膜分离技术：分子级过滤的高效节能新技术

膜分离技术：分子级过滤的高效节能新技术

前言

现代膜分离技术是指不同粒径的分子混合物通过半透膜时，在分子水平上实现选择性分离的技术。半透膜又称分离膜或滤膜，是一种固定的膜组件，通常由特定的膜材料制成。膜壁布满小孔。根据孔径大小可分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等。这种固态膜分离过程通常采用错流过滤或死端过滤。

膜分离是20世纪初出现并在20世纪60年代以后迅速兴起的一门新型分离技术。膜分离技术具有分离、浓缩、净化、精制等功能，具有高效、节能、环保、分子过滤、过滤过程简单、易于控制等特点。因此，在食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域得到了广泛的应用，产生了巨大的经济效益和社会效益，成为当今分离科学中最重要的手段之一。

液膜分离也是一种有效的工业分离技术，它也属于物理分离过程，也是现代膜分离技术的一种。

但液膜分离并不采用固定的膜组件，而是模拟生物膜的结构，利用选择渗透的原理，利用膜两侧溶质的化学浓度差作为传质的推动力，使料液中待分离的溶质在膜相中富集浓缩，将待分离物质分离出来。分离过程所依赖的液膜通常由膜溶剂、表面活性剂和可移动载体等组成。

我们可以看出，无论是通过固定的膜组件完成的固体膜分离过程，还是由膜溶剂、表面活性剂和流动载体形成液膜完成的液体膜分离过程，其传质过程都是借助于相对稳定的传质膜界面来完成的，我们可以把这种稳定的传质膜界面看作是静态膜。该类静态膜的传质过程必须消耗外界的机械动力或化学力才能完成，因此工程投资和处理成本相对较高。

现有的研究和工业实践表明，还有另外一种特殊的液膜分离技术，我们称之为动态膜分离技术。它不需要固定的膜组件，也不利用特定液膜的选择渗透原理，而是利用气液两相之间溶质的浓度差作为传质的推动力，以两相间溶质分子的相平衡原理为驱动力，以最大限度提高两相间的有效传质面积、传质推动力和传质速率，促使液相中的溶质迅速转移到气相中，从而达到预期的传质效果。

由于动态膜分离属于纯物理方法，可在常温下操作，设备结构简单，适用性强，运行成本低，传质效率远高于传统设备，特别适用于各种吸收、解吸过程。工业实践证明，对于环保领域的高氨氮废水处理，特别是浓度高于/L的特高氨氮废水的处理，具有非常明显的技术优势和经济效益。

1.动态膜分离技术及其工作原理

1.1旋转泡沫动态膜分离技术及其工作原理

该类液膜分离的传质过程原理与一般的气液相平衡过程完全相同，只是相应的液相已被一层液膜所取代。由于这层液膜是不稳定的，在正常运行过程中它会不断更新，相互接触的气相和液相也在不断变化，这样相平衡关系也在不断变化。如下图所示：

在这种特定条件下形成的气泡层中，液相L仍为连续相，包裹在气泡层中的气相V为分散相。气泡内外表面为气液传质的相界面，当两相接触时，在气泡膜内外表面发生相平衡的物质转移，完成液膜传质过程。由于气泡层中气泡直径小，两相间传质距离极短，气泡数量巨大，气泡层更新频率高，使得我们在一定时间内可以获得远高于传统气液传质设备的比表面积和传质速率，大大提高设备的传质效率。

实测数据表明，当气泡层内气泡直径约为2~8mm、气泡层更新频率约为35~45次时，所能获得的气液相动态传质面积可达/m3.h，污水中氨氮的汽提速率可达53.1g/m3.h，远高于蒸汽汽提、汽提等传统传质设备，且可在常温下进行，可大大降低装置能耗及污水处理成本。

实际工程应用中的动态膜旋转泡沫分离装置由波管、尾气管、循环罐、风机、循环泵等组成。

它由五个主要部分组成。污水通过循环泵抽至造波管内，与进入造波管的高速气流直接接触，在液相流体作用下，被分散、扭曲、压缩，形成相对稳定的气泡。当两相动量达到平衡时，在造波管内就会形成由大量微细气泡组成的高度湍流驻波区，即动膜旋转泡沫分离区。

