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環(huán)境工程水處理中超濾膜技術(shù)的應(yīng)用探討

2023-01-06 11:57李惠林
皮革制作與環(huán)保科技 2022年11期
關(guān)鍵詞:超濾膜反滲透廢水處理

李惠林

(浙江致遠(yuǎn)環(huán)境科技有限公司,浙江 嘉興 314000)

污水廢水會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞,威脅人的生命健康,因此,相關(guān)企業(yè)必須要重視環(huán)境工程水處理工作。如果污水中物質(zhì)大小在0.001~0.02 μm之間,或者物質(zhì)的分子量處于500~50 000 Da之間,可以利用先進(jìn)的超濾膜技術(shù),截流和分離這些物質(zhì),雜質(zhì)去除率高達(dá)99.99%,在飲用水處理中運(yùn)用該技術(shù),能夠提高飲用水的純凈度,保證居民的健康和安全。

1 超濾膜技術(shù)分析

1.1 超濾膜技術(shù)原理

超濾膜技術(shù)最重要的組成部分就是高分子超濾膜,超濾膜可以過(guò)濾掉水中粒徑較大的懸浮顆粒及體積較大的高分子膠體。超濾膜孔徑在1 nm~100 nm之間,超濾裝置運(yùn)行時(shí),內(nèi)部的壓力差在100~1 000 kPa之間,圖1為超濾膜過(guò)濾的過(guò)程。超濾膜除了能分離膠體和顆粒物,還能分離出細(xì)菌病毒和微生物。超濾膜技術(shù)需要在高壓環(huán)境下使用,高壓環(huán)境可以使水流具有更大的沖擊力,使分子量較低的水分子順利穿過(guò)超濾膜,高分子量的溶質(zhì)會(huì)被超濾膜阻擋,達(dá)到分離和凈化的目的。

1.2 超濾膜技術(shù)優(yōu)勢(shì)

超濾膜技術(shù)有著明顯的特點(diǎn)和較大的優(yōu)勢(shì),該技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)和穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),能夠在高溫環(huán)境中完成處理,最高溫度能夠達(dá)到140 ℃,處理過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)其他化學(xué)物質(zhì),能夠避免二次污染。該技術(shù)還具有經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn),超濾膜裝置的占地面積較小,整體投資成本比較低,能夠滿(mǎn)足各個(gè)領(lǐng)域水處理的要求,起到了降本增效的作用。該技術(shù)還具有安全性的優(yōu)點(diǎn),能夠有效濾除水體中的懸浮物、膠體等物質(zhì)。

1.3 超濾膜技術(shù)分類(lèi)

超濾膜技術(shù)包括:(1)雙膜凈水處理技術(shù),采用雙層濾膜,能夠解決水硬度問(wèn)題,且凈化效率相對(duì)較高,可應(yīng)用于很多領(lǐng)域,海水淡化一般會(huì)使用雙層凈水工藝。該技術(shù)運(yùn)用反滲透技術(shù)、納濾凈化技術(shù)和超濾凈水技術(shù),凈化完成后,可以把水體輸送到清水池中,實(shí)現(xiàn)水資源的二次利用。(2)超濾凈水處理技術(shù),融合了多種水處理技術(shù),自來(lái)水廠一般使用該技術(shù)。超濾凈水處理裝置占用空間不大,處理過(guò)程比較簡(jiǎn)單,在原水凈化中具有較大優(yōu)勢(shì)。(3)短流程凈水處理技術(shù),該技術(shù)對(duì)水源品質(zhì)有一定要求,在原水凈化中呈現(xiàn)出較好效果。

2 環(huán)境工程水處理運(yùn)用超濾膜技術(shù)的要點(diǎn)

