動(dòng)態(tài)膜分離技術(shù)及其在高氨氮污水處理中的應(yīng)用研究

　　前 言

　　現(xiàn)代膜分離技術(shù)是指在分子水平上不同粒徑分子的混合物在通過半透膜時(shí)，實(shí)現(xiàn)選擇性分離的技術(shù)，半透膜又稱分離膜或?yàn)V膜，是一種固定的膜組件，通常由特定的膜材料加工而成，膜壁布滿小孔，根據(jù)孔徑大小可以分為：微濾膜(MF)、超濾膜(UF)、納濾膜(NF)、反滲透膜(RO)等，這種固態(tài)膜分離過程通常采用錯(cuò)流過濾或死端過濾方式。

　　膜分離是在20世紀(jì)初出現(xiàn)，20世紀(jì)60年代后迅速崛起的一門分離新技術(shù)。膜分離技術(shù)由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級(jí)過濾及過濾過程簡(jiǎn)單、易于控制等特征，因此，已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。

　　液膜分離也是一種有效的工業(yè)化分離技術(shù)，同樣屬于物理分離過程，也屬于現(xiàn)代膜分離技術(shù)的一種。

　　但液膜分離不采用固定的膜組件，而是模擬生物膜的結(jié)構(gòu)，利用選擇性透過原理，以膜兩側(cè)溶質(zhì)的化學(xué)濃度差為傳質(zhì)推動(dòng)力,使料液中待分離溶質(zhì)在膜內(nèi)相富集濃縮來分離待分離物質(zhì)。分離過程依托的液膜通常由膜溶劑、表面活性劑和流動(dòng)載體組成。

　　我們可以看出，無論是采用固定膜組件完成的固膜分離過程，還是由膜溶劑、表面活性劑和流動(dòng)載體構(gòu)成液膜后完成的液膜分離過程，其傳質(zhì)過程都是借助于相對(duì)穩(wěn)定的傳質(zhì)膜界面完成的，我們可視之為靜態(tài)膜。此類靜態(tài)膜的傳質(zhì)過程都必須消耗外加機(jī)械動(dòng)力或化學(xué)力才能完成，因此項(xiàng)目投資與處理成本相對(duì)較高。

　　經(jīng)現(xiàn)有研究和工業(yè)實(shí)踐表明，還有另外一種特殊的液膜分離技術(shù)，我們稱之為動(dòng)態(tài)膜分離技術(shù)，既不需要固定的膜組件，亦不是利用特定液膜的選擇性透過原理，而是利用溶質(zhì)在氣液兩相間的濃度差為傳質(zhì)推動(dòng)力，利用溶質(zhì)分子在兩相間的相平衡原理為推動(dòng)力，使兩相間的有效傳質(zhì)面積、傳質(zhì)推動(dòng)力和傳質(zhì)速率最大化，促使液相中的溶質(zhì)快速向氣相轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到預(yù)期的傳質(zhì)效果。

　　因?yàn)閯?dòng)態(tài)膜分離為純物理方法，而且可以在常溫下操作，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)運(yùn)行成本低，加上傳質(zhì)效率又遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)設(shè)備，所以特別適用于各類吸收與解吸過程。工業(yè)實(shí)踐證明，用于環(huán)保領(lǐng)域的高氨氮污水處理，尤其是高于2000mg/L的特高氨氮污水處理，有十分明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與經(jīng)濟(jì)效益。

　　一.動(dòng)態(tài)膜分離技術(shù)及其工作原理

　　1.1旋轉(zhuǎn)泡沫動(dòng)態(tài)膜分離技術(shù)及其工作原理

　　此類液膜分離的傳質(zhì)過程原理與一般的氣液相平衡過程完全一樣，只不過其相應(yīng)的液相已更換為液膜。由于這種液膜是不穩(wěn)定的，在正常操作時(shí)會(huì)不斷更新，相互接觸的氣液兩相也會(huì)不斷變換，從而使相平衡關(guān)系也在不斷改變。如下圖所示：

　　這種在特定環(huán)境下形成的氣泡層，液相L依然是連續(xù)相，氣泡層內(nèi)被包裹的氣相V是分散相。氣泡的內(nèi)、外表面即氣液相傳質(zhì)的相界面。兩相接觸時(shí)，氣泡膜的內(nèi)外表面上隨即發(fā)生相平衡的物質(zhì)轉(zhuǎn)移，并完成液膜傳質(zhì)過程。因?yàn)闅馀輰觾?nèi)氣泡的直徑較小，因此兩相之間的傳質(zhì)距離極短,氣泡的數(shù)量巨大，氣泡層的更新頻率較高，從而使我們可以在一定時(shí)間內(nèi)獲得遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)氣液傳質(zhì)設(shè)備的比表面積和傳質(zhì)速率，大幅度提高設(shè)備的傳質(zhì)效率。

