膜分离技术在水和废水处理中的应用

吴彦君,李国玲

(际华三五零二职业装有限公司,河北井陉050308)

1 引言

膜分离技术是一门新兴的综合性边缘科学,涉及到流体力学、热学、电学、传质学、化工动力学、高分子物理化学、高分子材料学、机械工程学等多种学科。1950年W.Juda试制出了高选择透过性能的离子交换膜,奠定了电渗析的实用基础。1952年,Reid首次用RO进行海水脱盐。1960年,Loeb和Sourirojin又制出第一张高效能、有应用价值的反渗透膜,标志着膜科学与技术学科的诞生,从此,膜技术获得迅速而全面地发展。

膜分离技术作为一种先进的分离技术,具有许多不可替代的优点。膜分离技术在水处理中的应用不仅取决于它的分离效果和处理成本,而且与其优点密不可分。膜分离技术在分离浓缩过程中,不发生相变化,也没有相变化的化学反应,因而不消耗相变能,耗能少;在膜分离过程中不需要从外界加进其它物质,节省了原材料和化学药品;在膜分离过程中,一种物质得到分离,另一种(或一些)物质则被浓缩,分离和浓缩同时进行,从而能回收那些有价值的物质资源;根据膜的高度选择性和膜孔径大小不同,可以将不同粒径的物质分开,因此使物质得到了纯化而又不改变原有的属性;膜分离工艺可以在常温下分离,因而不损坏对热有敏感和对热不稳定的物质,非常适用于药制剂、酶制剂、果汁等的分离浓缩;膜分离工艺适应性强,处理规模可大可小,操作及维护方便,易于实现自动化控制[1,2]。

我国有近50年膜研究和开发的历史,在此期间RO 、NF、UF、M F 、电渗析、液膜、膜反应器等相继研发成功,并被广泛应用到能源,电子,石化,重工业,轻工业,食品和酿造工业,人们的日常生活以及环境保护等领域,在海水与苦咸水淡化以及各种水和废水处理领域的应用尤为突出。

2 膜分离技术在水处理中的应用

2.1 RO用于海水和苦咸水的脱盐

我国海岸线长,而且许多沿海地区如天津等地严重缺水,因此海水是重要的水资源。由于海水中盐分高,在利用之前需要进行脱盐处理,以反渗透膜进行脱盐,其能耗低于5kW◦h/m3海水[3]。

苦咸水是指水中的总溶解固体含量(TDS)为1000～10000m g/L的天然水。由于苦咸水一般含有较高的钙、镁、重碳酸根、硫酸根等微溶无机盐离子。反渗透是苦咸水淡化工程最具竞争力的方法,技术相对成熟。目前我国已有上千套规模不等的反渗透苦咸水淡化装置应用在国民经济各个领域。其能耗低于或0.5～3kWh/m3苦咸水。在反渗透苦咸水淡化工程中,抑制和控制微溶盐的结垢沉淀是十分重要的。目前常用的方法有添加阻垢剂、离子交换软化、加酸去除进水中的碳酸根和重碳酸根以及降低水回收率,避免超过溶度积。事实证明,RO是用于海水和苦咸水脱盐的最经济手段,是解决沿海缺水地区、干旱地区饮用水和工业用水问题的好方法。

2.2 饮用水纯化

在饮用水的纯化方面,以膜为核心的饮用水净化工艺作为一种新的和更有效的水处理技术,对化学药剂的需用量很少。通过改变膜的空隙尺寸,从MF、UF、NF到RO等能经济有效地去除贾第虫胞蘘和阴胞子虫卵蘘。THM的前质等饮用水消毒副产物(DBP),浊度和色度以及溶解盐等污染物,从而提高水质,保证饮用水优质安全[4]。在许多城市,分质供水系统(包括管道直饮水系统)的建设已经普遍进行。城市供水中90%的供水水量用于生产,9%为生活用水,1%为饮用水。在北京和沈阳等城市,已建有许多采用RO膜处理技术的分质供水系统,用于处理和提供优质饮用水,而各种膜分离技术为此提供了有力的技术保证。

3 膜分离技术处理城市生活污水

3.1 膜生物反应器处理生活污水并实现中水回用

目前全球投入运行或在建的MBR系统已超过2500套。已投入运行的规模最大的MBR污水处理工程是位于德国Kaarst市的Nordkanal污水处理厂,设计平均流量为4.5万m3/d。在建规模最大的是美国Brightw ater污水处理厂,设计平均流量为11.7万m3/d,预计将于2010年投入运行。我国对MBR的应用发展迅速,目前已有多个正在运行和建设中的规模大于1万m3/d的MBR工程项目,包括密云污水处理厂再生水厂,设计平均流量为4.5万m3/d;内蒙古金桥污水处理厂,设计平均流量为3.1万m3/d;北小河污水处理厂,设计平均流量为6万m3/d[5,6]。

膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)是膜分离技术与生物反应器相结合的新技术,其主要工艺特点如下[7]。

(1)能够高效地进行固液分离。分离效果优于传统的沉淀池,出水水质良好,出水悬浮物和浊度接近于零,可以直接回用,实现了污水资源化。

(2)膜的高效截留作用。使微生物完全截留在反应器内,实现了反应器水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)的完全分离,使得运行更加灵活稳定。

(3)反应器内的微生物浓度高,耐冲击负荷。

(4)系统硝化效率较常规的生物反应器有所提高。这是由于污泥停留时间较长(一般控制在15～45d),有利于增殖缓慢的微生物(如固氮菌、硝化菌)以及难降解有机物分解菌地截留、生长和繁殖。

