膜分離技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用
摘要：自產(chǎn)業(yè)革命以來，以西方各國為主體的發(fā)達(dá)國家顯著加快了 工業(yè) 化的速度。其結(jié)果帶來了生活上的舒適與便利，但同時(shí)也引起了 自然 生態(tài)系統(tǒng)的破壞，地球溫度升高、臭氧層被破壞、廢棄物的激增等等都是明顯的實(shí)例。1992年在巴西舉行的世界環(huán)境首腦會(huì)議及通過的里約熱內(nèi)盧宣言表明了人類對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視。作為具體行動(dòng)，世界各國正大力推廣國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的ISO14000系列的 企業(yè) 環(huán)境管理認(rèn)證體系。歸根結(jié)底，環(huán)境污染是由于人類在活動(dòng)時(shí)排出的各種物質(zhì)的質(zhì)和量超過自然界的自凈能力而產(chǎn)生的。因此，環(huán)境保護(hù)的最佳 方法 在于將排出的物質(zhì)回收并再利用，或恢得到自然界原有的存在形態(tài)。實(shí)際實(shí)施時(shí)，除生物、化學(xué)處理外，常采用減少容積，稀釋降濃等物理方法。不言而喻， 目前 仍存在大量的現(xiàn)實(shí) 問題 亟待解決。
關(guān)鍵詞：膜分離 環(huán)保
自產(chǎn)業(yè)革命以來，以西方各國為主體的發(fā)達(dá)國家顯著加快了工業(yè)化的速度。其結(jié)果帶來了生活上的舒適與便利，但同時(shí)也引起了自然生態(tài)系統(tǒng)的破壞，地球溫度升高、臭氧層被破壞、廢棄物的激增等等都是明顯的實(shí)例。1992年在巴西舉行的世界環(huán)境首腦會(huì)議及通過的里約熱內(nèi)盧宣言表明了人類對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視。作為具體行動(dòng)，世界各國正大力推廣國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的ISO14000系列的企業(yè)環(huán)境管理認(rèn)證體系。歸根結(jié)底，環(huán)境污染是由于人類在活動(dòng)時(shí)排出的各種物質(zhì)的質(zhì)和量超過自然界的自凈能力而產(chǎn)生的。因此，環(huán)境保護(hù)的最佳方法在于將排出的物質(zhì)回收并再利用，或恢得到自然界原有的存在形態(tài)。實(shí)際實(shí)施時(shí)，除生物、化學(xué)處理外，常采用減少容積，稀釋降濃等物理方法。不言而喻，目前仍存在大量的現(xiàn)實(shí)問題亟待解決。
眾所周知，膜分離技術(shù)是物質(zhì)分離技術(shù)中的一個(gè)單元操作。膜分離法的最大特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力主要為壓力，不伴隨需要大量熱能的變化。因而有節(jié)能、可連續(xù)操作、便于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，本文將介紹一些適用于環(huán)保領(lǐng)域的膜技術(shù) 應(yīng)用 實(shí)例。
1. 環(huán)境保護(hù)和膜的適用用途
