PTFE中空纤维膜法高氨氮废水处理技术及工业应用

昵称70339083 2020-06-05

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一、技术背景

PTFE（聚四氟乙烯）中空纤维膜由中国科学院大连化学物理研究所于2012年研发成功，该项技术已获得多项国内外奖项、专利，如：中国膜工业协会科学技术进步一等奖、IchemE全球奖高推荐奖及多项省部级科技进步一二等奖。历经多年研发与实践已成功实现工业化应用，高氨氮废水处理作为应用领域之一，提出了全新的高氨氮废水解决方案-PTFE中空纤维膜法。

二、技术介绍

高氨氮是造成水体富营养化、水体黑臭和环境污染的重要污染源，高氨氮废水（如：化工废水、农药废水、制药废水、垃圾渗滤液、焦化废水、化肥废水、稀土废水、有色金属冶炼废水、养殖废水、味精废水等）中氨氮浓度极高（500 mg/L以上，甚至达到上万mg/L）。

目前主要的脱氮技术有吹脱（气提）、蒸氨（汽提）、生物处理、化学沉淀、折点氯化、离子交换、反渗透等，上述技术存在氨氮处理浓度受限、投资高、运行成本大、占地面积大、操作复杂等问题，运用受到一定限制，亟需开发新的高氨氮废水解决方案，PTFE中空纤维膜法应运而生。

图1：膜吸收过程简图

PTFE中空纤维膜法是一种将物理或化学吸收和膜分离相结合的一种新型高效脱氨技术。首先，在高氨氮废水中加入一定量的碱液调节pH值，氨氮在水中存在着离解平衡（），随pH升高，氨在水中发生解离，当pH高于11时，高氨氮废水中98%的氨解离成游离态的。调节pH值后的高氨氮废水和稀硫酸吸收液分别进入膜接触器的管程和壳程，由于废水中氨已经解离成，会逐渐从气液界面挥发出来，扩散透过疏水多孔PTFE膜的膜孔进入稀硫酸中被吸收，具体吸收过程如图1所示。

三、技术特点

PTFE中空纤维膜法具有以下特点：

1、近常压操作，电能仅用于驱动高氨氮废水通过膜组件，无需配套鼓风机，无需消耗蒸汽，节电>80%；2、高氨氮废水和吸收剂非直接接触，两相独立控制，无液泛、泡沫夹带；3、膜吸收过程等同于吹脱塔+化学吸收塔或汽提塔+中和反应器的微观组合，膜内同时实现挥发性物质的分离与富集，具有高比表面积、高传质推动力，占地小，投资省等优点；4、可使用石灰调节高氨氮废水pH，无明显结垢堵膜现象，降低操作费用；5、装置可进行模块化设计，线性放大，出水氨氮数值可控，可与生物处理等无缝藕合；6、高氨氮废水经良好预处理后，操作性能稳定，使用寿命长；7、全流程封闭，有效避免二次污染；8、操作弹性大，小规模处理量时最为经济，而蒸氨必须要大规模方可使用，同时后期扩容方便；9、副产物（硫酸铵、磷酸铵、氯化铵、氨水等）种类多、浓度和纯度较高，可回用，能有效降低运行成本；10、PTFE中空纤维膜性能极其稳定，可清洗再生。

四、工业应用

1、PTFE中空纤维膜法2018年国际上首次应用于钒矿企业提钒高氨氮废水脱氨，废水处理量50t/d、进水氨氮浓度为5000mg/L，出水氨氮浓度低于10mg/L。

图2：高氨氮废水处理装置照片1

2、PTFE中空纤维膜法处理某农药厂高氨氮废水氨氮脱除改造项目（原采用PP中空纤维膜高氨氮废水处理系统，PP中空纤维膜高氨氮废水处理系统试运行一周后PP膜发生不可逆润湿、穿透现象，需对高氨氮废水处理系统进行改造，经过现场试验及综合比较最终选用PTFE中空纤维膜法高氨氮废水处理系统），废水处理量100t/d、进水氨氮浓度为2000~5000mg/L、COD为10000~30000 mg/L，出水氨氮浓度低于100mg/L。

农药废水脱氨氮工艺流程简述

高氨氮废水→ECO高级氧化预处理出水→砂滤→精密过滤器→换热器→管道混合器（加碱点）→袋式过滤器→原水缓冲罐→原水泵→保安过滤器→PTFE中空纤维膜脱氨装置（三级串联）→产水缓冲罐→产水泵→产水罐→后续处理。

高氨氮废水经ECO高级氧化预处理后首先进入砂滤、精密过滤器去除悬浮物后进入换热器进行降温，降至40~50℃，同时加碱使pH＞11，随后进入袋式过滤器进一步去除悬浮物，然后进入原水缓冲罐，经原水泵提升至一级、二级、三级PTFE中空纤维膜脱氨装置，为保护PTFE中空纤维膜脱氨装置在原水泵后设置保安过滤器，经PTFE中空纤维膜脱氨装置处理氨氮合格的废水进入产水缓冲罐，随后由产水泵送至产水罐，然后由泵送至后续处理工段。

辅助系统

PTFE中空纤维膜高氨氮废水处理系统需配套加碱系统、酸循环系统、铵盐处置系统、清洗系统等。

其中清洗是保证PTFE中空纤维膜脱氨装置脱氨效果及使用寿命的关键手段， PTFE中空纤维膜可反洗、可再生，使用寿命长。

PTFE中空纤维膜高氨氮废水处理系统产生的硫酸铵溶液送入原有蒸发设备蒸发结晶，形成固态铵盐，并外售实现资源化利用。

图3：高氨氮废水处理装置照片2

五、核心产品-PTFE中空纤维膜组件

膜材料PTFE具有强疏水性，高机械强度，化学性能非常稳定、不溶不熔、抗腐蚀，耐有机溶剂、耐酸碱、抗氧化等特点，如此使PTFE中空纤维膜具有难润湿、可清洗、寿命长等优点，但PTFE材料也同时存在材料成型困难，孔结构不易调节等缺点，世界上只有极少数公司能生产PTFE中空纤维膜，中国科学院大连化学物理研究所成功研发出PTFE中空纤维膜生产工艺并将产品应用于高氨氮废水处理，标志着中国已能规模化生产PTFE中空纤维膜。

表1：不同材料接触角及表面能