膜分离技术及其水处理的工业应用 4页

膜分离技术及其水处理的工业应用生物教育李萌2012103028摘要：膜分离技术作为一种能耗低、设备简单、操作方便和分离性能好的分离技术，正日益受到广泛的关注。着重介绍了超滤、纳滤、乳化液膜及膜生物反应器等膜分离技术的特点及其在各种工业废水和生活废水处理中的应用。1.  1 膜分离原理 膜分离是指用半透膜作为分离介质, 借助于膜的选择渗透 性作用, 在能量, 浓度或化学位差的作用下对混合物中的不同组 分进行分离提纯. 由于半透膜中滤膜孔径大小不同, 可以允许某 些组分透过膜层, 而其它组分被保留在混合物中, 以达到一定的 分离效果. 膜可以是固相, 液相或气相, 膜的结构可以是均质或 非均质的, 膜可以是中性的或带电的, 但必须都具有选择性通过 物质的特性. 具体的工作原理可分为两类: 一是根据混合物物质的质量, 体积, 大小和几何形态的不同, 用过筛的方法将其分离; 二是根 据混合物的不同化学性质分离开物质。 1.2 膜分离技术的类型 目前己经深入研究和开发的膜分离技术有微滤, 超滤, 纳 滤, 反渗透, 渗析, 电渗析, 渗透汽化和气体分离等. 正在开发研 究中新的膜过程有: 膜蒸馏, 支撑液膜, 膜萃取, 膜生物反应器, 控制释放膜, 仿生膜, 生物膜, 无机膜, 膜电极, 膜分相, 膜控制释 放, 双极膜以及LB 膜等过程。 1.3 膜分离技术的特点 膜分离技术作为一门新型的高效分离, 浓缩, 提纯及净化技 术, 由于其多学科性特点, 膜技术可应用于大量的分离过程. 各 种膜过程具有不同的机理, 适用于不同的对象和要求. 但有其共 同的优点: 膜分离过程装置比较简单, 同时操作方便, 结构紧凑, 维修费用低且方便, 易于自动控制; 膜分离过程一般不涉及相 变, 无二次污染且能耗较低; 膜分离过程可以在室温或低温下操 作, 适宜热敏感物质 ( 酶, 药物) 的浓缩分离; 膜分离过程具有相 当大的选择性, 适用对象广泛, 可以分离肉眼看得见的颗粒, 也 可以分离离子和气体; 该过程可以在室温下连续操作, 设备易于 放大, 可以专一配膜, 选择合适的膜, 从而得到较高的回收率; 膜 分离处理系统可以在密闭系统中循环进行, 因而可以防止外界 的污染; 在过程中不用添加任何外来的化学物质, 透过液可以循 环使用, 从而降低了成本, 并可以减少环境污染. 当然, 膜分离过 程也有自身的缺点, 如易浓差极化和膜污染, 膜寿命有限等, 而 这些也正是需要我们克服或者需要解决的问题所在.     正由于膜分离技术具有上述优点, 是现代生物化工分离技 术中一种效率较高的分离手段, 完全可以取代传统的过滤, 吸 附, 蒸发, 冷凝等分离技术, 所以膜分离技术在生物化工分离工 程中起着很大的作用. 本文主要对超滤膜，纳滤膜以及膜生物反应器技术在废水处理中的应用和发展进行综述。2.1超滤膜分离技术在废水处理中的应用2.1.1超滤膜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。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。\n2.1.2超滤膜在废水处理中的应用2.1.2.1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。．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。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，再用撇油装置即可撤除。陆晓千[]等用超滤膜技术处理清洗车床、设备等含油污水，颜色为乳白色，含油(1000～5000)mg/1，COD浓度高达(10000～50000)mg/l，经超滤膜处理后，颜色透明。