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膜技术在城市饮用水处理中的应用-双鸭山反渗透膜,双鸭山纳滤膜,双鸭山超滤膜

作者:富莱克   来源:东北亚水网   发布时间:2010-10-22 10:31:55

膜技术在城市饮用水处理中的应用-双鸭山反渗透膜,双鸭山纳滤膜,双鸭山超滤膜
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由于工业高速发展和城市化的加速,产生了大量的工业污水和生活污水,而我国城市污水处理厂的年处理率仅为2.43%,绝大部分污水直接排入水体,致使82%的水域和93%的城市地下水源被污染,水源水质明显恶化。传统的饮用水处理工艺已无法去除水中越来越多的污染物,难以满足生产合格饮用水的要求。而且随着经济水平不断提高,人们对饮用水水质的要求也不断提高。因此迫使去寻找更有效更经济的水处理技术。膜分离技术是一门新兴的高效分离、浓缩、提纯技术,是20世纪70年代开始发展起来的,在90年代得到飞速发展,该技术被认为是目前最有发展潜力的深度水处理技术。近年来随着膜技术的发展和膜性能的提高,制膜的成本大幅度下降,以膜技术为核心的水深度净化工艺得到了迅猛的发展,其在未来饮用水处理中具有广泛的应用前景。

1 膜分离原理双鸭山反渗透膜,双鸭山纳滤膜,双鸭山超滤膜

膜分离技术是一种以压力为推动力、利用不同孔径的膜进行水与水中颗粒物质筛除分离的技术。根据膜能有效地去除的污染物的大小来分类,可分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)等。微滤能够去除水源水中的悬浮颗粒、胶体物质和细菌;超滤能去除相对分子量在300~300,000之间的大分子、细菌、病毒和胶体微粒;纳滤可以截留二价以上的离子和其它颗粒,所透过的只有水分子和一些一价的离子(如钠、钾、氯离子);反渗透除水分子外,其它所有杂质颗粒(包括离子)都不能透过。膜分离技术具有能耗低、分离效率高、不需要添加药剂、去除的污染物范围广、运行可靠、工艺简单、不影响健康等优点。

2 膜分离技术

2.1 微滤

微滤是一种精密过滤技术,它的孔径范围为0.1~75μm,通过微滤可有效除去水中0.1μm以上的泥沙、胶体、大分子化合物等颗粒杂质、大肠杆菌等微生物,可以提供其他水处理工艺从未达到的出水水质,并且处理效果极其可靠[1],但对小分子有机物、重金属离子、硬度及病毒去除效果较差。1987年美国科罗拉多州的Keystone建立了世界上第一座微滤膜净水厂,水量为105m3/d,使用孔径为0.2μm的外压式中空聚丙烯MF膜[2]。 SIDDIQUI等人研究认为,MF仅能去除22%以下的总有机碳(TOC),溶解性有机碳(DOC)去除率只有18.2%[3],可见其对有机物去除率较低。因此,MF常作为饮用水制备过程中的预处理工艺,但经过微滤膜处理工艺可以大大提高饮用水的生物稳定性[4]。现在全世界各国利用滤膜技术处理饮用水已建成的水厂有数十家。据美国对过滤装置调查,1998-2000年全世界已建成和正在建设中的微滤膜的水处理能力为140万m3/d,其中75%是水净化用膜[5]。

另外,高通量、低操作压力的微滤膜与混凝相结合的工艺处理微污染水源水,与微滤膜直接过滤工艺相比,获得了较高的有机物(如高锰酸钾指数)去除率[6]。目前大量使用的家用净水器,是把活性炭吸附过滤与微滤膜技术结合起来制成膜技术复合型净水器,微滤滤芯有折叠式或中空纤维式,家用净水器的发展趋势就是采用膜技术对自来水进行深度处理。

2.2 超滤双鸭山反渗透膜,双鸭山纳滤膜,双鸭山超滤膜

超滤是利用膜不同孔径对液体进行分离的物理筛分过程,可去除0.005μm,相对分子质量1 000以上的粒子,在动态条件下能有效截留水中大部分胶体、大分子化合物和细菌等杂质。超滤膜对水中溶质的去除机理为:①溶质的粒径小于膜孔径时,溶质在膜表面和微孔壁上产生吸附;② 溶质的粒径大于膜孔径时,溶质在膜表面被机械截留,实现筛分;③ 溶质的粒径大小与膜孔径相仿时,溶质在孔中停留,引起膜阻塞。从其机理可看出,UF膜对分子质量较大的悬浮颗粒及胶体物质可有效去除,但对低分子质量的盐类、低分子有机物等不能去除。。1988年法国Amoncourt市建成了使用醋酸纤维素中空纤维UF膜的膜分离净水厂,处理能力为240 m3/d[7].美国Judith Herschell Green等人[8]以不同河水为水源,用超滤方法制造饮用水,出水浊度不受原水浊度的影响,超滤出水水质非常好。Adham, S.A等[9]对UF膜处理河水进行实验,结果表明超滤膜能有效去除大肠杆菌,出水中不含大肠杆菌。

