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正滲透膜污水處理技術(shù)

文檔作者：黃秋香劉志強(qiáng) 孫夢(mèng) 徐海濱文檔來(lái)源：青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年03月03日
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正滲透膜污水
魑16茁72--塑9064綽I ISSN ’ _
黃秋香劉志強(qiáng)孫夢(mèng)徐海濱
(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院山東青島266000)
摘要正滲透是一種依靠滲透壓差作為驅(qū)動(dòng)力的膜分離技術(shù)。有低能耗、污染可逆等優(yōu)點(diǎn)。介紹了正滲透膜污水處理的原
理、膜的結(jié)構(gòu)組成、操作影響因素及應(yīng)用案例。正滲透膜污水處理的主要影響因素為：驅(qū)動(dòng)液、溫度、流速、膜活性層的朝向等。
關(guān)鍵詞正滲透滲透壓膜影響因素
中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672—9064(2017102—095—03
目前我國(guó)淡水資源短缺。水資源污染嚴(yán)重，城市污廢水
的處理及回用成為當(dāng)前解決水資源問(wèn)題的關(guān)鍵方法。我國(guó)的
污水處理廠存在能耗較高、處理效果不夠理想等問(wèn)題，因此。
在提高處理效果的基礎(chǔ)上減少能耗、節(jié)約資源尤為重要。
MBR近年來(lái)被廣泛應(yīng)用，但存在工藝成本高、膜污染嚴(yán)重、
能耗和運(yùn)行費(fèi)用較高等問(wèn)題。而FO具有能耗較低?、分離效
果好、膜污染可逆、運(yùn)行過(guò)程和設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前在海水
淡化、飲用水制備和廢水處理中應(yīng)用前景廣泛。
1正滲透原理
正滲透(Forward Osmosis．FO)是一種不需外加壓力做驅(qū)
動(dòng)力．在滲透壓差的作用下自發(fā)的從低滲透區(qū)域(原料液)通
過(guò)選擇透過(guò)性膜到高滲透壓區(qū)域(驅(qū)動(dòng)液)的過(guò)程。此過(guò)程原
料液中大多數(shù)溶質(zhì)分子和離子被截留下來(lái)。隨著正滲透系統(tǒng)
運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，低滲透壓的原料液逐漸被濃縮．同時(shí)高滲
透壓的驅(qū)動(dòng)液逐漸被稀釋。
2正滲透膜分類(lèi)
目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣的正滲透膜是由美國(guó)Hydration
Technologies(HTI)公司研制的CTA—ES、CTA—NW、TFC—ES
膜。
宗同強(qiáng)[2]等用高溫裂解氣質(zhì)聯(lián)用的方法。對(duì)CTA-ES、
CTA-NW、TFC—ES膜成分分別進(jìn)行了鑒定，并通過(guò)掃描電子
顯微鏡(SEM)對(duì)3種膜的表面和截面進(jìn)行了仔細(xì)的觀察。
CTA—ES、CTA—NW、TFC—ES膜的掃描電子顯微鏡圖如
圖1～圖3昕示
圖l HTl正滲透膜(CTA-ES)的SEM
圖2 HTI m；爹j霆m(CTA—NW)的SEM
(1)CTA—ES：由圖1可看出，CTA—ES膜至少是由2層
構(gòu)成，圖a中這一層為聚酯篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，排列清晰整齊，圖c層
圖3 H1、1正滲透膜(TFC—ESl的SEM
為醋酸纖維素層，表面致密。從橫截面圖b可以看到，整個(gè)膜
的厚度大約為50．801xm．而醋酸纖維素活性層的厚度可能
只有不到201_Lm左右。
(2)CTA—NW：由圖2可看出，CTA—NW膜也是由兩層構(gòu)
成，圖a層為聚酯無(wú)紡布結(jié)構(gòu)，圖c層為醋酸纖維素層。同樣
