膜技術在化工廢水處理中的應用

曹書嶺，莫曉媛

（杭州水處理技術研究開發中心有限公司，浙江杭州 310012）

1 化工廢水處理中膜技術概述

1.1 化工廢水處理中膜技術的原理

在化工廢水處理中所使用的膜，主要指的是一種具有選擇透過性的膜，也就是在兩種或兩種以上的物質經過時，它可以按照這些物質的一些性質和結構，將這些物質進行分離、提純、濃縮，從而保證產品的品質。通過有關資料的調查發現，目前在企業中使用的膜可以被劃分成固相、液相、氣相三種類型。而在膜技術中，膜結構既可以是均質的，也可以是非均質的，這對企業膜技術的分離效果造成的影響可以說是微乎其微，但是為了最大限度地提升膜技術的分離品質和分離效率，在膜技術中使用到的膜一定要具備選擇透過性。膜分離技術在應用的過程中，其工作原理主要包括以下兩個方面：一方面，此項技術是以兩種或兩種以上混合物質質量、體積、大小、密度及幾何形態的差異為依據，可以通過過篩的方式對其進行分離。同時，該方法也可以依據混合液中各種物質的化學特性，采用有效的方法來實現它們的分離。通常情況下，混合物的溶解速度在某種程度上與物質進入膜的速度和擴散速度有關，也就是說，被分離物與膜材料的化學性質越接近，差異越小，物質的溶解速度就越快，而混合物中物質的擴散速度除了與物質的化學性質有關之外，還與物質的分子量有關，分子量越大，物質的擴散速度越快，穿透膜所需的時間就越短，分離效率就越高。在實際應用中，這種方法可以實現對特定體系中的有機或無機雜質的選擇性分離。在此基礎上，利用膜分離技術中的強滲透特性，可以對某一種雜質進行分離。將某一種特殊的溶劑引入到已有的膜分離器中，在其與膜面的接觸過程中，因其滲透率的差別，達到對某一種雜質進行分離與過濾的目的。但在實踐中，外源能量可作為一種助推器，對組分進行分離和濃縮，并對其進行提純。

1.2 化工廢水處理中膜技術的特點

膜技術主要指的是使用高分子薄膜（人工合成或者天然），通過膜兩側的壓力差、溶液的濃度差、電勢差或者溫度差，來分離、濃縮或純化兩組及以上的溶液。膜技術具有如下特征：①膜分離是一種物理過程，不會改變材料的性能，不會生成新的材料，所以整個分離過程的能耗很低；②其應用領域很廣，從顆粒級，微生物級，一直到離子級的物質，都能用它來分離；③膜法工藝設備簡單，易于操作。膜分離技術是一種基于膜材料機械截留效應的新型技術，其分離效率優于二次沉淀池，且不會因為污泥膨脹而導致出水水質超標。目前，化學工業中應用較為廣泛的有微濾、納濾、超濾、反滲透、電滲析、滲透汽化、氣體分離、乳化膜等。膜技術具有裝置簡單，操作方便，分離效果好、消耗能量少、無相變、無污染、分離后的產品可循環使用、分離過程具有較高的自動化等優點，因此，它在很多領域都得到了廣泛的應用。

1.3 膜技術的基本分類

研究表明，膜分離技術是20世紀60年代末快速發展起來的一種新的分離技術，其相對于傳統的分離技術，性能上都有顯著的提高，因而在21世紀的工業技術變革中起著舉足輕重的作用。隨著我國科技水平的提高，膜技術的研究與開發也有了新的突破，其技術類型和應用領域涵蓋了行業的各個方面。所以，全面系統地理解、分類膜技術，是保證公司長遠穩定發展的關鍵。一般來說，如果按照膜結構來劃分，在化工污水處理中，膜可被劃分成兩種類型，一種是固膜，另一種是液膜，其中，固膜可以被劃分成對稱膜和不對稱膜，液膜可以被劃分成兩種類型，一種是存在于固體多孔支撐層中的液膜，另一種是以乳液形式存在的液膜。如果按照化學成分來劃分的話，在化工廢水處理中所使用的各類膜的性能也是不同的，而在這些膜中，化學穩定性、熱穩定性、機械性能和親和性能都是膜材料化學成分分類的主要依據。如果按照幾何形狀來劃分，化學廢水處理中的膜構成結構可以劃分為板框式、圓管式、螺旋卷式和空纖維式四種類型，并且在應用膜技術時，這四種膜組件都是膜分離設備最基本的分離單元。

