膜分離技術(shù)在水處理中應(yīng)用研究進展

陳衛(wèi)東, 劉金瑞

膜分離技術(shù)是水凈化和工業(yè)廢水處理中最有效的技術(shù)之一, 是水處理的重要組成部分。 此外, 該技術(shù)還可以用于回收乳糖和蛋白質(zhì)等重要成分, 可用于食品、 乳制品和制藥行業(yè)。此外, 膜技術(shù)可通過安全的方式從廢物中去除較高百分比的有害物質(zhì), 解決了環(huán)境污染問題[1]。 多年來, 研究人員不斷引進傳統(tǒng)過濾、 混凝-絮凝、 生物處理等各種污水處理技術(shù)。 此外,還對現(xiàn)有技術(shù)進行了改進, 以滿足當前的排放或重用標準。 膜技術(shù)是污水處理的主要發(fā)展方向之一[2-3]。 由于膜技術(shù)在水和廢水處理方面的優(yōu)勢, 它在過去的幾十年里有了顯著的發(fā)展。膜技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景, 它具有設(shè)備規(guī)模小、 能耗低、 投資成本低等優(yōu)點, 對環(huán)境友好, 符合可持續(xù)發(fā)展這一要求。

1 膜分離技術(shù)介紹

1.1 膜分離技術(shù)原理與特點

膜技術(shù)是在膜的兩側(cè)施加壓差, 使成分選擇性地通過膜并被分離的一種技術(shù)。 膜是一種選擇性透過的材料, 在流體流經(jīng)時其可允許一種或幾種物質(zhì)透過, 其他物質(zhì)被截留, 從而達到分離、 純化等目的。 自20 世紀60 年代末以來, 膜技術(shù)因化學品需求量少、 能耗相對較低、 操作時間短、 不存在相變、 分離的條件比較溫和、 安全性好, 與傳統(tǒng)的蒸發(fā)、 蒸餾相比具有良好的環(huán)境兼容性而被廣泛應(yīng)用于分離純化領(lǐng)域[4]。

在過去的幾十年里, 膜技術(shù)已經(jīng)成為廣泛分離的流行選擇, 膜分離不僅可以對固體的溶質(zhì)進行分離, 也可以對溶液中溶解的氣體進行分離, 分離能力范圍較為廣泛, 不僅可以對有機物和無機物的分離, 而且能夠分離納米級顆粒。 基于膜分離的優(yōu)點, 膜分離被廣泛應(yīng)用于水凈化與海水淡化在內(nèi)的一系列行業(yè)。 當前在實際應(yīng)用中較為普遍的膜技術(shù)包括; 微濾、 納濾、 超濾、 反滲透、 電滲析等[5]。

2 膜污染現(xiàn)象及防控技術(shù)研究

2.1 膜污染形成原因

膜污染是指懸浮物、 微生物、 有機物等沉積在膜表面或膜孔內(nèi), 導(dǎo)致滲透通量下降。 且進料的pH 值、 膜的粗糙度以及交叉流速、 溫度等工藝條件等因素以不同方式相互作用也會加劇膜污染[6-7]。 當污染物沉積在膜的表面時, 會形成一層濾餅,造成可逆型污垢, 不可逆污垢是由于污染物沉積在?？字?。 膜污染嚴重阻礙了滲透膜的運動, 影響了膜的性能。 因此, 需要更高的壓力, 以確保滲透通過膜。 污垢越多, 所需壓力越大[8]。

膜污染對膜的整體性能有嚴重影響。 這包括高能耗, 更多停機時間, 減少膜過濾面積等。 污垢有不同的形式, 這取決于污垢的種類。 其中包括生物污染、 有機污染和無機污染。 生物污染是指生物在膜上的沉積和生長。 這些生物膜主要由微生物細胞和胞外聚合物組成, 進而堵塞膜孔, 增加滲透流量的阻力[9]。 有機污染是指有機物被吸附到膜表面, 并隨著時間的推移而積累, 阻礙滲透通過膜的運動無機污染是指無機鹽在膜表面的沉積。 這些鹽可能包括CaSO4、 CaCO3和SiO2等[10]。 當其濃度超過溶解極限時, 難溶性鹽類會從溶液中沉淀到膜表面。

2.2 膜污染控制研究

關(guān)于膜污染控制策略的研究文獻很多。 預(yù)處理包括混凝、吸附、 氧化、 絮凝以及它們之間的一體化預(yù)處理, 是降低膜污染和提高滲透質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.2.1 膜清洗

