超濾與反滲透在水處理中的應(yīng)用

  超濾與反滲透是水處理中的一種膜分離技術(shù)，稱為近年來(lái)國(guó)內(nèi)水處理行業(yè)應(yīng)用最成功、發(fā)展最快、普及最廣的一種技術(shù)。隨著膜技術(shù)的成熟及膜產(chǎn)品的不斷完善，超濾及反滲透技術(shù)不僅在純水制備領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，在海水淡化、污水處理及利用、工業(yè)廢水處理等方面得到廣泛的應(yīng)用，被食品、制藥、化工、電力等各行業(yè)廣泛接受。當(dāng)然在應(yīng)用的過(guò)程中，還存在一些各種各樣的問(wèn)題。湖北恒創(chuàng)環(huán)保根據(jù)多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)超濾與反滲透技術(shù)在水處理中的應(yīng)用，提出一些看法，以期與大家交流。

一、概述；

  水資源短缺和水污染已成為制約社會(huì)發(fā)展的世界性問(wèn)題，多方面進(jìn)行治理是解決水資源短缺問(wèn)題的重要方法。隨著人口的增加和工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)高質(zhì)量水的需求越來(lái)越多。超濾與反滲透是水處理中的一種膜分離技術(shù)，稱為近年來(lái)國(guó)內(nèi)水處理行業(yè)應(yīng)用最成功、發(fā)展最快、普及最廣的一種技術(shù)。隨著膜技術(shù)的成熟及膜產(chǎn)品的不斷完善，超濾及反滲透技術(shù)不僅在純水制備領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，在海水淡化、污水處理及利用、工業(yè)廢水處理等方面得到廣泛的應(yīng)用，被食品、制藥、化工、電力等各行業(yè)廣泛接受。

二、超濾與反透滲的原理；

1、超濾原理

  超濾是一種流體切向流動(dòng)和壓力驅(qū)動(dòng)的過(guò)濾過(guò)程，并按分子量大小來(lái)分離顆粒。超濾膜的孔徑大約在0.002-0.1微米范圍內(nèi)。溶解物質(zhì)和比膜孔徑小的物質(zhì)能作為透過(guò)液透過(guò)濾膜，不能透過(guò)濾膜的物質(zhì)被濃縮于排放液中。因此產(chǎn)水中含有水、溶解固體及小分子量物質(zhì)，而膠體、懸浮顆粒、高分子量有機(jī)物、細(xì)菌、病毒和原生動(dòng)物將被過(guò)濾去除。

  原水在進(jìn)入反滲透膜系統(tǒng)之前先進(jìn)行預(yù)處理，水質(zhì)達(dá)到要求后再經(jīng)加壓泵進(jìn)入膜組件。預(yù)處理方案的選擇主要依據(jù)是原水的水質(zhì)情況進(jìn)行選擇，現(xiàn)在一般采用超濾作為反滲透的預(yù)處理。超濾作為反滲透預(yù)處理具有以下優(yōu)點(diǎn)：

  膜過(guò)濾精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)過(guò)濾，可全部去除大于0.1μm的膠體和顆粒物；

  對(duì)懸浮顆粒、膠體、微生物、細(xì)菌、病毒的去除率近100%；

  對(duì)有機(jī)物的去除率達(dá)10~30%；

  受原水水質(zhì)波動(dòng)影響小，出水水質(zhì)穩(wěn)定；

  運(yùn)行壓力低，節(jié)能效果顯著；

  設(shè)備占地空間小，僅為傳統(tǒng)工藝的1/5~1/3，可全自動(dòng)運(yùn)行；

  預(yù)處理化學(xué)藥劑用量小，降低污染排放。

2、 反滲透原理

  反滲透亦稱逆滲透（RO），是用一定的壓力使溶液中的溶劑通過(guò)反滲透膜（或稱半透膜）分離出來(lái)。因?yàn)樗�和自然滲透的方向相反，故稱反滲透。根據(jù)各種物料的不同滲透壓，就可以使大于滲透壓的反滲透法達(dá)到分離、提取、純化和濃縮的目的。

