膜分離技術在水和廢水處理中的應用

吳彥君,李國玲

(際華三五零二職業裝有限公司,河北井陘050308)

1 引言

膜分離技術是一門新興的綜合性邊緣科學,涉及到流體力學、熱學、電學、傳質學、化工動力學、高分子物理化學、高分子材料學、機械工程學等多種學科。1950年W.Juda試制出了高選擇透過性能的離子交換膜,奠定了電滲析的實用基礎。1952年,Reid首次用RO進行海水脫鹽。1960年,Loeb和Sourirojin又制出第一張高效能、有應用價值的反滲透膜,標志著膜科學與技術學科的誕生,從此,膜技術獲得迅速而全面地發展。

膜分離技術作為一種先進的分離技術,具有許多不可替代的優點。膜分離技術在水處理中的應用不僅取決于它的分離效果和處理成本,而且與其優點密不可分。膜分離技術在分離濃縮過程中,不發生相變化,也沒有相變化的化學反應,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其它物質,節省了原材料和化學藥品;在膜分離過程中,一種物質得到分離,另一種(或一些)物質則被濃縮,分離和濃縮同時進行,從而能回收那些有價值的物質資源;根據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分開,因此使物質得到了純化而又不改變原有的屬性;膜分離工藝可以在常溫下分離,因而不損壞對熱有敏感和對熱不穩定的物質,非常適用于藥制劑、酶制劑、果汁等的分離濃縮;膜分離工藝適應性強,處理規模可大可小,操作及維護方便,易于實現自動化控制[1,2]。

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

2 膜分離技術在水處理中的應用

2.1 RO用于海水和苦咸水的脫鹽

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

苦咸水是指水中的總溶解固體含量(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、硫酸根等微溶無機鹽離子。反滲透是苦咸水淡化工程最具競爭力的方法,技術相對成熟。目前我國已有上千套規模不等的反滲透苦咸水淡化裝置應用在國民經濟各個領域。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。事實證明,RO是用于海水和苦咸水脫鹽的最經濟手段,是解決沿海缺水地區、干旱地區飲用水和工業用水問題的好方法。

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,對化學藥劑的需用量很少。通過改變膜的空隙尺寸,從MF、UF、NF到RO等能經濟有效地去除賈第蟲胞蘘和陰胞子蟲卵蘘。THM的前質等飲用水消毒副產物(DBP),濁度和色度以及溶解鹽等污染物,從而提高水質,保證飲用水優質安全[4]。在許多城市,分質供水系統(包括管道直飲水系統)的建設已經普遍進行。城市供水中90%的供水水量用于生產,9%為生活用水,1%為飲用水。在北京和沈陽等城市,已建有許多采用RO膜處理技術的分質供水系統,用于處理和提供優質飲用水,而各種膜分離技術為此提供了有力的技術保證。

3 膜分離技術處理城市生活污水

3.1 膜生物反應器處理生活污水并實現中水回用

目前全球投入運行或在建的MBR系統已超過2500套。已投入運行的規模最大的MBR污水處理工程是位于德國Kaarst市的Nordkanal污水處理廠,設計平均流量為4.5萬m3/d。在建規模最大的是美國Brightw ater污水處理廠,設計平均流量為11.7萬m3/d,預計將于2010年投入運行。我國對MBR的應用發展迅速,目前已有多個正在運行和建設中的規模大于1萬m3/d的MBR工程項目,包括密云污水處理廠再生水廠,設計平均流量為4.5萬m3/d;內蒙古金橋污水處理廠,設計平均流量為3.1萬m3/d;北小河污水處理廠,設計平均流量為6萬m3/d[5,6]。

膜生物反應器(Membrane bioreactor,MBR)是膜分離技術與生物反應器相結合的新技術,其主要工藝特點如下[7]。

(1)能夠高效地進行固液分離。分離效果優于傳統的沉淀池,出水水質良好,出水懸浮物和濁度接近于零,可以直接回用,實現了污水資源化。

(2)膜的高效截留作用。使微生物完全截留在反應器內,實現了反應器水力停留時間(HRT)和污泥齡(SRT)的完全分離,使得運行更加靈活穩定。

(3)反應器內的微生物濃度高,耐沖擊負荷。

(4)系統硝化效率較常規的生物反應器有所提高。這是由于污泥停留時間較長(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)以及難降解有機物分解菌地截留、生長和繁殖。

(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器內有足夠的停留時間,大大的提高了難降解有機物的降解效果。反應器在高容積負荷、低污泥負荷、長泥齡的條件下運行,可以實現基本無剩余污泥的排放。

(6)結構緊湊,占地面積小,工藝設備集中,易于一體化自動控制。

(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器的應用。

當前國內MBR技術地研究與發展重點在于以下幾方面,包括通過開發新型膜材料,不斷成熟膜與膜組件制備工藝技術,提升MBR膜與膜組件產品性能與質量,降低膜的價格和投資成本;通過加強對膜技術與傳統處理工藝組合的研究,開發新的MBR工藝路線,拓寬 MBR的應用領域;通過對已有MBR工藝設計、操作參數地分析研究,增加技術應用的經驗積累;通過對膜污染機理的系統研究,探索有效的膜污染防治措施和清洗技術,提高膜系統的運行效率,延長膜的使用壽命[8]。

3.2 膜分離濃縮-高效厭氧組合新技術處理市政污

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達到6000～8000m g/L,然后用高效厭氧反應器進行甲烷發酵生產生物能源,透析液可以回用于工業冷卻、市政水景觀、市政綠化、消防用水、補充地表水與地下水以及各種生活雜用等,也可以進一步處理成優質飲用水商品,從而開辟了市政污水處理的新途徑,充分實現城市污水的資源化利用。

這種NF膜技術與高效厭氧工藝聯合處理市政生活污水,既避免了傳統好氧處理工藝需供氣而大量耗能的缺點,又可以利用厭氧細菌生產沼氣能源,有效減少處理過程的碳排放,是一種可持續的低碳污水處理工藝技術。而且膜出水水質遠高于傳統工藝出水,可以充分實現污水的資源化利用,是市政生活污水處理的新途徑。隨著制膜技術地進步,膜通量將大幅度提高,同時膜組件價格將大幅度下降,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用。

3.3 膜分離技術處理工業廢水

工業廢水再生回用是減少污染物排放量、節約水資源,實現節能減排的關鍵途徑之一。工業廢水水量大,含有原料、添加物及副產物等殘留物質,水質復雜多變,污染嚴重,應用膜分離技術處理工業廢水具有重要意義。早在20世紀70年代,RO膜已開始用于處理電鍍廢水并使之循環回用,在汽車生產廠中也已應用超濾膜處理電渡電泳漆廢水,使該生產線實現清潔生產。在染料生產廢水中,NF膜已適用于其脫鹽、脫色和去除有機污染物。對于含油廢水地處理回用,UF膜在其中起著關鍵作用。

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

4 結語

隨著水資源短缺和水污染的不斷加劇,人們對水問題的也日益關注。目前以滿足各種水資源化為目標的、以各種膜分離技術為基礎并與各種傳統工藝設施整合的一系列集成技術和成套設施或自控系統正在成為水處理領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、膜制造技術地進步,膜通量地有效提高、同時膜元件價格大幅度下降,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。膜分離技術作為人們解決各種水問題、緩解水危機的有效手段之一,將在城市的水生態建設與維持中發揮著不可代替的作用。

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[11]GB3544-2008,制漿造紙工業水污染物排放標準[S].北京：中國標準出版社,2008.