正常运行时动态膜旋转泡沫分离装置气相由风机进料，液相由循环泵进料，尾气管道负责尾气净化，循环罐负责气、液、固三相分离。

该装置可设计成不同规模、不同级数、不同安装形式的工艺系统，以满足不同行业不同污水处理量、不同氨氮浓度、不同处理要求的高氨氮污水处理需要。

动态膜旋转泡沫分离技术与设备是化工领域一种新型的传质单元操作，其传质原理仍为气液相平衡，但其所依赖的传质设备与传统的板塔、填料塔、鼓泡塔、喷淋塔、转盘塔等完全不同，它主要依靠驻波层的泡沫来完成两相传质，借助特定的动态液膜传质，不但可以获得很高的动态传质比表面积，而且可以获得很高的传质推动力，从而具有很高的传质效率。该技术可应用于气液两相乃至气液固三相之间的各种吸收、解吸和反应过程。在环境工程领域，可应用于各种大气污染的控制和各行业排放的难处理污水的处理。

1.2 动态膜旋转泡沫分离法常温脱氨技术优势

目前，高盐、高CODcr、高氨氮是各行业废水处理的最大难题。工业实践表明，动态膜旋转泡沫分离法可进行常温脱氮，属于纯物理方法，不需要任何化学试剂，可直接在常温下将任意高浓度高氨氮废水处理至200mg/L以下。而且工程投资和废水处理费用远低于传统工艺如蒸馏、汽提、常压汽提等。

工业实践也表明，在高氨氮废水，特别是特高氨氮（/L以上）废水处理领域，采用动态膜旋转泡沫分离法进行常温反硝化至少具有以下明显的技术经济优势：

（1）纯物理处理，无需添加任何化学药剂，对后续生化系统无影响；

（2）常温常压操作，不需要加压、加热等任何特殊的辅助设备，能耗低，适用性强；

（3）该设备无塔盘、无填料，不怕结垢、堵塞；

（4）对进口废水的氨氮、CODcr、盐分含量没有上限要求，特别适合高难度工业废水处理；

（5）设备内部无任何运动部件或特殊内部组件，设备运行稳定，后续维护简单；

（6）自带废气净化装置，气相可闭环全循环运行，实现废气零排放；

(7)容易被吹掉的氨可以被回收利用或加工成各种所需的氨产品；

（8）系统独立运行能力强，可方便地与其他污水处理工艺相结合，实现达标排放；

（9）设备具备三相反应分离功能，可液固操作，对污水适应性强；

（10）显著节能降耗，技术含量高，可大幅降低工程投资和污水处理费用。

动态膜旋转泡沫分离技术作为一种新型的单元操作工艺，不仅在高氨氮废水处理领域，而且在工业废气处理、餐饮油烟净化、锅炉烟气脱硫、脱硝、除尘等领域，已被项目工程实践证明具有较高的技术优势和经济效益。

2.动态膜旋转泡沫分离技术工程应用

2.1项目实例1：水合肼常温高氨氮废水脱氮处理项目

项目概况：

设计日处理水量：400t/d

实测处理水量：403t/d

设计进水氨氮含量：/L

实测进口氨氮含量：/L

设计出口氨氮含量：≦300mg/L

实测出口氨氮含量：136mg/L

该项目是动态膜旋转泡沫分离技术及装置中试成功后建成的第一套大型工业装置，也是常温脱氮在化工高氨氮废水处理中的首个成功案例。原设计为三级吹脱，但增加第二级时已达到项目方预期处理目标，因此也取消了第三级的设计。该装置已连续运行5年，无任何设备故障，无结垢、堵塞现象，运行效果得到用户好评。

