摘要:闡述了污水資源化的必要性,介紹了膜技術(shù)原理、分類及特點(diǎn),重點(diǎn)介紹了膜技術(shù)在污水處理和資源化方面的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用現(xiàn)狀,并展望了膜技術(shù)在污水資源化方面的發(fā)展前景.

1污水資源化的必要性

我國(guó)水資源的人均占有量?jī)H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(nèi)屬于缺水國(guó)家,而同時(shí),我國(guó)又是世界上污水排放量最大、污水排放增加速度最快的國(guó)家之一,近幾年我國(guó)各種廢水及主要污染物的排放量處于逐漸增加的趨勢(shì).這一狀況加劇了水資源緊缺的危機(jī)[1].

隨著我國(guó)水資源短缺和污染的加劇,我們必須擴(kuò)展水資源的概念和內(nèi)涵,污水也是重要的水資源,對(duì)其進(jìn)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(guò)污水處理再利用,可以減少對(duì)水資源的污染,對(duì)環(huán)境治理具有重要的推動(dòng)作用.提高水資源利用率,已成為我國(guó)水資源利用過(guò)程中的當(dāng)務(wù)之急.

2膜技術(shù)簡(jiǎn)介

膜分離技術(shù)是以選擇性多孔薄膜為分離介質(zhì),使分離的溶液借助某種推動(dòng)力(如:壓力差、濃度差、電位差等)通過(guò)膜,低分子溶質(zhì)透過(guò)膜,大分子溶質(zhì)被截留,以此來(lái)分離溶液中不同分子量的物質(zhì),從而達(dá)到分離、濃縮、純化目的[2].

膜分離技術(shù)被公認(rèn)為是目前最有發(fā)展前途的高科技之一.近些年來(lái),膜技術(shù)迅速發(fā)展備受矚目.擴(kuò)散定理、膜的滲析現(xiàn)象、滲透壓原理、膜電勢(shì)等研究為膜的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),而相關(guān)科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)也使得膜的實(shí)際應(yīng)用成為可能.

二百多年前,No11et發(fā)現(xiàn)膜的滲透現(xiàn)象以來(lái),膜分離技術(shù)已有巨大的成功.如30年代的微孔過(guò)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(fā)相繼問(wèn)世.膜分離技術(shù)日趨成熟,應(yīng)用十分廣泛.從環(huán)境、化工、生物到食品各行業(yè)都采用了膜分離技術(shù)[3].目前,膜技術(shù)主要有以下幾種:

(1)反滲透(RO)膜技術(shù).反滲透(又稱高濾)過(guò)程是滲透過(guò)程的逆過(guò)程,推動(dòng)力為壓力差,即通過(guò)在待分離液一側(cè)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(cè).反滲透技術(shù)的特點(diǎn)是無(wú)相變,能耗低、膜選擇性高、裝置結(jié)構(gòu)緊湊,操作簡(jiǎn)便,易維修和不污染環(huán)境等.

(2)納濾(NF)膜技術(shù).納濾技術(shù)是超低壓具有納米級(jí)孔徑的反滲透技術(shù).納濾膜技術(shù)對(duì)單價(jià)離子或相對(duì)分子質(zhì)量低于200的有機(jī)物截留較差,而對(duì)二價(jià)或多價(jià)離子及相對(duì)分子質(zhì)量介于200-1000的有機(jī)物有較高脫除率.納濾膜具有荷電,對(duì)不同的荷電溶質(zhì)有選擇性截留作用,同時(shí)它又是多孔膜,在低壓下透水性高.

(3)微濾(MF)膜技術(shù).微濾膜是以靜壓差為推動(dòng)力,利用篩網(wǎng)狀過(guò)濾介質(zhì)膜的篩分作用進(jìn)行分離.微濾膜是均勻的多孔薄膜,其技術(shù)特點(diǎn)是膜孔徑均一、過(guò)濾精度高、濾速快、吸附量少且無(wú)介質(zhì)脫落等.主要用于細(xì)菌、微粒的去除,廣泛應(yīng)用在食品和制藥行業(yè)中飲料和制藥產(chǎn)品的除菌和凈化,半導(dǎo)體工業(yè)超純水支配過(guò)程中顆粒的去除,生物技術(shù)領(lǐng)域發(fā)酵液中生物制品的濃縮與分離.

