膜分离技术在水处理中的应用
1、引言
水是人类赖以生存的重要自然资源。全球水环境质量的严重恶化和经济的高速发展, 迫切要求适合时代发展的污水资源化技术, 以缓解水资源的短缺状况, 水资源短缺已成为制约社会发展的瓶颈。因此, 近年来各种新型、改良型的高效废水处理技术应运而生。其中, 膜技术以其高效、节能、设备简单、操作方便等特点, 在水处理领域中的应用越来越广泛。比如2008 年, 北京要实现绿色奥运的几项举措都将应用到膜技术。国外有专家把膜技术的发展称为“第三次工业革命”, 作为21 世纪最有前途的高新技术之一。
2、膜分离技术的工作原理
膜分离技术, 是利用一张特殊制造的, 有选择透过性的薄膜, 在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种新型分离技术, 是根据混合物的物理性质的不同用过筛的方法将其分离, 或根据混合物的不同化学性质分离开物质。物质通过分离膜的速度(溶解速度) 取决于进入膜的速度和进入膜的表面扩散到膜的龙眼、另一表面的速度(扩散速度)。而溶解速度完全取决于被分离于膜材料之间化学性质的差异, 扩散速度除化学性质外还与物质的分子量有关, 速度越大, 透过膜所需的时间越短, 混合物中各组分透过膜的速度相差越大, 则分离效率越高。
3、膜分离技术在水处理中的应用
3. 1 膜分离技术在城市污水深度处理中的应用
城市污水深度处理和回用开始于20 世纪60 年代。城市污水具有量大、集中、水质较为稳定的特点, 是一种潜在的水资源。城市污水深度处理通常以污水处理厂的二级或三级排放液为水源, 用反渗透(RO ) 对它进行最后的脱盐, 脱COD、BOD 以及微量有机物和重金属离子的脱除, 出水水质可达到饮用水标准。但由于某些主观原因, 目前大多不直接用作饮用水。国外常将其注入地下蓄水层或淡水水库进行自然净化(通常需存放两年) , 也有用作工业冷却水, 锅炉用水等非饮用目的。城市缺水制约着经济的发展, 把城市的二级出水进行处理后再生回用是解决水源短缺的一条途径。二级排放液在进RO 装置前需进行预处理, 以使进水水质符合RO 装置的使用要求。预处理的好坏是RO 技术应用成败的关键。现在, RO 前采用M F 或U F 预处理的深度水处理过程已成为非直接饮用水回用工程中城市废水处理的工业标准, 国内外都在积极地采用膜技术大规模地把城市污水开发为新的水资源。我国采用“微絮凝纤维过滤+ 膜滤”对洗浴废水进行了研究, 试验表明, 此工艺具有出水稳定、占地面积小的特点。天津经济技术开发区污水处理厂引进挪威SBR 序批式活性污泥法先进工艺, 每天可提供10 万吨二级生化处理出水作为水源, 使污水深度处理后回用成为可能。我国的城市污水再生回用并不普及, 膜技术在深度处理的应用相对也很少, 今后我们还需在污水的再生回用和深度处理技术上进行研究。
3. 2 膜分离技术在工业废水处理中的应用
由于工业的发展, 大量工业废水排入水体, 这些工业废水,面广量大、危害深, 大多含有不同浓度的化学物质, 其中有些具有较高的经济价值, 而有些则具有毒性, 对人类环境有害。为保护环境不受污染, 并回收有用物质, 在工业废水排放之前必须进行净化处理, 膜分离技术既能对工业废水进行有效的净化, 又能回用其中的有用物质, 同时还可节省能源。膜技术在处理电镀废水、造纸废水、重金属废水、含油废水和印染废水这五大类主要工业废水中都得到了广泛的应用。
3. 3 膜分离技术在饮用水处理中的应用
