陶瓷平板膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用研究
行業(yè)動(dòng)態(tài)
無機(jī)陶瓷膜經(jīng)過多年發(fā)展，在眾多領(lǐng)域已獲得了廣泛的應(yīng)用，成為膜領(lǐng)域發(fā)展較為迅速、較有發(fā)展前景的品種之一。無機(jī)膜多是以金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃等材料，通過化學(xué)、澆鑄和碾壓技術(shù)制造而成，能夠在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫等極端苛刻條件進(jìn)行分離，是一種應(yīng)用前景廣闊的高新水處理技術(shù)。目前，無機(jī)陶瓷膜中陶瓷平板膜以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高、操作方便、設(shè)備緊湊、無相變、節(jié)能等諸多優(yōu)勢(shì)，廣泛地應(yīng)用于水處理實(shí)際工程中，并取得良好的運(yùn)行效果。
1 陶瓷平板膜性質(zhì)及過濾機(jī)理
陶瓷平板膜是以無機(jī)陶瓷材料經(jīng)特殊工藝制備而成的板狀膜，其陶瓷部分的主要成分為三氧化二鋁，集水部分的主要成分為高分子聚乙烯。目前，平板陶瓷膜主要用于微濾，但也有用于超濾，孔徑一般為0.1～0.2μm。陶瓷平板膜過濾機(jī)理主要是篩分機(jī)理，膜的物理結(jié)構(gòu)起決定性作用。陶瓷平板膜的過濾方式為抽吸方式，在陶瓷平板膜的內(nèi)部設(shè)有豎狀的集水管，縱向兩端設(shè)有集水橫管，集水橫管口的一端與抽吸泵相連，在泵的抽吸作用下，膜池內(nèi)的污水從膜兩側(cè)的表面進(jìn)入，污水中的懸浮物質(zhì)、雜質(zhì)等污染物質(zhì)被陶瓷平板膜截留，過濾處理后水流經(jīng)集水豎管，在膜兩端的集水橫管匯總，由抽吸泵抽出，以達(dá)到分離效果。
2 陶瓷平板膜在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展
隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得陶瓷平板膜分離技術(shù)在液相分離中得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)階段該技術(shù)在含油廢水、飲用水處理、工業(yè)廢水、生活污水處理等方面應(yīng)用廣泛，并在實(shí)際的水處理工程中取得了良好的處理效果。
2.1 給水處理領(lǐng)域
近年來，以陶瓷平板膜過濾為核心的飲用水的深度處理工藝，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于微污染水源處理，并逐漸取代了有機(jī)膜的位置。微污染水源通常含有嗅味物質(zhì)、氨氮、有機(jī)物等物質(zhì)，傳統(tǒng)工藝經(jīng)常存在消毒副產(chǎn)物含量超標(biāo)等問題，難以滿足日益提高的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
張錫輝等以受到有機(jī)物和氨氮的復(fù)合污染的飲用水源作為處理對(duì)象，采用混凝-臭氧/陶瓷膜-活性炭池凈水工藝進(jìn)行中試研究，研究結(jié)果表明：系統(tǒng)處理出水穩(wěn)定，UV254的去除率為65%～95%，CODMn去除率為71%～98%，鹵乙酸生成勢(shì)的去除率高于85%，膜出水中每mL粒徑大于2μm的顆粒數(shù)小于10個(gè)，工藝出水水質(zhì)優(yōu)于國標(biāo)GB5749-2006的限值要求。同時(shí)，臭氧與陶瓷平板膜聯(lián)用，可以顯著降低膜污染，延長(zhǎng)膜的使用壽命。
范小江等以東江原水為研究對(duì)象，采用孔徑為60～70nm陶瓷平板膜進(jìn)行過濾處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：陶瓷平板膜的跨膜壓差隨膜滲透通量、原水濁度和原水有機(jī)物濃度的升高而增加，原水有機(jī)物濃度的影響大于濁度的影響。經(jīng)膜過濾后的出水濁度穩(wěn)定在0.1NTU以下，還能夠顯著去除水中分子量大于2000Da的有機(jī)物和病源微生物，提高了水體的微生物安全性。同時(shí)，除氨氮指標(biāo)外，其他各項(xiàng)指標(biāo)都可以達(dá)到 飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)中還采用不同藥劑對(duì)膜片進(jìn)行清洗時(shí)，發(fā)現(xiàn)NaOH溶液對(duì)膜片的清洗效果較佳，膜通量恢復(fù)率高。
蘇子杰、魏澤文等采用純氧曝氣/平板陶瓷膜與活性無煙煤過濾一體化集成工藝對(duì)微污染水源進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：純氧曝氣/陶瓷膜工藝能夠有效截留濁度、鐵離子、錳離子和二甲硫醚，以及部分顆粒態(tài)TOC，同時(shí)，活性無煙煤濾池利用生物作用能夠有效去除DOC、氨氮、土臭素和2-MIB；微污染水源經(jīng)過處理（操作條件：膜通量為100L/（㎡·h），純氧曝氣量為0.6L/H）后，水中濁度約為0.1NTU，氨氮含量為0.08mg/L，且無硝態(tài)氮積累。錳、鐵離子含量分別為0.027mg/L、0.009mg/L，且3種典型嗅味物質(zhì)的濃度均低于檢測(cè)限，提高了出水安全性。
2.2 生活污水及工業(yè)廢水處理領(lǐng)域
無機(jī)陶瓷平板膜能夠在多種苛刻的處理?xiàng)l件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，還可以與其他工藝聯(lián)合應(yīng)用獲得更好的處理效果。以陶瓷膜分離技術(shù)為核心的膜-生物反應(yīng)器（IMBR），綜合了傳統(tǒng)生物處理法與膜分離法的雙重優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化了處理效果。