2.1 居民飲用水處理

飲用水關(guān)系著居民的健康,如果飲用水中的有毒有害物質(zhì)沒(méi)有凈化干凈,將會(huì)威脅居民的生命健康,所以,一定要保證飲用水處理能夠消除水體中的泥沙、微生物、懸浮物、細(xì)菌病菌、金屬物質(zhì)等。飲用水凈化可以采用超濾膜技術(shù),該技術(shù)具有較好的處理效果,能夠徹底濾除水體中的病菌等物質(zhì)。在某項(xiàng)飲用水凈化實(shí)驗(yàn)中,在預(yù)處理環(huán)節(jié)采用了混凝沉淀的方式,運(yùn)用浸沒(méi)式超濾膜技術(shù),水體主要來(lái)源于東江水,未處理前,水體中存在各種各樣的有害物質(zhì),如重金屬物質(zhì)和氨氮元素,還有不同種類(lèi)的有害微生物,采用超濾膜技術(shù)可濾除這些物質(zhì),降低水體中有害物質(zhì)的含量,呈現(xiàn)出良好的凈化效果。應(yīng)用超濾膜技術(shù)進(jìn)行凈化的同時(shí),可以安裝混凝沉淀裝置,利用該裝置減少病原微生物,并與CSAA污水處理工藝共同發(fā)揮作用,最大程度減少水體中的氨氮含量,將氨氮含量控制在0.2 mg/L以下,確保飲用水的質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)定。超濾膜結(jié)構(gòu)是整個(gè)超濾系統(tǒng)的關(guān)鍵,超濾膜能夠被重復(fù)使用,大大降低了污水凈化處理的成本。利用超濾膜技術(shù)凈化污水時(shí),需要在管道中安裝超濾膜,當(dāng)管道處于供水狀態(tài)時(shí),超濾膜兩側(cè)的壓力并不相同,在壓力差的作用下,水體中顆粒較大的物質(zhì)就不能穿過(guò)超濾膜,而微量元素和礦物質(zhì)的體量較小,能夠順利穿過(guò)超濾膜。長(zhǎng)期使用超濾膜進(jìn)行過(guò)濾和凈化時(shí),管道中會(huì)殘留較多的物質(zhì),需要定期清理雜物,避免管道內(nèi)部堵塞,如果水體內(nèi)的污染物質(zhì)較多,殘留物質(zhì)也會(huì)增多,因此要縮短清理周期,保持管道內(nèi)供水通暢[1]。

2.2 海水淡化處理

我國(guó)具有豐富的海水資源,地球上大部分水資源都屬于海水,占全部水資源的97.2%,如果把海水中的鹽分過(guò)濾掉,海水資源就會(huì)變成淡水資源。處理后的淡水資源能夠作為生產(chǎn)生活用水,有效解決了水資源短缺問(wèn)題。海水中存在各種各樣的物質(zhì),成分十分復(fù)雜,除了鹽分,水體中還有金屬離子和各種微量元素。海水淡化技術(shù)是環(huán)境工程水處理工作的主要內(nèi)容,科研人員研發(fā)的反滲透技術(shù),能夠成功淡化海水,但應(yīng)用成本較高,且實(shí)際水資源利用率并沒(méi)有達(dá)到既定目標(biāo)。利用該方法處理海水,也會(huì)浪費(fèi)較多水資源,導(dǎo)致水資源總量減少。經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力,研發(fā)出超濾膜技術(shù),該技術(shù)具有良好的過(guò)濾效果和分離效果,可以把海水中的鹽分和微生物等物質(zhì)過(guò)濾出來(lái),使海水中的鹽堿量降低。在利用該技術(shù)處理渾濁度和污染度較高的海水時(shí),可以與反滲透技術(shù)結(jié)合使用,發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì),保證海水淡化處理的質(zhì)量[2]。

