膜技術(shù)在水處理和污水資源化應用新進(jìn)展

摘要:闡述了污水資源化的必要性,介紹了膜技術(shù)原理、分類(lèi)及特點(diǎn),重點(diǎn)介紹了膜技術(shù)在污水處理和資源化方面的優(yōu)勢及應用現狀,并展望了膜技術(shù)在污水資源化方面的發(fā)展前景.

關(guān)鍵詞:膜技術(shù),水資源,水處理,污水資源化

1污水資源化的必要性

我國水資源的人均占有量?jì)H為世界人均的1/4,水資源人均擁有量只有2220立方米,在全球范圍內屬于缺水國家,而同時(shí),我國又是世界上污水排放量最大、污水排放增加速度最快的國家之一,近幾年我國各種廢水及主要污染物的排放量處于逐漸增加的趨勢.這一狀況加劇了水資源緊缺的危機[1].

隨著(zhù)我國水資源短缺和污染的加劇,我們必須擴展水資源的概念和內涵,污水也是重要的水資源,對其進(jìn)行充分利用,不僅可以緩解水資源的緊張,增加水資源的有效供給量,而且通過(guò)污水處理再利用,可以減少對水資源的污染,對環(huán)境治理具有重要的推動(dòng)作用.提高水資源利用率,已成為我國水資源利用過(guò)程中的當務(wù)之急.

2膜技術(shù)簡(jiǎn)介

膜分離技術(shù)是以選擇性多孔薄膜為分離介質(zhì),使分離的溶液借助某種推動(dòng)力(如:壓力差、濃度差、電位差等)通過(guò)膜,低分子溶質(zhì)透過(guò)膜,大分子溶質(zhì)被截留,以此來(lái)分離溶液中不同分子量的物質(zhì),從而達到分離、濃縮、純化目的[2].
膜分離技術(shù)被公認為是目前最有發(fā)展前途的高科技之一. 近些年來(lái), 膜技術(shù)迅速發(fā)展備受矚目. 擴散定理、膜的滲析現象、滲透壓原理、膜電勢等研究為膜的發(fā)展打下了堅實(shí)的理論基礎, 而相關(guān)科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)也使得膜的實(shí)際應用成為可能.

二百多年前, No11et 發(fā)現膜的滲透現象以來(lái), 膜分離技術(shù)已有巨大的成功. 如30 年代的微孔過(guò)濾、40 年代的滲析、5 0 年代的電滲析、60 年代的反滲透、70 年代的超濾、80 年代的氣體分離、90 年代的滲透蒸發(fā)相繼問(wèn)世. 膜分離技術(shù)日趨成熟, 應用十分廣泛. 從環(huán)境、化工、生物到食品各行業(yè)都采用了膜分離技術(shù)[ 3] .目前, 膜技術(shù)主要有以下幾種:

( 1) 反滲透( RO) 膜技術(shù). 反滲透( 又稱(chēng)高濾) 過(guò)程是滲透過(guò)程的逆過(guò)程, 推動(dòng)力為壓力差, 即通過(guò)在待分離液一側加上比滲透壓高的壓力, 使原液中的溶劑被壓到半透膜的另一側. 反滲透技術(shù)的特點(diǎn)是無(wú)相變, 能耗低、膜選擇性高、裝置結構緊湊, 操作簡(jiǎn)便, 易維修和不污染環(huán)境等.

( 2) 納濾( N F) 膜技術(shù). 納濾技術(shù)是超低壓具有納米級孔徑的反滲透技術(shù). 納濾膜技術(shù)對單價(jià)離子或相對分子質(zhì)量低于200 的有機物截留較差, 而對二價(jià)或多價(jià)離子及相對分子質(zhì)量介于200- 1000 的有機物有較高脫除率. 納濾膜具有荷電, 對不同的荷電溶質(zhì)有選擇性截留作用, 同時(shí)它又是多孔膜, 在低壓下透水性高.

( 3) 微濾( MF) 膜技術(shù). 微濾膜是以靜壓差為推動(dòng)力, 利用篩網(wǎng)狀過(guò)濾介質(zhì)膜的篩分作用進(jìn)行分離.微濾膜是均勻的多孔薄膜, 其技術(shù)特點(diǎn)是膜孔徑均一、過(guò)濾精度高、濾速快、吸附量少且無(wú)介質(zhì)脫落等.主要用于細菌、微粒的去除, 廣泛應用在食品和制藥行業(yè)中飲料和制藥產(chǎn)品的除菌和凈化, 半導體工業(yè)超純水支配過(guò)程中顆粒的去除, 生物技術(shù)領(lǐng)域發(fā)酵液中生物制品的濃縮與分離.

