膜分離技術(shù)及其在污水處理中的應(yīng)用
行業(yè)動態(tài)
近年來，伴隨著我國工業(yè)化和城市化的進程，大量的生活和工業(yè)廢水排入水體，這些廢水中多含有不同濃度的化學成分，給水體帶來越來越嚴重的污染，惡化的水質(zhì)危及工業(yè)生產(chǎn)和人們的健康。一方面不注重環(huán)保，水資源被嚴重污染；另一方面，我國許多大中城市及北部地區(qū)的城市缺水問題日益嚴重，部分城市水源開發(fā)已達極限。目前水資源短缺已成為制約我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素。為此在各個領(lǐng)域，特別是高耗水的冶金、石化、電力等行業(yè)廣泛開展了節(jié)水工作。除了通過提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)、選擇低耗水工藝等方式節(jié)約用水外，還努力開辟新水源，利用污水資源回用。污水資源化是控制水污染、緩解水資源短缺、實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的主要對策。
為解決污水回用問題，出現(xiàn)了各種預(yù)處理和深度處理技術(shù)和方法，但到目前為止，國際水處理界對微污染原水的處理動向基本是兩種途徑：傳統(tǒng)處理工藝（如蒸發(fā)、萃取、沉淀、混凝、過濾和離子交換等）的改進和膜分離技術(shù)的使用。
1 膜分離技術(shù)原理、分類及優(yōu)點
膜分離過程的推動力主要是濃度梯度、電勢梯度及壓力梯度。膜分離是通過膜對混合物中各組分的選擇滲透作用的差異，以外界能量或化學位差為推動力對雙組分或多組分混合的氣體或液體進行分離、分機、提純和富集的方法。
近幾十年來，將膜分離技術(shù)應(yīng)用到污水處理領(lǐng)域，形成了新的污水處理方法，它包含微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）、電滲析（ED）等。
膜分離技術(shù)，作為一種新型的分離技術(shù)，既能對廢水進行有效的凈化，高效地去除污染物，又能回收一些有用物質(zhì)，同時具有節(jié)能、無相變、安全性高、生物穩(wěn)定性好、設(shè)備簡單、操作方便等特點，因此在工業(yè)廢水處理中得到了廣泛的應(yīng)用并顯示了廣闊的發(fā)展前景。
2 常用膜分離技術(shù)的應(yīng)用
2.1 微濾（MF）
微濾是一種精密過濾技術(shù)，一般能夠去除水中的細菌、固體微粒，所分離的組分直徑為0.03～15微米；具有很好的除濁效果，廣泛用于半導體工業(yè)超純水的終端處理。飲用水生產(chǎn)和城市污水處理是MF應(yīng)用潛在的兩大市場。在工業(yè)污水處理中可用于涂料行業(yè)污水、含油廢水、硝化棉廢水和含重金屬廢水等的處理，這些都正在實現(xiàn)工業(yè)化。張艷等采用氫氧化鎂吸附與無機陶瓷微粒膜相結(jié)合的方法對印染廢水進行了脫色處理，脫色率可達98%以上，并對膜污染和清洗進行了研究，取得了較好效果。
我國微粒膜的研究與國外水平相比，常規(guī)微濾膜的性能和國外同類產(chǎn)品的性能基本一致，折疊式濾芯在許多場合代替了進口產(chǎn)品，但在錯流式微濾膜和組器技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用等方面，仍落后于國外，這就抑制了微濾技術(shù)在較高濁度水質(zhì)深度處理中的應(yīng)用。
2.2 超濾（UF）
同MF類似，超濾主要用于除去固體微粒，分離的組分直徑為0.005～10微米。還可以去除病毒、大分子物質(zhì)、膠體等，廣泛用于食品、醫(yī)藥、工業(yè)污水處理、超純水制備及生物技術(shù)工業(yè)。超濾在水處理方面應(yīng)用十分廣泛，在工業(yè)污水處理方面應(yīng)用得較普遍的是電泳涂料污水處理。它可以與反滲透聯(lián)合制備高純水；可以處理生活污水；處理工業(yè)廢水，包括電泳涂漆廢水、含重金屬廢水、含油廢水、含聚乙烯醇（PVA）廢水、含淀粉及酶的廢水、紡織工業(yè)脫漿水和紙漿工業(yè)污水等；從羊毛精制廢水中回收羊毛脂；纖維加工油劑廢水處理等等。方忠海等采用超濾技術(shù)，對石化廠煉油廢水回用至鍋爐補給水的技術(shù)進行了研究，廢水經(jīng)直流絮凝和超濾去除懸浮物、降低濁度后，完全能夠滿足下游反滲透的進水要求，并實現(xiàn)整個回用水系統(tǒng)的可靠運行。
