膜分離技術(shù)在污水回用中的應(yīng)用

PAGE13/NUMPAGES13更多資料請(qǐng)?jiān)L問.HYPERLINK"E:\\還未拷貝\\人力資源\\績效考核\\(http:\\)"()膜分離技術(shù)在污水回用中的應(yīng)用徐平謝春玲賈世榮(美國海德能公司上海代表處上海200001)摘要：本文介紹膜技術(shù)在污水回用領(lǐng)域中的應(yīng)用。超濾和微濾用于除濁；反滲透和納濾用于脫鹽。膜集成技術(shù)使污水實(shí)現(xiàn)再資源化。文中舉例講明了膜分離技術(shù)優(yōu)勢，以及在國內(nèi)外市政污水回用的實(shí)際應(yīng)用概況。關(guān)鍵詞：膜分離污水回用超濾反滲透納濾ApplicationinWastewaterReclamationTreatmentbyMembraneSeparationTechnologyXupingLindaXieJiaShirong(HydranauticsShanghaiRepresentativeOffice,Shanghai,200001)Abstract：Introduceapplyingmembranetechnologyinwastewaterreclamationtreatment.Ultrafiltrationandmicrofiltrationareforparticlesremoval,reverseosmosisandnanofiltrationlIntegratedmembranessolutions(IMS?)makewastewaterreusableresource.Thepapersummariesmembranetechnologyadvantages,andapplicationexperiencesbothinSingaporeandinChina.Keywords：membrane,wasterwaterreclamation,ultrafiltration,reverseosmosis,nanofiltration1前言據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國人均水資源占有量僅相當(dāng)于世界人均水資源占有量的1／4，在全國600多個(gè)都市中有400多個(gè)存在供水不足問題，2003年缺水比較嚴(yán)峻的都市達(dá)到157個(gè)，全國都市缺水年總量達(dá)60億立方米。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的進(jìn)展，污染物排放量也在逐年增加。2003年，全國工業(yè)和城鎮(zhèn)生活廢水排放總量為460億噸。全國都市污水排放量348.9億m3，污水處理率只有42.2%。按“十五”打算要求：2005年，都市污水集中處理率要達(dá)到45%。[1]據(jù)專家測算，假如以都市供水量為基準(zhǔn)值100%計(jì)算，僅采取節(jié)水方式能夠?qū)⒂盟侍岣叩?20%，而采納節(jié)水與水再生利用方式可使用水效率提高到180%。因此，可行的節(jié)水、水回用和水循環(huán)利用方案，可大大提高用水效率。目前我國污水再生利用進(jìn)展緩慢，只有少數(shù)幾個(gè)缺水都市建設(shè)了規(guī)模較小的再生水回用設(shè)施。同步規(guī)劃和建設(shè)污水再生利用設(shè)施，實(shí)現(xiàn)由單一的污水處理達(dá)標(biāo)排放向污水綜合利用轉(zhuǎn)變，是緩解都市水資源短缺的重要措施。以北京為例，到2008奧運(yùn)年，北京市都市污水處理率的目標(biāo)是由目前的56%提高到90%以上，再生水回用規(guī)模將由目前的排水量的1%提高到50%左右。[2]通過對(duì)都市污水廠二級(jí)處理的出水進(jìn)行深度處理，回用為工業(yè)冷卻水，工藝用水，澆灌水，或消防用水等，污水實(shí)現(xiàn)再資源化，使都市循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念中的水環(huán)網(wǎng)構(gòu)成水生態(tài)良性循環(huán)[3]。在污水回用領(lǐng)域中，超濾/微濾與反滲透/納濾的集成技術(shù)以其高效除濁和除鹽能力的有機(jī)結(jié)合，以其占地面積小、對(duì)環(huán)境污染少、自動(dòng)化程度高、適用范圍廣的優(yōu)勢，以其規(guī)模化生產(chǎn)帶來的成本的不斷下降，以其可靠的應(yīng)用技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)正逐漸在國內(nèi)得以推廣應(yīng)用。2膜分離技術(shù)基礎(chǔ)和進(jìn)展2．1超濾和微濾技術(shù)基礎(chǔ)和進(jìn)展膜的分離譜圖請(qǐng)見圖1。超濾和微濾用于去除細(xì)微顆粒物。