吳彥君,李國(guó)玲

(際華三五零二職業(yè)裝有限公司,河北井陘050308)

1 引言

膜分離技術(shù)是一門新興的綜合性邊緣科學(xué),涉及到流體力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、傳質(zhì)學(xué)、化工動(dòng)力學(xué)、高分子物理化學(xué)、高分子材料學(xué)、機(jī)械工程學(xué)等多種學(xué)科。1950年W.Juda試制出了高選擇透過性能的離子交換膜,奠定了電滲析的實(shí)用基礎(chǔ)。1952年,Reid首次用RO進(jìn)行海水脫鹽。1960年,Loeb和Sourirojin又制出第一張高效能、有應(yīng)用價(jià)值的反滲透膜,標(biāo)志著膜科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的誕生,從此,膜技術(shù)獲得迅速而全面地發(fā)展。

膜分離技術(shù)作為一種先進(jìn)的分離技術(shù),具有許多不可替代的優(yōu)點(diǎn)。膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用不僅取決于它的分離效果和處理成本,而且與其優(yōu)點(diǎn)密不可分。膜分離技術(shù)在分離濃縮過程中,不發(fā)生相變化,也沒有相變化的化學(xué)反應(yīng),因而不消耗相變能,耗能少;在膜分離過程中不需要從外界加進(jìn)其它物質(zhì),節(jié)省了原材料和化學(xué)藥品;在膜分離過程中,一種物質(zhì)得到分離,另一種(或一些)物質(zhì)則被濃縮,分離和濃縮同時(shí)進(jìn)行,從而能回收那些有價(jià)值的物質(zhì)資源;根據(jù)膜的高度選擇性和膜孔徑大小不同,可以將不同粒徑的物質(zhì)分開,因此使物質(zhì)得到了純化而又不改變?cè)械膶傩?膜分離工藝可以在常溫下分離,因而不損壞對(duì)熱有敏感和對(duì)熱不穩(wěn)定的物質(zhì),非常適用于藥制劑、酶制劑、果汁等的分離濃縮;膜分離工藝適應(yīng)性強(qiáng),處理規(guī)?？纱罂尚?操作及維護(hù)方便,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制[1,2]。

我國(guó)有近50年膜研究和開發(fā)的歷史,在此期間RO 、NF、UF、M F 、電滲析、液膜、膜反應(yīng)器等相繼研發(fā)成功,并被廣泛應(yīng)用到能源,電子,石化,重工業(yè),輕工業(yè),食品和釀造工業(yè),人們的日常生活以及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域,在海水與苦咸水淡化以及各種水和廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用尤為突出。

2 膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

2.1 RO用于海水和苦咸水的脫鹽

我國(guó)海岸線長(zhǎng),而且許多沿海地區(qū)如天津等地嚴(yán)重缺水,因此海水是重要的水資源。由于海水中鹽分高,在利用之前需要進(jìn)行脫鹽處理,以反滲透膜進(jìn)行脫鹽,其能耗低于5kW?h/m3海水[3]。

苦咸水是指水中的總?cè)芙夤腆w含量(TDS)為1000～10000m g/L的天然水。由于苦咸水一般含有較高的鈣、鎂、重碳酸根、硫酸根等微溶無機(jī)鹽離子。反滲透是苦咸水淡化工程最具競(jìng)爭(zhēng)力的方法,技術(shù)相對(duì)成熟。目前我國(guó)已有上千套規(guī)模不等的反滲透苦咸水淡化裝置應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。其能耗低于或0.5～3kWh/m3苦咸水。在反滲透苦咸水淡化工程中,抑制和控制微溶鹽的結(jié)垢沉淀是十分重要的。目前常用的方法有添加阻垢劑、離子交換軟化、加酸去除進(jìn)水中的碳酸根和重碳酸根以及降低水回收率,避免超過溶度積。事實(shí)證明,RO是用于海水和苦咸水脫鹽的最經(jīng)濟(jì)手段,是解決沿海缺水地區(qū)、干旱地區(qū)飲用水和工業(yè)用水問題的好方法。

2.2 飲用水純化

在飲用水的純化方面,以膜為核心的飲用水凈化工藝作為一種新的和更有效的水處理技術(shù),對(duì)化學(xué)藥劑的需用量很少。通過改變膜的空隙尺寸,從MF、UF、NF到RO等能經(jīng)濟(jì)有效地去除賈第蟲胞蘘和陰胞子蟲卵蘘。THM的前質(zhì)等飲用水消毒副產(chǎn)物(DBP),濁度和色度以及溶解鹽等污染物,從而提高水質(zhì),保證飲用水優(yōu)質(zhì)安全[4]。在許多城市,分質(zhì)供水系統(tǒng)(包括管道直飲水系統(tǒng))的建設(shè)已經(jīng)普遍進(jìn)行。城市供水中90%的供水水量用于生產(chǎn),9%為生活用水,1%為飲用水。在北京和沈陽(yáng)等城市,已建有許多采用RO膜處理技術(shù)的分質(zhì)供水系統(tǒng),用于處理和提供優(yōu)質(zhì)飲用水,而各種膜分離技術(shù)為此提供了有力的技術(shù)保證。

