李佳琦
(國能寧夏大壩三期發(fā)電有限公司,寧夏 青銅峽 751600)
工業(yè)化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展所造成的水資源短缺已成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約問題。在全球范圍內(nèi),80%的廢水(主要包括電廠工業(yè)廢水、含油廢水、再生廢水等。其中,28%來自工業(yè))未經(jīng)處理或再利用就返回生態(tài)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的工業(yè)污水處理方法主要有化學(xué)氧化或還原、化學(xué)沉淀、光催化降解、過濾、離子交換等方法。這些方法可能會造成水體二次污染,或者沒有很好的經(jīng)濟(jì)效益。例如,高級氧化工藝對于某些污染物和廢水類型沒有特異性,生物處理方法需要長時間關(guān)注微生物的生長和適應(yīng)。利用新的可持續(xù)的解決方案來改善工業(yè)污水的水循環(huán)再利用至關(guān)重要,污水中的有機物及其他物質(zhì)被回收后可被視為一種非常潛在的有價值的資源[1]。
膜分離技術(shù)是利用膜的不同特性將不同的物質(zhì)有效分離出來,并且讓不同物理性質(zhì)的物質(zhì)組合成具有篩選功能的混合體,從而有效分離出液體中的各個分子。在工業(yè)應(yīng)用中,膜技術(shù)不僅可以實現(xiàn)廢水凈化,還可以進(jìn)行殺菌和消毒,適用面廣,成本低,并且不會造成二次污染??梢岳媚さ臐B透性處理水污染,例如,針對廢水中可能產(chǎn)生的多種可回收成分(多元醇、多元酸、酯類、無機鹽),分別設(shè)計和開發(fā)了汽提-膜分離-精餾耦合、多級膜濃縮、滲透汽化-精餾等集成工藝。通過膜集成過程與生產(chǎn)過程的結(jié)合,可以有效地降低廢水中的化學(xué)需氧量(COD),并實現(xiàn)廢水中可回收成分的資源化利用,降低廢水處理的綜合成本,對經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義[2]。
膜技術(shù)是一種比較先進(jìn)的污水處理技術(shù)。一般意義上來說,膜技術(shù)的主要工作原理就是一種分離技術(shù),膜是一種選擇性分離功能的材料,通過膜的分離功能實現(xiàn)料液不同組成成分的純化、濃縮,從而達(dá)到污水處理的目的。當(dāng)前,膜技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)極為廣泛,主要應(yīng)用在氣體分離、物料分離,以及水處理方面。其中,在水處理方面的應(yīng)用要更深一點。
膜技術(shù)一般分為4種,即低污染膜、超低壓膜、帶正電荷的反滲透膜、耐高溫食品級反滲透膜。在當(dāng)前的工業(yè)領(lǐng)域,膜污染是一種危害較大的污染。隨著膜技術(shù)的逐漸成熟,當(dāng)前已經(jīng)研發(fā)出了抗污染強,以及使用壽命較長的低污染膜,基本上解決了膜污染問題。超低壓膜是1999年問世的,具有節(jié)省能耗、成本較低等優(yōu)勢,因此在當(dāng)前的膜技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用比重日益增長,特別是在大型裝置中的應(yīng)用。帶正電荷的反滲透膜,主要應(yīng)用在制備高電阻率的高純水系統(tǒng)中。在普通水處理過程中,一般的反滲透膜的使用溫度,在0~45 ℃ 之間,但是膜技術(shù)經(jīng)常要使用在一些高溫環(huán)境中,因此耐高溫反滲透膜應(yīng)運而生,在高溫殺菌的特殊場合特別有用。
總之,膜技術(shù)的不斷創(chuàng)新是保證污水處理有效性的重要工具。目前,膜分離技術(shù)主要包括微濾、超濾、納濾等,這些技術(shù)均能在一定程度上提升飲用水的安全標(biāo)準(zhǔn)。