  對(duì)于反滲透膜的脫鹽機(jī)理，目前有幾種不同看法。主要是“選擇吸附-毛細(xì)管流動(dòng)理論”和“篩分理論”，此外還有“氫鍵理論”以及“溶解擴(kuò)散理論”。現(xiàn)簡(jiǎn)述“選擇吸附-毛細(xì)管流動(dòng)理論”和“篩分理論”。當(dāng)含鹽的水溶液與多孔的半透膜表面接觸時(shí)，則在膜的溶液界面上選擇吸附一層水分子，在反滲透壓力的作用下，通過(guò)膜的毛細(xì)管作用流出純水，并連續(xù)地形成和流出這個(gè)界面純水層。該機(jī)理闡明在半透膜的表皮上布滿了許多極細(xì)的膜孔，在膜的表面選擇吸附了一層水分子，鹽類(lèi)溶質(zhì)則被排斥，化合價(jià)越高的離子被排斥的越遠(yuǎn)，膜孔周?chē)�的水分子在反滲透壓力的推動(dòng)下，通過(guò)膜孔流出純水，因而達(dá)到除鹽的目的。當(dāng)膜孔大于反滲透膜孔范圍時(shí)，鹽的水溶液就泄漏過(guò)膜，其中的一價(jià)鹽泄漏較多，二價(jià)鹽次之，三價(jià)鹽更次之。“篩分理論”認(rèn)為：膜表面具有無(wú)數(shù)微孔，正是這些實(shí)際存在的不同孔徑的孔眼象篩子一樣截留住分子直徑相應(yīng)大于它們的溶質(zhì)和顆粒，從而達(dá)到分離的目的。至于對(duì)于有機(jī)物的去除，純屬篩分機(jī)理。反滲透膜能濾除各種細(xì)菌，如最小的細(xì)菌之一綠膿桿菌；也能濾除各種病毒，還能濾除熱源。反滲透與超濾的分離理論尚在不斷的發(fā)展和完善之中。

  反滲透運(yùn)行關(guān)鍵有兩個(gè)，一是一個(gè)有選擇性的膜，我們稱之為半透膜，二是一定的壓力。在水中眾多種雜質(zhì)中,溶解性鹽類(lèi)是最難清除的。因此,經(jīng)常根據(jù)除鹽率的高低來(lái)確定反滲透的凈水效果。反滲透除鹽率的高低主要決定于反滲透半透膜的選擇性。目前，較高選擇性的反滲透膜元件除鹽率可以高達(dá)99.6%。反滲透設(shè)備系統(tǒng)除鹽率一般為95-99％，對(duì)二氧化硅的脫除率可高達(dá)99.5％。采用反滲透作為主要的脫鹽裝置，可以節(jié)省大量酸堿消耗，和運(yùn)行成本。

三、超濾及反滲透在水處理中的應(yīng)用；

  超濾及反滲透膜技術(shù)在給水及廢水處理方面都有廣泛應(yīng)用，結(jié)合本人近幾年來(lái)所設(shè)計(jì)幾個(gè)工程進(jìn)行說(shuō)明。

1、鍋爐用水

  鍋爐供水要求水中不能含有成垢物、固體物質(zhì)和有機(jī)含水物。反滲透可去除水中膠體雜質(zhì)、有機(jī)物和大部分溶解鹽類(lèi)。對(duì)于小型鍋爐僅用反滲透即可滿足要求，大型鍋爐則要求全脫鹽，此時(shí)可將反滲透與混床或EDI脫鹽裝置結(jié)合起來(lái)。如中煤能源黑龍江煤化工有限公司220噸/小時(shí)煤矸石循環(huán)流化床鍋爐擴(kuò)能改造項(xiàng)目的鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)，采用的工藝就是超濾+反滲透+混床。

2、工業(yè)工藝用水

  有些特殊行業(yè)的工業(yè)工藝用水，對(duì)水的含鹽量有極高要求。如成渝釩鈦科技有限公司釩資源綜合利用項(xiàng)目水處理中心除鹽水站工程，產(chǎn)品水用于威鋼新廠區(qū)煉鐵爐壁冷卻、中溫中壓及高溫高壓余熱爐窯所需的除鹽水。其項(xiàng)目對(duì)水質(zhì)要求很高，要求電導(dǎo)≤0.3μs/cm，采用的工藝流程為：超濾+一級(jí)反滲透+二級(jí)反滲透+EDI裝置。

3、飲用水處理

  傳統(tǒng)的飲用水處理大都采用混凝—沉淀—過(guò)濾氯消毒工藝。在這一傳統(tǒng)工藝中，混凝劑的用量大、最佳投量難以控制，且氯消毒還會(huì)產(chǎn)生致癌、致畸、致突變的三氯甲烷。為了對(duì)飲用水進(jìn)行深度處理，反滲透、超濾都得到了不同程度的應(yīng)用。采用以下處理工藝：自來(lái)水—砂濾—炭濾—超濾—保安過(guò)濾器—一級(jí)反滲透—二級(jí)反滲透—臭氧—精濾—灌裝。該工藝能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，出水透明度高，口感好，細(xì)菌控制安全穩(wěn)定。

