膜分離技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

時間：2006-11-14 來源： 作者：

自產(chǎn)業(yè)革命以來，以西方各國為主體的發(fā)達(dá)國家顯著加快了工業(yè)化的速度。其結(jié)果帶來了生活上的舒適與便利，但同時也引起了自然生態(tài)系統(tǒng)的破壞，地球溫度升高、臭氧層被破壞、廢棄物的激增等等都是明顯的實例。1992年在巴西舉行的世界環(huán)境首腦會議及通過的里約熱內(nèi)盧宣言表明了人類對環(huán)境保護(hù)的重視。作為具體行動，世界各國正大力推廣國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的ISO14000系列的企業(yè)環(huán)境管理認(rèn)證體系。歸根結(jié)底，環(huán)境污染是由于人類在活動時排出的各種物質(zhì)的質(zhì)和量超過自然界的自凈能力而產(chǎn)生的。因此，環(huán)境保護(hù)的最佳方法在于將排出的物質(zhì)回收并再利用，或恢得到自然界原有的存在形態(tài)。實際實施時，除生物、化學(xué)處理外，常采用減少容積，稀釋降濃等物理方法。不言而喻，目前仍存在大量的現(xiàn)實問題亟待解決。

　　眾所周知，膜分離技術(shù)是物質(zhì)分離技術(shù)中的一個單元操作。膜分離法的最大特點是驅(qū)動力主要為壓力，不伴隨需要大量熱能的變化。因而有節(jié)能、可連續(xù)操作、便于自動化等優(yōu)點，本文將介紹一些適用于環(huán)保領(lǐng)域的膜技術(shù)應(yīng)用實例。

　　1. 環(huán)境保護(hù)和膜的適用用途

　　環(huán)保的一個十分重要的內(nèi)容就是廢物（固體）、廢液（液體）及廢氣（氣體）處理，即將三廢物再利用，減少向周圍環(huán)境排出的數(shù)量或?qū)⑴欧盼锏挠泻ξ镔|(zhì)經(jīng)過分離、無害化處理后排放。表1中給出了典型的三廢物質(zhì)及膜分離技術(shù)的適用范圍。從表1中可以看出，因膜技術(shù)的處理對象為流體，故主要適用于廢水、廢液及廢氣的處理。圖1給出了分離膜的分類。根據(jù)待分離物質(zhì)的大小，依次可使用微濾、超濾、納濾、反滲透及氣體分離膜。需要說明的是，膜分離只具有物質(zhì)分離的功能，若構(gòu)成一個完整的環(huán)保處理系統(tǒng)，常常需要與其它處理技術(shù)組合使用。

表1 廢棄物形態(tài)及膜分離技術(shù)的適用性

圖1 分離膜的分類

　　2. 適用于廢水排放用途的膜分離技術(shù)

　　表2給出了各種廢水排放膜處理的應(yīng)用實例。排放水處理以往采用沉淀法、活性污泥法、蒸發(fā)法等，現(xiàn)在膜法或與上述方法配合使用，或者完全代替使用。使用膜法時，除得到膜透過液外，對于濃縮液有時可通過萃取方法提取有用物質(zhì)，而多數(shù)情況則是固化后燃燒處理。

表2 膜分離法用于廢水排放處理的應(yīng)用實例

2-1. 下水的高度處理

　　根據(jù)排放物質(zhì)的成分的不同，處理方式有所差異，但一般是將膜技術(shù)與絮凝劑沉降、加壓浮選和生物處理等技術(shù)配合起來使用。絮凝沉降時需根據(jù)水質(zhì)的變化控制絮凝劑的投入量。生物處理時的處理效果常受溫度、濃度等因素的影響，水質(zhì)較難保持穩(wěn)定。膜分離法作為不受水質(zhì)變動影響，且可去除可溶解成分的下水高度處理法已逐漸進(jìn)入實用化階段。日本第一套使用反滲透膜技術(shù)的大型實驗裝置于1993年-1995年在日本千葉縣花見川下水處理場完成了實際運轉(zhuǎn)實驗。該裝置的處理流程如圖2所示。該系統(tǒng)處理前后的水質(zhì)分析結(jié)果如表3所示。反滲透膜產(chǎn)出水（210m3/日）的水質(zhì)達(dá)到了自來水標(biāo)準(zhǔn)。反滲透裝置實現(xiàn)了自動連續(xù)運行。從下水變成上水的處理成本為37日元/米3（約為2.4元/米3）。

　　作為納濾（NF）膜與反滲透（RO）膜聯(lián)用的應(yīng)用實例可舉大阪下水道館的水處理裝置。該裝置將二次處理（生物處理水）后的下水用NF、RO膜再次處理，處理后的水用于展覽館大型水槽內(nèi)的熱帶魚飼養(yǎng)。該裝置的工藝流程如圖3所示。處理前后的水質(zhì)分析結(jié)果見表3。

