膜分离技术在废水处理中的应用

膜分离技术在废水处理中的应用的研究进展摘要：膜分离技术是一种高效、低能耗和易操作的液体分离技术，与传统的水处理方法相比具有处理效果好、可实现废水的循环利用等优点。文章综述了电渗析、反渗透、纳滤、微滤、超滤等各种膜分离技术的分离原理、特点，在废水处理中的应用以及目前存在的问题。最后展望了膜技术在废水处理领域的应用前景。关键词：膜分离；废水处理；应用ResearchProgressofMembraneSeparationTechnologyApplicationinWastewaterTreatmentAbstract：Membraneseparationtechnologyisakindofhighefficiency,lowenergyconsumptionandeasyoperationliquidseparationtechnique,comparedwiththetraditionalwatertreatment,ithastheadvantageofgoodeffectintreatmentandcanrealizetherecyclinguseofwastewater.Theseparationmechanismandcharacteristicsofdifferentkindsofmembranetechnologieswereintroduced,includingelectrodialysis,reverseosmosis,nano-filtration,microfiltration,ultrafiltration.Furthermore,theapplicationandcurrentproblemsofdifferentmembranetechnologiesinwastewatertreatmentwereextensivelysummarized.Finally,applicationprospectofmembraneseparationtechnologywaspresentedinthefieldofwastewatertreatment.Keywords：Membraneseparation;WastewaterTreatment;Application近半个世纪以来，膜分离技术在全球得到了迅速的发展。膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法，与传统的分离操作相比，具有能耗低、分离效果高、无二次污染、工艺简单等特点。加之近年来，随着经济的快速发展，废水的大量排放，水污染也日益严重。由于重金属易通过食物链而生物富集，构成对生物和人体健康的严重威胁，甚至危及整个生态系统。如何有效地治理重金属污染已成为人类共同关注的问题。伴随着我国工业化和城市化的进程，大量的生活和工业废水排入水体，这些废水中多含有不同浓度的化学成份，给水体带来越来越严重的污染，恶化的水质危及工业生产和人们的健康。一方面不注重环保，水资源被严重污染；另一方面，我国许多大中城市及北部地区的城市缺水问题日益严重，部分城市水源开发已达极限。目前水资源短缺已成为制约我国经济和社会发展的重要因素。为此在各个领域，特别是高耗水的冶金、石化、电力等行业广泛开展了节水工作[1]。除了通过提高循环水浓缩倍数、选择低耗水工艺等方式节约用水外，还努力开辟新水源，利用污水资源回用。污水资源化是控制水污染、缓解水资源短缺、实现水资源可持续发展的主要对策。为解决污水回用问题，出现了各种预处理和深度处理技术和方法，但到目前为止，国际水处理界对微污染原水的处理动向基本是两种途径：传统处理工艺(如蒸、萃取、沉淀、混凝、过滤和离子交换等)的改进和膜分离技术的使用。膜技术作为一种新兴的分离技术，由于具有分离效率高、能耗低、无相变、操作简便、无二次污染、分离产物易于回收、自动化程度高等优点，在水处理领域具有相当的技术优势[2]。膜分离的基本原理是在某种推动力作用下，利用膜的选择透过性进行分离和浓缩。根据膜截留组分粒径大小的不同及膜性能的差异，目前常见的膜分离过程可分为以下几种，电渗析(Electrodialysis,ED)、反渗透(Reverseosmosis,RO)、纳滤(Nanofiltration,UF)、超滤(Ultrafiltration,UF)等。电渗析（ED）膜分离过程的应用1.1ED简介电渗析是在直流电场的作用下，溶液中的带电离子选择性地透过离子交换膜的过程，电渗析膜装置同时包含有一个阳离子交换膜和一个阴离子交换膜。