膜技術(shù)處理重金屬廢水

曾 杰,吉希希,任 會(huì),陳 迪,王春雄,陳 晗

(湖南工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院,湖南株洲 412008)

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膜技術(shù)處理重金屬廢水

曾 杰,吉希希,任 會(huì),陳 迪,王春雄,陳 晗

(湖南工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院,湖南株洲 412008)

文章論述了重金屬離子的危害性、膜技術(shù)優(yōu)點(diǎn),同時(shí)闡述了反滲透、微濾、超濾、納濾、液膜分離技術(shù)在重金屬廢水中的研究和應(yīng)用情況。

重金屬;膜技術(shù);廢水處理

近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,廢水的大量排放,重金屬的污染也日益嚴(yán)重。重金屬的來源非常廣泛,重金屬通過礦山開采、金屬冶煉、金屬加工及化工生產(chǎn)廢水、石化燃料、施用農(nóng)藥化肥和生活垃圾等人為污染源,以及地質(zhì)侵蝕、風(fēng)化等天然源形式進(jìn)入人體,加之重金屬毒性大、在環(huán)境中不易被代謝、易被生物富集并有生物放大效應(yīng)等特點(diǎn),不但污染水環(huán)境,也嚴(yán)重威脅人類和水生生物的生存。含重金屬離子的廢水對環(huán)境污染有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn):(1)重金屬污染物在自然環(huán)境中不能自行分解為無害物質(zhì),而只能發(fā)生形態(tài)的改變或在不同相之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移,在這些過程中其毒性并未得到根本性的消除,若處置稍有不當(dāng),重金屬離子會(huì)返溶于水中,重新產(chǎn)生危害,形成“二次污染”;(2)生物體從環(huán)境中攝取重金屬,經(jīng)過食物鏈的生物放大作用,逐漸地在較高級(jí)的生物體內(nèi)富集起來;(3)重金屬進(jìn)入人體后能夠和生理高分子物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用而使之失去活性,也可能積累在人體中造成慢性中毒,而這種積累性危害有時(shí)需要十多年才顯現(xiàn)出來。如何有效地治理重金屬污染已成為人類共同關(guān)注的問題。

膜分離技術(shù)作為一種高新技術(shù)在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域已有廣泛的研究和探索,因其分離效率高、無相變、節(jié)能環(huán)保、設(shè)備簡單、操作簡便等特點(diǎn)[1],使其在水處理領(lǐng)域具有相當(dāng)大的技術(shù)優(yōu)勢,已成為水處理領(lǐng)域中不可缺少的技術(shù)之一,被公認(rèn)為是當(dāng)代最有發(fā)展前途的高新技術(shù)之一。膜分離技術(shù)應(yīng)用到重金屬廢水的處理中,不僅使?jié)B透液達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)或再生產(chǎn),而且能回收有價(jià)資源。近幾年科學(xué)工作者對膜分離技術(shù)在重金屬廢水處理方面做了不少的探討,并且有了一定的應(yīng)用。當(dāng)膜處理材料和膜處理設(shè)備的技術(shù)提升和制造成本的降低達(dá)到一定水平之后,重金屬廢水處理將有一個(gè)較大的突破。

1 膜技術(shù)

1.1 反滲透技術(shù)

反滲透又稱逆滲透,一種以壓力差為推動(dòng)力,從溶液中分離出溶劑的膜分離操作。對膜一側(cè)的料液施加壓力,當(dāng)壓力超過它的滲透壓時(shí),溶劑會(huì)逆著自然滲透的方向作反向滲透。從而在膜的低壓側(cè)得到透過的溶劑,即滲透液;高壓側(cè)得到濃縮的溶液,即濃縮液。若用反滲透處理海水,在膜的低壓側(cè)得到淡水,在高壓側(cè)得到鹵水。反滲透膜處理重金屬廢水,不僅使?jié)B透液達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),而且濃縮液可直接回用或進(jìn)一步回收處理,這個(gè)過程是廢水中重金屬離子回用的一個(gè)值得探究的方向。