2.3 電鍍廢水處理

電鍍行業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)經(jīng)常要進(jìn)行洗刷,要想徹底洗刷干凈,就需要使用大量水資源,洗刷后的水體中含有沖刷下來(lái)的物質(zhì),所以電鍍行業(yè)污廢水中的重金屬含量非常高,如果能夠?qū)㈦婂儚U水中的重金屬和其他有害物質(zhì)濾除干凈,就能夠?qū)﹄婂儚U水進(jìn)行二次利用。電鍍行業(yè)在處理廢水時(shí),一般會(huì)使用超濾膜技術(shù),同時(shí)還會(huì)使用反滲透技術(shù),這兩種技術(shù)結(jié)合使用能夠進(jìn)一步提高水處理質(zhì)量。處理電鍍廢水時(shí),要讓廢水進(jìn)入反滲透單元,在壓力作用下,水體中的水離子會(huì)向相反方向運(yùn)動(dòng)。利用超濾設(shè)備進(jìn)行過(guò)濾,將電鍍廢水中顆粒較大的物質(zhì)過(guò)濾掉,如大分子有機(jī)物、較大的雜質(zhì)和膠狀物等,超濾設(shè)備能夠?yàn)榉礉B透單元提供幫助,增強(qiáng)設(shè)備的耐用性[3]。

2.4 電廠鍋爐補(bǔ)給水處理

我國(guó)發(fā)電是以熱力發(fā)電為主,熱力發(fā)電要用鍋爐燒水,水溫達(dá)到一定高度后,發(fā)電機(jī)組就開(kāi)始運(yùn)行,將熱能轉(zhuǎn)化成電能。在整個(gè)發(fā)電工程中,水是非常重要的媒介,水體的成分和各成分的含量會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生較大影響,如果水體中存在較多碳酸鹽,在高溫環(huán)境下,鍋爐內(nèi)壁將會(huì)結(jié)垢,這不僅會(huì)降低傳熱效率,水體中的有害物質(zhì)還會(huì)腐蝕管道,無(wú)法保證鍋爐運(yùn)行效果,結(jié)垢腐蝕會(huì)縮短鍋爐的使用壽命,降低鍋爐的耐用性,還有可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。所以,必須要重視鍋爐補(bǔ)給水的處理工作。在供水之前,先對(duì)水體進(jìn)行凈化,再將處理后的水輸送到鍋爐中,以減少結(jié)垢腐蝕等問(wèn)題,提高加熱效率,降低生產(chǎn)成本,保證熱力發(fā)電安全。超濾膜技術(shù)能夠過(guò)濾掉水體中的鹽類(lèi)物質(zhì),避免鹽類(lèi)物質(zhì)結(jié)垢和腐蝕管道,避免鍋爐設(shè)備的質(zhì)量性能受到影響。在實(shí)際運(yùn)用超濾膜技術(shù)時(shí),要使用石灰,在石灰材料的作用下,水體會(huì)轉(zhuǎn)變成中水,中水穿過(guò)過(guò)濾裝置后,會(huì)過(guò)濾掉一部分有害物質(zhì),水體繼續(xù)進(jìn)入超濾器,在超濾膜的透過(guò)作用和反滲透膜的反滲透作用下,能夠有效濾除水體中的有毒有害物質(zhì)。超濾膜技術(shù)不僅可以將膠狀物質(zhì)和雜質(zhì)濾除出去,還可以將鹽類(lèi)物質(zhì)濾除干凈,鹽類(lèi)物質(zhì)越少,結(jié)垢的情況越少,鍋爐補(bǔ)給水越純凈,發(fā)電效率越高。