电渗析过程中金属离子通过膜而水仍保留在进料侧，依靠金属离子与膜之间的相互作用而实现分离。电渗析法是一种较成熟的膜分离技术，目前主要用于电镀工业漂洗水回收重金属[3]。含Cu2+、Ni2+、Zn2+和Cr2+等金属离子的废水都适宜用电渗析处理，其中含镍废水处理技术最为成熟，已有成套工业化装置。但电渗析法处理废水要求具有足够的电导以提高渗透效率，因此处理水中电解质的浓度不能过低。当前离子交换膜的研究、生产和应用均已达到很高的水平，ED技术领先的国家是美国和日本。该技术首先用于苦咸水淡化，而后逐渐扩展到海水淡化及制取饮用水和工业纯水中，在重金属污水处理、放射性污水处理等工业污水处理中也已得到应用，目前已成为一种重要的膜法水处理技术，越来越受到重视[4]。但是，ED也有它自身的问题，如ED只能除去水中的盐分，而对水中的有机物不能去除，某些高价离子和有机物还会污染膜。另外，ED运行过程中易发生浓差极化而产生结垢。1.2ED膜在废水处理中的应用1.2.1电镀废水的处理在电镀工业中，采用电渗析技术可把电镀废水中的铬、镍、隔、铜、锌等毒性较大的重金属离子分离出来，防止了这些离子给环境带来的毒害，并且处理后废水组成不变，有利于使这些重金属得到回收利用[5]。采用电渗析技术处理电镀含铬废水，不仅可使废水中的Cr6+达到国家废水排放标准，还能回收有用物质铬[6]。当电镀废液中离子浓度较低时，可采用离子交换和电渗析组合流程来处理，即先用离子交换树脂富集废水中的重金属盐，从离子交换柱中流出的废水经后处理可用做清洗水，而再生液经过电渗析器除去过量的酸，然后返回到电镀槽中循环使用。1.2.2冶金工业废水的处理一般，各冶金工业因冶炼金属的品种不同，工艺各异，产生的废水种类也很多，如酸性废水、碱性废水、含重金属废水等。采用电渗析技术对硫酸铵废水进行浓缩回收的研究，结果表明，采用该法浓缩处理稀土矿铵盐废水是一条颇有前途的新型处理方法，铵盐溶液最高浓缩浓度为12.6%，经继续浓缩可作为液体肥料予以直接利用[7]。氧化铝生产过程需要使用大量的水，同时也产生大量外排废水。这种废水主要来源于氧化铝生产现场的含碱废液、生产设备冷却水、工厂自备热电厂的生产污水和其他附属单位的生产排水。国内大型氧化铝厂日外排废水可达4万~6万m3，我国这种大型氧化铝厂就有5家，每天总排出废水量多达30万m3[8]。这些废水除少部分经沉降处理后得以回用外，其余则采用酸中和直接排放，不但严重浪费了水资源，而且对周边河流生态和农业生产造成了严重污染。采用循环式电渗析法处理及回收氧化铝厂外排废水，结果表明试验重复性好，制得的淡水含盐量小于500mg/L，水质符合氧化铝厂一般工业用水水质要求。2反渗透（RO）膜分离过程的应用2.1RO简介RO主要用来去除水中溶解的无机盐，RO膜对几乎所有的溶质都有很高的脱除率。RO技术的大规模应用主要是苦咸水、海水淡化和难以用其他方法处理的混合物。在污水处理方面，RO已广泛应用于城市污水处理和利用、电镀污水处理、纸浆和造纸工业污水处理、化工污水处理、冶金焦化污水处理、食品工业污水处理、制药污水处理及放射性污水处理等[9]。RO法处理出水质量很高，在水处理中通常用于最后的精制。2.2RO膜在废水处理中的应用2.2.1重金属废水处理含重金属离子废水的常规处理方法都只是一种污染转移，即将废水中溶解的重金属转化成沉淀或更加易于处理的形式，其最终处置常常是进行填埋，而重金属对地下水和地表水环境造成二次污染的危害依然长期存在。国内外均对反渗透法处理重金属废水进行了广泛深入的研究，发现采用反渗透膜技术不仅可以避免产生二次污染，而且还能获得高的金属离子截留率。在经过前期处理后的含镍、铬、铜及锌等重金属离子的废水，进一步采用反渗透膜作为终端处理，能确保废水中的重金属离子完全去除，处理后的水质优良，可以作为回用水资源，实现闭路循环。2.2.2含油废水处理含油废水是一种量大面广的工业废水，若直接排入水体，会在水体表层产生油膜阻碍氧气溶入水中，从而致使水中缺氧、生物死亡、发出恶臭，严重污染生态环境。一般，含油废水中的油分以浮上油、分散油、乳化油三种状态存在，其中前两种比较好处理，经机械分离、凝聚沉淀和活性炭吸附，油分可降低到几mg/L以下，而乳化油含有表面活性剂和起同样作用的有机物，油分以微米数量级大小的粒子存在，所以长期保持稳定，难以分离[10]。对含乳化油的废水应用反渗透法处理，不需破坏乳化液进行浓缩分离，其浓缩液采用焚烧处理，渗透液可进行回用或排放处理。3纳滤（NF）膜分离过程的应用3.1NF简介纳滤技术是目前世界膜分离领域研究的热点之一，NF膜对分子量介于200～1000之间的有机物和高价、低价、阴离子无机物有较高的截留性能，可以用于脱除三卤甲烷、农药、洗涤剂等可溶性有机物及异味、色度和硬度等。