環(huán)保的一個(gè)十分重要的內(nèi)容就是廢物(固體)、廢液(液體)及廢氣(氣體)處理，即將三廢物再利用，減少向周圍環(huán)境排出的數(shù)量或?qū)⑴欧盼锏挠泻ξ镔|(zhì)經(jīng)過分離、無害化處理后排放。表1中給出了典型的三廢物質(zhì)及膜分離技術(shù)的適用范圍。從表1中可以看出，因膜技術(shù)的處理對(duì)象為流體，故主要適用于廢水、廢液及廢氣的處理。圖1給出了分離膜的分類。根據(jù)待分離物質(zhì)的大小，依次可使用微濾、超濾、納濾、反滲透及氣體分離膜。需要說明的是，膜分離只具有物質(zhì)分離的功能，若構(gòu)成一個(gè)完整的環(huán)保處理系統(tǒng)，常常需要與其它處理技術(shù)組合使用。
表1 廢棄物形態(tài)及膜分離技術(shù)的適用性
|
廢棄物形態(tài) |
廢棄物種類 |
膜的可適用性 |
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|
固體 |
廢物 |
紙張 塑料 金屬 |
不適用 |
|
液體 |
廢水 |
懸濁物 |
微濾膜（MF） 超濾膜（UF） |
|
溶解性成分（三鹵甲烷、農(nóng)藥等） |
超濾膜（UF） 納濾膜（NF） 反滲透膜（RO） |
||
|
廢液 |
各種化學(xué)溶劑 |
納濾膜（NF） 反滲透膜（RO） |
|
|
氣體 |
廢氣 |
有機(jī)蒸汽 氟利昂 硫化物 二氧化碳 |
氣體分離膜 |
圖1 分離膜的分類
2. 適用于廢水排放用途的膜分離技術(shù)
表2給出了各種廢水排放膜處理的應(yīng)用實(shí)例。排放水處理以往采用沉淀法、活性污泥法、蒸發(fā)法等，現(xiàn)在膜法或與上述方法配合使用，或者完全代替使用。使用膜法時(shí)，除得到膜透過液外，對(duì)于濃縮液有時(shí)可通過萃取方法提取有用物質(zhì)，而多數(shù)情況則是固化后燃燒處理。
表2 膜分離法用于廢水排放處理的應(yīng)用實(shí)例
|
應(yīng)用領(lǐng)域 |
適用分離膜 |
透過液 |
濃縮液 |
|
金屬工業(yè) 模鑄廢水 水溶性切削油 銅壓延含油廢水 |
NF，RO UF，NF，RO NF，RO |
放流/活性污泥 活性炭吸附 同上 |
固化燃燒或轉(zhuǎn)專業(yè)處理 同上 同上 |
|
金屬表面處理 電鍍回收液 電鍍水洗廢水 脫脂廢水 廢稀料 |
NF，RO NF，RO MF，UF UF |
再利用（洗凈水） 同上 再利用 再生稀料 |
再利用（溶液） 轉(zhuǎn)專業(yè)處理 固化燃燒或轉(zhuǎn)專業(yè)處理 固化燃燒 |
|
半導(dǎo)體工業(yè) 硅研磨廢水 水洗廢水 |
UF RO |
再利用（研磨用水） 再利用 |
轉(zhuǎn)專業(yè)處理 轉(zhuǎn)專業(yè)處理 |
|
建筑物內(nèi)生活廢水 建筑物內(nèi)生活廢水 糞便 下水二次處理水 |
UF，NF，RO UF RO |
中水道 排放 工業(yè)用水，源水用水 |
下水道排放 活性污泥槽 排放 |
2-1. 下水的高度處理
根據(jù)排放物質(zhì)的成分的不同，處理方式有所差異，但一般是將膜技術(shù)與絮凝劑沉降、加壓浮選和生物處理等技術(shù)配合起來使用。絮凝沉降時(shí)需根據(jù)水質(zhì)的變化控制絮凝劑的投入量。生物處理時(shí)的處理效果常受溫度、濃度等因素的 影響 ，水質(zhì)較難保持穩(wěn)定。膜分離法作為不受水質(zhì)變動(dòng)影響，且可去除可溶解成分的下水高度處理法已逐漸進(jìn)入實(shí)用化階段。日本第一套使用反滲透膜技術(shù)的大型實(shí)驗(yàn)裝置于1993年-1995年在日本千葉縣花見川下水處理場(chǎng)完成了實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。該裝置的處理流程如圖2所示。該系統(tǒng)處理前后的水質(zhì) 分析 結(jié)果如表3所示。反滲透膜產(chǎn)出水(210m3/日)的水質(zhì)達(dá)到了自來水標(biāo)準(zhǔn)。反滲透裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行。從下水變成上水的處理成本為37日元/米3(約為2.4元/米3)。