2.5 食品污水和含油廢水處理

食品企業(yè)在生產(chǎn)加工時(shí),會(huì)形成大量的污水廢水,且水體中存在著較多的懸浮物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì),必須要按照排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排放,如果沒(méi)有進(jìn)行處理直接排放到自然環(huán)境中,將會(huì)污染當(dāng)?shù)氐乃矗顾w產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化和缺氧情況,嚴(yán)重影響生物多樣性和生態(tài)平衡。超濾膜技術(shù)能夠?qū)κ称飞a(chǎn)過(guò)程中的污水廢水進(jìn)行處理,消除污廢水中的有害物質(zhì),消除水體中的細(xì)菌,分離各種雜質(zhì),使處理后的水能夠被回收利用。另外,處理和凈化后的含油廢水可以再利用。含油廢水主要有三種狀態(tài),分別是乳化狀態(tài)、漂浮狀態(tài)和分散狀態(tài),漂浮和分散狀態(tài)中的含油廢水處理難度較低,可以直接用機(jī)械分離,也可以使用活性炭進(jìn)行吸附,還可以采用凝聚沉淀的方式,這幾種方法都能夠減少?gòu)U水中的油。乳化狀態(tài)含油廢水的處理難度較大,如果油脂已經(jīng)處于乳化狀態(tài),油內(nèi)部的有機(jī)物就會(huì)變得難以清理,常用的物理手段或化學(xué)手段都無(wú)法徹底清理干凈,而超濾膜技術(shù)能夠很好地凈化這些物質(zhì),因?yàn)橹挥兴肿幽茼樌┻^(guò)半透膜,從而將乳化狀態(tài)的油隔離在半透膜的另一邊,并對(duì)含油廢水可以進(jìn)行二次利用[4]。

2.6 造紙廢水處理

造紙企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中需要大量的水資源,產(chǎn)生廢水的量也非常大。由于國(guó)家對(duì)污水廢水的排放有明確規(guī)定,所以造紙企業(yè)必須要處理大量廢水,水質(zhì)達(dá)標(biāo)后才能排放。傳統(tǒng)的污廢水處理工藝成本較高,而超濾膜技術(shù)具有低成本的優(yōu)勢(shì),企業(yè)能夠以較低的成本對(duì)大量的污廢水進(jìn)行處理。超濾膜技術(shù)在造紙企業(yè)的應(yīng)用具有較大的價(jià)值,在對(duì)廢水過(guò)濾過(guò)程中,可以自動(dòng)濃縮造紙?jiān)瓭{,并通過(guò)添加適量的漂白粉實(shí)現(xiàn)二次利用。使用超濾膜技術(shù)時(shí),要考慮造紙工藝的特點(diǎn)和廢水處理的要求,并根據(jù)廢水的具體情況和處理要求選擇適合的超濾膜材料。在處理造紙廢水時(shí),可以使用PES200膜,該材料的過(guò)濾度在98%以上,與之相比,無(wú)機(jī)陶瓷膜的過(guò)濾度僅在30%~48%之間,所以,可以在造紙廠的廢水處理中使用PES200膜。

2.7 化工廢水處理

化工廢水的成分十分復(fù)雜,對(duì)環(huán)境的危害也非常大,如果處理不徹底,沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)就直接排放,將會(huì)污染當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境,還有可能危害人們的健康?;U水存在鍍離子,鍍離子的吸附性較差,很難將鍍離子從工業(yè)廢水中分離出去,如果采用電解處理方法,將會(huì)增加用電成本。而超濾膜技術(shù)能夠有效處理工業(yè)廢水中的各種雜質(zhì),且過(guò)濾效果非常好,成本也比較低,同時(shí)能使處理后的工業(yè)廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),甚至能夠滿(mǎn)足二次利用的要求。化工污水廢水中存在較多的氧化物,超濾膜技術(shù)能夠過(guò)濾掉90%以上的有害物質(zhì)和大顆粒污染物,且超濾膜上存在具有吸附作用的活性劑,能夠進(jìn)一步吸附化工污廢水中的污染物質(zhì),由于增壓篩孔的孔徑非常小,僅有0.1 μm,因而能夠有效處理化工污廢水,實(shí)現(xiàn)回收水的再利用[5]。