含油低于10Ing/l，COD(1700～5000)mg/l，除油滤99％。2.1.2.2城市污水的处理污水再利用不仅减轻环境污染，而且也是解决水资源短缺的有效方法。城市污水经二级生化处理后进行超滤，可进一步降低水的浊度、色度及有机物。超滤出水可作为循环冷却水、造纸用水等对水质要求不太高的工业用水水源。2.1.2.3电泳涂漆水处理电泳涂漆是对汽车．冰箱，摩托车等的壳体镶上底漆的工艺，完成后需用水漂冼去掉浮漆，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。这样既提高了漆的利用率由减少污水处理费用。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。2.2纳滤膜技术在废水处理中的应用2.2.1纳滤膜的简介纳滤膜又称疏松型反渗透膜，它是介于反渗透与超滤之间的一种膜分离技术但纳滤膜多数为荷电膜，其对无机盐的分离行为不仅受到化学势梯度控制，同时也受到电势梯度的影响，其表面由一层非对称性结构的高分子与微孔支撑体结合而成，以压力差为推动力，对水溶液中低分子量的有机溶质截留，而盐类组分则部分或全部透过，从而使有机溶质得到同步浓缩和脱盐的目的。2.2.2纳滤膜在废水处理中的应用2.2.2.1含重金属废水的处理在金属加工和合金生产废水中，含有浓度相当高重金属离子。将这些重金属离子生成氧氧化物沉淀除去是处理含重金属的废水一般的措施。采用纳滤膜技术，不仅可以回收90％以上的废水，使之纯化，而且同时使重金属离子含量浓缩10倍左右，浓缩后的重金属具有回收利用的价值。如果条件控制适当，纳滤膜还可以分离溶液中的不同金属。2.2.2.2造纸废水的处理造纸厂冲洗废水中含有大量污染物，纳滤膜可以替代传统的吸收和电化学方法高效地去除深色木质素和来自木浆漂泊过程中产生的氯化木质素。同样地，用纳滤膜处理含有硫酸木质素等有色化合物的废水，既能除去90％以上的COD，膜通量甚至比聚砜超滤膜还要高3倍。高通量可能是由于带负电性的纳滤膜截留了带负电性的硫酸木质素。LPRaman等[]采用纳滤膜技术对木浆漂白液进行处理，去除氯代木质素和90％的色度物质。Tomani等[\n]采用陶瓷纳滤膜处理造纸厂漂白废水，实现了造纸废水的封闭式运行2.2.2.3化学工业废水的处理处理化学工业废水的常用方法是浓缩后焚烧或曝气。而且浓缩时需要除去废水中的盐分，因为要是浓缩成高盐度的废水，这种废水会对焚烧炉或暖气装置产生更大腐蚀。另外，废水中含有许多生物不能降解的大分子有机物。这些问胚只有用纳滤膜才能有效解决。纳滤膜在浓缩水中有机成分的同时，让盐分透过，从而达到分级分别处理。经浓缩后的已脱盐废水可以去曝气．而透过液则可经生化处理成无害的排放维。2.2.2.4石油工业废水的处理在石油开采和炼制过程中，会产生各种含有机物和无机盐的废水，成分非常复杂。采用纳滤膜将原油废水分离成富油的水相和无油的盐水相．然后把富油相加入到新鲜的供水中再进入洗油工序，这样既回收了原油又节约了用水。石油工业的含酚废水中酚类物质毒性很大，必须脱出后才能排放。采用纳滤技术，不仅酚的脱除率可达95%以上，而且在较低压力下就能高效地将废水中的镍，汞、钛等重金属高价离子脱除，其费用比反渗透等方法低得多。2.2.2.5食品工业废水的处理袁其朋等[]采用超滤、纳滤组合工艺对大豆乳清废水进行了处理实验。经超滤处理后的乳清废液，再经纳滤浓缩10倍后，浓缩液中总糖约有77%被截留，其中功能性地聚糖水苏糖和棉子糖的截留率高达95%以上，浓缩液中总糖质量分数达8.72％，再经活性炭脱色和离子交换脱盐及真空浓缩，即可得到透明状大豆低聚糖糖浆。该法的优点在于既解决了废水的排放问题，同时又通过回收利用增加了经济效益。另外，纳滤膜技术在生活污水．