反滲透工藝在污水深度處理中的應(yīng)用

寧愛(ài)民

摘 要：為了緩解嚴(yán)峻的水資源形勢(shì)，除大力加強(qiáng)節(jié)約用水外，以污廢水再生處理作為非傳統(tǒng)水資源被廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。以反滲透（RO）為核心的膜分離技術(shù)作為 21 世紀(jì)水處理領(lǐng)域中的關(guān)鍵手段以其高效、占地面積小、產(chǎn)水水質(zhì)高、運(yùn)行可靠、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和集成化等優(yōu)勢(shì)為獲得高品質(zhì)的再生水提供了重要的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：水資源形勢(shì)；反滲透；污廢水；深度處理；核心技術(shù)

1 RO 膜分離技術(shù)

RO 膜分離技術(shù)是以膜兩側(cè)靜壓差為推動(dòng)力，以水分子為代表的小分子溶劑在克服滲透壓的情況下通過(guò) RO 膜從而實(shí)現(xiàn)與雜質(zhì)分離的膜過(guò)程。操作壓力一般在 1.5～10.5 MPa，可截留 1～10 A 的小分子雜質(zhì)。在水處理中，RO 作為關(guān)鍵性設(shè)備，可以去除水中 97%以上溶解性無(wú)機(jī)物、99%相對(duì)分子量300 及以上的有機(jī)物、99%以上包括細(xì)菌在內(nèi)的各種微粒及 95% SiO2。

2 RO 膜分離技術(shù)在污廢水處理中的應(yīng)用

2.1 高礦化度廢水處理中的應(yīng)用

2.1.1 礦進(jìn)水處理

以礦井水為代表的高礦化度廢水，其特點(diǎn)是礦化度高，尤其井下涌水，平均礦化度在 1 000 mg/L以上，含有大量的 Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO42-、HCO3- 等 離 子 ，SS 中有機(jī)成分少，COD 低于 1.5mg/L。對(duì)于水資源嚴(yán)重缺乏的礦區(qū)，利用 RO 技術(shù)深度處理作為生產(chǎn)和生活用水已被廣泛推廣。

2.1.2 冶金行業(yè)廢水處理

鋼鐵工業(yè)作為高耗水、高污染的資源型產(chǎn)業(yè)，其耗水量已占全國(guó)工業(yè)總耗水量的 14%，將其進(jìn)行深度處理回用于生產(chǎn)和生活，減少噸鋼耗新水量，已在冶金行業(yè)大力推行。鋼鐵工業(yè)廢水水質(zhì)成分復(fù)雜，各項(xiàng)指標(biāo)波動(dòng)較大，尤其 Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、SO42-、F- 及 SiO2 等含量均較高，若不對(duì)高價(jià)金屬離子進(jìn)行預(yù)脫出，RO 膜將會(huì)面臨嚴(yán)重的無(wú)機(jī)污染。

2.2 難降解有機(jī)污廢水處理中的應(yīng)用

2.2.1 印染廢水和石化廢水處理

印染廢水除含有大量染料、漿料外，還有無(wú)機(jī)鹽、酸堿等成分。其色度高達(dá) 4 000 倍，具有水量大、有機(jī)污染物含量高、水質(zhì)變化大、可生化性差等特點(diǎn)。石化污水具有水量和水質(zhì)波動(dòng)大、污染物成分復(fù)雜的特點(diǎn)，其中生產(chǎn)中帶入的油含量最高可達(dá) 3 0 g/L、硫化物接近 50 mg/L，COD 約為 1 g/L，各種鹽質(zhì)量濃度接近 12 g/L，還含有揮發(fā)酚等有毒有害物。

2.2.2 垃圾滲濾液的深度處理

垃圾滲濾液主要來(lái)源于填埋場(chǎng)降水，其污染物主要來(lái)源于微生物對(duì)垃圾的分解和降水淋溶，水質(zhì)十分復(fù)雜且波動(dòng)大，COD 遠(yuǎn)高于城市污水，最高可達(dá) 30 000 mg/L，可生化性差。此外，滲濾液還可能含有 Fe2+、Cd2+、Cr3+、Cu2+、Zn2+ 等多種金屬離子。在發(fā)酵階段，F(xiàn)e2+ 的濃度甚至高達(dá) 2 000 mg/L、Ca2+ 高達(dá) 4000 mg/L。盡管 A/O 二段生化處理工藝已被廣泛用于垃圾滲濾液中的有機(jī)物降解和脫氮處理，但出水效果并不穩(wěn)定。為此，WANG 等利用 A/O-MBR+NF+RO 工藝處理垃圾滲濾液研究中發(fā)現(xiàn)，向 A/O 反應(yīng)器中加入活性炭，不僅可改善系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物和重金屬的去除效果，同時(shí)還能減輕膜污染。

2.3 市政污廢水高品質(zhì)回用處理中的應(yīng)用

市政污廢水經(jīng)過(guò)二級(jí)生化處理后，排水中有機(jī)物含量相對(duì)較低，通常 BOD5<30 mg/L、SS<30 mg/L，但殘余的有機(jī)物可生化性較差，TDS 在 3 000 mg/L左右。RO 作為核心技術(shù)，已經(jīng)被廣泛用于各種污廢水的深度處理或高品質(zhì)回用水處理。為了充分發(fā)揮 RO 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)最大限度的減緩膜污染、降低水處理成本，針對(duì)具體水質(zhì)已發(fā)展出了一系列組合工藝。