2.8 生活廢水處理

居民在生活中需要使用水資源,生活用水的消耗量非常大,使用后會(huì)形成大量的生活廢水,對(duì)生活廢水進(jìn)行處理和再利用有利于節(jié)約水資源。使用洗滌劑會(huì)污染水體,垃圾和糞便也會(huì)污染水體,生活廢水中含有大量的氮磷元素和硫元素,將城市污水和生活廢水直接排放,會(huì)對(duì)城市環(huán)境產(chǎn)生影響,致病微生物和致病菌會(huì)通過(guò)生活廢水和城市污水傳播,可利用超濾膜技術(shù)對(duì)生活污水廢水進(jìn)行處理。廢水經(jīng)超濾膜裝置凈化后,可作為消防用水或灌溉植被。在污染比較嚴(yán)重的情況下,可以將超濾膜技術(shù)和其他廢水處理技術(shù)結(jié)合使用,在用超濾膜裝置處理之前,需使用活性炭對(duì)生活污廢水進(jìn)行預(yù)處理,活性炭的種類(lèi)較多,可以選擇微濾活性炭,也可以使用粒狀活性炭,經(jīng)過(guò)初步吸附處理后,再用超濾膜裝置處理生活污水廢水。超濾膜能夠阻止有機(jī)物的通過(guò),所以在超濾膜裝置中可以搭配使用膜生物反應(yīng)器,在生活污水廢水處理中使用活性污泥超濾耦合設(shè)備,可以減少生活污廢水中COD的含量,利用該方法進(jìn)行凈化,能夠去除95%以上的有害物質(zhì)[6]。

3 超濾膜技術(shù)在環(huán)境工程水處理中運(yùn)用的案例分析

3.1 工程概況

某發(fā)電廠的鍋爐補(bǔ)水主要是黃河水,在一期工程中,水處理工藝需要使用多個(gè)裝置,有離子交換器、反滲透裝置和過(guò)濾器,過(guò)濾器主要包括多介質(zhì)和活性炭?jī)煞N類(lèi)型。在二期工程中,決定在水處理工藝中使用超濾裝置,不再使用活性炭過(guò)濾器。水處理系統(tǒng)主要包含多介質(zhì)過(guò)濾器、超濾裝置、反滲透裝置、離子交換器。從投入使用到第15月的時(shí)間段內(nèi),使用聚氯乙烯(PVC)超濾膜,外徑為1 mm,內(nèi)徑為1.5 mm;第16月到第57月的時(shí)間段內(nèi),使用改性聚砜(mPS)超濾膜,前后兩個(gè)時(shí)間段的截留分子量分別為80 000 Da 和45 000 Da 。

3.2 工藝流程和設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)超濾系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì):系統(tǒng)占地46.2 m2,主要包含6個(gè)單元,通過(guò)母管采用并聯(lián)方式連接,計(jì)劃每日的處理量為10 080 t。超濾系統(tǒng)中共有84個(gè)超濾膜組件,平均通水量是125 L/(m2·h),系統(tǒng)啟動(dòng)后,瞬時(shí)通量是135 L/(m2·h);對(duì)系統(tǒng)的反洗工作進(jìn)行設(shè)計(jì),反洗時(shí)需要添加次氯酸鈉,該材料具有殺菌作用,每次反洗的間隔時(shí)間為60 min;對(duì)系統(tǒng)的錯(cuò)流濃水流進(jìn)行設(shè)計(jì),將流量參數(shù)設(shè)置為20 mm3/h,如果該水流準(zhǔn)備進(jìn)入給水泵,就要按照1.7 mm3/h的流量進(jìn)行排放,該系統(tǒng)的水利用率能夠達(dá)到97.7%。在膜污染的處理中,將化學(xué)藥洗的時(shí)間設(shè)定為180天,可徹底清除生物和膠體帶來(lái)的污染。

3.3 優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)