目前，我國超濾技術(shù)在水處理中以PSH和聚丙烯中空纖維式組件應(yīng)用較多。與國際產(chǎn)品相比，國產(chǎn)超濾膜組件品種單一，通量和截留率綜合性能較低，抑制了超濾膜技術(shù)在水處理以外領(lǐng)域的應(yīng)用。但現(xiàn)在，已有許多共混超濾膜的研究。由于共混超濾膜具有單一組分膜所無法比擬的優(yōu)點，因此這是一個發(fā)展趨勢。
2.3 納濾（NF）
納濾技術(shù)是目前 膜分離領(lǐng)域研究的熱點之一，NF膜對分子量介于200～1000之間的有機物和高價、低價、陰離子無機物有較高的截留性能，可以用于脫除三鹵甲烷、農(nóng)藥、洗滌劑等可溶性有機物及異味、色度和硬度等。因NF膜結(jié)構(gòu)及性能上的特點，當前已廣泛地應(yīng)用于生化產(chǎn)品、污水處理、飲用水制備和物料回收等領(lǐng)域。在工業(yè)污水處理中，NF膜主要用于含溶劑廢水的處理，以其特殊的分離性能成功地應(yīng)用于制糖、制漿造紙、電鍍、機械加工以及化工反應(yīng)催化劑的回收等行業(yè)的污水處理上，已有人開始研究用NF膜處理日化工業(yè)、石油工業(yè)、印刷工業(yè)廢水和含殺蟲劑污水等的處理。石油工業(yè)中的含酚廢水主要含有苯酚、甲基酚、硝基酚以及各類取代酚，此類物質(zhì)的毒性很大，必須脫除后才能排放。熊蓉春等研究了納濾技術(shù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用，不僅酚的脫除率可達95%以上，而且在較低壓力下就能高效地將廢水產(chǎn)生的鎳、汞燈重金屬高價離子脫除，其費用比反滲透燈方法低得多。
我國納濾技術(shù)的研究雖在80年代末就開始了，但NF膜易污染，目前仍在實驗室研究開發(fā)階段，其價格一直比傳統(tǒng)的污水處理方法高，尚無產(chǎn)品投放市場。目前國際上有關(guān)NF膜的制備、性能表征、傳質(zhì)機理等的研究還不夠系統(tǒng)、全面、深入。
2.4 反滲透（RO）
RO主要用來去除水中溶解的無機鹽，RO膜對幾乎所有的溶質(zhì)都有很高的脫除率。RO技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用主要是苦咸水、海水淡化和難以用其他方法處理的混合物。在污水處理方面，RO已廣泛應(yīng)用于城市污水處理和利用、電鍍污水處理、紙漿和造紙工業(yè)污水處理、化工污水處理、冶金焦化污水處理、食品工業(yè)污水處理、制藥污水處理及放射性污水處理等。RO法處理出水質(zhì)量很高，在水處理中通常用于精制。
反滲透技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用于海水淡化、純水和超純水制備、城市給水處理、城市污水處理及應(yīng)用、工業(yè)電鍍廢水及紙漿和造紙工業(yè)廢水處理、化工廢水處理、冶金焦化廢水處理、食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等廢水處理，我國有大港電廠、寶鋼自備電廠等發(fā)電廠應(yīng)用反滲透技術(shù)來進行預(yù)脫鹽處理。與國外相比，我國反滲透工藝和工廠技術(shù)已接近國外 水平，但膜和組器技術(shù)同國際同類產(chǎn)品仍有較大的差距，復(fù)合膜雖已完成中試放大，但離工業(yè)生產(chǎn)仍有差距。當前反滲透膜市場，中空纖維型仍以國產(chǎn)CTA膜組件為主，而卷式型基本上由進口PA復(fù)合膜元件所占據(jù)。在工業(yè)上，引進PA復(fù)合膜和其他所有關(guān)鍵部件，設(shè)計制造反滲透裝置，取代了以往整機進口的局面，實踐證明是成功的。
2.5 電滲析（ED）