(5)污泥龄可控制。膜分离使污水中的大分子难降解成分在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间,大大的提高了难降解有机物的降解效果。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄的条件下运行,可以实现基本无剩余污泥的排放。

(6)结构紧凑,占地面积小,工艺设备集中,易于一体化自动控制。

(7)使用过程中存在的膜污染问题,一定程度上制约了膜生物反应器的应用。

当前国内MBR技术地研究与发展重点在于以下几方面,包括通过开发新型膜材料,不断成熟膜与膜组件制备工艺技术,提升MBR膜与膜组件产品性能与质量,降低膜的价格和投资成本;通过加强对膜技术与传统处理工艺组合的研究,开发新的MBR工艺路线,拓宽 MBR的应用领域;通过对已有MBR工艺设计、操作参数地分析研究,增加技术应用的经验积累;通过对膜污染机理的系统研究,探索有效的膜污染防治措施和清洗技术,提高膜系统的运行效率,延长膜的使用寿命[8]。

3.2 膜分离浓缩-高效厌氧组合新技术处理市政污

在市政污水的资源化再生方面,城市生活污水是一种重要而潜在的水资源。如果采用NF、RO等膜组件截留污水中各种污染物使污水浓缩15～20倍左右,浓缩液 CODCr达到6000～8000m g/L,然后用高效厌氧反应器进行甲烷发酵生产生物能源,透析液可以回用于工业冷却、市政水景观、市政绿化、消防用水、补充地表水与地下水以及各种生活杂用等,也可以进一步处理成优质饮用水商品,从而开辟了市政污水处理的新途径,充分实现城市污水的资源化利用。

这种NF膜技术与高效厌氧工艺联合处理市政生活污水,既避免了传统好氧处理工艺需供气而大量耗能的缺点,又可以利用厌氧细菌生产沼气能源,有效减少处理过程的碳排放,是一种可持续的低碳污水处理工艺技术。而且膜出水水质远高于传统工艺出水,可以充分实现污水的资源化利用,是市政生活污水处理的新途径。随着制膜技术地进步,膜通量将大幅度提高,同时膜组件价格将大幅度下降,膜分离所需压力或能耗亦可望大幅降低,并且膜污染的控制与消除将取得重大突破,则该处理工艺将获得更为广泛的应用。

3.3 膜分离技术处理工业废水

工业废水再生回用是减少污染物排放量、节约水资源,实现节能减排的关键途径之一。工业废水水量大,含有原料、添加物及副产物等残留物质,水质复杂多变,污染严重,应用膜分离技术处理工业废水具有重要意义。早在20世纪70年代,RO膜已开始用于处理电镀废水并使之循环回用,在汽车生产厂中也已应用超滤膜处理电渡电泳漆废水,使该生产线实现清洁生产。在染料生产废水中,NF膜已适用于其脱盐、脱色和去除有机污染物。对于含油废水地处理回用,UF膜在其中起着关键作用。

对于造纸工业废水,膜分离技术已经在造纸蒸煮废液、中段废水、造纸白水等处理中得到了应用[9,10]。造纸制浆蒸煮废液污染负荷很高,成分复杂,大型纸浆厂一般采用蒸发燃烧苛化方法进行碱回收处理。芬兰的 Rauma纸厂采用了超滤等膜技术进行黑液综合治理,中段废水水量大、污染物成分复杂且负荷也较高,一直是制浆造纸企业废水处理的重点,膜生物反应器和纳滤、超滤等技术在其中得到应用。造纸白水中溶解CODCr、BOD5指标较低,悬浮物的含量较高。国内外一般采用气浮法回收其中的短纤维,然后出水予以回用。白水封闭循环程度越高,越容易造成系统中金属离子、各种无机盐等物质过度积累及微生物生长、繁殖,从而影响到纸机正常运行与产品质量。利用膜技术较彻底地去除造纸白水中的胶体和各种溶解性物质,是实现造纸白水零排放目标的有效措施之一。但是在实际系统中也存在膜的污染和劣化并造成通量的逐渐下降。制浆造纸行业新的排放标准《制浆造纸工业水污染物排放标准》(GB3544-2008)已经在2008年8月开始实施。新标准不仅规定废水排放的COD值,从旧标准的350mg/L降低至新标准的200mg/L、100mg/L,而且大大降低了吨浆耗水量,对制浆企业从旧标准的300m3/t减少至新标准的80m3/t[11]。新排放标准实施必将促进膜技术在制浆造纸废水处理与回用中地应用。

4 结语

随着水资源短缺和水污染的不断加剧,人们对水问题的也日益关注。目前以满足各种水资源化为目标的、以各种膜分离技术为基础并与各种传统工艺设施整合的一系列集成技术和成套设施或自控系统正在成为水处理领域最具活力与前景的方向之一。随着各种新型膜材料的问世、膜制造技术地进步,膜通量地有效提高、同时膜元件价格大幅度下降,膜分离所需压力和能耗亦可望大幅度降低,并且膜污染的控制与消除等将取得重大突破。膜分离技术作为人们解决各种水问题、缓解水危机的有效手段之一,将在城市的水生态建设与维持中发挥着不可代替的作用。

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[9]苏振华,林乔元.膜分离技术及其在造纸工业水污染防治中的应用[J].国际造纸,2006,25(2)：1～ 5.

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[11]GB3544-2008,制浆造纸工业水污染物排放标准[S].北京：中国标准出版社,2008.