3 RO 膜分離技術(shù)在污廢水處理中的研究現(xiàn)狀

3.1 膜污染形成機(jī)理的揭示

膜污染的有效控制直接關(guān)系到 RO 膜的使用壽命及處理工藝穩(wěn)定性，污染機(jī)理研究包括有機(jī)污染物的分析及產(chǎn)生過(guò)程揭示。

3.1.1 RO 進(jìn)水中有機(jī)污染成份分析

污廢水經(jīng)生化處理和 MF 或 UF 膜截留后，產(chǎn)水中依然殘留一定量溶解性的小分子有機(jī)物，其中微生物代謝產(chǎn)物和次生代謝產(chǎn)物約占出水TOC 的 83%，主要包括多糖類物質(zhì)、蛋白質(zhì)、油脂、核酸、腐殖酸、抗生素、細(xì)胞物質(zhì)等。目前圍繞SMP 污染 RO 膜的研究比較熱烈，主要圍繞 SMP濃度、分子量、親疏水性、荷電性及模擬其對(duì) RO 膜污染過(guò)程展開。

3.1.2 RO 膜污染的形成

對(duì)于污廢水處理工藝中的 RO 系統(tǒng)，進(jìn)水中不僅含有 SMP、殘余的微生物、難降解酚、酮、醛、多環(huán)芳烴類等小分子有機(jī)物和一些氯取代烴類的消毒副產(chǎn)物，還有污廢水本身攜帶的重金屬離子及絮凝劑帶入的 Fe3+、Al3+ 等高價(jià)金屬離子，這些都將進(jìn)一步加大 RO 膜污染的復(fù)雜性。

3.2 預(yù)測(cè) RO 系統(tǒng)進(jìn)水污染性的方法研究

RO 進(jìn)水潛在污染性的有效預(yù)測(cè)，是污廢水 RO深度處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)保障。

3.2.1 SDI 值

SDI 值的測(cè)定方法為，將待測(cè)水樣在死端過(guò)濾模式下，壓力為 207 kPa 通過(guò)直徑為 47 mm、孔徑為0.45μm 的微孔濾膜，記錄下初始過(guò)濾 500 mL 水樣所需時(shí)間 T1，經(jīng)過(guò)時(shí)間間隔 T（通常為 15 min）后，記錄再次過(guò)濾 500 mL水樣所需時(shí)間 T2，SDI=100×（1-T1/T2）/T。SDI 值因測(cè)定方法簡(jiǎn)單、重現(xiàn)性好，多年來(lái)一直是 RO 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中的主要參考指標(biāo)。

3.2.2 SDI 替代參數(shù)的研究

針對(duì) SDI 測(cè)試方法存在的缺陷，SCHIPPERS 等提出了一種修正污染指數(shù)（MFI）。MFI 的測(cè)試方法與 SDI 值相同，只是根據(jù)過(guò)濾水體積 V 所需時(shí)間 t作對(duì)應(yīng)的 t/V 和 V 的關(guān)系曲線，該曲線的斜率即為MFI 值。雖然 MFI 值與顆粒污染物引起的 RO 膜污堵表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，可以很好的反應(yīng)濾餅層過(guò)濾機(jī)制，但同 SDI 值一樣，它也只能表征被 0.45μm 微孔濾膜截留物質(zhì)的污染性。

3.3 RO 濃水處理

RO 處理工藝在得到約 70%優(yōu)質(zhì)再生水的同時(shí)，將進(jìn)水中污染物質(zhì)濃縮了近 3 倍，產(chǎn)生約 1/3 的RO 濃水。具有水量大、礦化度高、可生化性差，環(huán)境潛在危害性大等特點(diǎn)。由于 RO 濃水的處理、處置一直未得到足夠的重視，在部分地區(qū)甚至成為阻礙RO 技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的障礙之一?？紤]到 RO 濃水中 SS 含量較低、含阻垢劑且余壓較大，工程中除部分與 RO 進(jìn)水混合以提高水回收率處理外，常將其作為快速過(guò)濾裝置及 UF 的反沖洗水，或經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后混入原水再次進(jìn)入處理系統(tǒng)。這勢(shì)必會(huì)增大污廢水的處理規(guī)模和處理難度。目前，針對(duì) RO 濃水處理的研究多集中于針對(duì)有機(jī)物去除的高級(jí)氧化及針對(duì)資源回收的蒸餾濃縮、正滲透及電解法等。其中，膜蒸餾（MD）技術(shù)是將膜技術(shù)與蒸餾過(guò)程相結(jié)合，以疏水微孔膜為介質(zhì)，利用膜兩側(cè)蒸氣壓差的作用，使料液中揮發(fā)性組分以蒸氣形式透過(guò)膜孔，從而實(shí)現(xiàn)分離。與其他分離過(guò)程相比，膜蒸餾具有分離效率高、操作條件溫和、對(duì)膜與原料液間相互作用及膜的機(jī)械性能要求不高等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉思琪，石林.超濾/反滲透組合工藝用于礦井水深度處理回用[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2014，39（7）：123-125.