超滤膜技术在水处理领域中的应用及前景张安辉

2009年第28卷增刊CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS·49·化工进展超滤膜技术在水处理领域中的应用及前景张安辉，游海平（武汉凯迪水务有限公司，湖北武汉430070）摘要：针对目前超滤膜技术在水处理领域中的广泛应用，分别从饮用水处理、生活污水处理、各种工业废水处理以及海水淡化等方面介绍了超滤膜的应用动向及效果，并指出超滤膜技术存在的问题及发展前景。关键词：超滤膜；发展前景膜技术是一门崭新的跨学科实用技术，膜分离过程是一种无相变、低能耗物理分离过程，具有高效、节能、无污染、操作方便和用途广等特点。半个世纪以来，膜技术已在许多领域中得到广泛地应用，被公认为是当代最有发展前途的高新技术之一。在水处理应用较多的仍属压力式的膜技术（微滤、超滤、纳滤和反渗透等），超滤膜从20世纪90年代得到广泛应用，其膜以中空形式居多，主要材质为聚醚砜、聚偏氟乙烯等高分子材料。这些膜分离产品均是利用特殊制造的多孔材料的拦截能力，以物理截留的方式去除水中一定颗粒大小的杂质。在压力驱动下，尺寸较小的物质可通过纤维壁上的微孔到达膜的另一侧，而尺寸较大的物质则不能透过纤维壁而被截留，从而达到筛分溶液中不同大小组分的目的。其过滤的精度和滤膜本身的孔径大小有关。通常习惯把孔径较大的称为微滤（microfiltration），而较小的称为超滤（ultrafiltration），而“孔径”更小则是钠滤和反渗透。超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，平均孔径在3～100nm。超滤膜技术是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术。其截留机理主要是筛分作用，但有时膜表面的化学特性(膜的静电作用)也起着截留作用。以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及低分子量溶质通过，从而达到溶液的净化、分离、与浓缩的目的。图1显示了水中各种杂质的大小和去除它们所使用的分离方法。反渗透主要用来去除水中溶解的无机盐；微滤一般能够去除水中的细菌、灰尘，具有很好的除浊效果；而超滤则可以去除病毒、大分子物质、胶体等。这些都是传统的过滤（如砂滤、多介质过滤等）无法实现的。图1各种膜分离方法这些膜分离的产品从功能上可以分为反渗透、超滤、微滤等；从形式上分为中空纤维、管式、卷式、平板式等；从材质上分PP、PE、PS、PVDF、Nylon、PAN等多种；从操作方式上分为错流过滤和终端过滤两种，或者分为内压式、外压式等。这些膜产品能够具备优异的分离能力，是和它的结构及材料密不可分的。图2显示了聚合物膜材料的结构。可见，各种形式的分离膜大都属于非对称的结构，即包括致密的皮层（真正起分离作用）和多孔的支撑层。这种结构既保证了良好的分离效果，又图2聚合物膜材料的结构DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2009.s2.099化工进展2009年第28卷·50·提高了膜通量，降低运行能耗，并抗污堵。这些因素使得分离膜产品最终能够实现大工业化的应用。本文重点介绍超滤在水处理中的应用及前景。1饮用水处理20世纪末，由于水环境污染加剧，以及水质检测技术的发展，出现了许多新的水质问题，如贾第虫和隐孢子虫（两虫）问题、水蚤及红虫问题、藻类污染加剧及臭味和藻毒素问题、水的生物稳定性问题等。为此，世界各国都对饮用水制订了更多的指标项目（100多项）和更严格的水质卫生标准，我国卫生部新的《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006）将于2012年全面推行，检测指标由35项增至106项，但用常规处理（第一代饮用水技术）加臭氧—活性炭深度处理（第二代饮用水技术）已不能满足要求了，故超滤膜技术被引用，被称之为第三代饮用水技术。超滤一般能去除水中包括水蚤、藻类、原生动物、细菌甚至病毒在内的微生物，与第二代处理工艺结合能充分发挥各工艺的优点，对水中的致病微生物、浊度、天然有机物、微量有机污染物、氨氮等都有较好的处理效果，从而满足人们对水质越来越高的要求。2废水处理据超滤膜各项特点，无论在生活污水还是在工业废水中都得到广泛应用。