随着人们生活水平的提高, 对饮用水的水质要求也越来越高, 加上传统工艺中的某些弊端, 如加氯杀菌会使氯与水中的某些有机物反应生成新的危害巨大的三致(致癌、致突变、致畸变)化合物。膜技术用于饮用水处理是一个重大突破。水的净化与纯化是从水中去除悬浮物、细菌、病毒、无机物、农药、有机物和溶解气体等, 在这方面, 膜分离技术发挥了其独特的作用。膜分离中的微滤、超滤和纳滤所组成的水处理方法, 对去除水中的微米级的颗粒优于常规水处理技术中的过滤能力, 而且还具有去除过滤所不具备的纳米级微粒的能力, 可有效去除水中的悬浮物、细菌、病毒、无机物、农药、有机物和溶解气体等杂质。符合饮用水水质不提高的要求。
3. 4 膜分离技术在海水淡化中的应用
我国是水资源大国, 同时也是水资源贫国。海水作为水资源的重要组成部分, 有效利用是解决我国水资源危机的重要措施之一。目前用于海水淡化的膜技术主要有反渗透、电渗透(ED) 和膜蒸馏(MD) 等。2002 年, 万吨级反渗透海水淡化及其组器技术产业化示范工程被列入国家高技术产业发展计划项目。海水淡化用发渗透膜的脱盐率高达99. 6%。反渗透技术的出现和发展大大降低了海水淡化的成本, 现在反渗透已成为海水淡化制取饮用水最经济的手段。电渗析技术可直接将海水淡化为饮用水, 但其过程对不带电荷的物质, 如有机物、胶体、细菌、悬浮物等无脱除能力, 并且能耗高, 水回收率低。所以, 由于反渗透海水淡化技术的出现, 电渗析法海水淡化的比例正在逐渐降低。膜蒸馏技术具有很高的脱盐率, 可达到99. 7%以上, 被用于小型海水淡化, 对离子、胶体、大分子等不挥发组分和无法扩散透过膜的组分的截留可到100% , 并且具有设备简单, 操作容易, 膜使用寿命长, 能耗低等优点。
3. 5 膜分离技术在苦咸水脱盐中的应用
我国西部省区严重缺水问题在中国这个缺水国家尤为突出, 苦咸水淡化是解决我国西部省区缺水的一个有效途径。目前, 用于苦咸水淡化的膜技术主要有: 电渗析技术、反渗透技术、纳滤技术。我国西部油田几乎都用电渗析法制取生活饮用水。电渗析不能去除水中的有机物和细菌, 设备运行能耗大, 这使其在苦咸水淡化工程的应用受到限制。苦咸水也可用一级反渗透装置脱盐制得饮用水。反渗透系统淡化苦咸水, 其出水水质优于我国饮用水卫生标准。对含高氟、低矿化度苦咸水通过反渗透淡化, 出水水质可达到我国饮用水卫生标准。反渗透法比电析法生产成本低, 无污染, 是苦咸水淡化最经济的方法。纳滤是一种低压反渗透技术, 在较低的压力下具有较高的脱盐性能。对特定溶质, 尤其是苦咸水的表征离子, 具有很好的脱盐效果。对苦咸水较多的西部省区, 纳滤将是制取优质饮用水的有效途径。
4、问题及展望
膜分离技术是21 世纪最有发展潜力的高新技术之一, 但还存在膜组件价格高与膜污染等问题。膜组件的价格高与膜污染制约了膜分离技术在废水处理中的广泛应用。虽然经过了40 年的开拓与发展, 目前我国的分离膜品种还很少, 性能低, 规格不全, 且我国市场上采用的膜组器绝大部分都是从国外进口的, 膜材料也都来自国外, 应用的深度和广度与世界发达国家相比还有一定的距离。因此, 我们必须奋起直追, 加速发展我国膜工业。致力于将膜分离技术应用于更广阔的应用领域。要加强高性能膜和组器的开发, 以期尽快代替进口的膜组器。若能利用天然物质或生物物质制备各种新型膜, 则既经济又能消除二次污染的威胁。必须加强将膜处理技术与其它处理工艺相结合的研究, 发挥各种技术的优势, 形成废水处理的新工艺。可以预料, 随着膜材料的改进和膜工艺的完善, 在21 世纪, 我国膜工业和膜法水处理技术将会出现突飞猛进的发展, 而应用也将会进入一个新的高潮, 特别是在提高饮用水水质, 海水及苦咸水淡化, 工业纯水和高纯水制备, 水污染控制, 废水的回收再利用等方面将会得到更迅速更全面的发展。
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