表3 水質(zhì)分析結(jié)果（平均值）

　　2-2．膜技術(shù)與凈化槽技術(shù)的聯(lián)用

　　在日本，一些下水處理系統(tǒng)不完備或難于長距離向下水處理廠輸送的地區(qū)，生活廢水多依靠凈化槽進(jìn)行下水處理。安裝有浸漬平膜組件的膜分離型凈化槽的示意圖如圖4所示。在活性污泥曝氣槽內(nèi)浸入呈格柵形的平模組件，依靠透水側(cè)的負(fù)壓吸引，將因曝氣而形成的循環(huán)原水透過膜面而實現(xiàn)過濾。這種在活性污泥處理技術(shù)上附加的膜分離技術(shù)可控制活性污泥的濃度，提高生物反應(yīng)的效率，同時又可得到水質(zhì)穩(wěn)定的處理水5）。

　　日本厚生�。ㄐl(wèi)生福利部）正在主持可適用于家庭廁所、廚房及浴室排水處理的小型膜分離型凈化槽驗證實驗，并計劃于1998年實現(xiàn)大面積推廣。

表4 高度處理水質(zhì)

　　3. 適用于上水（飲用水）用途的膜分離技術(shù)

　　飲用水也日益受到環(huán)境污染的影響，江河水、地下水的污染多數(shù)是因為三廢物質(zhì)排放所引起的。特別是作為污染物質(zhì)，不僅是混濁物質(zhì)，還常伴隨有三鹵甲烷及農(nóng)藥等可溶解成分，以往的絮凝沉降、砂濾等方法不能除去可溶解成分，故還常需用活性炭吸附機臭氧氧化分解處理。

　　膜分離技術(shù)在飲用水方面的應(yīng)用主要集中在以下兩個方面：

　　1. 用微濾（MF）膜和超濾（UF）膜代替絮凝沉降和砂濾。此法可稱為簡易處理。膜法的優(yōu)點在于不使用絮凝劑等化學(xué)藥劑，在水質(zhì)波動較大時仍可自動連續(xù)處理，占地面積也小。

　　2. 用納濾（NF）膜或反滲透（RO）膜去除前述方法不可除去的三鹵甲烷、農(nóng)藥等可溶解性成分。此法可稱為深度處理。部分NF、RO膜對三鹵甲烷的脫除效果如表5所示。由于膜材質(zhì)及制造工藝不同，各種NF、RO膜對三鹵甲烷的脫除率有所不同。在美國已普遍將NF、RO膜技術(shù)用于地下水為水源的城市供水系統(tǒng)。例如在佛羅里達(dá)州，為了去除地下水中的三鹵甲烷，80年代就建成了日產(chǎn)水量為3.8萬立方米的NF、RO膜分離供水廠7）。膜裝置排出的濃縮水的處理也是技術(shù)難點之一，在美國多向海洋或江河下游排放或向地下深井滲透。

表5 RO膜對三鹵甲烷的脫除效果率評價結(jié)果

　　4.應(yīng)用于排氣的膜分離技術(shù)

　　大氣污染的主要原因有：促進(jìn)地球溫暖化的二氧化碳、引起酸性雨的燃燒氣體中的含硫成分、造成光化學(xué)污染的氮氣及有機蒸汽成分、造成大氣臭氧層破壞的氯氟碳（CFC）成分等等8）。關(guān)于這些氣體的排放基準(zhǔn)，世界各國都在制定相應(yīng)的規(guī)則和環(huán)境目標(biāo)。二氧化碳及二氧化硫分離膜仍未達(dá)到實用化階段9,10)。有機蒸氣分離，例如汽油蒸氣的回收分離膜已有應(yīng)用實例11）。有機蒸氣稱作揮發(fā)性有機化合物VOC(Volatile Organic Compounds)。VOC回收膜已被一些公司如日本的日東電工，美國的MTR、德國的GKSS所商品化。日本鋼管（NKK）公司開發(fā)的汽油蒸汽回收膜分離裝置的示意流程如圖5所示。含有汽油成分的混合氣體經(jīng)前置過濾器除涯后導(dǎo)入膜分離組件，在膜透氣側(cè)設(shè)有真空泵造成負(fù)壓，透過分離膜的VOC成分在吸收塔內(nèi)被汽油液體所吸收。

　　關(guān)于氟利昂及替代氟利昂的回收，在日本，有在聚合生產(chǎn)線貯槽上設(shè)置替代氟利昂的膜回收裝置，在歐美，有從涂膜工藝產(chǎn)生的HCFC-123氣體的回收裝置已進(jìn)入實用化階段。