作為納濾(NF)膜與反滲透(RO)膜聯(lián)用的應(yīng)用實(shí)例可舉大阪下水道館的水處理裝置。該裝置將二次處理(生物處理水)后的下水用NF、RO膜再次處理，處理后的水用于展覽館大型水槽內(nèi)的熱帶魚飼養(yǎng)。該裝置的工藝流程如圖3所示。處理前后的水質(zhì)分析結(jié)果見表3。
表3 水質(zhì)分析結(jié)果(平均值)
|
指標(biāo)
|
項(xiàng)目
|
單位
|
下水二次處理水
|
RO原水
|
RO膜透過滲透水
|
除去率(%)比RO原水
|
水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)
|
源水用的水利用目標(biāo)值
|
|
固體形狀物質(zhì)指標(biāo)
|
SS
|
Mg/l
|
4.2
|
＜ 0.4
|
＜ 0.4
|
-
|
-
|
-
|
|
TDS
|
Mg/l
|
349.4
|
395.7
|
219.2
|
44.6
|
＜ 5002
|
-
|
|
|
有機(jī)物指標(biāo)
|
CODMn
|
Mg/l
|
9.4
|
7.4
|
2.1
|
71.2
|
＜ 10
|
-
|
|
BOD5
|
Mg/l
|
3.7
|
1.6
|
＜ 0.5
|
-
|
-
|
3mg/l
|
|
|
TOC
|
Mg/l
|
7.5
|
4.9
|
0.41
|
91.7
|
-
|
-
|
|
|
富有營養(yǎng)化指標(biāo)
|
T-P
|
Mg/l
|
0.3
|
0.02
|
＜ 0.01
|
-
|
-
|
-
|
|
T-N
|
Mg/l
|
18.6
|
20.2
|
13.7
|
32.1
|
-
|
-
|
|
|
NH2-N
|
Mg/l
|
14.9
|
15.7
|
9.6
|
39.1
|
-
|
-
|
|
|
NO2-N
|
Mg/l
|
0.8
|
1.6
|
1.5
|
8.3
|
＜ 10
|
-
|
|
|
NO3-N
|
Mg/l
|
0.6
|
1.4
|
1.4
|
-
|
＜ 10
|
-
|
|
|
無機(jī)物指標(biāo)
|
PH
|
-
|
7.3
|
7.2
|
6.9
|
-
|
5.8-8.6
|
5.8-8.6
|
|
M-含堿度
|
Mg/l
|
135.2
|
108.4
|
51.2
|
52.8
|
-
|
-
|
|
|
電導(dǎo)率
|
μs/cm
|
697.4
|
791.9
|
445.6
|
43.7
|
-
|
-
|
|
|
Na
|
Mg/l
|
65.4
|
73.0
|
44.8
|
38.6
|
-
|
-
|
|
|
Ca
|
Mg/l
|
24.5
|
27.4
|
10.0
|
63.5
|
＜ 3004
|
-
|
|
|
Cl
|
Mg/l
|
86.3
|
113.9
|
83.2
|
26.9
|
＜ 200
|
-
|
|
|
SO4
|
Mg/l
|
44.7
|
58.4
|
0.3
|
100.0
|
-
|
-
|
|
|
Si
|
Mg/l
|
11.8
|
10.1
|
8.6
|
14.7
|
-
|
-
|
|
|
Fe
|
Mg/l
|
＜ 0.1
|
＜ 0.1
|
＜ 0.1
|
