反滲透在水污染控制中的應(yīng)用
20世紀80年代初,美國政府實驗室就開發(fā)出第一張復合聚酰胺膜。與纖維素膜相比,具有高而多的水通量和鹽截留率,大大促進了反滲透技術(shù)的應(yīng)用。目前已從最初的海水、苦咸水脫鹽及各種純水制造向水污染控制領(lǐng)域發(fā)展。反滲透已在城市污水、垃圾填埋場、電鍍、食品和制藥等行業(yè)的廢水處理或回用中獲得應(yīng)用。
1 重金屬廢水的處理
含重金屬離子的廢水處理,國內(nèi)一般采用各種化學方法。化學反應(yīng)沉淀具有投資省、運行費用低的優(yōu)點,但也存在污泥處理處置困難,當水質(zhì)復雜時難操作控制等缺點。離子交換法不僅運行費用高,預(yù)處理復雜,再生廢液的回用難度也大,容易產(chǎn)生二次污染。國內(nèi)外均對反滲透法處理重金屬廢水進行了廣泛深入的研究。目前,我國約有100套反滲透裝置應(yīng)用于電鍍廢水的治理,組件多采用內(nèi)壓管式或卷式。采用內(nèi)壓管式組件,在操作壓力為2.7 MPa時,Ni3+分離率在97.2%~97.7%,水通量為0.4 m3/(m2•d),鎳回收率大于99%。
UJANG Z.采用復合低壓反滲透膜對含Zn2+和Cu2+的廢水進行處理研究,不投加EDTA,進水pH在3~5之間,水溫25℃,水回收率為40%,操作壓力450 kPa時,Zn2+和Cu2+的去除率93%~96%。投加EDTA后,由于與Zn2+和Cu2+形成絡(luò)合離子,在其它條件相同時,反滲透膜對Zn2+和Cu2+的截留率穩(wěn)定在95%,當投加EDTA適宜時,二者的截留率均達到99%以上。研究還發(fā)現(xiàn)對Zn2+的截留率略高于Cu2+,采用的反滲透膜組件見表1。
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CHAI X 340 mg/L時,透過液中銅質(zhì)量濃度低于4 mg/L。SCHOEMAN J.J.分別采用南非產(chǎn)管式醋酸纖維素膜(膜面積1.75 m2)、杜邦卷式聚酰胺膜(組件為417 mm×71 mm)和FilmTec的卷式復合膜(組件為614 mm×80 mm)對鎳清洗廢水與混合電鍍廢水、鎘清洗廢水和鉻清洗廢水進行了中試規(guī)模研究,結(jié)果表明,對于處理規(guī)模為5 m3/h的鎳、鎘和鉻清洗廢水,RO系統(tǒng)運行1.3、3和7 a后可以收回投資。
2 高礦化度礦井廢水的處理
du PLESSIS G.H.采用管式反滲透膜對礦井廢水進行中試規(guī)模(膜面積達40.25 m2)的研究,預(yù)處理包括投加量為5 mg/L的次氯酸鈉消毒除藻類、15 mg/L的FeCl3(以Fe計)的絮凝澄清去除懸浮物和膠體、雙層過濾去除濁度以及5 mg/L的Flocon阻垢劑。當膜面流速在1~2 m/s,水最大回收率為70%,壓力4 MPa時,平均水通量為700 L/(m2•d),除鹽率穩(wěn)定在96%。值得注意的是預(yù)處理后,廢水的SDI(污染指數(shù))高達5.6~6.2,但每運行350 h后的清洗可保證系統(tǒng)的正常運行。
PULLES W.對礦井廢水進行了新穎的泥漿沉淀與再循環(huán)反滲透工藝(Slurry Precipitation And Re-cycle Reverse Osmosis,SPARRO)處理的中試研究。中試研究采用管狀醋酸纖維紗膜,結(jié)果表明,SPARRO的投資略高于常規(guī)反滲透工藝(高5.5%),但運行費用低得多,能耗僅3~4 (kW•h)/m3,除鹽率大于90%,水的回收率則高達95%。在該工藝中,進水中包括硫酸鈣晶體泥漿,它在高壓下被水泵泵進膜組件。當?shù)望}廢水通過膜時,溶解鹽得到濃縮,而當溶解鹽過量時,便會優(yōu)先沉積在結(jié)晶體上,從而防止在膜表面和系統(tǒng)管網(wǎng)上結(jié)垢,使得結(jié)垢型水可以在較高的水回收率情況下進行脫鹽,硫酸鈣晶體的濃度則通過周期性外排得到控制。
3 生活污水的深度凈化處理
SUZUKIY.等以反滲透膜的水通量、膜透過液水質(zhì)、水通量衰減系數(shù)和化學清洗后水通量恢復率為主要參數(shù),對不同組件形式、不同材質(zhì)的反滲透膜用于生活污水回用處理進行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),螺旋卷式聚乙烯醇復合膜和三醋酸纖維素中空纖維膜在廢水回用工藝中具有較高的實用價值,不僅膜透過液水質(zhì)具有與城市給水相同的外觀:無色透明、無味,糞便大腸菌類的截留率為100%,滲透液COD為1~2 mg/L,色度≤1度,磷含量為0•01 mg/L,而且水通量較大。同時,這些膜具有很強的抗污染能力,染膜通過化學清洗,水通量可100%恢復。