膜清洗是去除沉積在膜上的物質(zhì), 恢復(fù)膜的滲透通量。 膜清洗主要分為物理清洗、 化學清洗、 生物/生化清洗等。

物理清洗指對膜進行機械處理, 以去除膜上的污物, 其包括: 反沖洗、 氣動清洗、 超聲波清洗等[11-13]。 Kong 等[14]則建立了一個模型來模擬水沖洗過程, 通過計算與測量接觸角,Zeta 電位, 粗糙度和膜表面的自由能來評估膜的性能。 結(jié)果表明, 溫度相較于攪拌速度和操作壓力對膜通量的影響較大。Ghamdi 等[15]研究一種中空纖維超濾膜清洗方法, 使用充滿CO2的溶液通過反洗步驟清潔膜, 結(jié)果表明, 使用CO2對不同濃度的有機化合物, 膠體物質(zhì)進行的物理清洗工藝性能更高。Agi 等[16]研究超聲波對膜的清洗, 通過合成水包油乳液評估其性能。 結(jié)果表明, 在較高的超聲功率下, 乳化油滴的平均尺寸會變小, 有效清潔污損的膜并增強膜的過濾性能。

化學清洗是污物與膜材料、 清洗劑之間相互作用, 使污物松動并溶解。 Bartlettetal 等[17]研究了濃度, 溫度, 堿/酸組合等對同一污垢物不同表面濃度的影響, 結(jié)果表明使用不同的處理方式可以達到最佳清潔效果。 Zondervan 等[18]綜述了膜污染組分, 清潔劑與污染組分之間可能的相互作用。 闡述了清潔劑從酸性, 堿性和氧化劑到螯合劑等對化學清洗過程中的機理, 發(fā)現(xiàn)苛性和氧化性清潔劑可提供最佳的整體清潔效果。

生物/生化清洗是使用生物活性劑, 如酶、 酶混合物或信號分子從膜上去除污物[19]。 生物和生化處理在膜清洗中足跡低, 而且更具可持續(xù)性。

2.2.2 膜工藝的預(yù)處理策略

預(yù)處理是在膜分離工藝之前對廢水進行的初始處理。 預(yù)處理不僅可以減少膜污染, 而且有助于能源的利用。 在技術(shù)上,預(yù)處理可以改變廢水的物理、 化學或生物特性, 從而使膜分離更有效混凝法、 吸附法和軟化法等物理化學方法已在膜分離前應(yīng)用于廢水的預(yù)處理在水處理中, Chang 等[20]和Kong 等[21]在UF 處理前對頁巖氣回流水和采出水進行了化學混凝預(yù)處理。 結(jié)果都表明, 膜污染顯著減少, 并保持恒定的通量。 Xing 等[22]研究了混凝和粉末狀活性炭(PAC)吸附對超濾(UF)膜結(jié)垢的控制及之后過濾性能。 結(jié)果顯示, 兩種預(yù)處理均能有效控制結(jié)垢, 去除了天然有機物(NOM)的疏水成分, 并減少膜污染和消毒劑量。 Ma等[23]研究了傳統(tǒng)的混凝和超濾過程中聚乙烯(PE)的去除, 結(jié)果表明, 鋁基鹽凝結(jié)劑在去除PE 方面相比于鐵基混凝劑效果較好。

這些物理化學預(yù)處理方法作為一種成熟的水處理工藝, 可以通過減少原料液的懸浮物及有機物含量來減輕膜的污染程度, 從而保證膜通量在一段時間內(nèi)的穩(wěn)定性。 其他形式的預(yù)處理包括使用溶解氣浮[21]和生物預(yù)處理方法[24-25]。 膜技術(shù)正在逐步革新水和廢水處理。 多年來, 在這方面做了很多工作。 然而, 在許多方面仍有改進的余地。 由于污垢和高能量需求需要持續(xù)的研究來找到一個持久的解決方案, 可以通過引入嚴格但廉價的前處理工藝, 或者通過開發(fā)抗污垢膜。

3 在水處理中的發(fā)展

3.1 飲用水

膜技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地表水處理、 飲用水凈化等領(lǐng)域。 隨著經(jīng)濟的增長和工業(yè)化的大力推進, 飲用水的凈化在社會上變得越來越重要。 近年來, 反滲透(RO)和納濾(NF)在水處理中得到了廣泛的應(yīng)用。 Gao 等[26]以外徑為425 μm 的聚砜(PSF)超濾膜為基材, 三甲酰氯(TMC)作為有機相單體, 將聚乙烯醇添加到哌嗪水溶液中以減少表面缺陷并增強NF 膜的分離性能。結(jié)果表明, 膜保持了高通量和高Na2SO4截留率。 Meng 等[27]研究原位混凝和膜組件混合體系的性能, 并對其初始通量、 運行方式等參數(shù)進行了研究, 結(jié)果顯示, 原位混凝陶瓷膜在不曝氣和不頻繁反沖洗的情況下處理地表水的效果更好, 水通量達到150 L/m2·h (LMH), 濁度、 UV254和COD 去除率分別達到99%、 85%和81%。 Wang[28]通過化學鍵連接和界面聚合制備了一種纖維素基聚酰胺濾膜(NFDA-RCM)用于飲用水的深度處理。 結(jié)果顯示, 其對MgSO4的截留率提高9.3%, 水通量達到78.5%。 且RCM 是完全可生物降解, 這使得NF-PDA-RCM 成為有前途的飲用水處理材料。