當前離子交換膜的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用均已達到很高的水平，ED技術(shù) 的 是美國和日本。該技術(shù)首先用于苦咸水淡化，而后逐漸擴展到海水淡化及制取飲用水和工業(yè)純水中，在重金屬污水處理、放射性污水處理等工業(yè)污水處理中也已得到應(yīng)用，目前已成為一種重要的膜法水處理技術(shù)，越來越受到重視。但是，ED也有它自身的問題，如ED只能除去水中的鹽分，而對水中的有機物不能去除，某些高價離子和有機物還會污染膜。另外，ED運行過程中易發(fā)生濃差極化而產(chǎn)生結(jié)垢。
3 新型膜技術(shù)簡介及應(yīng)用現(xiàn)狀
3.1 液膜（LM）
液膜就是懸浮在液體中的很薄一層乳液微粒。至今已經(jīng)歷了帶支撐體液膜、乳化液膜和含流動載體乳化液膜三個階段。液膜可以代替固膜分離氣體，用液膜法去除載人宇宙飛船密封艙中CO4的技術(shù)已成功地用于宇宙空間技術(shù)中。在石油化工中，液膜可以用于分離那些物理、化學性質(zhì)相似而不能用常規(guī)的蒸餾、萃取方法分離的烴類混合物。液膜在醫(yī)學上可以用來捕獲許多有毒物質(zhì)，然后安全的排出體外。我國液膜技術(shù)近來也發(fā)展很快。朱亦仁等提出了一種從發(fā)酵液中提取檸檬酸的新方法——乳狀液膜分離法，討論了該方法的基本原理及傳遞過程和機理。考察了表面活性劑、載體和內(nèi)相試劑濃度對提取率的影響，確定了合適的膜配方。
3.2 氣態(tài)膜（GM）
GM分離技術(shù)是近年才發(fā)展起來的膜分離技術(shù)，氣態(tài)膜是由厚度為0.03mm的微孔、疏水性聚合物膜支撐的氣態(tài)薄層，它用于分隔兩種水溶液，只有揮發(fā)性溶質(zhì)可以以氣態(tài)形式擴散并通過膜，非揮發(fā)性的溶質(zhì)不能通過膜。
李芳等對氣態(tài)膜回收氰化物的遷移機理及各種影響因素進行了研究，結(jié)果表明：傳質(zhì)速率與料液濃度呈現(xiàn)線性遞增關(guān)系；吸收液濃度、流速和料液濃度、流速在一定范圍內(nèi)影響傳質(zhì)速率；溫度升高，傳質(zhì)加快；膜孔徑及孔隙率增大，傳質(zhì)速率也隨之增大。
3.3 滲透蒸發(fā)（PV）
滲透蒸發(fā)是利用液體中兩種組分在膜中溶解度與擴散系數(shù)的差別，通過滲透與蒸發(fā)，將二種組分進行分離。滲透蒸發(fā)過程的研究和應(yīng)用，已從有機物中脫水發(fā)展的水中脫除有機雜質(zhì)以及有機物/有機物的分離。滲透蒸發(fā)近年研究雖然進展很快，但它單獨使用的經(jīng)濟性并不好，工業(yè)上多用于集成過程或組合過程，即與其它分離過程結(jié)合起來使用，可以發(fā)揮有關(guān)分離過程的優(yōu)點，做到揚長避短，達到優(yōu)化的目的。
3.4 雙極膜（BM）
雙極膜是一種具有專門用途的離子膜。它是一種新型復(fù)合膜，由三部分組成：陽離子交換層（N型膜）、界面親水層（催化層）和陰離子交換層（O型膜），同樣荷有不同固定電荷密度、厚度和性能的膜材料，在不同復(fù)合條件下可制成不同性能的膜。如水解離膜、1價和2價離子分離膜、防結(jié)垢膜、抗污染膜、低壓反滲透脫硬膜，其中水解離膜應(yīng)用較廣，由它可派生出許多用途，如酸堿的生產(chǎn)、煙道氣脫硫、食鹽的電解等。
總之，任何水處理技術(shù)都有它的適用范圍，往往使用某一種膜技術(shù)并不一定能夠解決各種水處理問題，因此在實際應(yīng)用中通常將不同的膜技術(shù)進行組合使用，如ED與RO的結(jié)合，RO與UF的結(jié)合，及RO與MF的結(jié)合使用等，這樣往往可以發(fā)揮各自的特點，取得更大的技術(shù)和經(jīng)濟效果。同時膜技術(shù)與常規(guī)的水處理技術(shù)聯(lián)合使用也是不可忽視的。因此，膜技術(shù)與常規(guī)水處理技術(shù)的聯(lián)合使用是十分重要的，是今后開發(fā)新型水處理工藝的一個重要方向。相信膜技術(shù)在水處理技術(shù)中的作用和地位會日益突出，其應(yīng)用范圍也日益廣闊。