　　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，氣泡層內(nèi)氣泡直徑約為2~8mm，氣泡層的更新頻率約為35~45次時(shí)，我們可獲得的氣液相動(dòng)態(tài)傳質(zhì)面積可達(dá)到24200m2/m3.h，污水中氨氮的吹脫速率可達(dá)到53.1g/m3.h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的汽提與吹脫等傳質(zhì)設(shè)備，而且在常溫下即可進(jìn)行，可大幅度減少裝置的能源消耗與污水的處理成本。

　　實(shí)際工程應(yīng)用的動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離裝置由波管、尾氣管、循環(huán)槽、風(fēng)機(jī)和循環(huán)泵等

　　五個(gè)主要部分構(gòu)成。污水通過循環(huán)泵送至波管，與進(jìn)入波管的高速氣流直接接觸，在液相流體的作用下而被分散、扭轉(zhuǎn)和壓縮，形成相對(duì)穩(wěn)定的氣泡。當(dāng)兩相動(dòng)量達(dá)到平衡時(shí)，便會(huì)在波管內(nèi)形成一段由大量微細(xì)泡沫構(gòu)成、高度湍動(dòng)的駐波區(qū)，即動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離區(qū)。

　　正常工作時(shí)，動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離裝置的氣相由風(fēng)機(jī)送入，液相由循環(huán)泵送入。尾氣管承擔(dān)尾氣凈化任務(wù)，循環(huán)槽承擔(dān)氣液固三相的分離任務(wù)。根據(jù)污水處理用戶的項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)際水質(zhì)狀況、污水水量和處

　　理要求，裝置可設(shè)計(jì)為不同規(guī)格尺寸、不同級(jí)數(shù)，以及不同安裝形式的工藝系統(tǒng)。以滿足不同行業(yè)各類不同污水處理量、不同氨氮濃度和處理要求的高氨氮污水處理需求。

　　動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離技術(shù)與設(shè)備，在化學(xué)工程領(lǐng)域?qū)儆谝环N全新的傳質(zhì)單元操作，其傳質(zhì)原理依然是氣液相平衡，但所依賴的傳質(zhì)設(shè)備，和傳統(tǒng)的板式塔、填料塔、鼓泡塔、噴淋塔和轉(zhuǎn)盤塔完全不同，主要借助于駐波層的泡沫完成兩相傳質(zhì)，借助于特定的動(dòng)態(tài)液膜傳質(zhì)，不僅可獲得很高的動(dòng)態(tài)傳質(zhì)比表面積，亦可獲得很高的傳質(zhì)推動(dòng)力，從而有極高的傳質(zhì)效率。該技術(shù)可以應(yīng)用于氣液兩相，甚至氣液固三相間的各類吸收、解吸與反應(yīng)過程。在環(huán)境工程領(lǐng)域則可應(yīng)用于各種大氣污染的治理和各行業(yè)排放的高難度污水處理。

　　1.2動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離法常溫脫氨的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　目前，高鹽、高CODcr、高氨氮是各行業(yè)污水處理的最大難題。工業(yè)實(shí)踐表明，采用動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離法可進(jìn)行常溫脫氮，而且是純物理法，不需要借助于任何化學(xué)試劑，即可在常溫下將任意高濃度的高氨氮污水直接處理至200mg/L以下。而且，項(xiàng)目投資與污水處理成本均遠(yuǎn)低于蒸餾、汽提和大氣量吹脫等傳統(tǒng)工藝。

　　工業(yè)實(shí)踐還表明，在高氨氮污水，尤其是特高氨氮(2000mg/L以上)污水處理領(lǐng)域，采用動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離法進(jìn)行常溫脫氮，至少有以下明顯技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)：

　　(1)純物理法處理，無須添加任何化學(xué)試劑，對(duì)后續(xù)生化系統(tǒng)無任何影響;

　　(2)常溫、常壓操作，不需任何加壓、加熱等特殊輔助設(shè)備，能耗低,適用性強(qiáng);

　　(3)裝置沒有塔板，也沒有填料，不怕結(jié)垢與堵塞;

　　(4)對(duì)進(jìn)口廢水氨氮、CODcr和鹽含量均無上限限制，特別適用于高難度工業(yè)污水處理;

　　(5)裝置內(nèi)部無任何活動(dòng)部件和特殊內(nèi)構(gòu)件，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，后期維護(hù)簡(jiǎn)單;

