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超滤与反渗透在水处理中的应用

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  超滤与反渗透是水处理中的一种膜分离技术,称为近年来国内水处理行业应用最成功、发展最快、普及最广的一种技术。随着膜技术的成熟及膜产品的不断完善,超滤及反渗透技术不仅在纯水制备领域进行了广泛应用,在海水淡化、污水处理及利用、工业废水处理等方面得到广泛的应用,被食品、制药、化工、电力等各行业广泛接受。当然在应用的过程中,还存在一些各种各样的问题。湖北恒创环保根据多年行业经验,对超滤与反渗透技术在水处理中的应用,提出一些看法,以期与大家交流。

一、概述;

  水资源短缺和水污染已成为制约社会发展的世界性问题,多方面进行治理是解决水资源短缺问题的重要方法。随着人口的增加和工业经济的发展,人们对高质量水的需求越来越多。超滤与反渗透是水处理中的一种膜分离技术,称为近年来国内水处理行业应用最成功、发展最快、普及最广的一种技术。随着膜技术的成熟及膜产品的不断完善,超滤及反渗透技术不仅在纯水制备领域进行了广泛应用,在海水淡化、污水处理及利用、工业废水处理等方面得到广泛的应用,被食品、制药、化工、电力等各行业广泛接受。

二、超滤与反透渗的原理;

1、超滤原理

  超滤是一种流体切向流动和压力驱动的过滤过程,并按分子量大小来分离颗粒。超滤膜的孔径大约在0.002-0.1微米范围内。溶解物质和比膜孔径小的物质能作为透过液透过滤膜,不能透过滤膜的物质被浓缩于排放液中。因此产水中含有水、溶解固体及小分子量物质,而胶体、悬浮颗粒、高分子量有机物、细菌、病毒和原生动物将被过滤去除。

  原水在进入反渗透膜系统之前先进行预处理,水质达到要求后再经加压泵进入膜组件。预处理方案的选择主要依据是原水的水质情况进行选择,现在一般采用超滤作为反渗透的预处理。超滤作为反渗透预处理具有以下优点:

  膜过滤精度远高于传统过滤,可全部去除大于0.1μm的胶体和颗粒物;

  对悬浮颗粒、胶体、微生物、细菌、病毒的去除率近100%;

  对有机物的去除率达10~30%;

  受原水水质波动影响小,出水水质稳定;

  运行压力低,节能效果显著;

  设备占地空间小,仅为传统工艺的1/5~1/3,可全自动运行;

  预处理化学药剂用量小,降低污染排放。

2、 反渗透原理

  反渗透亦称逆渗透(RO),是用一定的压力使溶液中的溶剂通过反渗透膜(或称半透膜)分离出来。因为它和自然渗透的方向相反,故称反渗透。根据各种物料的不同渗透压,就可以使大于渗透压的反渗透法达到分离、提取、纯化和浓缩的目的。

  对于反渗透膜的脱盐机理,目前有几种不同看法。主要是“选择吸附-毛细管流动理论”和“筛分理论”,此外还有“氢键理论”以及“溶解扩散理论”。现简述“选择吸附-毛细管流动理论”和“筛分理论”。当含盐的水溶液与多孔的半透膜表面接触时,则在膜的溶液界面上选择吸附一层水分子,在反渗透压力的作用下,通过膜的毛细管作用流出纯水,并连续地形成和流出这个界面纯水层。该机理阐明在半透膜的表皮上布满了许多极细的膜孔,在膜的表面选择吸附了一层水分子,盐类溶质则被排斥,化合价越高的离子被排斥的越远,膜孔周围的水分子在反渗透压力的推动下,通过膜孔流出纯水,因而达到除盐的目的。当膜孔大于反渗透膜孔范围时,盐的水溶液就泄漏过膜,其中的一价盐泄漏较多,二价盐次之,三价盐更次之。“筛分理论”认为:膜表面具有无数微孔,正是这些实际存在的不同孔径的孔眼象筛子一样截留住分子直径相应大于它们的溶质和颗粒,从而达到分离的目的。至于对于有机物的去除,纯属筛分机理。反渗透膜能滤除各种细菌,如最小的细菌之一绿脓杆菌;也能滤除各种病毒,还能滤除热源。反渗透与超滤的分离理论尚在不断的发展和完善之中。

  反渗透运行关键有两个,一是一个有选择性的膜,我们称之为半透膜,二是一定的压力。在水中众多种杂质中,溶解性盐类是最难清除的。因此,经常根据除盐率的高低来确定反渗透的净水效果。反渗透除盐率的高低主要决定于反渗透半透膜的选择性。目前,较高选择性的反渗透膜元件除盐率可以高达99.6%。反渗透设备系统除盐率一般为95-99%,对二氧化硅的脱除率可高达99.5%。采用反渗透作为主要的脱盐装置,可以节省大量酸碱消耗,和运行成本。

三、超滤及反渗透在水处理中的应用;