3.2 海水淡化

海水淡化是一種去除鹽水中存在的鹽, 并提供適合人類消費和工業(yè)和農(nóng)業(yè)用途的淡水的過程, 被認為是緩解全球水資源短缺危機的可靠和有效的方法[29-31]。 在目前發(fā)展起來的濾膜在海水淡化工藝中, 反滲透(RO)膜工藝因其在綜合資本成本和能源消耗方面的優(yōu)勢而在海水淡化行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位[32]。Chen 等[33]研究了雙重功能的納米纖維聚乙烯醇基膜(NPM)油/水分離和太陽能脫鹽。 在膜上裝飾了互連的聚吡咯(PPY)作為太陽光吸收劑, 結(jié)果表明, 油水分離效率超過99%。 同時, 高效的太陽熱轉(zhuǎn)化使NPM 能夠以2.87 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率使海水脫鹽。 Guo[34]等通過聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯電紡絲, 然后通過電噴涂涂覆TiO2納米顆粒制造納米纖維膜, 結(jié)合高鐵酸鹽預(yù)處理, 然后進行溶解氣浮(F-DAF), 結(jié)果證明膜蒸餾與F-DAF 系統(tǒng)相結(jié)合可減輕膜污染來并應(yīng)用于長期海水淡化中。

Zhou 等[35]研究沸石FAU 膜, 將獲得的膜用于通過全蒸發(fā)使海水脫鹽。 在75 ℃、 20 h 制備的條件下, 進料溫度90 ℃,水通量從0.96 kg·m-2·h-1增加到5.64 kg·m-2·h-1, 離子截留率均高于99.8%, 沸石FAU 膜對于海水脫鹽顯示出高分離性能。

3.3 工業(yè)污水

工業(yè)廢水是一種含水排放, 由于使用水或清洗活動的工業(yè)制造過程。 工業(yè)活動產(chǎn)生的廢水在污染特征上差別很大, 而且每個工業(yè)部門產(chǎn)生其本身的污染物組合。 這些工業(yè)廢水可能含有重金屬離子、 有機化合物、 營養(yǎng)素、 染色物質(zhì)、 農(nóng)藥和一些其他有毒物質(zhì)。 因此, 這些工業(yè)廢水應(yīng)得到有效處理, 以保護環(huán)境、 水生生物和人類免于中毒。 此外, 由于水資源短缺和環(huán)境保護問題的持續(xù)增加, 在該過程中重復(fù)使用的工業(yè)廢水處理已被接受為解決這些問題的可持續(xù)備選辦法, 由于傳統(tǒng)廢水處理方法的經(jīng)濟和技術(shù)限制, 許多行業(yè)轉(zhuǎn)向膜技術(shù)來執(zhí)行更可靠的廢水處理操作。 Tong[36]研究了一種具有超親水性和水下超疏油性的新型磺酸納米水凝膠膜, 通過聚合技術(shù)在水性介質(zhì)中開發(fā)的直徑為32 nm 的磺酸納米水凝膠Poly 在微濾膜上。 結(jié)果顯示, 拒油率＞99.7%, 膜的優(yōu)異防污性能提高了模擬廚房廢水過濾系統(tǒng)的循環(huán)穩(wěn)定性, 化學需氧量去除率為61%, 通量回收率達到98%。 Chen[37]研究了氧化石墨烯(GO)聚醚砜(PES)膜對脫硫廢水中Hg2+的分離性能。 通過真空過濾法將GO 膜組裝在PES 微濾膜上, 結(jié)果表明, Hg2+的保留率為80.33%, 通量為26.3 L·m-2·h-1。 廢水的pH 值為9 時, 可以獲得最佳的Hg2+分離性能。

4 結(jié) 語

膜技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用是無窮無盡的。 膜分離技術(shù)具有操作簡單, 耗能低、 分離效率高等優(yōu)點, 是解決環(huán)境、 資源、 能源應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)之一。 針對膜分離過程的膜污染的問題, 可以采用常用的物理化學清洗、 反沖等方法緩解膜污染、 恢復(fù)膜通量。 今后的研究應(yīng)集中于發(fā)展膜材料的抗污染、機械強度等性能, 才能將膜分離技術(shù)越發(fā)廣泛的應(yīng)用在各行各業(yè)當中。