從橫截面b可以看出，整個(gè)膜厚在50。80仙m之間，支撐層無(wú)
紡布占了501．Lm以上的厚度．活性層醋酸纖維素膜與CTA—
ES膜差不多。都比較薄且致密。
(3)TFC—ES：由圖3可看出，TFC—ES膜結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，
從橫截面b看，聚酯篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)似被膜層包在中間．表面c像
另兩張膜一樣，比較致密。
3正滲透膜污水處理主要影響因素
3．1驅(qū)動(dòng)液
驅(qū)動(dòng)液為整個(gè)系統(tǒng)提供直接驅(qū)動(dòng)力．因此驅(qū)動(dòng)液的選擇
是正滲透系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵因素。理想的驅(qū)動(dòng)液除無(wú)毒和成本
低廉還需滿足：
(1)有較高的滲透功效【3]。即它在水中應(yīng)該具有較高的
溶解度[4】．以及它應(yīng)該具有較小的分子量以便能產(chǎn)生較高的
滲透壓．根據(jù)范特霍夫(Van'tHoff)定律推導(dǎo)出的莫爾斯
(Morse)方程，溶液的滲透壓仃可用式(1)計(jì)算。
仃=iMRT--il爭(zhēng))RT (1)
、y ／
式中：i為范特霍夫因子；M為溶質(zhì)的摩爾濃度：R為氣
體常數(shù)，8．3145J／(K·t001)；T為絕對(duì)溫度。
(2)反向滲透作用小。原料液和驅(qū)動(dòng)液較大的濃度差容
易引起反向滲透作用。溶液的反向鹽通量L(g／(m2·h2))可以
通過(guò)原料液一側(cè)的溶質(zhì)濃度的增加量來(lái)計(jì)算。肛—(C_,V,-rCoVo)—} (2)
u● ，1m
式中：co為原料液初始濃度／mol／L；Vo為原料液初始體積幾；
G為經(jīng)過(guò)△t后的原料液濃度／mol／L；V。為經(jīng)過(guò)△t后原料液
體積／L；A。為有效膜面積／m2；Co和ct可以通過(guò)原料液中的
作者簡(jiǎn)介：黃秋香(1989一)，女，青島理工大學(xué)碩士研究生，環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向?yàn)槲鬯幚砑盎赜眉夹g(shù)。
201Z．No．2．
n 一
躲 處理
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
電導(dǎo)率推導(dǎo)出．
(3)與正滲透膜不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且不能將膜降解。
(4)在制備飲用水的過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)溶液應(yīng)該與滲透水易
分離并且能夠重復(fù)使用。
3．2溫度
水通量隨溫度的升高而增大．高溫時(shí)分子動(dòng)能升高，溶
液擴(kuò)散速度增大。從原料液透過(guò)FO膜傳遞過(guò)來(lái)的純水迅速
向驅(qū)動(dòng)液主體溶液中擴(kuò)散．從而使支撐層內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)液與驅(qū)
動(dòng)液主體溶液的濃度差相對(duì)于低溫時(shí)較?。虼烁邷貢r(shí)的內(nèi)
部濃差極化也較輕微，對(duì)水通量的抑制作用較小，所以高溫
時(shí)產(chǎn)生了較大的水通量。
3．3流速
Nathan T口]等加大錯(cuò)流速度．可使得返混的鹽在原料液
一側(cè)更迅速的被稀釋．從而降低原料液一側(cè)濃縮邊界層的濃
度，進(jìn)一步使得膜兩側(cè)有效的化學(xué)勢(shì)能梯度升高，同時(shí)使水
通量增大。增大錯(cuò)流速度可以減緩膜污染，是因?yàn)檩^大的錯(cuò)
流速度會(huì)使污染物在膜表面附近難以聚集。從而難以堵塞膜
孔或者形成濾餅層【6]。
3．4正滲透膜活性層的朝向【7]
當(dāng)活性層朝向原料液。支撐層朝向驅(qū)動(dòng)液時(shí)，即為FO
