反渗透在水污染控制中的应用
20世纪80年代初,美国政府实验室就开发出第一张复合聚酰胺膜。与纤维素膜相比,具有高而多的水通量和盐截留率,大大促进了反渗透技术的应用。目前已从最初的海水、苦咸水脱盐及各种纯水制造向水污染控制领域发展。反渗透已在城市污水、垃圾填埋场、电镀、食品和制药等行业的废水处理或回用中获得应用。
1 重金属废水的处理
含重金属离子的废水处理,国内一般采用各种化学方法。化学反应沉淀具有投资省、运行费用低的优点,但也存在污泥处理处置困难,当水质复杂时难操作控制等缺点。离子交换法不仅运行费用高,预处理复杂,再生废液的回用难度也大,容易产生二次污染。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。目前,我国约有100套反渗透装置应用于电镀废水的治理,组件多采用内压管式或卷式。采用内压管式组件,在操作压力为2.7 MPa时,Ni3+分离率在97.2%~97.7%,水通量为0.4 m3/(m2•d),镍回收率大于99%。
UJANG Z.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25℃,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Zn2+和Cu2+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见表1。
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CHAI X 340 mg/L时,透过液中铜质量浓度低于4 mg/L。SCHOEMAN J.J.分别采用南非产管式醋酸纤维素膜(膜面积1.75 m2)、杜邦卷式聚酰胺膜(组件为417 mm×71 mm)和FilmTec的卷式复合膜(组件为614 mm×80 mm)对镍清洗废水与混合电镀废水、镉清洗废水和铬清洗废水进行了中试规模研究,结果表明,对于处理规模为5 m3/h的镍、镉和铬清洗废水,RO系统运行1.3、3和7 a后可以收回投资。
2 高矿化度矿井废水的处理
du PLESSIS G.H.采用管式反渗透膜对矿井废水进行中试规模(膜面积达40.25 m2)的研究,预处理包括投加量为5 mg/L的次氯酸钠消毒除藻类、15 mg/L的FeCl3(以Fe计)的絮凝澄清去除悬浮物和胶体、双层过滤去除浊度以及5 mg/L的Flocon阻垢剂。当膜面流速在1~2 m/s,水最大回收率为70%,压力4 MPa时,平均水通量为700 L/(m2•d),除盐率稳定在96%。值得注意的是预处理后,废水的SDI(污染指数)高达5.6~6.2,但每运行350 h后的清洗可保证系统的正常运行。
PULLES W.对矿井废水进行了新颖的泥浆沉淀与再循环反渗透工艺(Slurry Precipitation And Re-cycle Reverse Osmosis,SPARRO)处理的中试研究。中试研究采用管状醋酸纤维纱膜,结果表明,SPARRO的投资略高于常规反渗透工艺(高5.5%),但运行费用低得多,能耗仅3~4 (kW•h)/m3,除盐率大于90%,水的回收率则高达95%。在该工艺中,进水中包括硫酸钙晶体泥浆,它在高压下被水泵泵进膜组件。当低盐废水通过膜时,溶解盐得到浓缩,而当溶解盐过量时,便会优先沉积在结晶体上,从而防止在膜表面和系统管网上结垢,使得结垢型水可以在较高的水回收率情况下进行脱盐,硫酸钙晶体的浓度则通过周期性外排得到控制。
3 生活污水的深度净化处理
SUZUKIY.等以反渗透膜的水通量、膜透过液水质、水通量衰减系数和化学清洗后水通量恢复率为主要参数,对不同组件形式、不同材质的反渗透膜用于生活污水回用处理进行了研究,结果发现,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,不仅膜透过液水质具有与城市给水相同的外观: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,而且水通量较大。同时,这些膜具有很强的抗污染能力,染膜通过化学清洗,水通量可100%恢复。
