膜分離技術在環保領域的應用

時間：2006-11-14 來源： 作者：

自產業革命以來，以西方各國為主體的發達國家顯著加快了工業化的速度。其結果帶來了生活上的舒適與便利，但同時也引起了自然生態系統的破壞，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境首腦會議及通過的里約熱內盧宣言表明了人類對環境保護的重視。作為具體行動，世界各國正大力推廣國際標準化組織制定的ISO14000系列的企業環境管理認證體系。歸根結底，環境污染是由于人類在活動時排出的各種物質的質和量超過自然界的自凈能力而產生的。因此，環境保護的最佳方法在于將排出的物質回收并再利用，或恢得到自然界原有的存在形態。實際實施時，除生物、化學處理外，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實問題亟待解決。

　　眾所周知，膜分離技術是物質分離技術中的一個單元操作。膜分離法的最大特點是驅動力主要為壓力，不伴隨需要大量熱能的變化。因而有節能、可連續操作、便于自動化等優點，本文將介紹一些適用于環保領域的膜技術應用實例。

　　1. 環境保護和膜的適用用途

　　環保的一個十分重要的內容就是廢物（固體）、廢液（液體）及廢氣（氣體）處理，即將三廢物再利用，減少向周圍環境排出的數量或將排放物的有害物質經過分離、無害化處理后排放。表1中給出了典型的三廢物質及膜分離技術的適用范圍。從表1中可以看出，因膜技術的處理對象為流體，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。根據待分離物質的大小，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，膜分離只具有物質分離的功能，若構成一個完整的環保處理系統，常常需要與其它處理技術組合使用。

表1 廢棄物形態及膜分離技術的適用性

圖1 分離膜的分類

　　2. 適用于廢水排放用途的膜分離技術

　　表2給出了各種廢水排放膜處理的應用實例。排放水處理以往采用沉淀法、活性污泥法、蒸發法等，現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，而多數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用實例

2-1. 下水的高度處理

　　根據排放物質的成分的不同，處理方式有所差異，但一般是將膜技術與絮凝劑沉降、加壓浮選和生物處理等技術配合起來使用。絮凝沉降時需根據水質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，水質較難保持穩定。膜分離法作為不受水質變動影響，且可去除可溶解成分的下水高度處理法已逐漸進入實用化階段。日本第一套使用反滲透膜技術的大型實驗裝置于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實驗。該裝置的處理流程如圖2所示。該系統處理前后的水質分析結果如表3所示。反滲透膜產出水（210m3/日）的水質達到了自來水標準。反滲透裝置實現了自動連續運行。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）膜聯用的應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的熱帶魚飼養。該裝置的工藝流程如圖3所示。處理前后的水質分析結果見表3。

表3 水質分析結果（平均值）

　　2-2．膜技術與凈化槽技術的聯用

　　在日本，一些下水處理系統不完備或難于長距離向下水處理廠輸送的地區，生活廢水多依靠凈化槽進行下水處理。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浸入呈格柵形的平模組件，依靠透水側的負壓吸引，將因曝氣而形成的循環原水透過膜面而實現過濾。這種在活性污泥處理技術上附加的膜分離技術可控制活性污泥的濃度，提高生物反應的效率，同時又可得到水質穩定的處理水5）。

　　日本厚生�。ㄐl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年實現大面積推廣。

表4 高度處理水質

　　3. 適用于上水（飲用水）用途的膜分離技術

　　飲用水也日益受到環境污染的影響，江河水、地下水的污染多數是因為三廢物質排放所引起的。特別是作為污染物質，不僅是混濁物質，還常伴隨有三鹵甲烷及農藥等可溶解成分，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。

　　膜分離技術在飲用水方面的應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。膜法的優點在于不使用絮凝劑等化學藥劑，在水質波動較大時仍可自動連續處理，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膜技術用于地下水為水源的城市供水系統。例如在佛羅里達州，為了去除地下水中的三鹵甲烷，80年代就建成了日產水量為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果

　　4.應用于排氣的膜分離技術

　　大氣污染的主要原因有：促進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）。關于這些氣體的排放基準，世界各國都在制定相應的規則和環境目標。二氧化碳及二氧化硫分離膜仍未達到實用化階段9,10)。有機蒸氣分離，例如汽油蒸氣的回收分離膜已有應用實例11）。有機蒸氣稱作揮發性有機化合物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前置過濾器除涯后導入膜分離組件，在膜透氣側設有真空泵造成負壓，透過分離膜的VOC成分在吸收塔內被汽油液體所吸收。

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