超濾膜對(duì)水中的顆粒物的去除率，跟超濾膜分離層本身的孔徑有關(guān)。通常超濾膜的分離精度在5~50nm，即0.005~0.05μm；而微濾膜的分離精度通常為0.1μm以上。在一般的地表水處理應(yīng)用中，通常選擇截留分子量是10~20萬道爾頓，對(duì)應(yīng)截留精度在10~30nm的超濾膜，因?yàn)檫@一范圍的超濾膜能完全除去水中的病毒。超濾和微濾采納表面過濾機(jī)理，象一個(gè)細(xì)篩。膜表面的孔徑大小一致，流道均勻。比膜表面孔徑大的顆粒物被截住，留在膜的給水/濃水側(cè)。小顆粒隨著液體透過膜。這種選擇性透過功能使得超濾膜特不適用于那些對(duì)過濾水質(zhì)有嚴(yán)格要求的場合。假如膜表面完整性良好，去除效果能夠得到保證。除此之外，超濾技術(shù)比傳統(tǒng)過濾還有結(jié)構(gòu)緊湊（節(jié)約占地33%）、自動(dòng)化程度高（可實(shí)際無人操作）、化學(xué)藥品用量少（節(jié)約投資、廢液排放少）等優(yōu)點(diǎn)。圖1按孔徑分類的分離膜譜圖上個(gè)世紀(jì)70年代用于水處理的超濾膜以聚砜材料為主。90年代隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，對(duì)超（微）濾膜的機(jī)械強(qiáng)度、抗污染能力、化學(xué)穩(wěn)定性、滲透性能和清洗恢復(fù)性等方面要求也提高，促成了超微濾膜技術(shù)的進(jìn)展和多樣性。目前，超（微）濾膜材料要緊為聚醚砜（PES）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚砜（PS）、PAN（聚丙烯腈）、聚氯乙烯（PVC）等；膜結(jié)構(gòu)形式有中空絲、管式、卷式和平板等幾種；膜組件的形式分為加壓（外置式）和負(fù)壓（浸沒式或內(nèi)置式）兩大類。目前，超濾和微濾技術(shù)在國內(nèi)已成功應(yīng)用于電力、石化、冶金、造紙、啤酒飲料、市政等行業(yè)和領(lǐng)域。而據(jù)統(tǒng)計(jì)及預(yù)測，全球范圍內(nèi)超濾和微濾市場在本世紀(jì)以來更是步入高速成長期，可能2005年增長率可高達(dá)60~80%。2．2反滲透和納濾技術(shù)基礎(chǔ)和進(jìn)展反滲透膜和納濾膜用于各類脫鹽。反滲透脫鹽率(以NaCl計(jì))>99%，海水淡化反滲透膜脫鹽率可高達(dá)99.8%；而納濾膜脫鹽率通常不超過90%。膜的選擇透過性與組分在膜中的溶解、吸附和擴(kuò)散有關(guān)。一般來講，反滲透分離過程中化學(xué)因素（膜及其表面特性）起主導(dǎo)作用。60年代初的膜材料為醋酸纖維素，80年代芳香族聚酰胺復(fù)合膜問世，逐漸成為主導(dǎo)膜材料。在水處理應(yīng)用中，反滲透膜和納濾膜的結(jié)構(gòu)形式以卷式和中空纖維式為主，板式和管式僅用于專門濃縮分離處理。反滲透和納濾要緊應(yīng)用領(lǐng)域有海水和苦咸水淡化、純水和超純水制備、工業(yè)用水處理、飲用水凈化等等。目前世界上反滲透海水淡化廠總產(chǎn)水能力已達(dá)200萬噸/天。在我國，反滲透和納濾膜已廣泛用于海水淡化、鍋爐補(bǔ)給水、工藝用水、飲用、醫(yī)藥或電子行業(yè)純水、礦泉水、污水回用等領(lǐng)域。全球范圍內(nèi)，反滲透和納濾膜市場的年增長率穩(wěn)定在10%左右；在中國反滲透和納濾市場通過十幾年工業(yè)化進(jìn)展，目前年增長率達(dá)30%以上。3膜分離技術(shù)污水回用應(yīng)用實(shí)例-新加坡NEWater項(xiàng)目3．1項(xiàng)目背景新加坡近400萬人口每天共消耗1.3百萬噸水，但其水土資源有限，需從鄰國馬來西亞買水。在水消耗中，要緊用于冷卻和清洗的工業(yè)用水量從1997年的30000m3/d上升到2000年的75000m3/d，約占新加坡總需水量的5%。新加坡公用事務(wù)局（PUB）為了保證有限的水資源用于飲用，決定采納膜集成技術(shù)（超/微濾+反滲透）來回用再生污水，即NEWater項(xiàng)目，要緊用于各種工業(yè)用途。自BedokNEWater水廠于2000年4月運(yùn)行以來，新生水（NEWater）總?cè)萘恳堰_(dá)106,000m3/d，其中采納海德能的反滲透LFC1膜的產(chǎn)水量為82,000m3/d。3．2低污染反滲透膜抗污染機(jī)理LFC1的開發(fā)是為了盡量減少有機(jī)污染物在膜表面的吸附。因?yàn)樵诶梅礉B透技術(shù)處理市政污水或地表水時(shí)，膜元件容易受到膠體和溶解性有機(jī)物的吸附、細(xì)菌或固體顆粒等污染。LFC1膜是對(duì)膜表面進(jìn)行了全然性的化學(xué)改進(jìn)，即在芳香族聚酰胺基礎(chǔ)上，通過在膜表面進(jìn)行PVA復(fù)合技術(shù)，將膜表面的電性由通常的負(fù)電性改為電中性，同時(shí)還具備聚酰胺高水通量與高脫鹽率的性能，如圖3所示。