超濾技術在廢水處理中的應用
隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高,人們對環境質量的要求越來越高,因此傳統的廢水處理技術難以滿足越來越嚴格的污水排放標準的要求,而且傳統的廢水處理人多數只有負的經濟效益,無疑這使許多企業無法承受額外的廢水處理費用,此外經濟的發展也帶來了水資源的日趨短缺,客觀上要求廢水能夠循環再利用。在這樣的社會效益和經濟效益最大化的要求下,各種新型的、改良的高效的廢水處理技術應運而生,超濾技術就是其中引人注目的技術之一。本文綜述超濾技術在廢水處理中的應用及其進展。
早在1861年，Schmidt首次在過濾領域忠提出超濾概念。20世紀70～80年代超濾技術高速發展，應用面越來越廣，使用量越來越大。
1 超濾技術處理廢水的基本原理及其影響因素
1．1 超濾的基本原理
超濾(UltraFiltration ,簡稱UF) 是溶液在壓力作用下,溶劑與部分低分子量溶質穿過膜上微孔到達膜的另一側,而高分子溶質或其它乳化膠束團被截留,實現從溶液中分離的目的。它的分離機理主要是靠物理的篩分作用。超濾分離時是在對料液施加一定壓力后，高分子物質、膠體物質因膜表面及微孔的一次吸附，在孔內被阻塞而截留及膜表面的機械篩分作用等三種方式被超濾膜阻止，而水和低分子物質通過膜。超濾膜比微濾膜孔徑小，在0.7～7 kg/cm2 的壓力下，可用于分離直徑小于10μm 的分子和微粒[1]。它主要應用于生活污水、含油廢水、紙漿廢水、染料廢水等廢水處理。超濾材料大多數是有機高分子膜,目前無機膜材料也開始制備和應用。
1．2 超濾工作的影響因素[2]
超濾的操作壓力為0.1-0.6Mpa，溫度為60。C時，超濾的透過通量為1-500L/m2·h，一般為1-100L/m2·h。低于1Lm2·h時實用價值不大，超濾透過通量的影響因素如下。
（1）料液流速 提高料液流速雖然對減輕濃差極化、提高透過通量有利，但需要提高料液壓力，增加耗能。一般紊流體系中流速控制在1-3m/s。
（2）操作壓力 超濾膜透過通量與操作壓力的關系取決于膜和凝膠層的性質。超濾過程為凝膠化模型，膜透過通量與壓力無關，這時的通量成為臨界透過通量。實際操作壓力應在極限通量附近進行，此時的操作壓力約為0.5-0.6Mpa。
（3）溫度 操作溫度主要取決于所處理的物料的化學、物理性質。由于高溫可降低料液的黏度，增加傳質效率，提高透過通量，因此應在允許的最高溫度下操作。
（4）運行周期 隨著超濾過程的進行，在膜表面逐漸形成凝膠層，使透過通量下降，當通量達到某一最低數值時，就需要進行沖洗，這段時間成為運行周期。運行周期的變化與清洗情況有關。
（5）進料濃度 隨著超濾過程的進行。主題液流的濃度逐漸增加。此時黏度變大，使凝膠層厚度增加，從而影響透過通量。因此對主體液流應定出最高允許濃度。
（6）料液的預處理 為了提高膜的透過通量，保證超濾膜的正常穩定運行，根據需要應對料液 進行預處理。
（7）膜的清洗 膜必須進行定期沖洗，以保持一定的透過量，并能延長膜的使壽命。一般在規定的料液和壓力下，在允許的pH值范圍內，溫度不超過60。C時，超濾膜可使用12-18個月。如膜清洗不佳，回使膜的壽命縮短。
2 超濾技術新工藝新方法
膠團強化超濾法(Micellar - enhanced Ultra2filtration ,簡稱MEUF) 是一種新的水處理技術,主要用于去除水中的微量有機物和金屬離子,它實質是一種將表面活性劑和超濾膜結合起來的新技術。它的基本原理是,當投入水中的表面活性劑濃度超過表面活性劑的臨界膠束濃度時,剩余的表面活性劑分子將在溶液內聚集,形成疏水基向內、親水基向外的聚集體,即膠團。如果水中溶解了其它化學機構和性質與表面活性劑分子的疏水基相似有機物,根據相似相溶原理,這種有機物將溶解于膠團中或有機物與表面活性劑的親水基能形成氫健,有機物也會從水相轉移到膠團中,當它們通過超濾膜時,則攜帶有機物的膠團因不能透過膜而被截留,水和少量表面活性劑單體及未形成膠團的有機物能自由透過膜,從而實現絕大部分有機物和水的有效分離。這門技術國內還沒有深入的報道,國外也還處于研究階段。彭躍蓮等人[3]對膠團強化超濾技術作了比較詳細的綜述。