瞿志晶、吳啟龍等以給水廠排泥水為研究對(duì)象，采用浸沒式平板陶瓷膜過濾工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，在曝氣量為150L/min時(shí)，陶瓷膜運(yùn)行效果較佳，在進(jìn)水濁度2000NTU情況下，經(jīng)陶瓷平板膜過濾處理后的出水濁度達(dá)到0.2NTU以下，能夠滿足回用水標(biāo)準(zhǔn)，且跨膜壓差增長(zhǎng)緩慢。趙海青、王敦球等采用陶瓷平板膜生物工藝（C-MBR）處理桂林某校園內(nèi)生活污水，試驗(yàn)結(jié)果表明，循環(huán)比對(duì)C-MBR工藝的運(yùn)行效果有重要的影響。在循環(huán)比為200%時(shí)，NH4+-N去除率83.49%。循環(huán)比為350%時(shí)，TN、TP的去除率分別可達(dá)24.99%、25.86%。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)循環(huán)比對(duì)出水COD沒有明顯影響，但對(duì)有機(jī)物的去除效果很好，出水COD能夠達(dá)到 一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。朱翠俠采用MBR平板膜進(jìn)行污水處理，結(jié)果顯示，經(jīng)MBR膜處理后污水處理費(fèi)用可降低3.51萬元，每年中水可節(jié)約用水4.38萬t。
重金屬廢水處理標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，與此同時(shí)對(duì)重金屬資源回收提出了更高的要求。武延坤、劉歡等采用新型陶瓷膜短流程工藝處理重金屬廢水，在pH為9.5，膜通量為80L/（㎡·h）的條件下，工藝運(yùn)行穩(wěn)定跨膜壓差增長(zhǎng)緩慢，膜過濾后的出水中Cr3+、Cu2+和Ni2+的質(zhì)量濃度上限值分別低于0.28mg/L、0.13mg/L和0.1mg/L，濁度低于0.5NTU，達(dá)到GB21900-2008嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，膜池中Cr3+、Cu2+和Ni2+的濃縮倍數(shù)分別可達(dá)92、80和42倍，可實(shí)現(xiàn)從濃液中回收重金屬的效果。
2.3 含油廢水處理領(lǐng)域
含油廢水具有難生物降解、易乳化等特點(diǎn)，用一般生化方法處理難以得到理想的處理效果。無機(jī)陶瓷平板膜可以將處于游離態(tài)和乳化態(tài)的含油廢水分離，同時(shí)可以避免有機(jī)膜處理含油廢水時(shí)膜體本身存在的易堵塞、易溶脹、難恢復(fù)等問題。張吉庫等以油田采油廢水為研究對(duì)象，建立一套以陶瓷平板膜為核心的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)油田采油廢水進(jìn)行處理，在曝氣量為1L/min，合適的反應(yīng)溫度為50℃，穩(wěn)定的膜通量為22.5L/（㎡·h）的條件下，裝置連續(xù)運(yùn)行6d，經(jīng)陶瓷平板膜過濾后的出水油含量＜1mg/L、SS含量＜1mg/L，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)于《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》（SY5329-94）中回注水水質(zhì)A1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。利用該工藝可以取代傳統(tǒng)采油廢水處理流程中的浮選、粗濾、精濾步驟。同時(shí)，膜片經(jīng)0.05mol/L HCl或HNO3溶液浸泡12h后，可使膜通量恢復(fù)至初始通量的96%以上。
常戶星等采用基于陶瓷平板微濾膜所開發(fā)的CMBR工藝對(duì)高濃度含油廢水進(jìn)行了可行性處理實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：CMBR工藝運(yùn)行穩(wěn)定，在控制COD有機(jī)負(fù)荷在1.5g/（L·d），進(jìn)水油類質(zhì)量濃度為1605.5mg/L時(shí)，COD去除率可達(dá)到97.4%，油類去除率可達(dá)到99.8%，出水完全能達(dá)到GB8978-1996中一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)所要求值，該工藝對(duì)含油廢水具有較好的處理效果。任鳳萍采用陶瓷膜超濾/生物接觸氧化/核殼過濾組合工藝對(duì)冷軋含油廢水進(jìn)行處理，同時(shí)通過與生活污水的聯(lián)合處理，提高廢水的可生化性，其出水水質(zhì)優(yōu)于鋼鐵工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB13456-92）的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)處理后的出水可回用于沖洗板框壓濾機(jī)的濾布、配制石灰乳、衛(wèi)生清掃以及高爐沖渣。同時(shí)，該工藝每年可處理回收水12104m3，回收廢油400t，回收污泥500t，每年還能夠產(chǎn)生約79萬元的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)資源化回用。
3 結(jié)語
無機(jī)陶瓷平板膜以獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)質(zhì)的性能廣泛地應(yīng)用于污水處理工程。實(shí)踐證明，陶瓷平板膜在處理?xiàng)l件苛刻的工業(yè)廢水體系方面完全可行，并具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在今后的研究中應(yīng)根據(jù)膜傳質(zhì)機(jī)理和膜污染堵塞機(jī)理，選擇適合的預(yù)處理工藝，提高膜分離體系的可行性和運(yùn)行穩(wěn)定性，這將有可能使得陶瓷平板膜應(yīng)用于更廣闊的水處理領(lǐng)域，具有更廣闊的發(fā)展前景。