模式：而PRO模式是活性層朝向驅(qū)動(dòng)液，支撐層朝向原料
液。
驅(qū)動(dòng)液濃度相同時(shí)．PRO模式下的純水通量和驅(qū)動(dòng)溶
質(zhì)反向滲透通量均要大于FO模式：相較于FO模式而言，在
PRO模式中．污染初始通量較高，污染時(shí)通量下降趨勢(shì)更嚴(yán)
重。而FO模式的通量明顯低于PRO模式，但在污染過(guò)程中
相對(duì)較穩(wěn)定[81。
3．5濃差極化現(xiàn)象
在正滲透膜分離過(guò)程的研究中．大多用作正滲透的膜都
為非對(duì)稱性膜．因而正滲透膜活性層與支撐層擺放朝向，即
活性層朝向驅(qū)動(dòng)液還是原料液。對(duì)膜通量大小將產(chǎn)生重要影
響。許多研究表明，在驅(qū)動(dòng)液組成相同時(shí)，膜的活性層朝向驅(qū)
動(dòng)液(即支撐層朝向原料液)時(shí)的水通量要比支撐層朝向驅(qū)
動(dòng)液(即活性層朝向原料液)時(shí)的水通量大，這是由于后者中
的濃差極化作用影響更大。
非對(duì)稱型的滲透膜，理論上會(huì)存在一定的濃差極化現(xiàn)象嘲。
濃差極化[Io】是指分離過(guò)程中。料液中的溶液在壓力驅(qū)動(dòng)下透
過(guò)膜。溶質(zhì)(離子或不同分子量溶質(zhì))被截留，在膜與本體溶液
界面或臨近膜界面區(qū)域濃度越來(lái)越高；在濃度梯度作用下，
溶質(zhì)又會(huì)由膜面向本體溶液擴(kuò)散．形成邊界層．使流體阻力
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圖4正滲透濃差極化現(xiàn)象
與局部滲透壓增加．從
而導(dǎo)致溶劑透過(guò)通量
下降。圖4為正滲透濃
差極化現(xiàn)象。
4 正滲透污水處
理的優(yōu)點(diǎn)
(1)能耗低。正滲
透是水在滲透壓差的
作用下自發(fā)地從高水化學(xué)勢(shì)區(qū)域穿過(guò)選擇透過(guò)性膜達(dá)到低
水化學(xué)勢(shì)區(qū)域的過(guò)程，因此能耗較低。
(2)截留率高。正滲透膜生物反應(yīng)器能去除99％以上的
有機(jī)物和98％以上的氨氮[1J】．具有比傳統(tǒng)MBR更好的污水
處理效果。
(3)膜污染可逆。正滲透一個(gè)突出的特點(diǎn)就是無(wú)外加壓
力。因而污染程度較壓力驅(qū)動(dòng)膜小很多。在傳統(tǒng)的壓力驅(qū)動(dòng)
膜運(yùn)行中，由于較大的外加壓力作用，在膜表面形成的濾餅
層薄但較為密實(shí)【s]：而在正滲透膜運(yùn)行時(shí)，由于系統(tǒng)僅僅依
靠滲透壓差驅(qū)動(dòng)而無(wú)較大壓力．因此相應(yīng)地在膜表面形成的
濾餅層較厚且松散【心]．因此只需物理清洗可將水通量恢復(fù)到
初試通量的90％左右。
5正滲透在水處理中的應(yīng)用
(1)垃圾滲濾液濃縮㈣。York等采用HTI公司生產(chǎn)的
CTA正滲透膜。對(duì)垃圾滲濾液進(jìn)行濃縮處理。中試實(shí)驗(yàn)研究
表明，采用正滲透膜分離方法，產(chǎn)水率達(dá)到90％以上，并且對(duì)
垃圾滲濾液中的多種污染物去除率達(dá)到99％．最終能達(dá)到國(guó)
家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。
(2)宇航員生活廢水回用。在人類(lèi)進(jìn)行的航空航天計(jì)劃
中，飲用水是宇航員的必需品。美國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一套正滲
透濃縮系統(tǒng)．依靠正滲透與反滲透相結(jié)合的方法對(duì)宇航員產(chǎn)
生的生活廢水進(jìn)行回用制備飲用水．階段性的研究成果表明
正深透膜在其績(jī)效與能耗方面都存在著優(yōu)勢(shì)．此技術(shù)已被美
國(guó)航空航天局列為太空水回用候選技術(shù)之一Ⅲ。
(3)水袋。水袋是美國(guó)HTI公司開(kāi)發(fā)的一種可以在戰(zhàn)爭(zhēng)、
野外生存或緊急救援狀況下使用的水凈化設(shè)備。其構(gòu)造為內(nèi)