2.2项目实例2：焦化高氨氮废水常温脱氮处理项目

项目概况：

设计日处理水量：1440吨/天

实测水处理量：5.67t/h

设计进水氨氮含量：/L

实测进口氨氮含量：/L

设计出口氨氮含量：≦200mg/L

实测出口氨氮含量：187mg/L

该项目是动态膜旋转泡沫分离技术在焦化高氨氮废水处理领域实现常温脱氮的首例，设计为两级汽提。项目实施前进行了现场中试，水处理量为5.6t/h。中试装置及操作人员由我们提供，原水及氨氮检测由项目方提供。项目方原先建有一套40t/h的蒸馏装置，专门用于处理焦化废水。中试效果远远超出了他们的预期，因为项目方厂区内已经有四家国内有一定影响力的环保公司做过现场中试，我们是第五家。该公司告诉我们，他们其实是将蒸馏后的污水稀释三倍后再送入后续的生化处理系统。如果采用我们的新技术，高氨氮污水经过动态膜旋转泡沫分离装置处理后，无需添加任何稀释水，即可直接送入生化系统处理。 不仅在不增加原有生化系统能力的情况下，污水处理能力可提高50%以上，而且每吨污水的处理成本至少可降低40元左右。根据当时的估算，该项目的投资回收期不到一年，每年节省的污水处理费用就高达2000万元。与传统工艺相比，该项目实施的经济效益十分明显。

但本项目中试结果也告诉我们，不同的水质、废水中氨氮的形态对动态膜旋转泡沫分离装置的工艺设计和处理效果有一定的影响。

2.3项目实例3：对苯二甲醛化工高氨氮废水处理

项目概况：

设计日处理水量：80吨/天

实测水处理量：4.5t/h

设计进水氨氮含量：/L

实测进口氨氮含量：/L

设计出口氨氮含量：≦500mg/L

实测出口氨氮含量：429mg/L

该项目是动态膜旋转泡沫分离技术及设备在实际工程应用最为成熟的案例，这不仅体现在其汽提效果完全达到了预期的设计效果，而且实现了废气的闭环循环，满足了完全零废气排放的环保新要求。

氨水回收利用也是本项目的重点之一，利用企业废酸作为吸收液，与动态膜旋转泡沫分离装置尾气管排出的尾气直接接触，经反应生成所需的氨水产品。

结论

动态膜旋转泡沫分离是一种气液传质的单元操作过程，就如同传统的蒸馏、吸收、喷雾和鼓泡一样。同时由于它的传质过程完全由高速旋转的泡沫组成的动态液膜完成，因此也可以看作是一种新型的动态液体膜分离技术。这种新型的动态膜旋转泡沫驻波层设计，不仅可以获得非常高的动态传质比表面积，还可以在操作条件下获得最大的传质推动力和高的驻波更新频率，从而获得非常高的传质效率。借助这种高效的传质单元设备和技术，我们可以实现对高浓度高氨氮废水的常温高效氨氮去除。

新型动态液膜分离技术不同于传统的静态膜分离，它不需要固定的膜组件和外界的机械动力，也不需要加入特定的表面活性剂或其他第三组分，而是直接利用廉价的环境空气与液相接触，在专门设计的波管中产生由高速旋转的气泡群组成的驻波层，完成特定的气液传质过程，不仅高效，而且价格低廉，具有极高的实际应用价值。

动态液膜分离技术及设备特别适合各类高氨氮，包括极高氨氮（/L以上，无上限）废水的常温脱氮，采用纯物理操作可将废水中任何高浓度氨氮直接降至200mg/L以下，若结合其他辅助方法，也可直接处理达标排放。

动态膜旋转泡沫分离法常温反硝化技术及工艺，设备结构简单，工艺配置灵活，可满足日处理几吨至几千吨，甚至上万吨的污水处理需要。必要时，工艺系统可独立运行，也可与任意其他预处理工艺及后续污水深度处理工艺实现无缝衔接，满足各行业、各类高氨氮污水处理达标要求。

采用动态膜旋转泡沫分离技术及设备处理高氨氮废水，不但可以实现“常温脱氮”，而且效率高，工程投资和实际处理费用较传统工艺低，所需工程建设占地面积也较传统工艺小。

动态膜旋转泡沫分离技术及装置作为气液传质的单元操作过程，不仅可以用于高氨氮废水的处理，还可以像其他传统的传质单元操作一样用于工业烟气的处理。（周大军，湘潭大学）