反滲透技術(shù)自二十世紀(jì)七十年代開始用于電鍍廢水處理,并逐漸推廣到其他重金屬廢水處理領(lǐng)域。眾所周知,現(xiàn)在日本的絕大多數(shù)電鍍廠已采用膜分離技術(shù)來處理電鍍廢水[2]。用反滲透技術(shù)處理含重金屬的廢水不需投加藥劑,能耗低,設(shè)備緊湊,易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,且不改變?nèi)芤旱奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì)。鐘常明等[3]采用韓國世韓集團(tuán)公司的超低壓反滲透膜RE4040-BL對礦山酸性廢水進(jìn)行處理與回用研究,結(jié)果表明:在最佳的操作條件下,超低壓反滲透膜對重金屬離子和溶液的總電導(dǎo)率的截留率分別達(dá)到97%和98%以上。Mohsen-Niaa等[4]采用CSM公司生產(chǎn)的RE2012-100反滲透膜(截留率96%),可以有效脫除廢水中的Cu2+和Ni2+,通過加入螯合劑,對Cu2+和Ni2+截留率可以達(dá)到99.5%。Covarrubias等[5]利用FAU陶瓷反滲透膜處理制革廢水,對制革廢水中Cr3+的去除率大于95%。反滲透雖然反滲透膜幾乎截留所有無機(jī)物質(zhì)、操作壓力低,有很好的機(jī)械穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性及水解穩(wěn)定性,特別適宜稀溶液的濃縮,但也存在一些問題,反滲透膜對濃度較高的溶液的處理將受到滲透壓和膜本身耐壓的限制,水回收率較低,不具備獲得高濃度溶液的能力,濃縮比有限,膜的質(zhì)量還有待提高,耐氯性及抗污染性差等,在這些方面有待改善。

1.2 微濾膜技術(shù)

微濾是以壓力差為推動(dòng)力,截留水中粒徑在0.02～10μm之間的顆粒物的膜分離技術(shù)。微濾膜的孔徑通常大于0.1μm,因此不能直接截留重金屬離子,必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理如氧化、還原、吸附等手段將金屬離子轉(zhuǎn)化為大于0.1μm的不溶態(tài)微粒,再利用微濾膜將其有效去除。如還原-微濾:Cr6+向Cr3+的轉(zhuǎn)化,可用某些還原劑,如二氧化硫、偏亞硫酸氫鈉、亞鐵類化合物等使Cr6+被還原成Cr3+,這樣就使得微濾膜能夠除掉含Cr6+的廢水,Cr6+可處理到低于0.01 mg/L,鎘的存在并不影響對鉻的處理,此工藝對鎘的去除效果可達(dá)到出水中鎘含量低于0.002 mg/L,使運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)合理,頗具吸引力;沉淀-微濾:用某些物質(zhì)作為為重金屬的共沉淀劑,再配以微濾膜濾除沉淀物的工藝,對重金屬有很高的去除效果。趙軍等[6]應(yīng)用絮凝沉淀與中空纖維膜微濾(CMF)組合工藝處理低放射性的含钚廢水,建立了處理含鈾、钚、镅的混合廢水的實(shí)驗(yàn)工藝流程并進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,采用CMF工藝處理含鈾、钚、镅的混合廢水,單級(jí)處理的總?cè)コ蔬_(dá)到99.87%。

1.3 超濾技術(shù)