3 超濾技術在廢水處理中的應用
（1）印染廢水的處理
目前常用的生物化學法CODCr去除率和脫色效果都不夠理想,出水CODCr 和色度往往不易達到國家排放標準。在處理印染廢水中如果應用超濾技術,讓廢水先通過超濾膜,使色素和水分離,再將廢水中的染料和水進行回收,不僅能保護環境,節約資源,而且會給印染行業帶來可觀的經濟效益。
Ana Maria Brites Alves等人[4]采用超濾技術對某制革廠染色循環中三個不同時段的出水進行脫色實驗研究，實驗中采用4個截流分子量 (MWCO)分別為40、10、5和3kDa的聚醚砜膜及采用封閉環再循環式(CLR模式)和批方式（B模式）兩種方式。第一種水樣E1是標準牛皮革的黑色染料及含有不同比例的其它不同顏色的染料的混合物,pH為2.8，導電率為23ms/cm，TSS為25.9mg/l，TS為56g/l，色度為5.1g/l；第二種水樣E2是經過特殊處理后的牛皮革黑色染料及同樣含有不同比例的其它不同顏色的染料的混合物, pH為3.5，導電率為15.4ms/cm，TSS為19mg/l，TS為28g/l，色度為3 1g/l；第三種E3是標準牛皮革的藍色染料及含有不同比例的其它不同顏色的染料的混合物, pH為3.2，導電率為13.8ms/cm，TS為39.3g/l，色度為38.7g/l。在CLR模式實驗中，對E1，MWCO為10kDa的膜的透水量比MWCO為40kDa的要高得多，而前者的脫色率為72%，后者為77%。對E2，MWCO為5kDa和40kDa的膜污染均相當嚴重，兩者的透水率均很低，其脫色率分別為95%和90%。對E3，MWCO最低（3kDa）的膜的透水量比純水是低50%，其脫色率達到100%。在B模式實驗中，隨著VRF的增加透水量均下降，當VRF達到5時下降程度可以忽略，除了E1水樣和MWCO為10和40kDa的膜以外其它情況的脫色率均相當高（92%-98%），而TS的去除率就顯得較低。B模式比起CRL來透水量隨著VBF的變化不是很大。UF用于制革廠染色循環過程中廢水的脫色是可行的，透過水的顏色取決于膜種類及原水水質，對以上幾種情況脫色率均能達到70%，出水可回用與其它染色過程中。
中科院環化所[5 ]用超濾法對還原染料廢水處理進行了試驗研究。采用3.6m2 的外壓管式聚砜超濾器,在進口壓力220～240kPa ,液溫40～55 ℃的條件下,運行了2000 多小時。超濾處理染料廢水617t ,回收還原染料1036kg ,透液速度一般在20～30LPm2·h ,脫色率95 %～98 % ,CODCr 去除率60 %～90 % ,染料回收率大于95 %。
上海新風色織廠[6 ]采用超濾工藝處理染缸下腳以及第一道水洗槽排放的染料廢水,該部分廢水由于染料濃度較高而采用丙烯腈- 聚氯乙烯超濾膜進行處理并回收染料. 超濾透過液與其余工段排放廢水和生活污水一起采用延時曝氣法進行生化處理. 整個工藝處理水量為500 m3/ d ,其中生產廢水450 m3/ d ,膜水通量為60 L/ (m2·h) ,超濾膜對染料的截留率高達99 %～100 %.
（2）回用生活污水的處理
孫德棟,張啟修[7]研究了用超濾法處理山西鋁廠生活污水站出水的阻力特性及清洗可恢復性。通過試驗對比了顆粒活性炭、微濾-顆粒活性炭和混凝進行處理污水后的超濾效果. 試驗結果表明,污水經微濾2顆粒活性炭預處理后,可以得到較好的過濾效果,過濾阻力低;用質量濃度為500 mg/ L 的NaClO 溶液反洗浸泡后可以得到較好的清洗效果;混凝可以去除懸浮物、膠體及污水中的部分有機物,明顯降低了膜過濾阻力;超濾的產水水質符合生活雜用水標準GB2JXX —2001 的要求.
