理和废水回用中。新型纳滤膜(NF)解决了传统的商品NF的分离局限性。例如，对人体有益的矿物质除去率过高，对污染物去除率偏低，而且渗透性能-选择性能的制衡等问题，严重制约了NF的发展及潜在的应用。赵谋铭[6]利用两性离子高分子刷来改性商品膜表面，大幅提高了膜表面的亲水性。改性后的TFC膜对牛血清蛋白的黏附显著降低，大幅提高了膜的抗污染性能。另外，由于膜表面亲水性的提高，改性的复合膜也可大幅降低疏水性污染物(如内分泌干扰物或农药)的溶解扩散过程，提高了疏水性污染物的去除。除将纳米材料接枝/涂层在膜表面外，也可以将颗粒掺杂在聚酰胺层内制备高性能纳米掺杂的TFN膜。例如，朱子龙[7]在界面聚合的过程中将沸石纳米材料(孔道直径为 0.4 nm)加入聚酰胺层中，以提高薄膜复合膜的水通量。沸石改性TFN膜的水通量为对照组的2倍，但TFN膜的NaCl截留率无明显降低。除在海水淡化中的应用外，TFN膜在水处理及水回用领域中也具有较大潜力。另一种常见的纳米掺杂NF膜是将纳米材料加到铸膜液中，通过相转化的方式制备纳米掺杂的基底，再通过界面聚合生成纳米材料混合基质复合膜膜(TFCn)。

5 结语

综上所述，膜技术在工业废水处理场景中拥有很强的应用优势与发展前景。在完善膜技术过程中，也重点关注不同类别废水的特性，优化膜结构，提高其抗酸碱能力以及对高浓度有机质、无机盐以及各类重金属的过滤与浓缩能力，提升其抗老化能力与抗清洗能力[8]。和旧有的污水处理技术相比，这种技术最大的优势就在于强大的处理能力、微小的占地面积，以及污水处理效果好，可以直接进行回收和利用。在工业污水处理工作中，环节和流程众多，MBR技术只是其中之一，而对于污水中的污泥进行后续处理也包含在污水处理之中。在具体的工作中，基于MBR技术充分利用的基础上，发挥大局意识，对规划设计精心布置，这样才能更有效地进行污水处理，才能更好地对环境进行保护。