層的正滲透膜及外層的防水層膜的雙層袋狀。在內(nèi)層膜內(nèi)裝
人驅(qū)動(dòng)液(需為無(wú)毒可飲用的，例如糖類(lèi)、濃縮飲料)和滲透
加速劑．將需要凈化處理的源水裝入內(nèi)外兩層之間的夾層
中．潔凈的水就可以在滲透壓差驅(qū)動(dòng)下透過(guò)內(nèi)層正滲透膜進(jìn)
入可以飲用的驅(qū)動(dòng)液中。1個(gè)水袋中1009的驅(qū)動(dòng)液就能產(chǎn)
生1個(gè)人l天所需的飲料(大約3～5L)。正滲透膜分離技術(shù)
在個(gè)人飲水市場(chǎng)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。
6正滲透污水處理前景展望
(1)對(duì)正滲透膜的合成的研究將是一個(gè)重要課題。正滲
透膜的種類(lèi)很少．目前由HTI公司開(kāi)發(fā)的商用CTA正滲透
膜是應(yīng)用最廣泛的正滲透膜。在正滲透過(guò)程中它具備相對(duì)于
其它反滲透膜的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在其自身的缺陷，如較低
的pH承受范圍(約pH4—6．5)，嚴(yán)重的內(nèi)部濃差極化等。因而
未來(lái)的正滲透膜的合成?？煽紤]選取更加合適的材料．合成
具有更好的耐酸、堿、鹽腐蝕能力的膜，合成具有更高清水性
和更低阻抗的膜．合成具有更高強(qiáng)度但更薄的支撐層的膜以
減小內(nèi)部濃差極化，合成具有高機(jī)械強(qiáng)度的對(duì)稱性膜114]。
(2)驅(qū)動(dòng)液的研究。驅(qū)動(dòng)液是為正滲透過(guò)程提供驅(qū)動(dòng)力
的關(guān)鍵因素，不同溶質(zhì)作為驅(qū)動(dòng)液時(shí)，將產(chǎn)生不同的滲透壓．
研究驅(qū)動(dòng)液方向：選擇產(chǎn)生滲透壓高、水通量高、反向滲透率
低的驅(qū)動(dòng)液；驅(qū)動(dòng)液分離再生工藝，利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)?
等綠色資源，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)液高效分離再生循環(huán)使用㈣。
201ZN0．2．o
(下轉(zhuǎn)第98頁(yè))
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
3．1 工程實(shí)例概述
該商業(yè)樓初步設(shè)計(jì)方案打算建設(shè)在地下1層．基坑設(shè)計(jì)
的深度約為5．1m．相關(guān)配套設(shè)備的地下2層深度約為1層
深度的2倍。正在使用的地鐵站位于2條路的交叉口位置。
車(chē)站主體外包尺寸為152．3mxl7．6m．車(chē)站底板深度約
16．5m．設(shè)計(jì)方案中預(yù)留的出入El的深度與2層地下設(shè)施的
設(shè)計(jì)深度保持一致。交叉的2條道路均為主要干道．配備有
相關(guān)的居民日常生活中常用的配置設(shè)施。其中。受商業(yè)樓基
坑施工影響較為明顯的居民配套設(shè)施為預(yù)留的雨水管．其施
工建設(shè)的深度在3m左右。管底距出人口頂板較近。容易遭
受到預(yù)留出人口在后續(xù)施工過(guò)程中對(duì)其造成的影響。
3．2設(shè)計(jì)方案的分析與優(yōu)化
①圍護(hù)樁墻、支撐的設(shè)計(jì)參數(shù)之間的比較。為了滿足設(shè)
計(jì)及計(jì)算的信息要求，根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)基坑穩(wěn)定性、圍護(hù)樁
墻強(qiáng)度及變形控制等方面的要求．按照實(shí)際施工要求及建筑
物的基本特征和功能需求設(shè)定好圍護(hù)墻的各個(gè)參數(shù)。②模型
的維度、尺寸以及相關(guān)參數(shù)?？紤]到邊界對(duì)現(xiàn)有建筑物的影
響，統(tǒng)一將模型的邊界確定為結(jié)構(gòu)邊界外側(cè)25m。土體采用