SLIMJ.A.采用管式反渗透膜对城市污水的三级处理(砂滤和氯化)出水制取可饮用水进行了可行性研究。反渗透处理规模为610 m3/d,在20℃时,水的回收率为70%,运行12 000 h的结果表明,膜本身未出现不可控制的污染,除了酚和氨氮外,其它所有的化学指标均能满足生活饮用水标准,从微生物学指标看,反渗透出水投加1 mg/L的余氯消毒可以满足饮用水要求,但从毒理学角度分析,反渗透出水尚需进一步深度处理以去除微量有机物和毒物。
BILSTAD T.采用管式和卷式反渗透膜对城市污水进行氮分离实验研究,结果表明,总氮去除率可达95%,化学沉淀池的出水可以直接作为管式反渗透膜的进水,但对卷式膜而言,化学沉淀出水尚需25~200μm的滤芯过滤器处理,同时,卷式反渗透膜需每天进行化学清洗,以确保在水温为25℃,进口压力为35 kg/cm2的条件下水通量达到20 L/(m2•h)。
4 高质量浓度有机废水的处理
反渗透膜技术用于牛羊屠宰废水处理已经从研究进入小规模(25 m3/d)的商用阶段。COWAN J.A.C.对经过筛滤和去除脂肪的屠宰废水采用超滤和反渗透膜分离进行处理,膜分离情况如表2所示。
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BUCKLEY C.A.报道了一个规模为40 m3/d处理高质量浓度染洗废水的反渗透处理厂。反渗透膜由两级组成,每级包括6个卷式膜组件。第一级采用苦咸水反渗透膜,第二级采用海水反渗透膜。第一级的运行压力在2.7~3.1 MPa,总固体和钠离子的去除率均大于96%,色度去除率为90%,总碳去除率为87%;第一级的浓水作为第二级的进水,由于进水溶液渗透压高,第二级的运行压力为5.3~5.8 MPa,其总固体和钠离子的去除率大于98%,色度去除率为94%。反渗透膜每周进行一次化学清洗。
畜禽粪便废水处理一直是国内的难题。其预处理一般粪便通过机械脱水后产生固体含量为25%的泥饼和含固率为1%的液体。BILSTAD T.采用反渗透膜对机械脱水的液体进行处理的中试研究,反渗透膜组件由18根管状聚酰胺膜组成,管状膜的内径为12.5 mm,长度1 219 mm,总有效膜面积0.861 m2。膜面流速2.5 m/s,运行参数控在:p<7MPa,t<70℃,3<pH<11,化学清洗采用0.3%的硝酸,在40℃下循环45 min,随后碱性洗涤剂(Ultra-sil 11)在40℃下循环45 min。根据中试建立的实际反渗透装置,膜面积46•8 m2,处理规模10 m3/d,膜面流速2.9 m/s,压力4 MPa,运行结果表明,干净膜水通量为60 L/(m2•h),N去除率为99%,当每一次间歇操作结束时,水通量降低为30 L/(m2•h),N去除率降低为90%左右,而K,COD,TP和TS的最低去除率一般大于95%。
CARTWRIGHTP.S.介绍了油田废水膜分离的应用研究结果,实验研究中,第一级使用中空纤维纳滤膜去除几乎所有重油、浊度和主要溶解有机物。第一级的渗滤液直接进入第二级卷式反渗透膜,反渗透膜产生的滤液能够满足再用或回灌地下,当每级运行回收率为90%,温度18~22℃,运行压力7~25 kg/cm2时,第一级稳定后水通量为81 L/(m2•h),第二级稳定后水通量为5.0 L/(m2•h),膜分离效果如表3所示。
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5 垃圾渗滤液处理
垃圾填埋场渗滤液水质非常复杂,不仅含有各种有机物,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,至今国内尚无经济可行的处理技术。国外将反渗透膜分离与常规污水处理技术相结合对渗滤液废水进行了处理的应用研究和工程实践,表4是处理的研究情况。
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6 存在的问题和应用前景
反渗透膜分离技术要在水污染控制中获得大规模应用尚需解决一些基本问题,如如何衡量允许进入反渗透膜组件的进水水质,SDI值是否同样适用于废水处理;开发适用于不同废水处理的各种抗污染、预处理要求低的反渗透膜组件;解决实验室研究和实际规模应用的放大问题。
随着水污染控制形势的日益紧迫,反渗透膜分离在国内各种工业部门的清洁生产、缺水地区的废水处理回用、农村微污染原水饮用水处理、难生物降解有机废水处理领域将获得突破。
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