按照超濾膜的孔徑和截流特點(diǎn),一般不用來處理重金屬廢水,但是經(jīng)過被分離對象化學(xué)性質(zhì)的改變,也能用超濾膜來處理[7]。超濾是一種加壓膜分離技術(shù),是利用一種壓力活性膜,在外界推動(dòng)力(壓力)作用下截留水中膠體、顆粒和分子量相對較高的物質(zhì),而水和小的溶質(zhì)顆粒透過膜的分離過程。通過膜表面的微孔篩選可截留分子量為3×10 000～1×10 000的物質(zhì)。當(dāng)被處理水借助于外界壓力的作用以一定的流速通過膜表面時(shí),水分子和分子量小于300～500的溶質(zhì)透過膜,而大于膜孔的微粒、大分子等由于篩分作用被截留,從而使水得到凈化。也就是說,當(dāng)水通過超濾膜后,可將水中含有的大部分膠體硅除去,同時(shí)可去除大量的有機(jī)物等。因此在處理含重金屬離子廢水中可采用膠束強(qiáng)化超濾法,它是最近發(fā)展起來的與表面活性劑技術(shù)相結(jié)合的方法,并取得了良好的效果。如許振良等[8]利用三種單皮層PEI中空纖維超濾膜對水溶液中重金屬離子鎘和鉛的脫除進(jìn)行了膠束強(qiáng)化超濾研究,測定了流速、壓力、表面活性劑(十二烷基硫酸鈉與十二烷基磺酸鈉)與濃度對重金屬離子分離性能的影響,結(jié)果表明鎘和鉛的截留率99%以上。銀玉容等[9]用抗污染超濾膜(聚偏氟乙烯合金膜)、高壓納濾膜(聚芳香酰胺膜)處理含Cr6+,Ni2+,Cu2+等重金屬離子的電鍍廢水,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示采用抗污染膜超濾-納濾多級(jí)膜處理后Cr去除率可達(dá)93.8%,電鍍廢水可達(dá)電鍍清洗水標(biāo)準(zhǔn)。易瓊[10]通過研究也發(fā)現(xiàn)單一使用超濾效果并不理想,而采用微濾+超濾+超濾工藝對水的濁度卻具有很好的去除效果。在實(shí)際連續(xù)生產(chǎn)過程中,超濾膜會(huì)受有機(jī)物、微生物污染及濃差極化現(xiàn)象等影響而引起阻塞,因此研究改善膜的材料、結(jié)構(gòu)、工藝及優(yōu)化分離操作條件,是超濾膜技術(shù)發(fā)展的主要方向[11]。

1.4 納濾膜技術(shù)

納濾又稱松散型反滲透,它具有納米級(jí)的孔徑,其截留直徑在0.1～1 nm之間,截留分子量200～1 000。納濾介于超濾和反滲透之間,具有其他的膜技術(shù)無法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢,隨著納濾膜制備技術(shù)和分離機(jī)理的研究、發(fā)展、完善,它將在重金屬廢水處理中得到廣泛應(yīng)用。納濾膜大多從反滲透膜衍化而來,如CA、CTA膜、芳族聚酰胺復(fù)合膜和磺化聚醚砜膜等。但與反滲透相比,其操作壓力更低,因此納濾又被稱作“低壓反滲透”或“疏松反滲透”,尤其是納濾對于二價(jià)及多價(jià)金屬離子有較高的截留率,對一價(jià)和高價(jià)金屬離子具有一定的選擇性,但納濾過程中的濃差極化會(huì)導(dǎo)致水通量和脫鹽率顯著降低,也往往會(huì)引起一些難溶鹽在膜上沉淀。因此實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注重集成工藝的開發(fā)和過程的優(yōu)化[12]。采用納濾膜技術(shù)回收水樣中的銅和鎘離子,納濾膜對Cu和Cd的最佳截留率分別為96%和97%;同時(shí),研究發(fā)現(xiàn)納濾膜對各種重金屬離子的平均截留率達(dá)97%。納濾膜具有荷電,對不同的荷電溶質(zhì)有選擇性截留作用,同時(shí)它又是多孔膜,在低壓下透水性高。納濾膜可脫除污水中農(nóng)藥、表面活性劑及三氯甲烷前驅(qū)物,非常適用于污水處理。Mohammad[13]等應(yīng)用納濾膜技術(shù)研究處理了含Ni-P電鍍工業(yè)廢水,使用帶負(fù)電荷納濾膜能成功地分離Ni和Na混合溶液,同時(shí)也成功地治理了含Ni-P電鍍工業(yè)廢水。鐘常明等[14]應(yīng)用納濾膜技術(shù)脫除礦山酸性廢水中的重金屬離子,結(jié)果表明,在最佳條件下, DK2540納濾膜對礦山酸性廢水中的重金屬離子截留率達(dá)到97%以上。李愛陽等[15]研究的廢鐵屑-膜分離法處理含鉻廢水所采用的就是鈉濾法,通過研究發(fā)現(xiàn)用此法處理含鉻廢水時(shí)當(dāng)膜操作壓力為0.7 MPa,進(jìn)料流量為50 L/h,溫度為70℃時(shí),對含鉻廢水的處理效果最好,使廢水中的鉻達(dá)99.5%以上。但納濾膜孔易堵塞,懸浮物或水溶性大分子在膜孔中受到空間位阻,水溶性大分子在膜孔中的表面吸附、以及難溶性物質(zhì)在膜孔中的析出,都可能產(chǎn)生膜孔堵塞[16]。

