膜技術在水處理和污水資源化應用新進展
摘要:闡述了污水資源化的必要性,介紹了膜技術原理、分類及特點,重點介紹了膜技術在污水處理和資源化方面的優勢及應用現狀,并展望了膜技術在污水資源化方面的發展前景.
1污水資源化的必要性
我國水資源的人均占有量僅為世界人均的1/4,水資源人均擁有量只有2220立方米,在全球范圍內屬于缺水國家,而同時,我國又是世界上污水排放量最大、污水排放增加速度最快的國家之一,近幾年我國各種廢水及主要污染物的排放量處于逐漸增加的趨勢.這一狀況加劇了水資源緊缺的危機[1].
隨著我國水資源短缺和污染的加劇,我們必須擴展水資源的概念和內涵,污水也是重要的水資源,對其進行充分利用,不僅可以緩解水資源的緊張,增加水資源的有效供給量,而且通過污水處理再利用,可以減少對水資源的污染,對環境治理具有重要的推動作用.提高水資源利用率,已成為我國水資源利用過程中的當務之急.
2膜技術簡介
膜分離技術是以選擇性多孔薄膜為分離介質,使分離的溶液借助某種推動力(如:壓力差、濃度差、電位差等)通過膜,低分子溶質透過膜,大分子溶質被截留,以此來分離溶液中不同分子量的物質,從而達到分離、濃縮、純化目的[2].
膜分離技術被公認為是目前最有發展前途的高科技之一.近些年來,膜技術迅速發展備受矚目.擴散定理、膜的滲析現象、滲透壓原理、膜電勢等研究為膜的發展打下了堅實的理論基礎,而相關科學技術的突飛猛進也使得膜的實際應用成為可能.
二百多年前,No11et發現膜的滲透現象以來,膜分離技術已有巨大的成功.如30年代的微孔過濾、40年代的滲析、50年代的電滲析、60年代的反滲透、70年代的超濾、80年代的氣體分離、90年代的滲透蒸發相繼問世.膜分離技術日趨成熟,應用十分廣泛.從環境、化工、生物到食品各行業都采用了膜分離技術[3].目前,膜技術主要有以下幾種:
(1)反滲透(RO)膜技術.反滲透(又稱高濾)過程是滲透過程的逆過程,推動力為壓力差,即通過在待分離液一側加上比滲透壓高的壓力,使原液中的溶劑被壓到半透膜的另一側.反滲透技術的特點是無相變,能耗低、膜選擇性高、裝置結構緊湊,操作簡便,易維修和不污染環境等.
(2)納濾(NF)膜技術.納濾技術是超低壓具有納米級孔徑的反滲透技術.納濾膜技術對單價離子或相對分子質量低于200的有機物截留較差,而對二價或多價離子及相對分子質量介于200-1000的有機物有較高脫除率.納濾膜具有荷電,對不同的荷電溶質有選擇性截留作用,同時它又是多孔膜,在低壓下透水性高.
(3)微濾(MF)膜技術.微濾膜是以靜壓差為推動力,利用篩網狀過濾介質膜的篩分作用進行分離.微濾膜是均勻的多孔薄膜,其技術特點是膜孔徑均一、過濾精度高、濾速快、吸附量少且無介質脫落等.主要用于細菌、微粒的去除,廣泛應用在食品和制藥行業中飲料和制藥產品的除菌和凈化,半導體工業超純水支配過程中顆粒的去除,生物技術領域發酵液中生物制品的濃縮與分離.
(4)超濾(UF)膜技術.超濾是以壓差為驅動力,利用超濾膜的高精度截留性能進行固液分離或使不同相對分子質量物質分級的膜分離技術.其技術特點是:能同時進行濃縮和分離大分子或膠體物質.與反滲透相比,其操作壓力低,設備投資費用和運行費用低,無相變,能耗低且膜選擇性高.在食品、醫藥、工業廢水處理、超純水制備及生物技術工業領域應用較廣泛.
(5)電滲析(ED)膜技術.電滲析是一個電化學分離過程,是在直流電場作用下以電位差為驅動力,通過荷電膜將溶液中帶電離子與不帶電組分分離的過程.該分離過程是在離子交換膜中完成的.主要應用于海水淡化,苦咸水脫鹽,海水濃縮制鹽,乳精、糖、酒、飲料等的脫鹽凈化,鍋爐給水、冷卻循環水軟化,廢水中高價值物質回收與水的回用,廢酸、廢堿液凈化與回收等.
(6)雙極膜(BPM)技術.雙極膜是由陰離子交換膜和陽離子交換膜疊壓在一起形成的新型分離膜.陰陽膜的復合可以將不同電荷密度、厚度和性能的膜材料在不同的復合條件下制成不同性能和用途的雙極膜.主要應用于酸堿生產、煙道氣脫硫、食鹽電解等.
(7)滲透蒸發(PV)膜技術.滲透蒸發是一個壓力驅動膜分離過程,它是利用液體中兩種組分在膜中溶解度與擴散系數的差別,通過滲透與蒸發,達到分離目的的一個過程,其設備投資和運行費用較低.近年來,對滲透蒸發技術的研究雖然進展很快,但它單獨使用的經濟性并不好.