-
|
＜ 0.3
|
-
|
|
|
Mn
|
Mg/l
|
＜ 0.1
|
＜ 0.1
|
＜ 0.1
|
-
|
-
|
-
|
|
|
Al
|
Mg/l
|
＜ 0.1
|
＜ 0.1
|
＜ 0.1
|
-
|
-
|
-
|
2-2.膜技術(shù)與凈化槽技術(shù)的聯(lián)用
在日本，一些下水處理系統(tǒng)不完備或難于長距離向下水處理廠輸送的地區(qū)，生活廢水多依靠?jī)艋圻M(jìn)行下水處理。安裝有浸漬平膜組件的膜分離型凈化槽的示意圖如圖4所示。在活性污泥曝氣槽內(nèi)浸入呈格柵形的平模組件，依靠透水側(cè)的負(fù)壓吸引，將因曝氣而形成的循環(huán)原水透過膜面而實(shí)現(xiàn)過濾。這種在活性污泥處理技術(shù)上附加的膜分離技術(shù)可控制活性污泥的濃度，提高生物反應(yīng)的效率，同時(shí)又可得到水質(zhì)穩(wěn)定的處理水5)。
日本厚生省(衛(wèi)生福利部)正在主持可適用于家庭廁所、廚房及浴室排水處理的小型膜分離型凈化槽驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并計(jì)劃于1998年實(shí)現(xiàn)大面積推廣。
表4 高度處理水質(zhì)
|
|
原水
|
FM膜透過水
|
RO1滲透水
|
RO2滲透水
|
|
外觀，臭氣
|
弱下水臭
|
-
|
-
|
-
|
|
SS（mg/l）
|
16
|
-
|
-
|
-
|
|
COD（mg/l）
|
10
|
8
|
1
|
＜ 1
|
|
T-P（mg/l）
|
0.86
|
0.4
|
0.02
|
＜ 0.01
|
|
NH4-N（mg/l）
|
7.4
|
1.7
|
0.6
|
＜ 0.1
|
|
NO3-N（mg/l）
|
0.8
|
3.7
|
3.0
|
0.2
|
|
NO2-N（mg/l）
|
0.23
|
3.3
|
2.2
|
0．35
|
|
大腸菌群個(gè)數(shù)（個(gè)/l）
|
4900
|
ND
|
-
|
ND
|
|
PH
|
7.17
|
6.52
|
5.91
|
5．75
|
|
電導(dǎo)率（μs/cm）
|
950
|
840
|
273
|
14
|
3. 適用于上水(飲用水)用途的膜分離技術(shù)
飲用水也日益受到環(huán)境污染的 影響 ，江河水、地下水的污染多數(shù)是因?yàn)槿龔U物質(zhì)排放所引起的。特別是作為污染物質(zhì)，不僅是混濁物質(zhì)，還常伴隨有三鹵甲烷及農(nóng)藥等可溶解成分，以往的絮凝沉降、砂濾等 方法 不能除去可溶解成分，故還常需用活性炭吸附機(jī)臭氧氧化分解處理。
膜分離技術(shù)在飲用水方面的 應(yīng)用 主要集中在以下兩個(gè)方面：
1. 用微濾(MF)膜和超濾(UF)膜代替絮凝沉降和砂濾。此法可稱為簡(jiǎn)易處理。膜法的優(yōu)點(diǎn)在于不使用絮凝劑等化學(xué)藥劑，在水質(zhì)波動(dòng)較大時(shí)仍可自動(dòng)連續(xù)處理，占地面積也小。
2. 用納濾(NF)膜或反滲透(RO)膜去除前述方法不可除去的三鹵甲烷、農(nóng)藥等可溶解性成分。此法可稱為深度處理。部分NF、RO膜對(duì)三鹵甲烷的脫除效果如表5所示。由于膜材質(zhì)及制造工藝不同，各種NF、RO膜對(duì)三鹵甲烷的脫除率有所不同。在美國已普遍將NF、RO膜技術(shù)用于地下水為水源的城市供水系統(tǒng)。例如在佛羅里達(dá)州，為了去除地下水中的三鹵甲烷，80年代就建成了日產(chǎn)水量為3.8萬立方米的NF、RO膜分離供水廠7)。膜裝置排出的濃縮水的處理也是技術(shù)難點(diǎn)之一，在美國多向海洋或江河下游排放或向地下深井滲透。
