膜技術在工業污水處理中的應用

李佳琦

(國能寧夏大壩三期發電有限公司，寧夏 青銅峽 751600)

工業化進程和經濟快速發展所造成的水資源短缺已成為社會經濟發展的制約問題。在全球范圍內，80%的廢水(主要包括電廠工業廢水、含油廢水、再生廢水等。其中，28%來自工業)未經處理或再利用就返回生態系統。傳統的工業污水處理方法主要有化學氧化或還原、化學沉淀、光催化降解、過濾、離子交換等方法。這些方法可能會造成水體二次污染，或者沒有很好的經濟效益。例如，高級氧化工藝對于某些污染物和廢水類型沒有特異性，生物處理方法需要長時間關注微生物的生長和適應。利用新的可持續的解決方案來改善工業污水的水循環再利用至關重要，污水中的有機物及其他物質被回收后可被視為一種非常潛在的有價值的資源[1]。

膜分離技術是利用膜的不同特性將不同的物質有效分離出來，并且讓不同物理性質的物質組合成具有篩選功能的混合體，從而有效分離出液體中的各個分子。在工業應用中，膜技術不僅可以實現廢水凈化，還可以進行殺菌和消毒，適用面廣，成本低，并且不會造成二次污染。可以利用膜的滲透性處理水污染，例如，針對廢水中可能產生的多種可回收成分(多元醇、多元酸、酯類、無機鹽)，分別設計和開發了汽提-膜分離-精餾耦合、多級膜濃縮、滲透汽化-精餾等集成工藝。通過膜集成過程與生產過程的結合，可以有效地降低廢水中的化學需氧量(COD)，并實現廢水中可回收成分的資源化利用，降低廢水處理的綜合成本，對經濟可持續發展具有積極意義[2]。

1 膜技術概述

膜技術是一種比較先進的污水處理技術。一般意義上來說，膜技術的主要工作原理就是一種分離技術，膜是一種選擇性分離功能的材料，通過膜的分離功能實現料液不同組成成分的純化、濃縮，從而達到污水處理的目的。當前，膜技術的應用已經極為廣泛，主要應用在氣體分離、物料分離，以及水處理方面。其中，在水處理方面的應用要更深一點。

膜技術一般分為4種，即低污染膜、超低壓膜、帶正電荷的反滲透膜、耐高溫食品級反滲透膜。在當前的工業領域，膜污染是一種危害較大的污染。隨著膜技術的逐漸成熟，當前已經研發出了抗污染強，以及使用壽命較長的低污染膜，基本上解決了膜污染問題。超低壓膜是1999年問世的，具有節省能耗、成本較低等優勢，因此在當前的膜技術領域的應用比重日益增長，特別是在大型裝置中的應用。帶正電荷的反滲透膜，主要應用在制備高電阻率的高純水系統中。在普通水處理過程中，一般的反滲透膜的使用溫度，在0～45 ℃ 之間，但是膜技術經常要使用在一些高溫環境中，因此耐高溫反滲透膜應運而生，在高溫殺菌的特殊場合特別有用。