滲透汽化膜分離技術(shù)是目前具有發(fā)展前景的分離技術(shù),在石油化工、醫(yī)藥、電廠廢水處理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。滲透汽化膜分離技術(shù)特別適合分離蒸餾法較難分離的共沸點混合物、近沸點混合物,以及同分異構(gòu)體的分離。滲透汽化膜分離技術(shù)對有機溶劑的脫除具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,另外,將滲透汽化膜分離技術(shù)與其他化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合,在反應(yīng)過程中就可將產(chǎn)物脫除,使化學(xué)轉(zhuǎn)化率得到提高。電廠脫硫廢水、濃縮工業(yè)廢水等高鹽廢水的處理和減量是廢水處理的難題之一,滲透汽化工藝可用于高鹽廢水減量。高鹽廢水中還含有大量的重金屬離子,處理難度很大。方皓[3]采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)滲透汽化膜研究了從廢水中回收重金屬離子的可行性。他研究了溫度、重金屬濃度、料液中含鹽量等因素對分離性能的影響,結(jié)果表明,溫度為 40 ℃ 時,可以將重金屬濃縮到 470000 mg/L 以上,滲透通量為 353 g/(m2·h),實現(xiàn)了重金屬的資源化利用。張?zhí)O等[4]利用滲透汽化分離費托合成廢水中的含氧有機物,分別在實驗室和現(xiàn)場搭建了滲透汽化中試裝置,并對操作條件進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)進(jìn)料液中含氧有機物質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%時,經(jīng)過3級滲透汽化,可以將費托合成廢水中的含氧有機物濃縮到40%以上,并且滲透汽化裝置可以穩(wěn)定運行1300以上,具有良好前景。因此,滲透汽化膜分離技術(shù)適合應(yīng)用于有機溶劑中水的脫除、廢水處理和溶劑回收等。
用滲透汽化研究高鹽廢水減量,結(jié)論是:1)通過配制模擬廢水,驗證了滲透汽化技術(shù)用于廢水的濃縮具有一定的可行性。影響該工藝運行效率的主要參數(shù)依次為廢水溫度、滲透側(cè)真空度,以及膜表面的紊流程度,并且會受到廢水鹽濃度的影響。研究表明,隨著進(jìn)水溫度的升高,膜滲透通量也會隨之上升;滲透側(cè)真空度的升高也會使得膜滲透通量上升;表面紊流程度的增加,有助于膜滲透通量的增加;鹽濃度的升高會使得膜滲透通量降低。2)在廢水溫度為70 ℃、滲透側(cè)真空度為 5 kPa、曝氣速率為 4 L/min時,膜滲透通量高達(dá) 19.6 L/(m2·h)。說明滲透汽化工藝能夠起到較好的濃縮效果,對于廢水減量化有較大的潛力。在鹽濃度高達(dá) 100 g/L 的情況下,膜滲透通量仍然有 16.8 L/(m2·h)。3)工藝出水水質(zhì)良好。在廢水進(jìn)水鹽質(zhì)量濃度達(dá) 100 g/L,COD 2000 mg/L,氨氮 10 mg/L 的情況下,出水電導(dǎo)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)在實際垃圾滲濾液反滲透濃水的實驗中,滲透汽化技術(shù)仍表現(xiàn)出良好的濃縮效率及分離性能,膜滲透通量最高達(dá)到了 15.28 L/(m2·h),出水水質(zhì)也能滿足再生水用作工業(yè)用水的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
一個完整的正滲透過程由半透膜、汲取液、原料液構(gòu)成。汲取液和原料液分別置于被半透膜隔開的容器兩側(cè),汲取液側(cè)具有較低的水化學(xué)勢(高滲透壓),原料液側(cè)具有較高水化學(xué)勢(低滲透壓),過程推動力為膜兩側(cè)的滲透壓差。在無外界壓力存在時,水分自發(fā)地從原料液一側(cè)向汲取液一側(cè)遷移,使原料液濃縮,汲取液稀釋,汲取液液位升高,直至膜兩側(cè)液位壓力差與膜兩側(cè)滲透壓差相等,正滲透過程才會停止。被稀釋后的汲取液可以通過加熱、蒸餾、磁場、電場、納濾、反滲透等方式加以再生。正滲透技術(shù)在生活污水處理、高COD有機污水處理等方面均得到了一定規(guī)模的應(yīng)用。應(yīng)用厭氧正滲透膜生物反應(yīng)器(An OMBR)處理COD為3~9 g/L 的有機污水時,An OMBR實驗裝置是將CTA-ES型FO膜組件浸入到厭氧活性污泥之中,F(xiàn)O膜活性層朝向污泥混合液,以 2 mol/L 的乙酸鎂作汲取液,且以 0.4 L/min 的流量進(jìn)行循環(huán)。通過汲取液循環(huán),可以減輕外部濃差極化的影響。正滲透膜初始水通量為 6 L/(m2·h),運行 10 d 后,水通量下降到 1.66 L/(m2·h) 左右。后經(jīng)物理和化學(xué)清洗,膜水通量恢復(fù)到95%左右。反應(yīng)器內(nèi)電導(dǎo)率從 1.58 m S/cm 增加到 9.98 m S/cm。An OMBR對COD的去除率高達(dá)93%以上[5]。正滲透技術(shù)在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用較廣,主要應(yīng)用實例有電廠脫硫廢水處理、煤化工廢水處理等。