(4)超濾(UF)膜技術(shù).超濾是以壓差為驅(qū)動(dòng)力,利用超濾膜的高精度截留性能進(jìn)行固液分離或使不同相對(duì)分子質(zhì)量物質(zhì)分級(jí)的膜分離技術(shù).其技術(shù)特點(diǎn)是:能同時(shí)進(jìn)行濃縮和分離大分子或膠體物質(zhì).與反滲透相比,其操作壓力低,設(shè)備投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用低,無(wú)相變,能耗低且膜選擇性高.在食品、醫(yī)藥、工業(yè)廢水處理、超純水制備及生物技術(shù)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛.

(5)電滲析(ED)膜技術(shù).電滲析是一個(gè)電化學(xué)分離過(guò)程,是在直流電場(chǎng)作用下以電位差為驅(qū)動(dòng)力,通過(guò)荷電膜將溶液中帶電離子與不帶電組分分離的過(guò)程.該分離過(guò)程是在離子交換膜中完成的.主要應(yīng)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(huán)水軟化,廢水中高價(jià)值物質(zhì)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(shù).雙極膜是由陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜疊壓在一起形成的新型分離膜.陰陽(yáng)膜的復(fù)合可以將不同電荷密度、厚度和性能的膜材料在不同的復(fù)合條件下制成不同性能和用途的雙極膜.主要應(yīng)用于酸堿生產(chǎn)、煙道氣脫硫、食鹽電解等.

(7)滲透蒸發(fā)(PV)膜技術(shù).滲透蒸發(fā)是一個(gè)壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程,它是利用液體中兩種組分在膜中溶解度與擴(kuò)散系數(shù)的差別,通過(guò)滲透與蒸發(fā),達(dá)到分離目的的一個(gè)過(guò)程,其設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用較低.近年來(lái),對(duì)滲透蒸發(fā)技術(shù)的研究雖然進(jìn)展很快,但它單獨(dú)使用的經(jīng)濟(jì)性并不好.

3膜技術(shù)在水處理及污水資源化中的應(yīng)用

3.1膜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的水處理技術(shù)相比,膜技術(shù)以其占地省、使用化學(xué)添加劑少、自動(dòng)化程度高、運(yùn)行管理方便等明顯特點(diǎn),已被越來(lái)越多的人所認(rèn)識(shí)到.同時(shí)膜技術(shù)可以與傳統(tǒng)技術(shù)很好地結(jié)合,無(wú)論是物理、化學(xué)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(fā)揮核心作用.特別需要指出的是,膜法水處理技術(shù)和解決方案的優(yōu)勢(shì),在中國(guó)將更顯突出,節(jié)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(huán)境風(fēng)險(xiǎn).膜技術(shù)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(xì)菌、有毒金屬物質(zhì)和有機(jī)物,大大改善水質(zhì).與傳統(tǒng)分離技術(shù)相比,膜技術(shù)具有高效、節(jié)能、環(huán)境友好、過(guò)程容易控制、操作方便、易與其他技術(shù)集成等優(yōu)點(diǎn).膜技術(shù)對(duì)我國(guó)生活污水、工業(yè)廢水的處理和資源化利用有重要戰(zhàn)略意義.當(dāng)前,我國(guó)環(huán)境保護(hù)形勢(shì)依然嚴(yán)峻,膜技術(shù)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(lǐng)域產(chǎn)生的工業(yè)廢水,一般技術(shù)處理均難以達(dá)標(biāo).膜技術(shù)是處理這些工業(yè)廢水的重要技術(shù)之一.此外,膜技術(shù)在城鎮(zhèn)生活污水處理上已有眾多成功運(yùn)營(yíng)典型,取得了較大進(jìn)展.

3.2膜技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)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(lǐng)域里的應(yīng)用已達(dá)到成熟階段.日處理量達(dá)幾十萬(wàn)噸的膜海水淡化裝置已建立,為海邊缺水地區(qū)人民解決了用水問(wèn)題.我國(guó)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(yīng)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(lái),歐洲已有幾十套無(wú)機(jī)膜處理裝置建立運(yùn)行,生產(chǎn)低濁度的飲用水.法國(guó)Moulin等人用無(wú)機(jī)膜與臭氧/絮凝劑結(jié)合處理地表水,出水水質(zhì)達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn).大同市成功地用有機(jī)微濾膜設(shè)備處理水庫(kù)水中大顆粒物及部分細(xì)菌微生物,緩解了市民的飲水問(wèn)題.