D—P方式進(jìn)行施工．并在初始應(yīng)力狀態(tài)分析及開(kāi)挖過(guò)程模擬
階段對(duì)土體賦予不同的彈性模量，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、各層結(jié)構(gòu)板和
市政管線采用線彈性板單元進(jìn)行模擬應(yīng)用．內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)采用
線彈性梁?jiǎn)卧M。③計(jì)算結(jié)果?；拥淖畲笏轿灰瞥霈F(xiàn)
在基坑底面以上接近坑底的部位．與基坑圍護(hù)樁墻優(yōu)化分析
時(shí)常采用的Winl【le地基梁法算得的圍護(hù)墻體變形具有相同
的規(guī)律。在對(duì)基坑施工完成之后，既有預(yù)留出人口上方雨水
管的變形小于其相鄰兩側(cè)區(qū)域．源于該處水管底部距出入口
頂板距離近．而出入I：1結(jié)構(gòu)沉降小，對(duì)雨水管具有類(lèi)似結(jié)構(gòu)
基礎(chǔ)的承托作用。為降低基坑施工時(shí)該區(qū)域水管因較大差異
沉降而增加的水管損傷風(fēng)險(xiǎn)。雨水管敷設(shè)施工時(shí)，已在預(yù)留
通道兩側(cè)各設(shè)置1座檢修井以增加管線對(duì)地層沉降的適應(yīng)
能力。地鐵車(chē)站的底板變形呈現(xiàn)在近基坑開(kāi)挖一側(cè)較大，往
遠(yuǎn)處逐漸減小的特征。其中，平面上位于既有預(yù)留出入口區(qū)
域的變形梯度較大．原因?yàn)橛?jì)算模型與所模擬的實(shí)際結(jié)構(gòu)具
有差異性。
3．3結(jié)果分析
通過(guò)上述方案的對(duì)比分析得出．方案1受到的環(huán)境影響
較方案2、方案3大，但仍可滿足周邊建、構(gòu)筑物的保護(hù)要
求，特別是運(yùn)營(yíng)地鐵的安全要求。商業(yè)基坑雖然說(shuō)在設(shè)計(jì)及
施工中面臨開(kāi)挖面積大、與地鐵車(chē)站及管線的平行段長(zhǎng)度長(zhǎng)
等諸多問(wèn)題．但基坑與車(chē)站平行段間的水平凈距位于基坑開(kāi)
挖的顯著影響區(qū)以外．區(qū)基坑與車(chē)站既有預(yù)留通道的銜接
段，基坑的主要變形為橫斷面方向，即平行于地鐵車(chē)站的方
向。且基坑沿深度方向設(shè)置3道內(nèi)支撐體系。由此對(duì)車(chē)站的
直接影響較小：地鐵車(chē)站底板埋深大于本基坑的底板深度客
觀上符合相鄰基坑開(kāi)挖“先深后淺”的基本原則。同時(shí)，車(chē)站
圍護(hù)墻底的深度較大，對(duì)地層位移具有一定的隔斷效果。因
此，在具體的施工進(jìn)行之前。優(yōu)先選擇方案1具有很高的商
用價(jià)值和實(shí)踐意義，值得各個(gè)相關(guān)單位關(guān)注和采納。
4結(jié)束語(yǔ)
綜上所述。需要結(jié)合深基坑支護(hù)工程施工經(jīng)驗(yàn)結(jié)合工程
建設(shè)目標(biāo)的設(shè)定建立方案推算比較機(jī)制．對(duì)編制的施工方案
進(jìn)行比較分析，最終選出最佳的施工方案。保證符合技術(shù)要
求，滿足施工質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
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2016。11(14)
(上接第96頁(yè))
(3)正滲透在實(shí)際應(yīng)用中的研究。盡管正滲透在各行各
業(yè)中已經(jīng)得到了大量應(yīng)用．但是FOMBR仍然處于探索性階
段。如何解決實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵性技術(shù)難題，是正滲透技術(shù)
能夠得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵所在。
參考文獻(xiàn)
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