反滲透水處理設(shè)備主要通過過濾系統(tǒng)來隔離與處理工業(yè)污水中所存在的各類雜質(zhì)。反滲透水處理設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀主要有以下幾個方面:第一,反滲透水處理設(shè)備所采取的過濾裝置具備較高的精確性,能夠收獲良好的過濾質(zhì)量。當(dāng)前主要應(yīng)用于懸浮粒處理以及大顆粒污染物的處理之中。第二,超級過濾裝置。在這一裝置中存在著真空纖維膜這一特殊成分,通過這一成分能夠有效隔離與過濾污水中極為微小的雜質(zhì)和顆粒。第三,藥水過濾系統(tǒng)的應(yīng)用。由于工業(yè)污水中存在著部分粒徑較小的廢棄物,即使是超級過濾裝置,也不能夠完全保障過濾成效,無法完成對污水中各類污染源的有效隔離,因此通過藥水過濾系統(tǒng)的應(yīng)用,可以讓藥水在工業(yè)中充分發(fā)揮效果,提升微小雜質(zhì)與顆粒的粒徑,這樣就能夠利用砂網(wǎng)來達(dá)成過濾效果。第四,砂網(wǎng)過濾系統(tǒng)的應(yīng)用。這一系統(tǒng)主要是通過絮凝裝置、過濾裝置,以及兩極壓力過濾管來有效過濾工業(yè)污水中所懸浮的大顆粒雜質(zhì),并且利用絮凝裝置有效防止裝置的堵塞。
納濾膜(NF)以其較高水滲透性能、良好水/鹽選擇性和相較于反滲透膜(RO)低工作壓力等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于水處理和廢水回用中。新型納濾膜(NF)解決了傳統(tǒng)的商品NF的分離局限性。例如,對人體有益的礦物質(zhì)除去率過高,對污染物去除率偏低,而且滲透性能-選擇性能的制衡等問題,嚴(yán)重制約了NF的發(fā)展及潛在的應(yīng)用。趙謀銘[6]利用兩性離子高分子刷來改性商品膜表面,大幅提高了膜表面的親水性。改性后的TFC膜對牛血清蛋白的黏附顯著降低,大幅提高了膜的抗污染性能。另外,由于膜表面親水性的提高,改性的復(fù)合膜也可大幅降低疏水性污染物(如內(nèi)分泌干擾物或農(nóng)藥)的溶解擴(kuò)散過程,提高了疏水性污染物的去除。除將納米材料接枝/涂層在膜表面外,也可以將顆粒摻雜在聚酰胺層內(nèi)制備高性能納米摻雜的TFN膜。例如,朱子龍[7]在界面聚合的過程中將沸石納米材料(孔道直徑為 0.4 nm)加入聚酰胺層中,以提高薄膜復(fù)合膜的水通量。沸石改性TFN膜的水通量為對照組的2倍,但TFN膜的NaCl截留率無明顯降低。除在海水淡化中的應(yīng)用外,TFN膜在水處理及水回用領(lǐng)域中也具有較大潛力。另一種常見的納米摻雜NF膜是將納米材料加到鑄膜液中,通過相轉(zhuǎn)化的方式制備納米摻雜的基底,再通過界面聚合生成納米材料混合基質(zhì)復(fù)合膜膜(TFCn)。
綜上所述,膜技術(shù)在工業(yè)廢水處理場景中擁有很強的應(yīng)用優(yōu)勢與發(fā)展前景。在完善膜技術(shù)過程中,也重點關(guān)注不同類別廢水的特性,優(yōu)化膜結(jié)構(gòu),提高其抗酸堿能力以及對高濃度有機質(zhì)、無機鹽以及各類重金屬的過濾與濃縮能力,提升其抗老化能力與抗清洗能力[8]。和舊有的污水處理技術(shù)相比,這種技術(shù)最大的優(yōu)勢就在于強大的處理能力、微小的占地面積,以及污水處理效果好,可以直接進(jìn)行回收和利用。在工業(yè)污水處理工作中,環(huán)節(jié)和流程眾多,MBR技術(shù)只是其中之一,而對于污水中的污泥進(jìn)行后續(xù)處理也包含在污水處理之中。在具體的工作中,基于MBR技術(shù)充分利用的基礎(chǔ)上,發(fā)揮大局意識,對規(guī)劃設(shè)計精心布置,這樣才能更有效地進(jìn)行污水處理,才能更好地對環(huán)境進(jìn)行保護(hù)。