( 4) 超濾( U F) 膜技術(shù). 超濾是以壓差為驅動(dòng)力, 利用超濾膜的高精度截留性能進(jìn)行固液分離或使不同相對分子質(zhì)量物質(zhì)分級的膜分離技術(shù). 其技術(shù)特點(diǎn)是: 能同時(shí)進(jìn)行濃縮和分離大分子或膠體物質(zhì). 與反滲透相比, 其操作壓力低, 設備投資費用和運行費用低, 無(wú)相變, 能耗低且膜選擇性高. 在食品、醫藥、工業(yè)廢水處理、超純水制備及生物技術(shù)工業(yè)領(lǐng)域應用較廣泛.

( 5) 電滲析( ED) 膜技術(shù). 電滲析是一個(gè)電化學(xué)分離過(guò)程, 是在直流電場(chǎng)作用下以電位差為驅動(dòng)力,通過(guò)荷電膜將溶液中帶電離子與不帶電組分分離的過(guò)程. 該分離過(guò)程是在離子交換膜中完成的. 主要應用于海水淡化, 苦咸水脫鹽, 海水濃縮制鹽, 乳精、糖、酒、飲料等的脫鹽凈化, 鍋爐給水、冷卻循環(huán)水軟化, 廢水中高價(jià)值物質(zhì)回收與水的回用, 廢酸、廢堿液凈化與回收等.

( 6) 雙極膜( BPM) 技術(shù). 雙極膜是由陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜疊壓在一起形成的新型分離膜.陰陽(yáng)膜的復合可以將不同電荷密度、厚度和性能的膜材料在不同的復合條件下制成不同性能和用途的雙極膜. 主要應用于酸堿生產(chǎn)、煙道氣脫硫、食鹽電解等.

( 7) 滲透蒸發(fā)( PV) 膜技術(shù). 滲透蒸發(fā)是一個(gè)壓力驅動(dòng)膜分離過(guò)程, 它是利用液體中兩種組分在膜中溶解度與擴散系數的差別, 通過(guò)滲透與蒸發(fā), 達到分離目的的一個(gè)過(guò)程, 其設備投資和運行費用較低. 近年來(lái), 對滲透蒸發(fā)技術(shù)的研究雖然進(jìn)展很快, 但它單獨使用的經(jīng)濟性并不好.

3 膜技術(shù)在水處理及污水資源化中的應用

3.1 膜技術(shù)的優(yōu)勢

與傳統的水處理技術(shù)相比, 膜技術(shù)以其占地省、使用化學(xué)添加劑少、自動(dòng)化程度高、運行管理方便等明顯特點(diǎn), 已被越來(lái)越多的人所認識到. 同時(shí)膜技術(shù)可以與傳統技術(shù)很好地結合, 無(wú)論是物理、化學(xué)處理法、生物處理法等等都可以有最佳的組合型解決方案, 而膜可以在其中發(fā)揮核心作用. 特別需要指出的是, 膜法水處理技術(shù)和解決方案的優(yōu)勢, 在中國將更顯突出, 節省土地意義重大, 大大減少添加劑的使用意味著(zhù)能大大降低環(huán)境風(fēng)險.膜技術(shù)是水凈化和純化的有效手段. 使用膜可以去除水中的懸浮物、細菌、有毒金屬物質(zhì)和有機物,大大改善水質(zhì). 與傳統分離技術(shù)相比, 膜技術(shù)具有高效、節能、環(huán)境友好、過(guò)程容易控制、操作方便、易與其他技術(shù)集成等優(yōu)點(diǎn).膜技術(shù)對我國生活污水、工業(yè)廢水的處理和資源化利用有重要戰略意義. 當前, 我國環(huán)境保護形勢依然嚴峻, 膜技術(shù)的使用, 則可大幅度削減污染物排放量, 尤其是難處理的印染、皮革、電鍍、焦化、釀造等領(lǐng)域產(chǎn)生的工業(yè)廢水, 一般技術(shù)處理均難以達標. 膜技術(shù)是處理這些工業(yè)廢水的重要技術(shù)之一. 此外,膜技術(shù)在城鎮生活污水處理上已有眾多成功運營(yíng)典型, 取得了較大進(jìn)展.

3.2  膜技術(shù)應用現狀

3.2.1  海水和苦咸水的淡化

目前膜在海水和苦咸水的淡化領(lǐng)域里的應用已達到成熟階段. 日處理量達幾十萬(wàn)噸的膜海水淡化裝置已建立, 為海邊缺水地區人民解決了用水問(wèn)題. 我國西部也建立了許多大型苦咸水淡化裝置[ 4] . 海水淡化裝置中反滲透膜分離應用的很廣泛, 大約30%的海水淡化裝置是反滲透, 可脫去海水中99% 以上的鹽離子.

3.2.1 飲用水的凈化

自1984 年以來(lái), 歐洲已有幾十套無(wú)機膜處理裝置建立運行, 生產(chǎn)低濁度的飲用水. 法國Moulin 等人用無(wú)機膜與臭氧/ 絮凝劑結合處理地表水, 出水水質(zhì)達到飲用水標準. 大同市成功地用有機微濾膜設備處理水庫水中大顆粒物及部分細菌微生物, 緩解了市民的飲水問(wèn)題.