總之，膜技術的不斷創新是保證污水處理有效性的重要工具。目前，膜分離技術主要包括微濾、超濾、納濾等，這些技術均能在一定程度上提升飲用水的安全標準。

2 滲透汽化膜分離技術

滲透汽化膜分離技術是目前具有發展前景的分離技術，在石油化工、醫藥、電廠廢水處理等領域具有廣闊的應用前景。滲透汽化膜分離技術特別適合分離蒸餾法較難分離的共沸點混合物、近沸點混合物，以及同分異構體的分離。滲透汽化膜分離技術對有機溶劑的脫除具有較大的經濟優勢，另外，將滲透汽化膜分離技術與其他化學反應相結合，在反應過程中就可將產物脫除，使化學轉化率得到提高。電廠脫硫廢水、濃縮工業廢水等高鹽廢水的處理和減量是廢水處理的難題之一，滲透汽化工藝可用于高鹽廢水減量。高鹽廢水中還含有大量的重金屬離子，處理難度很大。方皓[3]采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)滲透汽化膜研究了從廢水中回收重金屬離子的可行性。他研究了溫度、重金屬濃度、料液中含鹽量等因素對分離性能的影響，結果表明，溫度為 40 ℃ 時，可以將重金屬濃縮到 470000 mg/L 以上，滲透通量為 353 g/(m2·h)，實現了重金屬的資源化利用。張蘋等[4]利用滲透汽化分離費托合成廢水中的含氧有機物，分別在實驗室和現場搭建了滲透汽化中試裝置，并對操作條件進行優化，結果發現，當進料液中含氧有機物質量分數小于1%時，經過3級滲透汽化，可以將費托合成廢水中的含氧有機物濃縮到40%以上，并且滲透汽化裝置可以穩定運行1300以上，具有良好前景。因此，滲透汽化膜分離技術適合應用于有機溶劑中水的脫除、廢水處理和溶劑回收等。

用滲透汽化研究高鹽廢水減量，結論是：1)通過配制模擬廢水，驗證了滲透汽化技術用于廢水的濃縮具有一定的可行性。影響該工藝運行效率的主要參數依次為廢水溫度、滲透側真空度，以及膜表面的紊流程度，并且會受到廢水鹽濃度的影響。研究表明，隨著進水溫度的升高，膜滲透通量也會隨之上升；滲透側真空度的升高也會使得膜滲透通量上升；表面紊流程度的增加，有助于膜滲透通量的增加；鹽濃度的升高會使得膜滲透通量降低。2)在廢水溫度為70 ℃、滲透側真空度為 5 kPa、曝氣速率為 4 L/min時，膜滲透通量高達 19.6 L/(m2·h)。說明滲透汽化工藝能夠起到較好的濃縮效果，對于廢水減量化有較大的潛力。在鹽濃度高達 100 g/L 的情況下，膜滲透通量仍然有 16.8 L/(m2·h)。3)工藝出水水質良好。在廢水進水鹽質量濃度達 100 g/L，COD 2000 mg/L，氨氮 10 mg/L 的情況下，出水電導率仍能保持在20μS/cm以下，出水COD低于40mg/L，出水氨氮低于 0.4 mg/L。4)在實際垃圾滲濾液反滲透濃水的實驗中，滲透汽化技術仍表現出良好的濃縮效率及分離性能，膜滲透通量最高達到了 15.28 L/(m2·h)，出水水質也能滿足再生水用作工業用水的相關標準。

3 滲透與反滲透

一個完整的正滲透過程由半透膜、汲取液、原料液構成。汲取液和原料液分別置于被半透膜隔開的容器兩側，汲取液側具有較低的水化學勢(高滲透壓)，原料液側具有較高水化學勢(低滲透壓)，過程推動力為膜兩側的滲透壓差。在無外界壓力存在時，水分自發地從原料液一側向汲取液一側遷移，使原料液濃縮，汲取液稀釋，汲取液液位升高，直至膜兩側液位壓力差與膜兩側滲透壓差相等，正滲透過程才會停止。被稀釋后的汲取液可以通過加熱、蒸餾、磁場、電場、納濾、反滲透等方式加以再生。正滲透技術在生活污水處理、高COD有機污水處理等方面均得到了一定規模的應用。應用厭氧正滲透膜生物反應器(An OMBR)處理COD為3～9 g/L 的有機污水時，An OMBR實驗裝置是將CTA-ES型FO膜組件浸入到厭氧活性污泥之中，FO膜活性層朝向污泥混合液，以 2 mol/L 的乙酸鎂作汲取液，且以 0.4 L/min 的流量進行循環。通過汲取液循環，可以減輕外部濃差極化的影響。正滲透膜初始水通量為 6 L/(m2·h)，運行 10 d 后，水通量下降到 1.66 L/(m2·h) 左右。后經物理和化學清洗，膜水通量恢復到95%左右。反應器內電導率從 1.58 m S/cm 增加到 9.98 m S/cm。An OMBR對COD的去除率高達93%以上[5]。正滲透技術在工業廢水處理領域應用較廣，主要應用實例有電廠脫硫廢水處理、煤化工廢水處理等。