3.2.3工業(yè)廢水處理

國(guó)內(nèi)的南京化工大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)研究所與武漢鋼鐵集團(tuán)公司能源總廠供水廠合作對(duì)軋鋼乳化廢水用陶瓷膜過(guò)濾法進(jìn)行了中試,結(jié)果無(wú)論從經(jīng)濟(jì)還是從技術(shù)的角度均優(yōu)于國(guó)外普遍采用的0.01m有機(jī)膜過(guò)濾法.1986年,中科院生態(tài)環(huán)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(dá)到環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn).1994年,在北京印鈔廠安裝了超濾設(shè)備用于處理印鈔擦版廢水,處理能力為2m3/h,迄今運(yùn)轉(zhuǎn)良好.

3.2.4污水資源化

膜技術(shù)作為一門(mén)嶄新的跨學(xué)科實(shí)用化技術(shù),近年來(lái)在污水資源化利用方面漸露頭角.隨著我國(guó)膜工業(yè)產(chǎn)業(yè)化水平的提高,國(guó)產(chǎn)的反滲透膜、超濾膜、微濾膜的品質(zhì)快速提升,使得國(guó)外的一些反滲透膜、超濾膜、微濾膜的價(jià)格也在逐步下降,這也進(jìn)一步促進(jìn)了膜技術(shù)在污水資源化利用工程中的大規(guī)模應(yīng)用.

膜技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化為污水資源化利用開(kāi)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(shù)作為當(dāng)今世界上先進(jìn)的污水處理技術(shù),以其能耗低、效率高、污染少等特點(diǎn)在污水資源化利用上有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).

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(guī)辦法是沉淀、曝氣、過(guò)濾,深度處理用活性炭、臭氧等,其不足慢慢顯示了出來(lái),這種方法投資大、能耗高、效率低,而且,處理后的水品質(zhì)不高;現(xiàn)在膜技術(shù)在價(jià)格上、技術(shù)上都有優(yōu)勢(shì),通過(guò)膜分離能將工業(yè)污水中的有害物質(zhì)脫出,作為工業(yè)新鮮水的補(bǔ)充水再循環(huán)回用.

我國(guó)膜技術(shù)在污水資源化領(lǐng)域的應(yīng)用正大規(guī)模推廣.再生水廠就可以采用超濾膜水處理技術(shù).它是以污水處理廠二級(jí)處理的出水作為水源,經(jīng)過(guò)深加工后達(dá)到回用要求,通過(guò)壓力管線供給使用方.污水處理廠處理后的二級(jí)出水在壓力的作用下,采用0??02微米超濾膜對(duì)水進(jìn)行過(guò)濾凈化,再經(jīng)過(guò)活性炭處理,臭氧消毒,達(dá)到國(guó)家??類水體標(biāo)準(zhǔn),水質(zhì)清澈透明,無(wú)色無(wú)味.

膜技術(shù)除了在一些大型污水處理廠和再生水廠得到應(yīng)用外,近幾年隨著節(jié)水減排的工作力度的加大,在鋼鐵企業(yè)、石化企業(yè)、電力行業(yè)等先后投入和建設(shè)的很多污水回用工程中,膜技術(shù)也得到了非常廣泛的應(yīng)用.

4膜技術(shù)在水處理及污水資源化應(yīng)用展望

隨著膜性能的不斷提高,膜價(jià)格的不斷降低,中國(guó)城市水廠的膜時(shí)代已經(jīng)到來(lái).可見(jiàn),無(wú)論在污水領(lǐng)域還是供水領(lǐng)域,膜技術(shù)均已悄然掀起一場(chǎng)革命.在人類面臨越來(lái)越嚴(yán)重的生態(tài)危機(jī)和水的需求日益高漲的今天,膜材料的迅速發(fā)展推動(dòng)膜法水處理技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展.膜法水處理技術(shù)和工藝已經(jīng)在工業(yè)、市政等所有用途的水處理過(guò)程中得到極為廣泛的應(yīng)用.隨著膜本身制造技術(shù)的完善和大量應(yīng)用,它帶來(lái)的是水處理成本的大幅度下降.膜技術(shù)在我國(guó)的水處理領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,而污水資源化,是解決我國(guó)缺水的必要途徑.膜技術(shù)在城市污水回用工程中的成功應(yīng)用,也進(jìn)一步推動(dòng)了膜技術(shù)在我國(guó)污水資源化領(lǐng)域的應(yīng)用推廣,為污水資源化利用開(kāi)辟了一條新路.

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