在超濾系統(tǒng)投入使用后,前36月的系統(tǒng)一直保持著穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài),化學(xué)藥洗周期不低于6個(gè)月,運(yùn)行通量始終保持為125 L/(m2·h),跨膜壓差處于0.06~0.08 MPa之間。由于熱電系統(tǒng)突然面臨增容和超濾供水壓力變低的情況,所以工作人員對(duì)出水量和跨膜壓差進(jìn)行了調(diào)整,將通量降低為65 L/(m2·h),將跨膜壓差降低為0.03~0.04 MPa,以保證超濾系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在調(diào)整過(guò)程中,把所有的錯(cuò)流濃水回用,將水利用率提高到了98.3%。在對(duì)反洗周期進(jìn)行優(yōu)化時(shí),要分析單套濾膜組件跨膜壓差(TMP)在反洗前后的變化情況,在不改變產(chǎn)水量的情況下,要保證跨膜壓差的變化量不高于5%。反洗周期的優(yōu)化設(shè)計(jì)參考了產(chǎn)量,每產(chǎn)水360 mm3(需要100 min左右),就要進(jìn)行一次反洗,經(jīng)過(guò)優(yōu)化后,水利用率增加了0.3%。對(duì)超濾系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn),在完整性檢驗(yàn)中,給水閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài),產(chǎn)水閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài),將壓縮空氣輸入給水系統(tǒng),氣壓值為0.1 MPa時(shí),將氣閥關(guān)閉,對(duì)氣壓進(jìn)行記錄。如果2 min內(nèi),氣壓損失在5%以上,就要開(kāi)展完整性檢驗(yàn),按照每周一次的頻率進(jìn)行檢驗(yàn),工作人員還可以每天測(cè)量產(chǎn)水的SDI值,并根據(jù)該數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的完整性。

3.4 運(yùn)行結(jié)果分析

超濾膜材料和超濾膜組件結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)超濾系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響。在各個(gè)參數(shù)條件都相同的情況下,對(duì)比兩種不同的超濾膜材料,其性能和使用壽命有很大差異。最初使用的是聚氯乙烯(PVC)超濾膜,雖然前期效果較好,但是使用6個(gè)月之后,產(chǎn)生了嚴(yán)重的“斷絲”問(wèn)題,受到“膜破損”的影響,超濾膜的組件已經(jīng)不再具備完整性,只能更換新的超濾膜,但是新的超濾膜使用3個(gè)月后出現(xiàn)了同樣的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)討論,將超濾膜材料換成改性聚砜(mPS)超濾膜材料,更換超濾膜材料之后,系統(tǒng)沒(méi)有再出現(xiàn)類(lèi)似的問(wèn)題,而且各方面的情況也滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。雖然新材料的成本相對(duì)較高,但是其使用壽命較長(zhǎng),各方面性能良好,能夠有效保護(hù)膜絲。

在反滲透預(yù)處理環(huán)節(jié),要重點(diǎn)關(guān)注污染指數(shù)值(SDI),該數(shù)據(jù)能夠反映出水體內(nèi)部膠體和懸浮物的總量,如果污染指數(shù)值較低,說(shuō)明微生物被有效濾除,如果出現(xiàn)斷絲問(wèn)題,污染指數(shù)值會(huì)快速升高。對(duì)兩種超濾膜組件進(jìn)行比較,PVC超濾膜組件前3個(gè)月的污染指數(shù)值處于1.3~2的范圍內(nèi),使用6個(gè)月時(shí),污染指數(shù)值高達(dá)4.2,出現(xiàn)了膜破損的情況。而mPS超濾膜組件的污染指數(shù)值一直處于0.5~0.9范圍內(nèi),說(shuō)明mPS超濾膜組件具備更好的性能。在飲用水處理中,最關(guān)鍵的就是減少水體中的懸浮物,濾除水體中的致病微生物,超濾膜的作用就在于此,如果發(fā)生膜破損和斷絲的情況,超濾膜就無(wú)法發(fā)揮作用,所以,一定要重視超濾膜材料的性能,合理選擇超濾膜材料。

4 結(jié)論

綜上所述,超濾膜技術(shù)能夠在各個(gè)領(lǐng)域的水處理工作中發(fā)揮作用,且與其他水處理技術(shù)相比,超濾膜技術(shù)的成本更低,凈化效率較高、處理效果較好,能夠?qū)⑽鬯畯U水中的有毒有害物質(zhì)過(guò)濾掉。如果將超濾膜技術(shù)和其他技術(shù)搭配使用,可以進(jìn)一步提高水處理質(zhì)量。但在運(yùn)用該技術(shù)時(shí),要重視超濾膜材料的類(lèi)型和性能,并根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的超濾膜。

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