3膜技術在水處理及污水資源化中的應用
3.1膜技術的優勢
與傳統的水處理技術相比,膜技術以其占地省、使用化學添加劑少、自動化程度高、運行管理方便等明顯特點,已被越來越多的人所認識到.同時膜技術可以與傳統技術很好地結合,無論是物理、化學處理法、生物處理法等等都可以有最佳的組合型解決方案,而膜可以在其中發揮核心作用.特別需要指出的是,膜法水處理技術和解決方案的優勢,在中國將更顯突出,節省土地意義重大,大大減少添加劑的使用意味著能大大降低環境風險.膜技術是水凈化和純化的有效手段.使用膜可以去除水中的懸浮物、細菌、有毒金屬物質和有機物,大大改善水質.與傳統分離技術相比,膜技術具有高效、節能、環境友好、過程容易控制、操作方便、易與其他技術集成等優點.膜技術對我國生活污水、工業廢水的處理和資源化利用有重要戰略意義.當前,我國環境保護形勢依然嚴峻,膜技術的使用,則可大幅度削減污染物排放量,尤其是難處理的印染、皮革、電鍍、焦化、釀造等領域產生的工業廢水,一般技術處理均難以達標.膜技術是處理這些工業廢水的重要技術之一.此外,膜技術在城鎮生活污水處理上已有眾多成功運營典型,取得了較大進展.
3.2膜技術應用現狀
3.2.1海水和苦咸水的淡化
目前膜在海水和苦咸水的淡化領域里的應用已達到成熟階段.日處理量達幾十萬噸的膜海水淡化裝置已建立,為海邊缺水地區人民解決了用水問題.我國西部也建立了許多大型苦咸水淡化裝置[4].海水淡化裝置中反滲透膜分離應用的很廣泛,大約30%的海水淡化裝置是反滲透,可脫去海水中99%以上的鹽離子.
3.2.1飲用水的凈化
自1984年以來,歐洲已有幾十套無機膜處理裝置建立運行,生產低濁度的飲用水.法國Moulin等人用無機膜與臭氧/絮凝劑結合處理地表水,出水水質達到飲用水標準.大同市成功地用有機微濾膜設備處理水庫水中大顆粒物及部分細菌微生物,緩解了市民的飲水問題.
3.2.3工業廢水處理
國內的南京化工大學膜科學技術研究所與武漢鋼鐵集團公司能源總廠供水廠合作對軋鋼乳化廢水用陶瓷膜過濾法進行了中試,結果無論從經濟還是從技術的角度均優于國外普遍采用的0.01m有機膜過濾法.1986年,中科院生態環境中心用超濾法處理含油污水,在0.1MPa,水通量保持在60-120L/m3*h的情況下,200-1000mg/L的水處理達到環境排放標準.1994年,在北京印鈔廠安裝了超濾設備用于處理印鈔擦版廢水,處理能力為2m3/h,迄今運轉良好.
3.2.4污水資源化
膜技術作為一門嶄新的跨學科實用化技術,近年來在污水資源化利用方面漸露頭角.隨著我國膜工業產業化水平的提高,國產的反滲透膜、超濾膜、微濾膜的品質快速提升,使得國外的一些反滲透膜、超濾膜、微濾膜的價格也在逐步下降,這也進一步促進了膜技術在污水資源化利用工程中的大規模應用.
膜技術的產業化為污水資源化利用開辟了新路,要提高水資源利用率,就必須在污水資源化利用上做文章.膜技術作為當今世界上先進的污水處理技術,以其能耗低、效率高、污染少等特點在污水資源化利用上有著獨特的優勢.
膜法水處理可以與其他深度水處理辦法相媲美[5-8].污染物較多的污水的處理,常規辦法是沉淀、曝氣、過濾,深度處理用活性炭、臭氧等,其不足慢慢顯示了出來,這種方法投資大、能耗高、效率低,而且,處理后的水品質不高;現在膜技術在價格上、技術上都有優勢,通過膜分離能將工業污水中的有害物質脫出,作為工業新鮮水的補充水再循環回用.
我國膜技術在污水資源化領域的應用正大規模推廣.再生水廠就可以采用超濾膜水處理技術.它是以污水處理廠二級處理的出水作為水源,經過深加工后達到回用要求,通過壓力管線供給使用方.污水處理廠處理后的二級出水在壓力的作用下,采用0??02微米超濾膜對水進行過濾凈化,再經過活性炭處理,臭氧消毒,達到國家??類水體標準,水質清澈透明,無色無味.
膜技術除了在一些大型污水處理廠和再生水廠得到應用外,近幾年隨著節水減排的工作力度的加大,在鋼鐵企業、石化企業、電力行業等先后投入和建設的很多污水回用工程中,膜技術也得到了非常廣泛的應用.
4膜技術在水處理及污水資源化應用展望
隨著膜性能的不斷提高,膜價格的不斷降低,中國城市水廠的膜時代已經到來.可見,無論在污水領域還是供水領域,膜技術均已悄然掀起一場革命.在人類面臨越來越嚴重的生態危機和水的需求日益高漲的今天,膜材料的迅速發展推動膜法水處理技術得到突飛猛進的發展.膜法水處理技術和工藝已經在工業、市政等所有用途的水處理過程中得到極為廣泛的應用.隨著膜本身制造技術的完善和大量應用,它帶來的是水處理成本的大幅度下降.膜技術在我國的水處理領域發揮著越來越重要的作用,而污水資源化,是解決我國缺水的必要途徑.膜技術在城市污水回用工程中的成功應用,也進一步推動了膜技術在我國污水資源化領域的應用推廣,為污水資源化利用開辟了一條新路.
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