SLIMJ.A.采用管式反滲透膜對城市污水的三級處理(砂濾和氯化)出水制取可飲用水進行了可行性研究。反滲透處理規(guī)模為610 m3/d,在20℃時,水的回收率為70%,運行12 000 h的結(jié)果表明,膜本身未出現(xiàn)不可控制的污染,除了酚和氨氮外,其它所有的化學指標均能滿足生活飲用水標準,從微生物學指標看,反滲透出水投加1 mg/L的余氯消毒可以滿足飲用水要求,但從毒理學角度分析,反滲透出水尚需進一步深度處理以去除微量有機物和毒物。
BILSTAD T.采用管式和卷式反滲透膜對城市污水進行氮分離實驗研究,結(jié)果表明,總氮去除率可達95%,化學沉淀池的出水可以直接作為管式反滲透膜的進水,但對卷式膜而言,化學沉淀出水尚需25~200μm的濾芯過濾器處理,同時,卷式反滲透膜需每天進行化學清洗,以確保在水溫為25℃,進口壓力為35 kg/cm2的條件下水通量達到20 L/(m2•h)。
4 高質(zhì)量濃度有機廢水的處理
反滲透膜技術(shù)用于牛羊屠宰廢水處理已經(jīng)從研究進入小規(guī)模(25 m3/d)的商用階段。COWAN J.A.C.對經(jīng)過篩濾和去除脂肪的屠宰廢水采用超濾和反滲透膜分離進行處理,膜分離情況如表2所示。
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BUCKLEY C.A.報道了一個規(guī)模為40 m3/d處理高質(zhì)量濃度染洗廢水的反滲透處理廠。反滲透膜由兩級組成,每級包括6個卷式膜組件。第一級采用苦咸水反滲透膜,第二級采用海水反滲透膜。第一級的運行壓力在2.7~3.1 MPa,總固體和鈉離子的去除率均大于96%,色度去除率為90%,總碳去除率為87%;第一級的濃水作為第二級的進水,由于進水溶液滲透壓高,第二級的運行壓力為5.3~5.8 MPa,其總固體和鈉離子的去除率大于98%,色度去除率為94%。反滲透膜每周進行一次化學清洗。
畜禽糞便廢水處理一直是國內(nèi)的難題。其預(yù)處理一般糞便通過機械脫水后產(chǎn)生固體含量為25%的泥餅和含固率為1%的液體。BILSTAD T.采用反滲透膜對機械脫水的液體進行處理的中試研究,反滲透膜組件由18根管狀聚酰胺膜組成,管狀膜的內(nèi)徑為12.5 mm,長度1 219 mm,總有效膜面積0.861 m2。膜面流速2.5 m/s,運行參數(shù)控在:p<7MPa,t<70℃,3<pH<11,化學清洗采用0.3%的硝酸,在40℃下循環(huán)45 min,隨后堿性洗滌劑(Ultra-sil 11)在40℃下循環(huán)45 min。根據(jù)中試建立的實際反滲透裝置,膜面積46•8 m2,處理規(guī)模10 m3/d,膜面流速2.9 m/s,壓力4 MPa,運行結(jié)果表明,干凈膜水通量為60 L/(m2•h),N去除率為99%,當每一次間歇操作結(jié)束時,水通量降低為30 L/(m2•h),N去除率降低為90%左右,而K,COD,TP和TS的最低去除率一般大于95%。
CARTWRIGHTP.S.介紹了油田廢水膜分離的應(yīng)用研究結(jié)果,實驗研究中,第一級使用中空纖維納濾膜去除幾乎所有重油、濁度和主要溶解有機物。第一級的滲濾液直接進入第二級卷式反滲透膜,反滲透膜產(chǎn)生的濾液能夠滿足再用或回灌地下,當每級運行回收率為90%,溫度18~22℃,運行壓力7~25 kg/cm2時,第一級穩(wěn)定后水通量為81 L/(m2•h),第二級穩(wěn)定后水通量為5.0 L/(m2•h),膜分離效果如表3所示。
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5 垃圾滲濾液處理
垃圾填埋場滲濾液水質(zhì)非常復雜,不僅含有各種有機物,還含有高濃度氨氮和各種重金屬離子,其可生化性隨填埋時間而變化,至今國內(nèi)尚無經(jīng)濟可行的處理技術(shù)。國外將反滲透膜分離與常規(guī)污水處理技術(shù)相結(jié)合對滲濾液廢水進行了處理的應(yīng)用研究和工程實踐,表4是處理的研究情況。
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6 存在的問題和應(yīng)用前景
反滲透膜分離技術(shù)要在水污染控制中獲得大規(guī)模應(yīng)用尚需解決一些基本問題,如如何衡量允許進入反滲透膜組件的進水水質(zhì),SDI值是否同樣適用于廢水處理;開發(fā)適用于不同廢水處理的各種抗污染、預(yù)處理要求低的反滲透膜組件;解決實驗室研究和實際規(guī)模應(yīng)用的放大問題。
隨著水污染控制形勢的日益緊迫,反滲透膜分離在國內(nèi)各種工業(yè)部門的清潔生產(chǎn)、缺水地區(qū)的廢水處理回用、農(nóng)村微污染原水飲用水處理、難生物降解有機廢水處理領(lǐng)域?qū)@得突破。
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