　　(6)自帶尾氣凈化裝置，氣相可閉路全循環(huán)操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無尾氣排放;

　　(7)易被吹脫的氨可以循環(huán)利用，亦可加工成各種期望的氨產(chǎn)品;

　　(8)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行能力強(qiáng)，易與其他污水處理工藝組合使用，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放;

　　(9)設(shè)備具有三相反應(yīng)與分離的功能，允許液相帶固操作，對(duì)污水的適應(yīng)能力強(qiáng);

　　(10)節(jié)能降耗明顯，技術(shù)含量高，可大幅度降低項(xiàng)目投資與污水處理成本。

　　動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離技術(shù)作為一種新的單元操作過程，項(xiàng)目工程實(shí)踐還表明，不僅應(yīng)用于高氨氮污水處理領(lǐng)域有較高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用于工業(yè)尾氣處理和餐飲油煙的凈化處理，以及鍋爐煙氣的脫硫脫硝與除塵，亦有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與經(jīng)濟(jì)效益。

　　二. 動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離技術(shù)的工程應(yīng)用

　　2.1工程實(shí)例一：水合肼高氨氮污水常溫脫氮處理工程

　　工程項(xiàng)目概況：

　　設(shè)計(jì)日處理水量：400t/d

　　實(shí)測(cè)處理水量：403t/d

　　設(shè)計(jì)進(jìn)口氨氮含量：3000 mg/L

　　實(shí)測(cè)進(jìn)口氨氮含量：2367 mg/L

　　設(shè)計(jì)出口氨氮含量：≦300 mg/L

　　實(shí)測(cè)出口氨氮含量： 136 mg/L

　　本項(xiàng)目是動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離技術(shù)與裝置經(jīng)中試裝置研發(fā)成功后，完成的第一套較大規(guī)模的工業(yè)化裝置，也是在化工高氨氮廢水處理實(shí)施常溫脫氮的第一套成功案例。原設(shè)計(jì)為三級(jí)吹脫，但增加至第二級(jí)時(shí)就已經(jīng)達(dá)到項(xiàng)目方的預(yù)期處理目標(biāo)，因此第三級(jí)的設(shè)計(jì)也隨之被取消。該裝置連續(xù)運(yùn)行了5年未發(fā)生過任何設(shè)備故障，也未出現(xiàn)設(shè)備結(jié)垢與堵塞現(xiàn)象，其運(yùn)行效果深受用戶歡迎。

　　2.2工程實(shí)例二：焦化高氨氮廢水常溫脫氮處理工程

　　工程項(xiàng)目概況：

　　設(shè)計(jì)日處理水量：1440 t/d

　　實(shí)測(cè)處理水量：5.67t/h

　　設(shè)計(jì)進(jìn)口氨氮含量：5000 mg/L

　　實(shí)測(cè)進(jìn)口氨氮含量：5135 mg/L

　　設(shè)計(jì)出口氨氮含量：≦200 mg/L

　　實(shí)測(cè)出口氨氮含量： 187 mg/L

本項(xiàng)目是動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離技術(shù)在焦化高氨氮廢水處理領(lǐng)域?qū)嵤┏�溫脫氮的第一一個(gè)案例。設(shè)計(jì)為兩級(jí)吹脫。該項(xiàng)目實(shí)施前進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)中試，處理水量為5.6t/h。中試裝置和操作人員由我方提供，原水和氨氮檢測(cè)由項(xiàng)目方提供。項(xiàng)目方原建設(shè)有一套40t/h專門處理焦化廢水的蒸餾裝置。中試結(jié)果遠(yuǎn)超過了他們的預(yù)期，因?yàn)樵陧?xiàng)目方廠區(qū)內(nèi)已經(jīng)有四家國內(nèi)均有一定影響力的環(huán)保公司做過現(xiàn)場(chǎng)中試，我們是第5家。該公司告訴我們，他們現(xiàn)在實(shí)際上是將蒸餾處理后的污水經(jīng)稀釋3倍后才送至后續(xù)生化處理系統(tǒng)的。如果采用我們的新技術(shù)，高氨氮污水經(jīng)動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離裝置處理后，不需要再補(bǔ)加任何稀釋水即可直接送生化系統(tǒng)處理。不僅可以在原生化系統(tǒng)不增加容量的情況下，增加50%以上的污水處理量，而且每噸污水的至少可以下降40元左右的處理成本。根據(jù)當(dāng)時(shí)的估算，該項(xiàng)目的投資回收期不足一年，每年可節(jié)省的污水處理費(fèi)用將高達(dá)2000萬元，與傳統(tǒng)的工藝相比，項(xiàng)目實(shí)施的經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