3 膜分離技術(shù)處理城市生活污水

3.1 膜生物反應(yīng)器處理生活污水并實(shí)現(xiàn)中水回用

目前全球投入運(yùn)行或在建的MBR系統(tǒng)已超過2500套。已投入運(yùn)行的規(guī)模最大的MBR污水處理工程是位于德國(guó)Kaarst市的Nordkanal污水處理廠,設(shè)計(jì)平均流量為4.5萬m3/d。在建規(guī)模最大的是美國(guó)Brightw ater污水處理廠,設(shè)計(jì)平均流量為11.7萬m3/d,預(yù)計(jì)將于2010年投入運(yùn)行。我國(guó)對(duì)MBR的應(yīng)用發(fā)展迅速,目前已有多個(gè)正在運(yùn)行和建設(shè)中的規(guī)模大于1萬m3/d的MBR工程項(xiàng)目,包括密云污水處理廠再生水廠,設(shè)計(jì)平均流量為4.5萬m3/d;內(nèi)蒙古金橋污水處理廠,設(shè)計(jì)平均流量為3.1萬m3/d;北小河污水處理廠,設(shè)計(jì)平均流量為6萬m3/d[5,6]。

膜生物反應(yīng)器(Membrane bioreactor,MBR)是膜分離技術(shù)與生物反應(yīng)器相結(jié)合的新技術(shù),其主要工藝特點(diǎn)如下[7]。

(1)能夠高效地進(jìn)行固液分離。分離效果優(yōu)于傳統(tǒng)的沉淀池,出水水質(zhì)良好,出水懸浮物和濁度接近于零,可以直接回用,實(shí)現(xiàn)了污水資源化。

(2)膜的高效截留作用。使微生物完全截留在反應(yīng)器內(nèi),實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器水力停留時(shí)間(HRT)和污泥齡(SRT)的完全分離,使得運(yùn)行更加靈活穩(wěn)定。

(3)反應(yīng)器內(nèi)的微生物濃度高,耐沖擊負(fù)荷。

(4)系統(tǒng)硝化效率較常規(guī)的生物反應(yīng)器有所提高。這是由于污泥停留時(shí)間較長(zhǎng)(一般控制在15～45d),有利于增殖緩慢的微生物(如固氮菌、硝化菌)以及難降解有機(jī)物分解菌地截留、生長(zhǎng)和繁殖。

(5)污泥齡可控制。膜分離使污水中的大分子難降解成分在體積有限的生物反應(yīng)器內(nèi)有足夠的停留時(shí)間,大大的提高了難降解有機(jī)物的降解效果。反應(yīng)器在高容積負(fù)荷、低污泥負(fù)荷、長(zhǎng)泥齡的條件下運(yùn)行,可以實(shí)現(xiàn)基本無剩余污泥的排放。

(6)結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小,工藝設(shè)備集中,易于一體化自動(dòng)控制。

(7)使用過程中存在的膜污染問題,一定程度上制約了膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)MBR技術(shù)地研究與發(fā)展重點(diǎn)在于以下幾方面,包括通過開發(fā)新型膜材料,不斷成熟膜與膜組件制備工藝技術(shù),提升MBR膜與膜組件產(chǎn)品性能與質(zhì)量,降低膜的價(jià)格和投資成本;通過加強(qiáng)對(duì)膜技術(shù)與傳統(tǒng)處理工藝組合的研究,開發(fā)新的MBR工藝路線,拓寬 MBR的應(yīng)用領(lǐng)域;通過對(duì)已有MBR工藝設(shè)計(jì)、操作參數(shù)地分析研究,增加技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)積累;通過對(duì)膜污染機(jī)理的系統(tǒng)研究,探索有效的膜污染防治措施和清洗技術(shù),提高膜系統(tǒng)的運(yùn)行效率,延長(zhǎng)膜的使用壽命[8]。

3.2 膜分離濃縮-高效厭氧組合新技術(shù)處理市政污

在市政污水的資源化再生方面,城市生活污水是一種重要而潛在的水資源。如果采用NF、RO等膜組件截留污水中各種污染物使污水濃縮15～20倍左右,濃縮液 CODCr達(dá)到6000～8000m g/L,然后用高效厭氧反應(yīng)器進(jìn)行甲烷發(fā)酵生產(chǎn)生物能源,透析液可以回用于工業(yè)冷卻、市政水景觀、市政綠化、消防用水、補(bǔ)充地表水與地下水以及各種生活雜用等,也可以進(jìn)一步處理成優(yōu)質(zhì)飲用水商品,從而開辟了市政污水處理的新途徑,充分實(shí)現(xiàn)城市污水的資源化利用。

