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膜分离技术在水处理中的研究热点与进展

北极星水处理网  来源:科学导报  作者:蔡毅 李湧等  2021/3/19 9:57:19  我要投稿  

北极星水处理网讯:膜技术是一种高效、先进的废水处理技术,在颗粒物、有机物、微生物等去除上具有独特优势。然而,在实际使用时随着膜污染的不断累积,膜的污染物去除能力会逐步下降,极大的影响了水处理效果,并导致膜维护成本居高不下。本文围绕膜污染问题,介绍了影响膜污染的主要因素以及实际运行过程中的膜污染类型;概述了膜污染主要机理,并对其完善历程展开回顾;简述了减缓膜污染的各种措施,并且在此基础上,重点介绍了膜污染预处理技术及各类预处理技术的特点。以期通过该综述,对解决实际膜污染问题提供借鉴。

引言

在水处理技术研究发展过程中,膜技术被称为是21世纪的水处理技术。虽然发展时间较短,但其发展十分迅速,目前已在水处理领域得到了广泛的推广和应用,在水处理领域所具有的应用前景也非常可观。作为膜产业下游的一个重要应用领域,水处理成为膜材料发展的重要方向。微滤膜主要应用于污水、废水处理等领域;超滤膜技术在污水、废水处理及回用和给水净水领域应用广泛;纳滤膜技术主要应用于纯净水、软化水、无离子水、海水淡化等方面;而反滲透膜技术可应用在海水淡化等领域。概括来说,膜技术的水处理应用主要包括在以下方面:污水处理及回用、给水净化、海水淡化。

1膜分离技术特点

膜分离技术主要是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时,实现选择性分离的技术,是一种较为有效的污水处理方法。在实际应用的过程中,具有以下特点:第一,分离效果好。这种处理方法可以在不产生其他物质的情况下,将水中的分子加以有效处理,可以实现对纳米级物质的分离,如有机物、细菌、病毒等等,都能够被分离出来,具有较强的针对性。第二,操作简单。目前,大部分膜分离设备都配有中控系统,能够实现一键操作,不需要额外操作,降低了技术处理难度,且一般情况下都不需要进行维护,具有较强的可靠性。第三,节约能量。以污水中分子的粒度来看,在膜分离过程中并不会发生相变,能够在最大程度上节约能量,因此这种处理方式通常都是在常温环境下进行,能量损耗相对较小。第四,成本相对较低。在处理污水的过程中,膜分离技术不需要添加任何药剂,只需要依靠过滤膜来完成分类,能够在最大程度上降低分离所需要消耗的成本,避免产生二次污染,具有较高的应用价值。

2膜分离技术在水处理中的应用

2.1吸附预处理

吸附预处理是利用具有高分散性或大孔隙率且有较大比表面积的吸附剂吸附水体中溶解性有机物,再通过滤膜截留吸附剂颗粒,从而去除水中有机物,达到缓解膜污染作用的方法。吸附是降低滤膜有机污染的主要措施之一。目前,常用于膜污染预处理的吸附材料有粉末活性炭(powderedactivatedcarbon,PAC)、树脂、热化氧化铝颗粒((heatedaluminumoxideparticles,HAOPs)、氧化铁纳米颗粒、二氧化硅颗粒和聚砜胶体等,其中PAC因其具有发达的空隙结构,良好的吸附性能,是吸附剂的典型代表之一。PAC对难以用混凝和超滤操作去除的低分子有机污染物的去除率高,Chi等研究了腐殖酸分子量(MW)对膜污染的影响,结果表明低分子量有机物能被有效吸附清除,不会进入膜孔造成膜污染。PAC预处理同样被证实对消毒副产物具有良好去除效果。此外,亚微米粉末活性炭(SSPAC)具有较高的生物大分子选择性吸附能力,将其预涂于膜表面上几乎可以完全防止微生物胞外有机物造成的跨膜压力(TMP)升高。但是,由于膜的疏水性及原水特性的不同,也有大量实验得出PAC会加重膜污染,或对膜通量没有影响。总之,PAC作为膜技术预处理仍然值得深入研究。吸附剂虽能强化有机物的去除,减缓超滤膜的污染速率,但吸附预处理需要设置单独的吸附处理单元,存在占地面积大、基建投资费用高等问题。