1.5 液膜技術(shù)

液膜是以濃度差或pH值差為推動(dòng)力的膜,由萃取與反萃取兩個(gè)步驟界面膜構(gòu)成液體膜分散于重金屬廢水時(shí),流動(dòng)載體在膜外相界面有選擇地絡(luò)合重金屬離子,然后在液膜內(nèi)擴(kuò)散,在膜內(nèi)相界面上解絡(luò),重金屬離子進(jìn)入膜內(nèi)相得到富集,流動(dòng)載體返回膜外相界面,如此過程不斷進(jìn)行,廢水得到凈化。富集的膜內(nèi)相液膜破乳后可回收利用重金屬,液膜法具有工藝設(shè)備簡單、分離快、選擇性高、耗能少、乳液可再生、重金屬資源可回收等優(yōu)點(diǎn)。

液膜將兩種組成不同的溶液隔開,經(jīng)選擇性滲透而使物質(zhì)分離提純,可從低濃度廢水中分離、富集重金屬離子。用SLM分離電鍍洗水中的銅、鋅和鉻離子,分別采用了特定的載體來回收每種重金屬,該方法可得到高純度的滲透液。謝少雄等[17]發(fā)現(xiàn),用煤油作溶劑,Span-80作表面活性劑,Tx-10作助劑,P204作載體,硫酸作內(nèi)相酸制得的液膜體系,當(dāng)采用較佳膜相處理組成(Span-80 7%,Tx-102%, P2046%,煤油85%)處理含銅濃度為100 mg/L的料液,經(jīng)一次液膜處理后可降低至0.9 mg/L,銅的萃取率大于99%。中空纖維更新液膜作為一種新型的液膜技術(shù)克服了傳統(tǒng)液膜技術(shù)存在許多未能有效解決的關(guān)鍵性問題,如乳化液膜的制乳、破乳困難及泄漏、溶脹;支撐液膜的載體流失、穩(wěn)定性差等問題。可同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢水中Cr的分離與富集。處理后,廢水中Cr含量小于0.5 mg/L,Cr的去除率達(dá)99.8%,達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn);富集液中 Cr濃度高達(dá)2 500 mg/L[18]。液膜法液膜分離技術(shù)具有設(shè)備簡單、選擇性較高、能耗低等優(yōu)點(diǎn),但由于液膜法處理的流率較低、機(jī)械穩(wěn)定性差和傳輸性能較低等缺點(diǎn),從而限制了液膜法在工業(yè)上的應(yīng)用[19]。

