平板陶瓷膜在污水處理中的應(yīng)用

代晉國，秦玉蘭，高明河，秦建濱，陳澤鳳

（廣西碧清源環(huán)保投資有限公司，廣西 梧州 543002）

1 引言

膜分離被認(rèn)為是一種高效節(jié)能的新型分離技術(shù)，是解決人類面臨的能源、資源、環(huán)境等重大問題的有效手段之一。而膜材料與膜技術(shù)一直也是國家鼓勵(lì)發(fā)展和重點(diǎn)支持的領(lǐng)域，陶瓷膜（Ceramic Membrane）又稱無機(jī)陶瓷膜，是以無機(jī)陶瓷材料經(jīng)特殊工藝制備而形成的非對(duì)稱膜。主要以不同規(guī)格的氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦和氧化硅等無機(jī)陶瓷材料為支撐體，經(jīng)表面涂膜、高溫?zé)贫?。陶瓷膜具有分離效率高、效果穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸堿、耐高溫、抗污染、機(jī)械強(qiáng)度高、分離過程簡單、能耗低、操作維護(hù)簡便、使用壽命長等優(yōu)勢，使其在分離領(lǐng)域和水處理領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注[1]。

2 平板陶瓷膜應(yīng)用在污水處理領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)陶瓷膜結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝特點(diǎn)分類，陶瓷膜可分為管式陶瓷膜和平板陶瓷膜兩種。管式陶瓷膜管壁密布微孔，在壓力作用下，原料液在膜管內(nèi)或膜外側(cè)流動(dòng)，小分子物質(zhì)透過膜、大分子物質(zhì)被膜截留，從而達(dá)到分離、濃縮、純化等目的。平板陶瓷膜板面密布微孔，在一定的膜孔徑范圍內(nèi)，滲透的物質(zhì)分子直徑不同則滲透率不同，以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動(dòng)力，以膜為過濾介質(zhì)，當(dāng)料液流過膜表面時(shí)，只允許水、無機(jī)鹽、小分子物質(zhì)透過膜，而阻止水中的懸浮物、膠和微生物等大分子物質(zhì)通過，以達(dá)到分離的目的[2]。平板陶瓷膜屬于低壓膜，所以比高壓管式陶瓷膜更節(jié)能，并且平板陶瓷膜屬于外部污染，清洗方便。因此，在應(yīng)用過程中，平板陶瓷膜可替代管式陶瓷膜。

在污水處理應(yīng)用領(lǐng)域，平板陶瓷膜的優(yōu)勢在于可應(yīng)用于MBR工藝，代替現(xiàn)有的有機(jī)膜。同時(shí)可以直接應(yīng)用于含有特殊污染物的廢水處理過程中：如含油廢水、海水淡化預(yù)處理等。由于平板陶瓷膜具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸堿、耐高溫、抗微生物能力強(qiáng)、分離精度高、機(jī)械強(qiáng)度高、易再生、使用壽命長等有機(jī)膜無法比擬的優(yōu)點(diǎn)[3]， 所以也拓展了有機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域。表1對(duì)比了平板陶瓷膜與有機(jī)膜的性能。

表1 平板陶瓷膜與有機(jī)膜性能對(duì)比表

3 平板陶瓷膜在污水處理領(lǐng)域應(yīng)用情況

平板陶瓷膜技術(shù)在國內(nèi)逐漸得到認(rèn)可和接受，工程應(yīng)用案例不斷增加，從而使國內(nèi)陶瓷膜行業(yè)得到了快速發(fā)展。但陶瓷膜技術(shù)在我國的發(fā)展歷程相對(duì)較短，以陶瓷膜為核心的膜分離工藝在國內(nèi)的應(yīng)用還不普遍，尤其在污水處理領(lǐng)域，更少有報(bào)道。在國家有關(guān)政策的鼓勵(lì)下，制膜企業(yè)在研發(fā)上的投入不斷增加，技術(shù)瓶頸也不斷突破，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也在加速。膜產(chǎn)業(yè)已形成相對(duì)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，包括上游膜材料的研發(fā)和銷售、中游膜組件的生產(chǎn)和銷售及下游膜工程應(yīng)用。水處理作為膜產(chǎn)業(yè)下游的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，目前國內(nèi)微濾/超濾技術(shù)相對(duì)成熟且占比較低，未來在水處理市場的份額有望提升。

我國的陶瓷超濾膜、微濾膜等已達(dá)到國際先進(jìn)水平，生產(chǎn)規(guī)模居于世界前列，但在陶瓷納濾膜上尚無與國外先進(jìn)產(chǎn)品抗衡的產(chǎn)品。下一步我國的平板陶瓷膜發(fā)展重點(diǎn)是開發(fā)納濾級(jí)平板陶瓷膜。目前，以德國ITN、日本明電舍為代表的國外公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無機(jī)平板膜MBR的商業(yè)化應(yīng)用，其中日本明電舍已進(jìn)入中國市場。而巴安水務(wù)已收購了德國ITN公司67.65%的股權(quán)，在我國的平板陶瓷膜技術(shù)已應(yīng)用到海水淡化領(lǐng)域。國內(nèi)山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院憑借自身在多孔陶瓷材料領(lǐng)域的研究優(yōu)勢和豐厚技術(shù)積累，通過持續(xù)高力度研發(fā)投入，完成了水處理用系列大尺寸陶瓷膜材料及組件的研究開發(fā)與市場化工作，使膜材料制造成本大幅降低，產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用受到用戶的廣泛好評(píng)。山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院已經(jīng)在納米陶瓷平板膜的研究開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化生產(chǎn)方面在國內(nèi)具有主導(dǎo)地位，而江蘇久吾高科股份有限公司、合肥世杰膜工程有限責(zé)任公司、廈門三達(dá)膜科技有限公司、江蘇新時(shí)高溫材料股份有限公司也都積極開展了國產(chǎn)平板陶瓷膜的制造和研發(fā)。