這種NF膜技術(shù)與高效厭氧工藝聯(lián)合處理市政生活污水,既避免了傳統(tǒng)好氧處理工藝需供氣而大量耗能的缺點(diǎn),又可以利用厭氧細(xì)菌生產(chǎn)沼氣能源,有效減少處理過程的碳排放,是一種可持續(xù)的低碳污水處理工藝技術(shù)。而且膜出水水質(zhì)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工藝出水,可以充分實(shí)現(xiàn)污水的資源化利用,是市政生活污水處理的新途徑。隨著制膜技術(shù)地進(jìn)步,膜通量將大幅度提高,同時(shí)膜組件價(jià)格將大幅度下降,膜分離所需壓力或能耗亦可望大幅降低,并且膜污染的控制與消除將取得重大突破,則該處理工藝將獲得更為廣泛的應(yīng)用。

3.3 膜分離技術(shù)處理工業(yè)廢水

工業(yè)廢水再生回用是減少污染物排放量、節(jié)約水資源,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵途徑之一。工業(yè)廢水水量大,含有原料、添加物及副產(chǎn)物等殘留物質(zhì),水質(zhì)復(fù)雜多變,污染嚴(yán)重,應(yīng)用膜分離技術(shù)處理工業(yè)廢水具有重要意義。早在20世紀(jì)70年代,RO膜已開始用于處理電鍍廢水并使之循環(huán)回用,在汽車生產(chǎn)廠中也已應(yīng)用超濾膜處理電渡電泳漆廢水,使該生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。在染料生產(chǎn)廢水中,NF膜已適用于其脫鹽、脫色和去除有機(jī)污染物。對(duì)于含油廢水地處理回用,UF膜在其中起著關(guān)鍵作用。

對(duì)于造紙工業(yè)廢水,膜分離技術(shù)已經(jīng)在造紙蒸煮廢液、中段廢水、造紙白水等處理中得到了應(yīng)用[9,10]。造紙制漿蒸煮廢液污染負(fù)荷很高,成分復(fù)雜,大型紙漿廠一般采用蒸發(fā)燃燒苛化方法進(jìn)行堿回收處理。芬蘭的 Rauma紙廠采用了超濾等膜技術(shù)進(jìn)行黑液綜合治理,中段廢水水量大、污染物成分復(fù)雜且負(fù)荷也較高,一直是制漿造紙企業(yè)廢水處理的重點(diǎn),膜生物反應(yīng)器和納濾、超濾等技術(shù)在其中得到應(yīng)用。造紙白水中溶解CODCr、BOD5指標(biāo)較低,懸浮物的含量較高。國(guó)內(nèi)外一般采用氣浮法回收其中的短纖維,然后出水予以回用。白水封閉循環(huán)程度越高,越容易造成系統(tǒng)中金屬離子、各種無機(jī)鹽等物質(zhì)過度積累及微生物生長(zhǎng)、繁殖,從而影響到紙機(jī)正常運(yùn)行與產(chǎn)品質(zhì)量。利用膜技術(shù)較徹底地去除造紙白水中的膠體和各種溶解性物質(zhì),是實(shí)現(xiàn)造紙白水零排放目標(biāo)的有效措施之一。但是在實(shí)際系統(tǒng)中也存在膜的污染和劣化并造成通量的逐漸下降。制漿造紙行業(yè)新的排放標(biāo)準(zhǔn)《制漿造紙工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB3544-2008)已經(jīng)在2008年8月開始實(shí)施。新標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定廢水排放的COD值,從舊標(biāo)準(zhǔn)的350mg/L降低至新標(biāo)準(zhǔn)的200mg/L、100mg/L,而且大大降低了噸漿耗水量,對(duì)制漿企業(yè)從舊標(biāo)準(zhǔn)的300m3/t減少至新標(biāo)準(zhǔn)的80m3/t[11]。新排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施必將促進(jìn)膜技術(shù)在制漿造紙廢水處理與回用中地應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著水資源短缺和水污染的不斷加劇,人們對(duì)水問題的也日益關(guān)注。目前以滿足各種水資源化為目標(biāo)的、以各種膜分離技術(shù)為基礎(chǔ)并與各種傳統(tǒng)工藝設(shè)施整合的一系列集成技術(shù)和成套設(shè)施或自控系統(tǒng)正在成為水處理領(lǐng)域最具活力與前景的方向之一。隨著各種新型膜材料的問世、膜制造技術(shù)地進(jìn)步,膜通量地有效提高、同時(shí)膜元件價(jià)格大幅度下降,膜分離所需壓力和能耗亦可望大幅度降低,并且膜污染的控制與消除等將取得重大突破。膜分離技術(shù)作為人們解決各種水問題、緩解水危機(jī)的有效手段之一,將在城市的水生態(tài)建設(shè)與維持中發(fā)揮著不可代替的作用。

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