4、中水回用

  中水主要是指城市污水或生產(chǎn)生活污水經(jīng)處理后達(dá)到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在一定范圍內(nèi)重復(fù)使用的非飲用雜用水。由于我國(guó)人均淡水資源嚴(yán)重匱乏，尤其是西部地區(qū)水資源更加稀少，中水回用水處理工藝具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著《中華人民共和國(guó)水污染防治法》的頒布，中水回用項(xiàng)目迅速增多，而超濾及反滲透技術(shù)在中水回用方面的應(yīng)用也越來(lái)越多。如新疆慶華煤化55億立方米/年煤制天然氣項(xiàng)目一期工程污水處理項(xiàng)目，污水處理后再經(jīng)過(guò)浸沒(méi)式超濾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了中水回用。

5、污水、廢水處理

  超濾技術(shù)在電泳涂漆水處理、含油廢水處理及城市污水的深度處理方面發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。通過(guò)超濾將漆水分離以回收漆，清水返回清洗水箱繼續(xù)使用，漆返回漆槽回收，這樣既提高了漆的利用率又減少污水處理費(fèi)用。采用超濾處理含油廢水時(shí)，不需要破乳直接將油水分離，超濾特別適用于高濃度乳化油的處理和回收。用超濾技術(shù)處理過(guò)濾后的城市污水，二級(jí)出水可進(jìn)一步降低水的濁度、色度及有機(jī)物。超濾出水可作為造紙用水、循環(huán)冷卻水等對(duì)水質(zhì)要求不太高的工業(yè)用水水源。將污水再利用不僅減輕環(huán)境污染，而且也是解決水資源短缺的有效方法。

四、超濾及反滲透常見(jiàn)問(wèn)題分析；

  超濾及反滲透雖然已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但存在一些各種各樣的問(wèn)題，現(xiàn)就幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析。

1、超濾運(yùn)行方式的選擇

  超濾按照運(yùn)行方式，可分為全流過(guò)濾和錯(cuò)流過(guò)濾。全流過(guò)濾指進(jìn)水進(jìn)入超濾膜組件，全部透過(guò)膜表面成為產(chǎn)水從超濾膜組件過(guò)濾液側(cè)流出。錯(cuò)流過(guò)濾指進(jìn)水進(jìn)入超濾膜組件，部分透過(guò)膜表面成為產(chǎn)水，另一部分則夾帶懸浮物等雜質(zhì)排出膜組件成為濃水。全流過(guò)濾能耗低、操作壓力低，因而運(yùn)行成本更低；而錯(cuò)流過(guò)濾則能處理懸浮物含量更高的進(jìn)水。本人認(rèn)為當(dāng)超濾進(jìn)水懸浮物、濁度和COD 低時(shí)，比如潔凈的地表水、井水、自來(lái)水等水源，或者超濾前設(shè)置有較嚴(yán)格的預(yù)處理，比如有混凝/澄清器、砂濾器以及多介質(zhì)過(guò)濾器等較差水質(zhì)的水源時(shí)，超濾可按照全流過(guò)濾模式操作。當(dāng)超濾進(jìn)水懸浮物、濁度較高時(shí)，比如污水或者污水回用處理應(yīng)用，超濾可按照錯(cuò)流過(guò)濾模式操作。

2、濃差極化現(xiàn)象

  溶液在膜的高壓側(cè)，由于水分子不斷透過(guò)膜，結(jié)果膜表面的溶質(zhì)或大分子物質(zhì)濃度不斷升高，產(chǎn)生膜表面與主體流的濃度差，并促使溶質(zhì)從膜表面向主體溶液反向擴(kuò)散，濃差極化。超濾的水通量比反滲透大，因而更容易產(chǎn)生濃差極化。此時(shí)，由于高分子和膠體物質(zhì)在膜表面截留形成一個(gè)凝膠層，阻力增大。一旦凝膠層生成，水通量就不隨壓力的增大而增大，其與進(jìn)水溶液濃度的對(duì)數(shù)直線關(guān)系減小。所以，為了防止凝膠的生成，必須定期對(duì)膜進(jìn)行清洗以恢復(fù)膜的高水通量。另外，改變膜面的水力條件(如錯(cuò)流、湍流)也有助于增大水通量。超濾可通過(guò)降低膜通量、反洗及加藥增強(qiáng)反洗來(lái)減弱濃差極化現(xiàn)象，反滲透可通過(guò)降低膜通量及停機(jī)低壓沖洗來(lái)減弱濃差極化現(xiàn)象。

五、結(jié)束語(yǔ)；

  當(dāng)前，膜分離技術(shù)已獲得巨大的進(jìn)展，反滲透與超濾膜技術(shù)在水處理過(guò)程中起著舉足輕重的作用，但它畢竟還是處于上升發(fā)展階段，將來(lái)反滲透與超濾膜技術(shù)將發(fā)揮更大的作用，非常值得大力的推廣與進(jìn)一步研究。

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