　　但該項(xiàng)目的中試結(jié)果也告訴我們，不同的水質(zhì)與廢水中氨氮所存在的形態(tài)，對(duì)動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離裝置的工藝設(shè)計(jì)和處理效果均有一定影響。

　　2.3工程實(shí)例三：對(duì)苯二甲醛化工高氨氮廢水處理

　　工程項(xiàng)目概況：

　　設(shè)計(jì)日處理水量：80 t/d

　　實(shí)測(cè)處理水量：4.5 t/h

　　設(shè)計(jì)進(jìn)口氨氮含量：8000 mg/L

　　實(shí)測(cè)進(jìn)口氨氮含量：9060 mg/L

　　設(shè)計(jì)出口氨氮含量：≦500 mg/L

　　實(shí)測(cè)出口氨氮含量： 429 mg/L

　　本項(xiàng)目是動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離技術(shù)與裝置在實(shí)際工程應(yīng)用中最為成熟一個(gè)案例，這不僅表現(xiàn)在其吹脫效果完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，而且還實(shí)現(xiàn)了尾氣的閉路循環(huán)，達(dá)到了完全無尾氣排放的新環(huán)保要求。

　　氨的回收利用也是本項(xiàng)目關(guān)注的重點(diǎn)之一。利用該企業(yè)的廢酸做吸收液，與來自動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離裝置尾氣管排出的尾氣直接接觸，通過反應(yīng)即可生成需要的銨產(chǎn)品。

　　三、結(jié)論

　　動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離和傳統(tǒng)的蒸餾、吸收、噴淋和鼓泡一樣，也是一種用于氣液相傳質(zhì)的單元操作過程。同時(shí)，因?yàn)槠鋫髻|(zhì)過程完全是依靠由高速旋轉(zhuǎn)的泡沫構(gòu)成的動(dòng)態(tài)液膜來完成的，因此也可看作是一種新型的動(dòng)態(tài)液膜分離技術(shù)。這種全新的動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫駐波層設(shè)計(jì)，不僅可以獲得極高的動(dòng)態(tài)傳質(zhì)比表面積，還可獲得操作工況下的最大的傳質(zhì)推動(dòng)力和較高的駐波更新頻率，從而可以獲得極高的傳質(zhì)效率。借助于這種高效的傳質(zhì)單元設(shè)備與技術(shù)，使我們可以實(shí)現(xiàn)任意高濃度的高氨氮污水在常溫下的高效率脫氨氮。

　　新型的動(dòng)態(tài)液膜分離技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的靜態(tài)膜分離，不需要固定的膜組件和外加機(jī)械動(dòng)力，也無須加入特定的表面活性劑或其他的第三組分，而是直接利用廉價(jià)的環(huán)境空氣與液相接觸，在特殊設(shè)計(jì)的波管內(nèi)生成由高速旋轉(zhuǎn)的氣泡群構(gòu)成的駐波層完成特定的氣液相傳質(zhì)過程，不僅高效，而且價(jià)廉，有極高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

　　動(dòng)態(tài)液膜分離技術(shù)與裝置特別適用于各類高氨氮，包括特高氨氮(2000mg/L以上，無上限限制)污水的常溫脫氮，采用純物理操作，即可將污水中的任意高濃度的氨氮值直接降至200mg/L以下，如果結(jié)合其他輔助方法，亦可直接處理至達(dá)標(biāo)排放。

　　動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離法常溫脫氮技術(shù)與工藝，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝配置靈活，可以滿足從每天幾噸至幾千噸，甚至幾萬噸的污水處理量的需要。如果需要，該工藝系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行，亦可實(shí)現(xiàn)與其他任何預(yù)處理工藝與后續(xù)污水深度處理工藝的無縫連接，以滿足各行業(yè)各類不同水質(zhì)高氨氮污水達(dá)標(biāo)處理的需要。

　　采用動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離技術(shù)與裝置處理高氨氮污水，不僅可以實(shí)現(xiàn)“常溫脫氮”，不僅高效，項(xiàng)目投資與實(shí)際處理成本均低于傳統(tǒng)工藝，而且項(xiàng)目建設(shè)所需要的占地面積也要少于傳統(tǒng)工藝。

　　動(dòng)態(tài)膜旋轉(zhuǎn)泡沫分離技術(shù)與裝置，作為一種氣液相傳質(zhì)的單元操作過程，和其他傳統(tǒng)的傳質(zhì)單元操作一樣，不僅可以用于高氨氮污水的處理，同樣可應(yīng)用于工業(yè)煙氣的處理。（湘潭大學(xué) 周大軍）