但是研究发现,超滤膜对水中的有机物去除率不高,UF膜仅能去除16%的TOC[10] ,对DOC去除率的高低与原水的性质和膜的性能有关。LECHEVALLIERE[11]研究表明,UF对DOC的去除率为62.5 %~67.8 %。Laine等[12]人经实验证实,截留分子量为1000~5000的UF膜去除THMs前驱物效果不是很好。Laine等[12]提出将颗粒活性炭与UF膜组合,利用颗粒活性炭去除低分子量的溶解性有机物,这种组合能较好地提高出水水质。

2.3 纳滤双鸭山反渗透膜,双鸭山纳滤膜,双鸭山超滤膜

纳滤是介于超滤和反渗透之间的新型膜分离技术,它的出现弥补了反渗透与超滤间的空白,是近十年发展较快的一项膜技术,其推动力仍为水压。纳滤膜是80年代作为反渗透复合膜的替代产品出现的。纳滤膜具有三个典型的特点: (1)适宜于分离相对分子质量200~1000,大小约为lnm的溶解组分。(2)低压操作。分离需要的膜间渗透压差一般是0.5~2.0MPa,因而又被称为超低压反渗透。(3)离子选择性。由于纳滤膜上常带有电荷,通过静电作用对于不同价态的离子存在Donnan效应,可实现不同离子的分离,因此物料的荷电性,离子价数和浓度对膜的分离效应有很大影响。

纳滤膜能有效去除水中天然有机物与合成有机物(如农药等)[13]、挥发性有机物[14]和三致物质[15]。纳滤膜分离透过实验[16]结果表明,纳滤膜可以去除深井水中存在的THMs。另外,对生物降解有机物(AOC)也有一定的去除能力,去除率达80%[17-18]。法国Mery-sur-Oise水处理厂的纳滤膜处理法可以将地表水中TOC量平均减少到0.5 mg/L,这比用生物处理过的水中TOC含量要低很多[19]。一般来说,不同NF膜对有机物去除率相差不大,但是它们对于无机物的去除率却有显著差异[20-21]。纳滤膜可以有效地去除硬度[22],近年来国外有许多国家成功地将纳滤膜分离技术用于降低水质硬度,如1995年美国佛罗里达州进行了纳滤膜软化饮用水的试验研究,效果显著[23]。纳滤膜(NF70)去除饮用水中氟化物的研究结果[24]表明,纳滤膜对氟离子有很好的截留率。

2.4 反渗透

反渗透是以压力为推动力的,利用反渗透膜只能透过水而不能透过溶质的选择透过性,从某一含有各种无机物、有机物和微生物的水体中提取纯水的物质分离过程。从50年代提出发展到现在,反渗透已成为海水淡化和苦咸水淡化制取饮用水最经济的手段,这首先得归因于反渗透膜性能的大幅度提高、膜组件的改进和配套装置的革新。绝大部分的细菌都比反渗透膜的孔径至小大一个数量级,病毒的粒度虽然比细菌小,但仍然远大于滤膜的孔径,因而反渗透膜很容易取得100%的去除细菌与病毒的效果。

反渗透系统所采用的反渗透膜可截留水中无机离子和分子溶质,而且能够有效地去除水中的重金属离子、有机污染物、细菌与病毒[25],出水水质良好,性能稳定,是目前使用最为广泛的饮用水深度处理方法。反渗透膜对TOC和AOC的去除率分别达到93%和76~87% ,处理后的出水生物稳定性较好[26]。反渗透技术用于去除水中氟离子的实验结果表明,采用反渗透技术处理水有降低氟离子的作用[27]。反渗透膜能有效去除饮用水中的有机污染物和致突变有机物,改善饮用水致突变性[28]。美国衣阿华州的Greenfield和佛罗里达州的Rotonda West已经用反渗透法向居民提供饮用水[29]。 但反渗透法在使用时应注意以下几个问题:①合理选择反渗透膜,不同产家生产的膜在抗污染能力、去除污染物的能力、产水量等方面的性能不同,应根据原水水质合理选用;②合理选择预处理方法,可以延长反渗透膜的使用寿命,降低水处理的成本,提高水处理的水质;③根据原水水质特点,合理选择反渗透系统的工艺操作参数,可以使出水水质达到最佳;④合理选择洗膜方法,定期洗膜,以提高出水水质,增加产水量。

3 膜污染形成原因、防治措施与清洗再生

3.1 膜污染形成原因

膜污染是由于杂质进入膜孔隙内部,吸附在膜内部,减少有效的膜孔径数量或孔径,使透水通量减少,导致水通量下降,用水力或化学清洗往往很难将其恢复,是不可逆转的。原水中溶解性有机物(NOM),特别是腐殖酸类天然有机物是导致膜污染的主要因素,TOC是衡量引起膜污染有机物浓度的重要指标。许多研究表明,水中的TOC越高,膜污染就越严重,严重时可使膜完全堵塞。