廣西某環(huán)保投資有限公司在平板陶瓷膜污水處理領(lǐng)域應(yīng)用方面，已有每天處理近十萬噸的工程項(xiàng)目在運(yùn)行。涉及領(lǐng)域包括工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)村城鎮(zhèn)污水以及屠宰廢水等行業(yè)。該公司以第五代納米陶瓷技術(shù)為基礎(chǔ)，自主研發(fā)的納米陶瓷膜污水處理技術(shù)（Nano Ceramic Membrane Wastewater Treatment Technique，簡稱NCMT）和一體化納米陶瓷膜高效水質(zhì)凈化器（Nano Ceramic Membrane High-efficiency Water Purifier，簡稱NCMWP），在工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)污水處理領(lǐng)域開拓了新的途徑，建設(shè)了亞洲首例萬噸級(jí)規(guī)模的納米陶瓷膜技術(shù)污水處理廠—賀州市旺高工業(yè)園區(qū)污水處理廠（2萬t/d）。公司擁有國內(nèi)第一個(gè)全指標(biāo)達(dá)到地表Ⅲ類水質(zhì)的納米陶瓷膜技術(shù)污水回用工程案例—粵桂合作特別試驗(yàn)區(qū)塘源污水處理廠，應(yīng)用一體化納米陶瓷膜高效水質(zhì)凈化器設(shè)備治理村鎮(zhèn)污水?dāng)?shù)十個(gè)示范工程。在陶瓷膜工程應(yīng)用方面積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。

4 平板陶瓷膜在污水處理領(lǐng)域應(yīng)用工程案例

4.1 旺高工業(yè)園區(qū)污水處理廠應(yīng)用工程（見圖1）

賀州市旺高工業(yè)區(qū)污水處理廠升級(jí)改造工程項(xiàng)目位于賀州市鐘山縣賀州旺高工業(yè)區(qū)內(nèi)西南興旺大道與富業(yè)路交叉點(diǎn)，占地36畝。污水處理廠的污水收集范圍主要是園區(qū)工業(yè)廢水和生活污水。旺高工業(yè)區(qū)污水處理廠處理規(guī)模為2萬t/d。污水處理廠升級(jí)改造工程項(xiàng)目主要對(duì)現(xiàn)有污水系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，采用“水力澄清池+NCMT生化池”工藝，設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)見表2。該廠升級(jí)改造后能滿足地方及園區(qū)的環(huán)保要求。污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 改造后旺高污水處理廠現(xiàn)場

表2 工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)

2016年7月到2017年7月，第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（見圖2），旺高工業(yè)區(qū)污水處理出水年CODCr平均值18.54mg/L、懸浮物7.62mg/L、氨氮1.04mg/L、BOD53.51mg/L、總磷0.30m/L、總氮6.96mg/L，系統(tǒng)出水水質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 污水處理廠一年運(yùn)行第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.2 平浪污水處理廠應(yīng)用工程（見圖3）

梧州市平浪污水處理廠位于梧州市長洲區(qū)平浪村上平七組平浪哈沖，總征地面積為1.9公頃，近期占地為1.5公頃。梧州市平浪污水處理廠采取分期建設(shè)的原則，近期建設(shè)規(guī)模為5000m3/d，遠(yuǎn)期建設(shè)規(guī)模為1萬m3/d。近期服務(wù)人口為2.22萬人，主要收集和處理梧州市長洲區(qū)平浪片區(qū)（環(huán)城高速路以東的區(qū)域）的生活污水以及梧州市不銹鋼制品產(chǎn)業(yè)園區(qū)企業(yè)自行處理后的工業(yè)廢水和職工生活污水。污水處理廠采用新型納米陶瓷膜污水處理技術(shù)處理后水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。平浪污水處理廠工程的設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表3。

圖3 平浪污水處理廠現(xiàn)場

表3 平浪污水處理廠工程的設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)

2016年7月到2017年7月，第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（見圖4），平浪污水處理出水年CODCr平均值16.31mg/L、懸浮物8.00mg/L、氨氮0.70mg/L、BOD53.44mg/L、總磷0.23m/L、總氮11.45mg/L。

圖4 污水處理廠一年運(yùn)行第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.3 在陶瓷膜應(yīng)用領(lǐng)域典型工程案例

某公司在平板陶瓷膜方面近幾年積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，總處理規(guī)模已接近每天處理各種污水近10萬t。表4為該公司近兩年采用納米陶瓷膜的典型工程案例。

表4 基于納米陶瓷膜技術(shù)部分典型案例

5 展望

隨著我國環(huán)保市場需求增強(qiáng)，膜行業(yè)下一步的需求量將會(huì)很高，膜技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域和水務(wù)領(lǐng)域必然將大顯身手。而作為21世紀(jì)最卓越的材料之一，平板陶瓷膜的應(yīng)用才剛剛起步，提高其分離精度，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，在污水處理領(lǐng)域勢必大有前途[4]。

未來陶瓷膜在污水處理領(lǐng)域的發(fā)展趨勢有：1）陶瓷膜與先進(jìn)的污水處理技術(shù)耦合，開發(fā)先進(jìn)的陶瓷膜污水處理技術(shù)；2）優(yōu)化平板陶瓷膜的工藝運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)一步提高其對(duì)污染物的去除效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的；3）規(guī)范陶瓷膜污水處理設(shè)計(jì)建造運(yùn)行規(guī)范；4）積極拓寬陶瓷膜水處理行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如在海水淡化、工業(yè)廢水處理、難生物處理工業(yè)污水、含油污水處理及飲用水處理等方面的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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