2 化工廢水處理中膜技術的應用現狀

首先，膜法是一項新興的污水處理技術，它具有耗時短、技術含量高等優點。目前，我國大部分化工企業在這方面的技術和經驗都比較欠缺。這就導致了在實際操作中，各種問題層出不窮，很難取得理想的效果。薄膜利用率低，壽命短。長久以來，由于膜技術的應用潛力未被充分挖掘，使得有關企業對膜技術的污水處理能力持懷疑態度，極大地制約了膜技術在化工污水處理領域的應用。其次，膜分離技術因其自身的優越性而被廣泛應用于各行業。今后，隨著薄膜技術的進一步發展，薄膜技術必將融入更多產業。所以，在國內，膜分離技術有著廣闊的發展前景。歐美等發達國家都認識到了中國巨大的市場潛力，一直以來都在密切關注著這一領域的發展。有些公司為更好地服務本土廠商，已經在中國建立了生產基地。但在國內，受國外技術封鎖的制約，目前仍處于較低水平。我國很多高端薄膜仍然依賴于進口，而自主開發的滯后已成為制約我國其他產業健康發展的重要因素。

3 膜技術在化學污水處理中的應用分析

3.1 超濾膜的技術原理及應用分析

薄膜技術的原理，通過對化工廢水的分離、凈化和集中處理，可以將污染物分離出來。其優勢是可以提高廢水處理的效率和品質。超濾膜技術主要以有效地去除或殺死水中的真菌、藻類和其他細菌，并且可以避免超濾膜技術對微生物的影響，這會影響到這些物質的氧化物，也可有效地抑制生長微生物。超濾處理的另一個優勢是改善工業廢水的污染。許多雜質會阻礙光線的照射，從而影響污水的處理效果。超濾技術是解決該問題、提高污水水質的有效方法。在化工污水處理方面，利用超濾技術進行污水處理，其污水處理效果顯著優于常規污水處理技術，且可有效地降低化學藥劑用量，提高了對廢水的化學處理效果，防止了二次污染。此外，超濾膜還具有抗酸性和堿性，不會被化學物降解等特點。該方法能對懸浮物中的大部分膠體細菌進行高效過濾。所以，對污水中的一些有機污染物，可以采用升華法處理。相對于傳統的污水處理方法，污水處理費用相對較低。同時，將超濾膜技術應用于化工污水的處理，對污水的處理技術提出了更高的要求。因此，在我國污水處理中，尤其是在飲用水、造紙等行業中，應采用超濾膜技術。

3.2 反滲透膜分離技術應用分析

這種膜是目前最先進的，也是最環保的，同時也是最有效的。分析其原理，主要是利用了溶液滲透壓的原理，使某些物質不能有效地透過半透膜，從而與水進行有效地分離。反滲透復合膜以芳族聚酞胺為主要原料，采用海水淡化的方法獲得可用于日常生活的飲用水，將原有的二次流程提升到一次流程，使其綜合性能大幅提升。反滲透膜設備運到現場后，必須將其放置在5～38℃的溫度下，并保證其通風效果。該設備運抵工地后，必須在30 d 之內安裝完畢，才能投入使用。要想對設備進行操作和使用，必須安排專門的人員，這樣才能盡量減少誤操作和設備故障的發生，延長設備的使用壽命。

3.3 微濾膜的原理及應用分析

微濾膜是一種被廣泛用于化工污水處理的新型膜材料，可有效去除水中重要顆粒物（如膠體和部分懸浮物），但其去除難度很大。對于污水的深度處理，目前普遍認為微濾膜并不是最基礎的技術，但是它也有一定的預處理作用。微濾技術由于其成本較低且易于控制，被廣泛應用于半導體材料；而膜技術則可被應用于污水處理，以實現對阻力的優化。此外，大孔微濾膜還可以與污水的物理化學預處理相結合，進一步提升污水處理效果，促進污水處理工藝的推廣應用。同時，也可在后續的膜加工中，防止其他孔隙的膜堵塞，這會使污水處理的效果變差。