反滲透水處理設備主要通過過濾系統來隔離與處理工業污水中所存在的各類雜質。反滲透水處理設備的應用現狀主要有以下幾個方面：第一，反滲透水處理設備所采取的過濾裝置具備較高的精確性，能夠收獲良好的過濾質量。當前主要應用于懸浮粒處理以及大顆粒污染物的處理之中。第二，超級過濾裝置。在這一裝置中存在著真空纖維膜這一特殊成分，通過這一成分能夠有效隔離與過濾污水中極為微小的雜質和顆粒。第三，藥水過濾系統的應用。由于工業污水中存在著部分粒徑較小的廢棄物，即使是超級過濾裝置，也不能夠完全保障過濾成效，無法完成對污水中各類污染源的有效隔離，因此通過藥水過濾系統的應用，可以讓藥水在工業中充分發揮效果，提升微小雜質與顆粒的粒徑，這樣就能夠利用砂網來達成過濾效果。第四，砂網過濾系統的應用。這一系統主要是通過絮凝裝置、過濾裝置，以及兩極壓力過濾管來有效過濾工業污水中所懸浮的大顆粒雜質，并且利用絮凝裝置有效防止裝置的堵塞。

4 納濾與超濾

納濾膜(NF)以其較高水滲透性能、良好水/鹽選擇性和相較于反滲透膜(RO)低工作壓力等優勢被廣泛應用于水處理和廢水回用中。新型納濾膜(NF)解決了傳統的商品NF的分離局限性。例如，對人體有益的礦物質除去率過高，對污染物去除率偏低，而且滲透性能-選擇性能的制衡等問題，嚴重制約了NF的發展及潛在的應用。趙謀銘[6]利用兩性離子高分子刷來改性商品膜表面，大幅提高了膜表面的親水性。改性后的TFC膜對牛血清蛋白的黏附顯著降低，大幅提高了膜的抗污染性能。另外，由于膜表面親水性的提高，改性的復合膜也可大幅降低疏水性污染物(如內分泌干擾物或農藥)的溶解擴散過程，提高了疏水性污染物的去除。除將納米材料接枝/涂層在膜表面外，也可以將顆粒摻雜在聚酰胺層內制備高性能納米摻雜的TFN膜。例如，朱子龍[7]在界面聚合的過程中將沸石納米材料(孔道直徑為 0.4 nm)加入聚酰胺層中，以提高薄膜復合膜的水通量。沸石改性TFN膜的水通量為對照組的2倍，但TFN膜的NaCl截留率無明顯降低。除在海水淡化中的應用外，TFN膜在水處理及水回用領域中也具有較大潛力。另一種常見的納米摻雜NF膜是將納米材料加到鑄膜液中，通過相轉化的方式制備納米摻雜的基底，再通過界面聚合生成納米材料混合基質復合膜膜(TFCn)。

5 結語

綜上所述，膜技術在工業廢水處理場景中擁有很強的應用優勢與發展前景。在完善膜技術過程中，也重點關注不同類別廢水的特性，優化膜結構，提高其抗酸堿能力以及對高濃度有機質、無機鹽以及各類重金屬的過濾與濃縮能力，提升其抗老化能力與抗清洗能力[8]。和舊有的污水處理技術相比，這種技術最大的優勢就在于強大的處理能力、微小的占地面積，以及污水處理效果好，可以直接進行回收和利用。在工業污水處理工作中，環節和流程眾多，MBR技術只是其中之一，而對于污水中的污泥進行后續處理也包含在污水處理之中。在具體的工作中，基于MBR技術充分利用的基礎上，發揮大局意識，對規劃設計精心布置，這樣才能更有效地進行污水處理，才能更好地對環境進行保護。