膜技术在水处理中的应用

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综述了微滤、超滤、纳滤、反渗透、渗析、电渗析、渗透汽化和液膜技术等膜分离技术的基本原理及特点,对这些膜分离技术在水处理中的应用进行了阐述,并列举了它们在电厂中的应用。
随着我国工业化和城市化的发展,大量的生活和工业废水排入水体,这些废水中多含有不同浓度的化学成分,造成了严重的水体污染,为保护环境,使其不受污染,并能回收一些有用物质,在工业和城市废水排放之前必须进行净化处理。膜分离技术是一种新型高效、精密分离技术,它是材料科学与介质分离技术交叉结合形成的一门技术,具有高效分离、设备简单、节能、常温操作、无污染等优点,广泛应用于工业领域众多行业,据统计,全球膜销售额每年以14%~30%的速度增长。膜分离在废水处理中已得到了广泛的应用,并将会成为主要的先进废水处理技术,有着广阔的发展前景。
1.膜分离技术的基本原理和优点
膜分离技术是一种使用半透膜的分离方法,在常温下以膜两侧压力差或电位差为动力,对溶质和溶剂进行分离、浓缩、纯化。膜分离技术主要是采用天然或人工合成高分子薄膜,以外界能量或化学位差为推动力,对双组分或多组分流质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集操作。现已应用的有反渗透、纳滤、超过滤、微孔过滤、透析电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏膜反应器等技术。膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法,与传统分离操作(如蒸发、萃取、沉淀、混凝和离子交换等)相比较,其过程大多为无相变化,可以在常温下操作,具有能耗低、效率高、工艺简单、投资小和污染轻等优点。
2 .几种膜分离过程的特点
微滤(MF)Microfiltration,其特点:对称细孔高分子膜,孔径0.03~10Nm,滤除≥50Nm 的颗粒,以压力差为分离驱动力,透过物质:水、溶剂和溶解物,被截留物质:悬浮物、细菌和微粒子。超滤(UF)Ultrafiltration,其特点:非对称结构的多孔膜,孔径1~20Nm,滤除5~100Nm 的颗粒,以压力差为分离驱动力,透过物质:溶剂、离子和小分子,被截留物质:蛋白质、各类酶、细菌和乳胶。
纳滤(NF)Nanofiltration,其特点:1Nm 的微孔结构,滤除相对分子质量在200~2000,以压力差为分离驱动力,透过物质:水、溶剂、相对分子质量<200,被截留物质:溶质、二价盐、糖和染料(相对分子质量200~1000)。
反渗透(RO)Reverse Osmosis,其特点:带皮层的不对称膜、复合膜(<1Nm),用于水溶液中溶解性盐的脱除,以压力差为分离驱动力,透过物质:水、溶剂,被截留物质:无机盐、糖类、氨基酸和BOD。
渗析(透析)(D)Dialysis,其特点:常见碱性离子交换膜、聚乙烯醇中性膜,用于水溶液中无机酸、盐的脱除,以浓度差为分离驱动力,透过物质:离子、低分子物质、酸和碱,被截留物质:无机盐、糖类、氨基酸和尿素。
电渗析(ED)Electrodialysis,其特点:阴阳离子交换膜,用于水溶液中酸、碱、盐的脱除,以电位差为分离驱动力,透过物质:离子,被截留物质:无机、有机粒子。
渗透汽化(PV)Pervaporation,其特点:聚乙烯等由皮层和多孔支撑层构成的复合膜,用于水与有机物的分离,以压力差和浓度差为分离驱动力,透过物质:蒸汽,被截留物质:液体、无机盐等。液膜(LM)Liquid Membrane,其特点:液体保存在对称或非对称多孔膜的孔中,用于盐、生理活性物质的分离,以物理溶解和选择性可逆化学反应为分离驱动力,透过物质:电解质离子,被截留物质:非电解质离子。
