陶瓷平板膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用研究
行業(yè)動態(tài)
無機陶瓷膜經(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。無機膜多是以金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃等材料，通過化學、澆鑄和碾壓技術(shù)制造而成，能夠在強酸、強堿、高溫等極端苛刻條件進行分離，是一種應(yīng)用前景廣闊的高新水處理技術(shù)。目前，無機陶瓷膜中陶瓷平板膜以其結(jié)構(gòu)簡單、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，廣泛地應(yīng)用于水處理實際工程中，并取得良好的運行效果。
1 陶瓷平板膜性質(zhì)及過濾機理
陶瓷平板膜是以無機陶瓷材料經(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。陶瓷平板膜過濾機理主要是篩分機理，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，以達到分離效果。
2 陶瓷平板膜在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用進展
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，并逐漸取代了有機膜的位置。微污染水源通常含有嗅味物質(zhì)、氨氮、有機物等物質(zhì)，傳統(tǒng)工藝經(jīng)常存在消毒副產(chǎn)物含量超標等問題，難以滿足日益提高的水質(zhì)標準。
張錫輝等以受到有機物和氨氮的復(fù)合污染的飲用水源作為處理對象，采用混凝-臭氧/陶瓷膜-活性炭池凈水工藝進行中試研究，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，工藝出水水質(zhì)優(yōu)于國標GB5749-2006的限值要求。同時，臭氧與陶瓷平板膜聯(lián)用，可以顯著降低膜污染，延長膜的使用壽命。
范小江等以東江原水為研究對象，采用孔徑為60～70nm陶瓷平板膜進行過濾處理，實驗結(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物濃度的升高而增加，原水有機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的有機物和病源微生物，提高了水體的微生物安全性。同時，除氨氮指標外，其他各項指標都可以達到 飲用水水質(zhì)標準要求。試驗中還采用不同藥劑對膜片進行清洗時，發(fā)現(xiàn)NaOH溶液對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微污染水源進行試驗研究。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，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
無機陶瓷平板膜能夠在多種苛刻的處理條件下長期穩(wěn)定運行，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，強化了處理效果。
瞿志晶、吳啟龍等以給水廠排泥水為研究對象，采用浸沒式平板陶瓷膜過濾工藝進行試驗研究，研究結(jié)果表明，在曝氣量為150L/min時，陶瓷膜運行效果較佳，在進水濁度2000NTU情況下，經(jīng)陶瓷平板膜過濾處理后的出水濁度達到0.2NTU以下，能夠滿足回用水標準，且跨膜壓差增長緩慢。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，試驗結(jié)果表明，循環(huán)比對C-MBR工藝的運行效果有重要的影響。在循環(huán)比為200%時，NH4+-N去除率83.49%。循環(huán)比為350%時，TN、TP的去除率分別可達24.99%、25.86%。同時還發(fā)現(xiàn)循環(huán)比對出水COD沒有明顯影響，但對有機物的去除效果很好，出水COD能夠達到 一級A排放標準。朱翠俠采用MBR平板膜進行污水處理，結(jié)果顯示，經(jīng)MBR膜處理后污水處理費用可降低3.51萬元，每年中水可節(jié)約用水4.38萬t。
重金屬廢水處理標準日益嚴格，與此同時對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，工藝運行穩(wěn)定跨膜壓差增長緩慢，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，達到GB21900-2008嚴格的標準。同時，膜池中Cr3+、Cu2+和Ni2+的濃縮倍數(shù)分別可達92、80和42倍，可實現(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，用一般生化方法處理難以得到理想的處理效果。無機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，同時可以避免有機膜處理含油廢水時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象，建立一套以陶瓷平板膜為核心的實驗裝置對油田采油廢水進行處理，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)標準優(yōu)于《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標及分析方法》（SY5329-94）中回注水水質(zhì)A1級標準。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，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工藝對高濃度含油廢水進行了可行性處理實驗研究。研究結(jié)果表明：CMBR工藝運行穩(wěn)定，在控制COD有機負荷在1.5g/（L·d），進水油類質(zhì)量濃度為1605.5mg/L時，COD去除率可達到97.4%，油類去除率可達到99.8%，出水完全能達到GB8978-1996中一級排放標準所要求值，該工藝對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冷軋含油廢水進行處理，同時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)水污染物排放標準（GB13456-92）的一級標準，經(jīng)處理后的出水可回用于沖洗板框壓濾機的濾布、配制石灰乳、衛(wèi)生清掃以及高爐沖渣。同時，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)濟效益，實現(xiàn)資源化回用。
3 結(jié)語
無機陶瓷平板膜以獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)質(zhì)的性能廣泛地應(yīng)用于污水處理工程。實踐證明，陶瓷平板膜在處理條件苛刻的工業(yè)廢水體系方面完全可行，并具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。同時，在今后的研究中應(yīng)根據(jù)膜傳質(zhì)機理和膜污染堵塞機理，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。