这是因为它具有如下的优点：（1）对杂质的去除效率高，产水水质大大好于传统方法；（2）彻底消除或者大大减少化学药剂的使用，避免二次污染；（3）系统易于自动化，可靠性高。运行简易，设施只有开启，关闭两档；（4）占地面积要求小；（5）与常规水处理系统费用相当生活污水经过超滤使处理水质变好从而进行回用，而工业废水中由于一般技术不能达标，采用超滤技术能充分处理废水。2.1生活污水处理城市污水处理厂废水，可采用膜生物反应器（MBR）技术进行处理，处理后的水质较好，可用于中水回用，且反应器占地面积小，设备投资低。可广泛应用于小区中水回用。2.2含油废水的处理含油废水存在的状态分三种：浮油、分散油、乳化油。前两种较容易处理，可采用机械分离、凝聚沉淀、活性炭吸附等技术处理，使油分降到很低。但乳化油含有表面活性剂和起同样作用的有机物，油分以微米级大小的离子存在于水中，重力分离和粗粒化法都比较困难。超滤膜能达到目的，它使水和低分子有机物透过膜，从而实现油水分离。例如，油田含油废水中通常油量为100～1000mg/L,超过国家排放标准(＜10mg/L),故排放前必须进行除油处理应用中空纤维超滤技术,在操作压力为0.1MPa,污水温度40℃时,膜的透水速度可达60～120L/(m2·h),可将原油200～1000mg/L的废水处理后达到环境排放标准。2.3食品工业废水处理食品工业中牛奶、饮料、淀粉、酵母、豆腐、肉类等加工过程中形成的废水，含有大量的蛋白质、淀粉、酵母、乳糖及脂肪等，都有一定的回收价值，而这类废水中的BOD和COD又较高，会对环境造成污染。用一般生化法较难处理，且无法回收其中有用的物质，用超滤法可以实现回收利用又达到净化废水的目的。如采用中空纤维和管式超滤装置处理蟹加工废水时，入口压力采用0.18MP，出口压力采用0.12MP，浓缩倍数可达十倍，20L废水浓缩液经离心干燥可获得180g的干燥固体、含40%的蛋白质和23%～45%的脂肪。2.4电镀废水电镀废水的用水量高，其中的氰化物、六价铬、镍、铜、锌、镉等重金属离子具有很强的毒性，对人、动物和农作物等都会造成严重的危害。电镀废水的特点是可生化性小，且里面的金属离子难以被微生物吸收。目前国内外治理电镀废水使用技术中，利用铁氧化法处理电镀废水，虽然原料方便和价廉，但是出水色感差、污泥量大。利用电解法处理电镀废水，处理效果虽然较好，但是投资较大、耗电较多，处理成本持高不下。采用超滤膜和反渗透膜连用可以使镀镍废水中的电导率、镍、硝酸盐和总有机碳的去除率分别为97%，99.8%，95%和87%，通过超滤膜作为预处理，反渗透膜的污染明显减少，并且反渗透膜的通量能提高30%～50%。2.5造纸废水的处理造纸废水处理碱回收中应用最多的是燃烧法碱增刊张安辉等：超滤膜技术在水处理领域中的应用及前景·51·回收，此种方法不仅不经济，还没有对有用的物质进行回收。超滤应用于造纸废水中，主要是对某些成分进行浓缩并回收，而透过的水又重新返回工艺中使用，主要回收的物质是磺化木质素，它可以再返回纸浆中被在利用，这样就能创造较大的环境效益和经济效益。3海水淡化海水淡化技术经过半个世纪的发展，从技术上，已经比较成熟，大规模地把海水变成淡水已经在世界各地出现。目前主要的海水淡化方法有反渗透（SWRO）、多级闪蒸（MSF）、多效蒸发（MED）和压汽蒸馏（VC）等，而适用于大型的海水淡化的方法只有SWRO、MSF和MED。虽然现有淡化容量的70%是蒸馏法，主要是多级闪蒸，但近年来这种局面正在改变，反渗透法以其低投资费和低能耗迅速扩大市场。从19世纪60年代膜技术被用于解决这些国家的缺水问题，但许多反渗透海水淡化系统面临着膜污染严重的问题，主要因为反渗透系统的传统的预处理方法无法提供可靠的入水水质。因此，绝大多数淡化工厂，在远远低于其设计出水量的情况下工作，导致制水成本居高不下。国内外多个膜法海水淡化工程实际运行情况表明，超滤系统可以有效的控制海水水质，为反渗透系统提供高质量的入水。4结语在国际中，超滤膜技术已得到了广泛应用。近10年来，我国的超滤膜技术有了很大的进展，但与国外产品相比差距仍然很大。问题主要表现在：生产现代化、产业化程度低，原料不规范，工艺参数未严格控制，产品质量不稳定;膜的品种少，应用范围小。所以只要我们要加强研发能力，努力推动膜技术产业的发展，依靠科技进步，提高产品质量，降低成本，增加品种，扩大应用面提高膜技术应用的工艺设计、系统成套能力，膜制备和膜组件水平，扩大膜品种及相关机电产品，就能使我国超滤膜得到广泛的发展，在水处理领域中发挥更大的作用。