印染废水以及酸洗废液等方面的处理也有广泛的应用。2.4膜生物反应器技术在废水处理中的应用2.4.1膜生物反应器简介膜生物反应器(Membranebioreactor．MBR)废水处理技术是把膜分离技术与废水处理中的活性污泥工艺相结合，将生物反应器与膜组件联用的一项技术。其流程为：原水进入生物反应器与生物相充分反应后，再循环泵的作用下，流经膜组件，排放过滤出水，生物相回流人生物反应器。膜组件取代了传统工艺的二次沉淀池，且比之传统工艺有许多优点：(1)膜生物反应器中同时进行生物处理和过滤消毒作用，所以其出水水质良好；(2)在反应器中可获得较高的微生物浓度，提高处理负荷；(3)水力停留时间与污泥龄完全分离，使生物处理过程易于控制且具有更高的可靠性和灵活性；(4)可以截留短时间难于降解的大分子有机物；(5)设备紧凑，占地少。2.4.2膜生物反应器在废水处理中的应用2.4.2.1城市污水处理及回用\nl968年美国人smith首次提出膜生物反应器的概念并用其处理生活污水，引起了广泛的关注。90年代中期，日本有39座这样的MBR处理厂在运行，最大处理能力可达500m3/d，并且有100多处的高楼采用MBR将污水处理后回用于中水道。据报道，这些系统的出水已达到深度处理的标准，而且系统占地小。管理方便，产泥量很小。l997年，英国wassex公司在英国的Porlork建立了当时世界上最大的MBR系统，日处理量达2000m3。1999年又在Dorset的Swanage建成了l3000m3/d的膜生物反应器污水处理厂。膜生物反应器同时硝化与反硝化作用成功的去除污水中的氮，污泥停留时间相当长，可以截留生物系统中的缓慢生长的硝化菌。2.4.2.2粪便污水处理粪便污水中有机物含量很高，传统的反硝化处理方法要求有很高污泥浓度，而且固液分离不稳定，影响了三级处理效果。MBR很好地解决了这一问题，并且使粪便污水不经稀释而可直接处理。到1994年，Fj本已有l200多套MBR系统用于处理4000多万人的粪便污水。2.4.2.3工业废水处理20世纪90年代以来，MBR的处理对象不断拓宽，在工业废水处理中的应用也得到了广泛关注，如处理食品工业废水、水产加工废水，养殖废水、化妆品生产废水、染料废水．石油化工废水，均获得了良好的处理效果。90年代初，美国在Ohio建造了一套用于处理某汽车制造厂的工业废水的MBR系统，处理规模为15lm3/d，该系统的有机负荷达6.3kgCOD/m3/d，COD去除率为94%，绝大部分的油与油脂被降解。某玉米加工厂采用厌氧消化超滤膜生物反应器处理玉米加工废水，COD去除率达到97%，膜透过液中COD的质量浓度可降低到100mg/L以下。90年代初，美国通用汽车公司采外置错流管式超滤膜生物反应器处理工业和生活混合废水，系统出水COD和BOD5的质量浓度分别低干400mg/L和100mg/L。膜分离技术的个人观点：1、应致力于开拓将以上的膜分离技术用于更广阔的应用领域。我国是个农业大国，若能将它应用于我国特有农产品（蔬菜和水果等）的浓缩或制备过程中，相信定能为我国经济的发展带来不可估量的益处。2、我国膜技术种类甚少，当前膜多为化学制剂，易造成二次污染。若能利用天然物质或生物物质制备新型膜作为替代品，既经济又消除了二次污染的威胁。例如可考虑从植物细胞中提取组织来制备膜产品。3、将膜处理技术与其他处理工艺相结合，互相填补缺陷。如将膜分离与蒸发、吸附、冷冻或离子交换法等相结合，使它们在炼油、天然气加工、食品加工、制药工业等生产中得到更广泛的应用，为膜技术的发展开辟更诱人的前景。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，“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。