因NF膜结构及性能上的特点，当前已广泛地应用于生化产品、污水处理、饮用水制备和物料回收等领域。3.2NF膜在废水处理中的应用3.2.1纺织染整废水处理纺织工业染整废水的特点具有高COD度及高色素度，其中对色素的去除是净化过程中的难点。普通的单一处理方法如絮凝沉淀、过氯气等都难以将其处理至可回收利用的程度。但应用纳滤膜技术则可以达到较为理想的效果[11]。纳滤膜对纺织废水中的疏水性染料和亲水性染料都有很好的分离性，对高价离子和微污染物质等都有很高的去除率，十分适用于纺织染整废水的深度处理和染料的提纯。3.2.2化工废水处理以核苷酸生产中树脂再生工段的碱盐废水为例，其是指一般用于洗涤除去阳离子交换树脂上吸附的大分子杂质的碱盐溶液，使用后的碱盐废水中含有氢氧化钠、氯化钠、色素、蛋白质、多肽及多糖等，成分复杂。目前，大多数核苷酸生产企业用盐酸将该碱盐废水调pH至中性，然后与其他工艺废水混合后采用传统的生化法进行处理。由于该碱盐废水中盐含量较高生化处理的难度很大，同时浪费大量的碱盐。李干禄等[12]利用纳滤技术，COD的平均去除率大于98%，碱盐平均透过率大于97%，并且可以将透膜碱盐溶液直接回用到树脂再生生产阶段之中。4超滤（UF）膜分离过程的应用4.1UF简介超滤是一种压力驱动的膜分离过程，是根据分子的大小和形态而分离的筛选机理进行分离的。自20世纪60年代以来，超滤很快从实验规模发展成为重要的工业单元操作技术，它已广泛用于食品、医药、工业废水处理、高纯水制备及生物技术工业[13]。在工业废水处理方面应用的最普遍的是电泳涂漆过程，城市污水处理及其他工业废水处理领域都是超滤未来的发展方向。4.2UF膜在废水处理中的应用4.2.1含油废水处理机械行业工件的润滑、清洗和石化行业的炼制及加工等会产生含油废水，其油一般为漂浮油、分散油和乳化油三种形式存在[14]。其中乳化油的分离难度最大，用电解或化学法破乳使油粒凝聚的费用较高，而超滤就不需要破乳直接可将油水分离，特别适用于高浓度乳化油的处理和回收[15]。超滤处理乳化油废水时，界面活性剂大部分可透过，而超滤膜对油粒子完全阻止，随浓度增加油粒子粗粒化成为漂浮油浮于液面上，再用撇油装置即可撇除。4.2.2电泳涂漆水处理电泳涂漆是对汽车、冰箱、摩托车等的壳体镀上底漆的工艺，完成后需用水漂洗去掉浮漆，为防止洗出漆的损失而且应工艺要求，必须将漆水分离以回收漆。超滤是一种十分理想的回收漆的方法。经超滤分离后，漆返回漆槽回收，清水则返回清洗水箱继续使用[16]。这样既提高了漆的利用率由减少污水处理费用[17]。在超滤膜运行中，应注意防止霉菌繁殖使膜变质，病毒堵塞滤膜，因此应定期在滤液中投加适量的防霉剂。5结语膜分离技术应用于废水处理具有低能耗、效率高和工艺简单等特点，膜组件简洁、紧凑、易于自动化操作、维护方便，与其他废水处理方法相比具有明显的优势，所以在废水处理中已受到特别的青睐。但是，目前膜组件价格和膜污损问题影响着膜分离技术在废水处理的广泛应用。我国在饮用水生产以及污水处理中采用膜技术起步较晚，目前主要还处于国外设备的引进、消化及研究开发阶段。可以预料，随着法规标准的日益提高、和膜技术的不断成熟成本不断降低，水价的日趋上涨等，膜法水处理技术将会出现一个技术上进一步提高，应用上更加普及的高潮。参考文献：[1]林丽华.反渗透与纳滤膜分离技术在铜矿废水回收中的应用研究[J].厦门理工学院学报,2010,18(1):71-75.[2]张宏忠,孟香兰,方少明,等.纺丝油剂废水处理工艺研究[J].过滤与分离,2005,15(4):7-9.[3]Sanghhyun,Gyetkin.SynthesisofCeramicMic-rofiltrationMembranesforOilwastewaterseparation[J].SeparationScienceandTechnology,2009,32(18):2927-2943.[4]庞金钊,李景义,王倩.纳滤膜在盐化工业废水中的应用研究[J].天津工业大学学报,2010,29(5):6-9.[5]阎敏.含油浮渣处理技术研究[D].中国科学院研究生院硕士学位论文,2004.[6]BaumgartenG,SeyfriedC.ExperiencesandNewDevelopmentinBiologicalPretereatmentandPhysicalPost-treamentofLandfillLeachate[J].WaterScienceandTechnology,1996,