而且不管在酸性依舊堿性條件下，低污染LFC1膜表面均接近電中性。膜表面與水的接觸角由原先的62°降低到47°，增強(qiáng)了膜的親水性，提高了膜對(duì)膠體、有機(jī)物、金屬離子的抗污染能力。從而使進(jìn)水中的負(fù)電、正電、中性、兩性的污染物在膜表面上的吸附性大大減弱，使膜水通量保持穩(wěn)定，如圖3。圖2LFC1抗污染機(jī)理圖3給水表面活性劑對(duì)LFC1膜及傳統(tǒng)復(fù)合膜的污染阻礙產(chǎn)水量：每個(gè)系列8000m3/d其中：Bedok4個(gè)系列(32,000m3/d)Kranji5個(gè)系列(40,000m3/d).每個(gè)系列的差不多設(shè)計(jì)：膜數(shù)量：511支LFC1設(shè)計(jì)水通量：10.4gfd(17.6l/m2/h)排列：每支壓力容器裝7支膜，50：23兩段排列回收率：75%圖4Kranji水廠RO系統(tǒng)實(shí)景照片盡管NEWater新生水的RO產(chǎn)水水質(zhì)均優(yōu)于1993年WHO（世界衛(wèi)生組織）頻布的飲用水標(biāo)準(zhǔn)，但由于人們的心理作用，目前只回用于半島體行業(yè)或和其它工業(yè)用途?；赜盟倪\(yùn)行費(fèi)用僅為0.4美元/m3[4]。膜集成技術(shù)為新加坡污水再利用制造了良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。4膜分離技術(shù)在國內(nèi)的市政污水回用都市污水處理廠二級(jí)出水通過（也能夠不通過）混凝澄清和過濾（即三級(jí)出水），經(jīng)膜分離系統(tǒng)，即經(jīng)超濾（或微濾）+反滲透（或納濾）處理后，可作為都市景觀環(huán)境用水、冷卻水補(bǔ)充水、鍋爐補(bǔ)給水、工業(yè)工藝用水等水源。4．1中空纖維超濾膜技術(shù)特點(diǎn)超（微）濾膜在膜材料與組件結(jié)構(gòu)形式上具有多樣性，其水質(zhì)適用性也各有不同。以圖5所示的中空纖維超濾膜為例，膜絲為均勻且強(qiáng)度高的致密型海綿狀結(jié)構(gòu)的聚醚砜材料；在外徑225mm的殼體內(nèi)澆注成裝有13200根有效長度分為1.0m（40英寸）或1.5m（60英寸）的膜絲的組件；內(nèi)壓式運(yùn)行提高正沖、反洗效率；產(chǎn)水中心管的設(shè)計(jì)使產(chǎn)水流道均勻且無偏流；垂直并聯(lián)排列使系統(tǒng)布水平均、效率高。這些考慮使此超濾膜能夠?qū)崿F(xiàn)過濾方式與反洗等操作，因此對(duì)各類水質(zhì)的適用性專門高。在國內(nèi)用于市政污水、冶金污水、火電廠冷卻循環(huán)排污水等回用領(lǐng)域的項(xiàng)目已超過十個(gè)。圖5中空纖維超濾膜各種運(yùn)操作方式概況4．2超濾膜產(chǎn)水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)過濾方式通常地，截留分子量為15萬道爾頓的超濾膜，分離孔徑約為25nm，可有效去除微小顆粒、膠體、細(xì)菌和病毒等。此類超濾膜對(duì)>1μm的顆粒物的去除率為106，比傳統(tǒng)過濾器的過濾精度高。如圖6所示，某市政污水回用系統(tǒng)中，超濾進(jìn)水（二級(jí)排放污水）濁度為1.9-15NTU，產(chǎn)水濁度一直穩(wěn)定在0.1NTU以下，不隨進(jìn)水濁度變化而變化。圖6北京某污水回用裝置超濾進(jìn)、出水濁度值關(guān)于市政污水，超濾出水的SDI<2(圖7)，為反滲透系統(tǒng)提供了優(yōu)于彩傳統(tǒng)過濾方式為預(yù)處理的進(jìn)水水質(zhì)。圖7天津某污水回用裝置超濾出水SDI值4．3集成膜系統(tǒng)使污水實(shí)現(xiàn)再資源化超濾膜脫濁效果專門好，但關(guān)于水中的有機(jī)物脫除率不足20%，見表1。反滲透對(duì)無機(jī)鹽份、有機(jī)物、菌類的脫除率均專門高，出水水質(zhì)已接近純水標(biāo)準(zhǔn)。超濾與反滲透結(jié)合適用于對(duì)含鹽量要求較高的場合，如回用為鍋爐補(bǔ)給水或工藝用純水等；而超濾與納濾結(jié)合適用于都市景觀用水、灌溉用水或冷卻水補(bǔ)充水等方面。產(chǎn)水量：每個(gè)系列8000m3/d其中：Bedok4個(gè)系列(32,000m3/d)Kranji5個(gè)系列(40,000m3/d).每個(gè)系列的差不多設(shè)計(jì)：膜數(shù)量：511支LFC1設(shè)計(jì)水通量：10.4gfd(17.6l/m2/h)項(xiàng)目污水廠三級(jí)出水UF產(chǎn)水RO產(chǎn)水pH7.447.466.19色度（度）15150濁度（NTU）8．420．1/r/