反渗透膜在水处理中的研究进展
摘要:反渗透膜过滤技术是一种高效、低能和易操作的液体分离技术, 比传统的水处理方法效果好,可实现海水淡化、废水的循环利用及对有用物质有效回收。本文主要介绍了反渗透原理及反渗透膜种类，进一步总结了反渗透膜在各种污水的中的应用，最后对反渗透膜技术的发展趋势作了简单介绍。
关键词:反渗透膜；原理；有效；发展
Abstract Reverse osmosis membrane filtration technology is a high efficient, low
operation and the liquid separation technology, than conventional water treatment effect is
good, can realize the seawater desalination, wastewater recycling and effective to useful
material recycling. This paper mainly introduces the reverse osmosis principle and reverse
osmosis membrane type, further summarizes the reverse osmosis membrane of the
application in wastewater, and finally to reverse osmosis membrane technology
development trend are introduced.
Keywords RO theory effective development
20世纪80年代初, 美国就克服纤维素材料的缺陷,研发出高水通量、高盐截流率的复合聚酰胺膜, 使得反渗透技术广泛应用于工业领域。现在已从最初的海水、苦咸水脱盐及各种纯水制造的生活领域应用向废水处理、回用的环保领域发展。目前一方面水资源缺乏, 要求不断开发利用比以前品质更低的水源; 另一方面政府环保部门施加的压力及公众对高品质饮用水的需求要求处理方法更新、处理程度提高, 这给膜分离技术尤其是反渗透膜技术带来了巨大的市场潜力和发展空间
1 反渗透原理及反渗透膜种类
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: 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。
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80mg/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。
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,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%, 对挥发性有机物场区和奥运村生活污水 污水处理厂
处理后雨污水深度处理系统
雨水处理系统1
雨水处理系统2
雨水处理系统3 综合生态自然保护区 微滤系统
反渗透
场馆绿化 奥运村中水回用 (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
表1 R0502 型DT- RO 设备在北京地神树区的试验结果
阿苏卫垃圾填埋场 六里屯垃圾填埋场 阿苏卫垃圾填埋场 国家标准
进水 出水 进水 出水 进水 出水
COD(mg/L) 14300 7 56000 17 2400 3 100
氨氮(mg/L) 2886 1.6 2381 2381 2000 1.2 15
SS(mg/L) 1667 未检出 2112 未检出 2000 未检出 70
电导(S/cm) 23980 50 54680 132 20000 67 未要求
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。
表2 反渗透膜组件情况
膜材料 组件形式 运行方式 有效膜面/㎡ pH值围 荷电 厚度/μm 预期寿命
磺化聚砜 螺旋卷式 连续 0.456 2- 11 负电 150- 175 3a
2.5 反渗透膜在含油废水方面的应用
含油废水是一种量大面广的工业废水, 若直接排入水体, 会在水体表层产生油膜阻碍氧气溶入水中,从而致使水中缺氧、生物死亡、发出恶臭, 严重污染生态环境。一般,含油废水中的油分以浮上油、分散油、乳化油三种状态存在, 其中前两种比较好处理, 经机械分离、凝聚沉淀和活性炭吸附, 油分可降低到几mg/L 以下,而乳化油含有表面活性剂和起同样作用的有机物,油分以微米数量级大小的粒子存在, 所以长期保持稳定, 难以分离。对含乳化油的废水应用反渗透法处理, 不需破坏乳化液进行浓缩分离, 其浓缩液采用焚烧处理, 渗透液可进行回用或排放处理。美国加利福尼亚的圣泡斯废热电站第一次大规模应用反渗透装置于油田采出水处理,成功地将含盐3000 mg/L、硅6263 mg/L、油3.5 mg/L、总有机碳(TOC)(16～23) mg/L 的油田采出水处理到锅炉用水水质, 于是处理后的水回用于电站锅炉给水。含油废水成分复杂, 除了溶解状态、乳化状态多种盐类外,还有投加的破乳剂、降粘剂等, 因此单单一种膜处理方法有其局限性, 在实际应用过程中一般采用多种处理方法联合使用的方式, 才能保证出水水质。国内张宏忠等先采用自配的DEMUL- B1 作为破乳剂对高浓度的O/W型纺丝油剂废水进行破乳, 然后以OSMONICS公司的SE 反渗透膜对破乳后的水样进一步处理, 结果表明: 经“破乳- 反渗透”处理净化后的水质, 其COD的去除率达到99.96%, 含油量几乎监测不出。国外,Sanghhyun 等[17]把盐析和反渗透结合起来处理乳化油废水取得了很好的效果, 在含油废水中加入1.0%～4.5%的铝或水溶性盐, 在pH 值2～5 范围内搅拌混合,静止0.5～1 h 后油分上浮, 除去漂浮油后进行过滤, 可进一步除去以铝铁絮凝形态残存于水中的油分, 去除率高达99%, 而后用反渗透膜处理含铝盐或铁盐的水
溶液,盐的去除率接近100%, 最终透过水可回用, 浓缩水在油水分离工序中循环。CARTWRIGHT P.S.采用纳滤/反渗透集成工艺处理油田废水, 研究表明: 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°C, 运行压力7～25 kg/cm2 时,