膜技術(shù)在工業(yè)污水處理中的應(yīng)用

李佳琦

(國(guó)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(huì)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(huì)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(jí)氧化工藝對(duì)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(zhǎng)時(shí)間關(guān)注微生物的生長(zhǎng)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(jī)物及其他物質(zhì)被回收后可被視為一種非常潛在的有價(jià)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(gè)分子。在工業(yè)應(yīng)用中，膜技術(shù)不僅可以實(shí)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(huì)造成二次污染?？梢岳媚さ臐B透性處理水污染，例如，針對(duì)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(jī)鹽)，分別設(shè)計(jì)和開發(fā)了汽提-膜分離-精餾耦合、多級(jí)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(shí)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(duì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義[2]。

1 膜技術(shù)概述

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(shí)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(diǎn)。

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(jí)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(qiáng)，以及使用壽命較長(zhǎng)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(shì)，因此在當(dāng)前的膜技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用比重日益增長(zhǎng)，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(yùn)而生，在高溫殺菌的特殊場(chǎng)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)。

2 滲透汽化膜分離技術(shù)

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(diǎn)混合物、近沸點(diǎn)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(duì)有機(jī)溶劑的脫除具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，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(duì)分離性能的影響，結(jié)果表明，溫度為 40 ℃ 時(shí)，可以將重金屬濃縮到 470000 mg/L 以上，滲透通量為 353 g/(m2·h)，實(shí)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(fèi)托合成廢水中的含氧有機(jī)物，分別在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)搭建了滲透汽化中試裝置，并對(duì)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(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%時(shí)，經(jīng)過3級(jí)滲透汽化，可以將費(fèi)托合成廢水中的含氧有機(jī)物濃縮到40%以上，并且滲透汽化裝置可以穩(wěn)定運(yùn)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(jī)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(yàn)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(yùn)行效率的主要參數(shù)依次為廢水溫度、滲透?jìng)?cè)真空度，以及膜表面的紊流程度，并且會(huì)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(huì)隨之上升；滲透?jìng)?cè)真空度的升高也會(huì)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(huì)使得膜滲透通量降低。2)在廢水溫度為70 ℃、滲透?jìng)?cè)真空度為 5 kPa、曝氣速率為 4 L/min時(shí)，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(duì)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(shí)際垃圾滲濾液反滲透濃水的實(shí)驗(yàn)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)。

3 滲透與反滲透

一個(gè)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(shì)(高滲透壓)，原料液側(cè)具有較高水化學(xué)勢(shì)(低滲透壓)，過程推動(dòng)力為膜兩側(cè)的滲透壓差。在無外界壓力存在時(shí)，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(huì)停止。被稀釋后的汲取液可以通過加熱、蒸餾、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、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(jī)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(jī)污水時(shí)，An OMBR實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(duì)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(shí)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(gè)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(jí)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(jí)過濾裝置，也不能夠完全保障過濾成效，無法完成對(duì)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。

4 納濾與超濾

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(shì)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(duì)人體有益的礦物質(zhì)除去率過高，對(duì)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(duì)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(duì)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)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，膜技術(shù)在工業(yè)廢水處理場(chǎng)景中擁有很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與發(fā)展前景。在完善膜技術(shù)過程中，也重點(diǎn)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(duì)高濃度有機(jī)質(zhì)、無機(jī)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(shì)就在于強(qiáng)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(duì)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(shí)，對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)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(duì)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)。