反渗透水处理技术及其应用许江涛

河南科技2009.10上ECO－ENVIRONMENT生态环境膜分离技术是近30多年来发展起来的高新技术，是多学科交叉的产物。目前，已广泛有效地应用于石油化工、生化制药、医疗卫生、冶金、电子、能源、轻工、纺织、食品、环保、航天、海运、人民生活等领域，形成了独立的新兴技术产业。在当今世界能源短缺、水荒和环境污染日益严重的情况下，膜分离技术得到世界各国的普遍重视，我国在“六五”、“七五”、“八五”、“九五”以及863、973计划中均将其列为重点项目，给予支持。一、反渗透原理反渗透（简称RO），是一种精密的膜法液体分离技术，其工作原理是利用膜两侧的压力差为动力，使溶液中的溶剂透过反渗透膜分离出来。反渗透装置的膜组件是一种精细元件，它易受机械损伤、污染和堵塞，对进水水质要求非常高，必须根据水质特点对原水进行预处理，才能保证反渗透装置的正常运行。预处理的去除对象一般为悬浮物、胶体、有机物、微生物和铁。反渗透膜工作原理如图1所示。图1反渗透膜工作原理示意图二、反渗透膜在水处理中的应用1.反渗透膜在常规饮用水方面的应用。在我国南方的部分地区，所取水源多数为江河水，原水电导一般在500us/cm，所以采用反渗透法就可将水中离子去除至国家标准。但在长江以北的许多地区，取水多为地下水，含盐量较高，用一级反渗透工艺不能使产水电导降至10以下，需要采用二级反渗透工艺才能达到，日本采用节能海水淡化技术，使用8英寸中空纤维组件，透过水水质200ppm左右，水回收率40%，性能稳定可靠；我国甘肃苦咸水淡化研究所研制的登攀-1型反渗透淡化装置，采用醋酸纤维素膜，对Ca2+、Mg2+、SO42-有较高的脱除率，这套装置对西北地区3g/L～10g/L的苦咸水具有良好的适应性；我国国家海洋局与中科院上海冶金研究所合作，研制成功的醋酸纤维素膜与玻璃钢承压板组装的圆板式反渗透淡化器，用于制备纯水，其操作参数为：压力30kg/cm2～50kg/cm2，进水温度7℃～39℃，进水流速约0.32m/s，淡水产量8t/d～11.5t/d，淡水电阻率150kΩ·cm～300kΩ·cm，水回收率70%，膜面积12.5m2。2.反渗透膜在城市污水方面的应用。目前，反渗透在城市污水深度处理方面的应用受到了高度重视，包括中水回用和污水处理厂二级出水的深度处理制取优质淡水。中东不少缺水国家引入反渗透技术处理二级污水，一级反渗透出水水质含盐80mg/L，二级反渗透出水达到10mg/L；新加坡某工业区的反渗透污水处理厂，以三级生化处理的城市废水为原水，用反渗透系统制取高级工业用水，采用二级双介质滤-反渗透系统，处理厂同FLMTETM生产的抗污染膜元件BW30-365FR2184支一级三段排列，日产水量30kt，水回收率高达85%，产水电导率66LS/cm～133LS/cm。3.反渗透膜在垃圾填埋场的应用。垃圾填埋场渗滤液水质非常复杂，不仅含有各种有机物，还含有高浓度氨氮和各种重金属离子，其可生化性随填埋时间而变化，至今国内尚无经济可行的处理技术。国外将反渗透膜分离与常规污水处理技术相结合对渗滤液废水进行了处理的应用研究和工程实践，处理的研究情况见表1。4.反渗透膜在重金属废水处理方面的应用。国内外均对反渗透法处理重金属废水进行了广泛深入的研究。目前，我国约有100套反渗透装置应用于电镀废水的治理，组件多采用内压管式或卷式。采用内压管式组件，在操作压力为217MPa时，Ni3+分离率在97.12%～97.17%，水通量为0.14m3/（m2·d），镍回收率大于99%。有人采用复合低压反渗透膜对含Zn2+和Cu2+的废水进行处理研究，不投加EDTA，进水pH在3～5之间，水温25℃，水回收率为40%，操作压力450kPa时，Zn2+和Cu2+的去除率为93%～96%，投加EDTA后，由于与Zn和Cu形成络合离子，在其它条件相同时，反渗透膜对Zn2+和郑州市环境保护监测中心站许江涛郑州轻工业学院材料与化工学院周军反渗透水处理技术及其应用60河南科技2009.10上ECO－ENVIRONMENT生态环境Cu2+的截留率稳定在95%，当投加EDTA适宜时，二者的截留率均达到99%以上。研究还发现，对Zn2+的截留率略高于Cu2+。5.渗透膜在含油废水方面的应用。反渗透法处理乳化油废水，不需破坏乳化液进行浓缩分离，浓缩液焚烧处理，渗透液可回用或排放处理。Koch膜系统公司采用超滤/反渗透集成工艺处理含油废水，有关参数见表2。6.反渗透膜在食品和制药工业领域的应用。