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艾科浦反渗透膜在水处理中的研究

[导读]简要概述了反渗透原理及反渗透膜的种类, 重点介绍反渗透膜在城市污水、垃圾渗 滤液、重金属废水及含油废水处理和回用方面的应用, 最后分析了目前反渗透膜存在的问题 及其发展趋势-美国艾科浦

1 反渗透原理[3]及反渗透膜种类 反渗透是一种以压力为推动力的膜分离过程。在 使用中为产生反渗透压, 需用水泵给含盐水溶液或废 水施加压力, 以克服自然渗透压及膜的阻力, 使水透过 反渗透膜, 将水中溶解盐或污染杂质阻止在反渗透膜

的另一侧。其原理详见图 1。 膜是反渗透系统的心脏, 膜的好坏直接决定着反 渗透系统的性能。采用不同膜材料制备的反渗透膜具 有不同的化学稳定性、热稳定性、机械性能和亲和性 能。目前, 常用的膜材料有[4]:1.纤维素酯、二醋酸纤维 素及三醋酸纤维素;2.聚芳香酰胺;3.聚苯并咪唑、聚苯 并咪唑酮、聚酰胺酰肼和聚酰亚胺。 2 反渗透膜在水处理中的应用 2.1 反渗透膜在水处理方面的常规应用 水是人们赖以生存和进行生产活动必不可少的物 质条件。由于淡水资源日益缺乏, 世界上反渗透水处理 装置的能力已达到每天数百万吨。现在采用反渗透膜淡 化海水制取饮用水已成为最经济的手段[5], 每吨水耗电 在 5 kW·h 以下,最大的装置处理能力达 2.0×105 m3/d, 同样它也是苦咸水淡化最经济的方法, 每吨水耗电在 0.5~3 kW·h, 最大的装置处理能力达 1.3×105 m3/d。 2000 年, 在国家科技部重点科技攻关项目“日产千吨 级反渗透海水淡化系统及工程技术开发”的支持下, 1000 t/d 级的反渗透海水淡化示范工程先后在山东长 岛、浙江嵊泗建成[6]。 2.2 反渗透膜在城市污水方面的应用 目前, 反渗透膜在城市污水深度处理方面的应用 尤其是污水处理厂二级出水回用及中水回用等, 已受 到高度重视。美国 California Orange 县 WF21 工厂最早 在废水深度处理中使用了反渗透膜技术。中东不少缺

水国家也采用反渗透膜技术处理城市污水, 其一级反 渗透膜出水含盐 80 mg/L, 二级出水含盐 10 mg/L达到 回用要求。SUZUKIY[7]等将不同组件形式、不同材质的 反渗透膜用于生活污水回用处理研究, 结果表明: 螺旋 卷式聚乙烯醇复合膜和三醋酸纤维素中空纤维膜在废 水回用工艺中具有较高的实用价值: 膜透过液水通量 较大, 水质无色透明、无味, 粪便大肠菌类的截留率为 100%, 渗透液 COD 为 1~ 2 mg/L, 色度≤1 度, 磷含量 为 0.01 mg/L,基本与城市给水相差不大。悉尼奥运会体 育场馆将经 SBR 工艺处理的生活污水和经沉降和水 生植物氧化塘处理的雨水混合后送到 0.2 μm 的微孔 过滤系统进行净化, 得到可冲厕所用的中水; 中水再经 过反渗透处理用于场馆绿化, 这样既节约了自来水, 又 减少了市政污水处理量, 实现了绿色奥运[8]。其水处理 系统如图 2 所示。

2.3 反渗透膜在垃圾渗滤液中应用

垃圾填埋场渗滤液是液体在填埋场 重力流动的产物[9], 水质复杂, 水量变化 大, 既含有各种有机物, 还含有高浓度氨 氮和各种重金属离子, 其可生化性随填 埋时间而变化。但反渗透膜技术对这种波动“不敏感” , 且最新一代的反渗透膜也保证了反渗透膜技术在渗滤 液处理中的正常运行。Hurd 等[10]选用 3 种低压聚酰胺 反渗透膜对 Trail Road 垃圾填埋场的渗滤液进行处 理, 结果透过液的流量取决于操作压力大小及 TOC的 浓度, 当操作压力>1.03× 106 Pa 时, 透过液的流量为 26.0~ 54.0 L/ (m2· h),TOC 和 Cl-的去除率>96 % ,NH3-N 的去除率> 88 %。Angeloy 等[11]用 SW30-2521 型卷式 膜对意大利 Pietramelina 垃圾填埋场的渗滤液进行了 中试, 试验表明, 当渗滤液 COD增至 1 749 mg/L时,渗 透量大大降低, 操作压从 2.0 MPa 增至 5.3 MPa 时, COD的去除率从 96%上升为 98%, 此外,COD 对金属 去除率的影响和金属离子的属性有关。 最早应用于垃圾填埋场渗滤液处理的反渗透系统 是盘管式膜组件。1998 年, 盘管式反渗透(DT-RO)系 统进入垃圾填埋场渗滤液处理市场。

美国国家环保局(USEPA) 对 DT-RO 系统进行过全面的经济技术评 价, 认为 DT-RO 对渗滤液中污染物的去除非常有效, 对总有机碳(TOC)的去除率大于 96.7%, 对总悬浮物 (TDS)的去除率超过 99.4%, 对挥发性有机物(VOCs) 的去除率超过 92.3%。目前得到广泛应用的 DT-RO技 术一般采取 2 级 RO装置, 已经在世界各地有 200 多 个工程实例, 其中西欧、北美、澳洲地区就有百余座渗 滤液 RO处理场在应用, 德国在这一领域处于领先地 位, 共有 43 座[12]。国内齐小力[13]采用 PALL ROCHEM 提供的 RO502 型 DT-RO产品, 在北京阿苏卫垃圾填 埋场、六里屯垃圾填埋场和北神树垃圾填埋场进行了 渗滤液的处理试验。结果如表 1 所示。 2.4 反渗透膜在重金属废水处理方面的应用 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。

目前, 在电镀工业中我国约有 100 套反渗透装置应用于处理含镍及含铬电镀液, 组件多采用内压管式 或卷式。国家海洋局杭州水处理技术中心采用 3 级浓 缩即第一级纳滤浓缩 10 倍, 第二级反渗透(BWRO)浓 缩 5 倍, 第三级反渗透(SWRO)浓缩 2 倍, 对电镀镍漂洗 水进行处理, 结果水中的Ni2+由 300 mg/L浓缩至 30 mg/ L, 流量由 50 t/h 减至 0.5 t/h 后进入负压蒸发系统得到 NiSO4·6H2O晶体和其它电解质晶体, 透过液经离子交 换后 Ni2+小于 0.5 mg/L,然后同自来水混合, 经处理后 回用作漂洗泡沫镍的纯水[14]。UJANG Z.[15]采用复合低 压反渗透膜对含 Zn2+和 Cu2+的废水进行处理研究,不投 加 EDTA, 进水 pH 在 3~ 5 之间,水温 250℃,水回收率 为 40%,操作压力 450 kPa 时,Zn2+和 Cu2+的去除率 93% ~ 96%; 投加 EDTA后, 由于与 Zn 和 Cu 形成络合离子, 在其它条件相同时,反渗透膜对 Zn2+和 Cu2+的截留率稳 定在 95%, 当投加 EDTA适宜时,二者的截留率均达到 99%以上, 研究还发现对 Zn2+的截留率略高于 Cu2+, 采用的反渗透膜组件情况见表 2。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。

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