造成膜污染主要有两个原因:①浓差极化的影响。浓差极化造成水通量下降,但可通过反冲洗将透水通量恢复,是可逆转的;② 膜表面吸附溶质(尤其是大分子)形成的膜污染。膜的孔道被大分子溶质堵塞引起膜过滤阻力增加,溶质在孔内壁吸附,膜面形成凝胶层增加传质阻力。组分在膜孔中沉积,将造成膜孔减小甚至堵塞,实际上减小了膜的有效面积。组分在膜表面沉积形成的污染层所产生的额外阻力可能远大于膜本身的阻力,而使渗透流率与膜本身的渗透性无关,这种影响是不可逆的。

膜污染程度同膜材料、保留液中溶剂以及大分子溶质的浓度、性质、溶液的pH值、离子强度、电荷组成、温度和操作压力等有关,污染严重时能使膜通量下降80%以上。

3.2 膜污染防治措施

有效地控制膜污染影响因素,可以大大减少膜污染,延长膜的有效操作时间,减少清洗频率,提高生产能力和效率。可以采用以下措施减轻膜在使用过程中的污染:①在膜过滤前,对料液进行预处理,去除一些较大的粒子;②调节pH值,远离蛋白质的等电点,减轻吸附;③改变膜材料或表面性质;④改善膜组件及膜系统的结构;⑤控制溶液温度、流速、流动状态、压力等。

3.3 膜污染的清洗和再生

膜在使用中无论操作如何严格,经长期运行后,膜表面会逐渐由于污染物的沉积而引起污染,影响系统正常运行。因此,膜的定期清洗和再生是必不可少的。常用的清洗方法有:

(1)物理方法

用淡水也可以用原水来冲洗,在低压下以高速流冲洗膜面30min,也可以用空气和水混合的高速气、液流喷射清洗,这样可以清除膜面上的污垢。在管式膜组件中,可以通过海绵球的高速循环来冲刷膜面,以去除膜面上的污垢。现在也有人采用超声波清洗膜面,虽然尚未广泛应用,但将来很可能成为一种有效的清洗方法。

(2)化学方法

①加酸清洗 常用的酸有HNO3、H3PO4、柠檬酸等,当然也可以是他们的混合体。如可用1%-2%的柠檬酸溶液在低压或高压下采用一次通水或循环方式对膜进行冲洗,对去除氢氧化铁沉淀很有效[30]。

②加碱清洗 加碱(NaOH)和络合剂(EDTA)清洗。

③酶洗涤剂 含有酶的洗涤剂对去除有机物,特别是蛋白质、多糖类、油脂等污染物是非常有效的。酶洗涤剂在50℃-60℃洗涤效果较好。

另外,由于膜表面的缺陷、磨蚀、化学侵蚀和水解等原因,膜使用中性能会下降,为了延长末的寿命,可对膜进行再生。一般再生前脱盐率应在80%以上,再生后可达到94%,低于80%脱盐率的膜,再生效果很差[30]。

4 膜技术在城市饮水处理中的应用前景和发展方向

膜技术被认为是“二十一世纪的水处理技术”,在水处理领域有着广阔的应用前景。自膜实现工业化以来,有机膜一直占据主导地位,它具有制备工艺简单,膜材料品种多,容易改型,柔韧性好,价格低廉,易于加工等优点,但也有不耐高温,机械强度低,易污损,寿命短等缺点。无机膜虽然耐腐蚀、耐高温、易反复清洗、寿命长,但成本高。近年来通过无机颗粒均匀分散在聚合物材料中制备复合膜引起了广泛关注,P. Aerts,A. Bottino和JH. So等[31-33]分别采用超细分散的无机粒子α-铝粒子,二氧化硅和二氧化钛等作为共混材料,共混膜的水通量大幅提高,渗透性、抗污染、耐菌性等性能增强,新膜不仅显示了氟碳化合物典型的热力学稳定性和化学稳定性,并增加了一些无机膜所具有的物理化学特性[32]。Lu等[34]通过添加纳米Al2O3对PVDF膜进行改性,并研究了其形态结构和抗污染能力。梁袆等[35]和李建生等[36]分别制备了纳米γ-Al2O3/PVDF和TiO2/PVDF中空纤维膜,并对其结构进行了研究,提高了膜的处理能力和材料性能。因此,本体膜材料与其他亲水性聚合物、溶剂共混改性是今后膜技术的一个发展方向。

另外,膜技术的开发,通过膜与其他工艺的连用,可以生产出高品质的饮用水。膜法饮用水处理系统可将微滤(MF)与氧化除铁、锰和其它重金属联用、与活性炭除农药联用、与混凝除有机物联用以及与其它工艺过程联用以获得高质量的出水。董秉直等[37]实验结果表明,混凝能有效地去除造成膜污染的大分子有机物,可有效地防止膜污染。膜技术与传统的水处理技术相结合处理饮用水具有很好的效果,这也是今后膜技术在城市饮水处理中发展的重要方向。

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