3.4 造紙廢水的處理應用

在人類文明的發展進程中，紙起著舉足輕重的作用，它存在于各行各業。但是，造紙工業不但耗材很多，而且還會排放很多污水。這些廢水中包含了大量的木質素、堿性物質等，如果沒有針對性地處理，會嚴重影響到污水處理工藝的正常運轉，從而對生態環境造成危害。將超濾膜技術應用于造紙廢水的處理，既能夠對廢水中的雜質進行徹底凈化，又能夠對紙漿進行高效的分離，分離后的紙漿能夠進行回收和再利用。并且，經過超濾膜過濾后的廢水可以再回收到造紙生產中，既可以保護生態環境，又可以大幅降低企業的用水成本，有利于提高企業的經濟效益。對被超濾膜過濾攔截下來的雜質，可以采用物理化學方法進行處理，并將有用的物質提取出來再利用。同時，對剩余的有害物質進行無害化處置，從而達到對造紙工業廢水進行高效治理，促進造紙工業可持續發展的目的。

3.5 用于處理工業電鍍廢水

因為電鍍工業的特殊性，它在國家工業結構體系中相當重要，但是它也具有高排放、高消耗的特征，會消耗大量的水資源，而且電鍍廢水的處理也比較困難。與其他行業相比，電鍍行業具有一定的特殊性，它的廢水中所包含的污染物具有很強的毒性，其中比較常見的有鎘、鎳等，這些污染物很容易對農作物以及人體造成危害，因此，對電鍍廢水時，必須進行有效的處理，才能將其排放出去。這些污染物大多具有較低的生物化學性質，一般不會被微生物直接處理和吸附。所以，在對污水進行處理時，如果采用傳統的電解方法，工作效率往往不盡如人意，需要耗費大量的人力和物力，這對電鍍企業的穩定發展是不利的。在電鍍處理過程中，將反滲膜技術與超濾膜技術相結合，可以很好地解決上述問題。它可以對至少85%的有機碳進行處理，從而極大地減少了有害化學物質的含量，避免對周圍環境造成嚴重污染，從而推動電鍍工業的發展。

3.6 活性炭預處理的應用

使用具有大表面積的吸附能力的活性炭（GAC或 PAC）和吸附劑，能夠被用來吸收溶解性有機物，去除原水中的雜質，提升超濾膜滲透水通量，減少不必要的阻力，確保飲水的可行性。董秉志等利用粉狀活性炭及超濾法對黃浦江的原水進行了處理。實驗結果顯示，加入粉狀活性炭后，對有機污染物的去除效果明顯；粉狀活性炭不會增大膜的過濾阻力，能夠很好地去除膜表面的污垢，從而提高了膜的過濾效率。研究表明，由于疏水性物質的存在，導致了膜通量的降低。所以，PAC 對膜的去除效果并不明顯。活性炭在膜過濾中的作用主要表現在：吸附了大量易被污染的膜，減少了過濾阻力，增加了膜透性的有機物；缺點是對有機物質的去除也有一些局限性；同時，由于活性炭長期停留在膜的表面，很有可能在活性炭的內部形成微生物，從而對膜造成污染。

4 結束語

膜法是一種極具發展潛力的新型化學廢水處理技術。盡管目前在膜材料的選擇、膜的結構與性質，以及膜的運行條件上仍存在一定的挑戰與困難，但隨著技術的發展，將會逐漸得到解決。隨著時間的推移，這種新型的膜分離技術必將得到進一步的發展，從而為工業廢水的治理提供一種更有效、更環保的方法。本項目的實施，只是其中的一小部分，仍需對其進行進一步的研究，以尋求其新的應用與發展方向，促進環境保護與可持續發展。目前，膜分離技術在化工污水處理領域仍存在膜污染、膜性能穩定、能耗高等問題。要使該技術得到更廣泛的應用，就必須對其進行更深層次的研究，并在此基礎上對該技術進行優化，使其在分離過程中具有更好的穩定性。在此基礎上，進一步開發復合、混合等新型膜技術的應用方式，提升其對化工污水的綜合處理效果。本項目的實施，將為工業廢水高效、環境友好的生物降解技術的發展提供新的思路和方法。在未來的時間里，膜分離技術必將在各個方面起到越來越大的作用，為環境保護和可持續發展作出更大的貢獻。