2 膜技術(shù)的應(yīng)用

近30年來,膜技術(shù)作為一門新型的高分離、濃縮、提純及凈化技術(shù),新的膜過程不斷地得到研究開發(fā),如膜蒸餾、膜生物反應(yīng)器、控制釋放膜、仿生膜及生物膜等:各種膜分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛地滲透到人們生活和生產(chǎn)的各個(gè)方面,如環(huán)保、化工、冶金、電子、輕工、紡織、石油、食品、醫(yī)藥、生物工程、能源工程等。國外有關(guān)專家甚至把膜分離技術(shù)的發(fā)展稱為第三次工業(yè)革命,認(rèn)為膜分離技術(shù)是20世紀(jì)末至21世紀(jì)中期最有發(fā)展前途的高新技術(shù)之一[20]。

反滲透膜分離技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門新的膜分離技術(shù),作為分離領(lǐng)域的一個(gè)分支,具有廣闊的發(fā)展前景。由于其優(yōu)良的分離性能,它的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛。因此,我國對反滲透的開發(fā)與國外起步時(shí)間相差不大。反滲透技術(shù)最初只用于海水淡化,后來逐步擴(kuò)大到苦咸水淡化、污水的處理、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生、飲料凈化、超純水制備等方面,產(chǎn)生了很高的經(jīng)濟(jì)效益。在城市廢水的深度處理中,利用反滲透技術(shù)以及納濾技術(shù)對二級(jí)排放液進(jìn)行最后的脫鹽軟化以及COD、BOD微量有機(jī)物重金屬離子的最后脫除,并已取得公認(rèn)的效果。另外,率先應(yīng)用于航天工業(yè)的高技術(shù)RO系統(tǒng)已經(jīng)顯示出其強(qiáng)大的商業(yè)價(jià)值和市場前景。有資料預(yù)測反滲透工藝將取代其它工藝成為適用于任何水源的首選水處理方案。在水資源普遍匱乏的今天,如何提高水利用率以及降低水處理成本將是關(guān)系到企業(yè)以及社會(huì)利益的大問題,反滲透膜的發(fā)展前景廣大。開發(fā)具有低能耗、抗污染、耐高溫、高壓和特種分離等性能的反滲透膜組件以及與超濾、微濾、納濾等膜組件的綜合應(yīng)用是今后反滲透的主要發(fā)展方向。

微濾膜是均勻的多孔薄膜,其技術(shù)特點(diǎn)是膜孔徑均一、過濾精度高、濾速快、吸附量少且無介質(zhì)脫落等。微濾膜技術(shù)主要應(yīng)用于食品飲料、醫(yī)藥衛(wèi)生、電子、化工及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[21]。研究人員采用混凝-微濾組合工藝處理鉻鞣廢水和綜合廢水。董亞玲等就是將傳統(tǒng)的化學(xué)沉淀法與微濾膜分離法相組合形成了一種新的混凝-微濾膜工藝,此法處理含鉻廢水流程簡單、工作壓力低、停留時(shí)間短、處理效果好?？梢妼鹘y(tǒng)的處理方法與膜處理方法相結(jié)合,也是以后值得研究的一個(gè)方向。

自20世紀(jì)60年代以來,超濾很快從實(shí)驗(yàn)規(guī)模發(fā)展成為重要的工業(yè)單元操作技術(shù)。它已廣泛用于食品、醫(yī)藥、工業(yè)廢水處理、高純水制備及生物技術(shù)工業(yè)、城市污水處理及其他工業(yè)廢水處理領(lǐng)域,并且在反滲透預(yù)處理、飲用水制備、制藥、色素提取等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。機(jī)械行業(yè)工件的潤滑和石化行業(yè)的煉制及加工等會(huì)產(chǎn)生含油廢水,其油一般以漂浮油、分散油和乳化油三種形式存在,其中乳化油的分離難度最大,用電解或化學(xué)法破乳使油粒凝聚的費(fèi)用較高,而超濾不需要破乳直接可將油水分離,適用于高濃度乳化油的處理和回收。超濾出水可作為循環(huán)冷卻水,這是造紙用水、冶煉廠等對水質(zhì)要求不太高的工業(yè)用水水源。此外,皮毛加工及毛紡過程會(huì)產(chǎn)生大量的洗毛水,其中含有羊毛脂,洗毛水的傳統(tǒng)處理法是高速離心分離,其效率極低。用超濾法處理洗毛水不僅可以回收廢水中的羊毛脂,而且可回用洗毛水。