3 .膜分离在工业废水处理中的应用
国内有研究者将微滤膜应用于水处理,取得了很大的进展。莫罹等采用0.1 μm 的微滤膜处理微污染原水,出水浊度<1KTU,对高锰酸盐指数的去除率约为20%,运行稳定后对UV254 去除率>40%。在油田注水方面微滤技术也发挥了较大的作用,国内的应用主要是PE 烧结微孔管、折叠式微孔膜过滤芯及中空纤维超滤组件等。处理水中的微粒的精度可达1~2 μm 以上的微粒含量在2 mg/L 以内。微滤也用在与生物反应器藕合处理各种废水。徐元勤等采用规模为800 m3/d 的浸入式连续微滤膜装置(CMF-S)对城市污水进行深度处理并回用。运行结果表明该装置在技术上是可行的,其出水水质稳定、良好、无色无臭,优于生活用水水质标准
超滤技术在废水处理中也有广泛的应用。陆晓干等用超滤技术处理车床、清洗设备产生的废水,该废水颜色为乳白色,含油1000~5500 mg/L,COD含量高达10 000~50 000 mg/L,pH 值为9.0~11.5。处理后出水透明,含油低于10 mg/L,COD为1700~5000 mg/L,油去除率为99%以上。油田污水经处理后用作回注水,应用前景较广。王立国等用中空纤维超滤装置来处理油田含油污水,设计规模为1.5t/h,已在胜利油田河口水站进行了实验,滤后水中的悬浮固体含量为0.56 mg/L,含油量为0.5 mg/L,满足了低渗透油层注水的水质要求。
国内学者对橡胶工业废水用反渗透的方法进行处理。结果表明:反渗透对TDS、硬度离子、有机物具有较高的去除率,一般大于90%,对无机盐的去除率一般稳定在85%,而对可溶性SiO2 和碱度的去除率较低,一般在70%以下。另外,在废水处理中,反渗透还常用来除去重金属离子以及贵金属的浓缩回用等。曾宏伟等报到了新加坡政府运用抗污染(Fouling Resistant)反渗透膜技术建立起一个全球最大(1248 m3/h)工业和城市污水处理厂,该系统具有良好的运行效果。
渗透汽化((Pervaporation 简称PV)是一种新型膜分离技术。该技术用于液体混合物的分离,其突出的优点是能够以低的能耗实现蒸馏、萃取、吸收等传统方法难以完成的分离过程。它特别适于蒸馏法较难分离或不能分离的近沸点、恒浅点混合物及同分异构体的分离;对有机溶剂和混合溶剂中微量水的脱除及废水中少量有机污染物的分离具有明显的技术上和经济上的优势;还可以用于生物及化学反应,将反应生成物不断脱除,提高反应转化率。
4 .膜分离技术在江西吉安某电厂中的应用
在现在的火力发电厂中,膜技术主要用于锅炉补给水处理。江西吉安某电厂以自来水为水源,采用纳滤(NF)与低压反渗透(RO)工艺对锅炉补给水进行处理;主要处理工艺如下:一级NF 及RO 工艺、二级NF 及RO 工艺、NF-RO 串联和RO-NF 串联工艺。NF 和RO 分别在0.75 MPa 和1.0 MPa 压力下,回收率20%时处理效果最好。一级NF 和一级RO 可满足中低压热水锅炉补给水的水质要求:二级NF 和二级RO,NF-RO 和RO-NF 工艺均可满足中低压蒸汽锅炉补给水的水质要求;串联工艺处理效果优于二级NF,且比二级RO 节能;RO-NF 和二级RO 工艺可满足高压锅炉补给水的水质要求。同时该厂将膜技术用于电厂循环水排污水处理,工艺流程如下:细沙过滤器+活性碳过滤器+反渗透装置。通过此工艺对循环水排污水进行处理,可做为锅炉补给水,这样既可节约用水,又实现了电厂零排放目标。

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