表5 RO膜對(duì)三鹵甲烷的脫除效果率評(píng)價(jià)結(jié)果
|
供給液
|
RO膜對(duì)三鹵甲烷的脫除率
|
|||
|
三鹵甲烷種類
|
濃度
|
芳香族聚酰胺
|
聚乙烯醇系列
|
醋酸纖維素
|
|
CHCl3
|
25
|
71
|
33
|
18
|
|
CHBrCl2
|
6.3
|
70
|
28
|
11
|
|
CHBr2Cl
|
10
|
81
|
41
|
12
|
|
CHBr3
|
50
|
90
|
52
|
17
|
|
CH3CCl3
|
10
|
98
|
85
|
50
|
|
CCl4
|
1
|
＞99
|
88
|
66
|
|
CHCl=CCl2
|
38
|
97
|
83
|
52
|
|
CCl2=CCl2
|
10
|
＞99
|
98
|
70
|
|
對(duì)應(yīng)的日東產(chǎn)品型號(hào)
|
NTR-759HR
|
NTR-729HF
|
NTR-1698
|
|
4.應(yīng)用于排氣的膜分離技術(shù)
大氣污染的主要原因有：促進(jìn)地球溫暖化的二氧化碳、引起酸性雨的燃燒氣體中的含硫成分、造成光化學(xué)污染的氮?dú)饧坝袡C(jī)蒸汽成分、造成大氣臭氧層破壞的氯氟碳(CFC)成分等等8)。關(guān)于這些氣體的排放基準(zhǔn)，世界各國都在制定相應(yīng)的規(guī)則和環(huán)境目標(biāo)。二氧化碳及二氧化硫分離膜仍未達(dá)到實(shí)用化階段9,10)。有機(jī)蒸氣分離，例如汽油蒸氣的回收分離膜已有應(yīng)用實(shí)例11)。有機(jī)蒸氣稱作揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC(Volatile Organic Compounds)。VOC回收膜已被一些公司如日本的日東電工，美國的MTR、德國的GKSS所商品化。日本鋼管(NKK)公司開發(fā)的汽油蒸汽回收膜分離裝置的示意流程如圖5所示。含有汽油成分的混合氣體經(jīng)前置過濾器除涯后導(dǎo)入膜分離組件，在膜透氣側(cè)設(shè)有真空泵造成負(fù)壓，透過分離膜的VOC成分在吸收塔內(nèi)被汽油液體所吸收。
關(guān)于氟利昂及替代氟利昂的回收，在日本，有在聚合生產(chǎn)線貯槽上設(shè)置替代氟利昂的膜回收裝置，在歐美，有從涂膜工藝產(chǎn)生的HCFC-123氣體的回收裝置已進(jìn)入實(shí)用化階段。
參考 文獻(xiàn)
1.多田直樹，“大阪工研協(xié)會(huì)主催セミナ一テキスト，產(chǎn)業(yè)プロセスにおける膜の利用”(1996)
2.竹島正，石山榮一，當(dāng)間久夫，柴田敏幸，PPM.26(1),35-41(1995)
3.多田直樹，日東技報(bào)，34(2)，48-51(1996)
4.安達(dá)哲朗，別府雅志，西田佑二，日東技報(bào)，34(2)，75(1996)
5.佐藤八郎，月刊凈化槽，No.251(3),42(1997)
6.笠井真二，田窿芳博，那須正夫，近藤正臣，衛(wèi)生化學(xué)，36(3)，248(1990)
7. P.H.Lange, P.E.Laverty,日東技報(bào)，27(2)，12(1989)
8.中尾真一，ニュ一メンプレンテクノロジ一シンポジウム97テキスト，531
9.中尾真一，膜，20(1)2-9(1995)
10. 原谷賢治，膜，20(1)10-17(1995)
11. 岡本敦，膜，20(1)18-28(1995)
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