楊磊等人[8]用外壓一體化中空纖維超濾膜生物反應器(UMBR) 進行了處理生活污水的試驗. 結果表明,當水力停留時間(HRT) 為5 h 、膜通量在44.2～110 L/ h 時,UMBR 對生活污水中COD、濁度、SS 的去除率分別可達90 %、98 %、100 % ,出水COD < 60 mg/ L 、濁度< 3 、SS 為0 ,污泥質量濃度ρMLSS、污泥負荷Fr 、反應器容積負荷FW 分別為6.2 kg/ m3 、0.46 kg/ ( kg·d) 、1.82 kg/ (m3·d) . 并初步探討了超濾膜的堵塞機理,通過殺菌清洗可使超濾膜通透能力恢復到新膜的97 %以上. UMBR 出水濁度低,水質穩定,宜于回用.
(3)含油廢水的處理
Taraj Mohanmadi等人[9]用UF膜（UFPH20-6338）技術對Behshahr Ind公司（某生產植物油的公司）的含油廢水進行了實驗，對壓力、透水流速、剪切力、溫度、有機物濃度以及出水PH值、出水量的變化、流動阻力等運行條件做了研究，實驗結果表明最佳運行條件為壓力差超過3bar、透水流速越高（取決于經濟因素）、溫度為30。C、pH=9時的情況下。在此條件下COD、TOC、TSS、[PO4-3]、[Cl-]的去除率分別為91%、87%、100%、85%和40%。使用UF技術處理含植物油的廢水是可行的，并且UF具有對滲透液更適用的特性、可與其它處理方法結合使用、運行條件簡易、系統容易控制等優點。
王靜榮等人[10]采用CM PS、PS、PS/CM PS 共混、PAN、PS 和PS/PDC 共混材料的中空纖維超濾膜, 對乳化油廢水進行了超濾實驗和比較, 探討了料液流速, 操作溫度, 操作壓力, 運行時間對膜性能的影響, 研究了清洗方法對膜性能的恢復效果. 試驗表明, 采用CM PS、PS/CM PS 中空纖維膜處理乳化油廢水效果較好, 透過液含油量符合生產回用標準(300mg/L ) , 適宜的操作溫度為50℃, 進口壓力為0.12M Pa, 出口壓力為0.10M Pa, 采用011mol/L HCl 作為清洗劑, 膜性能恢復效果最佳.
門閱等人[11]采用采用超濾工藝—間歇式錯流操作模型—處理乳化油廢水,選用了聚乙烯乙二醇超濾膜(PEG) 和卷式膜組件,采用不同的超濾模型對超濾過程中超濾膜透水率、乳化油廢水中的COD 去除率的變化進行了實驗研究。實驗中采用間歇式錯流操作，防止因循環泵運轉使廢水的溫度逐漸升高,而廢水溫度的升高使膜透水量隨之升高。在0.4Mpa的操作壓力下，隨著時間延續,膜透過量經過了緩慢下降、快速下降和緩慢下降3 個階段,膜污染越來越嚴重,但是超濾隨著時間的進行仍然保持93 %左右的COD 去除率。因此,用該模型處理乳化油廢水是高效、可行的。
參考文獻
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化工出版社，2004
[3]彭躍蓮等. 廢水處理新技術—膠團強化超濾.科學與技術,2001 ,21(1):39～58
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[5] 李旭祥. 分離膜制備與應用[M] . 北京:化學工業出版社,2004.
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[7] 孫德棟,張啟修.用超濾法處理回用生活污水. 中南工業大學學報，2003，34（2）：144～147
[8] 楊 磊、王 棟等. 超濾膜生物反應器處理生活污水的試驗研究. 膜科學與技術，1999，19（3）：29～31
[9] Taraj Mohanmadi etc. Wastewater treatment using ultrafiltration at a vegetable oil factory.Desalination,166(2004),329～337
[10] 王靜榮、吳光夏等. 超濾法處理乳化油廢水的研究. 環境科學，1997，18：53～56
[11] 門 閱等.超濾(UF) 技術處理乳化油廢水的研究. 當代化工，2004，33（1）：11～13
[12] 陸曉峰 ，卞曉鍇.超濾膜的改性研究及應用.膜科學與技術，2003,8：97～102
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