3.2.3  工業(yè)廢水處理

國內的南京化工大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)研究所與武漢鋼鐵集團公司能源總廠(chǎng)供水廠(chǎng)合作對軋鋼乳化廢水用陶瓷膜過(guò)濾法進(jìn)行了中試, 結果無(wú)論從經(jīng)濟還是從技術(shù)的角度均優(yōu)于國外普遍采用的0.01m 有機膜過(guò)濾法. 1986 年, 中科院生態(tài)環(huán)境中心用超濾法處理含油污水, 在0.1 MPa, 水通量保持在60-120L/ m3 * h 的情況下, 200-1000 mg / L 的水處理達到環(huán)境排放標準. 1994 年, 在北京印鈔廠(chǎng)安裝了超濾設備用于處理印鈔擦版廢水, 處理能力為2 m3 / h, 迄今運轉良好.

3.2.4  污水資源化

膜技術(shù)作為一門(mén)嶄新的跨學(xué)科實(shí)用化技術(shù), 近年來(lái)在污水資源化利用方面漸露頭角. 隨著(zhù)我國膜工業(yè)產(chǎn)業(yè)化水平的提高, 國產(chǎn)的反滲透膜、超濾膜、微濾膜的品質(zhì)快速提升, 使得國外的一些反滲透膜、超濾膜、微濾膜的價(jià)格也在逐步下降, 這也進(jìn)一步促進(jìn)了膜技術(shù)在污水資源化利用工程中的大規模應用.
膜技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化為污水資源化利用開(kāi)辟了新路, 要提高水資源利用率, 就必須在污水資源化利用上做文章. 膜技術(shù)作為當今世界上先進(jìn)的污水處理技術(shù), 以其能耗低、效率高、污染少等特點(diǎn)在污水資源化利用上有著(zhù)獨特的優(yōu)勢.

膜法水處理可以與其他深度水處理辦法相媲美[ 5-8] . 污染物較多的污水的處理, 常規辦法是沉淀、曝氣、過(guò)濾, 深度處理用活性炭、臭氧等, 其不足慢慢顯示了出來(lái), 這種方法投資大、能耗高、效率低, 而且,處理后的水品質(zhì)不高; 現在膜技術(shù)在價(jià)格上、技術(shù)上都有優(yōu)勢, 通過(guò)膜分離能將工業(yè)污水中的有害物質(zhì)脫出, 作為工業(yè)新鮮水的補充水再循環(huán)回用.

我國膜技術(shù)在污水資源化領(lǐng)域的應用正大規模推廣. 再生水廠(chǎng)就可以采用超濾膜水處理技術(shù). 它是以污水處理廠(chǎng)二級處理的出水作為水源, 經(jīng)過(guò)深加工后達到回用要求, 通過(guò)壓力管線(xiàn)供給使用方. 污水處理廠(chǎng)處理后的二級出水在壓力的作用下, 采用0􀀁 02 微米超濾膜對水進(jìn)行過(guò)濾凈化, 再經(jīng)過(guò)活性炭處理, 臭氧消毒, 達到國家􀀁類(lèi)水體標準, 水質(zhì)清澈透明, 無(wú)色無(wú)味.

膜技術(shù)除了在一些大型污水處理廠(chǎng)和再生水廠(chǎng)得到應用外, 近幾年隨著(zhù)節水減排的工作力度的加大, 在鋼鐵企業(yè)、石化企業(yè)、電力行業(yè)等先后投入和建設的很多污水回用工程中, 膜技術(shù)也得到了非常廣泛的應用.具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

4 膜技術(shù)在水處理及污水資源化應用展望

隨著(zhù)膜性能的不斷提高, 膜價(jià)格的不斷降低, 中國城市水廠(chǎng)的膜時(shí)代已經(jīng)到來(lái). 可見(jiàn), 無(wú)論在污水領(lǐng)域還是供水領(lǐng)域, 膜技術(shù)均已悄然掀起一場(chǎng)革命. 在人類(lèi)面臨越來(lái)越嚴重的生態(tài)危機和水的需求日益高漲的今天, 膜材料的迅速發(fā)展推動(dòng)膜法水處理技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展. 膜法水處理技術(shù)和工藝已經(jīng)在工業(yè)、市政等所有用途的水處理過(guò)程中得到極為廣泛的應用. 隨著(zhù)膜本身制造技術(shù)的完善和大量應用,它帶來(lái)的是水處理成本的大幅度下降.膜技術(shù)在我國的水處理領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用, 而污水資源化, 是解決我國缺水的必要途徑. 膜技術(shù)在城市污水回用工程中的成功應用, 也進(jìn)一步推動(dòng)了膜技術(shù)在我國污水資源化領(lǐng)域的應用推廣, 為污水資源化利用開(kāi)辟了一條新路.(中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )通信有限公司唐山市分公司)