膜分离技术用于食品工业始于20世纪60年代末，反渗透主要用于牛奶的浓缩和乳清蛋白的回收，可大量节省能量，提高产品质量，获得多种乳制品；反渗透还可制造低度啤酒、浓缩啤酒或反渗透复合膜浓缩啤酒；在果汁加工中，反渗透浓缩苹果汁可获得40Brix～45Brix的高浓度苹果汁。我国用反渗透和超滤对山楂进行加工，可从新果中获得占鲜果质量3%的果胶干粉和占鲜果质量40%的20Brix山楂浓缩汁；美国DuPont公司出售的中空纤维反渗透组件可将橘子汁浓缩到55Brix；用超滤和反渗透浓缩茶叶抽提汁生产速溶茶。在制药方面，乌洛托品废水经预处理去氨和醛后，用RO法可将HA废水浓缩6～7倍，渗透通量达0.82m3/（m2·d），浓缩过程中，透过水中HA含量始终小于0.20%，浓缩液作为产物回收，渗透水可回用于生产。RO法处理土霉素结晶母液，对CODcr、BOD5的去除率大于99%，SS去除率为98.95%，透过液中土霉素浓度为零，全部为RO膜截留，透过水回用到发酵过滤工段顶洗水，浓缩液中的土霉素和草酸经进一步处理后回收。三、存在的问题及应用前景反渗透膜在运行过程中易受水中悬浮物、胶体、生物、结垢物以及有机物等引起的膜污染，造成膜性能下降进而影响处理能力。因此，反渗透膜分离技术要在水处理领域中获得大规模应用尚需解决一些基本问题：如何衡量允许进入反渗透膜组件的进水水质，SDI值是否同样适用于废水处理；开发适用于不同废水处理的各种抗污染、预处理要求低的反渗透膜组件；解决实验室研究和实际规模应用的放大问题。随着水污染控制形势的日益紧迫，反渗透膜分离在国内各种工业部门的清洁生产、缺水地区的废水处理回用、农村微污染原水饮用水处理、难生物降解有机废水处理领域将获得突破。四、反渗透膜的发展趋势反渗透膜技术及其工程应用的发展方向主要集中于研究开发具有低能耗、抗污染、耐高温、高压和特种分离等性能的反渗透膜组器。超低压反渗透膜能在保持原脱盐率的情况下，操作压力下降25%～40%，从而降低了系统的能耗和设备材料的要求。抗污染反渗透膜的开发，减少了膜清洗的药耗，延长了膜的使用寿命，广泛地应用于污水回用和化工原材料的浓缩提纯。带正电荷反渗透膜可直接应用于二级、三级反渗透系统制备纯水、超纯水，实现无酸碱废水污染的洁净工艺。耐高温反渗透膜具有90℃耐温性能，可用于食品、医药等行业需采用高温杀菌消毒的反渗透装置。耐高压反渗透膜具有9.0MPa以上的耐压性能，用于二级海水淡化反渗透装置，可使水回收率达到60%。近20年来，多种高性能和特殊用途的新型反渗透膜组器的研制成功，有力地推进了反渗透应用工程的发展。反渗透工程应用的另一个发展方向是反渗透膜组器与超滤、微滤、纳滤、EDI等组器的有机地组合应用，充分发挥各种膜分离技术的特性，形成一个完整的系统工程，达到浓缩、分离、提纯的目的。组件形式渗滤液浓缩倍数电导率/（mS·m-1）ρ（COD）/（mg·L-1）ρ（BOD5）/（mg·L-1）ρ（NH4-N）/（mg·L-1）ρ（NO3-N）/（mg·L-1）ρ（CI）/（mg·L-1）ρ（AOX）/（mg·L-1）ρ（Ni）/（μg·L-1）ρ（Cr）/（μg·L-1）ρ（Pb）/（μg·L-1）ρ（Cd）/（μg·L-1）ρ（As）/（μg·L-1）ρ（Cu）/（μg·L-1）L11400121030240732213017001569439127-膜A膜滤液465012010190450800280105--20-4.82904510100250180351034120-L2653483123412127612451273061307膜B膜滤液423.81551020191415130311305L3972270310620470285574951913025膜C膜滤液4723914530211830321305排放标准_2002050--500500500500100-500表1渗滤液废水处理的研究情况表2超滤/反渗透集成工艺处理含油废水有关参数项目进料流量/（m3/d）渗透通量/（m3/d）浓缩通量/（m3/d）膜型号/（m3/d）UF137.8105.232.5KMS，FEGTM管式HEP-276荷电膜RO105.223.321.9KMS，TFC􀳏，卷式膜注：A，管式醋酸纤维素膜（膜面积为619m2）；B，平板式复合膜（膜面积为716m2）；C，管式复合膜（膜面积为019m2）；L1，渗滤液先经过生物处理（不进行生物硝化）；L2，渗滤液先经过包括生物硝化的生物处理；L3，渗滤液原水。61