2.2反渗透

反渗透技术应用于生活污水的深度处理中,能够将水中含有的有机物质与盐分进行分离去除,保证水质达到用水标准。在实际应用的过程中,反渗透膜具有高选择、高渗透性特点,将选择性膜在操作压力高于溶液渗透的一种膜处理方法。虽然,这种方式本身具有较好的净化水体的效果,但是受到技术层面因素的影响,我国在反渗透技术的应用效果无法与西方发达国家相比,在今后仍然需要进一步完善,使得反渗透设备应用更为高效。在美国加利福尼亚州就设置了一个污水厂,并且拥有一台日处理污水量能够达到37.8m3的反渗透设备,使得生活污水能够达到较好处理,并将其重新应用于供水系统中。

2.3化工废水

为防止化工废水排放影响环境,需要在排放之前对其处理。使用纳滤渗透、反渗透两项技术结合,可有效处理含有钼酸氨的工业废水,并且对于水中钼离子的回收率可超过96%,不但能够可以有效将钼离子回收,而且可实现对废水的高效净化。同时,膜分离这一技术绿色无污染,非常适合应用在工业废水的处理方面,配合特定预处理方式,回收可再利用物质,实现废水净化以及资源回收等处理目标。处理饮用水环节,使用膜分离处理技术效果良好。当前,人们生活水平逐渐提升,因此,对于饮用水水质要求较高,对比传统处理工艺,膜分离的运用可将水中悬浮物质和细菌等有效祛除,提升饮用水净化效果。处理过程可使用超滤、微滤以及纳滤等工艺,实现饮用水内微米等级的颗粒滤除。同时,还可将部分未达到微米级别的颗粒去除,并去除水中溶解气体、无机物和农药等,提升饮用水品质。

2.4微滤膜技术介绍及应用

较之其他膜技术,微滤膜技术是最早被提出并应用,且应用最广的一种膜技术,它主要应用于饮用水生产的预处理和初级处理环节,可以有效清除原水中的固体颗粒、悬浮物、细菌等其他物质。在应用微滤膜技术对饮用水进行处理时,为达到良好的处理效果,往往需要将微滤膜技术结合其他膜技术和其他水处理方法来共同对水进行处理,如超滤膜、纳滤膜、吸附剂、混凝剂等。在微滤膜技术基础上,有研究人员尝试采用不同混凝剂对饮用水中的腐殖酸进行去除及不同混凝剂对膜污染情况进行了研究,得出了饮用水最优出水水质下的混凝条件与膜污染程度最小条件下的混凝剂类型与用量。还有研究人员以河水为试验对象,采用不同粒径活性炭对河水样品进行处理,试验发现大粒径的活性炭比小粒径的活性炭所造成的污染要更严重。

2.5化学沉淀预处理

化学沉淀法是一种通过投加化学药剂,使水中可能造成膜污染的溶解态物质转化为难溶物质而析出的预处理方法。Amaral等将化学沉淀法作为微滤-纳滤(MF-NF)预处理工艺用于处理稳定的垃圾渗滤液,该工艺被证明能够有效去除废液中的有机物和无机物,且结果表明沉淀作为微滤的预处理能保证低膜污染。Cao等人使用Ruth滤饼过滤理论分析了Ca2+在藻酸盐溶液中形成悬浮液的过滤过程中的通量下降,结果表明Ca2+的加入降低了膜污染。另外,研究者利用混合沉淀-纳滤法对工业磷酸废水进行磷的回收和重金属的去除,得到了良好的净化和回收效率。可以看出化学沉淀预处理可以有效缓解膜污染,且该方法具有投入成本低、操作简便等优点,但其仍存在处理效率不高、经过处理之后的溶液可能会对环境造成二次污染等问题。

结语

总之,高效处理废水能够控制环境污染,相关行业要对废水处理过程膜分离工艺的运用高度重视,回收有用物质,将海水进行淡化,改善水质,相关人员需要对此技术全面分析,结合水处理需求,合理选择分离技术,高效进行水处理。

作者:蔡毅 李湧 谭焕 赵治国

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