液膜法應(yīng)用于濕法冶金、生物醫(yī)藥、環(huán)?；さ阮I(lǐng)域,尤其在環(huán)保和冶金方面取得較大發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì),防止污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大課題,同時(shí)也為液膜分離技術(shù)的研究開創(chuàng)了新局面。北京化工大學(xué)在膜蒸餾、膜萃取及膜技術(shù)處理含重金屬離子廢水等方面開展了大量的研究工作,取得了一系列的研究成果。其中在中空纖維更新液膜技術(shù)處理含重金屬離子廢水方面已申請多項(xiàng)發(fā)明專利。萬印華[22]研究了液膜法處理高濃度含酚廢水,除酚率99.97%,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。潘碌亭[23]采用LMA-I-TOA -煤油-NaOH所組成的液膜體系,廢水處理后的乳液經(jīng)低電壓破乳后,可得到濃縮后的氨基J酸,達(dá)到綜合利用的目的。沈力人[24]研究了膜法處理對硝基苯胺廢水,以蘭-113B為表面活性劑、溶劑油為萃取劑、HCl溶液為內(nèi)相試劑,對含250 mg/L硝基苯胺工業(yè)廢水進(jìn)行處理,廢水經(jīng)進(jìn)一步處理后達(dá)到國家三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 語

膜法水處理技術(shù)被稱為是21世紀(jì)的水處理技術(shù),是近幾十年來發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛的技術(shù),具有節(jié)能、投資少、操作簡便、處理效率高等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用非常廣泛。工業(yè)廢水中往往含有很多濃度較低的重金屬離子,傳統(tǒng)的廢水處理方法不但能耗大,而且

大多只是污染物質(zhì)的轉(zhuǎn)移,會(huì)造成二次污染,因而膜技術(shù)在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,并顯示了有著廣闊的應(yīng)用前景。但是工業(yè)廢水往往含有酸、堿、油等物質(zhì),處理?xiàng)l件比較苛刻,因此,處理廢水使用的膜必須具有較好的材料性能,從而在苛刻的條件下保持良好的分離性能和較長的使用壽命。其次,膜分離技術(shù)一直受膜壽命和污染問題的阻礙,膜通量的下降將極大地降低膜的分離效率,因此對膜分離機(jī)理的研究、成膜技術(shù)及成膜材料的改善、膜設(shè)備及膜工程設(shè)計(jì)技術(shù)的提高顯得尤為重要。從這方面來看,開發(fā)抗污染等性能優(yōu)良的過濾膜具有重要的戰(zhàn)略意義。再者,工業(yè)廢水的復(fù)雜性,任何單一技術(shù)的處理往往達(dá)不到理想的效果,必須加強(qiáng)膜技術(shù)中小同膜分離過程的集成以及膜技術(shù)與其他水處理技術(shù)的集成工藝研究,發(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)勢,形成廢水深度處理的新工藝,回收有用物質(zhì),實(shí)現(xiàn)廢水的回用,這對于節(jié)約資源、降低處理費(fèi)用、保護(hù)環(huán)境并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

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Application of Membrane Separation Technique in Heavy Metal Wastewater Treatment

ZENGJie,J I Xi-xi,REN Hui,CHEN Di,WANGChun-xiong,CHEN Han

(Hunan University of Technology,College of Metallurgy Engineering,Zhuzhou412008,China)

The damages of heavy metal ions and advantagesof the membrane separation technology are discussed in this paper.Moreover,the studies and the applications of reverse osmosis,micro filtration,ultra filtration,nano-filtration,liquid membrane separation technology for heavy metal wastewater treatment are elaborated.

heavy metal;membrane separation technology;wastewater treatment

X703

A

1003-5540(2011)01-0043-05

曾 杰(1990-),男,本科,主要從事環(huán)保研究工作。

2010-12-10