  超滤及反渗透膜技术在给水及废水处理方面都有广泛应用,结合本人近几年来所设计几个工程进行说明。

1、锅炉用水

  锅炉供水要求水中不能含有成垢物、固体物质和有机含水物。反渗透可去除水中胶体杂质、有机物和大部分溶解盐类。对于小型锅炉仅用反渗透即可满足要求,大型锅炉则要求全脱盐,此时可将反渗透与混床或EDI脱盐装置结合起来。如中煤能源黑龙江煤化工有限公司220吨/小时煤矸石循环流化床锅炉扩能改造项目的锅炉补给水处理系统,采用的工艺就是超滤+反渗透+混床。

2、工业工艺用水

  有些特殊行业的工业工艺用水,对水的含盐量有极高要求。如成渝钒钛科技有限公司钒资源综合利用项目水处理中心除盐水站工程,产品水用于威钢新厂区炼铁炉壁冷却、中温中压及高温高压余热炉窑所需的除盐水。其项目对水质要求很高,要求电导≤0.3μs/cm,采用的工艺流程为:超滤+一级反渗透+二级反渗透+EDI装置。

3、饮用水处理

  传统的饮用水处理大都采用混凝—沉淀—过滤氯消毒工艺。在这一传统工艺中,混凝剂的用量大、最佳投量难以控制,且氯消毒还会产生致癌、致畸、致突变的三氯甲烷。为了对饮用水进行深度处理,反渗透、超滤都得到了不同程度的应用。采用以下处理工艺:自来水—砂滤—炭滤—超滤—保安过滤器—一级反渗透—二级反渗透—臭氧—精滤—灌装。该工艺能长期稳定运行,出水透明度高,口感好,细菌控制安全稳定。

4、中水回用

  中水主要是指城市污水或生产生活污水经处理后达到一定的水质标准,在一定范围内重复使用的非饮用杂用水。由于我国人均淡水资源严重匮乏,尤其是西部地区水资源更加稀少,中水回用水处理工艺具有广阔的应用前景。随着《中华人民共和国水污染防治法》的颁布,中水回用项目迅速增多,而超滤及反渗透技术在中水回用方面的应用也越来越多。如新疆庆华煤化55亿立方米/年煤制天然气项目一期工程污水处理项目,污水处理后再经过浸没式超滤系统,实现了中水回用。

5、污水、废水处理

  超滤技术在电泳涂漆水处理、含油废水处理及城市污水的深度处理方面发挥着越来越大的作用。通过超滤将漆水分离以回收漆,清水返回清洗水箱继续使用,漆返回漆槽回收,这样既提高了漆的利用率又减少污水处理费用。采用超滤处理含油废水时,不需要破乳直接将油水分离,超滤特别适用于高浓度乳化油的处理和回收。用超滤技术处理过滤后的城市污水,二级出水可进一步降低水的浊度、色度及有机物。超滤出水可作为造纸用水、循环冷却水等对水质要求不太高的工业用水水源。将污水再利用不仅减轻环境污染,而且也是解决水资源短缺的有效方法。

四、超滤及反渗透常见问题分析;

  超滤及反渗透虽然已经广泛应用,但存在一些各种各样的问题,现就几个常见问题进行分析。

1、超滤运行方式的选择

  超滤按照运行方式,可分为全流过滤和错流过滤。全流过滤指进水进入超滤膜组件,全部透过膜表面成为产水从超滤膜组件过滤液侧流出。错流过滤指进水进入超滤膜组件,部分透过膜表面成为产水,另一部分则夹带悬浮物等杂质排出膜组件成为浓水。全流过滤能耗低、操作压力低,因而运行成本更低;而错流过滤则能处理悬浮物含量更高的进水。本人认为当超滤进水悬浮物、浊度和COD 低时,比如洁净的地表水、井水、自来水等水源,或者超滤前设置有较严格的预处理,比如有混凝/澄清器、砂滤器以及多介质过滤器等较差水质的水源时,超滤可按照全流过滤模式操作。当超滤进水悬浮物、浊度较高时,比如污水或者污水回用处理应用,超滤可按照错流过滤模式操作。

2、浓差极化现象

  溶液在膜的高压侧,由于水分子不断透过膜,结果膜表面的溶质或大分子物质浓度不断升高,产生膜表面与主体流的浓度差,并促使溶质从膜表面向主体溶液反向扩散,浓差极化。超滤的水通量比反渗透大,因而更容易产生浓差极化。此时,由于高分子和胶体物质在膜表面截留形成一个凝胶层,阻力增大。一旦凝胶层生成,水通量就不随压力的增大而增大,其与进水溶液浓度的对数直线关系减小。所以,为了防止凝胶的生成,必须定期对膜进行清洗以恢复膜的高水通量。另外,改变膜面的水力条件(如错流、湍流)也有助于增大水通量。超滤可通过降低膜通量、反洗及加药增强反洗来减弱浓差极化现象,反渗透可通过降低膜通量及停机低压冲洗来减弱浓差极化现象。

五、结束语;

  当前,膜分离技术已获得巨大的进展,反渗透与超滤膜技术在水处理过程中起着举足轻重的作用,但它毕竟还是处于上升发展阶段,将来反渗透与超滤膜技术将发挥更大的作用,非常值得大力的推广与进一步研究。


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